工-第1章材料的结构和性能

晶体和非晶体的熔化曲线
金属晶体具有各向异性 非晶体在各个方向上性能完全相同, 这种 性质叫非晶体的各向同性。 在晶体中, 不同晶面和晶向上原子排列的 方式和密度不同, 它们之间的结合力的大小 也不相同, 因而金属晶体不同方向上的性能 不同。这种性质叫做晶体的各向异性。
说明
对于实际使用的金属, 由于其内部有许 许多多个晶粒组成, 每个晶粒在空间分布的 位向不同, 因而在宏观上沿各个方向上的性 能趋于相同, 晶体的各向异性就显示不出来 了。
小角度晶界---亚晶界
4）体缺陷( body-defect )
• 弥散分布的第二相超显微微粒 • 超显微空洞
1.2 合金的晶体结构
几个基本概念：
合金：( alloy ) 一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它 方法结合在一起所形成的具有金属特征的物质。 组元： ( element ) 组成合金的独立的、最基本单元。 相： ( phase ) 在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界 面与其它部分分开的均匀组成部分。 固溶体 固态合金 金属化合物
4。截距的倒数化为最小整数。
3。截距取倒数。
5。将三整数写在圆括号内。
晶面族：在立方晶系中，由于原子的排列具有高度的对称性，往往存在 有许多原子排列完全相同但在空间的位向不同，这些晶面总称为晶面 族。 例如： 111 1 11 1 1 1 11 1 111
2）线缺陷( line defect ) ----位错( dislocation )
• 刃型位错( blade dislocation ) • 螺旋型位错( screw dislocation )
刃型位错示意图１
刃型位错示意图２
正刃型位错
负刃型位错
螺旋型位错示意图
位错密度ρ＝∑L/V(m-2)
学习建议： 1．晶体结构部分应弄清三种常见金 属的晶体结构及其特点，应充分发挥空 间想象力。 2．晶面指数及晶向指数的确定在学 习时会感到困难。应掌握常见的晶面和 晶向的表示方法，需要多练多画。
1.金属的晶体结构
化学成分 决 定 内部组织 材料的性能
晶 体 固态物质
聚集状态
非晶体
1).晶体 ( crystal ) : 物体内部的原子 ( 或分 子 ) 在三维空间中 , 按一定 规律作周期性排列的固体。 性质: 固定的熔点; 各向异 性等。 例如 , 所有的金属、 食盐等。
实际金属中的晶体缺陷
cr④
点缺陷 线缺陷 面缺陷 体缺陷
1)点缺陷( point defect )
• 空位( vacancy ) • 间隙原子( gap atom ) • 置换原子( substitutional atom )
置换原子
间隙原子
晶格空位
点缺陷造成局部晶格畸变
二、面心立方晶体结构（face-Centered Cubic） A1
1）具有此结构的典型金属： 铝（Al）、铜（Cu）、铂（Pt）、镍（Ni）、金（Au）、银 （Ag）、γ-Fe等。 2）主要特征： a=b=c, α＝β＝γ＝90o； 晶胞原子数：8×1/8+6×1/2＝4； 2 a 原子半径 4 致密度 0.74 空隙半径r4=o.225r;r8=0.414r 配位数12
金属晶体中的晶面和晶向
晶面：通过晶体中原子中心的平面。 晶向：通过原子中心的直线为原子列，其代表的方向叫做晶向。
Z
Y X
（1）晶面和晶向的表示方法
1>立方晶系的晶面表示方法及步骤：
1。规定一空间坐标，使待标定的晶面在 三条坐标轴上有截距或者无穷大。 注意：原点不能选择在欲定晶面上
2。以晶格长度a为长度单位，写出欲 定晶面在三条坐标轴上的截距。
晶格畸变 ( distortion of lattice )
固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。 晶格畸变增大位错运动的阻力， 使金属的滑移变形变得 更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固 溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。
溶质原子对晶格畸变影响示意图
固溶强化是金属强化的一种重要形式。在 溶质含量适当时，可显著提高材料的强度 和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。 例 纯铜的 σb 为220MPa, 硬度为40HB, 断面收缩率 ψ 为70%。当加入1%镍形成 单相固溶体后, 强度升高到390MPa, 硬度 升高到70HB, 而断面收缩率仍有50%。所 以固溶体的综合机械性能很好, 常常作为结 构合金的基体相。固溶体与纯金属相比, 物 理性能有较大的变化, 如电阻率上升, 导电 率下降, 磁矫顽力增大。
三种常见的金属晶体结构（B.C.C、F.C.C、H.C.P）
一、体心立方晶体结构（Body-Centered Cubic） A2
1）具有此结构的典型金属： 钠（Na）、钾（K）、铬（Cr）、钼（Mo）、钨（W）、钒（V） α-Fe等。
2）主要特征：
1 8

晶胞的特征参数: a = b = c ,α = β = γ = 90 3 a 4 晶胞中的原子数: n= 8 ×1／8＋1= 2个 3 原子半径 43 a a 4 致密度 0.68 空隙半径 r4=0.29r原子；r8=0.15r原子 配位数8
一.固溶体 ( solid solution )
固溶体的结构特点 溶剂A + 溶质B = C bcc fcc bcc 例如:
α-Fe + C = F ( 铁素体 ) 体心 六方 体心
铁素体的晶体结构
a)固溶体的主要类型
1>.置换固溶体 ( substitution solid solution )
密排面和密排方向 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上 原子排列方式和排列密度不一样。 在体心立方晶格中，原子密度最大的晶 面为{110}, 称为密排面; 原子密度最大的晶向为<111>, 称为密 排方向。 在面心立方晶格中, 密排面为{111}, 密 排方向为<110>。
金属晶体的特性 (1) 金属晶体具有确定的熔点 纯金属进行缓慢加热时, 达到一定的温度, 固态金属会熔化成为液态金属。在熔化过 程中, 温度保持不变。其熔化温度(T0)称为 熔点。而非晶体材料在加热时, 由固态转变 为液态时, 其温度逐渐变化。
NOTE：
位错的存在极大影响了金属的机械性能
3）面缺陷( surface-defect )
• 晶体表面 • 晶界( grain boundary ) • 相界面（phase interface） • 其它界面：孪晶界、亚晶界、层错界
1Cr17不锈钢的多晶体
晶界与亚晶界结构示意图
大角度晶界---晶界
二.金属化合物 ( intermetallic compound )
金属化合物的结构特点
组元A + 组元B = C bcc fcc cph 例如: 3Fe + C = Fe C 体心 六方 复杂结构
3
渗碳体( Fe C )晶格结构示意图
3
a) 金属化合物的主要类型
1.正常价化合物 ( normal compounds ) 2.电子价化合物 ( electron compounds ) 3.间隙化合物 ( interstitial compounds )
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Fe3C、 Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C 、FeB、Fe2B等都是这类化合物。 Fe3C是铁碳合金中的重要组成相, 具有复杂的斜方晶格。其中铁原子 可以部分地被 锰、铬、钼、钨等金 属原子所置换, 形成以间隙化合物 为基的固溶体, 如(Fe、Mn)3C、 (Fe、Cr)3C等。复杂结构的间隙化 合物也具有很高的熔点和硬度, 但 比间隙相稍低些, 在钢中也起强化 相作用。
第一章
金属的结构与性能
本章内容
本章介绍金属材料的结构与组织，包括纯 金属的晶体结构，晶体缺陷和合金的结构， 金属材料的组织。介绍金属材料的工艺性 能、机械性能和理化性能。还介绍高分子 材料和陶瓷材料的结构与性能。
学习目标： 本章重点掌握金属材料的晶体结构、晶体 缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织 及性能。
2）.非晶体 ( non- crystal ) :
物体内部的原子呈散乱分布,其 物理和力学性能各向同性。例如, 普通玻璃、松香等。
晶
态
非晶态
晶态
非晶态
金属的结构
SiO2的结构
1.1 纯金属的晶体结构
可用X射线结构分析技术进行测定
几个重要定义
晶体结构（Crystal Structure ）：晶体中原子（离子或分子）规 则排列的方式。 晶 格(crystal lattice):为了研究的方便，假设通过金属原子 （离子）的中心划出许多空间直线，这些直线形成的空间框架。 晶 胞( unit cell ):能反映晶格特征的最小组成单元。
间隙相 复杂结构的间隙化合物
1
正常价化合物 严格遵守化合价规律的化合物称正常价化 合物。它们由元素周期表中相距较远、电 负性相差较大的两元素组成，可用确定的 化学式表示。例如，大多数金属和ⅣA族、 Ⅴ族、ⅥA族元素生成Mg2Si、Mg2Sb3、 Mg2Sn、Cu2Se、ZnS、AlP及β-SiC等, 皆为正常价化合物。这类化合物性能的特 点是硬度高、脆性大。
三、密排六方晶体结构（Hexagonal Close－Packed） A3
1）具有此结构的典型金属： 镁（Mg）、镉（Cd）、锌（Zn）、铍（Be）。 2）主要特征： 晶格常数：正六边形边长a，高为c,侧面之间夹角120o， 侧底面间夹角90o。 c/a = 1.633 晶胞原子数：2×1/2+12×1/6+3＝6； 2 原子半径 4 a 致密度 0.74 空隙半径r4=o.225r;r8=0.414r 配位数12