面心立方晶格致密度

第二章

金属的晶体结构

金属材料通常都是一种晶体材料。 金属的晶体结构指的是金属材料内 部的原子排列的规律。它决定着材 料的显微组织和材料的宏观性能。

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第一节 纯金属的晶体结构一、基本知识 晶体里面的原子(或)离子都是在它的平 衡位置上不停振动着，但在讨论晶体结 构时可以假设它们是一些静止不动的小 球。各种晶体结构就可以看成是这些小 球按一些的几何方式紧密排列堆积而成 的。图2-1a是简单的立方原子排列示意 图。上一页 下一页

(一)基本概念1.晶格：晶体结构的“小球”模型虽然很直观， 但仍然不便与表诉晶体内部原子排列顺序规率的 细节。我们可以把原子看成是一个几何质点，把 原子 之间的相互作用假想为几何直线，这样一 来晶体的结构就可以直接用几何学来讨论了。这 种用于描述原子在晶体中排列的三维空间几何点 阵为晶格。图2-1b是简单立方晶格的的示意图。 晶格中直线的交点称为结点。在运用晶格模型来 讨论晶体结构时，结点可以代表一个原子(或离 子),也可以代表一个分子或原子团的中心。上一页 下一页

(一)基本概念2 晶胞：晶体中原子排列规律具有明显的周期变化。因此 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。图2-1c是一个简单的晶胞示意图。晶胞在空 间的重复排列就构成整个晶格。因此，晶胞的特征就可以 反映出晶格和晶体的特征。 3 晶格参数与晶格常数：在晶体学中，用来描述晶胞大小 有形状的几何参数称为晶格参数。包括晶胞的三个棱边的 长度a,,b,c和三个棱边夹角。α ,β ,γ 共六个参数。 其中决定晶胞大小的三个棱长又称为晶格常数。图2-1c

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(二)金属中常见的晶格1.体心立方体晶格：体心立方体晶格属于立方晶系。示意 图见图2-2。晶格的参数为a=b=c;α =β =γ =90 立方体八 角上个有一个原子，体心处有一个原子。每个体心立方体 晶胞中的原子个数为1/8×8+1=2个。 属此晶格的金属有： 铬、钨、钼、钒、 铁、 钛、铌等

2.面心立方体晶格：面心立方体晶格也属于立方晶系。示 意见图2-3。晶格参数为a=b=c;α =β =γ =90 。在晶胞的八 个角上个又一个原子每个面心立方体晶胞个有四个原子， 即1/8×8+1/2×6=4个。属此晶格的金属有： 铁、铝、铜、 镍、金、银、铂、铑、铅等3 密排六方晶格：密排六方晶格属于六方角系。示意见图 2-4。晶格参数a=b!=c;α =β ;γ =120 。每个六方晶胞 中有六个原子，即1/6×12+1/2×2+3=6个。属此晶格的金 属有：镁、锌、铍、α 钛、镉等。上一页 下一页

(三)晶格的致密度 晶

格的致密度定义是：每个晶胞中原子 所占的总体积与晶胞的体积之比。是用 来表示晶体中原子排列的紧密程度 经过计算可知：体心立方体的致密度为 0.68 ;面心立方体和密排六方晶格的致 密度都是0.74。

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二

纯金属的实际晶体结构

(一)晶粒和亚晶粒 在金属体中，凡是晶格位向基本一致的区域，并有边界与邻 区分开就称之为一个晶粒。在显微镜下可以看到这些晶粒， 其外形成不规则状。。它们是些不规则的外形多面体，见图 2-8。相邻晶体的晶粒间晶格的位向有明显差别。晶粒之间的 原子排列不规则的区域称为晶界。 实际上，晶界就是不同晶 格位向的相临晶粒在原子排列上的过度区。通常，晶粒尺寸 很小，对于钢铁材料一般为10-1mm~10-3mm。对于有色金属其 晶粒尺寸一般都比钢大一些，有的可用眼睛直接看到 。如： 镀锌钢板表面的镀锌层的晶粒尺寸可达到几毫米到几十毫米。 每个晶粒内部，晶格位向也并非完全一样，而是存在着许多 晶格位向差小于2 、3 的更小的晶块。这些小晶块内部是完 全相同的。这些小晶块称为亚晶粒，也称嵌镶块。见图2-9。 亚晶粒间的过度区称为亚晶界，也称小角度晶界。它也是一 种原子排列不太规则的区域。上一页 下一页

(二)

晶体中的缺陷

这里说的缺陷不是指晶体的宏观缺陷，而是指晶体中局 部原子排列不规则的区域。根据晶体缺陷的几何特点和 原子对排列不规则性的影响范围可分为三大类。 1.点缺陷：点缺陷是指以一个点为中心。在它的周围造成 原子排列的不规则，产生晶格的畸变和内应力的晶体缺陷。 主要有间隙原子，置换原子，晶格空位三种，见图2-10。 在晶格的间隙处出现多余的晶体缺陷称为间隙原子；在晶 格的接点处出现缺少原子的晶体称为晶体空格；在晶格的 结点处出现的原子直径不同的异类原子的晶体缺陷称为置 换原子。间隙原子和大径的置换原子会引起一个以一个点 为中心的晶格局部“撑开”现象，称之为正畸变。而晶格 空位和小直径的置换原子会引起一个点为中心的晶格局部 “靠拢”现象，称之为负畸变。 晶体中的点缺陷都是处在不断的变化和运动中，其位置随 时在变。这是金属原子扩散的一种主要方式，也是金属在 固态下“相变”和化学热处理工艺的基础。上一页 下一页

(二)

晶体中的缺陷

2 线缺陷：线缺陷主要是指各种形式的“位错”。 所谓位错是指晶体中某一列或若干列原子发生有规 律的错排现象。它引起的晶格错线为中心轴的一个 管状区域。 位错有多种。最简单直观的一种称为刃型位错。它 象一个刀刃的切入，故称刃型位错，

见图2-11。 晶格中的位错多少，可用位错密度来表示。位错密 度是指单位体积内位错的错线长度，量纲为(cm-2)。 晶体中的位错首先是产生于晶体的结晶过程。 晶体材料的内部的位错在相应的条件下，可以产生 滑移，增值，交割，缠结，攀移等行为。这对金属 的强度、塑性等力学性能有重要影响。金属材料上一页 下一页

(二)

晶体中的缺陷

3.面缺陷：晶体的面缺陷，主要是指前述的晶界和 亚晶界。面缺陷是由于受到其两侧的不同晶格位向 的晶粒或亚晶粒的影响而使原子呈不规则排列。原 子的位置处于两晶格的取向所能适应的折衷位置上。 面缺陷是有一定厚度的原子排列不规则的过渡带。 其厚度重要取决于相邻的两晶粒或亚晶粒的晶格位 向差的大小及晶格变化的纯度。对于金属，这个厚 度通常在几个原子间距或到几百个原子间距大小的 范围内变化。面缺陷处的晶格畸变较大，界面处能 量高，影响范围也较大。因此，晶界具有与晶粒内 部不同的特性。上一页 下一页

第二节 合金的晶体结构在机械工程中，由于纯金属本身的力学性能很有 限，满足不了实际的需要。所以，很少使用纯金 属制作零部件。而是将它们熔炼成合金，从而改 善他们的力学性能，满足使用需要。所以，在机 械工程中大量使用的金属材料绝大多数都是合金 材料。如：钢、铸铁、黄铜、青铜、硬铝、锻铝 等等。由于合金不只是一种化学元素，因此合金 的晶体结构要比纯金属复杂许多。而且其显微组 织仅用晶粒、晶界来表示也远为不足，必须引出 一些新概念。

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一、基本概念1.合金：合金是指由一种金属元素与另外一种或 多种金属或非金属元素，通过熔炼烧结的方法所 形成的具有金属性质的新金属材料。 2.组元：组元是指组成合金的最基本的，独立存 在的物质，简称元。组成合金的各种元素及各种 化学元素都是组元。合金中有几种组元就称之为 几元合金。 3.合金系：合金系是指有相同的组元，而成分比 例不同的一系列合金。 4.相：相是指在合金中，凡是化学成分相同，晶体 结构相同并有界面与其他部分分隔开来的一个均匀 区域。 5.显微组织：是指在显微镜下看到的相和 …… 此处隐藏：2620字，全部文档内容请下载后查看。喜欢就下载吧 ……