第二章金属的晶体结构

第二章金属的晶体结构目的：掌握有关晶体结构的基本概念，为后续学习打好基础。要求：熟悉常用的金属晶体结构、晶体中的缺陷及其对材料性能的影响；掌握固溶体与金属间化合物这两种基本的相结构类型及其本质区别及性能特点。重点：（1）三种常见的金属晶体结构及其基本性能；（2）实际金属晶体缺陷及其对性能的影响；（3）固溶体与金属间化合物。难点：确定晶面指数和晶向指数。只要求一般了解。§2-1纯金属的晶体结构材料的性能决定于材料的化学成分和其内部的组织结构。一、晶体的概念组成物质的微小粒子（原子、分子、离子、原子集团）在三维空间呈有规律的周期性重复排列的固态物质—晶体。晶体的特点：1、具有固定的熔点和凝固点；2、具有各向异性（单晶体）；3、具有规则多面体的对称外形；二、晶体结构：晶体中原子规则排列的方式1、晶体的表征1）晶格：用来描述原子在晶体中排列规律的空间格架。2）晶胞：反映晶格特征的最基本的几何单元。晶体中原子是有规律的周期性重复排列的，可从其晶格中确定一个最基本的几何单元来表达其排列规律的特征——晶胞。晶格可看作是由晶胞在空间堆砌而成。3）晶格参数晶胞各边尺寸a、b、c称为晶格常数，即三维坐标值，其大小常以0A（埃）为单位（10A=1×10-8cm=1×10-10m）。晶胞各边之间的相互夹角分别以α、β和γ表示。晶格形式及晶格参数不同，导致不同晶体表现出不同的物理、化学和机械性能。2、常见的三种金属晶格晶格类型（标记）体心立方晶格(BCC)面心立方晶格(FCC)密排六方晶格(HCP)晶格特征a=b=cα=β=γ=90°a=b=cα=β=γ=90°a=b≠cα=β=90°γ=120°晶格常数aa轴比c/a=1.633晶胞中原子数（N）246原子半径（r）a43a42a21配位数（CN）81212致密度（K）0.680.740.74主要元素α-Fe、Cr（铬）、Mo（钼）、W（钨）、V（钒）等γ-Fe、Al（铝）、Cu（铜）、Ni（镍）、Pb（铅）、Au（金）、Ag（银）等Be（铍）、Mg（镁）、Zn（锌）、Cd（镉）等立方晶格每个晶胞中所含有的原子数计算式：82rfiNNNN其中：Ni、Nf、Nr分别表示位于晶胞内部（体心）、面心、顶点上的原子数。配位数：晶格中任一原子周围与其等距离的最近邻的原子数目。致密度：晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。原子直径：最邻近的原子（刚性）彼此相切，相切的两个原子中心之间的距为原子直径。结论：1）金属原子趋于紧密排列。K≥68%；金属键没有方向性和饱和性，结合对象的选择性不强；金属中有间隙，α-Fe中C的最大溶解度为0.0218%，γ-Fe中C的最大溶解度为2.11%。2）配位数越大，金属原子排列越紧密，说明相同数量的原子所占有的空间位置越小，反之则越大。γ-Fe→α-Fe，冷却过程，但体积膨胀；α-Fe→γ-Fe，加热过程，但体积收缩；A→M，冷却过程，但体积膨胀。热胀冷缩的前提是不发生晶格的变化。3）KFCC=KHCP=0.74（CNFCC=CNHCP=12）但性能不同。3、金属晶体中的晶面指数、晶向指数晶面：晶体点阵中，由物质质点所组成的平面。晶向：晶体点阵中，穿过物质质点所组成的直线方向。1）晶面指数的标定根据晶面与三个坐标轴的截距的倒数并取最小整数来确定，用（hkl）表示。（1）设定三维参考坐标系：设晶格中某一原子为原点，OX、OY、OZ为正向，反之为反向，坐标原点设在待定晶面之外。（2）求待定晶面在三坐标轴上的截距。（3）将三截距取倒数。（4）将三截距倒数按比例化为三个互质的整数h、k、l，依次标入（）中，即为所求晶面指数。如立方晶格中的重要晶面指数：（100）、（110）、（111）等。晶面指数：并非仅指某晶格中的某一晶面，而是泛指该晶格中所有那些与其相平行的位向相同的晶面。晶面族：晶格中原子排列相同而位向不同的晶面称为晶面族。用{hkl}表示。2）晶向指数的标定（1）过坐标原点引一直线，使其平行于待定的晶向；（2）求出该直线上任一点（原点除外）的三个坐标值；（3）将三个坐标值按比例化为最小整数，依次标入[]中，即为所求晶向指数。[uvw]，[100]、[110]、[111]晶向指数：并非仅指某晶格中的某一晶向，而是泛指该晶格中所有那些与其相平行的方向相同的晶向。晶向族：在晶格中原子排列相同的等同晶向。＜uvw＞在立方晶格中，指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。4、金属晶体的各向异性由于晶格中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而晶体在不同方向上的性能便有所差异，这就是晶体的各向异性。而实际金属材料中，一般各向异性并不表现出来，晶体的理想结构与实际金属结构相差甚远。各向异性的应用：1、硅钢片＜100＞晶向有优异的导磁率，使其平行轧制方向；2、发动机叶片。三、纯金属的实际晶体结构单晶体：一块晶体内部的晶格位向完全一致。单晶体具有各向异性。工业金属材料中包含有许多小晶体，每个小晶体内部，晶格位向都是均匀一致的，而各个相邻小晶体之间的位向都不相同。小晶体的外形多为不规则的颗粒状，称为“晶粒”。晶界：多晶体材料内部，结构及成分相同，而位向不同的两部分晶体之间的界面。（晶粒与晶粒之间的界面）多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。多晶体材料不表现各向异性的原因：虽然每个晶粒都是各向异性的，但由于任意分布，晶体的性能在各个方向相互补充或抵消，再加上晶界的作用，掩盖了每个晶粒的各向异性，只表现出它们的平均性能。钢铁材料的晶粒尺寸较小，需借助显微镜才能观察，有色金属的晶粒尺寸较大，锑桶的镀锌层。显微组织：在显微镜下观察到的金属中的各种晶粒的大小、形态和分布。组织和性能的关系：金属材料的性能由金属内部的组织结构决定。组织的决定因素：化学成分和工艺过程。1、晶体缺陷晶格缺陷按其几何形状特点分为三类：1）点缺陷在三维的三个方向上尺寸都很小的缺陷。常见的点缺陷有：晶格空位、间隙原子、置换原子、杂质原子等。点缺陷是热力学稳定缺陷，具有一定的热力学平衡浓度。点缺陷导致晶格畸变。过饱和的点缺陷可提高强度和硬度，但降低塑性和韧性——固溶强化2）线缺陷在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸都很小的缺陷。常见的线缺陷为位错。位错密度（ρ）：单位体积中位错线的长度。（ρ=105~1012cm/cm3）位错导致晶格畸变。位错密度极少时，即理想晶体的强度很高。当位错的密度增大到一定值后，强度随着位错密度的增加而提高。增加位错密度可提高强度——加工硬化。3）面缺陷在两个方向上尺寸较大，而在另一个方向上尺寸很小的缺陷。常见的面缺陷有：晶界、亚晶界、相界等。晶界：多晶体材料内部结构及成分相同，而位向不同的两部分晶体（晶粒）之间的界面。相界：晶体材料内部，结构不同、甚至成分也不同的两部分晶体（晶粒）之间的界面。螺型位错晶格缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸变，引起晶格能量升高，使金属的物理、化学和机械性能发生显著变化。电阻升高，耐蚀性降低。晶界、亚晶界，位错的增多，强度提高；细化晶粒导致晶界增多，强度提高。晶界特点：晶界处自由能比晶内高。1）常温下，晶界强度、硬度高于晶内；2）晶界处易腐蚀，熔点低，易过烧；3）晶界处原子扩散快，形核快。晶界对机械性能、变形、再结晶、相变过程有重大影响。面缺陷可提高金属材料的强度、硬度、塑性和韧性。增加面缺陷的数量可改善金属机械性能——细晶强化。§2-2合金的晶体结构合金：通过熔炼、烧结或其它方法将两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素结合在一起所形成的具有金属特性的物质。合金的结晶过程也经历晶核的形成和晶核的长大，结晶产物是含有两种或两种以上的晶体。在固态合金中，晶粒的化学成分和晶格结构可能完全均匀一致，也可能不一致，用“相”加以区分。相：在金属或合金中，凡化学成分相同、结构相同、原子聚集状态相同，并与其它部分有界面分开的均匀部分称为相。按晶格类型（结构）的基本属性，相分为两类：固溶体、金属间化合物。一、固溶体固溶体：当合金由液态结晶为固态时，形成一种在某一组元的晶格结构中包含其它原子的新相1、分类：1）按溶质原子在溶剂晶格中的位置不同分类：置换固溶体间隙固溶体2）按溶质原子在溶剂中溶解度大小分类有限固溶体、无限固溶体间隙固溶体、置换固溶体与有限固溶体、无限固溶体的关系。2、固溶体特性溶质原子溶入溶剂晶格后，使溶剂晶格发生畸变，引起固溶强化，使合金强度、硬度提高，塑性、韧性下降——固溶强化：通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度提高的现象。固溶强化是一种主要强化手段，适当控制溶质元素含量，在强度、硬度提高同时，仍保持固溶体具有相当塑性和韧性。二、金属间化合物金属间化合物：构成合金的组元相互作用生成的晶格类型和性能完全不同于任一组元，并具有一定金属性能的新相。1、金属间化合物结构：具有与组元不同的晶格类型，形成新的晶格类型，多为复杂晶格结构。2、金属间化合物特性：熔点高，脆而硬。合理存在可提高合金的强度、硬度、热强性、红硬性、耐磨性，但塑性和韧性下降。思考题：已知FeFe912时，Fe的晶格常数为a=0.290nm，Fe的晶格常数为a=0.364nm，计算FeFe912时体积的变化率。