晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶資料

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本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁材料的結(jié)構(gòu)和金屬結(jié)晶

對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的認(rèn)識水平：宏觀、微觀。廣義的講，它包括了成分、相、組織、結(jié)構(gòu)等概念材料的結(jié)構(gòu)——表明材料的組元及其排列和運(yùn)動方式?！?.1金屬的特性一、金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)§1-1金屬金屬？最外層電子很少，一般為1-2個(gè)，最多3個(gè)具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。原子核：帶正電質(zhì)子：正電荷中子：電中性核外電子：帶負(fù)電原子金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):失去電子形成正離子（正電性元素）11質(zhì)子12中子K層(n=1)L層(n=2)M層(n=3)1s22s22p63s1Na非金屬元素的原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：最外層4-7個(gè)元素得到電子形成負(fù)離子（負(fù)電性元素）過渡族金屬元素的原子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：易失去最外層電子和次外層電子最外層電子很少，一般為1-2個(gè)，最多3個(gè)金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn):

失去電子形成正離子（正電性元素）最外層電子數(shù)很少一般為1-2個(gè)，最多3個(gè)（同于金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)）；（Ti、V、Fe、Mn、Co等）次外層未填滿、最外層先填充電子過渡族金屬的原子間結(jié)合力強(qiáng)，熔點(diǎn)高、強(qiáng)度高次外層電子也參與結(jié)合二、金屬鍵金屬的性能：良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性正的電阻溫度系數(shù)、不透明、具有金屬光澤良好的延展性金屬中自由電子與金屬正離子之間構(gòu)成的鍵合方式公有化的自由電子與正離子之間的結(jié)合方式離子鍵：共價(jià)鍵：一失一得，靜電作用相鄰原子共用它們的外部價(jià)電子，形成穩(wěn)定的滿殼層（金剛石）（氯化鈉）結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁§1.2材料的結(jié)構(gòu)(crystallography)理想晶體1．晶體與非晶體晶體--材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期性排列(金屬在固態(tài)下是晶體)。非晶體－材料的原子（離子、分子）無規(guī)則、雜亂的堆積在一起。(a)、是否具有周期性、對稱性(b)、是否長程有序(c)、是否有確定的熔點(diǎn)(d)、是否各向異性區(qū)別結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁空間規(guī)則排列的原子→剛球模型→晶格(crystallattice)（空間點(diǎn)陣）→晶胞(unitcell)（具有周期性最小組成單元，或能完全反映晶格特征的最小幾何單元)。2．理想晶體結(jié)構(gòu)3．晶胞的描述晶體學(xué)參數(shù)：a,b,c；α,β,γ

晶格常數(shù)(latticeconstant)

：a,b,ccXZYOαβγba14種布拉菲點(diǎn)陣根據(jù)6個(gè)點(diǎn)陣參數(shù)間的相互關(guān)系，可將全部空間點(diǎn)陣歸屬于7種類型，即7個(gè)晶系。按照“每個(gè)陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同“的要求，布拉菲（BravaisA．）用數(shù)學(xué)方法推導(dǎo)出能夠反映空間點(diǎn)陣全部特征的單位平面六面體只有14種，這14種空間點(diǎn)陣也稱布拉菲點(diǎn)陣布拉菲空間點(diǎn)陣晶胞（14種）結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁晶向(crystaldirection):

在晶格中,任意兩原子之間的連線所指的方向。晶面(crystalface):

在晶格中由一系列原子所構(gòu)成的平面稱為晶面。結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁4．三種典型的金屬晶體晶胞(圖)

屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬有：堿金屬、難溶金屬（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）、a-Fe等

屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬有：Al、貴重金屬、γ-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奧氏體不銹鋼等。

屬于此類結(jié)構(gòu)的金屬有：Mg、Zn、a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。體心立方晶胞bcc面心立方晶胞fcc密排六方晶胞hcp晶胞原子數(shù)：是指在一個(gè)晶胞中所含的原子數(shù)目。（體心：2）配位數(shù)：是指晶格中與任一原子最鄰近且等距離的原子數(shù)目。體：8

致密度：致密度=晶胞中原子所占有的體積/晶胞的體積。體：0.68結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁①、體心立方晶胞BCC——Body-CenteredCube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BCCa=b=c,a=b=g=90o

280.68演示圖結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁②、面心立方晶胞FCCFace-CenteredCube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,a=b=g=90o

4120.74演示圖結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁③、密排六方晶胞HCPHexagonalClose-Packed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HCPa=b≠c,c/a=1.633,a=b=90o,g=120o

a/26120.74演示圖結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁體BCC、面FCC、密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BCCa=b=c,a=b=g=90o

280.68FCCa=b=c,a=b=g=90o

4120.74HCPa=b≠c,c/a=1.633,a=b=90o,g=120o

a/26120.74④同素異構(gòu)性：結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁§1.3實(shí)際晶體

實(shí)際晶體——多晶體并存在著晶體缺陷.單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致——各向異性1、多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組成——具有各向同性。2．晶體缺陷(crystaldefect)

：

實(shí)際晶體中存在著偏離（破壞）晶格周期性和規(guī)則性的部分。a、點(diǎn)缺陷

b、線缺陷（位錯）

c、面缺陷

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本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁a、點(diǎn)缺陷(pointdefect)——晶格結(jié)點(diǎn)處或間隙處，產(chǎn)生偏離理想晶體的變化空位(vacancy)

：

晶格結(jié)點(diǎn)處無原子置換原子(gapatom)

：

晶格結(jié)點(diǎn)處為其它原子占據(jù)

間隙原子(substitutionalatom)

：

原子占據(jù)晶格間隙間隙原子、置換原子示意圖結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁晶格畸變:強(qiáng)度硬度升高.置換原子引起的晶格畸變空位引起的晶格畸變結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁B、線缺陷(linedefect)－位錯(dislocation)：——二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯排

刃型位錯(screwdislocation)

螺型位錯(bladedislocation)結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁c、面缺陷(surface-defect)

晶界(grainboundary):晶粒與晶粒之間的界面。亞晶界(sub-boundary

大角度晶界---晶界小角度晶界---亞晶界演示圖§3-1合金中的相合金(alloy)：由兩種或兩種以上的金屬或金屬和非金屬，經(jīng)熔煉或燒結(jié)等材料制備方法而合成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)。組元(元)(element)：組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。（合金元素或穩(wěn)定的化合物）相(phase)：晶體結(jié)構(gòu)相同，成分和性能均一并以界面相互分開的組成部分。（單相合金、多相合金）合金系(alloysystem)

：由給定的組元以不同的比例配成的一系列不同成分合金系統(tǒng)。兩個(gè)組元組成的為二元系、三個(gè)組元組成的為三元系、三個(gè)以上組元組成的為多元系。二元合金：由兩個(gè)組元組成的合金三元合金：由三個(gè)組元組成的合金多元合金：由三個(gè)以上組元組成的合金材料的組織：各組成相的形貌、尺寸、數(shù)量和分布狀況。顯微組織：通過顯微鏡觀察到的組織。宏觀組織：通過肉眼或放大鏡觀察到的組織。固溶體(solidsolution)：合金組元之間以不同比例相互混合后形成的固相，其晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的某一組元的相同，該組元稱為溶劑，其他組元為溶質(zhì)。金屬化合物(中間相)(intermetalliccompound)：

固溶體中溶質(zhì)的含量超過固溶度極限后形成的固相，其晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元的，一般可用分子式來大致表示其組成。大多數(shù)金屬化合物的原子間結(jié)合鍵是金屬鍵與離子鍵或共價(jià)鍵相混合的結(jié)合方式，因此具有一定的金屬性質(zhì)，所以稱其為金屬化合物。§3-2合金的相結(jié)構(gòu)相的分類（根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)）1.按溶質(zhì)原子在晶格中所占位置：置換固溶體：溶質(zhì)原子置換了溶劑晶格的某些節(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體間隙固溶體：溶質(zhì)原子填入溶劑晶格間隙中所形成的固溶體（一）固溶體的分類有限固溶體：溶質(zhì)組元在固溶體中的濃度有一定的限度（溶解度或固溶度）的固溶體。無限固溶體：溶質(zhì)原子可以任意比例溶入溶劑晶格中形成的固溶體。（固溶度可達(dá)100%）2.按溶解度分類無限置換固溶體中兩組元素原子置換示意圖（一）固溶體的分類無序固溶體：溶質(zhì)在溶劑中任意分布,無規(guī)律性有序固溶體：溶質(zhì)按一定規(guī)律分布在溶劑晶格的結(jié)點(diǎn)或間隙。3.按溶質(zhì)原子在溶劑中的分布特點(diǎn)分類（一）固溶體的分類偏聚短程有序無序固溶體有序固溶體過渡（二）置換固溶體--影響溶解度的因素1.原子尺寸原子尺寸相對大小例如：鐵基合金，△r<8%，晶體結(jié)構(gòu)相同時(shí)形成無限固溶體。組元間原子尺寸越相近，△r越小，溶解度越大?！鱮<14~15%或1.15>r質(zhì)/r劑>0.85固溶體中溶解度較大,否則較小。置換原子（點(diǎn)缺陷）→晶格畸變置換原子數(shù)↑→晶格畸變能↑原子尺寸相差↑→晶格畸變能↑晶格畸變能↑→穩(wěn)定性↓→新相溶質(zhì)原子是一些原子半徑小于0.1nm的非金屬元素，如：C(0.077nm);N(0.071nm);O(0.061nm);H(0.071nm)、B(0.097nm)。形成條件：r質(zhì)/r劑<0.59間隙固溶體只能是有限固溶體,一般溶解度較小。如：碳原子在α－Fe（最大Wt=0.0218%）γ－Fe（最大Wt=2.11%）（三）間隙固溶體

——形成條件、溶解度二、金屬化合物（中間相）金屬化合物正常價(jià)化合物—受電負(fù)性因素控制電子化合物—受電子濃度控制間隙化合物、間隙相—受原子尺寸控制相的分類（根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)）固溶體金屬化合物(中間相)：

固溶體中溶質(zhì)的含量超過固溶度極限后形成的固相，其晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元的，一般可用分子式來大致表示其組成。小尺寸原子與過渡族金屬之間形成晶體結(jié)構(gòu)取決于電子濃度服從原子價(jià)規(guī)律按形成此類相的主導(dǎo)控制因素分（一）正常價(jià)化合物

（valencecompound）組成：金屬元素與電負(fù)性較強(qiáng)的ⅣA、ⅤA、ⅥA族元素形成的化合物。特點(diǎn)：符合化合價(jià)規(guī)律。具有嚴(yán)格的化合比、成分固定不變，可用化學(xué)式表示。一般為AB型、AB2型或A2B型、A3B2型。常溫時(shí)有很高的硬度和脆性。強(qiáng)化相；有害相。（二）電子化合物

（electroncompound）組成：由ⅠB族（Cu、Au、Ag）或過渡族金屬（Fe、Co、Ni）與ⅡB、ⅢA、ⅣA族元素形成的金屬化合物。特點(diǎn)不遵循原子價(jià)規(guī)律、按一定的電子濃度的比值形成電子濃度相同,相的晶體結(jié)構(gòu)類型相同。電子濃度=化合物元素價(jià)電子總數(shù)/化合物原子數(shù)

電子濃度相晶體結(jié)構(gòu)

C電子==21/12ε相密排六方結(jié)構(gòu)

C電子==21/13γ相復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)

C電子==21/14β相體心立方結(jié)構(gòu)

以金屬鍵為主，具有金屬特性,高熔點(diǎn)、高硬度但脆性很大可用化學(xué)式表示,成分可在一定范圍內(nèi)變化，因此視為以化合物為基的固溶體。（三）間隙相與間隙化合物組成：過渡族金屬與原子半徑很小的非金屬元素（C、H、N、B等）組成。特點(diǎn)：受組元的原子尺寸因素的控制：rX/rM<0.59

間隙相（結(jié)構(gòu)簡單）rX/rM>0.59

間隙化合物（結(jié)構(gòu)復(fù)雜）原子間結(jié)合鍵為金屬鍵與共價(jià)鍵的混合形式結(jié)束放映下一頁上一頁

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EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁What?“組織結(jié)構(gòu)”相：凡是化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其它部分分開的均勻組成部分。組織：用肉眼或顯微鏡觀察到的材料的微觀形貌，它可以是單相的，也可以是(由一定數(shù)量、形態(tài)、大小和分布方式的)多相組成。鎂合金組織圖結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁§1.4純金屬的結(jié)晶及其組織

1．結(jié)晶與凝固的區(qū)別

凝固：L→S

(

S可以是非晶體)物質(zhì)由液態(tài)轉(zhuǎn)變成固態(tài)的過程。結(jié)晶：由一種原子排列狀態(tài)（晶態(tài)或非晶態(tài)）轉(zhuǎn)變?yōu)榫w(另一種原子規(guī)則排列)狀態(tài)（晶態(tài)）的過程.

To時(shí)間溫度理論冷卻曲線實(shí)際冷卻曲線Tm結(jié)晶平臺(是由結(jié)晶潛熱導(dǎo)致)純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線2.結(jié)晶時(shí)的現(xiàn)象⑴放出結(jié)晶潛熱--平臺⑵過冷現(xiàn)象(supercooling)過冷度(degreeofsupercooling)

ΔT=To–Tm理實(shí)凝固結(jié)晶金屬由液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程。結(jié)晶是指從原子不規(guī)則排列的液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)樵右?guī)則排列的晶體狀態(tài)的過程。平衡結(jié)晶溫度或理論結(jié)晶溫度金屬熔點(diǎn)通常把金屬從液態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)楣腆w晶態(tài)的過程稱為一次結(jié)晶。而把金屬從一種固體晶態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N固體晶態(tài)的過程稱為二次結(jié)晶或重結(jié)晶。金屬結(jié)晶的現(xiàn)象冷卻曲線結(jié)晶潛熱結(jié)晶溫度結(jié)晶過程宏觀現(xiàn)象過冷結(jié)晶潛熱金屬結(jié)晶的現(xiàn)象金屬結(jié)晶的現(xiàn)象金屬結(jié)晶微觀過程形核長大形成多晶體兩個(gè)過程重疊交織結(jié)晶驅(qū)動力——ΔG體系中各種能量的總和叫做內(nèi)能，其中可以對外做功或向外釋放的能量叫自由能.

3．結(jié)晶熱力學(xué)液、固兩相的自由能隨溫度變化示意圖

過冷是結(jié)晶的必要條件。

實(shí)驗(yàn)證明，純金屬液體被冷卻到熔點(diǎn)Tm（理論結(jié)晶溫度）時(shí)保溫，無論保溫多長時(shí)間結(jié)晶都不會進(jìn)行，只有當(dāng)溫度明顯低于Tm時(shí)，結(jié)晶才開始。也就是說，金屬要在過冷(Undercooled)的條件下才能結(jié)晶。

可見，過冷度越大，結(jié)晶的驅(qū)動力也就越大；過冷度等于0，ΔG也等于0，沒有驅(qū)動力結(jié)晶不能進(jìn)行。結(jié)論：結(jié)晶的熱力學(xué)條件就是必須有一定的過冷度過冷度與冷卻曲線冷速越快，過冷度越大。a.形核：自發(fā)形核、非自發(fā)形核b.長大：平面長大、樹枝狀長大演示圖4、結(jié)晶的過程：晶核的形成和長大過程。形核和長大是結(jié)晶的基本規(guī)律。變質(zhì)處理：鑄造時(shí)，液體中加入-----5、晶粒尺寸的控制（1）晶粒度——晶粒的尺度。單位面積上的晶粒數(shù)目或晶粒的平均線長度（或直徑）表示。形核率N越大，長大速率G越慢，晶?？倲?shù)目多，晶粒細(xì)小。（2）過冷度對形核一長大的影響結(jié)束放映下一頁上一頁

本章首頁EngineeringMaterialsMAT,SWJTU教程首頁（3）控制晶粒度的因素控制晶粒度的因素①過冷度△T↑，N↑↑，G↑——N/G增大，晶粒細(xì)化②變質(zhì)處理在液態(tài)金屬中加入孕育劑或變質(zhì)劑作為非自發(fā)晶核的核心，以細(xì)化晶粒和改善組織。③振動，攪拌等演示圖6、金屬鑄錠的組織特點(diǎn)在實(shí)際生產(chǎn)中，液態(tài)金屬在鑄錠模或鑄型中凝固的（鑄錠、鑄件）它的結(jié)晶過程均遵循結(jié)晶普遍規(guī)律，結(jié)晶時(shí)整個(gè)截面有明顯的溫度梯度，將鑄錠刮開可看到。第五節(jié)金屬的鑄錠組織表面細(xì)晶粒區(qū)

澆注時(shí)，由于冷模壁產(chǎn)生很大的過冷度及非均勻形核作用，使表面形成一層很細(xì)的等軸晶粒區(qū)。

表面細(xì)晶粒區(qū)中心等軸晶粒區(qū)柱狀