金属的晶体结构1

第一章金属的晶体结构本章重点与难点：①金属键；②最常见的晶体结构：面心立方结构（fcc）、体心立方结构（bcc）、密排六方结构（hcp）；晶向指数和晶面指数；③晶体中存在的缺陷：点缺陷、面缺陷、线缺陷。

内容提要：固体物质的原子是由键结合在一起。

这些键提供了固体的强度和有关电和热的性质。

由于原子间的结合键不同，我们经常将材料分为金属、聚合物和陶瓷三类。

金属的原子之间时依靠金属键结合在一起的。

在结晶固体中，材料的许多性能都与其内部原子排列有关，可将晶体分为7种晶系，14种布拉菲点阵。

金属中最常见的晶体结构有面心立方结构（fcc）、体心立方结构（bcc）、密排六方结构（hcp）结构。

本章还介绍了晶向、晶面的概念及其表示方法（指数），因为这些指数被用来建立晶体结构和材料性质及行为间的关系。

实际的晶体结构中存在着一些缺陷，根据几何形态特征，分为点缺陷、面缺陷、线缺陷。

基本要求：1.建立原子结构的特征，了解影响原子大小的各种因素。

3.建立单位晶胞的概念，以便用来想像原子的排列；在不同晶向和镜面上所存在的长程规则性;在一维、二维和三维空间的堆积密度。

4.熟悉常见晶体中原子的规则排列形式，特别是bcc，fcc以及hcp。

我们看到的面心立方结构，除fcc金属结构外，还有NaCl结构和金刚石立方体结构。

5. 掌握晶向、晶面指数的标定方法。

一般由原点至离原点最近一个结点（u,v,w）的连线来定其指数。

如此放像机定为[u,v,w]。

u,v,w之值必须使互质。

晶面指数微晶面和三轴相交的3个截距系数的倒数，约掉分数和公因数之后所得到的最小整数值。

若给出具体的晶向、镜面时会标注“指数”时，会在三维空间图上画出其位置。

6.认识晶体缺陷的基本类型、基本特征、基本性质。

注意位错线与柏氏矢量，位错线移动方向、晶体滑移方向与外加切应力方向之间的关系。

7 了解位错的应力场和应变能，位错的增殖、塞积与交割。

第一节金属1 金属原子的结构特点金属原子的结构特点是外层电子少，容易失去。

晶胞中：2个八面体空隙
4个四面体空隙；
Zn2+离子填充1/2四面体空隙
（2）质点坐标：
211 S : 000 , ; 332 21 1 2 Zn : 00u, (u ) 33 2
2
其中，u＝0.875 （3）配位数与配位多面体：
Zn2＋与 S2－的配位数均为：4
闪锌矿与纤锌矿的结构区别：
反正尖晶石：二价阳离子A填充于八面体空隙，
三价阳离子B一半填充四面体空隙，另一半填充在
八面体空隙中称为反尖晶石。
例：已知Na+离子半径为0.102nm，Cl-离 子半径为0.181nm，计算NaCl结构的
堆积系数及密度。
1.7 常见的晶体结构
典型金属的晶体结构
典型金属的晶体结构是最简单的晶体结
构。由于金属键的性质，使典型金属的晶体
具有高对称性，高密度的特点。常见的典型
金属晶体是面心立方、体心立方和密排六方 三种晶体。
1、面心立方结构（FCC，A1型） （1）密堆积情况： 原子以ABCABC……的方式堆积， 面心立方紧密堆积 （111）面为密排面。 （2）原子分布：
（5）每个碳原子周围都有
四个碳，碳原子之间形成
共价键，CN＝4
金刚石结构：Si、Ge、灰锡α-Sn、 人工合成的立方氮化硼BN……
2、石墨结构
——六方晶系
石墨结构为碳原子成层状 排列，每一层中碳原子成六方
环状排列。
石墨结构中：层内碳原子以共价 键相连，CN＝3，三角形配位；层 间碳原子则以分子键相连。 石墨型结构：人工合成的六方氮化硼BN……
的原子密度。
A1型结构：-Fe、铝、铜、镍、铅、金、银、铂等
2、体心立方结构（A2型）

(3) 不需最小整数化； (4) 〔1 1 1〕
B面：
(1) 该面与z轴平行，因此x=1，y=2， z=∞； (2) 1/x=1，1/y=1/2，1/z=0； (3) 最小整数化1/x=2，1/y=1，1/z=0； (4) 〔2 1 0〕
C面：
(1) 该面过原点，必须沿y轴进行移动，因此x= ∞ ，y=-1，z=∞ (2) 1/x=0，1/y=-1，1/z=0； (3) 不需最小整数化；(4) 〔0 1 0〕
晶胞在三维空间的重复构成点阵
〔4〕晶格常数
在晶胞中建立三维坐标体系， 描述出晶胞的形状与大小
晶胞参数- 晶格常数:a、b、c 棱间夹角:α、β、γ
2 晶系与布拉菲点阵
依据点阵参数 的不同特点划分为七种晶系
(1) 三斜晶系
α≠β≠γ≠90° a≠ b≠ c
复杂单胞 底心单斜
(2) 单斜晶系
α=γ=90°≠β a≠ b≠ c
3 原子半径： r 2 a
4 配位数= 12
4
5 致密度= nv/V=(4×3πr3/4)/a3=0.74
γ－Fe(912~1394℃)、Cu、Ni、Al、Ag 等
——塑性较高
面心立方晶胞中原子半径与晶 格常数的关系
a
r 2a 4
(三)密排六方结构〔 h.c.p〕 〔 了解〕
金属：Zn、Mg、Be、α-Ti、α-Co等
具有光泽：吸收了能量从被激发态回到基态时所 产生的幅射；
良好的塑性：在固态金属中，电子云好似是 一种流动的万能胶，把所有的正离子都结合 在一起，所以金属键并不挑选结合对象，也 无方向性。当一块金属的两局部发生相对位 移时，金属正离子始终“浸泡〞在电子云中， 因而仍保持着金属键结合。这样金属便能经 受较大的变形而不断裂。

金属的晶体结构物质的原子和分子是有规律的，称为晶体，反之称为非晶体。

所有的金属材料在固体下是晶体。

在研究晶体结构时，用假想的几何线条将各原子的中心连接起来，就得到一个抽象化的几何空间格架，叫做空间格架。

简称晶格。

钢的晶格主要有面心立方和体心立方晶格两种。

如下图所示：体心立方晶格面心立方晶格常见的金属晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体，立方体的八个顶角各有一个原子，立方体的中心还有一个原子。

面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，立方体的八个顶角上各有一个原子，在其六个表面中心也各有一个原子。

铁在结晶之后的冷却过程中，会发生从一种晶格转变为另一种晶格的结构变化，称为同素异构转变。

如纯铁在912℃以下是体心立方晶格，即α铁。

当温度升高到912℃以上时转变为面心立方晶格，即γ铁。

继续升高温度到1390℃时又变为体心立方晶格，即δ铁。

铁碳合金相图铁碳合金状态图是研究铁碳合金及其加工的理论基础和重要工具。

它反应了不同成分的铁碳合金在缓慢加热和冷却时组织和性能的转变规律，是制定各种热加工工艺的依据。

一般可以把含碳量小于2%的铁碳合金称为钢。

在工业上用的钢，含碳量很少超过1.4%，而用于制造焊接结构的钢，含碳量更低。

铁碳合金相图的纵坐标表示温度，横坐标表示碳含量的百分数。

从图中左上端可以看出，工业纯铁（含碳量小于0.02%的铁碳合金）的熔点是1538℃。

而钢的熔点是随着含碳量的增加而降低的。

ABC为液相线，当钢加热到此线以上的相应温度时，全部变为液体；而由高温冷却到此线温度时，开始结晶，出现固相。

AJE线为固相线，钢加热到此线相应的温度时，开始出现液体；而冷却到此温度时，全部变为固相。

图中有四个单相区，在相邻两个单相区之间都是双相区。

ABC以上为液相区；AHN区为δ铁素体区；NJESG区为奥氏体区；GPQ区为α铁素体区。

ABJH区为δ铁素体与液相共存区；HJN区为δ铁素体与奥氏体共存区；JBCE区为液相与奥氏体共存区；GSP区为奥氏体与铁素体共存区；ESK区为奥氏体与与渗碳体共存区。