金属晶格结构

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1、上一页下一页第二章 金属的晶体结构金属材料通常都是一种晶体材料。 金属的晶体结构指的是金属材料内 部的原子排列的规律。它决定着材 料的显微组织和材料的宏观性能。上一页下一页第一节 纯金属的晶体结构一、基本知识晶体里面的原子(或)离子都是在它的平 衡位置上不停振动着，但在讨论晶体结 构时可以假设它们是一些静止不动的小 球。各种晶体结构就可以看成是这些小 球按一些的几何方式紧密排列堆积而成 的。图2-1a是简单的立方原子排列示意 图。上一页下一页(一)基本概念1.晶格：晶体结构的“小球”模型虽然很直观， 但仍然不便与表诉晶体内部原子排列顺序规率的 细节。我们可以把原子看成是一个几何质点，把 原子

2、之间的相互作用假想为几何直线，这样一 来晶体的结构就可以直接用几何学来讨论了。这 种用于描述原子在晶体中排列的三维空间几何点 阵为晶格。图2-1b是简单立方晶格的的示意图。 晶格中直线的交点称为结点。在运用晶格模型来 讨论晶体结构时，结点可以代表一个原子(或离 子)，也可以代表一个分子或原子团的中心。上一页下一页(一)基本概念2 晶胞：晶体中原子排列规律具有明显的周期变化。因此 在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元， 称之为晶胞。图2-1c是一个简单的晶胞示意图。晶胞在空 间的重复排列就构成整个晶格。因此，晶胞的特征就可以 反映出晶格和晶体的特征。3 晶格参数与晶格常数：在晶体学中

3、，用来描述晶胞大小 有形状的几何参数称为晶格参数。包括晶胞的三个棱边的 长度a,，b，c和三个棱边夹角。，共六个参数。 其中决定晶胞大小的三个棱长又称为晶格常数。图2-1c上一页下一页(二)金属中常见的晶格3 密排六方晶格：密排六方晶格属于六方角系。示意见图 2-4。晶格参数a=b！=c；=；=120。每个六方晶胞 中有六个原子，即1/612+1/22+3=6个。属此晶格的金 属有：镁镁、锌锌、铍铍、钛钛、镉镉等。 1.体心立方体晶格：体心立方体晶格属于立方晶系。示意 图见图2-2。晶格的参数为a=b=c；=90立方体八 角上个有一个原子，体心处有一个原子。每个体心立方体 晶胞中的原子个数为1

4、/88+1=2个。 属此晶格的金属有 ：铬、钨、钼、钒、铁、钛、铌等2.面心立方体晶格：面心立方体晶格也属于立方晶系。示意 见图2-3。晶格参数为a=b=c；=90。在晶胞的八个 角上个又一个原子每个面心立方体晶胞个有四个原子，即 1/88+1/26=4个。属此晶格的金属有：铁、铝、铜、镍 、金、银、铂、铑、铅等上一页下一页(三)晶格的致密度晶格的致密度定义是：每个晶胞中原子 所占的总体积与晶胞的体积之比。是用 来表示晶体中原子排列的紧密程度经过计算可知：体心立方体的致密度为 0.68 ；面心立方体和密排六方晶格的致 密度都是0.74。上一页下一页二 纯金属的实际晶体结构(一)晶粒和亚晶粒在金

5、属体中，凡是晶格位向基本一致的区域，并有边界与邻 区分开就称之为一个晶粒。在显微镜下可以看到这些晶粒， 其外形成不规则状。它们是些不规则的外形多面体，见图2 -8。相邻晶体的晶粒间晶格的位向有明显差别。晶粒之间的 原子排列不规则的区域称为晶界。 实际上，晶界就是不同晶 格位向的相临晶粒在原子排列上的过度区。通常，晶粒尺寸 很小，对于钢铁材料一般为10-1mm10-3mm。对于有色金属其 晶粒尺寸一般都比钢大一些，有的可用眼睛直接看到 。如： 镀锌钢板表面的镀锌层的晶粒尺寸可达到几毫米到几十毫米 。每个晶粒内部，晶格位向也并非完全一样，而是存在着许多 晶格位向差小于2、3的更小的晶块。这些小晶块

6、内部是完 全相同的。这些小晶块称为亚晶粒，也称嵌镶块。见图2-9。 亚晶粒间的过度区称为亚晶界，也称小角度晶界。它也是一 种原子排列不太规则的区域。上一页下一页(二)晶体中的缺陷1.点缺陷：点缺陷是指以一个点为中心。在它的周围造成 原子排列的不规则，产生晶格的畸变和内应力的晶体缺陷 。主要有间隙原子，置换原子，晶格空位三种，见图2-10 。在晶格的间隙处出现多余的晶体缺陷称为间隙原子；在 晶格的接点处出现缺少原子的晶体称为晶体空格；在晶格 的结点处出现的原子直径不同的异类原子的晶体缺陷称为 置换原子。间隙原子和大径的置换原子会引起一个以一个 点为中心的晶格局部“撑开”现象，称之为正畸变。而晶

7、格空位和小直径的置换原子会引起一个点为中心的晶格局 部“靠拢”现象，称之为负畸变。晶体中的点缺陷都是处在不断的变化和运动中，其位置随 时在变。这是金属原子扩散的一种主要方式，也是金属在 固态下“相变”和化学热处理工艺的基础。这里说的缺陷不是指晶体的宏观缺陷，而是指晶体中局 部原子排列不规则的区域。根据晶体缺陷的几何特点和 原子对排列不规则性的影响范围可分为三大类。上一页下一页(二)晶体中的缺陷2 线缺陷：线缺陷主要是指各种形式的“位错”。 所谓位错是指晶体中某一列或若干列原子发生有规 律的错排现象。它引起的晶格错线为中心轴的一个 管状区域。 位错有多种。最简单直观的一种称为刃型位错。它 象一个

8、刀刃的切入，故称刃型位错，见图2-11。 晶格中的位错多少，可用位错密度来表示。位错密 度是指单位体积内位错的错线长度，量纲为(cm-2)。 晶体中的位错首先是产生于晶体的结晶过程。 晶体材料的内部的位错在相应的条件下，可以产生 滑移，增值，交割，缠结，攀移等行为。这对金属 的强度、塑性等力学性能有重要影响。金属材料上一页下一页(二)晶体中的缺陷3.面缺陷：晶体的面缺陷，主要是指前述的晶界和 亚晶界。面缺陷是由于受到其两侧的不同晶格位向 的晶粒或亚晶粒的影响而使原子呈不规则排列。原 子的位置处于两晶格的取向所能适应的折衷位置上 。面缺陷是有一定厚度的原子排列不规则的过渡带 。其厚度重要取决于相

9、邻的两晶粒或亚晶粒的晶格 位向差的大小及晶格变化的纯度。对于金属，这个 厚度通常在几个原子间距或到几百个原子间距大小 的范围内变化。面缺陷处的晶格畸变较大，界面处 能量高，影响范围也较大。因此，晶界具有与晶粒 内部不同的特性。上一页下一页第二节 合金的晶体结构在机械工程中，由于纯金属本身的力学性能很有 限，满足不了实际的需要。所以，很少使用纯金 属制作零部件。而是将它们熔炼成合金，从而改 善他们的力学性能，满足使用需要。所以，在机 械工程中大量使用的金属材料绝大多数都是合金 材料。如：钢、铸铁、黄铜、青铜、硬铝、锻铝 等等。由于合金不只是一种化学元素，因此合金 的晶体结构要比纯金属复杂许多。而

10、且其显微组 织仅用晶粒、晶界来表示也远为不足，必须引出 一些新概念。上一页下一页一、基本概念5.显微组织：是指在显微镜下看到的相和晶粒的 形态，大小和分布。1.合金：合金是指由一种金属元素与另外一种或 多种金属或非金属元素，通过熔炼烧结的方法所 形成的具有金属性质的新金属材料。 2.组元：组元是指组成合金的最基本的，独立存 在的物质，简称元。组成合金的各种元素及各种 化学元素都是组元。合金中有几种组元就称之为 几元合金。 3.合金系：合金系是指有相同的组元，而成分比 例不同的一系列合金。 4.相：相是指在合金中，凡是化学成分相同，晶体 结构相同并有界面与其他部分分隔开来的一个均匀 区域。上一页

11、下一页二 合金的金相组织由于合金的各个相的晶体结构是不同的， 所以，在合金中，不同的相所在的区域具 有不同的晶体结构。绝大多数的合金在液 相时各组元之间都能互相溶解形成单一的 均匀液相。但是，在固相时各种组元之间 相互作用不同，可以形成各种晶体结构和 化学成分的相。通常分为固溶体和金属化 合物两大类。上一页下一页(一)固溶体合金结晶成固态时，含量少的组元(溶质 )原子分布在含量多的组元(溶剂)晶格中 形成一种与溶剂有相同晶格的相，称为 固溶体。可见固溶体的重要标志重要标志是与溶 剂有相同晶格。根据需要 固溶体有很多 种分类方法。最常用的是按溶质固溶体 原子在溶剂晶格中的分布位置来分类。 有间隙

12、固溶体和置换(代位)固溶体两大 类。见图2-12和图2-13。上一页下一页1间隙固溶体：溶质原子分布于溶剂的晶格间隙中所形成的固溶 体，称为间隙固溶体。由于晶格的间隙通常都是 很小的，所以，一般都是由原子半径较小的( 0.1nm)非金属元素(如：C、N、B、O等)溶入过渡 族金属中，形成间隙固溶体。例如：钢中的奥氏 作就是C原子团溶到-Fe晶格的间隙中形成的固 溶体。间隙固溶体对溶质溶解都是有限的，所以都 是有限固溶体。间隙固溶体中，溶质原子的排列是无秩序的 ，所以也都是无序固济体。上一页下一页2置换固溶体溶质原子代替溶剂原子占据着溶剂晶格结点位置，而形成 的固溶体，称为置换固溶体。在有色金属

13、合金中和合金钢 中都存在着置换固溶体。置换固溶体又可分为有限固溶体和无限固溶体两类。所谓 无限固溶体是指固溶体的溶解及是无限的。组成固溶体的 两种元素随比例不同可以互为溶质或溶剂。例如：金一银 合金系就是一种单相的无限的置换固溶体合金。置换固溶体中溶质原子的分布一般也是无序分布的，通常 也都是无序固溶体。但是，在一定条件下也会出现有序分 布。这种固溶体称为有序固溶体(也称超结构)。例如：铜 一金合金系中当铜原子数与金原子数的比例为1比1或3比1 并缓慢冷至室温时就会出现CuAu或Cu3Au的有序固溶体其晶 格结构，见图2一14上一页下一页有序固溶体，虽然化学元素成比例，但 不是化合物。当把它加

14、热到一定温度时 就会变成无序固溶体。若是把它再缓慢 地冷到这个温度之下又可变为有序的。 这个无序到有序的转变过程称固溶体的 有序化。固溶体的有序化也会变化。如 ：硬度和脆性增加，塑性和电阻率下降 等。 上一页下一页3.固溶体的溶解度溶质原子溶于固溶体中的量称为固溶体 的浓度。港质在固溶作中的体中的溶解 度。不同固溶体的溶解度不相同。同一 种固溶体随温度溶解度也增加，反之下 降。 上一页下一页4影响因溶体的晶体结构和溶解度主要因素目 前已被公认的主要因素有：(1)原子直径因素：当溶质与溶剂的原子直径相差较 小时易形成置换固溶体，而且直径差愈小，其溶 解度也会愈大。这是因为，原子直径差会引起晶 格

15、的畸变，使晶格的畸变能增加。原子直径差愈 大，畸变能增加愈剧。随着畸变能的增加将使这 种固溶体晶格结构的稳定性下降。自然这种固溶 体本身的存在也就不稳定了，这将会导致其它相 的形成。但是，若两种原子直径差愈小，畸变能 增加也愈小，尽管固溶体浓度不断增加，也不致 于因畸变能的原因而引起其晶格结构的改变。这 就有可能形成无限固溶体。当溶质与溶剂的原子 直径差很大时是不能形成置换回溶体的。但是， 却可以形成间隙固溶体。间隙固溶体的溶解度较 小。上一页下一页(2)负电性因素：所谓负电性是指某元素 的原子从其它元素原子夺取电子而变成负 离子的能力。在元素周期表中，两种元素 的位置距离愈远，则其负电性差也

16、愈大。 两元素负电性愈大，则化学亲合的能力也 愈大。它们之间就易于形成化合物，而不 利于形成固溶体，即使形成固溶体其溶解 度也很小。上一页下一页(3)电子浓度因素：在合金中，价电子数目否与 原子数目n之比称为电子浓度。对于固溶体来 讲，当溶质原子与溶剂原子的价电子数不相同 时，随着溶质原子的进入，将使固溶体晶格中 的电子浓度以及电子云的分布有所改变。并且 ，随着溶入的溶质数量愈多，电子浓度改变愈 大。直至达到某一个极限电子浓度时，此固溶 体的晶格结构就不稳定了。将会出现新的相。 可见，每种固港体只能稳定的存在于一定的电 子浓度范围之内。例如：对于溶剂是一价的， 而溶质是高于一份的固溶体，若晶格结构是面 心立方，其电子浓度的极限值为l.36。若固溶 体具有体心立方晶格则电子浓度的极限值为 1.48。上一页下一页(5)温度因素：在一般情况下，固溶体随温 度升高其溶解度也增加 这可能与固溶体 晶格上原子的热振动有关。 (4)晶体结构因素：在多数的情况下，晶格 类型相同的元素之间溶解度较大。晶格