第二章 金属材料的基础知识第一节 金属的晶体结构l物质由原子组成。原子物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式的结合方式和排列方式决定了物质的性能。决定了物质的性能。l原子、离子、分子之间原子、离子、分子之间的结合力称为的结合力称为结合键结合键。它们的具体组合状态称它们的具体组合状态称为为结构结构。C60一、晶体结构的基本概念一、晶体结构的基本概念 金属的结构晶态非晶态SiO2的结构l1、晶体与非晶体、晶体与非晶体l晶体晶体是指原子呈规则排列的固体。是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主常态下金属主要以晶体形式存在。要以晶体形式存在。晶体具有各向异性晶体具有各向异性。l非晶体非晶体是指原子呈无序排列的固体。是指原子呈无序排列的固体。在一定条件在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。下晶体和非晶体可互相转化。晶体的通性和分类 1）晶体有整齐、规则的几何外形。 （2）晶体具有各向异性。一种性质在晶体的不同方向上它的大小有差异，这叫做各向异性。晶体的力学性质、光学性质、热和电的传导性质都表现出各向异性。例如，石墨晶体在平行于石墨层方向上比垂直于石墨层方向上导电率大一万倍；云母片沿某一平面的方向容易撕成薄片等。这是由于在晶体内不同方向上微粒排列的周期长短不同，而微粒间距离的长短又直接影响它们相互作用力的大小和性质。非晶体由于微粒的排列是混乱的，表现为各向同性。l（3）在一定压力下，晶体有固定的熔点，非晶体没有固定的熔点，只有一段软化温度范围。这是由于晶体的每一个晶胞都是等同的，都在同一温度下被微粒的热运动所瓦解。在非晶体中，微粒间的作用力有的大有的小，极不均一，所以没有固定的熔点。晶体分类l单晶体和多晶体1.单晶体：原子从一个核心按同一方向进行排列生长而成的晶体。天然晶体：金刚石、水晶2. 多晶体：由许多不同方位的小晶体组成。2 2、晶格与、晶格与、晶格与、晶格与晶胞晶胞晶胞晶胞l 晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成用假想的直线将原子中心连接起来所形成。的三维空间的三维空间格架。格架。直线直线的交点（原的交点（原子中心）称子中心）称结点。结点。由结由结点形成的空点形成的空间点的阵列间点的阵列称称空间点阵空间点阵l 晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列规律的能代表晶格原子排列规律的最小几何单元最小几何单元。l 晶系：晶系：l根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。l90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。以上的金属具有立方晶系和六方晶系。l立方晶系：立方晶系：a=b=c， = = =90 l六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c， = =90 ， =120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜l 晶格常数：晶格常数：晶晶胞个边的尺寸胞个边的尺寸 a、b、c。l各棱间的夹角用各棱间的夹角用 、 、 表示。表示。l 原子半径：原子半径：晶胞中原晶胞中原子密度最大方向上相邻子密度最大方向上相邻原子间距的一半。原子间距的一半。l 晶胞原子数：晶胞原子数：一个晶一个晶胞内所包含的原子数目。胞内所包含的原子数目。l 配位数：配位数：晶格中与任晶格中与任一原子距离最近且相等一原子距离最近且相等的原子数目。的原子数目。l 致密度：致密度：晶胞中原子晶胞中原子本身所占的体积百分数。本身所占的体积百分数。3 3、立方晶系晶面、晶向表示方法、立方晶系晶面、晶向表示方法、立方晶系晶面、晶向表示方法、立方晶系晶面、晶向表示方法l晶体中各方位上的晶体中各方位上的原子面称原子面称晶面。晶面。l各方向上的原子列各方向上的原子列称称晶向。晶向。l晶面指数晶面指数l表示晶面的符号称表示晶面的符号称晶面指数晶面指数。l其其确定步骤确定步骤为：为：l 确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。标轴上的截距。l 取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为圆括弧，形式为（hkl）。l例一例一.求截距为求截距为 、1、 晶面的指数晶面的指数 截距值取倒数为截距值取倒数为0、1、0，加圆括，加圆括弧得（弧得（010）l例二例二.求截距为求截距为2、3、 晶面的指数晶面的指数 取倒数为取倒数为1/2、1/3 、 0, 化为最小化为最小整数加圆括弧得（整数加圆括弧得（320）l例三例三.画出（画出（112）晶面）晶面 取三指数的倒数取三指数的倒数1、1、1/2, 化成最化成最小整数为小整数为2、2、1，即为，即为X、Y、Z三三坐标轴上的截距坐标轴上的截距l 晶向指数晶向指数l表示晶面的符号称晶面指数。表示晶面的符号称晶面指数。其其确定步骤确定步骤为：为：l 确定原点，建确定原点，建立坐标系，过原立坐标系，过原点作所求晶向的点作所求晶向的平行线。平行线。l 求直线上任一求直线上任一点的坐标值并按点的坐标值并按比例化为最小整比例化为最小整数，加方括弧。数，加方括弧。形式为形式为uvw。l例一、例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线的晶向指数。，求该直线的晶向指数。l将三坐标值化为最小整数加方括弧得将三坐标值化为最小整数加方括弧得234。l例二、例二、已知晶向指已知晶向指数为数为110, 画出该画出该晶向。晶向。l找出找出1、1、0坐标点坐标点,连接原点与该点的连接原点与该点的直线即所求晶向。直线即所求晶向。110234l l 晶面族与晶向族晶面族与晶向族晶面族与晶向族晶面族与晶向族l(hkl)与与uvw分别表示的是一组平行的晶向和晶面。分别表示的是一组平行的晶向和晶面。l指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作称作晶向族晶向族或或晶面族晶面族。分别用分别用hkl和和表示。表示。l例如例如112、123立方晶系常见的立方晶系常见的立方晶系常见的立方晶系常见的晶面晶面晶面晶面为：为：为：为：110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY 立立方方晶晶系系常常见见的的晶晶面面立方晶系常见立方晶系常见立方晶系常见立方晶系常见的的的的晶向晶向晶向晶向为：为：为：为： 立立方方晶晶系系常常见见的的晶晶向向111111111111XZY说明：说明： 在立方晶系中，指在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向数相同的晶面与晶向相互垂直相互垂直。 遇到负指数，遇到负指数，“-”-”号放在该指数的上方号放在该指数的上方。- - - - 晶向具有方向性，晶向具有方向性， 如如110与与110方方 向相反。向相反。XZY(221)221110110二、金属的晶体结构二、金属的晶体结构l1、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构l金属原子是通过正离子与自金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，由电子的相互作用而结合的，称为称为金属键金属键。l金属原子趋向于紧密排列。金属原子趋向于紧密排列。价电子云正离子金属键示意图金属键示意图l具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。l常见纯金属的晶格类型有体心立方常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方面心立方(fcc)和密排六方和密排六方(hcp)晶格。晶格。 体体心心立立方方晶晶格格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格的的参数参数l体心立方晶格体心立方晶格原子个数：原子个数：2配位数：配位数： 8致密度：致密度：0.68常见金属：常见金属： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子半径： 面面心心立立方方晶晶格格面面心立方晶格心立方晶格面面心立方晶格心立方晶格的参数的参数 a42r= =：原子半径原子半径原子个数：原子个数：4配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常数：晶格常数：al面心立方晶格面心立方晶格 密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格的参数的参数a21r= =：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常数：晶格常数：底面边长底面边长 a 和高和高 c， c/a=1.633l密排六方晶格密排六方晶格l 三种常见晶格的密排面和密排方向三种常见晶格的密排面和密排方向l单位面积晶面上的原子数称单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度晶面原子密度。l单位长度晶向上的原子数称单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度晶向原子密度。l原子密度最大的晶面或晶向称原子密度最大的晶面或晶向称密排面密排面或或密排方向密排方向。密排面密排面数量数量密排方向密排方向数量数量体心立方晶格体心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1底面对角线底面对角线3l三种常见晶格的密三种常见晶格的密排面和密排方向排面和密排方向六方底面六方底面底面对角线底面对角线密密排排六六方方晶晶格格面面心心立立方方晶晶格格体体心心立立方方晶晶格格体心立方体心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面l面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序l密排六方晶格密排六方晶格的堆垛顺序的堆垛顺序为为ABABABl面心立方晶格面心立方晶格的堆垛顺序的堆垛顺序为为ABCABCABCl面心立方晶格面心立方晶格的的原子堆垛原子堆垛2 2、实际金属的晶体结构、实际金属的晶体结构、实际金属的晶体结构、实际金属的晶体结构l变形金属晶粒尺寸约变形金属晶粒尺寸约1100 m，铸造金属可达几铸造金属可达几mm。纯铁组织晶粒示意图l 单晶体与多晶体单晶体与多晶体l单晶体：单晶体：其内部晶格方位完其内部晶格方位完全一致的晶体。全一致的晶体。l多晶体：多晶体：l晶粒：晶粒：实际使用的金属材料实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为些小晶体称为晶粒晶粒。沿晶断口沿晶断口沿晶断口沿晶断口铅锭宏观组织铅锭宏观组织l l晶界：晶界：晶界：晶界：晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。l晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。l多晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图l 晶体缺陷晶体缺陷l晶格的不完整部晶格的不完整部位称位称晶体缺陷晶体缺陷。l实际金属中存在实际金属中存在着大量的晶体缺着大量的晶体缺陷，按形状可分陷，按形状可分三类，即点、线、三类，即点、线、面缺陷。面缺陷。l 点缺陷点缺陷 l空间三维尺寸都空间三维尺寸都很小的缺陷。很小的缺陷。l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子la. 空位空位：晶格中某些晶格中某些缺排原子的空结点。缺排原子的空结点。lb. 间隙原子间隙原子：挤进晶挤进晶格间隙中的原子。格间隙中的原子。可可以是基体金属原子，以是基体金属原子，也可以是外来原子。也可以是外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙lc. 置换原子置换原子：取代原来原子位置的外来原取代原来原子位置的外来原子称置换原子。子称置换原子。l点缺陷破坏了原子的平衡状点缺陷破坏了原子的平衡状态，使态，使晶格发生扭曲晶格发生扭曲，称，称晶晶空位空位间隙原子间隙原子大大置换原子置换原子小置换原子小置换原子格畸变格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位和间隙原子引起的晶格畸变空位和间隙原子引起的晶格畸变l 线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错l位错：位错：晶格中一部分晶体相晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移，滑移面上滑移区与未刃型位错螺型位错滑移区的交界线称作滑移区的交界线称作位错位错。分为。分为刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错。刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错刃位错刃位错的的形成形成l刃型位错：刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是余原子面的边缘就是刃型位错刃型位错。l半原子面在滑移面以上的称半原子面在滑移面以上的称正位错正位错，用，用“ ”表示。表示。l半原子面在滑移面以下的称半原子面在滑移面以下的称负位错负位错，用，用“ ”表示。表示。l位错密度：位错密度：单位体积内所包单位体积内所包含的位错线总长度。含的位错线总长度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)l金属的位错密度为金属的位错密度为1041012/cm2l位错对性能的影响位错对性能的影响：金属的金属的塑性变形主要由位错运动引塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。化金属的主要途径。l减少或增加位错密度都可以减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。提高金属的强度。金属晶须退火态(105-108/cm2) 加工硬化态(1011-1012/cm2) 电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃位错高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）（白点为原子）电子显微镜下的位错观察l 面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界l晶界是不同位向晶粒的过度部位晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为，宽度为510个原个原子间距，位向差一般为子间距，位向差一般为2040。亚晶粒大角度和小角度晶界位错壁l亚晶粒亚晶粒是组成晶粒的尺寸很是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小小，位向差也很小(10 2 )的小晶块。的小晶块。l亚晶粒之间的交界面亚晶粒之间的交界面称称亚晶亚晶界界。亚晶界也可看作亚晶界也可看作位错壁位错壁。l晶界的特点：晶界的特点：l 原子排列不规则原子排列不规则。l 熔点低熔点低。l 耐蚀性差耐蚀性差。l 易产生内吸附易产生内吸附，外来原，外来原子易在晶界偏聚。子易在晶界偏聚。l 阻碍位错运动阻碍位错运动，是强化，是强化部位，因而实际使用的金部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。属力求获得细晶粒。l 是相变的优先形核部位是相变的优先形核部位 显微组织的显示显微组织的显示3 3、合金的晶体结构、合金的晶体结构、合金的晶体结构、合金的晶体结构l合金合金是指由两种或两种是指由两种或两种以上元素组成的具有金以上元素组成的具有金属特性的物质。属特性的物质。l组成合金的元素可以是组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金全部是金属，也可是金属与非金属。属与非金属。l组成合金的元素相互作组成合金的元素相互作用可形成不同的用可形成不同的相相。Al-Cu两相合金黄铜l所谓所谓相相是指金属或合金中凡是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀其它部分有界面分开的均匀组成部分。组成部分。l显微组织显微组织实质上是指在显微实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或镜下观察到的金属中各相或各晶粒的各晶粒的形态、数量、大小形态、数量、大小和分布和分布的组合。的组合。l固态合金中的相分为固态合金中的相分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两类。两类。单相合金两相合金l 固溶体固溶体l合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固 相称相称固溶体固溶体。习惯以习惯以 、 、 表表示。示。l与合金晶体结构相同的元素称与合金晶体结构相同的元素称溶溶剂剂。其它元素称。其它元素称溶质溶质。l固溶体是合金的重要组成相固溶体是合金的重要组成相，实，实际合金多是单相固溶体合金或以际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。固溶体为基的合金。l按溶质原子所处位置分为按溶质原子所处位置分为置换固置换固溶体溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体l 置换固溶体置换固溶体l溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。l溶质原子呈无序分布的称溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，无序固溶体，呈有序分布的呈有序分布的称称有序固溶体。有序固溶体。黄铜置换固溶体组织黄铜置换固溶体组织l 间隙固溶体间隙固溶体l溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。l形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金 属元素，如属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般等，而溶剂元素一般是过渡族元素。是过渡族元素。l形成间隙固溶体的一形成间隙固溶体的一般规律为般规律为r质质/r剂剂0.590.59时形成复杂结时形成复杂结时形成复杂结时形成复杂结构间隙化合物。构间隙化合物。构间隙化合物。构间隙化合物。l如如FeB、Fe3C、Cr23C6等。等。Fe3C称称渗碳体，渗碳体，是钢中重要是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格组成相，具有复杂斜方晶格。l化合物也可溶入其它元素原化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固子，形成以化合物为基的固溶体。溶体。Fe3C的晶格高温合金中的Cr23C6