項目二 金屬的晶體結構

項目二金屬的晶體結構金屬的晶體結構晶體的特征是？金屬材料常見的晶格類型有哪些？晶格缺陷有哪些？對材料性能有什么影響？w晶體概念的發(fā)展古希臘人認為無色透明的石英是由過冷的冰形成的，稱為“Krystallos”（潔白的冰）。英文crystal是起源于這個詞。中世紀人們研究了許多礦物晶體后形成一個初步的概念：晶體是具有規(guī)則多面體外形的固體。人類認識晶體首先是從觀察天然礦物的外部形態(tài)開始。蜂蠟、玻璃、松香、瀝青等晶體金剛石、食鹽、冰等非晶體晶體：組成原子呈規(guī)則排列。非晶體：組成原子無規(guī)則的堆積在一起。一、金屬的晶體結構固態(tài)物質按其原子（或分子）的聚集狀態(tài)可分為晶體和非晶體兩大類。凡原子（或分子）按一定的幾何規(guī)律作規(guī)則的周期性重復排列的物質稱為晶體，如圖2-2所示。而原子（或分子）無規(guī)則聚集在一起的物質則稱為非晶體，如圖2-3所示。1晶體與非晶體的概念圖2-2有序排列的晶體結構

圖2-3無序排列的非晶體結構

根本區(qū)別：質點是否在三維空間作有規(guī)則的周期性重復排列。晶體熔化時具有固定的熔點，而非晶體無明顯熔點，只存在一個軟化溫度范圍。晶體具有各向異性，非晶體呈各向同性。

w晶體與非晶體的區(qū)別

同一晶體在不同方向上所測得的性質表現(xiàn)出差異的特性。這是由于晶體內部各方向上微粒排列的情況不同所致。注：氣體、液體、無定形體都不具有各向異性，而是各向同性的。晶體在多數(shù)性質上表現(xiàn)為各向異性，但是不能認為無論何種晶體，無論在什么方向上都表現(xiàn)出各向異性。各向異性2晶體與非晶體的區(qū)別晶體

非晶體組成物質微粒規(guī)則排列

組成物質微粒無規(guī)則排列

固定熔點

無固定熔點各向異性

各向同性隨著對晶體內部本質結構的認識加深，許多事實說明，僅從幾何外形來判斷是否晶體是不充分的。在自然界中，具有天然多面體外形的晶體是少數(shù)的。但實際上，晶體在自然界普遍存在的，如礦石、沙子、糖、骨骼、牙齒直到眼角膜都是晶體。赤鐵礦眼角膜牙齒二金屬晶格的基本類型（1）假設：原子為固定不動的剛性小球，原子在各個方向的排列都是很規(guī)則的，每個原子具有相同的環(huán)境1晶體結構模型空間點陣：幾何點(原子)在空間排列的陣列晶格：用一些假想的直線將各質點中心連接起來，形成一個空間格子（2）空間點陣、晶格空間點陣晶格為了清楚地表明原子在空間排列的規(guī)律性，將構成晶體的原子抽象為純粹的幾何點，稱之為陣點。（3）晶胞晶胞：晶格中體積最小，對稱性最高的平行六面體，是能代表原子排列形式特征的最小幾何單元晶胞在三維空間的重復構成點陣在晶格中選取能夠完全反映晶格特征的最小幾何單元，建立晶胞的概念根據(jù)微粒的種類和相互作用分為常見的三種晶格類型1、體心立方晶格2、面心立方晶格3、密排六方晶格(一)體心立方結構體心立方晶格的晶胞是一個立方體形的，原子位于立方體的八個頂角和立方體的中心，如圖2-5。屬于這種結構的金屬有鎢（W）、鉬（Mo）、釩（V）、鈮（Nb）、鉭（Ta）及α-鐵（α-Fe）等35種。（2）原子個數(shù)n在體心立方晶格中，頂角上的原子為相鄰的8個晶胞所共有，而體心的原子為其獨有，故其原子個數(shù)為（3）原子半徑r在體心立方晶格中，最鄰近的原子在體心對角線上，此對角線的長度等于4個原子半徑，設晶胞的晶格常數(shù)為a，則體心立方晶格的原子半徑為4）致密度K體心立方晶格的晶胞中包含2個原子，原子半徑為

，其致密度為所以，在體心立方晶格中只有68%的體積為原子所占據(jù)，其余32%為間隙體積。晶體間隙體積的大小對金屬形成合金時的溶解度和力學性能有很大影響。(二)面心立方結構

面心立方晶格的晶胞是一個立方體形，原子位于立方體的八個頂角和立方體六個面的中心，如圖2-6。屬于這種結構的金屬有金（Au）、銀（Ag）、銅（Cu）、鋁（Al）、鉛（Pb）、鎳（Ni）及γ-鐵（γ-Fe）等21種。2）原子個數(shù)n在面心立方晶格晶胞8個頂角上的每個原子為8個相鄰的晶胞所共有，但6個面中心的原子則只屬于相鄰的2個晶胞，故其原子個數(shù)為

3）原子半徑r在面心立方晶格中，最鄰近的原子在側面對角線上，此對角線的長度等于4個原子半徑，設晶胞的晶格常數(shù)為a，則面心立方晶格的原子半徑為

4）致密度K面心立方晶格的晶胞中包含4個原子，原子半徑為

，其致密度為

所以，在面心立方晶格中有74%的體積為原子所占據(jù)，其余26%為間隙體積。(三)密排六方結構密排六方晶格的晶胞是一個正六棱柱形的，原子除排列于柱體的每個頂角和上、下兩個底面的中心外，在正六棱柱的中心還有三個原子，如圖2-7。屬于這種結構的金屬有鎂（Mg）、鈹（Be）、鎘（Cd）、鋅（Zn）等25種。2）原子個數(shù)n密排六方晶格的晶胞頂角上的原子為相鄰的6個晶胞所共有，而上、下2個六邊形面中心的原子為2個晶胞所共有，中間的3個原子為該晶胞所獨有，故其原子個數(shù)為

3）原子半徑r在密排六方晶格中，其底面中心原子與周圍6個頂點上的原子是相互接觸的，因此其原子半徑為

4）致密度K密排六方晶格的晶胞中包含6個原子，原子半徑為

，其致密度為

所以，在密排六方晶格中有74%的體積為原子所占據(jù)，其余26%為間隙體積。金屬的實際晶體結構一、多晶體結構實際上使用的金屬材料，即使體積較小的材料，其內部包含了許多顆粒狀的小晶體，每個小晶體內部的晶格位向都基本一致，每個小晶體的外形呈不規(guī)則的顆粒，稱為晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。由許多晶粒組成的晶體就稱為多晶體，一般金屬材料都是多晶體。有時定義單晶體為晶體內部原子的排列方向完全一致；則多晶體為晶體內部原子的排列方向各不相同。a單晶體：原子或離子按一定的幾何規(guī)律完成整個排列的整塊晶體。

a多晶體：由許許多多單晶體微粒所形成的固體集合體。單晶體和多晶體

單晶體

多晶體根據(jù)外觀分類金剛石石英螢石鋯石

晶體結構缺陷

——在實際晶體中、原子排列不可能那樣規(guī)則和完整，往往存在著偏離理想結構的區(qū)域

實際金屬的晶體缺陷對金屬的性能起關鍵作用的是金屬中的缺陷。分類：①點缺陷：其特征是在三維方向上的尺寸都很小，亦稱零維缺陷。例如空位、間隙原子、置換原子、雜質原子。②線缺陷：其特征是在兩個方向上尺寸很小，而另一個方向上尺寸很大，亦稱一維缺陷。例如位錯。③面缺陷：其特征是在一個方向上尺寸很小，而另兩個方向上尺寸很大。例如晶界、亞晶界。一、點缺陷1.空位能量起伏造成原子的瞬間能量超過周圍原子對它的束縛能，原子脫離原位置轉移到其它位置，在原位置上出現(xiàn)空結點，為空位。間隙原子：處于晶格間隙的原子。難以制造純度高于99.9999%的材料；每立方米的體積有1022~1023個雜質原子。2.間隙原子3．置換原子占據(jù)在原來基體平衡位置上的異類原子稱為置換原子。造成晶格畸變，有一定的固溶度。二、線缺陷位錯：晶體中某處一列或若干列原子出現(xiàn)的有規(guī)律的錯排，在一個方向上尺寸較大，而另外兩個方向上尺寸較小。位錯可以分刃型位錯和螺型位錯。

1.刃型位錯晶體中，由于某種原因，晶體的一部分相對于另一部分出現(xiàn)一個多余的半原子面。這個多余的半原子面又如切入晶體的刀片，刀片的刃口線即為位錯線。這種線缺陷稱為刃型位錯。螺型位錯三、面缺陷面缺陷是指在兩個方向上的尺寸很大，第三個方向上的尺寸很小而呈面狀的缺陷，其主要形式就是各種類型的內界面。多數(shù)晶體物質是由許多晶粒組成，屬于同一固相但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶界，它是一種內界面；而每個晶粒有時又由若干個位向稍有差異的亞晶粒所組成，相鄰亞晶粒的界面稱為亞晶界。晶粒的平均直徑通常在0.015～0.25mm范圍內，而亞晶粒的平均直徑則通常為0.001mm。（a）晶界（b）亞晶界（c）兩晶界之間的夾角為何工業(yè)上很少使用純金屬，而多使用合金?雖然純金屬在工業(yè)上獲得了一定的應用，但由于純金屬的性能有一定的局限性，特別是強度等重要性能指標往往不能滿足要求，因此它的應用范圍也受到了限制。實際使用的金屬材料絕大部分是合金，合金化后純金屬的性能得到大大的提高，合金化是提高純金屬性能的最主要的途徑。所謂合金是由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬，經過熔煉、燒結或其它方法組合而成并具有金屬特性的物質。1)合金。

合金指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物質。

如鋁合金是工業(yè)中應用最廣泛的一類有色金屬結構材料，它是以鋁為基的合金總稱。

主要合金元素有銅、硅、鎂、鋅、錳，次要合金元素有鎳、鐵、鈦、鉻、鋰等。

鑄鐵主要由Fe、C和Si等組成的合金的總稱。但值得注意的一點，如Fe與C可以組成碳鋼和鑄鐵等鐵碳合金，也可以組成Fe3C這樣的金屬化合物，因此金屬與非金屬組成的不一定就是合金。

2）組元

組元指組成合金獨立的最基本單元。組元可以是元素或是穩(wěn)定化合物。

根據(jù)組元的多少，合金可分為二元合金、三元合金和多元合金。

如鐵碳合金就是由鐵和碳兩個組元組成的二元合金。

Mg-Si二元合金中的Mg2Si組元便是穩(wěn)定化合物。

3）合金系

合金系由若干給定組元可以按不同比例配制成一系列成分不同的合金，構成一個合金系統(tǒng)，簡稱合金系。如Fe-C二元合金系、Al-Cu-Mg三元合金系。

4）相

具有相同結構，相同成分和性能（也可以是連續(xù)變化的）并以界面相互分開的均勻組成部分，如液相、固相、氣相是三種不同的相。

在一個標準大氣壓下，水的凝固點是0℃，在凝固點以下水會結晶為冰（固相），0℃的水處于冰水混合物狀態(tài)（液相與固相共存），4℃以上的水是液相，而100℃的水變?yōu)樗魵猓庀啵?）組織

組織用肉眼或顯微鏡觀察到的材料內部形貌圖像的統(tǒng)稱（如圖2-16、2-17）。組織是影響材料性能的重要因素。

相是組成組織的基本組成部分，但是，同樣的相，當它們的大小、分布不同時，就會出現(xiàn)不同的組織。

合金的性能由其組織決定，而合金的組織由相組成。也就是說相是組織的基本單元，組織是相的綜合體。

組織是決定材料性能的一個極為重要的因素。在條件相同的條件下，不同的組織使材料表現(xiàn)出不同的性能。因此，在實際生產中，控制和改變材料的組織具有極為重要的意義。

圖2-16鋼中的滲碳體組織圖2-17鑄鐵中的石墨組織固溶體中間相(金屬化合物)間隙固溶體置換固溶體合金相機械混合物根據(jù)合金中各組元間相互作用不同，固態(tài)合金中的相可分為固溶體和金屬化合物兩類。在合金中，若組元間在液態(tài)下能夠相互溶解，在固態(tài)下仍能彼此溶解且形成均勻的相則稱為固溶體。固溶體中含量多的組元稱為溶劑，含量少的組元稱為溶質。一種組元(溶質)溶解在另一種組元(溶劑，一般是金屬)中，其特點是溶劑（或稱基體）的點陣類型不變，即固溶體的晶體結構保持溶劑的晶體結構。1固溶體固溶體的分類

按溶質原子在溶劑晶格中的位置，固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種。置換固溶體間隙固溶體置換固溶體

溶質原子置換了溶劑晶格結點上的某些原子而形成的固溶體成為置換固溶體。按溶質原子在固體中的溶解度不同，固溶體可分為有限固溶體和無限固溶體兩種。大多數(shù)合金都只能有限固溶，且溶解度隨著溫度的升高而增加。只有當兩組元晶格類型相同、原子半徑相差很小時，才可以無限固溶，形成無限固溶體。當一些原子半徑比較小的非金屬元素作為溶質溶入金屬或化合物的溶劑中時，這些小的溶質原子不占有溶劑晶格的結點位置，而存在于間隙位置，形成間隙固溶體。形成間隙固溶體的溶劑元素大多是過渡族元素，溶質元素一般是原子半徑小于0.1nm的一些非金屬元素，即氫、硼、碳、氮、氧等。間隙固溶體3．固溶體的性能（1）固溶強化

當溶質元素含量很少時，固溶體性能與溶劑金屬性能基本相同。但隨溶質元素含量的增多，會使金屬的強度和硬度升高，而塑性和韌性有所下降，這種現(xiàn)象稱為固溶強化。置換固溶體和間隙固溶體都會產生固溶強化現(xiàn)象。

適當控制溶質含量，可明顯提高強度和硬度，同時仍能保證足夠高的塑性和韌性，所以說固溶體一般具有較好的綜合力學性能。因此要求有綜合力學性能的結構材料，幾乎都以固溶體作為基本相。這就是固溶強化成為一種重要強化方法，在工業(yè)生產中得以廣泛應用的原因。（2）固溶度固溶度指金屬在固體狀態(tài)下的溶解度，合金元素要溶解在固態(tài)的鋼中，前提是將鋼加熱到奧氏體化后，奧氏體晶格間的間隙較大，能夠溶解更多的合金元素。（3）固溶熱處理將合金加熱至高溫單相區(qū)恒溫保持，使過剩相充分快速冷卻，以得到過飽和固溶體的熱處理工藝。（4）固溶體的物理性能隨著溶質原子的溶入，金屬的電阻值升高，而且固溶體的電阻值與溫度關系不大，工程上應用的精密電阻和電熱材料等都廣泛應用固溶體合金，如熱處理爐用的Fe-Cr-Al和Cr-Ni電阻絲等都是固溶體合金。三、金屬化合物1．金屬化合物的結構及分類各種元素發(fā)生相互作用而形成一種具有金屬特性的物質稱為金屬化合物。金屬化合物的組成一般可用化學式表示。金屬化合物的晶格類型不同于任一組元，一般具有復雜的晶格結構。其性能特點是熔點高、硬度高、脆性大。當合金中出現(xiàn)金屬化合物時，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韌性會降低。金屬化合物是許多合金的重要組成相。當形成合金的元素其電子層結構、原子半徑和晶體類型相差較大時，易形成金屬化合物。金屬化合物的晶體類型不同于它的分組金屬，自成新相。金屬化合物的種類很多，其晶格類型有簡單的，也有復雜的，根據(jù)化合物結構的特點，可以分為正常價化合物、電子化合物、間隙化合物。2．金屬化合物的性能金屬化合物的熔點高、硬而脆，很少單獨使用。在合金中常作為強化相存在，是許多合金鋼、非鐵金屬和硬質合金的重要組成相。當一定數(shù)量的金屬化合物以細小顆粒狀均勻分布在固溶體基體上時，能顯著提高合金的強度和硬度，這種現(xiàn)象稱為第二相強化。四、合金的組織類型合金的組織類型一般分為單相固溶體型和機械混合物型。單相固溶體是指合金的組織全部由一種固溶體相組成，工業(yè)上使用的合金大都為單相固溶體或以固溶體為基體的多相合金。機械混合物是指由兩種或以上的互不相溶晶體結構（純金屬、固溶體或化合物）機械地混合而形成的顯微組織。機械混合物的性能主要取決于組成它的各組成物的性能以及其數(shù)量、形狀、大小和分布情況。一般組織中固溶體相的數(shù)量多，作為基體存在；而金屬化合物的數(shù)量較少，以一定的形態(tài)分布于基體中。大多數(shù)合金的組織都屬于機械混合物型，通過調整固溶體中溶質的含量和金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)及分布狀況，可以使合金的力學性能在較大范圍內變動，以滿足工程上不同的使用要求。學習任務四

金屬的結晶1、金屬的結晶1）水的結晶：0℃以下水

冰液態(tài)固態(tài)（分子呈不規(guī)則排列）（分子呈規(guī)則排列）2）金屬的結晶：金屬與合金由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程。結晶實質：原子從不規(guī)則排列的液態(tài)轉變?yōu)橐?guī)則排列的晶態(tài)的過程。2、凝固與結晶

物質由液態(tài)轉變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。物質由液態(tài)轉變?yōu)榫B(tài)的過程稱為結晶。金屬材料的固態(tài)一般均為多晶體，所以金屬自液態(tài)的凝固過程也稱為結晶過程。物質由一個相轉變?yōu)榱硪粋€相的過程稱為相變。因此，結晶過程也是相變過程。純金屬在結晶時的轉變溫度，稱為熔點。當溫度高于它時，金屬以液體狀態(tài)存在。低于它時以固體狀態(tài)存在。液態(tài)金屬冷卻到熔點時是不能結晶成晶體的，只有冷到低于熔點的溫度時，有一定的過冷度時才能結晶。霧凇

冷卻曲線：金屬結晶時溫度與時間的關系曲線。

T0--理論結晶溫度

T1--實際結晶溫度T--過冷度曲線上水平階段是由于結晶時放出結晶潛熱引起的。

純金屬的冷卻曲線冷卻過程中，當液態(tài)金屬的溫度到達結晶溫度時，由于結晶潛熱的釋放補償了散失到周圍環(huán)境的熱量，所以在冷卻曲線上出現(xiàn)了平臺。平臺延續(xù)的時間就是結晶過程所用的時間；平臺所對應的溫度就是結晶溫度。結晶潛熱：金屬結晶時從液相轉變?yōu)楣滔喾懦龅臒崃?。純金屬的結晶冷卻曲線與過冷度To時間溫度理論結晶溫度T0實際結晶溫度T1T1過冷是金屬結晶的必要條件平衡條件：無限緩慢的冷卻條件即可視為平衡條件。理論結晶溫度T0：純金屬液體在平衡條件下結晶的溫度。過冷度：金屬的實際結晶溫度與理論結晶溫度之差：ΔT=T0-Tn過冷度隨金屬的本性和純度的不同以及冷卻速度的差異可以在很大的范圍內變化：金屬不同，過冷度的大小不同；金屬的純度越高，則過冷度越大。冷卻速度越大，則過冷度越大，即實際結晶溫度越低。

液態(tài)和固態(tài)金屬，在不同溫度下自由能的變化總是朝著能量降低的方向進行，低于熔點時液態(tài)能比固態(tài)高，因而結晶。

結晶過程是金屬原子重新排列的過程，包括晶核的形成和長大。T0T1溶化結晶純金屬的結晶過程晶體長大示意圖金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶金屬的樹枝晶冰的樹枝晶

自發(fā)形核：液態(tài)金屬中的原子排列不規(guī)則，但也存在著一些原子排列規(guī)則的極小原子團，時聚時散，稱為晶坯。在實際結晶溫度下，經孕育期時間后，有些晶坯開始穩(wěn)定并長大，形成晶核。

異質形核：更為普遍的是液體中存在的高熔點固態(tài)雜質形成的晶核。

晶核形成后便向各個方向生長，同時又有新的晶核生成。直到液體完全消失。每個晶核最終長成一個晶粒，晶粒相接觸后形成晶界。三、形核與長大液態(tài)金屬形核晶核長大完全結晶結晶過程的兩個階段1、晶核的形成2、晶核的長大

晶核長大是具有方向性的漸進過程。一般沿過冷度大的方向生長，直到液相消耗完畢。在正溫度梯度下，晶核長大以平面狀態(tài)推進，稱為均勻長大。在負溫度梯度下，由于晶核棱角處的散熱條件好，生長快，先形成一次軸，一次軸又會產生二次軸…，稱為樹枝狀長大。結晶