本章的重點：

1、原子鍵合機制

2、三種常見的晶體結構及其基本性能。

3、實際金屬的晶體缺陷及其對性能的影響。

4、結晶條件、結晶過程及細化晶粒的基本方法。

難點：結晶機理。晶面指數與晶向指數的確定。

第二章材料的微觀結構§2-1原子鍵合固態晶體材料是靠原子之間的相互作用力,即晶體的結合力或結合鍵結合在一起的。不同類型的原子之間產生不同性質的結合鍵。由電子運動使原子產生聚集的結合力為化學鍵。它是固體中的主要結合鍵。包括離子鍵、共價鍵和金屬鍵三種。此外還有分子鍵，屬于物理鍵，為聚集過程中不發生電子運動的的結合力。一、金屬鍵(metallicbonding)

周期表中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ族元素的原子在滿殼層外有一個或幾個價電子。原子很容易丟失其價電子而成為正離子。當金屬原子處于聚集狀態時，幾乎所有的原子都將他們的價電子貢獻出來，為整個原子集體共有，這些公有化的電子叫做自由電子，它們在正離子之間自由運動，形成所謂電子氣。正離子在三維空間或電子氣中呈高度對稱的規則分布。正離子和電子氣之間產生強烈的靜電吸引力，使全部離子結合起來。這種結合力就叫做金屬鍵。

一、金屬鍵(metallicbonding)在金屬晶體中，價電子彌漫在整個體積內，所有的金屬離子皆處于相同的環境之中，全部離子(或原子)均可被看成是具有一定體積的圓球，所以金屬鍵無飽和性和方向性。一、金屬鍵(metallicbonding)金屬鍵結合的金屬具有下列特性：1.良好的導電性和導熱性。金屬中有大量自由電子存在，當金屬的兩端存在電勢差或外加電場時，電子可以定向地流動，使金屬表現出優良的導電性。金屬的導熱性很好，一是由于自由電子的活動性很強，二是依靠金屬離子振動的作用而導熱。2.正的電阻溫度系數。即隨溫度升高電阻增大。絕大多數金屬具有超導性，即在溫度接近于絕對零度時電阻突然下降，趨近于零。3.不透明并呈現特有的金屬光澤。金屬中的自由電子能吸收并隨后輻射出大部分投射到表面的光能。4.良好的塑性變形能力，金屬材料的強韌性好。金屬鍵沒有方向性，原子間也沒有選擇性，所以在受外力作用而發生原子位置的相對移動時，結合鍵不會遭到破壞。當周期表中相隔較遠的正電性元素原子和負電性元素原子接觸時，前者失去最外層價電子變成帶正電荷的正離子，后者獲得電子變成帶負電荷的滿殼層負離子。正離子和負離子由靜電引力相互吸引；同時當它們十分接近時發生排斥，引力和斥力相等即形成穩定的離子鍵。

NaCl、CaO、Al2O3等由離子鍵組成。二、離子鍵(ionicbonding)二、離子鍵(ionicbonding)鈉原子與氯原子之間靠正負離子之間的吸引力結合在一起。周圍的鈉離子或氯離子的數目和排列不受電價數的限制，只受空間因素影響，所以離子鍵無飽和性。另外，離子的電核分布呈球形對稱，從各個方向都可以吸引相反電荷的離子，所以也無方向性。二、離子鍵(ionicbonding)離子鍵的結合力很大，因此離子晶體的硬度高，強度大，熱膨脹系數小，但脆性大。離子鍵中很難產生可以自由運動的電子，所以離子晶體都是良好的絕緣體。在離子鍵結合中，由于離子的外層電子比較牢固地被束縛，可見光的能量一般不足以使其受激發，因而不吸收可見光，所以典型的離子晶體是無色透明的。二、離子鍵(ionicbonding)三、共價鍵(covalentbond)處于周期表中間位置的三、四、五價元素，原子既可能獲得電子變為負離子，也可能丟失電子變為正離子。當這些元素原子之間或與鄰近元素原子形成分子或晶體時，以共用價電子形成穩定的電子滿殼層的方式實現結合。這種由共用價電子對產生的結合鍵叫共價鍵三、共價鍵(covalentbond)三、共價鍵(covalentbond)最有代表性的共價晶體為金剛石。金剛石由碳原子構成，每個碳原子貢獻出4個價電子與它周圍的4個碳原子共用最外層的電子，使每個碳原子最外層獲得滿層8個電子。形成4個共價鍵，構成四面體。三、共價鍵(covalentbond)由共價鍵的結合方式導致結合鍵之間形成一定的角度（鍵角），即共價鍵之間有固定的方向關系。正因為如此，共價鍵結合的材料不象金屬鍵那樣，在受外力作用時可以產生位移變形。共價鍵結合的材料塑性差，導電性也差（相鄰原子共有的電子不能自由運動）。但共價鍵的結合力大，所以共價晶體的強度大，硬度高，熔點高，沸點高，結構也比較穩定。四、

范德瓦爾鍵(分子鍵，Vander

Waalsbonding)存在于中性分子或原子之間的一種弱的靜電吸引力：(1)極性分子的永久偶極間的靜電力(2)一個極性分子使另一個分子極化產生誘導偶極并相互吸引的誘導力；(3)中性分子中由于電子運動產生瞬時偶極，使鄰近分子瞬時極化，反過來又增強原來分子的瞬時偶極，這種相互耦合產生凈的吸引作用力稱色散力尼龍66四、范德瓦爾鍵(分子鍵，Vander

Waalsbonding)范德瓦爾斯力很弱，因此由分子鍵結合的固體材料熔點低、硬度也很低，因無自由電子，因此材料有良好的絕緣性。§1-3不同鍵結合的特性工程材料中雖然有不同的鍵合機制，但卻存在著主次之分。如金屬材料，以金屬鍵為主，氧化物陶瓷以離子鍵為主，高分子材料以共價鍵為主。不同鍵結合的強弱是用結合鍵能來表達的。鍵能從高到低依此為：離子鍵—共價鍵—金屬鍵—分子鍵。鍵能越高，材料的熔點及硬度越高。①晶體：材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規則，周期性排列。②非晶體：材料的原子（離子、分子）無規則堆積，和液體相似，亦稱為“過冷液體”或“無定形體”。區別(a)是否具有周期性、對稱性;(b)是否長程有序;(c)是否有確定的熔點;(d)是否各向異性。一、晶體與非晶體§2-2金屬的晶體結構⑴晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架。直線的交點（原子中心）稱結點。由結點形成的空間點的陣列稱空間點陣。二、晶體中幾個基本概念為描述晶體內部原子的排列，將原子視為剛性球體。剛性球體—原子濃縮成一個點（空間點陣）—用假想的直線連接起來，形成空間格子（晶格）—取出一個有代表性的最小幾何單元—單位晶體（晶胞）。⑵晶胞：晶體中有代表性的最小的幾何單元，稱為晶胞。⑶晶格常數：晶胞的三個棱邊的尺寸

a、b、c。用埃（?）表示：各棱間的夾角用、、表示。立方六方四方菱方正交單斜三斜⑷晶胞類型根據晶胞參數不同，將晶體分為七種晶系。晶體中用以描述原子排列幾何方式的晶胞有14種。分別為（1）簡單立方（2）面心立方（3）體心立方（4）簡單立方（5)體心四方（6）密排六方（7）簡單正交（8）體心正交（9）底心正交（10）面心正交（11）菱形（12）簡單三斜（13）底心單斜（14）三斜現代X射線結構分析表明，90%的金屬元素屬于立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3

c，==90，=120即絕大多數金屬為體心立方、面心立方、密排六方等三種典型結構。⑸原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。⑹晶胞原子數：一個晶胞內所包含的原子數目。⑺配位數：晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數目。⑻致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分數。①體心立方晶格body-centeredcubiclattice(bcc)體心立方晶格晶胞原子數：原子半徑：配位數：8(a)模型(b)晶胞(d)配位數(c)晶胞原子數

體心立方晶格原子個數：2配位數：

8致密度：0.68常見金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常數：a(a=b=c)原子半徑：②面心立方晶格face-centeredcubiclattice(fcc)面心立方晶格(a)模型(b)晶胞配位數:12(d)配位數晶胞原子數：(c)晶胞原子數原子半徑：

a42r=：原子半徑原子個數：4配位數：

12致密度：0.74常見金屬：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常數：a面心立方晶格③

密排六方晶格密排六方晶格晶胞原子數：(a)模型(b)晶胞(c)晶胞原子數配位數:12(d)配位數原子半徑：a21r=：原子半徑原子個數：6配位數：

12致密度：0.74常見金屬：

Mg、Zn、Be、Cd等晶格常數：底面邊長a和高c，

c/a=1.633密排六方晶格(1)基本概念晶面：晶體中不同方位的原子面（通過原子中心的平面）稱為晶面。晶向：晶體中不同方向的原子列（通過原子中心的方向）稱為晶向。四、晶體中的晶面和晶向

選定不在預定晶面上的晶格中任一結點為坐標原點，以與該點連接的三條棱邊為坐標軸，即OX,OY,OZ；以晶格常數a作為坐標軸上的度量單位，求出欲定晶面在3個坐標軸上的截距(截距負值時，在指數上方加“－”)；求3個截距的倒數，化為最小整數；將3個整數加圓括號，整數間不加標點，如(hki)。錯誤寫法：(1,0,0)(0-10)。(2)立方晶系的晶面表示方法晶面采用晶面指數的方式表達。O100(100)隨堂練習截距111

??取倒數111

加圓括號(111)

截距

取倒數化整數012

加圓括號(012)

晶面族:(hkl)是以某個特定晶面求得的晶面指數，由于坐標系可平移，此晶面指數實際代表原子排列相同的所有平行晶面的晶面指數。某些晶面雖彼此不平行，但原子排列情況相同，這些晶面稱為晶面族。將hkl加以大括號｛hkl｝，即表示晶面族的晶面指數。如（100）（010）（001），稱為晶面族{100}。(3)立方晶系的晶向表示方法晶向用晶向指數來表示。通過坐標原點引一直線，使其平行于所求的晶向。求出該直線上任一結點的3個坐標值。將3個坐標值按比例化為最小整數，加一方括號，即為所求的晶面指數，其一般形式為[uvw]。指數為負值時，在指數上方加“－”號。

ZXYA100O[100]A’隨堂練習ZXYZxYB[111]??過原點引直線,平行于所求晶向對應結點3個坐標值加方括號*指數看特征*正負看走向OO晶向指數[uvw]所表示的不僅僅是一條直線的位向，實際表示一組原子排列相同的平行晶向。若兩組晶向的全部指數數值相同，符號相反，則它們相互平行或為同一原子列，但方向相反。晶向族原子排列相同，但空間位向不同（即不平行）的所有晶向稱為晶向族，以<uvw>表示。

<100>=[100]+[010]+[001]

[110]立方晶系常見的晶面為：{110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY立方晶系常見的晶向為：<111>[111][111][111][111]XZY⑷晶面與晶向原子密度單位面積晶面上的原子數稱晶面原子密度。單位長度晶向上的原子數稱晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。體心和面心立方晶格的密排面和密排方向不同晶體結構中不同晶面、不同晶向上原子排列方式和排列密度不一樣。在體心立方晶格中，原子密度最大的晶面為{110},稱為密排面。原子密度最大的晶向為<111>,稱為密排方向。

在面心立方晶格中,密排面為{111},密排方向為<110>。密排面數量密排方向數量體心立方晶格{110}6<111>4面心立方晶格{111}4<110>6密排六方晶格六方底面1底面對角線3五、晶體的各向異性單晶體在不同方向和不同晶面上原子排列緊密程度不同，所以在不同方向上的性能也不同，這就叫晶體的各向異性。如bcc鐵晶體在[111]向上E=290000MN/m2，在[100]向上E=135000MN/m2。六、實際金屬的晶體結構（一）多晶體結構和亞結構單晶體：晶體材料內部原子規律排列，位向不發生改變的晶體。多晶體：由許多晶格位向不同的小晶體構成的晶體結構，稱為多晶體。實際晶體是由許多不同位向小單晶體組成的多晶體。這些小單晶體叫晶粒，晶粒與晶粒之間的交界叫晶界。一個晶粒內晶格位向有微小差別的小區域叫亞結構。既然實際晶體是多晶體組成，是否還存在著單晶體的各向異性？為什么？

（二）晶體缺陷晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即點、線、面缺陷。①點缺陷

空間三維尺寸都很小的缺陷。空位間隙原子置換原子a.空位：晶格中某些缺排原子的空結點。b.間隙原子：擠進晶格間隙中的原子。可以是基體金屬原子，也可以是外來原子。c.置換原子：

取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。點缺陷破壞了原子的平衡狀態，引起周圍晶格產生畸變，阻礙原子的移動，必需施加更大的外力，從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。空位間隙原子小置換原子大置換原子晶體中最普通的線缺陷是位錯，它是在晶體中某處有一列或若干列原子發生了有規律的錯排現象。①刃型位錯：因某種原因，晶體的一部分沿一定晶面，相對于晶體的未動部分，逐漸發生了一原子間距的滑移，產生了一個多余的半原子面。這個多余的半原子面猶如切入晶體的刀片，刀片的刃口線即為位錯線。②線缺陷—（在一維方向上尺寸較大的缺陷)

位錯上半部分原子受壓，下半部分原子受拉。離位錯線越近晶格畸變越大，應力越大。②螺型位錯：晶體右邊的上部的點相對于下部的點向后錯動一個原子間距，即右邊上部相對于下部晶面發生錯動。將錯動區的原子用線連接起來，具有螺旋型特征。因局部區域切變而產生的螺型位錯螺型位錯的結構位錯對性能的影響：不論刃型位錯還是螺型位錯，以位錯線為中心的管道區周圍晶格都發生了畸變，從而阻礙位錯的運動，使材料的強度提高。由于線缺陷的影響面比點缺陷大的多，因此對材料性能的影響也大的多。位錯密度：單位體積位錯線總長度。

=S/V(cm/cm3或1/cm2)金屬的位錯密度為104~1012/cm2減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度。強度透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯（白點為原子）面缺陷包括晶界和亞晶界。晶界是晶粒與晶粒之間的界面，由于晶界原子需要同時適應相鄰兩個晶粒的位向，就必須從一種晶粒位向逐步過渡到另一種晶粒位向，成為不同晶粒之間的過渡層，因而晶界上的原子多處于無規則狀態或兩種晶粒位向的折衷位置上。晶界示意圖③面缺陷（一維尺度很小，而二維尺度較大的原子

錯排區域）小角度晶界是由相距一定距離的刃型位錯組成。大角度晶界原子排列紊亂，具有非晶態特征。晶界的重要特性：1）晶界相互交錯，原子排列紊亂，常溫下對晶體的滑動起阻礙作用，從而使晶粒小即晶界多的材料的強度、硬度高—細晶強化。2）因原子排列紊亂，能量高，原子易擴散，易受腐蝕。固態下結構的改變首先從晶界開始。晶粒內部也不是理想晶體，而是由位向差很小的稱為嵌鑲塊的小塊所組成，稱為亞晶粒。亞晶粒尺寸比晶粒小2~3個數量級，通常為10-8~10-6m。亞晶粒的邊界稱為亞晶界。激光燒結銅合金晶粒/亞晶粒圖片出自：D.D.Gu,etal.PowderMetallurgy,2006,49(3):258-264.亞晶界：亞晶粒的交界，位向差小于2o。晶界亞晶界ABCD亞晶界同樣是小區域的原子排列無規則的過渡層。過渡層中晶格產生了畸變缺陷的存在破壞了晶體的完整性，使晶格產生畸變，晶格能量增加，相對于完整的晶體來說，晶格缺陷處于一種不穩定狀態，外界條件變化時會發生原子的擴散與遷移，從而引起金屬某些性能的變化。對強度：一般情況下隨缺陷的增加，強度提高；抗蝕性：降低抗蝕性；

1、合金：由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質叫合金。2、組元：組成合金的獨立的最基本的單元（一般是一種元素或一種穩定的化合物）。3、相：金屬或合金中，具有相同化學成分，相同結晶構造，并有明顯界面分開的獨立組成部分。4、組織：用肉眼或顯微鏡觀察到的材料的內部組成相的大小、方向、形狀、分布及相互結合狀態。由一種相組成的組織為單相組織，由兩種或以上相組成的組織為多相組織。§2-3合金的相結構幾個重要概念：一致的晶體結構和原子排列方式；相同的物理、化學性能；與周圍的非同相物質之間有確定的界面；不同的相可予以機械性分離。相的基本屬性合金中的基本相根據固態下，合金的組元間作用方式不同，合金的相結構（基本相）分為兩種，即固溶體和金屬間化合物。⑴固溶體固態下各組元之間互相溶解而形成的均勻的晶態固體稱固溶體.固溶體中保持原來晶體結構的組元叫溶劑，其它溶入且晶格消失的組元稱溶質。

固溶體A（B） A：溶劑；B：溶質。（一）固溶體的結構與分類

1、根據溶質原子在溶劑晶格中的位置分：

1）間隙固溶體形成間隙固溶體的條件：r質/r劑<0.59，過渡族元素Fe、Mn等）為溶劑與尺寸小的非金屬元素C、N、B、H形成。

2）置換固溶體一部分溶質原子占據溶劑晶格中某些結點位置，形成的固溶體。一般情況下，溶質原子直徑與溶劑原子相差不大。Cu-Ni置換固溶體Fe-C間隙固溶體有序固溶體置換固溶體無序固溶體間隙固溶體3、按溶質原子分布的規律性分：2.根據溶質原子的溶解度大小，固溶體分為有限和無限固溶體