1.3金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶

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1、第一節(jié)金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)內(nèi)容:金屬的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)目的:掌握晶體結(jié)構(gòu)及其對材料的物理化學(xué)性能、力學(xué)性能及工藝性能的影響，為后續(xù)課程的學(xué)習(xí)做好理論知識的準(zhǔn)備由于金屬材料仍占工程材料的大部分，金屬材料知識是本課程的重點(diǎn)。金屬材料的性能與其晶體結(jié)構(gòu)（如體心立方，面心立方，密排六方）和晶體缺陷結(jié)構(gòu)（空位，間隙原子，位錯(cuò)，晶界等）密切相關(guān)，同時(shí)也和金屬結(jié)晶后的晶粒度有關(guān)。一、晶體的基本知識（一）、晶體與非晶體固態(tài)物質(zhì)按其原子（或分子）聚集狀態(tài)可分為體和非晶體兩大類。在晶體中，原子（或分子）按一定的幾何規(guī)律作周期性地排列。非晶體中原子

2、（或分子）則是無規(guī)則的堆積在一起。（如松香、玻璃、瀝青）自然界中晶瑩剔透的金剛石和水晶屬于晶體，但普通玻璃光亮透明，但它屬于非晶體。而金屬和合金雖然不透明，但它們在通常條件下都是晶體。（二）、晶格、晶胞、晶格常數(shù)1、晶格為了便于表明晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律，把每個(gè)原子看成是固定不動(dòng)的剛性小球，并用一些幾何線條將晶格中各原子的中心連接起來，構(gòu)成一個(gè)空間格架，各原子的中心就處在格架的幾個(gè)結(jié)點(diǎn)上，這種抽象的、用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架，簡稱晶格。2、晶胞由于晶體中原子有規(guī)則排列且有周期性的特點(diǎn)，為了便于討論通常只從晶格中，選取一個(gè)能夠完全反映

3、晶格特征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律，這個(gè)最小的幾何單元稱為晶胞，整個(gè)晶格就是有許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復(fù)堆積而成的。3、晶格常數(shù)在晶體學(xué)中，通常取晶胞角上某一結(jié)點(diǎn)作為原點(diǎn)，沿其三條棱邊作三個(gè)坐標(biāo)軸X、Y、Z，并稱之為晶軸，而且規(guī)定坐標(biāo)原點(diǎn)的前、右、上方為軸的正方向，反之為反方向，并以棱邊長度和棱面夾角來表示晶胞的形狀和大小。（三）、金屬中常見晶格由于金屬鍵結(jié)合力較強(qiáng)，是金屬原子總趨于緊密排列的傾向，故大多數(shù)金屬屬于以下三種晶格類型。1、體心立方晶格bcc體心立方晶格的晶胞它是一個(gè)立方體。在晶胞的中心和八個(gè)角上各有一個(gè)原

4、子，晶胞角上的原子為相鄰的八個(gè)晶胞所共有，每個(gè)晶胞實(shí)際上只占有1／8個(gè)原子。而中心的原子為該晶胞所獨(dú)有。故晶胞中實(shí)際原子數(shù)為8×1／8＋1＝2（個(gè)）。具有體心立方晶格的金屬有、等。2、面心立方晶格面心立方晶格也是一個(gè)立方體，在晶胞的每個(gè)角上和晶胞的六個(gè)面的中心都排一個(gè)原子，晶胞角上的原子為相鄰的八個(gè)晶胞所共有，而每個(gè)面中心的原子為兩個(gè)晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子數(shù)為8×1／8＋6×1／2＝4（個(gè)）。具有面心立方晶格的金屬有、等。3、密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一個(gè)六方柱體，有六個(gè)呈長方形的側(cè)面和兩個(gè)呈六邊形的底面所組成。因此，要用兩個(gè)晶格常

5、數(shù)表示。一個(gè)是柱體的高度c，另一個(gè)是六邊形的邊長，在晶胞的每個(gè)角上和上、下底面的中心都排列一個(gè)原子，另外在晶胞中間還有三個(gè)原子。密排六方晶胞每個(gè)角上的原子為相鄰的六個(gè)晶胞所共有，上、下底面中心的原子為兩個(gè)原子所共有，晶胞中三個(gè)原子為該晶胞獨(dú)有。所以，密排六方晶胞中原子數(shù)為12×1／6＋2×1／2＋3＝6（個(gè)）。具有密排六方晶格的金屬有Mg、Zn。（四）、晶體結(jié)構(gòu)的致密度晶體結(jié)構(gòu)的致密度是指晶胞中原子所占體積與該晶胞體積之比，可用來原子排列的緊密程度進(jìn)行定量比較。在體心立方晶胞中，含有2個(gè)原子。這2個(gè)原子的體積為2×（4／3）πr3，式中r為原子半徑。

6、故體心立方晶格的致密度為：2個(gè)原子的體積與晶胞體積之比等于0.68。這表明在體心立方晶格中，有68％的體積被所占據(jù)，其余為空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度為0.74。顯然，致密度數(shù)值越大，則原子排列越緊密。所以，當(dāng)鐵由面心立方晶格變?yōu)轶w心立方晶格時(shí)，由于致密度減小而使體積膨脹。三、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)（一）、金屬材料都是多晶體我們把晶格位向完全一致的晶體叫做單晶體。單晶體只有經(jīng)過特殊制作才能獲得。實(shí)際上，常使用的金屬材料，由于受結(jié)晶條件和其它因素的限制，其內(nèi)部結(jié)構(gòu)都是由許多尺寸很小，各自結(jié)晶方位都不同的小單晶體組合在一起的多晶體構(gòu)成。這

7、些小晶體就是晶粒，它們之間的交界即為晶界。在一個(gè)晶粒內(nèi)部其結(jié)晶方位基本相同，但也存在著許多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它們相互嵌鑲成一顆晶粒，這些小晶塊稱為亞晶粒，亞晶粒之間的界面稱為亞晶界。（二）、晶體的缺陷晶體內(nèi)部的某些局部區(qū)域，原子的規(guī)則排列受到干擾而破壞，不象理想晶體那樣規(guī)則和完整。把這些區(qū)域稱為晶體缺陷。這些缺陷的存在，對金屬的性能（物理性能、化學(xué)性能、機(jī)械性能）將產(chǎn)生顯著影響，如鋼的耐腐蝕性，實(shí)際金屬的屈服強(qiáng)度遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于通過原子間的作用力計(jì)算所得數(shù)值。根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，可將其分為以下三類：點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷1、點(diǎn)缺陷——空位和間

8、隙原子在實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中，晶格的某些結(jié)點(diǎn)，往往未被原子所占據(jù)，這種空著的位置稱為空位。同時(shí)又可能在個(gè)別空隙處出