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金属学第二章金属的晶体结构

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02第二章金属的晶体结构与结晶

02第二章金属的晶体结构与结晶

02第二章金属的晶体结构与结晶金属晶体结构和结晶是金属学中非常重要的基础知识。

金属的晶体结构是指金属中原子或离子的排列方式，金属的结晶则是指金属从液态或气态转变为固态时，原子或离子按照一定的方式排列形成的晶体。

金属的晶体结构主要有两种：面心立方结构（FCC）和体心立方结构（BCC）。

在面心立方结构中，原子或离子处于正方形的面心位置和体心位置，形成紧密堆积的结构；在体心立方结构中，原子或离子处于正方形的面心位置和立方体中心位置，形成简单堆积的结构。

面心立方结构的特点是具有最高的密度，原子间的相互作用较强，因此具有较高的熔点和较好的导电性能。

典型的面心立方结构金属有铜、铝等。

体心立方结构的特点是具有较低的密度和较大的晶胞，原子间的相互作用较弱，因此具有较低的熔点和较差的导电性能。

典型的体心立方结构金属有铁、钨等。

金属的结晶过程分为凝固和晶体形核两个阶段。

凝固是指金属从液态或气态转变为固态的过程，形核则是指随着温度降低和原子间相互作用增强，形成新的晶胞。

金属的凝固过程受到多种因素的影响，如对流、缺陷和晶界等。

对流是指液态金属在凝固过程中的流动，容易形成非均匀结构；缺陷是指晶体中存在的原子空位或附加原子，对晶体性能有重要影响；晶界是指两个晶粒之间的边界，是金属中弹性较差区域。

金属的结晶方式主要有四种：脱溶结晶、化学结晶、物理结晶和相变结晶。

脱溶结晶是指金属从液态中直接凝固形成晶体，常见于无机盐的结晶；化学结晶是指金属通过化学反应形成固态产物，如金属氧化物的结晶；物理结晶是指金属通过物理方法产生晶体结构，如高温下的拉拔；相变结晶是指金属在相变点附近由液态转变为固态的结晶方式，如冶金过程中的凝固。

金属的晶体结构和结晶对金属的性能和应用有重要影响。

不同的晶体结构和结晶方式会影响金属的导电性、强度、延展性和热处理能力等性能。

因此，深入了解金属的晶体结构和结晶对于金属学的研究和应用具有重要意义。

第2章.金属的晶体结构

第2章.金属的晶体结构

（3）分布有序度分 固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。
无序固溶体：是溶质原子占据溶剂晶格结点的位置是随机的，任意 的和不固定的，是溶质原子无规则分布。
有序固溶体：溶质原子只占据溶剂晶格结点的某几个固定位置，从 而形成溶质原子有规则分布在溶剂晶格当中。
2. 固溶体的性能 溶质原子溶入→晶格畸变→位错运动阻力上升→金属塑性变形困难 →强度、硬度升高。
β相化合物 CuZn
γ相化合物 Cu5Zn8 ε相化合物 CuZn3
3.间隙化合物 ( interstitial compounds )
由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金 属元素形成的化合物为间隙化合物。尺寸较大的过渡族元素原子 占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属原子则有规则地嵌入晶 格的间隙之中。根据结构特点，间隙化合物分间隙相和复杂结构 的间隙化合物两种。
3 ． 二元合金： 由两个组元组成的合金称为二元合金 , 例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。
4 ． 相： 在合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同 并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相。液态物 质为液相，固态物质为固相。
二、合金的相结构
★ 由于组元相互作用不同，固态合金的相结构有两大类：固溶体和金属化合 物。 （一 ）固溶体 固溶体：合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之 一相同的固相。 溶剂：与固溶体晶格相同的组元，一般在合金中含量较多； 溶质：以原子状态分布在溶剂晶格中，一般含量较少。
金属键的实质就是金属正离子与电子云之间产生的强烈静电引力同各 正离子间的斥力及电子间的斥力之间的相互平衡。
金属特征 1. 良好的导电、导热性； 2. 正的电阻温度系数； 3. 不透明，有光泽； 4. 具有延展性。

金属晶体结构

金属晶体结构
名称。
以Cu-Ni合金为例,说明二元合金相图的建立
合合金金成成分分Cu:20%
合N金Ci:8u成0:4%分0%
C合u金N:6i成0:6%分0% 合金NC成iu:分4:800%%
V VI
Cu:1N00i:2%0% IV
Ni:0%
合金成分Cu:0% Ni:100%
II III I
温度 温度
时间 Cu 20 40 60 80 Ni
Hale Waihona Puke 2、冷却曲线与过冷度12))冷过却冷曲度线：是温度与 时述分金于间金析属理的属法图实论关的测中际结系结量T结晶0曲晶绘为晶温线规制理温度，律，论度的可。即结现(T用通使晶n象)总来过熔温，是描热化度称低，为 后过的冷液现体象金。属而缓慢冷却，每 隔一定时间记录下温度值， 将温度过T和冷对度应ΔT时=T间0—t绘T制n 成 T-t曲线。
细化晶粒的方法
1、过冷度大：冷却速度愈大，过冷度愈大，晶 粒愈细。
2、变质处理：在实际生产中，有意向金属液中加入 某些物质（称为变质剂），使它在金属液中形成 大量分散的人工制造的非自发晶核，从而获得细 小的铸造晶粒，这种处理方法称为变质处理。
3、振动：对正在结晶的金属施以机械振动、超声波 振动和电磁振动，均可使树枝晶尖端破碎而增加 新的核心，提高形核率，使晶粒细化。
1）点缺陷：空位和间隙原子
晶格中某个原子脱离了 平衡位置，形成空结点，称 为空位；某个晶格间隙挤进 了原子，称为间隙原子。
空位与间隙原子周围的晶 格偏离了理想晶格，即发生 了“晶格畸变”。
点缺陷的存在，提高了材 料的硬度和强度。
2）线缺陷：即位错
在晶体中，有一列 或若干列原子发生了有 规律的错排现象。最简 单的位错是刃型位错和 螺型位错。

第2章金属的晶体结构

第2章金属的晶体结构

金属结晶后的晶粒大小：
晶粒的大小通常是指以晶粒度来表示。而晶粒 度又是以单位界面内晶粒数目的多少来划分和标 定的。通常是晶粒愈小材料强度、塑性愈好。通 过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方法称 为细晶强化。
晶粒大小对材料的物理化学性能也有明显的
影响。如：硅钢片中晶粒愈大磁滞损耗愈少耐 蚀不锈钢中晶粒愈大耐腐蚀性愈好。 按照材料的不同用途和种类应合理的控制 其晶粒大小。这就需要了解一些金属结晶时影 响晶粒大小的因素。
于变形金属再固态下的再结晶。因此，同素异晶
转变也被称为重结晶，是一种固态相变。
金 属 的 同 素 异 构 转 变
-Fe
1394℃
-Fe
912℃
-Fe
Fe具有同素异晶转变现象。图是铁的冷却曲线。
从冷却曲线上可见到第一个1538℃的平台是 铁的结晶温度。结晶后是体心立方晶格Fe。当温 度降到1394℃出现第二个平台。这是Fe在固态下 第一次同素异晶转变。转变成为面心立方的Fe。 当继续冷却到912℃时出现第三个平台，这是Fe的 第二次同素异晶转变。变成体心立方的Fe。当继 续冷却到769℃时出现第四个平台。这个平台对应 的温度称为居里点。它不是同素异晶转变，因为 没有晶格类型的变化。只是Fe原子的外层电子排 列的变化引起Fe的磁性状态的改变。晶格类型虽 然仍是体心立方，但是晶格常数减小了。
间隙原子和大径的置换原子会引起一个以一个点为
中心的晶格局部“撑开”现象，称之为正畸变。而晶格
空位和小直径的置换原子会引起一个点为中心的晶格局
部“靠拢”现象，称之为负畸变。
晶体中的点缺陷都是处在不断的变化和运动中，其
位置随时在变。这是金属原子扩散的一种主要方式，也
是金属在固态下“相变”和化学热处理工艺的基础。

第二章 金属的晶体结构

第二章 金属的晶体结构



5、晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。
6、配位数：晶格中与任 一原子距离最近且相等的 原子数目。

7、致密度：晶胞中原子 本身所占的体积百分数。
二、常见金属的晶格类型

体心立方晶格(BCC)

体心立方晶格(BCC)
晶格常数：a(a=b=c)
3 原子半径：r a 4
晶胞原子个数：2 致密度：0.68 致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积24r3/3 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等
另一方面也可使成长中的枝晶
破碎，使晶核数目显著增加。
电磁搅拌细化晶粒示意图
超声振动细化晶粒示意图
4、 晶粒大小对金属性能的影响
常温下，晶粒越细，晶 界面积越大，因而金属 的强度、硬度越高，同 时塑性、韧性也越好。 即细晶强化。

晶粒大小与金属强度的关系
高温下，晶界呈粘滞状态，在外力作用下易产生滑动， 因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而
二、铸造缺陷

铸造缺陷的类型较多，常见的有缩孔、气孔、疏松、 偏析、夹渣、白点等，它们对性能是有害的。

1、缩孔：缩孔是由于液态金属结晶时体积收缩且
补缩不足造成的。可通过改变结晶时的冷却条件和
加冒口等来进行控制。钢锭出现缩孔在锻轧前应切
除。

2、偏析：合金中各部分化学成分不均匀的现象称 为偏析。铸锭(件)在结晶时，由于各部位结晶先后 顺序不同，合金中的低熔点元素偏聚于最终结晶

曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。
过冷与过冷度

纯金属都有一个理论结晶温度T0(熔点或平衡结晶
温度)。在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态。

第二章 金属的晶体结构

第二章 金属的晶体结构

晶向指数简化确定方法
1 确定三维坐标系：所求晶向的起点为原点，棱 边以长度为坐标轴的长度单位。 2 求坐标：求所求晶向距起 点最近的原子在三个坐标轴 方向上的坐标值。 3 化最简整数，加方括号。 形式为 [uvw] ，坐标中出现 负值，在数字上方冠负号。
晶向指数的例子
所有平行的晶向，都 具有相同的晶向指数
内蒙古科技大学高等职业技术学院
(111) (111) (111) (111) {1 1 1}晶面族：
(111) (111) (111) (111)
(111)
(111)
(111)
(111)
内蒙古科技大学高等职业技术学院
3.4 晶向指数与晶面指数的联系

当某一晶向[uvw]位于或平行于某一晶面（hkl） 时，必须满足：hu+kv+lw=0。 ［100］//(010)；［110］位于(111)上 当某一晶向[uvw]垂直 于某一晶面（hkl） 时，必须满足：u=h， v=k，w=l。 ［111］⊥（111）； ［010］ ⊥（010）
晶面指数的例子

立方晶系中一些重要晶面的晶面指数
内蒙古科技大学高等职业技术学院
二、晶面族
晶面族：原子排列相同但空间位向不同 的所有晶面，以{hkl}表示。 立方晶系中的晶面族： {1 0 0}：(100)+(010)+(001)

内蒙古科技大学高等职业技术学院
{1 1 0}晶面族：
(110) (101) (011) (110) (101) (011)
基本概念

为了便于确定和区别晶体中不同方位的晶向和晶 面，国际上通用密勒指数（Miller indices）来统 一标定晶向指数与晶面指数。 晶面指数(indices of crystal plane )： 表示晶面的符号。 晶向指数(indices of crystal orientation)： 表示晶向的符号。

金属晶格结构

金属晶格结构

二 合金的金相组织
由于合金的各个相的晶体结构是不同的， 所以，在合金中，不同的相所在的区域具 有不同的晶体结构。绝大多数的合金在液 相时各组元之间都能互相溶解形成单一的 均匀液相。但是，在固相时各种组元之间 相互作用不同，可以形成各种晶体结构和 化学成分的相。通常分为固溶体和金属化 合物两大类。
(一) 固溶体
(二)金属中常见的晶格
1.体心立方体晶格：体心立方体晶格属于立方晶系。示意 图见图2-2。晶格的参数为a=b=c；α =β =γ =90立方体八 角上个有一个原子，体心处有一个原子。每个体心立方体 晶胞中的原子个数为1/8×8+1=2个。 属此晶格的金属有： 铬、钨、钼、钒、铁、钛、铌等
2.面心立方体晶格：面心立方体晶格也属于立方晶系。示 意见图2-3。晶格参数为a=b=c；α =β =γ =90。在晶胞的八 个角上个又一个原子每个面心立方体晶胞个有四个原子， 即1/8×8+1/2×6=4个。属此晶格的金属有：铁、铝、铜、 镍、金、银、铂、铑、铅等
第二章 金属的晶体结构
金属材料通常都是一种晶体材料。 金属的晶体结构指的是金属材料内 部的原子排列的规律。它决定着材 料的显微组织和材料的宏观性能。
第一节 纯金属的晶体结构
一、基本知识 晶体里面的原子 ( 或 ) 离子都是在它的平 衡位置上不停振动着，但在讨论晶体结 构时可以假设它们是一些静止不动的小 球。各种晶体结构就可以看成是这些小 球按一些的几何方式紧密排列堆积而成 的。图 2-1a 是简单的立方原子排列示意 图。
二 纯金属的实Байду номын сангаас晶体结构
(一)晶粒和亚晶粒 在金属体中，凡是晶格位向基本一致的区域，并有边界与邻 区分开就称之为一个晶粒。在显微镜下可以看到这些晶粒， 其外形成不规则状。。它们是些不规则的外形多面体，见图 2-8。相邻晶体的晶粒间晶格的位向有明显差别。晶粒之间的 原子排列不规则的区域称为晶界。 实际上，晶界就是不同晶 格位向的相临晶粒在原子排列上的过度区。通常，晶粒尺寸 很小，对于钢铁材料一般为10-1mm~10-3mm。对于有色金属其 晶粒尺寸一般都比钢大一些，有的可用眼睛直接看到 。如： 镀锌钢板表面的镀锌层的晶粒尺寸可达到几毫米到几十毫米。 每个晶粒内部，晶格位向也并非完全一样，而是存在着许多 晶格位向差小于2、3的更小的晶块。这些小晶块内部是完 全相同的。这些小晶块称为亚晶粒，也称嵌镶块。见图2-9。 亚晶粒间的过度区称为亚晶界，也称小角度晶界。它也是一 种原子排列不太规则的区域。

第2章金属学的基本知识

第2章金属学的基本知识

（1）点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷。 最常见的点缺陷是空位和间隙原子。 点缺陷可提高材料的强度和硬度。
（2）线缺陷 线缺陷的特征是在两个方向的 尺寸很小，在另一个方向的尺寸相对很大。 晶体中的线缺陷实际上就是位错，也就是说 在晶体中有一列或若干列原子，发生了有规律的 错排现象。分为刃型位错和螺型位错。
（3）晶格常数 在三维空间中，晶胞的几何 特征即大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及 棱边夹角α、β、γ来描述，其中晶胞的棱边长 度a、b、c一般称为晶格常数。
3.金属常见的晶体结构 （1）体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是一 个立方体，在立方体的中心有一个原子，在立方体 的八个角上分别有一个与其他晶胞共有的原子。其 晶格常数a＝b＝c，棱边夹角α＝β＝γ＝90°。属于 体心立方晶格的金属有α－Fe、Cr、W、Mo等。
2.2
金属与合金的结晶
结晶 金属与合金在液态转变为固态晶体的过 程中，其原子是由不规则排列的液体状态逐步过渡 到原子作规则排列的晶体状态，这一过程称为结晶。 一、纯金属的结晶 1.冷却曲线和过冷现象 纯金属都有一个固定的熔点（或结晶温度）， 因此纯金属的结晶过程是在一个恒定的温度下进行 的，其结晶过程可以用冷却曲线来描述。
臵换固溶体
②间隙固溶体 间隙固溶体是指溶质原子溶入 溶剂晶格的间隙而形成的固溶体。 由于溶剂晶格的间隙有限，因此间隙固溶体都 是有限固溶体。 形成间隙固溶体的条件是溶质原子与溶剂原子 的比值r溶质/r溶剂≤0.59。因此形成间隙固溶体的溶 质元素都是一些原子半径 小的非金属元素，如氢、 硼、碳、氮、氧等。

柱状晶区 由于模壁温度升高，结晶释放 出的潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小， 形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶 体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。

第二章 金属学的基本知识

第二章 金属学的基本知识
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫相。合金中相
与相之间有明显的界面。液态合金通常为单相液体。合金在固态下，
由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合 金。
组成合金各相的成分、结构、形态、性能和各相的组合情况构成
了合金的组织。组织是合金的内部情景，还包括晶粒的大小、形状、 种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布，可以用肉眼或借助各
固溶体，如图2-10(b)所示。
由于溶剂晶格的间隙有限，因此间隙固溶体都是有限固溶体。形成间 隙固溶体的条件是溶质原子与溶剂原子的比值r溶质/r溶剂≤0. 59。因此
形成间隙固溶体的溶质元素都是一些原子半径小的非金属元素，如氢、
硼、碳、氮、氧等。
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
应当指出，所形成的固溶体虽然仍保持着溶剂金属的晶格类型， 但由于溶质与溶剂原子尺寸的差别，必然会造成晶格的畸变，如图 2-11。晶格畸变使合金的强度、硬度和电阻升高。这种通过溶人 溶质元素使固溶体的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强 化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制
态的金属和合金。晶体具有一定的熔点，并具有各向异性的特征。
晶体中的原子排列情况如图2-1(a)所示。 2.晶体结构的基本知识 (1)晶格为了便于描述晶体中原子排列的规律及几何形状，人 为地将原子看作一个点，再用一些假想的线条，将原子的中心
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
连接起来，使之构成一个空间格子，如图2-1 ( b)。这种抽象 的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间格子叫做“晶格”。 晶格中的每个点叫做晶格结点。 (2)晶胞由于晶体中原子排列具有周期性特点，因此在研究晶 体结构时，为方便起见，通常只从晶格中选取一个能够完全反映 晶格特征的最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个 最小的几何单元称为晶胞，如图2-1 (c)。实际上整个晶格就是 由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。晶 胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a,b,c及棱边夹角α,β,γ来

金属的晶体结构PPT课件

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2.2 金属的晶体结构
主要内容
金属晶体结构类型 合金相结构
固溶体 金属间化合物
一、金属的晶体结构
金属中常见的晶体结构类型
体心立方(BCC)
a=b=c, ===90°
铁(-Fe)、钨(W) 、铬(Cr)、 钼(Mo)、钒(V)等
面心立方(FCC)
a=b=c, ===90°
铝(Al)、铜(Cu)、 银(Ag)、 金(Au)、镍(Ni)、铅(Pb)、 铁(－Fe)等
间隙固溶体
如陶瓷材料中的 MgO-CoO、MgO-CaO、
PbTiO3-PbZrO3、Al2O3-Cr2O3 Cu-Zn系 和 固溶体
在合金中较为常见，的是金属和 H、B、C、N等元素形成的固溶 体
按固溶浓度不同
无限固溶体
溶质和溶剂可以按任意比例 相互固溶所生成的固溶体
A sse sse d A l-M g p h a se d ia g r a m .
a, c (c/a=1.633)
a 1 a2 c2
(
)
22 3 4
6
12
0.74 12 0.225R 6
0.414R
其它类型结构
A4结构
结构特点：由于共价键的饱和性和方向性的特点，使得共价键晶
体中原子的配位数要比离子型晶体和金属型晶体的小。
常见结构：典型的共价晶体有金刚石(单质型)、石墨、Ge、Si、
二、合金中的相结构
金属元素 非金属元素
添加
主体金属
添加
制
备
新型合金
新型合金 中的合金相
固溶体 金属间化合物
Hale Waihona Puke 相的分类结构固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。溶剂-溶质。 中间相(金属化合物)：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相

金属及合金的晶体结构

金属及合金的晶体结构

第二章金属及合金的晶体结构金属材料是指以金属键来表征其特性的材料，它包括金属及其合金。

金属材料在固态下通常都是晶体状态, 所以要研究金属及合金的结构就必须首先研究晶体结构。

一、晶体的基本概念晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式。

晶体结构不同，其性能往往相差很大。

为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何格架称为晶格，如图2-3（b）所示；晶格中各连线的交点称为结点；组成晶格的最小几何单元称为晶胞，晶胞各边的尺寸a、b、c称为晶格常数，其大小通常以为计量单位（人），晶胞各边之间的相互夹角分别以a、8、Y表示。

图2-3 （c）所示的晶胞为简单立方晶胞，其晶格常数a=b=c,而a=B = Y=90o。

由于晶体中原子重复排列的规律性，因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特征。

在研究晶体结构时，通常以晶胞作为代表来考查。

为了描述晶格中原子排列的紧密程度，通常采用配位数和致密度（K）来表示。

配位数是指晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目；致密度是指晶胞中原子本身所占的体积百分数，即晶胞中所包含的原子体积与晶胞体积（V）的比值。

图2-3简单立方晶体（a）晶体结构（b）晶格（c）晶胞二、常见纯金属的晶格类型在金属元素中，除少数具有复杂的晶体结构外，大多数具有简单的晶体结构，常见的晶格类型有以下三种:1.体心立方晶格体心立方晶格的晶胞如图2-4所示。

它的形状是一个立方体，其晶格常数a=b=c,所以只要一个常数a即可表示；其a=8 = Y=90o。

在体心立方晶胞中，原子位于立方体的八个顶角和中心。

属于这类晶格的金属有 a -Fe、Cr、V、W、Mo、Nb 等。

图2-4体心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数从（2）可以看出，在体心立方晶胞中，原子沿对角线紧密地接触着，所以从图中可求出原子半径为：。

从小）也可看出，体心立方晶胞的每个角上的原子是同属于与其相邻的八个晶胞所共有，故只有1/8个原子属于这个晶胞，而晶胞中心的原子则完全属于这个晶胞，所以体心立方晶胞中的原子数为：。

金属晶格结构

金属晶格结构
第二章 金属的晶体结构
金属材料通常都是一种晶体材料。 金属材料通常都是一种晶体材料。 金属的晶体结构指的是金属材料内 部的原子排列的规律。 部的原子排列的规律。它决定着材 料的显微组织和材料的宏观性能。 料的显微组织和材料的宏观性能。
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第一节 纯金属的晶体结构
一、基本知识 晶体里面的原子(或)离子都是在它的平 衡位置上不停振动着，但在讨论晶体结 构时可以假设它们是一些静止不动的小 球。各种晶体结构就可以看成是这些小 球按一些的几何方式紧密排列堆积而成 的。图2-1a是简单的立方原子排列示意 图。
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一、基本概念
1.合金：合金是指由一种金属元素与另外一种或 多种金属或非金属元素，通过熔炼烧结的方法所 形成的具有金属性质的新金属材料。 2.组元：组元是指组成合金的最基本的，独立存 在的物质，简称元。组成合金的各种元素及各种 化学元素都是组元。合金中有几种组元就称之为 几元合金。 3.合金系：合金系是指有相同的组元，而成分比 例不同的一系列合金。 4.相：相是指在合金中，凡是化学成分相同，晶体 结构相同并有界面与其他部分分隔开来的一个均匀 区域。 显微组织： 5. 显微组织 ： 是指在显微镜下看到的相和晶粒的 形态，大小和分布。 形态，大小和分布。
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二 纯金属的实际晶体结构
(一)晶粒和亚晶粒 在金属体中，凡是晶格位向基本一致的区域，并有边界与邻 区分开就称之为一个晶粒。在显微镜下可以看到这些晶粒， 其外形成不规则状。。它们是些不规则的外形多面体，见图 2-8。相邻晶体的晶粒间晶格的位向有明显差别。晶粒之间的 原子排列不规则的区域称为晶界。 实际上，晶界就是不同晶 格位向的相临晶粒在原子排列上的过度区。通常，晶粒尺寸 很小，对于钢铁材料一般为10-1mm~10-3mm。对于有色金属其 晶粒尺寸一般都比钢大一些，有的可用眼睛直接看到 。如： 镀锌钢板表面的镀锌层的晶粒尺寸可达到几毫米到几十毫米。 每个晶粒内部，晶格位向也并非完全一样，而是存在着许多 晶格位向差小于2°、3°的更小的晶块。这些小晶块内部是完 全相同的。这些小晶块称为亚晶粒，也称嵌镶块。见图2-9。 亚晶粒间的过度区称为亚晶界，也称小角度晶界。它也是一 种原子排列不太规则的区域。

金属学第二章金属的晶体结构

金属学第二章金属的晶体结构

上下原子至间隙中心 的距离较近为a/2，原
子半径为
a 3/4
a a3 间隙半径： ? ? 0.155r ? 0.067a
24
5
a
3a 4
2
a
3a 2
a
2
a
2
非正四面体间隙:
原子至间隙中心的
距离为
金属原子 四面体间隙
数量：12
a 5/4 间隙半径：
金属原子
八面体间隙 数量：6
a
5a ?
3 ? 0.291r ? 0.126a
原子堆垛模型： 假定晶体中的物质质点都是固定
的刚球，晶体由刚球堆垛而成。 优点：直观、立体感强； 缺点：很难看清内部原子排列的规律
和特点。
12
空间点阵： 为清楚地表明原子在空间的排列规律性，常将构成晶体的实际质点
忽略，而将它们抽象为纯粹的几何点，称为阵点或结点。
阵点有规则地周期性重复排 列所形成的空间几何图形。
V 3 3 a2 8a
3 2a 3
2
3
24
密排六方晶格原子配位数
25
原子半径与晶格常数
体心立方 方
3 r? a
4
面心立方
r? 2a 4
密排六
r? 1a 2
26
晶体中的原子堆垛方式和间隙 对各类晶体分析表明；配位数最大为12，致密度最高为0.74 。为何
会出现fcc和hcp不同的晶体结构？为了搞清这个问题，我们需要了解原 子的堆垛方式。
人为地将阵点用直线连接起来 形成空间格子，称空间点阵，简 称点阵或晶格。
晶格
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晶胞 能够完全反映阵点排列规律的最小几何单元。
同一点阵，可因阵胞选择方式不同， 得到不同的阵胞。
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一定条件晶体←→非晶体 ，玻璃高温长时间保温，非晶体→晶态玻璃； 液态金属急快冷却(冷速107℃／s) ，可形成非晶态金属。
性能发生显著变化。
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2、晶体结构与空间点阵 晶体结构： 指晶体中原子（或离子、分子、原子集团）的具体排列情况，也 就是晶体中的质点（也叫基元，可以是原子、离子、分子或者原子集 团）在三维空间中有规律的周期性重复排列方式。
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1.2 金属的晶体结构
用双原子模型解释形成晶体的原因： ★ 原子之间保持一定的平衡距离； ★ 原子周围要保持尽可能多的近邻原子。
1、晶体的特性: 天然晶体(宝石) → 规则外型 金属一般无规则外型 晶体 → 原子在三维空间按照一定的规律周期性的重复排列。 具有固定的熔点、各向异性。 不同方向上的性能，表现出差异，称为各向异性。 非晶体→ 内部原子杂乱无章，至多有局部或短程规则排列。 无固定熔点、各向同性。
可见，除化学成分外，金属的内部结构和组织状态也是决定金 属材料性能的重要因素。
金属和合金在固态下通常都是晶体，要了解金属及合金的 内部结构，首先应了解晶体的结构，其中包括：
? 晶体中原子是如何相互作用并结合起来的； ? 原子的排列方式和分布规律； ? 各种晶体结构的特点及差异等。
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1.1 金属
金属的传统定义： 良好导电性、导热性、延展性（塑性）和金属光泽的物质。
原子堆垛模型： 假定晶体中的物质质点都是固定
的刚球，晶体由刚球堆垛而成。 优点：直观、立体感强； 缺点：很难看清内部原子排列的规律
和特点。
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但锑延展性不好；铈和镨导电性还不如非金属（如石墨）。 由性能确定，不具有共性，没揭示金属与非金属的本质区别。
严格定义： 具有正的电阻温度系数的物质，非金属的电阻都随温度升高而下
降。 由原子结构和原子间ห้องสมุดไป่ตู้结合方式确定。
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1、 金属原子的结构特点
原子(10-10m、? = 10 -1nm)= 带正电的原子核(质子+中子) （10-14m）+ 带负电的按能级排布核外电子(最外层与次外层为 价电子) 。
稳定的电子壳层。金刚石中的碳原子 间即为共价键。
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3、 结合力与结合能（双原子作用模型图解）
原子间结合力是由自由电子与金属正离 子间的结引合力能（是长吸程引力能）和，排以斥及能正的离代子数间、 电子和间。的当排原斥子力处（于短平程衡力距）离合d成0时的，。其当两 原子结间合距能较达大到，最引低力值＞，斥此力时，原两子原的子势自动 靠近能；最当低两、原最子稳自定动。靠任近何，对使d电0的子偏层离发，生 重叠都时会，使斥原力子↑势↑能；增直加到，两使原原子子间处距于为d0 时，不引稳力定＝状斥态力，。原任子何就对有平力衡图位回置到d低0的偏 离，能都状将态受，到即一恢个复力到的平作衡用距，离促的使倾其向回。到 平衡位置。原子间最大结合力不是出现在 平衡位置d0而是在dc位置，最大结合力与 金属的理论抗拉强度相对应。
可见原子外层参与结合的电子数决定着结合键的本质，对化学 性能、强度等特性有重要影响。
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2、 金属键
处于聚集状态的金属原子 将价电子贡献出来，为整个原 子集体所共有，形成电子云。
贡献出价电子的原子，变成 正离子，沉浸于电子云中，依 靠运动于其间的公有化自由电 子的静电作用而结合—形成金 属键—没有饱和性和方向性。
金属的最外层电子数很少（1～3），外层电子与原子核的结合力 弱，容易脱离原子核的束缚而变成自由电子；原子成为正离子，将 这些元素称为正电性元素。
过渡族金属元素的核外电子先填充次外层再填充最外层电子，很 容易失去，化合价可变。结合力特强，表现为熔点、强度高。
非金属外层电子数较多，最多7个，最少4个，易获得电子，原子 成为负离子，故非金属元素又称为负电性元素。
? 例如最细的白金丝直径不过 1/5000mm,纯净的金属
铂有高度的可塑性 ,可以冷轧制成厚度为 0.0025mm
的箔。 延展性最好金属的是 金。有人将28克金延伸
至65公里长。最薄的金箔只有 1/10000mm 厚，一两
黄金，压成金箔可覆盖两个篮球场。 金属的延展性
可以由金属的结构得到解释。当金属受到外力作用
电子云 中性原子 正离子
……………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………………
用金属键的特点解释金属特性
导电性 — 自由电子在电场 作用下定向移动形成电流 ；
时，金属内 原子层之间容易作相对位移 ，金属发生
形变而不易断裂，因此，金属具有良好的变形性。
但也有少数金属，如锑、铋、锰等，性质较脆，没
有延展性。
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离子键 正电性元素与负电性元素相遇
时，电子一失一得，各自成为正、 负离子，正、负离子间靠静电作 用结合而成。NaCL
共价键 相邻原子共用其外部价电子，形成
导热性— 自由电子的运动 和正离子振动；
正电阻温度系数 — 正离子 或原子的振幅随温度的升高增 大，阻碍自由电子的定向运动， 使电阻升高；
金属光泽 — 电子跃迁吸收 或放出可见光；
延展性 —无饱和性和方向 性。
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延展性
? 物体在外力作用下能延伸成细丝而不断裂的性质叫 延性；在外力（锤击或滚轧）作用能碾成薄片而不 破裂的性质叫 展性。
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第二章 金属的晶体结构
体心立方结构 body-centered cubic (bcc)
面心立方结构 face-centered cubic (fcc)
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金属材料的化学成分不同，其性能也不同。
对于同一种成分的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变 材料内部的组织结构，也可以使性能发生极大的变化。
金属之最
? 1.熔点最高的金属—— 钨 W ? 2.熔点最低的金属—— 汞 Hg ? 3.硬度最大的金属—— 铬 Cr ? 4.密度最大的金属—— 锇 Os ? 5.密度最小的金属—— 锂 Li ? 6.地壳中含量最多的金属—— 铝Al ? 7.人类冶炼最多的金属—— 铁Fe ? 8.导热、导电性最好的金属—— 银Ag ? 9.人体内最多的金属元素—— 钙Ca

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