第二节 金属的结构 金属是指具有正的电阻温度系数及金属特性的一类物质。合 金是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属元素经熔炼、烧结 或其它方法组合而成，具有金属特性的一类物质。 一、 金属的晶体结构 （一）晶体的基本概念 1.晶格与晶胞 晶格是指描述晶体排列规律的空间格架。从晶格中取出一个最 能代表原子排列特征的最基本的几何单元，称为晶胞。晶胞各棱边 的尺寸称为晶格常数。 2.晶系 按原子排列形 及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系，见表 1-2。 表1-2 晶系 3.原子半径 原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的 一半。 4.晶胞中所含原子数 晶胞中所含原子数是指一个晶胞内线.配位数即致密度 配位数是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子 数。 致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数，即K = n v′/ V 。 中，n为晶胞所含原子数、v′为单个原子体积、V为晶胞体积。 （二）常见金属的晶格类型 1.体心立方晶格（bcc晶格） ⑴原子排列特征 体心立方晶格的晶胞如图所示。 ⑵晶格常数 a=b=c, α= β= γ=90°。 3 ⑶原子半径 r a 。 4 ⑷晶胞所含原子数 2个原子。 ⑸配位数 8。 ⑹致密度 68%。 ⑺具有体心立方晶格的金属：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、 Nb等30余种金属。 2.面心立方晶格（fcc晶格） ⑴原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图所示。 ⑵晶格常数 a=b=c, α= β= γ=90°。 2 ⑶原子半径 r a 。 4 ⑷晶胞所含原子数 4个原子。 ⑸配位数 12。 ⑹致密度 74%。 ⑺具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag 等。 3.密排六方晶格（hcp晶格） ⑴原子排列特征 密排六方晶格的晶胞如图所示。 c ⑵晶格常数 a b c, 1.633,a b 90 g 120. a 1 ⑶原子半径 r a 2 ⑷晶胞所含原子数 6个原子。 ⑸配位数 12。 ⑹致密度 74%。 ⑺具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。 (三)立方晶系的晶面、晶向表示方法 在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。任意两个原 子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。表示晶面的符号 称为晶面指数；表示晶向的符号称为晶向指数。 1.晶向指数的确定方法 1)以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系，通过原点作 平行于所求晶向的直线)以相应的晶格常数为单位，求出直线上任意一点的三个坐标 值。 3)将所求坐标值化为最简整数，并用方括号括起，即为所求的 晶向指数，例如[101]。 具体晶向指数如图所示，其形 为[uvw]。 2.晶面指数的确定方法 1)选坐标，以晶格中某一原子为原点 （注意不要把原点放在所 求的晶面上），以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。 2)以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个坐标轴的 距。 3)求三个 距值的倒数。 4)将所得数值化为最简单的整数，并用圆括号括起，即为晶面 指数，如图所示，其形 为（hkl）。 注意： 1)每一个晶面指数(或晶向指数)泛指晶格中一系列与之相平行 的一组晶面 （或晶向）。 2)立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。 3)原子排列情况相同但空间位向不同的晶面 （或晶向）统称为 一个晶面 （或晶向）族。 3.晶面及晶向的原子密度 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方 和排列 紧密程度是不一样的。下页的两个表给出了体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 和紧密程度。 体心立方晶格中，原子密度最大的晶面族为{110}，称密排 面；原子密度最大的晶向族是 〈111〉，称密排方向。在体心立方 晶格中，密排面为{111}，密排方向为 〈110〉。 4.晶体的各向异性 金属晶体不同方向上性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性。 （四）金属的实际结构与晶体的缺陷 一块晶体内部晶格位向完全一致，称该晶体为单晶体。由多晶 粒构成的晶体称为多晶体。 实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为以下三种： 1.点缺陷 点缺陷是指在三维尺度上都很小而不超过几个原子直径的缺陷。 ⑴空位 ⑵间隙原子 ⑶置换原子，如图所示。 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲 晶格畸 变，使金属的电阻率、屈服强度增加，金属的密度发生变化。 2.线缺陷 线缺陷是指二维尺度很小而另一维尺度很大的缺陷。它包括各 种类型的位错。所谓位错是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体 发生了一列或若干列原子有规律的错排现象。第一个图为刃型位 错，第二个图为螺型位错。 位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，即 L r V -2 中，ρ为位错密度（m ）；ΣL为位错线的总长度（m）；V为体 3 积 （m ）。位错的存在极大地影响金属的力学性能，如图所示。 3.面缺陷 面缺陷是指二维尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金属晶体中 的面缺陷主要有晶界和亚晶界。 晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。如图 （a)所示。 亚晶粒之间的交界称为亚晶界。如图(b)所示。 晶界、亚晶界处具有许多特殊性能。 二、合金的相结构 组成合金的最基本 立单元叫做组元。由两个组元组成的合金 称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金。 相是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态， 并以界面相互分开的、均匀的组成部分。所谓组织是指用肉眼或显 微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布和各相之间的组合状 态。 固态合金中的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。 （一）固溶体 合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组 元雷火电竞官方网站之一相同的固相，称为固溶体。与固溶体结构相同的组元为溶 剂，另一组元为溶质。 1.固溶体的分类 ⑴按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体 与间隙固溶体两种。 ⑵按溶质原子在固体中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和 无限固溶体两种。 ⑶按溶质原子在固溶体内分布是否有规则，固溶体分为有序固 溶体和无序固溶体两种。 2.固溶体的性能 通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。 固溶强化是金属强化的重要方式之一。固溶体的综合力学性能较 好，常作为结构合金的基体相。 （二）金属化合物 合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元 的新相即为金属化合物，或称中间相。其性能特点是熔点一般较 高，硬度高，脆性大。金属化合物是许多合金的重要组成相 （常作 为强化相）。 1.正常价化合物 组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守化合价规 律，此类化合物称为正常价化合物。例如： Mg Si、 Cu Se、ZnS、 2 2 AlP等。性能特点是硬度高、脆性大。 2.电子化合物 组元间形成化合物不遵守化合价规律，但符合一定电子浓度 （化合物中价电子数于原子数之比），则此类化合物称为电子化合 物。此类化合物的熔点和硬度较高，塑性较差，在许多有色金属中 作为重要的强化相。 3.间隙化合物 由过渡族元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素 形成的化合物称为间隙化合物。 ⑴间隙相 当非金属原子半径与金属原子半径之比小于雷火电竞官方网站0.59 时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。一些间隙相及 晶格类型见表1-6。间隙相具有金属特性，有极高的熔点及硬度， 非常稳定，见表1-7。 表1-6 间隙相的化学 及晶格类型 化学 类型 钢中可能遇到的间隙相化学 晶格类型 M X Fe N ，Nb C，Mn C 面心立方 4 4 4 4 M X Fe N，Cr N，W C，Mo C 密排六方 2 2 2 2 2 TaC，TiC，ZrC，VC 面心立方 MX TiN，ZrN，VN 体心立方 MoN，CrN，WC 简单六方 MX VC ，CeC ，ZrH ，TiH ，LaC 面心立方 2 2 2 2 2 2 表1-7 钢中常见间隙化合物的硬度及熔点 类型 简单结构间隙化合物 复杂结构间隙化合物 化学 TiC ZrC VC NbC TaC WC MoC Cr23 C6 Fe3 C 硬度HV 2850 2840 2010 2050 1550 1730 1480 1650 ～800 熔点/℃ 3080 3472 ±20 2650 3680 ±50 3980 2785 ±5 2527 1577 1227 ⑵复杂结构的间隙化合物 当非金属原子半径与金属原子半径之 比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。钢中的Fe C、 3 Cr C 、FeB、Fe W C、Cr C 、Fe B等均属于这类化合物。 23 6 4 2 7 3 2 进入下一节

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