工程材料学

工程材料学 第二讲晶体结构

金属的晶体结构 固体的分类：按原子(或分子)的聚集状态分为晶体和非晶体（可以互相转换）。晶体的特点：基本质点在空间规则排列,具有规则的外形；具有一定熔点；各向异性。

金属的结构特征及金属键 金属原子最外层电子数少，与原子核结合力弱，摆脱原子核束缚成为自由电子。原子失去价电子变成正离子，并且按照一定的几何形式规则排列，在各自位置做轻微振动，电子在其间自由运动，形成电子云。

金属键 金属晶体依靠正离子与自由电子之间的引力被牢固地结合起来，离子、电子之间的这种力相平衡，从而使金属处于稳定，该种结合方式称为金属键。金属键对性能的影响：具有良好的导电性、导热性、正的电阻温度系数、不透明、塑性好和较高的强度。

其他类型的结合键 共价键是一种强吸引力的结合键。两个原子接近时借共用电子对所产生的力而结合。离子键由正负电荷相互吸引造成，与正离子相邻的是负离子，与负离子相邻的是正离子。分子键靠原子各自内部电子分布不均匀产生较弱的静电引力形成。氢键是C－H、O－H或N－H键端部暴露的质子是没有电子屏蔽的，所以，这个正电荷可以吸引相邻分子的价电子而形成。

晶体的基本概念 为了研究晶体中原/分子的排列情况，将其抽象为几何点，并用直线连接起来形成的三维空间格架称为晶格，交点称为结点，组成晶格的最小几何单元称为晶胞，晶胞各边的尺寸a、b、c称为晶格常数，其大小通常以埃为计量单位，晶胞各边之间的相互夹角分别以α、β、γ表示。

晶体模型 简单立方晶体（a）晶体结构（b）晶格（c）晶胞

配位数与致密度 为了描述晶格中原子排列的紧密程度，通常采用配位数和致密度（K）来表示。配位数是指晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目；致密度是指晶胞中原子本身所占的体积百分数，即晶胞中所包含的原子体积与晶胞体积（V）的比值，即K=nU/V（晶胞中包含原子数每个原子体积/晶胞体积）。

体心立方晶胞 （a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数晶格常数a=b=c；α=β=γ=90。在体心立方晶胞中，原子位于立方体的八个顶角和中心，配位数8，K=0.68。属于这类晶格的金属有α-Fe、Cr、V、W、Mo、Nb等。

面心立方晶胞 （a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数在面心立方晶胞中，原子位于立方体的八个顶角和六个面的中心，配位数12，K=0.74 。属于这类晶格的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。

密排立方晶胞 （a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数它是一个正六面柱体，在晶胞的12个角上各有一个原子，上底面和下底面的中心各有一个原子，上下底面的中间有三个原子，配位数12，K=0.74 。属于这类晶格的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。

晶面指数与晶向指数 晶体中原子排列的规律性，可以从晶面和晶向上反映出来。晶体中各种方位上的原子面叫做晶面，各种方向上的原子列叫做晶向。金属的许多性能都和晶体中的特定晶面和晶向有密切联系，为了便于研究和表述不同晶面和晶向上原子排列情况与特征，有必要给各种晶面和晶向规定一定的符号，这种符号分别叫做“晶向指数”和“晶面指数” 。

晶面指数的确定 （1）设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距。（2）将所得三截距之值变为倒数。（3）再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为晶面指数，一般表示为（hkl）。

立方晶格中，（100）、（110）、（111）三种晶面最重要。应该注意的是，某一晶面指数并不只代表某一具体晶面，而是代表一组相互平行的晶面，即所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。另外，在同一种晶格中，有些晶面虽然在空间的位向不同，但其原子的排列情况完全相同，这些晶面均属于一个晶面族，其晶面指数用大括号{hkl}表示。

晶向指数的确定 （1）通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向。（2）求出该直线上任意一点的三个坐标值。（3）将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶面指数，其一般形式为［uvw］。

立方晶格中，［100］、［110］、［111］三种晶向最重要。应该指出，晶向指数所表示的不仅仅是一条直线的位向，而是一族平行线的位向。即所有相互平行的晶向，都具有相同的晶向指数。另外，原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族，以〈uvw〉表示。

体心立方晶格中几个主要晶面和晶向

由于同一晶格中不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，因而晶体在不同方向上表现的性能有所不同，即所谓晶体的“各向异性”。

实际金属的晶体结构 在实际金属中，不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。一般说来，金属中这些偏离其规定位置的原子数很少，从总体来看，其结构还是接近完整的。但是这些晶体缺陷不但对金属及合金的性能有重大影响，而且还在扩散、相变、塑性变形和再结晶等过程中扮演重要角色。

（1）点缺陷 在三维方向上的尺寸都很小；比如：空位、间隙原子。原子脱离结点（形成空位）进入晶格（间隙原子），在空位与间隙原子附近的平衡力场被破坏，使周围的原子偏离原来位置，造成晶格的局部弹性畸变，称为晶格“畸变”。

（2）线缺陷（位错） 一列或若干列原子发生有规律的错排现象。刃型位错： EF为位错线。ABCD面上方的原子受到压应力，下方则受到拉应力。

螺型位错

位错密度 单位体积中所包含的位错线总长度。位错密度与金属强度的关系

（3）面缺陷 晶界：晶粒与晶粒之间的界面，晶粒之间的过渡层。相邻晶粒之间位向差为20~40，其特点为：晶界上晶格畸变大、规则性差；位错、杂质原子多，能量高。常温硬度、强度高，高温低，容易被腐蚀，原子扩散速度快。

亚晶界：晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒，尺寸为10－4～10－6cm。亚晶粒的交界称为亚晶界 。晶粒大小一定，亚结构越细，强度越高。

晶界过渡和亚结构示意图

晶体缺陷处晶格处于畸变状态，引起晶体内部产生内应力，导致材料塑性变形抗力的增大，从而使金属材料在常温下的强度、硬度提高。例如，生产中常用的压力加工工艺．通过金属材料的塑性变形使晶体产生缺陷，达到金属强化。用产生塑性变形使金属得到强化的方法称为形变强化。

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