第二章 合金的结构与结晶
合金的结构与结晶
时间
A 90 70 50
S
S
A
ab : 液相线 ab : 固相线 L : 液相区 S : 固相区 L+S:液固共存区
b
B
一）匀晶相图（固溶体结晶）
• 组成二元合金的两组元在液态和固态均能无 限互溶的合金所形成的相图称为二元匀晶相图。
1. 相图分析
温 度
L
2.杠杆定理只适合两相区，并 只能在平衡状态下使用
2 合金的平衡结晶过程及其组织
（1）固溶体合金（合金Ⅰ）
成分位于M点以左（即 wSn≤19%）或N点以右（即 wSn≥97.5%）的合金称为固 溶体合金 合金Ⅰ的冷却曲线和结晶过 程如图所示
液态合金缓冷至温度1，开始从L相中结果出α固 溶体。随温度的降低，液相的数量不断减少，α固 溶体的数量不断增加，至温度2合金全部结晶成α 固溶体。温度2~3范围内合金无任何转变，这是匀 晶转变过程。冷却至温度3时，Sn在α中的溶解度 减小，从α中析出β是二次相（βⅡ）。Α成分沿固 溶线MF变化，这一过程一直进行至室温，所以合 金Ⅰ室温平衡组织为（α+ βⅡ ）。
不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶 剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力 增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶 入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高 的现象，称为固溶强化。
固溶体中的晶格畸变示意图 a)间隙固溶体 b)置换固溶体
三、二元合金相图
合金
( alloy ) 组元 ( element ) 相 ( phase ) 显微组织 ( microscopic structure )
机械工程材料与热加工工艺1第二章
fcc 4 12 74% 0.41r γ-Fe.AI.Cu. 最紧排列
bcc 2 8 68% 0.29r α-Fe.Cr.W. 次紧排列
hcp 6 12
74% 0.41r Mg.Zn.Be 最紧排列
三、金属的实际晶体结构与晶体缺陷
1. 单晶体 多晶体
单晶体具有各向异性
晶体的各向异性： 晶体不同方向上的性能差异
工业用金属一般是多晶体---- 多个单晶体（晶粒） 组成 呈现出各向同性
几个名词：晶界
亚晶粒:晶粒内部不同晶格位向的区域.
亚晶界
2、实际金属的晶体缺陷
金属中原子排列的不完整性 (1)点缺陷—空位,间隙原子（离位原子）.
置换 原子 特点：三维尺寸都很小 (2)线缺陷—位错（位错线） 特点：二维尺寸都很小，另一维尺寸相对较长 以位错密度表示 “ρ” 单位 cm/cm3或cm2 (3)面缺陷—晶界,亚晶界 “亚晶”（界） 特点：一维尺寸很小，另二维尺寸相对较大 晶体缺陷并非一成不变
┗溶质原子溶入溶剂中形成的固溶体,使金
属的强度.硬度升高的现象称为固溶强化。
一种强化方式，提高材料机性的主要途径 之一
固溶体σb↑. HB↑,但仍不高,仍保持相当δ.ak,工 业常用作基本相,还需强化相---金属化合物。
2.金属化合物
合金中的两组元相互作用而形成的一种新相，它 的晶体结构.性能.熔点与两组元都不同，并具有金 属特征，这种相称为金属化合物 。
二元合金相图的基本类型
各组元仍保持原来的晶格类型；强度.硬度高于单 一固溶体，但塑性、可锻性不如单一固溶体。 ∴ 锻钢先加热→单一固溶体（A），再锻打。
组织----显微镜下看到的具有一定形貌或形态的部 分称为组织。有单相.多相
第2章 金属及合金相的晶体结构
1. 面心立方结构
面心立方结构金属：γ-Fe, Al, Cu, Ni, Au, Ag和Pt等。
结构符号A1，Pearson符号cF4。 每个晶胞含4个原子。
面心原子shared by 2 cells: 6 x 1/2 = 3 顶角原子shared by 8 cells: 8 x 1/8 = 1
略受压缩的八面体间隙； 八面体间隙中心位于棱边中心和面心 八面体间隙半径: r=1/2(a-2R)
r≈0.155 R 晶胞含6 (6×1/2+12×1/4 )个八面体间隙。 平均1个原子3有个八面体间隙。
非正四面体间隙。 四面体间隙半径: r= (a√5/4-R)
r≈0.291 R 晶胞含12 (4 ×6 ×1/2)个四面体间隙。 平均1个原子含6个四面体间隙。
ZA, ZB 为A、B组元价电子数， VB为B组元摩尔分数。
1933年，Bernal 建议称之为电子化合物。 Massalski认为称其为电子相更恰当。
§2.12正常价化合物
正离子价电子数正好能使负离子具有稳定的电子层结构，即 AmBn化合物中，meC=n(8-eA), 结合一般是离子键。 eA和eC分别是正和负离子在非电离状态下的价电子数。
§2.13 拓扑密堆积相(TCP相)
在很多化合物结构中，原子尺寸起主要作用，并倾向于紧密堆 垛，称为拓朴密堆相，包括间隙化合物、Laves、σ相等。
间隙化合物
由原子半径r比较大的过渡金属（M）与r比较小的H, B, C, N, O, 等非金属组成的化合物，非金属原子占据金属原子结构间隙。 具有金属光泽和导电性的高熔点、高硬度较脆的化合物。
§2.9间隙固溶体
面心立方结构
r=0.414R
r=0.225R
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶第一节 金属的晶体结构自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。
晶体与非晶体的区别表现在许多方面。
晶体物质的基本质点（原子等）在空间排列是有一定规律的，故有规则的外形，有固定的熔点。
此外，晶体物质在不同方向上具有不同的性质，表现出各向异性的特征。
在一般情况下的固态金属就是晶体。
一、晶体结构的基础知识（1）晶格与晶胞为了形象描述晶体内部原子排列的规律，将原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点连接起来，这样构成的空间格子称为晶格（图2-1）晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞（图2-1），它具有很高对称性。
（2）晶胞表示方法不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。
结晶学中规定，晶胞大小以其各棱边尺寸a 、b 、c 表示，称为晶格常数。
晶胞各棱边之间的夹角分别以α、β、γ表示。
当棱边a b c ==，棱边夹角90αβγ===︒时，这种晶胞称为简单立方晶胞。
（3）致密度金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。
二、三种典型的金属晶格1、体心立方晶格晶胞示意图见图2-2a。
它的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，其致密度为0.68。
属于该晶格类型的常见金属有Cr、W、Mo、V、α-Fe等。
2、面心立方晶格晶胞示意图见图2-2b。
它的晶胞也是一个立方体，立方体的8个顶角和立方体的6个面中心各有一个原子，其单位晶胞原子数为4个，其致密度为0.74（原子排列较紧密）。
属于该晶格类型的常见金属有Al、Cu、Pb、Au、γ-Fe等。
3、密排六方晶格它的晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个顶角和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，晶胞示意图见图2-2c。
其单位晶胞原子数为6个，致密度也是0.74。
属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。
02第二章 金属的晶体结构与结晶
放大100∼2000倍的组织称高倍组织或显微组织。 在电子显微镜下放大几千∼几十万倍的组织称精细组织或电镜组
织。
显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的
形态、数量、大小和分布的组合。
二、合金的相结构
1、固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之
理工艺的重要依据。
根据组元数, 分为二元相图、三元相图和多元相图。
Fe-C二元相图
三元相图
1. 二元相图的建立
几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用
的是热分析法。
二元相图的建立步骤为：[以Cu-Ni合金(白铜)为例] 1、配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线 上的相变点（停歇点或转折点）。 2、在温度-成分坐标中做成分垂线，将相变点标在成分垂线上 3、将这些相变点连接起来，即得到Cu-Ni相图。
因而细晶粒无益。但晶粒太粗易产生应力集中。因而
高温下晶粒过大、过小都不好。
2.细化晶粒的方法
晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。
单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。
单位时间内晶核生长的长度
叫长大速度(G)。
N/G比值越大，晶粒越细小。 因此，凡是促进形核、抑制长 大的因素，都能细化晶粒。
第二章 金属的晶体结构 与结晶
不同的金属具有不同的
力学性能，主要是由于材 料内部具有不同的成分、
组织和结构。
第一节 金属的晶体结构
一、晶体与非晶体
晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属
主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条 件下晶体和非晶体可互相转化。
T= T0 –T1
第二章(1)金属的结构与结晶
细化晶粒的途径
❖ 提高冷却速度、增大过冷度过冷度对N、G的影响
V冷
△T
N/G 晶粒细小
V 在铸造生产中，用金属型代替砂型，增 冷 大金属型的厚度，降低金属型的预热温度等
❖ 变质处理：加入一些细小变质剂，增大形核率，
减低长大速率。
❖ 机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。
光学金相显示的纯铁晶界
多晶体示意图
晶体缺陷 ( crystal defect )
点缺陷
线缺陷 面缺陷
点缺陷(point defБайду номын сангаасct)
空位 (vacancy)
间隙原子 (gap atom)
置换原子 (substitutional atom)
a. 空位：晶格中某些缺排原 子的空结点。 b. 间隙原子：挤进晶格间隙 中的原子。可以是基体金属 原子，也可以是外来原子。
密排面 数量 密排方向 数量
体心立方晶格 {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 底面对角线 3
三种常见晶格的密排面和密排方向
密排面:﹛110﹜，数量: 6
体心立方晶格 密排方向:<111>，数量: 4
密排面:﹛111﹜，数量: 4
金
金
属 的
属 的
树
树
枝
枝
晶
晶
金 属 的 树 枝
冰 的 树 枝 晶
晶
（3）金属结晶后的晶粒大小
一般来说，细晶粒金属具有较高的强度 和韧性。为了提高金属的力学性能，希 望得到细晶组织。
3、决定晶粒度的因素
晶粒大小取决于形核的数目和长大的速度。 形核率（N）：单位时间单位体积内形成晶核
第二章金属的晶体结构与结晶详解
晶胞：能够完全反映 晶格特征的、最小的 几何单元称为晶胞
在晶体学中，通常取晶胞角 上某一结点作为原点，沿其 三条棱边作三个坐标轴X、 Y、Z，并称之为晶轴，而 且规定坐标原点的前、右、 上方为轴的正方向，反之为 反方向，并以（晶格常数） 棱边长度和棱面夹角来表示 晶胞的形状和大小 。
整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的 晶胞在空间重复堆积而成的。
3、晶面、晶向
•在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶 面。 •任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指 方向称为晶向。
二、常见金属的晶格类型
原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两 原子之间距离的一半。 晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的 原子数目。 致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数， 即K = n v′/ V 。 式中，n为晶胞所含原子数 v′为单个原子体积
三、金属的结晶过程
结晶时晶体在液体中从无到有（晶核形成），由小变 大（晶核长大）的过程，同时存在同时进行。
金 属 结 晶 过 程 示 意 图
晶核的长大方式—树枝状
金 属 的 树 枝 晶
金 属 的 树 枝 晶
冰 的 树 枝 晶
四、晶粒大小对金属力学性能的影响 晶粒的大小对金属的力学性能、物理性能和 化学性能均有很大影响。 细晶粒组织的金属强度高、塑性和韧性好、 耐腐蚀性好。作为软磁材料的纯铁，晶粒越 粗大，则磁导率越大，磁滞损耗减少。 金属结晶后晶粒大小取决于形核率N[晶核形 成数目（mm3.s）]和长大率G（mm/s）
（３）面缺陷（晶界和亚晶界） 面缺陷使金属强度、硬度增高，塑性变形困难 ——“细晶强化”。
第二节 纯金属的结晶与铸锭 （二、三节合并）
• • • • • 凝固与结晶的基本概念 冷却曲线和过冷现象 金属的结晶过程 晶粒大小对金属力学性能的影响 金属的铸态组织
第2章 合金的结构与结晶
二、共晶系合金的平衡结晶及组织
共晶合金
f
图2-10 共晶合金结晶示意图
返回
二、共晶系合金的平衡结晶及组织
共晶合金
图2-11
Pb-Sn共晶合金组织示意图
返回
室温下：相组成物α，β
组织组成物：（α+β）共晶体 （α+β）%=100%
返回
二、共晶系合金的平衡结晶及组织
成分小于C点的合金
返回
2．典型合金平衡结晶过程分析
合金I结晶过程示意图
图2-18
合金1结晶过程示意图
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2．典型合金平衡结晶过程分析
合金Ⅱ结晶过程示意图
图2-19 合金Ⅱ结晶过程示意图
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2．典型合金平衡结晶过程分析
合金Ⅲ结晶过程示意图
图2-20 合金Ⅲ结晶过程示意图
返回
§6 其他类型的二元系合金相图
室温下：相组成物α，β
在共晶温度时组织相对量：
室温下：a初--->α+βII
图2-14
亚共晶合金组织示意图
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二、共晶系合金的平衡结晶及组织
过共晶合金
返回
三、伪共晶和密度偏析
伪共晶：非共晶成分的合金获得全部共晶组织的现象。
伪共晶示意图
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三、伪共晶和密度偏析
比重偏析：结晶的晶体密度与其剩余的液体密度相差较大， 晶体上浮或下沉。凝固后合金的上下部分不同的现象，称 之为“密度偏析”
枝晶偏析(晶内偏析)：在晶粒内化学成分不均匀的现象称为枝 晶偏析。 出现枝晶偏析后，使合金材料的机械性能、耐蚀性能和加工工 艺性能变坏。
金属的晶体结构合金的晶体结构
2.1 合金的晶体结构
➢ 合金中的各种相是组成合金的基本单元，而合金 组织则是合金中各种相的综和体。
➢ 一种合金的力学性能不仅取决于它的化学成分， 更取决于它的显微组织。
➢ 金属通过热处理可以在不改变化学成分的前提下 获得不同的组织，从而获得不同的力学性能。
2.1 合金的晶体结构
二、合金晶体结构的类型
由于溶剂晶格的间隙有限，所以间隙固溶体只能 是有限溶解溶质原子。
2.1 合金的晶体结构
➢固溶体的性能
由于溶质原子的溶入，固溶体发生晶格畸变，变 形抗力增大，使金属的强度、硬度升高的现象称为固 溶强化。它是强化金属材料的重要途径之一。
2.1 合金的晶体结构
2、金属化合物 金属化合物是合金组元间发生相互作用而生
位错线的密度可用单位体积 内位错线的总长度表示。位 错密度愈大，塑性变形抗力 愈大。因此，目前通过塑性 变形，提高位错密度，是强 化金属的有效途径之一。
2.1 金属的结构
（3）面缺陷ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
面缺陷即晶界和亚晶界。 ➢ 晶界：晶粒之间原子无规
则排列的过渡层,又称大角 度晶界。 ➢ 亚晶界：晶粒内部亚组织 之间的边界，一系列刃型 位错所形成的小角度晶界。
晶界和亚晶界处表现出有较高的强度和硬度。 晶粒越细小晶界和亚晶界越多，它对塑性变形的阻碍作用就越大， 金属的强度、硬度越高。
2.1 合金的晶体结构
一、基本概念
1、合金 是由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属
组成的具有金属特性的物质。
例：碳钢是铁和碳组成的合金。
2、组元 组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，简
第二章 金属的晶体结构与结晶
第一节 金属的结构 第二节 合金的晶体结构
第二章 金属学的基本知识
§ 2.1 金属与合金的晶体结构
合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫相。合金中相
与相之间有明显的界面。液态合金通常为单相液体。合金在固态下，
由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合 金。
组成合金各相的成分、结构、形态、性能和各相的组合情况构成
了合金的组织。组织是合金的内部情景，还包括晶粒的大小、形状、 种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布，可以用肉眼或借助各
固溶体，如图2-10(b)所示。
由于溶剂晶格的间隙有限，因此间隙固溶体都是有限固溶体。形成间 隙固溶体的条件是溶质原子与溶剂原子的比值r溶质/r溶剂≤0. 59。因此
形成间隙固溶体的溶质元素都是一些原子半径小的非金属元素，如氢、
硼、碳、氮、氧等。
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
应当指出，所形成的固溶体虽然仍保持着溶剂金属的晶格类型， 但由于溶质与溶剂原子尺寸的差别，必然会造成晶格的畸变，如图 2-11。晶格畸变使合金的强度、硬度和电阻升高。这种通过溶人 溶质元素使固溶体的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强 化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制
态的金属和合金。晶体具有一定的熔点，并具有各向异性的特征。
晶体中的原子排列情况如图2-1(a)所示。 2.晶体结构的基本知识 (1)晶格为了便于描述晶体中原子排列的规律及几何形状，人 为地将原子看作一个点，再用一些假想的线条，将原子的中心
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
连接起来，使之构成一个空间格子，如图2-1 ( b)。这种抽象 的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间格子叫做“晶格”。 晶格中的每个点叫做晶格结点。 (2)晶胞由于晶体中原子排列具有周期性特点，因此在研究晶 体结构时，为方便起见，通常只从晶格中选取一个能够完全反映 晶格特征的最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个 最小的几何单元称为晶胞，如图2-1 (c)。实际上整个晶格就是 由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。晶 胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a,b,c及棱边夹角α,β,γ来
第二章晶体结构与结晶
工程材料及机械制造基础
3）晶面族与晶向族 (hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。 与 分别表示的是一组平行的晶向和晶面。 分别表示的是一组平行的晶向和晶面 那些指数虽然不同， 那些指数虽然不同， 但原子排列完全相同 的晶向和晶面称作晶 的晶向和晶面称作晶 向族或晶面族。 向族或晶面族。分别 表示。 用{hkl}和<uvw>表示。 和 表示
工程材料及机械制造基础
晶态
非晶态
金属的结构
Si2O的结构 的结构
工程材料及机械制造基础
3.金属的晶体结构 3.金属的晶体结构 晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子） 晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方 式。 理想晶体——实际晶体的理想化 1）理想晶体 实际晶体的理想化 三维空间无限延续，无边界 三维空间无限延续， 三维空间无限延续 严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷。 严格按周期性规划排列， 严格按周期性规划排列 是完整的、无缺陷。 原子在其平衡位置静止不动 2）理想晶体的晶体学抽象 空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（ 空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为 晶格结点，构成空间格架） 晶胞（ 晶格结点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小 组成单元） 组成单元）
工程材料及机械制造基础
第二章 晶体结构与结晶 内容: 金属的晶体结构 合金的晶体结构 实际金属的晶体结构 目的: 掌握晶体结构及其对材料的物理化学 性能、力学性能及工艺性能的影响， 性能、力学性能及工艺性能的影响，为 后续课程的学习做好理论知识的准备
工程材料及机械制造基础
第一节 金属的晶体结构 1.晶体与非晶体 晶体与非晶体 晶体
工程材料及机械制造基础
例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为 ， ， 例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1，1.5， 2，求该直线的晶向指数。 ，求该直线的晶向指数。 将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。 。 将三坐标值化为最小整数加方括弧得 例二、已知晶向指数为 例二、已知晶向指数为[110]，画出该晶向。 ，画出该晶向。 找出1， ， 坐标点 坐标点， 找பைடு நூலகம் ，1，0坐标点，连接原点与该点的直 线即所求晶向。 线即所求晶向。
金属的晶体结构与结晶
三、同素异构转变
▪ 某些金属在固态下的晶体结构是不固定的，而 是随着温度、压力等因素的变化而变化，如铁、 钛等，这种现象称为同素异晶转变，也称为重 结晶。
▪ 下面以铁为例子来说明同素异晶转变： α-Fe---------γ-Fe-------------δ—Fe-----------L ▪ BCC （912℃） FCC （1394℃） BCC ▪ 金属的同素异晶转变为其热处理提供基础，钢
3.密排六方晶格（ HCP）
▪ 原子排列方式 ▪ 常见金属 ▪ 原子个数 ▪ 原子半径 ▪ 配位数和致密度
在晶胞的十二个角上各有一个原子， 构成六方柱体。上下底面中心各有 一个原子。晶胞内部还有三个原子， 所以叫做密排六方晶格。
具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉 (Cd)、锌(Zn)、铍(Be) 等。
▪ 在元素周期表一共约有110种元素，其中 80多种是金属，占2/3。而这80多种金属 的晶体结构大多属于三种典型的晶体结 构。它们分别是： 1.体心立方晶格（BCC） 2.面心立方晶格（FCC） 3.密排六方晶格（HCP）
1.体心立方晶格（ BCC） ▪ 原子排列方式 ▪ 常见金属 ▪ 原子个数 ▪ 原子半径 ▪ 配位数 ▪ 致密度 ▪ 间隙半径
致密度
▪ 晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积 之比称为致密度(也称密排系数)。致密度越大, 原 子排列紧密程度越大。 体心立方晶胞的致密度为：
晶胞(或晶格)中有68%的体积被原子所占据, 其余为 空隙。
体心立方晶格的参数
▪ 体心立方晶格
晶格常数：a(a=b=c)
原子半径：r 3 a 4
第二章 金属与合金的晶体结构
一、金属晶体结构基础知识
金属由原子组成。原子的结合方式和 排列方式决定了物质的性能。 金属的性能是由其组织结构决定的， 其中结构指的就是晶体结构。 金属的晶体结构就是其内部原子的排 列方式，因为金属是晶体，所以称为晶 体结构。
纯金属结构与结晶
• 原子半径 ➢ 晶胞中相距最近的两个原子之
间距离的一半。体心立方晶胞 中原子相距最近的方向是体对 角线, 所以原子半径与晶格常 数a之间的关系为：
• 常见金属
R 3 a 4
➢ 钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、α-铁
(α-Fe, <912℃)等。
4.3.2 面心立方晶格（ FCC） • 原子排列方式 ➢ 金属原子分布在立方体的八
2.3.3 密排六方晶格（ HCP） • 原子排列方式 • 十二个金属原子分布在六方体的十二个角上, 在上下底面的
中心各分布一个原子, 上下底面之间均匀分布三个原子。
• 密排六方晶胞的特征：
➢ 晶格常数：用底面正六边形的边长a和两 底面之间的距离c来表达, c/a=1.633，
两相邻侧面之间的夹角为120°, 侧面与 底面之间的夹角为90°。
树枝状长大的实际观察
树枝状结晶
金
金
属 的
属 的
树
树
枝 晶
枝 晶
金 属 的 树 枝
冰 的 树 枝 晶
晶
2.5.4 金属结晶后晶粒的大小及力学性能的影响
• 晶粒度：单位体积内晶粒数目。为测量方便，常以单位界 面内晶粒数目
• 对金属材料的影响：
➢ 细晶强化。通过细化晶粒而使金属材料力学性能提高的方
法称为细晶强化。
动画--晶面指数的确定方法
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晶面族
在晶体内凡晶 面间距和晶面上 原子排列分布情 况完全相同，只 是空间位向不同 的一组晶面的集 合称为晶面族。
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（2）晶向指数 • 确定步骤 ➢ 建立坐标系，度量单位 ➢ 求坐标。u’,v’,w’ ➢ 化整数。 u,v,w. ➢ 加[ ]。[uvw]。 • 说明： ➢ 指数意义：代表相互平行、
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第二章合金的结构与结晶绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章要点：1 了解合金在固态下的基本相结构2 了解合金的组织随温度变化的一般规律（二元合金基本相图）3 掌握、分析铁碳合金相图第一节基本概念绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章合金（alloy ） 组元（元）（element ） 相（phase ）显微组织（microscopic structure ）以一种金属为基础，加入其它金属元素或非金属元素，经过熔合而成的具有金属特性的物质。
组成合金的元素，或独立的基本单元。
二元合金钢铁Fe-C 黄铜Cu-Zn 三元合金硬铝Al-Cu-Mg 多元合金保险丝Sn-Bi-Cd-Pb 注意合金系某一合金合金中具有相同成分和相同结构（聚集状态）并以相界面分开的均匀部分。
（不管形貌）在金相显微镜下所观察到的具有某种形貌的部分。
注意：合金的组织可由单相或多相所构成二种或二种以上的组元在固态下互相溶解形成的单一均匀的新相 固溶体(solid solution ) 金属化合物( metallic compound )第二节合金在固态下的相结构一、固溶体（solid solution ） 组成及结构溶剂+溶质=固溶体fcc bcc bcc 绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章特点：（铁素体）体心六方体心F C Fe ⇒+-α化学成分固溶体的化学成份（二组元的相对比例）随温度变化可在一定范围内变化T↓→溶解度↓F （铁素体） 性能具有良好的综合力学性能固溶强化727℃Fe-0.0218%C 室温下Fe-0.0008%C 绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章1）溶质原子在固溶体中的位置划分1 固溶体的分类溶质原子溶剂原子溶质原子溶剂原子置换固溶体间隙固溶体绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章无限固溶体有限固溶体间隙→有限固溶体置换→无限固溶体绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2）溶质在固溶体中的溶解度划分固溶体的表达：δεγβα2固溶体的性能溶质原子对晶格畸变的影响绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章由于溶质原子的加入，将引起溶剂的晶格发生不同程度的畸变，导致固溶体的强度、硬度提高（仍保持良好塑韧性）的现象。
固溶强化( solution strength )固溶强化是一种极为优异的强化方式，几乎所有对综合机械性能要求较高的结构材料都以固溶体作为最基本的组成相。
绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章溶质%↑→晶格畸变↑→固溶强化效果↑二、金属化合物（intermetallic compound ）二种或二种以上的元素按一定的结合方式形成具有金属特性的新相。
1 金属化合物的结构特点绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章1）可用一个化学分子式表示如Fe 3C 2）独特的晶体结构3）熔点高、硬度高、脆性大（作为合金的强化相）例：Fe 3C HB 800 斜方C HB 3 六方Fe HB 80 体心2 金属化合物的分类绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章（1）R 非金属/R 金属≤0.59 简单晶格的间隙化合物（间隙相）1）正常价化合物（normal compounds ）2）电子化合物（electron compounds ）3）间隙化合物（interstitial compounds ）由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。
有极高的熔点和硬度, 非常稳定。
（TiC ） ↑↑钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性。
是高合金钢中的重要组成相。
（K ）很高的熔点和硬度, 但比间隙相稍低些。
如Fe3C 、Cr23C6、Fe4W2C 、Cr7C3等。
在钢中也起强化相作用。
（2）R 非金属/R 金属＞0.59 复杂晶格的间隙化合物3 金属化合物与固溶体的区别1）化学成份固溶体的成份可变随T 变化则在一定范围内变化金属化合物成份不变是按一定的原子数化合2）晶体结构固溶体——保持溶剂的晶体结构化合物——具有独特的晶体结构3）性能固溶体的硬度＜金属化合物固溶体的塑性＞金属化合物绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章三、合金中相结构的组成方式1 由单相固溶体构成（F ）2 由多相构成（机械混合物）2）固溶体+金属化合物（F+Fe 3C ）机械混合物的特点：结构有明显的相界面成分介于组成相之间（不是平均值）性能取决于组成相的大小、数量及分布1）固溶体+固溶体)(βα+绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章①合金中的各组成相是如何形成的?②合金中各相的数量以及分布规律如何?③合金的成份—组织—性能之间的关系?绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章第三节二元合金相图一、概念1 相图( phase diagram )在极其缓慢地冷却条件下，所测定的合金其成份、温度和组织之间关系的图形。
1）纯金属的相图可用一个温度轴表达2）二元合金的组织状态),(C T f 2 相图表达法：绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章别称：平衡图、状态图等二、相图的建立（以Cu-Ni 合金为例）组元Cu Ni 晶格类型fccfcc熔点1083℃1455℃合金10%100%合金220%80%合金340%60%合金460%40%合金580%20%合金6100%0%1 配制不同成分的Cu-Ni 合金绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2 热分析法建立相图时间温度温度Cu Ni60402080100%Ni 40%Ni 60%Ni80%Ni 100%Cu20%Ni 绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章二组元在液态和固态下均无限互溶时所构成的相图。
三、二元相图的基本类型1 匀晶相图温度CuNiAB Cu-Ni 二元合金相图1）图形分析两个点两条线三个相区液相线固相线液相区L 固相区α绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2）结晶过程分析Ni%b21αLα+L b 合金的成分垂线垂线与相线的交点做出冷却速度曲线αLLα（1）单相区中，不论温度怎么变化单相的成份=合金的成份，单相的重量=合金的重量。
（2）两相区中的两个相随温度变化会发生两个变化：①两个相的成分随温度变化分别沿各自的相界线变化（水平温度线）②两个相的相对重量随温度变化也要发生变化（杠桿定律）（3）相区的填写用“差1”法、接触法则绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章Cu温度K21αLα+L 两相区中T 温度下的两个相的成分确定Ni1’2’3’31αC 2αC 3αC 1L 3L C 2L C K 合金的成分垂线过垂线的水平温度线与相线的交点交点在成分轴上的投影T1T2T3绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章Tn ba K杠杆定理求K 合金在Tn 温度下两个相的相对重量⎩⎨⎧=⨯+⨯=+kQ b Q a Q Q L L αα1%100)/(%100)/(⨯=⨯=ab kb Q ab ak Q L αK温度ABαα+L L QQ论第二章第三章第四章第五章第六章第一章两相区中某温度下的两个相的相对重量确定2 共晶相图二组元在液态下无限互溶，在固态下只能有限溶解并发生共晶反应的相图（Pb-Sb 合金）700600500400300200100PbSbCEBF DG Aαβα+β+L Lβα+L Sb%绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章固相线液相线L +αSbC E DF A Sb%1）图形分析αβL三个单相三个单相区、三个两相区、一个三相区相线与特性点L +βα+βL +α+β共晶点（T 、C ）共晶线共晶合金亚共晶合金过共晶合金αβ)(CT L βα+⇒=共晶体（机械混合物）α当第二相以细小的颗粒弥散的分布在固溶体的基本上，使合金的强度和硬度升高的现象---弥散强化12）结晶过程分析L +αβL +βα+βCE DSb%αL 11’Ⅰ)(D C E L βα+⇒)(βα+L)(βα+L L(βα+L +αβL +βα+β600500400300200PbSbC E BDF GASb%αL 100温度Ⅱ12122’LLLαLα)(DC E L βα+⇒α∏βⅡ（α+β）β+（α+β）+αⅡα+βⅡβ+αⅡαL)(D C βα+α)(D C βα+∏β)(βα+α合金的结构与结晶1 相图=组织图2 求相组成物和组织组成物的方法相区中的组成物相组成物组织组成物绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章例题α+L 300200100C E FαL3.511.1杠桿定律仅适用于两相区！！5问题：相组成物的相对量？3 共析相图温度B%→ABγγ+L αβγ+γα+βα+βLCDE绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章四.二元相图与性能之间的关系AB B A BABABA B ABA A BA B AB温度温度温度温度流动性硬度强度硬度强度集中集中绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章普通的碳钢和铸铁均属于铁碳合金，合金钢和合金铸铁也是在铁碳合金的基础上，有意的加进某些合金元素而得到的，因此铁和碳是组成钢铁材料的最基本的二个组元。
由铁和碳二个组元构成的相图—铁碳合金相图。
Fe3CFe2CFeC 温度Fe CC%→6.69第四节铁碳合金相图(Iron –Carbon Phase Diagram)绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章合金的结构与结晶研究Fe-Fe 3C 相图的意义1 了解并掌握铁碳合金在平衡状态下随温度变化，组织转变的一般规律。
2 了解铁碳合金的成份—组织—性能之间的关系。
绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章一、相图分析CS 1148℃727℃LAL+A L+ Fe3CF A+ Fe3CE PF+ Fe3C6.69二条水平线构成合金中的所有组织四个基本相共晶相图共析相图1 铁碳合金的基本相结构与性能1）铁素体FC 原子R=0.077nm 间隙R=0.0182nm （3）性能和纯铁性能相近（软相）C 在a -Fe 中的有限固溶体（bcc ）（1）结构（2）成份Max C%→727℃的P 点0.0218%CMin C%→室温的Q 点0.0008%CT↓→C%↓（有溶解度变化）绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2）奥氏体AC 原子R=0.077nm 间隙R=0.0535nm（2）成份max C%→1148℃的E 点2.11%C727℃为0.77%C S 点T↓→C%↓（有溶解度变化）C 在γ-Fe 中的有限固溶体（fcc ）（1）结构（3）性能在Fe-C 合金中属于高温相δ↑、HB↓→锻造性↑绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章3）渗碳体Fe 3C （金属化合物）（1）结构金相形态：根据形成条件不同有五种一次渗碳体Fe 3C Ⅰ条状二次渗碳体Fe 3C Ⅱ网状三次渗碳体Fe 3C Ⅲ网状共晶渗碳体Fe 3C 基体共析渗碳体Fe 3C 片状（2）成分化学成份一定 6.69%C （3）性能高熔点、高硬度、高脆性（三高）其形态、大小及分布对合金的性能产生重大影响复杂的钭方晶格绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章2 相图中重要的点和线AC DGS 1148℃727℃LAL+A L+ Fe3CF A+ Fe3CKE PF QFe3CFe F+ Fe3C4.30.772.116.69℃dCL C Fe A L )(311.211483.40+−−→←PC Fe F A C)(30218.072777.00+−−→←A→Fe 3C ⅡT 1148℃→727℃C 0.77C%→6.69C%T↓→F C%↓ F→Fe 3C ⅢT 727℃→室温C Q 点→6.69C%忽略不计T↓ A→F 另：DC 线L→Fe 3C Ⅰ珠光体L+ Fe3C合金的结构与结晶ACDG1148℃727℃LAL+A F A+ Fe3CKE PFQC%→Fe F+ Fe3C4.30.77 2.116.69℃3 填相区及合金分类钢白口铸铁S 亚共析钢过共析钢共析钢亚共晶白口铁过共晶白口铁共晶白口铁0.0218Fe3C差“1”法相区接触法合金的分类绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章13’2二、结晶过程分析AC GS 1148℃727℃LAL+AL+ Fe3C F A + Fe3CEPFQF + Fe3C6.69℃ 1 共析钢(eutectoid steel)ⅠⅠ3123L LLAAA LA P PC Fe F A )(302.077.0+⇒时间P142 亚共析钢(hypoeutectoid steel )ⅡAC GS 1148℃727℃LAL+A L+ Fe3C F A + Fe3CEP FQF + Fe3C6.69℃123Ⅱ时间2344’LLA A ALPC Fe F A )(302.077.0+⇒P PFAF F A AF PF+PAC GS 1148℃727℃LAL+A L+ Fe3CF A + Fe3CE PFQF + Fe3C6.69℃F+P143 过共析钢(hypereutectoid steel )Ⅲ123Ⅲ时间2344’LLA A ALPC Fe F A )(302.077.0+⇒Fe 3C ⅡPAA P AFe 3C ⅡP+Fe3C ⅡPFe 3C ⅡFe 3CP+Fe3CⅡCDS1148℃727℃LAL+A L+ Fe3CFA+ Fe3CKEPFQF+ Fe3C6.69P1.2%C共析反应刚刚结束组织组成物相组成物问题：室温下如何求？F+P（P+Fe 3C Ⅱ+Fe 3C ）Ld’Ld’LAFe 3C Ld 1L℃A + Fe3CAC GS 1148℃727℃AL+AL+ Fe3C F EPFQFe F + Fe3C4.30.772.116.69F+PPP+Fe 3C ⅡFe3C14 共晶白口铁(eutectoid white iron )ⅣL时间21’2’L→（A+Fe3C ）2ⅣLLd Fe 3C AA Fe 3C Ⅱ网AFe 3CFe 3C ⅡA→（F+Fe 3C)PAPFe 3CFe 3C ⅡP+Fe3C Ⅱ+Ld’Ld’ +Fe3C ⅠA+Fe 3C Ⅱ+Ld Ld+Fe 3C ⅠLdⅠFe 3C ⅡPFFe 3C三、含碳量对组织组成物、相组成物的相对量的影响FLd’Fe 3C Ⅰ相组成物组织组成物0.0218G727℃AF A+ Fe3CK P Q C%→Fe F+ Fe3C4.30.77 2.116.69S Fe3C 绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章四、含碳量对钢的力学性能的影响Fe 3C ⅡPFFe 3C FLd’Fe 3C Ⅰ相组成物组织组成物C%→1.4性能bσHBϕδka 成分-组织-性能的关系1）δ↑、↑（F%↑）低碳钢（0.10-0.25%C ）2）良好综合机性（P%↑）中碳钢（0.25-0.6%C ）3）HB↑耐磨性↑（Fe3C%↑）高碳钢（0.6-1.4%c ）k a 绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章L+ Fe3CACG1148℃727℃LAL+A F A+ Fe3CE PFQC%→Fe F+ Fe3C4.30.772.116.69℃S 亚共析钢过共析钢共析钢亚共晶白口铁过共晶白口铁共晶白口铁五、Fe -Fe3C 相图的应用1 选材2 热加工艺 热处理锻造 铸造淬火温度锻轧温度绪论第二章第三章第四章第五章第六章第一章本章小结一、合金在固态下的基本相结构二、合金的结晶可以用相图来分析1 相图的分析法2 非平衡结晶三、铁碳合金相图1 铁碳合金的基本相结构及性能2 铁碳合金相图分析考点:。