【正文】 第一章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶 ? 金屬的特性和金屬鍵；晶體與非晶體； ? 金屬晶體結(jié)構(gòu)是決定性能的內(nèi)在基本因素之一； ? 實際晶體中晶體缺陷普遍存在，對金屬的許多性質(zhì)，尤其是力學(xué)性能有著重大的影響； ? 純金屬結(jié)晶過程； ? 晶粒細化對提高金屬材料力學(xué)性能的顯著作用，凝固時細化晶粒的途徑和方法。 ?金屬 ── 金屬鍵結(jié)合。 ?具有正的電阻溫度系數(shù)、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤。 ?固體 : 晶體和非晶體。 ?絕大多數(shù)金屬與合金都是晶體。 ?晶體：原子在空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列。 金屬原子間的鍵合特點 金屬鍵 共有價電子 → 電子云 → 鍵無方向性和飽和性 晶體與非晶體最本質(zhì)的區(qū)別在于： （ 1）晶體的原子、離子、分子等質(zhì)點是 規(guī)則排列 ，而 非晶體 中這些質(zhì)點是 無規(guī)則 堆積在一起的。 天然晶體的外形對稱性。 （ 2） 晶體具有明顯、固定的 熔點 。如鐵的熔點為1538℃ ，銅的熔點為 1083℃ 。 （ 3） 晶體有各向異性 。 金屬是晶體， 晶體學(xué)理論 研究金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。 液體 非晶體 蜂蠟、玻璃 等。 一、 晶體學(xué)簡介 1 晶體結(jié)構(gòu)模型 理想晶體中，原子 規(guī)則排列 ，原子在空間 周期性地重復(fù) ，每個原子具有相同的環(huán)境。 假設(shè)： 原子為固定不動的 剛性小球 。 a 原子堆垛模型 晶格、空間點陣、晶胞 將原子、離子等抽象為幾何的點。 空間點陣 ：幾何點 (原子 )在空間排列的陣列。 晶 格 ：幾何點 (原子 )排列的空間格架。 晶 胞 ：晶格中體積最小，對稱性最高的平行六面體。是能代表原子排列形式特征的最小幾何單元。 點陣參數(shù) ： 點陣常數(shù) a, b, c； 棱間夾角 α ,β ,γ 。 P 晶胞在三維空間的重復(fù)排列，構(gòu)成點陣。 c 晶格 ? a b c ? ? z x y d 晶胞 布拉菲在 1948年根據(jù)“每個陣點環(huán)境相同”的要求，用數(shù)學(xué)分析法證明晶體的 空間點陣只有 14種 ，稱為 布拉菲點陣 ，分屬 7個晶系。 二、 金屬晶體典型結(jié)構(gòu) 晶系 軸 (棱邊 )之間的夾角 三斜晶系 單斜晶系 斜方晶系 正方晶系 菱方晶系 六方晶系 立方晶系 三種典型晶體結(jié)構(gòu) 體心立方 面心立方 密排六方 晶胞中所含原子數(shù) 晶胞中所含原子數(shù)是指一個晶胞內(nèi)真正包含的原子數(shù)目。 配位數(shù) 是指在晶體結(jié)構(gòu)中 ， 與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù) 。 致密度 是指晶胞中原子所占體積分?jǐn)?shù)，即 K = n v′/ V 。式中， n為晶胞所含原子數(shù)、 v′ 為單個原子體積、 V為晶胞體積。 原子半徑 原子半徑是指晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的一半。 體心立方晶格參數(shù) Cr、 V、Mo、 W和αFe等 30多種 167。 金屬晶體典型結(jié)構(gòu) 體心立方晶格參數(shù) 167。 金屬晶體典型結(jié)構(gòu) 體心立方晶格參數(shù) 167。 金屬晶體典型結(jié)構(gòu) B A C D E F G H a a a A E F C a 2a bcc 晶體結(jié)構(gòu)特征分析： 點陣參數(shù) a=b=c α =β =γ =90176。 晶胞中原子數(shù) =1+8 1/8=2 原子半徑 r = √3 /4 a 8 配位數(shù)越大，原子排列越緊密。 致密度 =晶胞中所含原子占體積的總和 /晶胞體積 = nV原子 /V晶胞 面心立方晶格參數(shù) Al、 Cu、Ni和 γFe等約 20種 167。 金屬晶體典型結(jié)構(gòu) 面心立方晶格參數(shù) 167。 金屬晶體典型結(jié)構(gòu) 面心立方晶格參數(shù) 167。 金屬晶體典型結(jié)構(gòu) a fcc 晶體結(jié)構(gòu)特征： 1 點陣參數(shù)： a=b=c α = β =γ 2 晶胞原子數(shù)： N=3+1=4 3 原子半徑 r=√2a/4 4 配位數(shù) = 12 5 致密度 = nv/V=(4 3πr3/4)/a3= γ－ Fe(912~1394℃ )、 Cu、 Ni、 Al、 Ag 等 (三 )密排六方結(jié)構(gòu) 金屬有： Zn、 Mg、 Be、 α Ti、 α Co等 晶體結(jié)構(gòu)特征： 點陣參數(shù)： a1=a2=a3=a， α 1=α 2=α 3=1200 平面軸 X X X3和 Z軸的夾角 =9OO Z軸的單位長度 =c，一般用 a、 c兩個量來度量。 晶胞原子數(shù) N=Ni+Nf/2+Nc/6=3+2/2+12/6=6 原子半徑：當(dāng) c/a=，三層原子緊挨著， 此時 d=a， r=a/2。 配位數(shù) =12 致密度 = Z X1 X2 X3 結(jié)構(gòu)類型 晶胞原子數(shù) 晶格常數(shù) 原子半徑 配位數(shù) 致密度 體心立方 2 a √3a/4 8 面心立方 4 a √2a/4 12 密排六方 6 a， c a/2 12 金屬中常見的三種晶體結(jié)構(gòu)特征小結(jié)（ P5） 四、晶向指數(shù)和晶面指數(shù) 晶向 ─ 在晶體點陣中，由陣點組成的任一直線，代表著晶體空間內(nèi)的一個方向，稱為晶向。 晶面 ─ 在晶體點陣中，由陣點所組成的任一平面，代表著晶體的原子平面，稱為晶面。 1 晶向指數(shù) 晶向指數(shù) ─ 用數(shù)字符號定量地表示晶向，這種數(shù)字符號稱為晶向指數(shù)。 晶向指數(shù)的標(biāo)定方法： (1) 確定坐標(biāo)系，對立方晶系選用三軸直角坐標(biāo)系， X、 Y、 Z 軸互相垂直，以晶格常數(shù) a、 b、c 作為三個軸的單位長度。 (2)以晶向上的任一原子作為坐標(biāo)原點，找出該晶向上另一原子的坐標(biāo)值，并化為最小整數(shù)。(或者從座標(biāo)原點引一條平行于待測晶向的直線 ) (3) [u v w] 晶向族 ─ 同一種晶體結(jié)構(gòu)中空間位向不同，但原子排列情況相同的一系列晶向。 u v w 100 ： [100]、 [010]、 [001]、 [100]、 [010] [001]。 110： [110]、 [101]、 [011]、 [110]、 [101]、 [011] 2 晶面指數(shù) ─ 用數(shù)字符號定量地表示晶面 晶面指數(shù)標(biāo)定方法 (1)以晶胞的三條互相垂直的棱邊為座標(biāo)軸 X、 Y、 Z，坐標(biāo)原點 0應(yīng)位于待定晶面之外。 (2)以晶格常數(shù)為單位求出待定晶面在各軸上的 截距 。 (3)取各截距的 倒數(shù) ，最小 整數(shù)化 ， ( h k l ) 晶面族 ─ 晶面指數(shù)的數(shù)字相同，但排列順序不同的一系列晶面。原子排列完全相同。用 { h k l } 表示。 如在立方晶系中： {100}晶面族包括 (100)、 (010)、 (001)、 (100)、 (010)、 (001)。 {111}晶面族包括 (111)、 (111)、 (111)、 (111)、 (111)、 (111)、 (111). (111) 晶面及晶向的原子密度 不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列緊密程度是不一樣的。下頁的兩個表給出了體心立方晶格和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上的原子排列方式和緊密程度。 五、晶體的 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 (多晶型性轉(zhuǎn)變 ) 金屬由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象稱之為 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 。（溫度、壓力） 如 Fe晶體， 室溫 ～ 912℃ ，體心立方， α Fe， 912 ℃ ～ 1394 ℃ ，面心立方， γFe， 1394 ℃ ～熔點 1538 ℃ ，體心立方， δ Fe。 Fe, Mn, Ti , Co 等少數(shù)金屬具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。性能隨之變化。 六、晶體的各向異性 不同晶面和晶向上原子密度不同， 原子間距離不同， 結(jié)合力不同－－晶體在不同方向上的力學(xué)、物理和化學(xué)性能有所差異－－各向異性。 α Fe單晶體，密排方向 [111] 的彈性模量E=290,000MN/m2，而非密排方向 100的E=135,000MN/m2。 七、多晶體的偽各向同性 如 Fe，不同方向上 E均為 210000MN/m2左右。 原因：實際材料為多晶體，各單晶粒分布的方向不同，各向異性相互抵消，而呈現(xiàn)無向性。 ——偽各向異性。 晶粒（單晶體） 167。 2 晶體缺陷 原子的 不規(guī)則排列 產(chǎn)生晶體缺陷 。 晶體缺陷在材料組織控制 （ 如擴散 、 相變 ） 和性能控制 （ 如材料強化 ） 中具有重要作用 。 點缺陷 ：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷 。 如空位 、 間隙原子 、 異類原子等 。 線缺陷 ：在兩個方向上尺寸很小 ， 而另一個方向上尺寸較大的缺陷 。主要是位錯 。 面缺陷 ：在一個方向上尺寸很小 ， 在另外兩個方向上尺寸較大的缺陷 。 如晶界 、 相界 、 表面等 。 ? 理想晶體： 是指晶體中原子嚴(yán)格地成，完全規(guī)則和完整的排列，在每個晶格結(jié)點上都有原子排列而成的晶體。如理想晶胞在三維空間重復(fù)堆砌就構(gòu)成理想的單晶體。 ? 實際晶體： 多晶體 +晶體缺陷 ? 晶體缺陷： 是晶體內(nèi)部存在的一些原子排列不規(guī)則和不完整的微觀區(qū)域，按其幾何尺寸特征，可分為點缺陷、線缺陷和面缺陷三類。 點缺陷 一、 點缺陷的類型 （ 1）空位： 肖脫基空位－離位原子進入其它空位或遷移至晶界或表面。 弗蘭克爾空位－離位原子進入晶體間隙。 （ 2）間隙原子：位于晶體點陣間隙的原子。 （ 3）置換原子：位于晶體點陣位置的異類原子。 二、線缺陷 位錯 ：兩維尺寸很小 ，一維尺寸大的原子不規(guī)則排列 ——一列