第二章純金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)

1、第二章純金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第二章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)第一節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)純金屬的晶體結(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)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

2、。對(duì)兩者比較可以看出，晶體具有如下特點(diǎn)：非晶體。對(duì)兩者比較可以看出，晶體具有如下特點(diǎn)：（）原子在三維空間呈規(guī)則、周期性重復(fù)排列，如（）原子在三維空間呈規(guī)則、周期性重復(fù)排列，如圖圖-（）（）所所示；示；（）具有一定的熔點(diǎn)，如純鐵的熔點(diǎn)為（）具有一定的熔點(diǎn)，如純鐵的熔點(diǎn)為，鋁的熔點(diǎn)為，鋁的熔點(diǎn)為；（）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（）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。性。下一頁(yè)返回第一節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)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、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

3、性和延展性，尤其是金屬晶體還具有正的電良好的導(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。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(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)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(shí)二、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)晶格晶格 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(lái)，這樣幾何點(diǎn)，并用一些假想線條將幾何點(diǎn)在三維方向連接起來(lái)，這樣構(gòu)成的空間格子稱為晶格，如構(gòu)成的空間格子稱為晶格，如圖圖-（）（）所示。晶格中的每一

4、所示。晶格中的每一個(gè)點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。個(gè)點(diǎn)稱為結(jié)點(diǎn)。晶胞晶胞 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，如圖為晶胞，如圖-（）（）所示。實(shí)際上整個(gè)晶格就是由許多大小、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。形狀和位向相同的晶胞在空間重復(fù)堆積而成的。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié)純金

5、屬的晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)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)，表示，稱為晶格常數(shù)，單位為單位為 。致密度致密度 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(lái)表示原子在晶格中排列的緊密程度。來(lái)表示原子在晶格中排列的緊密程度。三、金屬中常見(jiàn)的晶格類型三、金屬中常見(jiàn)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)出不同的各種晶體由于其晶格類型和晶格常

6、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(jiǎn)單，其中常見(jiàn)的有以下種：屬的晶體結(jié)構(gòu)都比較簡(jiǎn)單，其中常見(jiàn)的有以下種：上一頁(yè)下一頁(yè)返回第一節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格體心立方晶格 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個(gè)結(jié)點(diǎn)及中心處，如個(gè)結(jié)點(diǎn)及中心處，如圖圖-所示。所示。面心立方晶格面心立方晶格 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個(gè)結(jié)點(diǎn)及

7、各面的中心處，如個(gè)結(jié)點(diǎn)及各面的中心處，如圖圖-所示。所示。密排六方晶格密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一個(gè)正六棱柱體，晶胞的個(gè)棱邊長(zhǎng)密排六方晶格的晶胞是一個(gè)正六棱柱體，晶胞的個(gè)棱邊長(zhǎng)度犪犫犮，晶胞棱邊夾角度犪犫犮，晶胞棱邊夾角、，其晶，其晶格常數(shù)用正六邊形底面的邊長(zhǎng)犪和晶胞的高度犮表示。在密排六格常數(shù)用正六邊形底面的邊長(zhǎng)犪和晶胞的高度犮表示。在密排六方晶胞的個(gè)結(jié)點(diǎn)上和上、下底面的中心處各排列有一個(gè)原子，方晶胞的個(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個(gè)原子，如此外柱體中心處還包含著個(gè)原子，如圖圖-所示。所示。上一頁(yè)返回第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)

8、構(gòu)一、單晶體與多晶體一、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(guò)特殊制作才能獲得單各向異性的特征。在工業(yè)生產(chǎn)中，只有通過(guò)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。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

9、不相同的，如致的，而各個(gè)小晶體之間彼此的方位都不相同的，如圖圖-所示。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。多晶體。一般金屬材料都是多晶體。下一頁(yè)返回第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)二、晶體中的缺陷二、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(dòng)及

10、加工條件等）的影屬由于許多因素（如結(jié)晶條件、原子熱運(yùn)動(dòng)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，可將其分為以下類：量缺陷。根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，可將其分為以下類：點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 點(diǎn)缺陷是指在長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向上尺寸都很小的一種缺陷，點(diǎn)缺陷是指在長(zhǎng)、寬、高三個(gè)方向上尺寸都很小的一種缺陷，最常見(jiàn)的是空位和間隙原子，如最常見(jiàn)的是空位和間隙原子，如圖圖-所示。所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)線缺陷線缺陷 線缺陷是指在晶體中呈線狀分布，即一個(gè)方向上

11、尺寸很大，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(jiàn)的線缺陷是各種類型的位錯(cuò)。而另兩個(gè)方向上很小的缺陷。常見(jiàn)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)刃型位錯(cuò)”是一種比較簡(jiǎn)單的位錯(cuò)，如是一種比較簡(jiǎn)單的位錯(cuò)，如圖圖-。 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(zhǎng)度晶體中位錯(cuò)的多少可用單位體積中所包括的位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度表示，稱為位錯(cuò)密度，即表

12、示，稱為位錯(cuò)密度，即上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)面缺陷面缺陷 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。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。（）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)（）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(guò)渡到另一種位向的過(guò)渡層，該過(guò)渡層的原子排列是不一

13、種位向過(guò)渡到另一種位向的過(guò)渡層，該過(guò)渡層的原子排列是不規(guī)則的。相鄰晶粒的位向差一般為規(guī)則的。相鄰晶粒的位向差一般為，晶界寬度為，晶界寬度為個(gè)原子間距，如個(gè)原子間距，如圖圖-所示。所示。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)（）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（）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?。ㄒ话阋恢?，而是存在許多尺寸很小，位向差也很?。ㄒ话悖┑男【K，這些小晶塊稱為的小晶塊，這些小晶塊稱為“亞晶粒亞晶粒”，兩相鄰亞晶粒的界面稱，兩相鄰亞晶粒的界面稱為為“亞晶界亞晶界”。亞晶界實(shí)際上

14、是由一系列刃型位錯(cuò)所組成的小角。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，如度晶界，如圖圖-所示。所示。上一頁(yè)返回第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)一、合金的基本概念一、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)。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(jiǎn)稱元）。通常組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元（簡(jiǎn)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

15、是鐵和碳。一般來(lái)說(shuō)，穩(wěn)定的化合物也可以作為組成合金的組元是鐵和碳。一般來(lái)說(shuō)，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。合金等。 可以由給定組元按不同比例配制出一系列不同成分的合金，可以由給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(hào)的碳鋼就是由不同這一系列合金就構(gòu)成了合金系。例如各種牌號(hào)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。鐵、碳含量的合金所構(gòu)成的鐵碳合金系。下一頁(yè)返回第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)二、合金的相結(jié)構(gòu)二、合金的相結(jié)

16、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。結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。固溶體固溶體 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。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，可將固溶體根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置的

17、不同，可將固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。分為置換固溶體和間隙固溶體兩種。上一頁(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)（）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（）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，如中的某些結(jié)點(diǎn)位置，稱為置換固溶體，如圖圖-（）（）所示。所示。（）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，（）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，如圖圖-（）（）所示

18、。所示。（）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（）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（如圖圖-所示），變形抗力增大，使金屬的強(qiáng)度、硬度升高所示），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。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(yè)下一頁(yè)返回第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)金屬化合物金屬化合物 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(jiàn)的金屬化合物有三種類型。及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，常見(jiàn)的金屬化合物有三種類型。（）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（）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。素組成的。（）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（）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