工程材料及应用
第 2 章 材料的晶体结构与结晶
工程材料及应用 第 2 章 材料的晶体结构与结晶
目录
1 晶体结构基本知识 2 实际金属的晶体结构和缺陷 3 纯金属的结晶 4 晶粒的长大及大小控制 5 铸锭的宏观组织及其形成
第 1 节 晶体结构基本知识
2.1.1 晶的基本概念
1.晶体指其原子（原子团或离子）按一定的排列方式作有规律 的重复排列的物体（长程有序）。 与晶体对应的，非晶体的原子是无规律、无秩序地堆聚在一起 （长程无序，短程有序）
As、Sb、Bi β-S，CaSO4·2H2O
K2Cr2O7
第 1 节 晶体结构基本知识
2.1.2 纯金属的晶体结构
1、体心立方晶格：体心立方晶格的晶胞中，8个原子处于 立方体的顶角上，并为相邻8个晶胞所共有，中心的1个原 子为该晶胞所独有。
体心立方晶胞中的原子数 Na=8×1/8+1=2
晶格常数： a=b=c, α=β=γ=90°
1、晶向指数的标定
第 1 节 晶体结构基本知识
正交晶系的一些重要晶向的晶向指数
第 1 节 晶体结构基本知识
2、晶面指数的标定
第 1 节 晶体结构基本知识
正交晶系的一些重要晶面的晶向指数
第 2 节 实际金属的晶体结构和缺陷
2.2.1 多晶体结构
单晶体和多晶体
单晶体： 晶格位向完全一致的晶体称为 单晶体。 多晶体： 工业上使用的金属结构都包含 许多小晶体，每个小晶粒内的晶格是一样的 ，但各个小晶体之间彼此方位不同，此为多 晶体。 晶粒： 多晶体是由若干具有不规则外形 的小晶体构成的，故称这些小晶体为晶粒。 晶界： 晶粒与晶粒之间不规则的界面。
r3
8 3
3 4
a
3
24 3 a3 3 64
3 a3 8
Vc a3
故：
体心立方晶胞的致密度为：
Va Vc
3 0.68 8
3a a
2a
常见体心立方晶格的金属有 ɑ-Fe、Mo、W、V、δ-Fe
第 1 节 晶体结构基本知识
2.1.3 立方晶系中的晶向与晶面
在研究有关晶体的生长、变形、相变以及性能等问题时，常常要考 虑晶体中原子、原子列以及原子平面的空间位置等问题。实践表明 ，晶体中一些特定的空间位置（晶向、晶面等）与晶体表现出的性 能有密切关系，为此，必须确定一致的符号来标定不同的晶向、晶 面等。
晶格+基元=晶体结构
第 1 节 晶体结构基本知识
晶胞：晶体中原子排列规律是周期性重复变化的，因 此，从晶格中可以取得一个能够完全反映晶格特征的、最 小的几何单元，其称为晶胞。
第 1 节 晶体结构基本知识
晶格参数：在晶体学中规定，用晶格参数来描述晶胞 大小与形状的几何参数，包括晶胞的三个棱边长度a、b、 c和三个棱边夹角ɑ、β、γ。
致密度：0.74 常见密排六方晶格的金属有 Mg、Cd、Zn、Be、ɑ-Ti，等
第 1 节 晶体结构基本知识
致密度的推导： 以体心立方晶格为例
欲求致密度，根据致密度的定义，先
求原子半径r，如右图所示，取红色线
段 所 框 面 ， 取 其 对 角 线 ， 其 长 度 为 4r
，则有：
Va
2
4 3
晶体点阵参数
第 1 节 金属的晶体结构
3、晶系：根据晶格常数的不同，可将晶体分为7种晶系。
布喇菲点阵 简单立方 面心立方 体心立方 简单正方 体心正方
简单六方
简单正交 体心正交 底心正交 面心正交
简单棱方
简单单斜 底心单斜
简单三斜
晶系 立方 正方 六方
正交 棱方 单斜 三斜
棱边长度与夹角
举例
a=b=c， α=β=γ=90°
a=b ≠c， α=β=γ=90°
a=b ≠ c，α=β=90°， γ=120°
Fe、Cr、Cu、Ag、Au β-Sn，TiO2
Zn、Cd、Mg、Ni、As
a ≠b ≠ c， α=β=γ=90°
α-S、Ga、Fe3C
a=b=c，α=β=γ≠90°
a ≠b ≠c， α=γ=90°≠β
a ≠b ≠c，α ≠β ≠γ≠90°
第 2 节 实际金属的晶体结构和缺陷
a)单晶晶格取向
晶界
晶粒
b)多晶体晶格取向
晶界是缺陷！
第 2 节 实际金属的晶体结构和缺陷
天然的单晶体
第 2 节 实际金属的晶体结构和缺陷
工业纯铁金相照片
第 2 节 实际金属的晶体结构和缺陷
2.2.2 晶体中的缺陷
1、点缺陷：指在晶体空间三维方向上尺寸都很小的缺陷。
点缺陷对材料性能的影响：点缺陷的出现，可使周围 的原子发生靠拢或撑开的现象，造成金属晶格发生畸变， 从而使金属的强度、硬度升高，电阻增大-固溶强化。
致密度：0.68
致密度： 晶胞中包含的原子数所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度；
第 1 节 晶体结构基本知识
2、面心立方晶格：面心立方晶格的晶胞中，8个角上和6 个面的中心都有1个原子与相邻的晶胞共有。
面心立方晶胞中的原子数 Na=8×1/8+6×1/2=4
晶格常数： a=b=c, α=β=γ=90°
致密度：0.74 常见面心立方晶格的金属有 γ-Fe、Al、Cu、Ni、 Au，等
第 1 节 晶体结构基本知识
3、密排六方晶格：密排六方晶格的晶胞为一个六方柱体 。柱体的上、下面6个角及中心各有1个原子，柱体中心还 有3个原子。
密排六方晶胞中的原子数 Na=12×1/6+2×1/2+3=6
晶格常数： aˆa=120°, c
一般地，金属材料都是以晶体形式存在；典型的非晶物质如玻璃、石蜡、金属玻璃等。
非晶
β
α
γ
(a)
(b) 熔覆涂层
(c)
(a) 原子排列模型 (b) 晶格 （c）晶胞
第 1 节 晶体结构基本知识
2. 晶格与晶胞 晶格：将原子假想为一个几何结点，用直线链接起来 ，形成空间格子，定义为晶格，又称布喇菲格子。 晶体结构：当晶格的每个格点上附有一群原子，这样 的一个原子群称为基元，基元在空间周期性重复排列就形 成晶体结构。
第 2 节 实际金属的晶体结构和缺陷
2、线缺陷：指晶体三维空间两维方向上尺寸很小，一维 方向上尺寸较大且呈线状分布的缺陷。晶体中的线缺陷称 为位错。 位错： 螺形位错、刃形位错。
螺形位错及泊氏矢量
刃形位错
泊氏矢量： 在滑移区中滑移面上、下两部分晶体相对 移动的方向和距离都可用滑移矢量b表示。此滑移量称为 泊氏矢量。