第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)

機(jī)械制造基礎(chǔ)系部：機(jī)械工程學(xué)院

教師：張玲

第一節(jié)純金屬的結(jié)晶常用工程材料的性能分析第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)第三節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)學(xué)習(xí)目標(biāo)：1、了解金屬晶體結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)；2、了解合金的晶體結(jié)構(gòu)；3、掌握實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)；教學(xué)重點(diǎn)：掌握實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)。教學(xué)難點(diǎn)：掌握純金屬的結(jié)晶。1.晶體結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)晶體：指原子呈規(guī)則、周期性排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。非晶體：原子呈無(wú)規(guī)則堆積，和液體相似，亦稱(chēng)為“過(guò)冷液體”或“無(wú)定形體”。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。第一節(jié)純金屬的結(jié)晶第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)2.區(qū)別(a)是否具有周期性、對(duì)稱(chēng)性；(b)是否長(zhǎng)程有序；(c)是否有確定的熔點(diǎn)；(d)是否各向異性；金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)Si2O的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)晶體與非晶體區(qū)別第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)3、金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)描述了晶體中原子（離子、分子）的排列方式。理想晶體的晶體學(xué)抽象空間規(guī)則排列的原子→剛球模型→晶格（剛球抽象為晶格結(jié)點(diǎn)，構(gòu)成空間格架）→晶胞（具有周期性最小組成單元）第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)4、常見(jiàn)的金屬晶格類(lèi)型晶格：用假想的直線將原子中心連接起來(lái)所形成的三維空間格架。直線的交點(diǎn)（即原子中心）稱(chēng)結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)形成的空間的陣列稱(chēng)空間點(diǎn)陣。

晶格中能代表原子排列規(guī)律的基本幾何單元稱(chēng)為晶胞。圖2-3晶胞及晶格常數(shù)常見(jiàn)的金屬晶格類(lèi)型：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。5、晶胞的描述晶體學(xué)參數(shù)：a，b，c，α，β，γ晶格常數(shù)：a，b，c晶系：根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3c,==90,=120原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。配位數(shù)：晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目。致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)（1）體心立方晶格BCCBodyCenteredCube：

晶胞是一個(gè)立方體，立方體的八個(gè)頂角和立方體中心各有一個(gè)原子。晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑：原子個(gè)數(shù)：2配位數(shù)：8致密度：0.68常見(jiàn)金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等。面心立方晶格FCCFace-CentereCube：第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)

晶胞是一個(gè)立方體，立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面中心各有一個(gè)原子。

晶格常數(shù)：a原子個(gè)數(shù)：4配位數(shù)：12致密度：0.74常見(jiàn)金屬：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等。第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)密排六方晶格HCPHexagonalClose-Packed：晶胞是一個(gè)正六棱柱體，在柱體的各個(gè)角和上下底面中央各有一個(gè)原子，在頂面和底面的中間還有三個(gè)原子。晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)a和高c，

c/a=1.633原子個(gè)數(shù)：6配位數(shù)：12致密度：0.74常見(jiàn)金屬：Mg、Zn、

Be、Cd等BCC、FCC、HCP晶胞的重要參數(shù)晶胞晶體學(xué)參數(shù)原子半徑晶胞原子數(shù)配位數(shù)致密度FCCa=b=c,α=β=γ=90o

2868%BCCa=b=c,α=β=γ=900

41274%HCPa=b≠c,c/a=1.633,α=β=90o,γ=120o

a/261274%

二、合金的晶體結(jié)構(gòu)2.合金的相結(jié)構(gòu)1.合金的基本概念第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)合金：由兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素熔合在一起，形成具有金屬特性的物質(zhì)。第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)1.合金的基本概念第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)組元：組成合金獨(dú)立的、最基本的物質(zhì)稱(chēng)為組元，簡(jiǎn)稱(chēng)元。合金的組元通常是純?cè)?，也可以是穩(wěn)定化合物。

合金系：由二個(gè)或二個(gè)以上的組元按不同比例配制的一系列不同成分的合金，稱(chēng)為一個(gè)合金系，簡(jiǎn)稱(chēng)系。

第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)相：合金中凡是結(jié)構(gòu)、成分和性能相同并且與其它部分有界面分開(kāi)的均勻組成部分稱(chēng)為相。組織：是指用肉眼或借助顯微鏡能觀察到的具有某種形態(tài)特征的合金組成物。其實(shí)質(zhì)是一種或多種相按一定的方式相互結(jié)合所構(gòu)成的整體的總稱(chēng)。它直接決定合金的性能。

第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)根據(jù)合金中各組元之間的相互作用不同，可分為

1）固溶體

2）金屬化合物

3）機(jī)械混合物

(1)置換固溶體

(2)間隙固溶體

2、合金的結(jié)構(gòu)固溶體

合金組元通過(guò)溶解形成一種成分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱(chēng)為固溶體。與固溶體晶格相同的組元為溶劑，一般在合金中含量較多；另一組元為溶質(zhì)，含量較少。

固溶體用α、β、γ等符號(hào)表示。A、B組元組成的固溶體也可表示為A(B),其中A為溶劑,B為溶質(zhì)。例如銅鋅合金中鋅溶入銅中形成的固溶體一般用α表示,亦可表示為Cu(Zn)。第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)

固溶體的分類(lèi)

（1）按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置分

固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種。置換固溶體中溶質(zhì)原子代換了溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)上的原子;間隙固溶體中溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙之中。

間隙固溶體第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)置換固溶體（2）按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度分

固溶體可分為有限固溶體和無(wú)限固溶體兩種。

固溶體中溶質(zhì)的含量即為固溶體的濃度，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)表示。在一定溫度和壓力條件下，溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度即為溶質(zhì)在固溶體中的溶解度。若超過(guò)這個(gè)溶解度有其它相形成，則此種固溶體為有限固溶體。若溶質(zhì)可以任意比例溶入，即溶質(zhì)溶解度可達(dá)100%，則固溶體為無(wú)限固溶體。第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)固溶體的性能

固溶體隨著溶質(zhì)原子的溶入晶格發(fā)生畸變。

晶格畸變?cè)龃笪诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。這種通過(guò)形成固溶體使金屬?gòu)?qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱(chēng)為固溶強(qiáng)化。

固溶強(qiáng)化是金屬?gòu)?qiáng)化的一種重要形式。在溶質(zhì)含量適當(dāng)時(shí)，可顯著提高材料的強(qiáng)度和硬度，而塑性和韌性沒(méi)有明顯降低。

純銅的σb為220MPa,硬度為40HB,斷面收縮率ψ為70%。當(dāng)加入1%的鎳形成單相固溶體后,強(qiáng)度升高到390MPa,硬度升高到70HB,而斷面收縮率仍有50%。所以固溶體綜合機(jī)械性能很好,常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。固溶體與純金屬相比,物理性能有較大的變化,如電阻率上升,導(dǎo)電率下降,磁矯頑力增大。（3）按溶質(zhì)原子在固溶體中分布是否有規(guī)律分固溶體分無(wú)序固溶體和有序固溶體兩種。

溶質(zhì)原子有規(guī)則分布的為有序固溶體；無(wú)規(guī)則分布的為無(wú)序固溶體。在一定條件(如成分、溫度等)下，一些合金的無(wú)序固溶體可轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w。這種轉(zhuǎn)變叫做有序化。第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)

固溶強(qiáng)化:

由于溶質(zhì)原子溶入溶劑后引起晶格畸變,使其塑性變形的抗力增大,因而使得合金的強(qiáng)度、硬度升高，這種現(xiàn)象稱(chēng)為固溶強(qiáng)化。第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)

概念：在合金相中，各組元的原子按一定的比例相互作用生成的晶格類(lèi)型和性能完全不同于任一組元，并且有一定金屬性質(zhì)的新相，稱(chēng)為金屬化合物。如圖2.8所示。

性能：金屬化合物的熔點(diǎn)高，性能硬而脆。金屬化合物圖2-8Fe3C的晶體結(jié)構(gòu)第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第三節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)多晶體結(jié)構(gòu)單晶體:晶體內(nèi)部的晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶體稱(chēng)為單晶體。

多晶體:由許多小晶體組成的晶體稱(chēng)為多晶體，這些小晶體稱(chēng)為晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱(chēng)為晶界。

雖然每個(gè)晶粒具有各向異性，但不同方向的金屬性能是很多位向不同晶粒的平均性能，故多晶體材料表現(xiàn)為各向同性。

a)單晶體b)多晶體圖2-9單晶體與多晶體結(jié)構(gòu)第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷

晶體中原子規(guī)律排列受到破壞的某些區(qū)域，稱(chēng)為晶體缺陷。第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)晶體缺陷按其幾何特征分為點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷

晶體缺陷產(chǎn)生晶格畸變，會(huì)使金屬的強(qiáng)度和硬度有所提高。

在晶體中，空著的晶格結(jié)點(diǎn)稱(chēng)為晶格空位。不占據(jù)正常晶格位置而處在晶格空隙中的原子，稱(chēng)為間隙原子，如圖2.16所示?？瘴缓烷g隙原子均為晶體的點(diǎn)缺陷。另外，晶體中存在的雜質(zhì)原子也是一種點(diǎn)缺陷。

空位和間隙原子

第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)圖2-10晶格空位和間隙原子第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)空位間隙原子大置換原子小置換原子點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱(chēng)晶格畸變。從而強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。點(diǎn)缺陷

點(diǎn)缺陷的附近會(huì)產(chǎn)生晶格畸變，產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)。點(diǎn)缺陷在晶體中是不斷地運(yùn)動(dòng)者的，這是產(chǎn)生

擴(kuò)散的原因。第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)

晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。刃型位錯(cuò)(圖2-11)是金屬晶體中最常見(jiàn)且最簡(jiǎn)單的位錯(cuò)。線缺陷(位錯(cuò))第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)圖2-11刃型位錯(cuò)示意圖第二章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)

晶界的特點(diǎn)：晶界處能量高，易被腐蝕，熔點(diǎn)比晶內(nèi)低，晶界處雜質(zhì)多，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)，使金屬不易發(fā)生塑性變形（常溫下，細(xì)晶粒金屬的強(qiáng)度比粗晶粒金屬高）等。

晶界：多晶體