第二章 金属的晶体结构共36页

3.1 金属的结构
(2)晶格、晶胞、晶格常数 ➢用于描述原子在晶体中排列规则的三维空间几何点阵称 为晶格。 ➢在晶格中就存在一个能够代表晶格特征的最小几何单元， 称之为晶胞。 ➢描述晶胞大小与形状的几何参数称为晶格常数。
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3.1 金属的结构
二、常见金属的晶体结构
1、体心立方晶格
体心立方晶胞如图所示。在晶胞的八个角上各有 一个金属原子，构成立方体。在立方体的中心还有 一个原子，所以叫作体心立方晶格。属于这类晶格 的金属有铬、钒、钨、钼和α-铁等。
➢铸件：铸造后不再经塑性加工的产品。 ➢铸锭：铸造后还要经塑性加工的产品。
金属铸锭呈现三个不同外形的晶粒区，即表面细 晶粒区、柱状晶粒区和等轴晶粒区。
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3.4 合金的晶体结构
一、表面细晶粒区（外壳层）
浇铸时，由于激冷，使过冷度增大，模壁凹凸不平，促进形核， 在极短的时间内形成大量的晶核，组织致密，但很薄。细晶粒区 的成分均匀，强度高，韧性好。
形核率N 、长大速度第G15与页过/共冷31页度T 的关系
3.2 纯金属的结晶
（2）变质处理
变质处理是在浇注前向液态金属中加入一些细 小的难熔的物质（变质剂），在液相中起附加 晶核的作用，使形核率增加，晶粒显著细化。
（3）振动处理
金属结晶时，利用机械振动、超声波振动，电 磁振动等方法，既可使正在生长的枝晶熔断成 碎晶而细化，又可使破碎的枝晶尖端起晶核作 用，以增大形核率。
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3.4 合金的晶体结构
固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体两种： ➢置换固溶体
溶质原子代替溶剂原子占据溶剂晶格中的某些结 点位置而形成的固溶体，称为置换固溶体，如图所 示。 按溶质溶解度不同，置换固溶体又可分为有限固溶 体和无限固溶体。

（原子直径相近，结构相同）
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➢ 间隙固溶体：当溶质原子很 小时，只能处于溶剂原子的 间隙中，称为间隙固溶体。
如图a所示。如C、H、N、 B、O等原子易形成间隙固 溶体。
➢ 溶解度大小取决于：
a 溶剂晶体结构
间隙大小，间隙↗，溶解↗
b 溶质尺寸
溶质尺寸↘，溶解度↗
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➢ 置换固溶体：当溶质和溶剂 的原子直径较接近时，只能 替代一部分溶剂原子而占据 溶剂晶格中的某些结点位置， 称为置换固溶体。
例如：钢中加入钛、硼、铝等；铸铁中加入硅、钙 等；铝-硅合金中加入钠或钠盐等。
3) 动力学方法 生产中还可以采用机械振动、超声波振动、电磁
搅拌等方法。使熔融金属在铸型中产生运动。打断 正在生长的树枝晶轴，破碎的细小晶体成为新的晶 核，增加了晶核数目，从而使晶粒细化。
例如：钢的连续铸造采用电磁搅拌来细化晶粒。
20晶21 界
亚晶界
19
1.2.2 金属的结晶过程
１.纯金属的结晶
➢ 即液态金属凝固时原子占据晶格的规定位置形成 晶体的过程。
纯金属的结晶过程可通过热分析实验法得到的温 度与时间的关系曲线，即冷却曲线来表示，如图1-8 所示。
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温度 ΔT
T0 Tn
➢ T0 ——理论结晶温度,即熔点 ➢ Tn——实际结晶温度
１.２金属的晶体结构与结晶
按原子排列的特征，可将固体物质 分为晶体和非晶体两大类。
晶体： 物质内部的原子是按一定的 次序有规律排列的。如金刚石、石 墨等，固态金属一般属于晶体。
非晶体：非晶体内部的原子则是无规 则排列的，如玻璃、松香和沥青等。 也称为 “过冷液体” 。

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2.金属化合物 是指合金各组元的原子按一定的整数比化
合而成的一种新的金属化合物。它的晶体结构不 同于组成元素的晶体结构，而且其晶格一般都比 较复杂。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。 例如铁碳合金中的Fe3C。当合金中出现金属化合 物时，能提高其强度、硬度和耐磨性，但会降低 其塑性和韧性。
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固溶体晶格的畸变使合金强度和硬度升高， 而塑性下降，这种现象称为固溶强化。固溶强化 是提高合金机械性能的重要途径之一。
汽车应用材料 第一章
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固溶强化
形成固溶体使金属强度和硬度提高,而塑性下降的现象.
正常晶格
晶格畸变
汽车应用材料 第一章
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汽车应用材料 第一章
晶体:固态金属
金刚石、NaCl、冰 等。
非晶体 ： 蜂蜡、玻第2页/共79页
常用固态金属基本上都属于晶体，大部分非 金属如氯化钠、天然金刚石、水晶等属晶体；而 常用的石蜡、松香、塑料、玻璃、橡胶等属非晶 体。
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一、纯金属的晶体结构与结晶
不同，铸件的结构是不均匀的。从铸锭的剖面 来看，明显地分为三个各具特征的晶区：表面 细晶粒区、柱状晶粒区和中心粗大等轴晶粒区。
汽车应用材料 第一章
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汽车应用材料 第一章
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二、合金的晶体结构及结晶
合金：合金是以一种金属为基础，加入其它金属 或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材 料。即合金是由两种或两种以上的元素所组成的 金属材料。例如，工业上广泛应用的钢铁材料就 是铁和碳组成的合金。
汽车应用材料 第一章
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立方体面纹理示意图
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八面体纹理示意图
3）十二面体晶体
在十二面体晶体上，纹 理平行菱面体长轴方向， 只有一个纹理方向。
十二面体纹理示意图
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4、结节 在三角薄片双角中, 纹理方向发生改变的地方称为结节, 结节对于 钻石加工来讲会产生困难。
5、凹角和青鱼骨刺纹 指两个晶面的接合处 形成的凹角，凹角大 于180° 凹角顶端的纹理，形
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石墨是碳的另一种单质晶体, 碳原子 与邻近的三个碳原子形成共价单键， 排列成六角平面的网状结构,呈互相 平行的层状结构。
石墨的晶体结构
由于原子结构不同，形成两种性质完全不同的物质, 将钻石 和石墨称为碳元素的同质异体或同质多象。
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钻石与石墨晶体结构对比
钻石属六方晶系，碳原 子为等间距的结构（CC健长0.154nm），原子 间结合牢固；石墨属六 方晶系，碳原子形成牢 固的六方环形状网的极 薄层。环中的原子间距 为0.142nm，而层间原 子间距为0.335nm。
晶胞 立方面心格子，C 原子
占据立方体的一半角顶，六 个面的中心以及相间排列的 小立方体中心。
钻石单位晶胞：立方面心格子
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三、钻石晶体结构
钻石的晶体结构可以视为以角顶相连接的四面体 结合, 规则重复和三维排列。
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由四面体组成的钻石, 常见 有立方体、八面体、菱形十 二面体晶体。
2、 烟雾钻石 表面有一极薄的半透明的无光泽表层，呈暗淡或糖状, 由于搬运过程中被磨蚀或金伯利岩岩浆熔蚀所致。 3、氧化钻石 在钻石的裂隙中充填氧化铁、锰质所致。氢氟酸中煮沸 可以除去杂色。
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docin/sundae_meng
2.固溶体
• 根据溶质原子在溶剂中所处位置不同，固溶体可分为间隙 固溶体和置换固溶体两大类。 (1)间隙固溶体 如图2-10(a)所示。 (2)置换固溶体 如图2-10(b)所示。
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图2-10 晶格结构模型
2.1.4 金属材料的组织
图2do-1ci2n/su大nd分ae_子me链ng的形态
(3)空间构型 • 图2-13 所示为乙烯聚合物常见的三种空间构型。
图2-13 乙烯聚合物的立体异构
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2.大分子链的构象及柔性
图2-14 do分cin/子sun链da的e_m内en旋g 转示意图
3.高分子材料的聚集态 • 图2-15为聚合物三种聚集态结构示意图。
(1‰～1%)。如图2-29所示。
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图2-29 晶格构造模型
总之，陶瓷材料的性能特点是: 具有不可燃烧性、高耐热性、高化 学稳定性、不老化性、高硬度和良 好的抗压能力，但脆性很高，温度 急变抗力很低，抗拉、抗弯性能差。
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思考题
• 2-1 什么叫晶体?什么叫非晶体? • 2-2 什么叫晶格?什么叫晶胞? • 2-3 常见的金属晶体有哪几种? • 2-4 铁有哪几种同素异晶体? • 2-5 晶体缺陷有哪几种?它们对力学性能有什么影响? • 2-6 什么叫固溶体?什么叫固溶强化现象? • 2-7 什么叫金属化合物?它有何特征? • 2-8 什么叫金属的组织? • 2-9 试述晶粒大小与力学性能的关系。 • 2-10 什么叫高分子材料?简述高分子材料的结构。
图2-22 橡胶在do一cin个/su承nd载ae_周me期ng中的应力-应变曲线

其最外层的电子数很 少，一般为1～2个， 不超过3个。
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价电子
§1.1 金属原子间的键合特点
结合力
当原子靠近到一定程 度时，原子间会产生 较强的作用力。
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§1.1 金属原子间的键合特点
外 层 稳定的八电子排布结构 电 子 接受或释放额外电子 作 用 共有电子 形 式
材料的原子排列
非晶态
原子排列短程有序或无序
非晶体的特点是：①结 构无序；②物理性质表 现为各向同性；③没有 固定的熔ຫໍສະໝຸດ ；④热导率 （导热系数）和膨胀性 小；
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§1.2 金属晶体典型结构
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§1.2 金属晶体典型结构
晶体
基元在三维空间呈规律性排列
长程有序 单个的原子、离子、分子或彼此
堆垛方式
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§1.12.材2 金料属的晶原体典子型排结列构
晶向
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§1.12.2材金料属的晶体原典子型排结列构
晶向指数
晶向指数的确定方法 ①建立以晶胞的边长作为单 位长度的右旋坐标系。 ②定出该晶向上任两点的坐 标。 ③用末点坐标减去始点坐标。 ④将相减后所得结果约成互 质整数，加一方括号。
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§1.1 金属原子间的键合特点
结合键的特性
结构特点
离子键 方向性不明显，配位数大
共价键
方向性明显， 配位数小，密度小
金属键
无方向性，配位 数大，密度大
力学性能 热力性质 电学性质 光学性质
强度高，劈裂性良好，硬度大 强度高，硬度大
有各种强度，有 塑性

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（2）冷形变金属的加工硬化
Ⅱ线性硬化阶段：位 错密度增加，其它滑 移系统被激活，形成 压杆位错，阻碍位错 的继续运动，从而产 生大的硬化效应
Ⅲ抛物线型硬化阶段： 滑移线变粗成滑移带， 新增加的应变几乎全 部集中在这些滑移带 内，且滑移带碎花。
Ⅰ易滑移阶段：加工 硬化主要来自位错的 增殖所引起的内应力
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（1）晶胞中的原子数
顶点占1/8
棱占1/4
面心占1/2
体心占1
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面心立方结构：
n=8×1/8+6×1/2=4
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体心立方结构：
n=8×1/8+1=3
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密排六方结构：
n=12×1/6+2×1/2+3=6
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（2）点阵常数与原子半径的关系 点阵常数：晶胞的棱边长度（a,b,c）
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点缺陷 (a)空穴；(b)间隙原子；(c)小取代原子；(d)大取代原子；
(e)Frenkel缺陷；(f)Schttky缺陷
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2. 线缺陷
线缺陷就是晶体中的位错。按严格的几何意义， 位错是直径约5个原子的柱状缺陷，在晶体中以 各种方向延伸，不一定是直线。位错在金属材料 中大量存在，在自然生长的金属单晶中，每单位 平方厘米的面积就有106个位错穿过。
单晶体加工硬化3阶段示意图
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3种典型的金属单晶体的应力-应变曲线
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铝单晶与多晶体的应力-应变曲线比较（室温）
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课堂作业
1. 试述原子间的键合方式，并举例说明。 2. 空间点阵的概念？空间点阵和晶体结构的关系？ 3. 纯金属的晶体结构有哪些？并分析他们的特征 4. 金属晶体结构的缺陷？ 5. 描述金属材料的形变过程。

直线的交点称结点 由结点形成的空间点的阵 列称空间点阵： 反应点阵特征的基本单元 叫晶胞
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晶胞
Z
c
b
a
晶胞棱边长度叫 晶格
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• （3）晶系：(布喇菲点阵,用数学方法证明)
立方
• 根据晶格常数不同，将晶体分为七种晶系。 六方
• 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 四方
菱方
• 立方晶系：a=b=c，===90
正交
• 六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，
单斜
=120
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三斜
几个重要参数 前提：假设原子为刚性球 1、原子半径：晶胞中原子密 度最大方向上相邻原子间距 的一半。
2、晶胞原子数：一个晶胞内 所包含的原子数目。
3、配位数及致密度： 配位数：是指晶格中与任一原子距离最近且相
• c. 置换原子：
取代原来原子位置的外来 原子称置换原子。
• 点缺陷破坏了原子的平衡 状态，使晶格发生扭曲， 称格晶畸变。 使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
空位
间隙原子
小置换原子
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大置换原子
空位和间隙原子引起的晶格畸 变
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二、线缺陷
线缺陷—晶体中的位错
刃位错
示。
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说明：
① 在立方晶系中，指 数相同的晶面与晶向 相互垂直。
② 遇到负指数，“-” 号
放在该指数的上方。 ③ 晶向具有方向性，如 [110]与[-1-10]方向相反。
[110] Z
(221)
X
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[110]
[221]
Y