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1、工 程 材 料 学工 程 材 料 学南京航空航天大学 梁文萍第二章 金属的晶体结构与结晶2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识2.2 纯金属的典型晶体结构2.2 纯金属的典型晶体结构2.3 金属材料的实际晶体结构2.3 金属材料的实际晶体结构2.4 纯金属的结晶和铸锭组织2.4 纯金属的结晶和铸锭组织学习重点：学习重点：1.三种典型晶体结构的原子排列规则及其基本参数。三种典型晶体结构的原子排列规则及其基本参数。2.实际晶体结构的点、线、面缺陷与性能的关系实际晶体结构的点、线、面缺陷与性能的关系。3.结晶条件、结晶过程及细化晶粒的基本方法。结晶条件、结晶过程及细化晶粒的基本方法。学习难点：
2、学习难点：晶面指数与晶向指数的确定晶面指数与晶向指数的确定,结晶机理。结晶机理。学习要求和难点2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识C60 物质由原子组成。原子的结合方式和物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式排列方式决定了物质的性能。固体物质大多为决定了物质的性能。固体物质大多为晶体晶体,其原子排列规则有序。,其原子排列规则有序。2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识2.1.1 晶体与非晶体2.1.1 晶体与非晶体晶体晶体：固态物质的一种聚集方式，原子（或分子、离子）在三 维空间呈一定的规则周期性排列。：固态物质的一种聚集方式，原子（或分子、离子）在三 维空间呈一定的规则周期性
3、排列。非晶体非晶体：原子排列没有规律的固体物质。：原子排列没有规律的固体物质。晶体晶体非晶体非晶体原子排列长程有序原子排列长程有序随机排列随机排列有固定的熔点有固定的熔点无固定的熔点无固定的熔点物理、化学及机械性能的各向异性物理、化学及机械性能的各向异性各向同性各向同性有特定的几何外形有特定的几何外形无定形无定形晶体的特点：晶体的特点：2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识2.1.2 晶体的表征2.1.2 晶体的表征晶格与晶胞晶格与晶胞1. 1. 晶格晶格：把粒子(原子或分子)在空间的平衡位置抽象为规则排列的几何点（：把粒子(原子或分子)在空间
4、的平衡位置抽象为规则排列的几何点（结点结点），用一系列相互平行的直线将节点连接起来形成的空间格架称为），用一系列相互平行的直线将节点连接起来形成的空间格架称为晶格晶格。由结点形成的空间点的阵列称由结点形成的空间点的阵列称空间点阵空间点阵2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识2. 2. 晶胞：晶胞：组成晶格的最基本的几何单元。晶胞的确定要满足以下原则：能充分反映整个空间点阵的对称性，具有尽可能多的直角，体积要最小。组成晶格的最基本的几何单元。晶胞的确定要满足以下原则：能充分反映整个空间点阵的对称性，具有尽可能多的直角，体积要最小。通常为角上有阵点的最小平行六面体。通常为角上有阵点的最小平行
5、六面体。2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识3. 3. 点阵常数：点阵常数：描述晶胞空间几何特征的数学参数，即平行六面体的三个棱边长a、b、c和及相互间夹角、。描述晶胞空间几何特征的数学参数，即平行六面体的三个棱边长a、b、c和及相互间夹角、。2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识4. 4. 晶系：晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系立方晶系：a a= =b b= =c c， = = = = =90=90六方晶系六方晶系：a a1 1= =a a2
6、 2= =a a3 3 c c， = = =90，=90， =120=120立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识5. 5. 原子半径原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。6. ：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。6. 晶胞原子数晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。7. ：一个晶胞内所包含的原子数目。7. 配位数配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。8. ：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。8. 致密度致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。：晶胞中原子本身所占的体积百分数。2.1
7、晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识2.1.3、立方晶系晶面、晶向表示方法2.1.3、立方晶系晶面、晶向表示方法晶面：晶面：晶体中过各原子中心所构成的不同方位的原子平面。晶体中过各原子中心所构成的不同方位的原子平面。晶向：晶向：空间点阵中任两结点的连线的方向，代表了晶体中原 子列的方向。空间点阵中任两结点的连线的方向，代表了晶体中原 子列的方向。晶面指数与晶向指数晶面指数与晶向指数（Miller指数）（Miller指数）在分析晶体特性时，常涉及晶体中某些特定的原子排列方向和原子平面， 为了便于研究和阐述，用特定数学符号来表征。在分析晶体特性时，常涉及晶体中某些特定的原子排列方向和原子平面， 为
8、了便于研究和阐述，用特定数学符号来表征。2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识（1）建立坐标系 结点为原点， 三棱为方向，点阵常数为单 位 （原点在标定面以外，可 以采用平移法）；（1）建立坐标系 结点为原点， 三棱为方向，点阵常数为单 位 （原点在标定面以外，可 以采用平移法）；（2）求出该晶面在三个坐标上的 截距a（2）求出该晶面在三个坐标上的 截距a1 1a a2 2a a3 3；（3）计算其倒数 b（3）计算其倒数 b1 1b b2 2b b3 3；（4）化成最小整数比h：k：l ；（4）化成最小整数比h：k：l ；（5）记为(h k l) ，负号记在字母 上方 。（5）记为(h
9、 k l) ，负号记在字母 上方 。1.晶面指数标定方法：晶面指数标定方法：2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识举例：举例：2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识注意:注意:晶面指数特征与与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面 。晶面指数特征与与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面 。2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识晶面族：晶面族：原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶面的集合。原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶面的集合。)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()01
10、0()100(:100、2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY立方晶系常见的晶面立方晶系常见的晶面2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识2.晶向指数标定方法：晶向指数标定方法：（1）建立坐标系 结点为原点，三 棱为方向，点阵常数为单位 ；（1）建立坐标系 结点为原点，三 棱为方向，点阵常数为单位 ；（2）求出晶向上任一点的坐标(x, y, z) ；（2）求出晶向上任一点的坐标(x, y, z) ；（3）化成最小的整数比u：v： w ；（3）化成最小的整数比u：v： w ；（4）记为:u v w ，负号记在字母 上方
11、。（4）记为:u v w ，负号记在字母 上方 。2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识注意:注意:1. 晶向指数特征与原点位 置无关；2. 晶向具有方向性，如 110与方向相 反；3. 每一指数对应一组平行 的晶向。1. 晶向指数特征与原点位 置无关；2. 晶向具有方向性，如 110与方向相 反；3. 每一指数对应一组平行 的晶向。110 XZY(221)221110110晶向族：晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶向的 集合。用尖括号表示原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶向的 集合。用尖括号表示 。2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识111111111111
12、:111110011101011101110:110001010100:100 、2.1 晶体学基础知识2.1 晶体学基础知识立方晶系常见的晶向：立方晶系常见的晶向：111111111111XZY2.2 纯金属的典型晶体结构2.2 纯金属的典型晶体结构结构特点: 结构特点: 以金属键结合，无方向性，对称性较高的密堆 结构。 90%以上的金属都属于三种典型的晶体结构：以金属键结合，无方向性，对称性较高的密堆 结构。 90%以上的金属都属于三种典型的晶体结构：体心立方(bcc)面心立方(fcc) 密排六方(hcp)体心立方(bcc)面心立方(fcc) 密排六方(hcp)2.2 纯金属的典型晶体结构
13、2.2 纯金属的典型晶体结构2.2.1 体心立方（2.2.1 体心立方（Body-Centered Cubic, bcc) )具有具有bccbcc结构的金属: 结构的金属: -Ti、V、Cr、-Fe、-Zr、Nb、Mo、Ta、W-Ti、V、Cr、-Fe、-Zr、Nb、Mo、Ta、W 等。等。2.2 纯金属的典型晶体结构2.2 纯金属的典型晶体结构晶胞的原子数量：点阵常数：晶胞的原子数量：点阵常数： a原子半径：配位数：原子半径：配位数： 8致密度：致密度：68. 043 34233 aa ar43= =21818=+=+2.2 纯金属的典型晶体结构2.2 纯金属的典型晶体结构体心立方结构的晶格
14、参数体心立方结构的晶格参数2.2 纯金属的典型晶体结构2.2 纯金属的典型晶体结构体心立方晶格中原子排列密度体心立方晶格中原子排列密度具有具有fccfcc结构的金属: 结构的金属: -Fe、Al、-Co、Ni、Cu、Ag、Au、Pt-Fe、Al、-Co、Ni、Cu、Ag、Au、Pt等。等。2.2 纯金属的典型晶体结构2.2 纯金属的典型晶体结构2.2.2 面心立方（2.2.2 面心立方（ Face-Centered Cubic, fcc) )2.2 纯金属的典型晶体结构2.2 纯金属的典型晶体结构2.2 纯金属的典型晶体结构2.2 纯金属的典型晶体结构晶胞的原子数量：点阵常数：晶胞的原子数量：
15、点阵常数： a原子半径：配位数：原子半径：配位数： 12致密度：致密度：74. 042 34433 aa ar42= =4216818=+=+面心立方结构的晶格参数面心立方结构的晶格参数2.2 纯金属的典型晶体结构2.2 纯金属的典型晶体结构面心立方晶格中原子排列密度面心立方晶格中原子排列密度2.2 纯金属的典型晶体结构2.2 纯金属的典型晶体结构2.2.3 密排六方（2.2.3 密排六方（Hexagonal Close-packed, hcp) )具有具有hcphcp结构的金属: 结构的金属: -Ti、-Zr、Be、Mg、Zn-Ti、-Zr、Be、Mg、Zn等。等。2.2 纯金属的典型晶体结构2.2 纯金属的典型晶体结构2.2 纯金属的典型晶体结构2.2 纯金属的典型晶体结构密排六方结构的晶格参数密排六方结构的晶格参数晶胞的原子数量：点阵常数：晶胞的原子数量：点阵常数： a、c，原子半径：配位数：，原子半径：配位数： 12致密度：致密度：74. 038 233234623
