金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

關(guān)于金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶第1頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六本章目的：1建立金屬晶體結(jié)構(gòu)的理想模型；

2揭示金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)；

第2頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六§1金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體的基本概念

1．晶體

非晶體所謂晶體是指其原子（離子或分子）在空間呈規(guī)則排列的物體非晶體則反之。

非晶體晶體特點：晶體——①有熔點；②具有各向異性。如：食鹽，冰，金剛石，金屬等。

非晶體——①無熔點；②各向同性。如：玻璃，松香，瀝青等。第3頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六2.晶格與晶胞晶格：表示晶體中原子排列形成的空間格子。晶胞：組成晶格最基本的幾何單元。abc晶胞示意圖原子3.晶格常數(shù)—a,b,ca=b=c且互垂直表示晶胞幾何形狀大小晶體中的原子排列晶面結(jié)點形成的原因：各原子之間相互吸引力與排斥力相平衡結(jié)果。第4頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六二、常見的晶格類型1.

體心立方晶格

body—centeredcubiclattice特點：b

較好。如：＜912℃Fe,Cr,Mo,V等。含有2個原子體積組成。2.

面心立方晶格

face—centeredcubiclattice特點：較好。如：＞912℃Fe,Cu,Al等金屬。含有4個原子體積組成。第5頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六3.密排六方晶格

hexagonalclosepackedlattice特點：硬度高、脆性大。如：鋅(Zn),鎂(Mg),鎘(Cd)等金屬。abCa=b＜c4.晶格致密度——原子排列的緊密程度。致密度=————=———原子體積晶胞體積—43πr3a3結(jié)果：體心=0.68面心=0.74六方=0.74原子半徑r=?第6頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六（1）體心立方晶格體心立方晶格的晶胞是由八個原子構(gòu)成的立方體，并且在立方體的體中心還有一個原子。晶格常數(shù)a=b=c，通常只用a表示這種晶胞在其立方體的對角線方向上原子是緊密接觸排列著的。故其對角線長度方向上所分布的原子數(shù)目為2，這樣可計算出其原子半徑?

在這種晶胞中，每個頂點上的原子是同時屬于周圍八個晶胞所共有。實際上每個體心立方晶胞中僅含有：?

個原子。第7頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六體心立方晶格的致密度：即晶格中有68%的體積被原子占有，其余為空隙。屬于這種體心立方晶格的金屬有Fe(＜912℃,α-Fe)、Cr、Mo、W、V等。第8頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六（2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是由八個原子構(gòu)成的立方體，但在立方體的每個面上還各有一個原子。晶格常數(shù)a=b=c，通常只用a表示在這種晶胞中，在每個面的對角線上各原子彼此相互接觸，因而其原子半徑：又因每一面心位置上的原子是同時屬于兩個晶胞所共有的，故面心立方晶格的晶胞中包含有：個原子。第9頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六（2）面心立方晶格面心立方晶格的致密度：即有74%的體積被原子占有，其余的為空隙。屬于這種晶格的金屬有：Fe(>912℃,γ-Fe)、Al、Cu、Ni、Pb等。第10頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六（3）密排六方晶格密排六方晶格由12個原子構(gòu)成的簡單六方晶體，且在上下兩個六方面心還各有一個原子，而且簡單六方體中心還有3個原子。晶格常數(shù)a＝b≠c，c/a=1.633密排六方晶格晶胞中所含原子數(shù)：個原子致密度K=0.74屬于這種晶格的金屬有Be、Mg、

Zn、Cd等。除以上三種晶格以外，少數(shù)金屬還具有其它類型的晶格，但一般很少遇到。

第11頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六三、晶面及晶向指數(shù)

在研究金屬晶體結(jié)構(gòu)的細(xì)節(jié)及其性能時，往往需要分析它們的各種晶面和晶向中原子分布的特點，這樣有必要給各種晶面和晶向定出一定的符號，以表示出它們在晶體中的方向，從而便于分析，晶面和晶向的這種符號分別叫“晶面指數(shù)”和“晶向指數(shù)”。

晶面指數(shù)與晶向指數(shù)是如何確定？

第12頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六三、晶面及晶向指數(shù)（1）晶面指數(shù)的確定⑴如圖1-10設(shè)晶格中，某一原子為原點，通過該點平行于晶胞的三棱邊作OX、OY、OZ三坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)a、b、c分別作為相應(yīng)的三個坐標(biāo)軸上的度量單位，求出所需確定的晶面在三坐標(biāo)軸上的截距；⑵將所得三截距之值變?yōu)榈箶?shù)；⑶再將這三個倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)并加上一圓括號即為晶面指數(shù)。一般表示形式：（hkl)。

第13頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六（1）晶面指數(shù)的確定1．PBEQ面：在三坐標(biāo)軸上的截距分別是1/2，1，∞；截距倒數(shù)分別是：2，1，0；化為最小整數(shù)后的晶面指數(shù)（210）2．AGE面：截距1，1，1；倒數(shù)1，1，1，晶面指數(shù)（111）3．DBEG面：截距1，1，∞；倒數(shù)1，1，0，晶面指數(shù)（110）4．DCFG面：截距1，∞，∞；倒數(shù)1，0，0，晶面指數(shù)（100）值得注意：晶面指數(shù)，并非僅指一晶格中的某一個晶面，而是泛指該晶格中所有那些與其相平行的位向相同的晶面。在一種晶格中，如果某些晶面，雖然它們的位向不同，但原子排列相同。如（100）、（010）及（001）等，這時若不必要予以區(qū)別時，可把這些晶面統(tǒng)一用{100}表示。即：（hkl)這類符號系指某一確定位向的晶面指數(shù)；而{hkl}則可指所有那些位向不同而原子排圖2-11晶面指數(shù)的確定列相同的晶面指數(shù)。第14頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六（2）晶向指數(shù)的確定⑴通過坐標(biāo)原點引一直線，使其平行于所求的晶向；⑵求出該直線上任意一點的三個坐標(biāo)值；⑶將三個坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)，加一方括號，即為所求的晶面指數(shù)，其一般形式[uvw]。如：AB的晶向指數(shù)：過O作一平行直線OP,其上任一點的坐標(biāo)（110）,這樣所求AB的晶向指數(shù)即為[110]；OB：本身過原點不必作平行線，其上任一點的坐標(biāo)（111），其晶向指數(shù)[111]；OC：其上任一點C的坐標(biāo)（100），其晶相指數(shù)[100]。同理：OD晶向指數(shù)[010],OA為[001]。同樣[100]代表方向相同的一組晶向,而<100>則代表方向不同但原子排列相同的晶向。

第15頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六

§2實際金屬的結(jié)構(gòu)（1）單晶體與多晶體單晶體：一塊晶體，其內(nèi)部的晶格位向完全一致，稱這塊晶體為單晶體。在一塊很小的金屬中也含著許多的小晶體，每個小晶體的內(nèi)部，晶格位向都是均勻一致的，而各個小晶體之間，彼此的位向都不相同。這種小晶體的外形呈顆粒狀，稱為“晶?！?。晶粒與晶粒之間的界面稱為“晶界”。在晶界處，原子排列為適應(yīng)兩晶粒間不同晶格位向的過度，總是不規(guī)則的。多晶體：實際上由多個晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)稱為“多晶體”。第16頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六（1）單晶體與多晶體對于單晶體，由于各個方向上原子排列不同，導(dǎo)致各個方向上的性能不同，即“各向異性”的特點；多晶體對每個小晶粒具有“各向異性”的特點，而就多晶體的整體，由于各小晶粒的位向不同，表現(xiàn)的是各小晶粒的平均性能，不具備“各向異性”的特點。單晶體

多晶體

第17頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六

（2）晶體缺陷在金屬中還存在著各種各樣的晶格缺陷，按其幾何形式的特點，分為如下三類：

點缺陷原子排列不規(guī)則的區(qū)域在空間三個方向尺寸都很小。晶體中的空位、間隙原子、雜質(zhì)原子都是點缺陷。

圖2-14點缺陷示意圖第18頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六

當(dāng)晶格中某些原子由于某種原因，（如熱振動等）脫離其晶格結(jié)點而轉(zhuǎn)移到晶格間隙這樣就形成了點缺陷，點缺陷的存在會引起周圍的晶格發(fā)生畸變，從而使材料的性能發(fā)生變化，如屈服強度提高和電阻增加等。

第19頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六線缺陷原子排列的不規(guī)則區(qū)在空間一個方向上的尺寸很大，而在其余兩個方向上的尺寸很小。如：位錯。

位錯可認(rèn)為是晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體的局部滑移而造成?；撇糠峙c未滑移部分的交界線即為位錯線。由于晶體中局部滑移的方式不同，可形成不同類型的位錯，最簡單的位錯“刃型位錯”。因為相對滑移的結(jié)果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的邊緣好像插入晶體中的一把刀的刃口，故稱“刃型位錯”。

第20頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六第21頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六實際晶體中存在大量的位錯,一般用位錯密度來表示位錯的多少。位錯密度：單位體積中位錯線的總長度,

或單位面積上位錯線的根數(shù),單位cm2位錯線附近的原子偏離了平衡位置,使晶格發(fā)生了畸變,對晶體的性能有顯著的影響。實驗和理論研究表明:晶體的強度和位錯密度有如圖2-16的對應(yīng)關(guān)系,當(dāng)晶體中位錯密度很低時,晶體強度很高；相反在晶體中位錯密度很高時,其強度很高。但目前的技術(shù),僅能制造出直徑為幾微米的晶須,不能滿足使用上的要求。而位錯密度很高易實現(xiàn),如劇烈的冷加工可使密度大大提高,這為材料強度的提高提供途徑。金屬強度與位錯密度的關(guān)系第22頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六

面缺陷原子排列不規(guī)則的區(qū)域在空間兩個方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。如前面講的晶界和亞晶界是晶體中典型的面缺陷。顯然在晶界處原子排列很不規(guī)則，亞晶界處原子排列不規(guī)則程度雖較晶界處小，但也是不規(guī)則的，可以看作是由無數(shù)刃型位錯組成的位錯墻。這樣晶界及亞晶界愈多，晶格畸變越大，且位錯密度愈大，晶體的強度愈高。面缺陷第23頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六

面缺陷——晶界和亞晶界實際金屬材料是多晶體材料，則在晶體內(nèi)部存在著大量的晶界和亞晶界。晶界和亞晶界實際上是一個原子排列不規(guī)則的區(qū)域（如圖下圖），該處晶體的晶格處于畸變狀態(tài)，能量高于晶粒內(nèi)部，在常溫下強度和硬度較高，在高溫下則較低，晶界容易被腐蝕等。第24頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六面缺陷:孿晶圖2-18孿晶示意圖第25頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六§3金屬的結(jié)晶一、結(jié)晶的基本概念

一切物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程稱為凝固，如凝固后形成晶體結(jié)構(gòu)，則稱為結(jié)晶。金屬在固態(tài)下通常都是晶體，所以金屬自液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程，稱為金屬的結(jié)晶。

液態(tài)金屬與固態(tài)金屬的主要差別在于：液態(tài)金屬無一定形狀，易流動，原子間的距離大，但在一定溫度條件下，在液態(tài)金屬中存在與固態(tài)金屬的“遠(yuǎn)程排列”不同的“近程排列”。第26頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六

1.結(jié)晶時的過冷現(xiàn)象

各種純金屬如Fe、Cu等都有一定的結(jié)晶溫度。Fe：1539℃，Cu：1083℃等等，這是指理論結(jié)晶溫度，也叫平衡結(jié)晶溫度，是指液體的結(jié)晶速度與晶體的熔化速度相等時的溫度。

實際結(jié)晶溫度總是低于這一平衡結(jié)晶溫度，原因在結(jié)晶的能量條件上。在自然界中，任何物質(zhì)都具有一定的能量，而且一切物質(zhì)都是自發(fā)地由能量高的狀態(tài)向能量低的狀態(tài)轉(zhuǎn)變，結(jié)晶過程也同樣遵循這一規(guī)律。

第27頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六圖中以自由能F代表體系的能量，只有當(dāng)固態(tài)金屬的自由能低于液態(tài)金屬的自由能，即:體系自由能變化ΔF=F固－F液＜0時,結(jié)晶過程才能自發(fā)進(jìn)行。從溫度坐標(biāo)上看，只有實際結(jié)晶溫度T1低于平衡結(jié)晶溫度T0，結(jié)晶過程才能自發(fā)進(jìn)行。這種實際結(jié)晶溫度低于平衡結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象。兩者之間的溫度差ΔT稱為過冷度。即:ΔT=T0－Tn。過冷度的大小與金屬的本性以及冷卻速度有關(guān)，冷卻速度愈大，過冷度ΔT愈大。液體和固體的自由能隨溫度的變化第28頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六2、冷卻曲線與過冷度ΔT℃T0T1時間O冷卻曲線★平臺：結(jié)晶過程時間。是結(jié)晶時放出的熱（潛熱）造成的?！颰0——理論結(jié)晶溫度T1—實際結(jié)晶溫度T0—T1=

ΔT

過冷度過冷是結(jié)晶的必要條件！T—temperation第29頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六第30頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六第31頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六二、結(jié)晶過程的基本規(guī)律

1.形核和核長大金屬的結(jié)晶過程從微觀的角度看，當(dāng)液體金屬冷到實際結(jié)晶溫度后，開始從液體中形成一些尺寸極小的、原子呈規(guī)則排列的晶體－晶核，這種已形成的晶核不斷長大，同時液態(tài)金屬的其它部位也產(chǎn)生新的晶核，新晶核又不斷長大，直到液態(tài)金屬全部消失，結(jié)晶結(jié)束。液態(tài)金屬的結(jié)晶包括形核和晶核長大的兩個基本環(huán)節(jié)。形核有自發(fā)形核和非自發(fā)形核兩種方式，

自發(fā)形核是在一定條件下，從液態(tài)金屬中直接產(chǎn)生，原子呈規(guī)則排列的結(jié)晶核心；非自發(fā)形核是液態(tài)金屬依附在一些未溶顆粒表面所形成的晶核，非自發(fā)形核所需能量較少，它比自發(fā)形核容易得多，一般條件下，液態(tài)金屬結(jié)晶主要靠非自發(fā)形核。晶體的長大以枝晶狀形式進(jìn)行的，并不斷地分枝發(fā)展。第32頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六形核和核長大

第33頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶第34頁，共39頁，2022年，5月20日，11點52分，星期六2.影響晶核形成和長大的因素晶粒大小對金屬機械性能影響較大，在常溫下工作的金屬其強度、硬度、塑性和韌性，一般是隨晶粒細(xì)化而有所提高的。影響晶粒大小的因素有：形核率N，長大速度G，形核率N