工程材料—金属材料的结构与组织ppt课件

➢ 体心立方点阵（BCC）： α-Fe , V, Nb, Ta, Cr, Mo, W
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a）晶胞中的原子数
n = 8×1/8+1 = 2
b）点阵常数与原子半径
原子半径：密排最邻近两原子间距的一半
➢ 体心立方点阵（BCC）： α-Fe , V, Nb, Ta, Cr, Mo, W
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c）致密度（APF)=
✓ Fe淬火时发生固态相变FCC →BCC ，导致体积膨胀； ✓ C在γ-Fe（FCC）中的溶解度远大于α-Fe（BCC）。
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2.金属晶体中的晶面和晶向
晶体中各方位上的原子面称晶面。
各方向上的原子列称晶向。
表示晶面的符号称晶面指数。
c
表示晶向的符号称晶向指数。
阵点坐标 op ua vb wc b
b. 从任一原子出发，围绕位错以一 定的步数作一右旋闭合回路
c. 在完整晶体中，按同样的方向和 步数作相同的回路，该回路封闭， 由终点向起点引一矢量，使该回 路闭合，即为位错的伯氏矢量
刃型位错的伯氏矢量b-特点：其与位错线ζ- 垂直。
➢ 伯氏矢量
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螺型位错的伯氏矢量
有位错的晶体
完整晶体
螺型位错的伯氏矢量b-特点：其与位错线ζ-平行。
晶体的基本概念
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✓ 原子半径：晶胞中原子密度最 大方向上相邻原子间距的一半。
✓ 晶胞原子数：一个晶胞内所包 含的原子数目。
✓ 配位数及致密度：配位数是指 晶格中与任一原子距离最近且 相等的原子数目。
✓ 致密度：晶胞中原子本身所占 的体积百分数。
1. 三种常见的金属晶体结构
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面心立方结构（A1）face - centred cubic lattice 常见金属晶体结构 体心立方结构（A2）body - centred cubic lattice
称作晶向族或晶面族。分别用<uvw>和{hkl}表示。
3）晶面族与晶向族
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说明： ① 在立方晶系中，指数
相同的晶面与晶向相 互垂直。 ② 遇到负指数，“-”号 放在该指数的上方。
③ 晶向具有方向性，如 [110]与[-11-0]方向相反。
[110] Z
(221)
X
[110] [221]
Y
4）晶面及晶向的原子密度
2. 金属化合物
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合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相 同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的 熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。
1). 正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si 2). 电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。
电子浓度为价电子数与原子数的比值。 3). 间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、H等小
a
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1） 晶向指数
求法：
c
1）确定坐标系
2）过坐标原点，作直线与待 [101]
求晶向平行；
3） 在该直线上任取一点，并
[111]
确定该点的坐标（x，y，z）
4）将此值化成最小整数u，v，
w并加以方括号[u v w]即是。
[100]
*指数看特征，正负看走向 a
[210]
（代表一组互相平行，方向一致的晶向）
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Cr23C6的晶体结构
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1. 基本概念：晶格、晶胞、晶格常数、合金、相 2. 三种常见金属的晶体结构特征 3. 立方晶系的晶向指数和晶面指数的标定 4. 点缺陷的类型 5. 位错的类型及其特征 6. 相的分类及其特征 7. 固溶强化及其原因
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一、填空题
1. 同非金属相对，金属的主要特征是（
组成合金的元素可以是全
黄铜
部是金属，也可是金属与 非金属。
组成合金的元素相互作用 可形成不同的相。
Al-Cu两相合金
1.1.2 合金的晶体结构
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所谓相是指金属或合金中凡
单相 合金
成分相同、结构相同，并与
其它部分有界面分开的均匀
组成部分。
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。
➢ 伯氏矢量
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➢ 位错的特点：
a. 晶格畸变，产生内应力； b. 刃型位错易吸纳异类原子； c. 位错易移动； d. 正负刃型位错可相消； e. 刃型位错可攀移。
位错密度：单位体积内所 包含的位错线总长度。
(3)面缺陷—晶界与亚晶界
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晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5~10个 原子间距，位向差一般为20~40°。 亚晶粒是组成晶粒的尺寸 很 小 ， 位 向 差 也 很 小 (1 ~2 )的小晶块。
布的称有序固溶体。
2）固溶体的性能
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随溶质含量增加, 固溶体的 强度、硬度增加, 塑性、韧 性下降—固溶强化。
产生固溶强化的原因是溶质 原子使晶格发生畸变及对位 错的钉扎作用。
与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、 韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而 塑性和韧性则要高得多。
如：工业纯Al的硬度为35～40HBS，Al-Cu合金为120-145HBS
八面体间隙
四面体间隙
间隙半径为0.414R 间隙半径为0.225R
面心立方晶胞中的空隙位置
➢ 密排六方点阵（HCP）
Be,Mg,Zn,Cd,Zr, Hf, 低温Ti
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n = 12×1/6 + 2 × ½ + 3 = 6
理想状态，c/a=1.633时，a = 2R
CNhcp= 12
三种典型金属结构的晶体学特点
●晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。
晶体的基本概念
立方
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晶格常数：晶胞个边的
六方
尺寸 a、b、c。各棱间
的夹角用、、表示。
四方
✓ 晶系：
菱方
• 根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。 正交 • 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。
• 立方晶系：a=b=c，===90
单斜
• 六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，=120 三斜
3.金属晶体的特性
1）具有确定的熔点 2）具有各向异性
不同晶面和晶向上原子排列的密度不同。
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4.实际金属中的晶体缺陷
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单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。
多晶体：
晶粒：实际使用的金属材料 是由许多彼此方位不同、外 形不规则的小晶体组成，这 些小晶体称为晶粒。
晶界：晶粒之间的交界面。
金属的结构
晶态
非晶态
SiO2的结构
常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性
在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。
1.1.1 纯金属的晶体结构
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晶体的基本概念
✓ 晶格与晶胞
●晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三 维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结 点形成的空间点的阵列称空间点阵。
密排六方结构（A3）hexagonal close - packed lattice
面心立方点阵 FCC
γ-Fe , Al , Ni , Pb , Cu , Ag , Au
体心立方点阵 BCC
α-Fe , V, Nb, Ta, Cr, Mo, W
密排六方点阵 HCP
Be,Mg,Zn,Cd,Zr, Hf, 低温Ti
亚晶粒之间的交界面称亚晶 界。亚晶界也可看作位错壁。
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第1章 材料的结构与性能
1.1.2 合金的晶体结构
1.1 金属材料的结构与性能
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1.1.2 合金的晶体结构
本节重点
1. 合金及相的概念 2. 相的分类及其特征 3. 固溶强化及其原因
1.1.2 合金的晶体结构
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合金是指由两种或两种以 上元素组成的具有金属特 性的物质。
[011]
-
[110] [110]
[010]
b
（x1,y1,z1）,(x2,y2,z2)二点连线的晶向指数：[x2-x1,y2-y11,6z2-z1]
2）晶面指数
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1）确定坐标：按晶格定向方式
2）求截距：晶面与三轴的截距，m(a), n(b), p(c)；
3）取倒数：1/m, 1/n, 1/p
第1章 材料的结构与性能
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材料科学与工程学院
1.1 金属材料的结构与性能
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1.1.1 纯金属的晶体结构
本节重点
1. 晶体学基本概念 2. 三种常见金属的晶体结构特征 3. 立方晶系的晶向指数和晶面指数的标定 4. 点缺陷的类型 5. 位错的类型及其特征
1.1 金属材料的结构与性能
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固体
晶体 是指原子呈规则排列的固体。 非晶体 是指原子呈无序排列的固体。
固态合金中的相分为固溶体
和金属化合物两类。
两相
合金
1. 固溶体
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合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的 固相称固溶体。习惯以、、表示。
1）固溶体的分类 按溶质原子所处位
置 分为置换固溶体 和间隙固溶Fra bibliotek。按溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体。 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分
金属多晶体示意图
晶粒越细小，晶界面积越大。
多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。
4.实际金属中的晶体缺陷
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晶体缺陷：实际晶体中与理想点阵结构发生偏差的区域。
原子的不规则排列产生晶体缺陷。晶体缺陷在材料组 织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中 具有重要作用。
点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如 空位、间隙原子、杂质或溶质原子等。
4）互质化：加括号，记为（h k l）
(001) (111)