金属学基础-2金属的晶体结构

一：大纲分析：北京科技大学2009年攻读硕士学位《金属学》复习大纲（适用专业：材料加工工程、材料学、材料科学与工程、材料物理与化学）一、金属与合金的晶体结构1.原子间的键合1)金属键, 2)离子键, 3)共价键2．晶体学基础1）空间点阵， 2）晶系及布喇菲点阵， 3）晶向指数与晶面指数3．金属的晶体结构1）典型的金属晶体结构，2）原子的堆垛方式，3）晶体结构中的间隙，4）晶体缺陷4．合金相结构1）置换固溶体，2）间隙固溶体，3）影响固溶体溶解度的主要因素4）中间相5．晶体缺陷1）点缺陷, 2)晶体缺陷的基本类型和特征, 3)面缺陷二、金属与合金的凝固1．金属凝固的热力学条件2．形核1）均匀形核，2）非均匀形核3．晶体生长1）液-固界面的微观结构，2）金属与合金凝固时的生长形态，3）成分过冷4．凝固宏观组织与缺陷三、金属与合金中的扩散1．扩散机制2．扩散第一定律3．扩散第二定律4．影响扩散的主要因素四、二元相图1．合金的相平衡条件2．相律3．相图的热力学基础4．二元相图的类型与分析五、金属与合金的塑性变形1．单晶体的塑性变形1）滑移，2）临界分切应力,3）孪生，4）纽折2．多晶体的塑性变形1）多晶体塑性变形的特点，2）晶界的影响，3.塑性变形对组织与性能的影响1）屈服现象,2)应力-应变曲线及加工硬化现象,3)形变织构等六、回复和再结晶1．回复和再结晶的基本概念2．冷变形金属在加热过程中的组织与性能变化3．再结晶动力学4．影响再结晶的主要因素5．晶粒正常长大和二次再结晶七、铁碳相图与铁碳合金1．铁碳相图2．铁碳合金3．铁碳合金在缓慢冷却时组织转变八、固态相变1．固态相变的基本特点2．固态相变的分类3．扩散型相变1）合金脱溶，2）共析转变，3）调幅分解4．非扩散型相变参考书：1.金属学（修订版）, 宋维锡主编, 冶金工业出版社，1998；2.材料科学基础, 余永宁主编, 高等教育出出版社，2006；3.材料科学基础（第二版）, 胡赓祥等主编, 高等教育出出版社，2006；4.任何高等学校材料科学与工程专业《金属学》或《材料科学基础》教学参考书。

金属学名词解释第一章：金属的晶体结构金属：具有正的电阻温度系数的物质，其电阻岁温度的升高而增加。

晶体：原子在三维空间作有规则的周期性排列的物质。

它具有一定的熔点并且各向异性。

晶体结构：晶体中原子在三维空间有规则的周期性的具体排列方式。

阵点：为了清楚地表明原子在空间排列的规律性，常常将构成晶体的原子（或原子群）忽略，而将其抽象为纯粹的几何点，称之为阵点空间点阵：由阵点有规则的周期性重复排列所形成的三维空间阵列。

晶格：将阵点用直线连接起来形成的空间格子。

晶胞：能够反映晶格特征的最小几何单元。

晶面：在晶体中，由一系列原子所组成的平面称之为~晶向：在晶体中，任意两个原子之间的连线所指的方向。

多晶体：凡是由两颗以上晶粒所组成的晶体能量起伏：对于一个原子来说，这一瞬间能量可能高些，另一瞬间反而可可能低些的现象刃型位错：1.有一额外半原子面，2 位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，既有正应变又有切应变，3位错线与晶体滑移方向相垂直，位错线运动方向垂直于位错线。

4，柏氏矢量与位错线垂直。

螺型位错：1没有额外半原子面，2位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，只有切应变，而无正应变，3位错线与晶体滑移方向相平行，位错线运动方向垂直于位错线。

4，柏氏矢量与位错线平行。

晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面。

亚晶界：由直径为10-100μm的晶块组成，彼此间存在极小的位相差（通常<2°）这些晶块之间的内界面称为亚晶粒间接，简称~层错：在实际晶体中，晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一种晶体缺陷，是通常发生于面心立方金属的一种面缺陷。

相界：具有不同晶体结构的两相之间的分界面。

有共格，半共格，非共格三种。

第二章：纯金属的结晶结晶：金属由液态转变为固态的过程称谓凝固，由于凝固后的固态金属通常是晶体，所以又将这一转变过程称谓~过冷度：金属的理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn之差，金属不同，则过冷度大小不同，金属的纯度越高，则过冷度越大，当以上两因素确定后，过冷度的大小主要取决于冷却速度，冷却速度越大，则过冷度越大，实际结晶温度越低，反之，冷却速度越慢，则过冷度越小，实际结晶温度越接近于理论结晶温度。

第一章金属学及热处理基础知识一、金属的基本结构金属材料的化学成分不同，其性能也不同。

但是对于同一种成分的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料内部的组织结构，也可以使其性能发生极大的变化，可见，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。

金属和合金在固态下通常都是晶体，因此首先要了解其晶体结构。

1、金属的原子结构及原子的结合方式（1）金属原子的结构特点最外层的电子数很少，一般为1～2个，最多不超过4个，这些外层电子与原子核的结合力很弱，很容易脱离原子核的束缚而变成自由电子，此时的原子即变为正离子，而对于过渡族金属元素来说，除具有以上金属原子的特点外，还有一个特点，即在次外层尚未填满电子的情况下，最外层就先填充了电子。

因此，过渡族金属的原子不仅容易丢失最外层电子，而且还容易丢失次外层的1～2个电子，这就出现了过渡族金属化合价可变的现象。

当过渡族金属的原子彼此相互结合时，不仅最外层电子参与结合，而且次外层电子也参与结合。

因此，过渡族金属的原子间结合力特别强，宏观表现为熔点高。

强度高。

由此可见，原子外层参与结合的电子数目，不仅决定着原子间结合键的本质，而且对其化学性能和强度等特性也具有重要影响。

（2）金属键处以集聚状态的金属原子，全部或大部将它们的价电子贡献出来，为其整个原子集体所公有，称之为电子云或电子气。

这些价电子或自由电子，已不再只围绕自己的原子核转动，而是与所有的价电子一起在所有原子核周围按量子力学规律运动着。

贡献出价电子的原子，则变为正离子，沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式叫做金属键，它没有饱和性和方向性。

（3）结合力与结合能固态金属中两原子之间的相互作用力包括：正离子与周围自由电子间的吸引力，正离子与正离子以及电子与电子间的排斥力。

结合能是吸引能与排斥能的代数和，当形成原子集团比分散孤立的原子更稳定，即势能更低时，在吸引力的作用下把远处的原子移近所做的功是使原子的势能降低，所以吸引能是负值，相反，排斥能作用下把远处的原子移近平衡距离d 0时，其结合能最低，原子最稳定。

引言金属学是研究金属及合金的成分、组织、结构与力学性能之间关系的科学。

所谓力学性能主要指材料的强度、硬度和塑性。

通常用来承受载荷的零件要求材料具有一定的力学性能，我们称这类材料为结构材料。

与结构材料对应的另一类材料是功能材料，它一般不要求承受载荷，主要使用它的物理性能，如光、电、磁性能等。

功能材料利用它对光、电、磁的敏感特性制作各类传感器。

金属学只讨论金属材料的力学性能，不涉及物理性能。

固态金属通常是晶体，金属学研究的最小结构单元是原子。

原子通过不同的排列可构成各种不同的晶体结构，产生不同的性能。

原子结构不是金属学研究的范畴。

第1章金属的晶体结构1-1金属及金属键金属的定义根据学科的不同有多种划分方法。

本人倾向按结合键的性质来划分，即金属是具有金属键的一类物质。

这种分类的好处是有利于解释与金属力学性能相关的现象。

例如，为什么金属具有较好的塑性？什么是金属键、离子键、共价键我们早就熟知，金属键的最大特点是无饱和性、无方向性。

以后我们将会看到，正是这些特点使金属具有较好的塑性。

研究表明，固态金属通常是晶体，且其结构趋于密堆积结构。

这是为什么？下面我们用双原子模型来说明。

当两个原子相距很远时，它们之间不发生作用。

当它们逐渐靠近时，一个原子的原子核与另一个原子的核外电子之间将产生引力；而两原子的原子核及电子之间产生斥力。

研究表明，引力是长程力，斥力是短程力，即距离较远时，引力大于斥力，表现为相互吸引。

随着原子距离的减小，斥力增加的速度逐渐大于引力增加的速度。

显然这样作用的结果必然存在一个平衡距离d0，此时，引力等于斥力，偏离这一距离时，都将受到一个恢复力，如P3图2。

d c对应最大恢复引力，即最大结合力，它对应着金属的理论抗拉强度。

下面，我们从能量的角度来考虑系统的稳定性。

在引力作用下原子移近所做的功使原子的势能降低，所以吸引能是负值。

相反，排斥能是正值。

吸引能和排斥能的代数和是结合能。

由P3图2可以看出，当原子移至平衡距离d0时，其结合能达到最低值，此时系统的势能最低，状态最稳定。

第一章金属的晶体结构第一节金属1度系数为负值。

第二节金属的晶体结构1、晶体的特征：1、具有一定的熔点2、各向异性非晶体为各向同性23、为了清楚地表明原子在空间排列的规律性，常常将构成晶体的原子抽象为纯粹的几何点，称之为点阵。

这些点阵有规则地周期性重复排列所形成的三维空间阵列称为空间点阵。

常人4567、常见的三种晶体结构主要是指体心立方、面心立方和密排六方结构，其中体心立方结构(BCC)每个晶胞含有2原子，其原子配位数为8，致密度是68%面心立方结构(FCC)每个晶胞含有4原子，其原子配位数为12；致密度是74%密排六方结构(HCP)每个晶胞含有6原子，其原子配位数为12，致密度是74% 。

8、密排面的堆垛顺序是AB AB AB……，构成密排六方结构ABCABCABC……，构成面心立方结构9、通常以[uvw]表示晶向指数的普遍形式原子排列相同但空间位向不同的所有晶向成为晶向族，<uvw>表示晶面指数的一般表示形式为(hkl)晶面族用大括号{hkl}表示10、在立方结构的晶体中，当一晶向[uvw]位于或平行于某一晶面(hkl)时，必须满足以下关系：hu+kv+lw=0当某一晶向与某一晶面垂直时，则其晶向指数和晶面指数必须完全相等，即u=b、v=k、w=l。

12、由于多晶体中的晶粒位向是任意的，晶粒的各向异性被互相抵消，因此在一般情况下整个晶体不显示各向异性，称之为伪等向性。

一般金属都是多晶体第三节实际金属的晶体结构1、晶体中的线缺陷就是各种类型的位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。

2、刃型位错的重要特征：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管道3、位错线与晶体的滑移方向相垂直，位错线运动的方向垂直于位错线螺型位错的重要特征：1、螺型位错没有额外半原子面；2、螺型位错线是一个具有一定宽度的管道，其中只有切应变，而无正应变3、位错线与晶体的滑移方向平行，位错线运动的方向与位错线垂直4、位错线与柏氏矢量垂直就是刃型位错，位错线与柏氏矢量平行，就是螺型位错。

材料科学基础知识点总结金属学与热处理总结一、金属的晶体结构金属晶体结构包括面心立方、体心立方等，每种结构都有不同的配位数、致密度、原子半径等特征。

晶向指数、晶面指数的标定以及柏氏矢量具的特性、晶界具的特性也是研究重点。

晶格类型、间隙类型、间隙个数、原子半径rA、间隙半径rB等是研究晶体结构的基本内容。

晶胞是晶格中最小的几何单元，用来分析原子排列的规律性。

金属键是指失去外层价电子的正离子与弥漫其间的自由电子的静电作用而结合起来的结合方式。

位错是晶体中原子排列发生有规律错动的一种特殊结构组态。

位错的柏氏矢量具有的一些特性包括可以判断位错的类型、柏氏矢量的守恒性以及位错的柏氏矢量各部分均相同。

刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直，螺型位错平行，混合型呈任意角度。

晶界具有的一些特性包括能量较高、易于发生杂质或溶质原子的富集或偏聚、易于腐蚀和氧化、可以阻止位错的运动，提高材料的强度等。

二、纯金属的结晶结晶过程包括阻力、动力等，过冷度和变质处理是结晶的重要概念。

液态金属中，相起伏是指时聚时散、起伏不定、不断变化着的近程规则排列的原子集团。

过冷度是指理论结晶温度与实际结晶温度的差。

变质处理是在浇铸前往液态金属中加入形核剂，促使形成大量的非均匀晶核，以细化晶粒的方法。

铸锭三晶区的形成机制是研究的重点。

过冷度与液态金属结晶的关系是非常密切的。

液态金属结晶的过程包括形核和晶核的长大过程。

从热力学的角度上看，没有过冷度结晶就没有趋动力。

根据临界形核功的公式可知，当过冷度为零时，临界晶核半径和临界形核功都为无穷大。

由此可知，当临界晶核半径和临界形核功都为无穷大时，液态金属就无法形核，因此无法结晶。

晶体的长大也需要过冷度，所以液态金属结晶需要过冷度。

为了细化晶粒，可以采取增加过冷度、变质处理、振动与搅拌等方法。

铸锭的三个晶区的形成机理有所不同。

表面细晶区的形成是由于高温液体倒入铸模后，结晶先从模壁开始，靠近模壁一层的液体产生极大的过冷，加上模壁可以作为非均质形核的基底，因此在此薄层中立即形成大量的晶核，并同时向各个方向生长，形成表面细晶区。

（一）熟悉金属及合金的固态结构晶体：人们将原子在三维空间作有规则的周期性重复排列的物质称为晶体，金属和合金在固态下通常都是晶体。

晶体的特性：(1) 晶体具有一定的熔点；(2) 各向异性或异向性。

即在不同的方向上测量其性能（如导电性、导热性、热膨胀性、弹性和强度等）时，表现出或大或小的差异。

(3)一般具有规则的外形。

1、三种典型的金属晶体结构：金属晶体中，金属键使原子（分子或离子）的排列趋于尽可能紧密，构成高度对称性的简单晶体结构，常见的有以下三种。

(1) 体心立方结构（body-centered cubic, “bcc”）如下图，晶胞的三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90°，构成立方体。

具有bcc结构的金属有α-Fe, Cr, V, Nb, Mo, W等约30种。

(2) 面心立方结构（face-centered cubic, “fcc”）见下图。

γ-Fe, Cu, Ni, Al, Ag等约20种金属具有这种晶体结构。

(3) 密排六方结构（hexagonal closed-packed, “hcp”）见下图。

在晶胞的12个角上各有一个原子，构成六方柱体，上底面和下底面的中心各有一个原子，晶胞内还有三个原子。

具有hcp结构的金属有Zn, Mg, α-Ti, Cd等。

多晶型转变（同素异构转变）：大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。

当外部条件（如温度和压强）改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变。

如Fe在912℃以下为bcc结构，称为α-Fe，在912-1394℃，具有fcc结构，称为γ-Fe，而从1394℃至熔点，又转变为bcc结构，称为δ-Fe。

2、合金的晶体结构：在液态下，大多数合金的组元均能相互溶解，称为均匀的液体，因而只具有一个液相。

但凝固后，由于各组元的晶体结构、原子结构等不同，各组元之间的相互作用不同，在固态合金中可能出现不同的相结构（phase structure），主要有固溶体（solid solution）和金属化合物（intermetallic compound）两大类。

《金属学与热处理》上课重点第一章．金属的晶体结构①【阵点】为了清楚的表明原子在空间排列的规律性，常常将构晶体的原子（活原子群）忽略，而将其抽象为纯粹的几何点，称之为阵点②【晶格】将阵点用直线连接起来形成空间格子，称之为晶格③【晶胞】从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元，来分析晶体中原子排列的规律性，这个最小的几何单元称之为晶胞④三种典型晶体结构参数，以及其原子半径、晶胞的推导晶体结构晶胞数配位数致密度面心立方晶体结构体心立方晶体结构密排六方晶体结构4261280.740.680.7412体心立方：设晶胞的点阵常数为a，则立方体对角线长度为√3 ，等于4个原子半径，所以体心立方晶胞中的原子半径r=√3 / 4；致密度：面心立方：每个角上的原子为8 个晶胞所有，每个晶胞实际占有该原子的1/8，其面对角线长度为√2，等于4 个原子半径，所以体心立方晶胞中的原子半径r=√2/ 4；致密度：密排六方：对于典型密排六方金属，其原子半径为1/2，致密度：⑤三种常见金属结构的滑移系（要求可以画出阴影）⑥晶面、晶向、晶面族、晶向族的概念【晶面、晶向、晶面族、晶向族】有一系列原子组成的平面称为晶面，任意两个原子之间的连线所指方向称为晶向；原子排列情况相同但空间位向不同的所有晶向称之为晶向族；原子排列完全相同但在空间位向不同（即不平行）的晶面，这些晶面总称为晶面族晶向指数求法：从坐标轴原点引一有向直线平行于待定晶向→在直线上取一点，求出其X、Z 三轴坐标→将三个坐标值按比例化为最小简单数→加[uvw]；Ps：a.一个晶向族代表一系列性质地位相同的晶向；b．原子排序相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族；以<uvw>表示；晶面指数求法：定原点→求截距→取倒数→化最小整数→加（uvw）Ps：a.晶面指数代表一组互相平行的晶面，即所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数；b．在同一种晶体结构中，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，这些晶面均属于一个晶面族，以{hkl}表示；若某一晶向[uvw]与某一晶面（hkl）互相垂直时，则晶向指数和晶面指数必须完全相等，即u=h，v=k，w=l；若相互平行，则必须满足：hu+vk+lw=0.⑦什么是晶体？晶体的三种缺陷及其分类？【晶体】晶体（crystal）是有明确衍射图案的固体，其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列【单晶体】内部晶格位向完全一致的晶体（亦称理想晶体）（1）点缺陷：在某一温度，总有一些原子具有足够高的能量，以克服周围原子对他的约束，脱离原来的平衡位置迁移导别处，于是在原位置上出现了空结点，这就是空位；例如：空位、间隙以及置换原子（2）线缺陷：它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，使长度达几百至几万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发声有规律的错动；例如：刃型位错（位错线与柏氏矢量垂直）、螺型位错（位错线与柏氏矢量平行）（3）面缺陷：晶体的面缺陷包括晶体的外表面和内表面两种，内表面包括：晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛晶界和相界。