1、第2章 金属的晶体结构,主讲教师 刘 海哈尔滨工业大学材料学院86418720，86412462,机械工程材料,2.1 晶体学基础,2.2 金属典型的晶体结构,2.3 合金相结构,2.4 晶体缺陷,第2章 金属的晶体结构,2.1 晶体学基础,2.1.2 材料原子的排列方式,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,2.1.4 晶面指数和晶向指数,2.1.5 晶带和晶面族,2.1 晶体学基础,2.1.1 材料原子的键合特征,2.1.1 材料原子的键合特征,材料结构,原子结构,原子的 空间排列,显微组织,2.1.1 材料原子的键合特征,原子核外电子的排布方式显著影响材料的电、磁、光和热性能，还影响到原子
2、彼此结合的方式，从而决定材料的类型。,材料结构,原子结构,原子的 空间排列,显微组织,原子空间排列方式是有序还是无序显著影响材料性能。,2.1.1 材料原子的键合特征,材料结构,原子结构,原子的 空间排列,显微组织,45钢8600C油淬组织，500,45钢完全淬火组织,合金相的种类、数量和分布和晶粒大小等显著影响材料性能 。,2.1.1 材料原子的键合特征,金属键,2.1.1 材料原子的键合特征,离子键,共价键,每个原子贡献出价电子形成电子云，正离子组成的晶格靠电子云联接金属键无方向性和饱和性。,2.1.1 材料原子的键合特征,金属键,离子键,共价键,金属特性： 正的电阻温度系数； 金属光泽；
3、 良好的导电性； 良好的导热性； 良好的塑性；,通过得失价电子，靠正负离子库仑力成键，具有饱和性和方向性： 高熔点、高硬度； 良好的电绝缘性； 低塑性；,2.1.1 材料原子的键合特征,金属键,离子键,共价键,2.1.1 材料原子的键合特征,金属键,离子键,共价键,靠共有电子对成键，具有饱和性和方向性： 高熔点、高硬度； 良好的电绝缘性； 低塑性；,范德瓦尔斯键,2.1.1 材料原子的键合特征,2.1.1 材料原子的键合特征,2.1.2 材料原子的排列方式,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,2.1.4 晶面指数和晶向指数,2.1.5 晶带和晶面族,2.1.2 材料原子的排列方式,2.1 晶体
4、学基础,非晶态,原子排列短程有序,无序,玻璃态,2.1.2 材料原子的排列方式,晶体,基元在三维空间呈规律性排列,长程有序,可以使单个的原子、离子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。,2.1.2 材料原子的排列方式,2.1 晶体学基础,2.1.1 材料原子的键合特征,2.1.2 材料原子的排列方式,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,2.1.4 晶面指数和晶向指数,2.1.5 晶带和晶面族,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,空间点阵,是一个几何概念，它由一维、二维或三维规则排列的阵点组成。,刚球模型用刚球代表空间排列的原子,2.1.3 关于晶体结构的基本概
5、念,晶格刚球抽象为质点，构成的空间格架,晶胞保持点阵几何特征的基本单元,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,布拉菲在1948年根据“每个阵点环境相同”的要求，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲点阵，分属7个晶系。空间点阵虽然只有14种，但晶体结构是多种多样、千变万化的。,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,晶体结构,构成晶体的基元在三维空间的具体的排列方式。,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,空间点阵,=,+,基元,2.1 晶体学基础,2.1.1 材料原子的键合特征,2.1.2 材料原子的排列方式,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,2.
6、1.4 晶面指数和晶向指数,2.1.5 晶带和晶面族,2.1.4 晶面指数和晶向指数,2.1.4 晶面指数和晶向指数,晶向,晶体中任意两个原子间连线所指的方向,2.1.4 晶面指数和晶向指数,晶向指数,以晶胞的边长作为单位长度，建立右旋坐标系；,将数据约成互质整数，如果某数为负值，在其上方标负号。用一方括号将该组数字括起来表示晶向。,2.1.4 晶面指数和晶向指数,晶向指数,以晶胞的边长作为单位长度，建立右旋坐标系；,在所要确定的晶向上选取两点，并求其坐标；,用末点坐标减去始点坐标，得到一组三个数字；,A(101),B(011),通常以uvw表示晶向指数的普遍形式。,2.1.4 晶面指数和晶向
7、指数,晶向指数的普遍表示方法,在以晶胞边长作为单位长度的右旋坐标系中取该晶面在各坐标轴上的截距。 取截距的倒数。 将倒数约成互质整数，加一圆括号。,通常以（hkl）表示晶向指数的普遍形式。若所求晶面在坐标轴的截距为负值，则在相应指数上冠以负号。,2.1.4 晶面指数和晶向指数,晶面指数,2.1.4 晶面指数和晶向指数,六方晶系指数,六方晶系采用4个指数，即（hkil）来表示晶向和晶面更为方便。标定指数时采用c、a1、a2、a3 四晶轴系统，a1、a2、a3之间的夹角为120，c 与其他三个轴垂直。标定程序与前述三指数的程序相同。,2.1.4 晶面指数和晶向指数,六方晶系指数,三维空间独立的坐标
8、轴只能有三个。故在前三个指数中只有两个是独立的，即：i= -(h+k) h+k+i=0因此 i 可以略去，（hkil）可写成(hkl),2.1 晶体学基础,2.1.1 材料原子的键合特征,2.1.2 材料原子的排列方式,2.1.3 关于晶体结构的基本概念,2.1.4 晶面指数和晶向指数,2.1.5 晶带和晶面族,2.1.4 晶带和晶面族,晶带平行或相交于同一直线的一组晶面构成一个晶带，这组晶面叫做共带面，而该直线叫做晶带轴。,2.1.4 晶带和晶面族,晶带轴,共带面,设有一晶带，晶带轴为uvw,其中任意晶面为(hkl)，则：,2.1.4 晶带和晶面族,两个非平行晶面的共带轴指数为：,晶带定理,
9、在同一晶体结构中，有些晶面虽然在空间的位向不同，但其原子排列情况完全相同，这些晶面属于一个晶面族，其晶面指数用hkl表示。,2.1.4 晶带和晶面族,晶面族,100晶面族：,2.1.4 晶带和晶面族,110晶面族：,111晶面族：,2.1 晶体学基础,2.2 金属典型的晶体结构,2.3 合金相结构,2.4 晶体缺陷,第2章 金属的晶体结构,2.2 金属典型的晶体结构,三种典型晶体结构,体 心 立 方,面 心 立 方,密 排 六 方,2.2 金属典型的晶体结构,Cr, V, Mo, W和-Fe等30多种金属具有体心立方结构。,体心立方（bcc）结构,2.2 金属典型的晶体结构,体心立方（bcc）
10、结构,2.2 金属典型的晶体结构,体心立方晶格参数,晶胞原子数：,2.2 金属典型的晶体结构,配位数：,2.2 金属典型的晶体结构,体心立方晶格参数,原子半径-晶胞中原子密度最大的方向111上相邻原子间平衡距离的一半。,致密度：,2.2 金属典型的晶体结构,体心立方晶格中的间隙,八面体间隙,2.2 金属典型的晶体结构,体心立方晶格中的间隙,四面体间隙,Al、Cu、Ni和-Fe等20多种金属具有面心立方晶体结构。,2.2 金属典型的晶体结构,面心立方（fcc）结构,2.2 金属典型的晶体结构,面心立方晶格参数,晶胞原子数：,配位数：,12,2.2 金属典型的晶体结构,面心立方晶格参数,原子半径：
11、,致密度：,2.2 金属典型的晶体结构,面心立方晶格中的间隙,八面体间隙,2.2 金属典型的晶体结构,面心立方晶格中的间隙,四面体间隙,Mg、Zn、Cd、Be等20多种金属具有密排六方晶体结构。,2.2 金属典型的晶体结构,密排六方立方结构,2.2 金属典型的晶体结构,密排六方晶格参数,晶胞原子数：,配位数：,12,致密度：,2.2 金属典型的晶体结构,密排六方晶格参数,原子半径：,原子的堆垛方式,ABAB堆垛方式,ABCABC堆垛方式,原子的堆垛方式,密排六方结构,体心立方结构,面心立方结构,当外部的温度和压强改变时，具有多晶型性的金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，这种现象称为多晶型
12、转变，又称同素异构转变。,多晶型性,有些金属，如Fe、Mn、Ti、Co等，具有两种或几种晶体结构，这种现象称为多晶型。,2.2 金属典型的晶体结构,多晶型转变,石英（晶体）和氧化硅玻璃的线膨胀系数,铁的多晶型转变,2.2 金属典型的晶体结构,铁的多晶型转变,2.2 金属典型的晶体结构,2.1 晶体学基础,2.2 金属典型的晶体结构,2.3 合金相结构,2.4 晶体缺陷,第2章 金属的晶体结构,2.3 合金相结构,合金,两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成，并具有金属特性的物质。,组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素。,是合金中具有同一
13、聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分,组元,相,2.3 合金相结构,合金的组元之间以不同的比例混合，形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元的晶体结构相同，这种相称为固溶体。与固溶体结构相同的组元叫做溶剂，其他组元称为溶质。,固溶体,中间相(金属化合物),相,2.3 合金相结构,固溶体,中间相(金属化合物),相,2.3 合金相结构,两组元A和B组成合金时，可能形成新化合物，称中间相。这种化合物具有一定金属性质，也称金属间化合物。,1. 固溶体的分类,按溶质原子在晶格中所占的位置分： 1）置换固溶体溶质原子位于溶剂晶格的结点位置。 2）间隙固溶体溶质原子填入溶剂原子的
14、间隙处。,2. 3.1 固溶体,1. 固溶体的分类,按固溶度分类： 1）有限固溶体在一定条件下，溶质组元在固溶体中的浓度有一定限度，超过这一限度就不再溶解，此时固溶体称为有限固溶体。大部分固溶体属于有限固溶体。 2）无限固溶体此种固溶体的溶质能以任意比溶入溶剂，溶解度可达100%，如Cu-Ni（fcc晶体结构）。,2. 3.1 固溶体,2. 固溶体的结构,1）晶格畸变 由于溶质与溶剂原子半径不同，因而正在溶质原子附近的局部范围内形成弹性应力场，造成晶格畸变。,2. 固溶体的结构,2）溶质偏聚与短程有序 研究表明，当同种原子的结合力较大时溶质原子倾向于成群地聚在一起，形成许多偏聚区；当异种原子结
15、合力较大时，溶质原子在固溶体中的分布呈短程有序。,2. 固溶体的结构,3）长程有序 某些具有短程有序的固溶体，当其成分接近一定原子比时（如1：1），可在低于某一临界温度时，转变为长程有序结构，这种固溶体称为有序固溶体。,2. 3.2 合金相结构,两组元A和B组成合金时，形成固溶体，当溶质含量超过其溶解度时，可能形成新物质（化合物），其成分处于A在B中或 B在A中最大溶解度之间，故称中间相。在该化合物中，除离子键、共价键外，金属键也参与作用，因而具有一定金属性质，故称金属间化合物。,固溶体,金属化合物,正常价化合物,电子化合物,间隙相,间隙化合物,2. 3.2 合金相结构,符合化合物原子价规律的
16、金属间化合物。它们具有严格的化合比，成分固定不变。它的结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同，如分子式具有AB型的正常价化合物其晶体结构为NaCl型，多为离子化合物。,固溶体,金属化合物,正常价化合物,电子化合物,间隙相,间隙化合物,2. 3.2 合金相结构,电子浓度为21/14时 具有体心立方结构,固溶体,金属化合物,正常价化合物,电子化合物,间隙相,间隙化合物,2. 3.2 合金相结构,电子浓度为21/13时 具有-黄铜结构,固溶体,金属化合物,正常价化合物,电子化合物,间隙相,间隙化合物,2. 3.2 合金相结构,是指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的化合物。电子化合物的熔点和
17、硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。,电子浓度为21/12时 具有密排六方结构,固溶体,金属化合物,正常价化合物,电子化合物,间隙相,间隙化合物,2. 3.2 合金相结构,当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，将形成具有简单晶体结构的金属间化合物.间隙相是一些合金工具钢和硬质合金中重要的强化相，另外，可用作特殊的表面处理。,固溶体,金属化合物,正常价化合物,电子化合物,间隙相,间隙化合物,2. 3.2 合金相结构,当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时，将形成具有复杂晶体结构的金属间化合物，间隙化合物种类很多， Fe3C是铁碳合金中重要的组成相，具有复杂
18、的正交晶格，晶胞中有12个Fe原子，4个C原子。间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一些。,2.1 晶体学基础,2.2 金属典型的晶体结构,2.3 合金相结构,2.4 晶体缺陷,第2章 金属的晶体结构,2.4 晶体缺陷,点缺陷的特点是在空间三维方向上的尺寸都很小，约为几个原子间距，又称零维缺陷。,2.4 晶体缺陷,点缺陷,线缺陷,面缺陷,点缺陷,空位,间隙原子,置换原子,点缺陷的种类：空位、间隙原子、置换原子,点缺陷的性质,点缺陷是一种平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度。对于置换原子或异类间隙原子，这一
19、平衡浓度为固溶度或溶解度。,点缺陷对金属性能的影响,1）点缺陷造成晶格畸变，使金属屈服强度升高，电阻增大，体积膨胀等；,2）点缺陷的存在加速了金属中的扩散过程，凡与扩散有关的相变、化学热处理、高温下塑性变形和断裂等都与点缺陷的存在和运动密切相关。,点缺陷,线缺陷,面缺陷,线缺陷,线缺陷就是各种类型的位错，它是指晶体中的原子发生了有规律的错排现象。其特点是原子发生错排的范围只在一维方向上很大，是一个直径为35个原子间距，长数百个原子间距以上的管状原子畸变区。,2.4 晶体缺陷,1. 刃型位错,刃型位错的特征,1）刃型位错有一额外半原子面；,2）位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，其中既
20、有正应变，又有切应变。对于正刃型位错，滑移面之上晶格受到压应力；负刃型位错与之相反。,刃型位错的特征,3）位错线与错运动方向及晶体滑移方向垂直。,刃型位错的特征,4）位错攀移。,2. 螺型位错,螺型位错的特征,1）螺型位错无额外半原子面；,2）螺型位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，其中只有切应变，没有正应变。,3）位错线与滑移方向平行，位错线运动方向与位错线垂直。,在实际晶体中，从距位错一定距离的任一原子M出发，以至相邻原子为一步，沿逆时针方向环绕位错线做一闭和回路； 在完整晶体中以同样方法和步骤做相同回路，回路没有封闭； 由完整晶体的回路终点Q到起点M引一矢量，使回路闭和，即为柏
21、氏矢量,3. 伯氏矢量,柏氏矢量是由柏格斯在1939年提出的，用来表征位错性质及位错区晶格畸变特征的一个矢量。,确定方法,可用来判断位错类型：位错线与柏氏矢量垂直为刃型位错；位错线与柏氏矢量平行为螺型位错； 柏氏矢量的大小表示位错区晶格畸变总量大小； 柏氏矢量用来表示晶体滑移的方向和大小：滑移方向为柏氏矢量方向，滑移大小为柏氏矢量大小。,伯氏矢量的特征,在实际晶体中，位错线一般是弯曲的，而柏氏矢量只有一个，此时位错线与柏氏矢量呈一定角度，称为混合型位错。,4. 混合型位错,刃型位错,螺型位错,混合位错,混合位错原子组态,5. 位错对金属性能的影响,Ni基高温合金经固溶处理和形变后的位错组态,未
22、变形,200, 形变2%,-196, 形变2%,Ni基高温合金高温蠕变后的位错组态,未强化纯金属 （退火态）,加工硬化态 （10111012cm/cm3）,金属晶须,金属强度与位错密度的关系,5. 位错对金属性能的影响,位错运动是金属变形的重要机制；,位错密度（通常用单位体积中所包含的位错线总长度来表示=L/V）是影响材料性能的重要指标。,理论强度,点缺陷,线缺陷,面缺陷,面缺陷,晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面两类，其中的内界面又有晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。,2.4 晶体缺陷,1. 外表面,与内部原子相比，表面原子的配位数较少，使得表面原子偏离正常位置，在
23、表面层产生了晶格畸变（弛豫），导致能量升高。单位表面积上升高的能量称为比表面能，简称表面能。表面能也可以用单位长度上的表面张力（Nm）表示。为了降低表面能，在一定条件下表面原子可以重构。,金(111)表面重构的高分辨电子像,2. 晶界,单晶体若材料的晶体结构和空间取向都相同，则称该材料为单晶体。,多晶体由许多晶粒组成，每个晶粒可以看作一个微小的单晶体。,晶界晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶粒间界，简称晶界。,小角度晶界：当相邻晶粒的位向差小于10时，晶界称为小角度晶界。小角度晶界由位错组成。,晶界分类,大角度晶界：当相邻晶粒的位向差大于10时，晶界称为大角度晶界。大角度晶界结构复杂
24、。,1）由于晶格畸变，使晶界具有界面能。高的界面能有向低界面能转化的趋势，导致界面运动。晶粒长大和晶界的平直化都能减少晶界总面积，从而降低总界面能。晶界迁移是原子扩散过程，只有在一定温度下才能进行。,晶界特性,12%Cr铁素体不锈钢焊接接头附近组织,2）当金属中存在降低界面能的异类原子时，它们将向晶界偏聚，这种现象称为内吸附；如果存在提高界面能的原子，它们将会晶粒内部偏聚，称为反内吸附。,晶界特性,晶界过渡结构示意图,纳米材料剖面结构示意图,3）由于晶界上存在晶格畸变，在室温下对金属材料的塑性变形起阻碍作用，在宏观上表现为使金属材料具有更高的强度和硬度。,晶界特性,400MPa级超细晶粒 碳素钢显微组织,4）由于界面能的存在，使晶界的熔点低于晶粒内部，易于腐蚀和氧化。,晶界特性,5）晶界上缺陷多，原子扩散速度快，相变时易在晶界处形核,SEM 35CrMo钢奥氏体晶界处 形成珠光体晶核并长大,晶间腐蚀,在多相组织中，具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界。,3. 相界,4. 孪晶界,5. 堆垛层错,原子移动形成堆垛层错,
