第一章固态金属和合金的结构

1第一章固态金属和合金的结构在绪论中介绍过，金属材料的性能取决于化学成分、组织和结构三个内在因素。这意味着，即使化学成分相同的金属材料，如果加工工艺不同（比如热处理工艺不同），那么得到的组织或结构也不同，从而使金属材料具有不同的性能。因此，组织和结构是理解许多金属材料问题的关键，是金属学的基本内容之一。一般情况下，固态金属和合金大多数是晶体，所以其结构又称晶体结构。本章只讨论结构的问题，不涉及组织。§1金属和合金从广义的角度来说，具有金属特性的物质都可以称为金属，因此合金也是金属。但在本章中，为方便学习，金属这一概念是指纯金属。一、纯金属、合金和组元在人类发现的一百多种元素中，金属元素约占五分之四，有80多种。在常温下，除汞为液态外，其余的均为固态。通常将基本上由一种金属元素组成的材料称为纯金属，而将由两种或两种以上元素组成的、具有金属特性的材料称为合金。组成合金的元素称为组元。由两种元素组成的合金称二元合金，由三种元素组成的合金称三元合金，由多种元素组成的合金称多元合金。迄今为止，人类创造和使用的金属材料，绝大多数是合金。纯金属只有在现代科学技术的基础上，才有可能进行生产和使用，而且“纯”只有相对意义，没有纯度100%的金属。无论纯金属的“纯度”有多高，总是或多或少含有微量的其它杂质元素。因此，很难在纯金属和合金之间划出一条严格的界线。二、合金元素和杂质元素在金属材料中，为提高金属材料的性能而有意添加的元素称合金元素，而恶化金属材料性能、偶尔混入或难于除尽的元素称为杂质元素。但必须指出，同种元素对某一材料来说可能是杂质元素，而对另一种材料来说就可能是合金元素。例如，钢中的硫一般是有害的杂质元素，应尽力除去，但在易切削钢中它却是有益的合金元素，能提高钢的切削性能。§2金属原子间的结合一、单个金属原子的结构特点原子结构理论指出，孤立原子是有带正电的原子核和带负电的电子组成，每个电子都位于原子核外的一定轨道上，围绕原子核运动，形成不同的电子层。单个金属原子的结构特点是，最外层电子数（即价电子数）很少，一般1到2个，不超过3个。由于金属原子的最外层电子数少，它们和原子核的结合力最弱，很容易摆脱原子核的束缚而成为自由电子，而失去电子的金属原子就变成正离子。正是由于金属原子的这一结构特点，决定了固态金属原子之间的结合方式是金属键。二、固态金属原子间的结合方式——金属键1.金属键及其特点当大量金属原子聚集在一起是，由于金属原子的结构特点，大多数原子的最外层电子很容易摆脱原子核的束缚，成为自由电子。这些自由电子不属于任何一个原子，而属于整个金属“共有”，它们在金属中形成所谓的“电子云”或“电子气”。如图1.1所示。金属就是依靠正离子和运动于其中的自由电子的静电作用结合起来的。这种结合方式为金属所特有的，故称金属键。金属键的特点是没有饱和性和方向性。当然，在金属和合金中也存在着其它结合方式，如共价键、离子键等，只是它们不是主2要的结合方式。2.固态金属的特性由于金属原子之间的结合方式主要是金属键，这就决定了固态金属具有不同于其它物质的一些特性。金属特性主要表现在以下几方面。具有良好的导热性和导电性；具有正的电阻温度系数具有金属光泽，不透明；具有延展性。三、固态金属原子的结构特征1.固态金属的结构特征金属原子或正离子在三维空间呈有规则、周期性的紧密排列。这一描述中有两层含义，一是有规则周期性排列，二是紧密排列。前者可用双原子作用模型解释，后者可用金属键的特点解释。2.有规则、周期性排列的原因——双原子作用模型双原子作用模型见图1.2。上图表示两原子的结合力随原子间距的变化情况，下图是两原子的结合能随原子间距的变化情况。由图中可见，两原子的结合力是排斥力和吸引力之和。当两原子间距较大时，吸引力大于排斥力，促使两原子相互靠近；当两原子间距较小时，排斥力大于吸引力，促使两原子分开；当两原子间距为0d时，吸引力等于排斥力，两原子结合力为零，这说明当两原子间距为0d时，两原子处于稳定的平衡状态。此时，对应下图，两原子结合能最低。这意味着结合能最低的状态是最稳定的。（这就是物理化学中的自由能最小原理。）若原子偏离平衡位置，原子间距变大或变小，都使结合能增大（见下图），那么两原子是不稳定的。推而广之，当大量金属原子聚集在一起时，为了使它们具有最低能量，保持最稳定的状态，原子之间必须一定的距离。这就是固态金属原子有规则周期性排列的原因。3.紧密排列的原因——金属键的特点金属键的特点是没有饱和性和方向性。对于固态金属中的任何一个原子，它总是在各个方向上，同尽可能多的原子发生相互作用。因为该原子周围的原子数越多，它受到的束缚作用越强，越稳定，结合能也就越低。这就是固态金属原子紧密排列的原因。本节小结：§3晶体学基础上节中我们了解到，固态金属的结构特征是金属原子（或正离子）在三维空间呈有规则周期性的紧密排列。一、晶体和非晶体自然界的物质可分为晶体和非晶体。凡是内部粒子（包括原子、离子、分子、分子集团）在三维空间呈有规则周期性排列的物质，称为晶体。宝石和钻石是晶体，大多数金属和合金也是晶体。而非晶体内部粒子的排列则是无规则的、杂乱无章的。玻璃、液态金属都是非晶体。由此可见，判断一种物质是否是晶体，应研究其内部粒子的排列是否是规则的。由于晶体和非晶体在结构上存在重大差别，因此在性能上迥然不同。晶体和非晶体在性能上的区别组要有两点：晶体有固定的熔点，而非晶体无固定熔点，只有一个软化温度范围。晶体具有各向异性，而非晶体却是各向同性。3二、晶体学的几个基本概念1.晶体结构晶体中的内部粒子在三维空间中有规则周期性的排列方式。2.阵点（或结点）不同的晶体，内部粒子的排列方式不同，晶体结构也不同。为了研究晶体内部粒子的排列方式，往往忽略内部粒子的运动性和物质性，把它们视作“静止”的几何点，并使每个几何点具有“相同的环境”。这种几何点称为阵点（或结点）。所谓“相同的环境”是指人们站在任意一个阵点上，观察到的情景是一样的。3.空间点阵和晶格阵点在三维空间有规则周期性排列所形成的空间几何图形，称空间点阵。若用直线将空间点阵中的阵点连接起来，形成的空间格子，称晶格。实际上，空间点阵和晶格是两个相同的概念，并无本质的区别。4.晶胞晶胞是指从晶格中选取的、能够完全反映晶格结构特征的最小几何单元。很显然，晶胞在三维中反复堆垛就形成了晶格或空间点阵。通过以上基本概念的建立，可以得到这样一个结论：要研究某一晶体的结构，只需研究其晶胞就足够了。因为晶胞完全反映了晶格（或空间点阵）的结构特征，而晶格中阵点的排列方式代表了晶体中内部粒子的排列方式。三、决定晶胞形状、大小的6各参数要学习和研究晶胞，首先要知道它的形状和大小。确定晶胞形状和大小需要6个参数（如图1.4），即三个棱边夹角,,和三条棱边长度cba,,。棱边长度也称晶格常数或点阵常数。四、14种空间点阵（或晶胞）和7种晶系自然界的晶体有成千上万种，其晶体结构各不相同。但法国晶体学家布拉菲用数学方法推导出，空间点阵只有14种，也就是说，所有晶体的结构都可转化为14种空间点阵（或14种晶胞）。再根据晶体对称程度的高低和对称特点，将14种空间点阵归纳为7个晶系。见表1-1.值得注意的是，六方晶系中的密排六方结构、立方晶系中的体心立方结构和面心立方结构是金属中三种典型的晶体结构。五、晶向指数和晶面指数1.晶向和晶面、晶向指数〔uvw〕和晶面指数(hkl)的定义在晶体（或空间点阵）中，任意两个内部粒子（或阵点）之间的连线所指的方向叫晶向。由一系列内部粒子（或阵点）所组成的平面称晶面。晶向和晶面分别反映了内部粒子（或阵点）在一定晶向和一定晶面上的排列情况。为了方便研究、了解这种排列情况，有必要对晶向和晶面在空间的位置和方向（简称位向）进行标注。表示晶向和晶面的空间位向的符号分别称为晶向指数和晶面指数，分别用〔uvw〕和(hkl)表示。2.晶向指数1)晶向指数的标定方法一见教科书晶向指数的符号应注意三点，一是括号为方括号，二是三个数值之间无标点，三是若某一数值为负数，则负号要标注于该数值的上方。方法二A.建立三维坐标系B.求出待定晶向始点和终点的坐标值。4C.用终点坐标值减去始点坐标值。D.把所得差值化为最小简单整数。E.将最小简单整数按规定列于方括号中。2)晶向指数的意义从晶向指数的标定过程中可知，相互平行的晶向有相同的晶向指数，即晶向指数不仅仅代表某一晶向的空间位向，而是代表无数相互平行的晶向的空间位向。3)晶向族——〈uvw〉3.晶面指数1)晶面指数的标定标定方法见教科书。晶面指数的符号应注意三点，一是括号为圆括号，二是三个数值之间无符号，三是若某一数值为负数，则负号要标注于该数值的上方。2)晶面指数的意义同晶向指数一样，晶面指数不只是代表某一晶面，而是代表无数相互平行的晶面，也就是说，相互平行的晶面具有相同的晶面指数。应当注意，晶面无方向性，而晶向有方向性，因此晶面指数)(hkl和)(lkh相同，是指同一组晶面，而晶向指数uvw和wvu不同，是指方向相反的两组不同的晶向。3)晶面族——﹛hkl﹜在晶体中，原子排列相同，但空间位向不同的所有晶面，称为晶面族，用符号hkl表示。§4金属的三种典型晶体结构根据固态金属的结构特征可知，金属原子在三维空间的排列是紧密的，因此，大多数金属的晶体结构很简单。金属典型的晶体结构有三种：体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。前两种属于立方晶系，后一种属于六方晶系。由于晶体结构是由晶胞在空间反复堆垛而成，因此要了解金属的这三种晶体结构，只需了解它们的晶胞就足够了。本节主要介绍这三种晶体结构的主要结构参数。一、体心立方结构1.晶胞体心立方结构的晶胞是立方体，看图。三条棱边长度（即晶格常数）都为a，三个棱边夹角均为90°。立方体的8个顶角上各有一个原子，此外，在体心处还有一个原子。具有这种晶体结构的金属有VWCrFe,,,等。2.晶胞原子数由于晶格是由晶胞反复堆垛而成，顶角上的原子由8个晶胞共有，而体心处的原子由该晶胞独有（图1.5（c））。所以一个晶胞的原子数为：218813.密排方向和密排面晶体中，单位长度上原子数最多的方向，称密排方向；而单位面积上原子数最多的晶面，称密排面。通过计算可知，在体心立方结构的晶胞中，密排方向是111，而密排面是110。5注意：应用晶面族和晶向族的符号来表示。4.原子半径由于金属原子紧密排列，在密排方向上相邻两原子应该是紧密接触的，相切的。所以，原子半径定义为密排方向上相邻两原子圆心距离的一半。体心立方结构的密排方向是111，在此方向上相邻两原子圆心距离为a23，则原子半径为a43。5.原子排列的紧密程度晶体中原子排列的紧密程度用配位数和致密度两个参数来表示。这两个参数数值越大，原子排列越紧密。配位数它是指晶体中与任意一个原子最近邻、等距离的原子数目。在体心立方结构晶胞中（见图1.5），以体心原子为例，与它最近邻、等距离的原子位于立方体顶角上，共有8个，所以其配位数是8。致密度它是指晶胞中的原子体积和晶胞体积的比值。体心立方结构的致密度为：68.0)43(34233aaK6.堆垛方式堆垛方式是指沿垂直于密排面的方向观察到的各层密排面上原子排列的相对情况。体心立方结构的堆垛方式是…ABAB…。如何理解？如图是三个体心立方结构的晶胞。晶面ABA,,是三个相互平行的密排面，晶面指数为011。如果沿垂直于密排面的方向011观察，A层和B层原子不重合，而A层原子和A层原子重合，因此体心立方结构的堆垛方式是…ABAB…。7.晶胞中的间隙体心立方结构的致密度为0.68，这表明原子之间存在间隙。间隙可以容纳尺寸较小的原子（如氢、氧、氮、碳、硼等原子），这对金属和合金的晶体结构及其性能有重要的影响，因此了解晶体中的间隙有重要的意义。体心立方结构中的间隙有八面体间隙和四面体间隙两种，见图1.15，图中实心黑点代表金属原子的位置，空心点代表间隙的位置。可以计算：八面体间隙的半径为：aaa067.0432；四面体间隙的半