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1、第2章 金属的晶体结构,主讲教师 刘 海 哈尔滨工业大学材料学院 86418720，86412462,机械工程材料,2.1 晶体学基础,2.2 金属典型的晶体结构,2.3 合金相结构,2.4 晶体缺陷,第2章 金属的晶体结构,2.1 晶体学基础,2.1.2 材料原子的排列方式,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,2.1.4 晶面指数和晶向指数,2.1.5 晶带和晶面族,2.1 晶体学基础,2.1.1 材料原子的键合特征,2.1.1 材料原子的键合特征,材料结构,原子结构,原子的 空间排列,显微组织,2.1.1 材料原子的键合特征,原子核外电子的排布方式显著影响材料的电、磁、光和热性能，还影响到
2、原子彼此结合的方式，从而决定材料的类型。,材料结构,原子结构,原子的 空间排列,显微组织,原子空间排列方式是有序还是无序显著影响材料性能。,2.1.1 材料原子的键合特征,材料结构,原子结构,原子的 空间排列,显微组织,45钢8600C油淬组织，500,45钢完全淬火组织,合金相的种类、数量和分布和晶粒大小等显著影响材料性能 。,2.1.1 材料原子的键合特征,金属键,2.1.1 材料原子的键合特征,离子键,共价键,每个原子贡献出价电子形成电子云，正离子组成的晶格靠电子云联接金属键无方向性和饱和性。,2.1.1 材料原子的键合特征,金属键,离子键,共价键,金属特性： 正的电阻温度系数； 金属光
3、泽； 良好的导电性； 良好的导热性； 良好的塑性；,通过得失价电子，靠正负离子库仑力成键，没有饱和性和方向性： 高熔点、高硬度； 良好的电绝缘性； 低塑性；,2.1.1 材料原子的键合特征,金属键,离子键,共价键,2.1.1 材料原子的键合特征,金属键,离子键,共价键,靠共有电子对成键，具有饱和性和方向性： 高熔点、高硬度； 良好的电绝缘性； 低塑性；,范德瓦尔斯键,2.1.1 材料原子的键合特征,2.1.1 材料原子的键合特征,2.1.2 材料原子的排列方式,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,2.1.4 晶面指数和晶向指数,2.1.5 晶带和晶面族,2.1.2 材料原子的排列方式,2.1
4、晶体学基础,非晶态,原子排列短程有序,无序,玻璃态,2.1.2 材料原子的排列方式,晶体,基元在三维空间呈规律性排列,长程有序,可以使单个的原子、离子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。,2.1.2 材料原子的排列方式,2.1 晶体学基础,2.1.1 材料原子的键合特征,2.1.2 材料原子的排列方式,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,2.1.4 晶面指数和晶向指数,2.1.5 晶带和晶面族,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,空间点阵,是一个几何概念，它由一维、二维或三维规则排列的阵点组成。,刚球模型用刚球代表空间排列的原子,2.1.3 关于晶体结构的基
5、本概念,晶格刚球抽象为质点，构成的空间格架,晶胞保持点阵几何特征的基本单元,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,布拉菲在1948年根据“每个阵点环境相同”的要求，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲点阵，分属7个晶系。空间点阵虽然只有14种，但晶体结构是多种多样、千变万化的。,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,晶体结构,构成晶体的基元在三维空间的具体的排列方式。,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,空间点阵,=,+,基元,2.1 晶体学基础,2.1.1 材料原子的键合特征,2.1.2 材料原子的排列方式,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,
6、2.1.4 晶面指数和晶向指数,2.1.5 晶带和晶面族,2.1.4 晶面指数和晶向指数,2.1.4 晶面指数和晶向指数,晶向,晶体中任意两个原子间连线所指的方向,2.1.4 晶面指数和晶向指数,晶向指数,以晶胞的边长作为单位长度，建立右旋坐标系；,将数据约成互质整数，如果某数为负值，在其上方标负号。用一方括号将该组数字括起来表示晶向。,2.1.4 晶面指数和晶向指数,晶向指数,以晶胞的边长作为单位长度，建立右旋坐标系；,在所要确定的晶向上选取两点，并求其坐标；,用末点坐标减去始点坐标，得到一组三个数字；,A(101),B(011),通常以uvw表示晶向指数的普遍形式。,2.1.4 晶面指数和
7、晶向指数,晶向指数的普遍表示方法,在以晶胞边长作为单位长度的右旋坐标系中取该晶面在各坐标轴上的截距。 取截距的倒数。 将倒数约成互质整数，加一圆括号。,通常以（hkl）表示晶向指数的普遍形式。若所求晶面在坐标轴的截距为负值，则在相应指数上冠以负号。,2.1.4 晶面指数和晶向指数,晶面指数,2.1.4 晶面指数和晶向指数,六方晶系指数,六方晶系采用4个指数，即（hkil）来表示晶向和晶面更为方便。标定指数时采用c、a1、a2、a3 四晶轴系统，a1、a2、a3之间的夹角为120，c 与其他三个轴垂直。标定程序与前述三指数的程序相同。,2.1.4 晶面指数和晶向指数,六方晶系指数,三维空间独立的
8、坐标轴只能有三个。故在前三个指数中只有两个是独立的，即： i= -(h+k) h+k+i=0 因此 i 可以略去，（hkil）可写成(hkl),2.1 晶体学基础,2.1.1 材料原子的键合特征,2.1.2 材料原子的排列方式,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,2.1.4 晶面指数和晶向指数,2.1.5 晶带和晶面族,2.1.4 晶带和晶面族,晶带平行或相交于同一直线的一组晶面构成一个晶带，这组晶面叫做共带面，而该直线叫做晶带轴。,2.1.4 晶带和晶面族,晶带轴,共带面,设有一晶带，晶带轴为uvw,其中任意晶面为(hkl)，则：,2.1.4 晶带和晶面族,两个非平行晶面的共带轴指数为：,晶
9、带定理,在同一晶体结构中，有些晶面虽然在空间的位向不同，但其原子排列情况完全相同，这些晶面属于一个晶面族，其晶面指数用hkl表示。,2.1.4 晶带和晶面族,晶面族,100晶面族：,2.1.4 晶带和晶面族,110晶面族：,111晶面族：,2.1 晶体学基础,2.2 金属典型的晶体结构,2.3 合金相结构,2.4 晶体缺陷,第2章 金属的晶体结构,2.2 金属典型的晶体结构,三种典型晶体结构,体 心 立 方,面 心 立 方,密 排 六 方,2.2 金属典型的晶体结构,Cr, V, Mo, W和-Fe等30多种金属具有体心立方结构。,体心立方（bcc）结构,2.2 金属典型的晶体结构,体心立方（
10、bcc）结构,2.2 金属典型的晶体结构,体心立方晶格参数,晶胞原子数：,2.2 金属典型的晶体结构,配位数：,2.2 金属典型的晶体结构,体心立方晶格参数,原子半径-晶胞中原子密度最大的方向111上相邻原子间平衡距离的一半。,致密度：,2.2 金属典型的晶体结构,体心立方晶格中的间隙,八面体间隙,2.2 金属典型的晶体结构,体心立方晶格中的间隙,四面体间隙,Al、Cu、Ni和-Fe等20多种金属具有面心立方晶体结构。,2.2 金属典型的晶体结构,面心立方（fcc）结构,2.2 金属典型的晶体结构,面心立方晶格参数,晶胞原子数：,配位数：,12,2.2 金属典型的晶体结构,面心立方晶格参数,原
11、子半径：,致密度：,2.2 金属典型的晶体结构,面心立方晶格中的间隙,八面体间隙,2.2 金属典型的晶体结构,面心立方晶格中的间隙,四面体间隙,Mg、Zn、Cd、Be等20多种金属具有密排六方晶体结构。,2.2 金属典型的晶体结构,密排六方立方结构,2.2 金属典型的晶体结构,密排六方晶格参数,晶胞原子数：,配位数：,12,致密度：,2.2 金属典型的晶体结构,密排六方晶格参数,原子半径：,原子的堆垛方式,ABAB堆垛方式,ABCABC堆垛方式,原子的堆垛方式,密排六方结构,体心立方结构,面心立方结构,当外部的温度和压强改变时，具有多晶型性的金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，这种现象称
12、为多晶型转变，又称同素异构转变。,多晶型性,有些金属，如Fe、Mn、Ti、Co等，具有两种或几种晶体结构，这种现象称为多晶型。,2.2 金属典型的晶体结构,多晶型转变,石英（晶体）和氧化硅玻璃的线膨胀系数,铁的多晶型转变,2.2 金属典型的晶体结构,铁的多晶型转变,2.2 金属典型的晶体结构,2.1 晶体学基础,2.2 金属典型的晶体结构,2.3 合金相结构,2.4 晶体缺陷,第2章 金属的晶体结构,2.3 合金相结构,合金,两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成，并具有金属特性的物质。,组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素。,是合金中
13、具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分,组元,相,2.3 合金相结构,合金的组元之间以不同的比例混合，形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元的晶体结构相同，这种相称为固溶体。与固溶体结构相同的组元叫做溶剂，其他组元称为溶质。,固溶体,中间相(金属化合物),相,2.3 合金相结构,固溶体,中间相(金属化合物),相,2.3 合金相结构,两组元A和B组成合金时，可能形成新化合物，称中间相。这种化合物具有一定金属性质，也称金属间化合物。,1. 固溶体的分类,按溶质原子在晶格中所占的位置分： 1）置换固溶体溶质原子位于溶剂晶格的结点位置。 2）间隙固溶体溶质原子填入溶
14、剂原子的间隙处。,2. 3.1 固溶体,1. 固溶体的分类,按固溶度分类： 1）有限固溶体在一定条件下，溶质组元在固溶体中的浓度有一定限度，超过这一限度就不再溶解，此时固溶体称为有限固溶体。大部分固溶体属于有限固溶体。,2. 3.1 固溶体,2）无限固溶体此种固溶体的溶质能以任意比溶入溶剂，溶解度可达100%，如Cu-Ni（fcc晶体结构）。,2. 固溶体的结构,1）晶格畸变 由于溶质与溶剂原子半径不同，因而正在溶质原子附近的局部范围内形成弹性应力场，造成晶格畸变。,2. 固溶体的结构,2）溶质偏聚与短程有序 研究表明，当同种原子的结合力较大时溶质原子倾向于成群地聚在一起，形成许多偏聚区；当异
15、种原子结合力较大时，溶质原子在固溶体中的分布呈短程有序。,2. 固溶体的结构,3）长程有序 某些具有短程有序的固溶体，当其成分接近一定原子比时（如1：1），可在低于某一临界温度时，转变为长程有序结构，这种固溶体称为有序固溶体。,2. 3.2 合金相结构,两组元A和B组成合金时，形成固溶体，当溶质含量超过其溶解度时，可能形成新物质（化合物），其成分处于A在B中或 B在A中最大溶解度之间，故称中间相。在该化合物中，除离子键、共价键外，金属键也参与作用，因而具有一定金属性质，故称金属间化合物。,固溶体,金属化合物,正常价化合物,电子化合物,间隙相,间隙化合物,2. 3.2 合金相结构,符合化合物原子
16、价规律的金属间化合物。它们具有严格的化合比，成分固定不变。它的结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同，如分子式具有AB型的正常价化合物其晶体结构为NaCl型，多为离子化合物。,固溶体,金属化合物,正常价化合物,电子化合物,间隙相,间隙化合物,2. 3.2 合金相结构,电子浓度为21/14时 具有体心立方结构,固溶体,金属化合物,正常价化合物,电子化合物,间隙相,间隙化合物,2. 3.2 合金相结构,电子浓度为21/13时 具有-黄铜结构,固溶体,金属化合物,正常价化合物,电子化合物,间隙相,间隙化合物,2. 3.2 合金相结构,是指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的化合物。电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。,电子浓度为21/12时 具有密排六方结构,固溶体,金属化合物,正常价化合物,电子化合物,间隙相,间隙化合物,2. 3.2 合金相结构,当C、N、O、B
