第一章 绪论金属的晶体结构1.

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1、金属学与热处理金属学与热处理主讲：主讲：材料与冶金学院材料与冶金学院冯佃臣冯佃臣Email:v学习重点：学习重点：一个中心：一个中心：金属及合金的成分、组织结构间的变化规律；二个图形二个图形：相图、曲线 ；五大转变：五大转变：奥氏体转变、珠光体转变、贝氏体转变、马氏体转变、回火转变；四把大火：四把大火：正火、退火、淬火、回火；八大钢种：八大钢种：渗碳钢、调质钢、轴承钢、刃具钢、模具钢、量具钢、特殊性能钢。第一章金属的晶体结构第一章金属的晶体结构第一节金属第一节金属1、金属的特点：、金属的特点：v外观特征：金属光泽和不透明性；v正的电阻温度系数；v良好的机械性能，良好的导电性、导热性；2、金属的

2、原子结构、金属的原子结构：v最外层电子只有1-2个，次外层不满。v金属键：正离子沉浸在电子云中，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的方式叫做金属键；无方向性和饱和性。3、固态金属的特性：、固态金属的特性： 导电、导热、电阻、有光泽、不透明金属键n1、离子键n2、共价键n3、金属键金属键的特点：无饱和性和方向性 包括：正离子与周围自由电子之间的吸引力；正离子与正离子以及电子与电子之间的排斥力；吸引力与排斥力的代数和，如图v从图中可知： 当d=d0时，吸引力排斥力，结合力0，d0即相当于原子的平衡位置； 当d d0时，排斥力吸引力，原子之间相互排斥，使原子回到d0位置； 当dd0

3、时，吸引力排斥力，原子之间相互吸引，使原子回到d0位置； 原子间最大结合力不在平衡位置，而在dc位置，此最大结合力对应着金属的理论抗拉强度。4、结合力结合能：吸引能与排斥能的代数和，如图v从图中可知； 当d=d0时，其结合能最低，故任何对平衡位置的偏离，都使原子的势能增加，从而使之恢复到平衡位置；vEAB：原子间的结合能或键能；v推广出固态金属中的原子趋于规则排列的原因；5、结合能： 第二节金属的晶体结构第二节金属的晶体结构1、晶体与非晶体：、晶体与非晶体：v晶体：内部的原子在三维空间按一定的规律周期性的重复排列着； 例如：钻石、冰、食盐、各种金属构件等；v非晶体：内部的原子是散乱分布着，至多

4、有些局部的短程规则排列； 例如：玻璃、棉花、松香等；2、晶体的性能特点：、晶体的性能特点：v晶体具有一定的熔点；v晶体具有各向异性；v晶体一般具有特定的几何形状；相互转换。3、晶体学概念简介：、晶体学概念简介：v空间点阵：空间点阵：描绘晶体中原子（离子或分子）排列规律的空间格架，也叫晶格。如图 v晶胞：晶胞：从晶格中选取的能够完全反映原子排列规律的最小几何单元。v晶胞的点阵参数：晶胞的点阵参数：坐标轴：轴、轴、轴晶格常数：晶胞的棱边长度以、表示；轴间夹角：晶胞棱边夹角分别以、表示；v晶系：晶系：根据六大参数之间的关系，将晶体分为七大晶系，十四种布拉菲点阵，如书6表11所示；最典型最常见的金属晶

5、体结构有三种：体心立方结构、面心立方结构、密排六方结构；这里将晶体的实际质点忽略而抽象为纯粹的几何点，称阵点或结点，用许多平行直线将这些阵点连接，构成三维空间格架4、三种典型的金属晶体结构：、三种典型的金属晶体结构：218181）体心立方晶格（bcc）：如图 原子分布：晶胞的八个顶点各有一个原子，在立方体的中心还有一个原子； 原子数： 晶格常数：a=b=c；=90； 原子半径：在立方体的对角线方向上的原子是彼此紧密排列的；r= 致密度：用来描述晶胞中原子排列的紧密程度；为晶胞中所含的原子所占的体积与该晶胞的体积之比，用K表示。a43致密度：k=nv1/V n：一个晶胞中实际包含的原子个数；v1

6、：一个原子的体积（按球形计算）；V：晶胞的体积；v举例：bcc的k=0.68 （n=2；v1=4/3r3；V=a3）； 此值表明，在bcc中有68%的体积被原子所占据，其余为间隙。配位数：晶格中与任一原子最近邻、且等距的原子数目，用N表示。v举例：bcc的N=8。 具有bcc的金属有-Fe、Cr、Mo、W、V等2）面心立方晶胞（fcc）：如图原子分布：8个顶点各有一个原子，立方体的每个面的中心还各有一个原子。原子个数：每个顶点上的原子同时属于8个晶胞所共有，而面中心的原子为相邻的2个晶胞所共有；原子个数为 晶格常数：a=b=c； =90 原子半径：在每个面的对角线上原子是紧密接触的；r=致密度

7、与配位数：K=nv1/V0.74， N=12如图具有fcc 的金属有： -Fe、Al、Cu、Ni、Ag等。4216818a423）密排六方晶格（hcp）如图原子分布：六方体12个顶点各有一个原子，上下底面面中心各有一个原子，晶胞内3个原子。原子个数： 原子半径：r= a/2致密度与配位数： K= nv1/V0.74 ， N=12。 晶格常数：底边棱长a、两底面间的高度c， c/a叫做轴比具有hcp的金属：Be、Mg、Zn等6322112615、晶体中的原子堆垛方式：、晶体中的原子堆垛方式：1）问题：为何fcc和hcp的晶体结构不同，但却具有相同的配位数和致密度？v原因：由晶体中原子的堆垛方式决

8、定。 由图110看出：图a)为一个平面上原子最密排的情况，此面为最密排面，对hcp结构，最密排面是其底面；对于fcc 结构，最密排面是面对角线所构成的平面；将密排面的原子中心连结成六边形网格，它又可分为六个等边三角形，这六个等边三角形的中心又与原子的六个空隙中心重合，如b)所示；此六个等边三角形可分为b、c两组，每组分别构成一个等边三角形，如c)所示；由图111可知：为获得最紧密的排列，第二层密排面（层）的每个原子应落在下一层（层）密排面的b组（或c组）空隙上；第三层原子的堆垛方式有两种：、第三层密排面的每个原子中心对应第一层（层）密排面的原子中心，堆垛的顺序为，如hcp结构，如图112、第三

9、层密排面（层）的每个原子中心位于既是第二层原子的空隙中心，又是第一层原子的空隙中心，堆垛顺序为，如fcc结构，如图113所示；n因此，fcc、hcp两种晶格的结构不同，堆垛方式不同，但显然其致密程度完全相同，所以它们的致密度、配位数相同；2）bcc中原子的堆垛方式：vbcc中 原子排列较为紧密的面是连接立方体的两个斜对角线所组成的面，如图114，通常将其称为次密排面；由四个原子密排。vbcc中原子的堆垛方式为：第二层原子应落在第一层的空隙中心，第三层的原子位于第二层的原子空隙中心并与第一层的原子中心重合，堆垛顺序为：，如114所示；6、晶体中的间隙：、晶体中的间隙：晶体内部原子无论怎样紧密堆垛

10、，也有空隙存在：bcc中的两种间隙：八面体间隙和四面体间隙，它们均为不对称间隙；v八面体间隙：如图115o由6个原子所围成，是一个不对称的八面体间隙；o四个角上的原子中心至间隙中心的距离为上下顶点的原子中心至间隙中心的距离为o间隙半径：顶点原子至间隙中心距离减去原子半 径，为o间隙中心位置：各面的面中心及各棱的棱中心；a22a21aaa067.04321v四面体间隙：如图115o此间隙由4个原子所围成，是一个不对称的四面体间隙；o原子中心到间隙中心的距离：o间隙半径：o显然，四面体间隙比八面体间隙大；o间隙位置：各面中线的1/4、3/4位置处，每个面上有四个；a45aaa126. 04345f

11、cc中的两种间隙：八面体间隙和四面体间隙，它们均为对称间隙；v八面体间隙：如图116n特点：各棱边长度相等；各原子中心到间隙中心的距离相等，是正八面体间隙；n间隙半径：n间隙中心位置：晶胞中心及各棱中心；v四面体间隙：如图116）n特点：各棱边长度相等；各原子中心到间隙中心的距离相等，是正四面体间隙；n间隙半径：n间隙中心位置：各体对角线的1/4或3/4处v显然，fcc中八面体间隙大于四面体间隙；aaa146. 0422aaa079. 04243小结：小结：晶格类型原子数原子半径配位数致密度八面体间隙半径四面体间隙半径bcc280.680.067a(不对称)0.126a (不对称)fcc412