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第一章金属学基

第一节金属与合金的晶体结构

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全球华人科学社区一、纯金

属的晶体结构

(一)晶体学基

1、晶体中的空间点阵晶体结构是指晶体中的原子或离子、分子等的排列情况，也就是它们在三

维空间中有规律的周期性的重复排列方式。由于组成晶体的物质质点不同，排列的规律也就不一

样，所以就存在各种各样的晶体结构。为了便于研究，往往把构成晶体的实际质点抽象地认为是

纯粹的几何点，称为阵点或点阵。把这种阵点有规则的周期性重复排列所构成的几何图形即称为

空间点阵。把点阵用直线连接起来形成的空间格子称为晶格。

2、晶胞因为晶格中的阵点排列具有周期性，因此，为了研究方便，常从晶格中选取一个能够完

全反映晶格特征的最小几何单元来分析阵点排列的规律性，这个最小的几何单元就称为晶胞。

3、晶向和晶面晶体中由一系列原子组成的平面叫晶面，任意两个原子之间连线所指的方向叫晶

向。表示晶向和晶面的数字叫晶向指数和晶面指数。

(二)纯金属的晶体结构

工业中使用的金属元素中，绝大多数都具用比较简单的晶体结构，其中最常见的有体心立方结构、

面心立方结构和密排六方结构等三种。

1．体心立方晶格体心立方晶格的晶胞中三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90ordm;，构成

立方体。晶胞的八个角上各有一个原子，在立方体的中心还有一个原子，其模型如图1-1(a)所示。

具有体心立方晶格的金属有α-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W等30多种。

(a)体心立方晶胞(b)面心立方晶胞

图1-1体心立方晶胞(a)和面心立方晶胞(b)

2．面立方晶格面心立方晶格的晶胞中八个角中各有一个原子，构成立方体。在立方体的6个面

的中心各有一个原子，如图1-2(b)所示。具有面心立方结构的金属有γ-Fe、β-Co、Ni、Al、Ag

等。

3．密排六方晶格密排六方晶格的晶胞在晶胞的12个顶角上各有1个原子，构成六方柱体，上、

下底面的中心也各有一个原子，晶胞内还有3个原子。具有密排六方结构的金属有Zn、Mg、Be、α

-Ti、α-Co、Cd等。

二、合金的晶体结构

工业上使用的金属材料大多数是合金。由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或

其他方法组合而成并具有金属特性的物质叫合金。

组成合金最基本的、独立的物质称为组元。一般说，组元就是组成合金的元素或是稳定的化合物。

当不同的组元组成合金时，这些组元之间由于物理的和化学的相互作用，形成具有一定晶体结构

和一定成分的相。相是指合金中结构相同、成分和性能均一，并以相界面相互分开的组成部分。

由一种固相组成的合金叫单相合金，由几种不同的相组成的合金称为多相合金。不同的相具有不

同的晶体结构，合金按相的晶体特点可分为固溶体和金属化合物两大类。

（一）固溶体

合金的组元之间以不同的比例相互混合，混合后形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元相同，

这种固相就叫固溶体。这一组元称为溶剂，而其他组元称为溶质。固溶体有置换固溶体和间隙固

溶体两大类。

1．置换固溶体置换固溶体是指溶质原子位于溶剂晶格的某些格点位置上所形成的固溶体，犹

如这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换一样，

所以叫置换固溶体。如图1-2a所示。

金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体。

但由于固溶度的大小往往相差很大，所以有的溶质

组元在固溶体中的浓度（固溶度）有一定的限制，

这种固溶体就叫有限固溶体。有的溶质却能以任意

比例溶人溶剂，其溶解度可达100％，这种固溶体

称无限固溶体。

2．间隙固溶体一些原子半径很小的溶质原子图1-2置换固溶体(a)和间隙固溶体(b)

溶入溶剂中时，不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是填入到溶剂晶格的间隙中，形成间隙固

溶体，其结构如图1-2b所示。形成间隙固溶体的溶质元素，都是属于半径小于0.lnm的非金属

元素，如H、O、N、C、B等，而溶剂元素都是过渡族元素。

溶质原子溶人溶剂后，将使溶剂的晶格常数改变，并使晶格发生畸变。溶入的溶质原子越多，溶

剂晶格畸变也越大。当溶质原子较小时，溶剂晶格畸变也较小。由于溶剂晶格中的间隙是有一定

限度的，所以间隙固溶体都是有限固溶体。

（二）金属化合物

合金中的另一类相是金属化合物，它是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，又叫中间相。

其晶格类型和性能均