純金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)

關(guān)于純金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與非晶體固態(tài)物質(zhì)按其原子的排列特征可分為晶體與非晶體。凡原子按一定規(guī)律排列的固態(tài)物質(zhì)，稱為晶體。如金剛石、石墨及固態(tài)金屬與合金。而少數(shù)固態(tài)物質(zhì)，如松香、瀝青、玻璃、塑料等是非晶體。對兩者比較可以看出，晶體具有如下特點(diǎn)：（１）原子在三維空間呈規(guī)則、周期性重復(fù)排列，如圖２-１（ａ）所示；（２）具有一定的熔點(diǎn)，如純鐵的熔點(diǎn)為１５３８℃，鋁的熔點(diǎn)為６６０℃；（３）晶體的性能隨著原子的排列方位而改變，即單晶體具有各向異性。下一頁返回第2頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

金屬晶體除具有上述晶體所共有的特征外，還具有金屬光澤、良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性，尤其是金屬晶體還具有正的電阻溫度系數(shù)，這是金屬晶體與非金屬晶體的根本區(qū)別。上一頁下一頁返回第3頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識１晶格為了形象描述晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律，可將原子抽象為幾何點(diǎn)，并用一些假想線條將幾何點(diǎn)在三維方向連接起來，這樣構(gòu)成的空間格子稱為晶格，如圖２-１（ｂ）所示。晶格中的每一個(gè)點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。２晶胞由于晶體中原子排列具有周期性變化的特點(diǎn)，因此，可以從晶格中選取一個(gè)能夠完整反映晶格特征的最小幾何單元，從中找出晶體特征及原子排列規(guī)律。這個(gè)組成晶格的最基本幾何單元稱為晶胞，如圖２-１（ｃ）所示。實(shí)際上整個(gè)晶格就是由許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復(fù)堆積而成的。上一頁下一頁返回第4頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)３晶格常數(shù)不同元素結(jié)構(gòu)不同，晶胞的大小和形狀也有差異。結(jié)晶學(xué)中規(guī)定，晶胞的大小以其各棱邊尺寸a、b、c表示，稱為晶格常數(shù)，單位為。４致密度金屬晶胞中原子所占的體積與該晶胞所占體積的百分比，用來表示原子在晶格中排列的緊密程度。三、金屬中常見的晶格類型各種晶體由于其晶格類型和晶格常數(shù)不同，故呈現(xiàn)出不同的物理、化學(xué)及力學(xué)性能。除少數(shù)金屬具有復(fù)雜晶格外，大多數(shù)金屬的晶體結(jié)構(gòu)都比較簡單，其中常見的有以下３種：上一頁下一頁返回第5頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第一節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)１體心立方晶格體心立方晶格的晶胞是一個(gè)立方體，原子分布在立方體的８個(gè)結(jié)點(diǎn)及中心處，如圖２-２所示。２面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一個(gè)立方體，原子分布在立方體的８個(gè)結(jié)點(diǎn)及各面的中心處，如圖２-３所示。３密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一個(gè)正六棱柱體，晶胞的３個(gè)棱邊長度犪＝犫＝犮，晶胞棱邊夾角α＝β＝９０°、γ＝１２０°，其晶格常數(shù)用正六邊形底面的邊長犪和晶胞的高度犮表示。在密排六方晶胞的１２個(gè)結(jié)點(diǎn)上和上、下底面的中心處各排列有一個(gè)原子，此外柱體中心處還包含著３個(gè)原子，如圖２-４所示。上一頁返回第6頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)一、單晶體與多晶體晶體內(nèi)部晶格位向完全一致的晶體稱為單晶體，單晶體具有各向異性的特征。在工業(yè)生產(chǎn)中，只有通過特殊制作才能獲得單晶體，如半導(dǎo)體元件、磁性材料、高溫合金材料等。實(shí)際使用的工業(yè)金屬材料，即使體積很小，其內(nèi)部仍包含了許多顆粒狀的小晶體。每個(gè)小晶體的內(nèi)部，晶格方位都是基本一致的，而各個(gè)小晶體之間彼此的方位都不相同的，如圖２-５所示。每個(gè)小晶體的外形多為不規(guī)則的顆粒，通常稱為晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。這種實(shí)際上由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。一般金屬材料都是多晶體。下一頁返回第7頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)二、晶體中的缺陷晶體中原子完全為規(guī)則排列時(shí)，稱為理想晶體。實(shí)際上，金屬由于許多因素（如結(jié)晶條件、原子熱運(yùn)動及加工條件等）的影響，使某些區(qū)域的原子排列受到干擾和破壞，內(nèi)部總是存在著大量缺陷。根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，可將其分為以下３類：１點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是指在長、寬、高三個(gè)方向上尺寸都很小的一種缺陷，最常見的是空位和間隙原子，如圖２-６所示。上一頁下一頁返回第8頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)２線缺陷線缺陷是指在晶體中呈線狀分布，即一個(gè)方向上尺寸很大，而另兩個(gè)方向上很小的缺陷。常見的線缺陷是各種類型的位錯(cuò)。所謂位錯(cuò)，就是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了某種有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。金屬晶體內(nèi)存有大量的各種類型位錯(cuò)，其中“刃型位錯(cuò)”是一種比較簡單的位錯(cuò)，如圖２-７。晶體中位錯(cuò)的多少可用單位體積中所包括的位錯(cuò)線的總長度表示，稱為位錯(cuò)密度，即上一頁下一頁返回第9頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)３面缺陷面缺陷是指呈面狀分布，即在兩個(gè)方向上的尺寸很大，而在第三個(gè)方向上尺寸很小的缺陷。這類缺陷主要有晶界和亞晶界。（１）晶界。工業(yè)上使用的金屬材料一般都是多晶體。多晶體中兩個(gè)相鄰晶粒之間的位向不同，所以晶界處實(shí)際上是原子排列逐漸從一種位向過渡到另一種位向的過渡層，該過渡層的原子排列是不規(guī)則的。相鄰晶粒的位向差一般為３０°～４０°，晶界寬度為５～１０個(gè)原子間距，如圖２-８所示。上一頁下一頁返回第10頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)（２）亞晶界。在每個(gè)晶粒內(nèi)，其晶格位向并不像理想晶體那樣完全一致，而是存在許多尺寸很小，位向差也很小（一般２°～３°）的小晶塊，這些小晶塊稱為“亞晶粒”，兩相鄰亞晶粒的界面稱為“亞晶界”。亞晶界實(shí)際上是由一系列刃型位錯(cuò)所組成的小角度晶界，如圖２-９所示。上一頁返回第11頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)一、合金的基本概念合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素（或金屬與非金屬元素）組成的，具有金屬特性的新物質(zhì)。組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元（簡稱元）。通常組元是指組成合金的元素，例如普通黃銅的組元是銅和鋅，鐵碳合金的組元是鐵和碳。一般來說，穩(wěn)定的化合物也可以作為組成合金的組元。按組元數(shù)目，合金分為二元合金、三元合金和多元合金等?？梢杂山o定組元按不同比例配制出一系列不同成分的合金，這一系列合金就構(gòu)成了合金系。例如各種牌號的碳鋼就是由不同鐵、碳含量的合金所構(gòu)成的鐵碳合金系。下一頁返回第12頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)二、合金的相結(jié)構(gòu)根據(jù)構(gòu)成合金的各組元之間相互作用的不同，固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。１固溶體合金在固態(tài)下，組元間仍能互相溶解而形成的均勻相，稱為固溶體。形成固溶體后，晶格類型保持不變的組元稱溶劑，晶格消失的組元稱溶質(zhì)。固溶體的晶格類型與溶劑組元相同。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置的不同，可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。上一頁下一頁返回第13頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)（１）置換固溶體。若溶質(zhì)原子代替一部分溶劑原子而占據(jù)溶劑晶格中的某些結(jié)點(diǎn)位置，稱為置換固溶體，如圖２-１０（ａ）所示。（２）間隙固溶體。溶質(zhì)原子在溶劑晶格中并不占據(jù)晶格結(jié)點(diǎn)的位置，而是在結(jié)點(diǎn)間的空隙中，這種形式的固溶體稱為間隙固溶體，如圖２-１０（ｂ）所示。（３）固溶體的性能。由于溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格畸變（如圖２-１１所示），變形抗力增大，使金屬的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。它是強(qiáng)化金屬材料的重要途徑之一。上一頁下一頁返回第14頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)２金屬化合物金屬化合物是指合金組元間發(fā)生相互作用而形成的具有金屬特性的一種新相，它的組成一般可用分子式表示。根據(jù)形成條件及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常見的金屬化合物有三種類型。（１）正常價(jià)化合物。正常價(jià)化合物是指嚴(yán)格遵守原子價(jià)規(guī)律的化合物，它們是由元素周期表中相距較遠(yuǎn)，電化學(xué)性質(zhì)相差較大的元素組成的。（２）電子化合物。電子化合物是指不遵守原子價(jià)規(guī)律，但是有一定的電子濃度（化合物中總價(jià)電子數(shù)與總原子數(shù)之比）的化合物。電子化合物的晶體結(jié)構(gòu)與電子濃度有一定的對應(yīng)關(guān)系。上一頁下一頁返回第15頁,共29頁，2024年2月25日，星期天第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)（３）間隙化合物。間隙化合物是指由過渡族金屬元素與原子半徑較小的碳、氮、氫、硼等非金屬元素形成的化合物。尺寸較大金屬元素原子占據(jù)晶格的結(jié)點(diǎn)位置，尺寸較小的非金屬元素的原子則有規(guī)律地嵌入晶格的間隙中。按結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，間隙化合物分為以下兩種：①間隙相。②復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物。上一頁返回第16頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-１晶體結(jié)構(gòu)示意圖返回第17頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-１晶體結(jié)構(gòu)示意圖返回第18頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-２體心立方晶格返回第19頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-３面心立方晶格返回第20頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-４密排六方晶格返回第21頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-５金屬的多晶體結(jié)構(gòu)示意圖返回第22頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-６空位和間隙原子示意圖返回第23頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-７刃型位錯(cuò)示意圖返回第24頁,共29頁，2024年2月25日，星期天圖２-８晶界的過渡結(jié)構(gòu)示意圖返回第