02 材料的结构-(《工程材料》机械专业)

体心立方晶格 面心立方晶格
密排六方晶格
2.2 金属的晶体结构——(2)常见金属的晶格类型 体心立方晶格-BCC(body centered cubic)
a=b=c，a，α=β=γ=90° 晶胞原子数：
1+1/8×8=2 原子半径： r= a /4 3 致密度： K=nv/V =2×(4/3πr3)/a3=68%
固态合金中的相—
相；
固溶体和金属间化合物； 如铁碳合金室温下有两个相，铁素体-ferrite碳在体心立 方晶格 α-Fe 中所形成的固溶体， 渗碳体 -cementite 铁和
碳的化合物Fe3C；
组织 ：是指用肉眼或显微镜观察到的不
同组成相的形态、尺寸、分布及各相之间 的组合状态。
2.3 合金的结构与相结构——(1)固溶体
结构上：长程有序，短程有序； 性能上：有无固定熔点；各项同性/异性。
2.2 金属的晶体结构——(1)晶体的基本概念
刚球模型；
空间点阵；
阵点/结点；
晶格；
2.2 金属的晶体结构——(1)晶体的基本概念
Z
c
a
X b Y
晶格： 将空间点阵
用一系列相互平行的 直线连接起来形成的 空间格架。
固溶体—合金中某一组元为溶剂，在其晶格中溶入其
它组元原子 ( 溶质 ) 后形成的一种合金相，仍保持溶剂的 晶格类型；
分为
间隙固溶体和置换固溶体；
Fe-C间隙固溶体
Cu-Ni置换固溶体
2.3 合金的结构与相结构——(1)固溶体
通过溶入某种溶质元素形成固溶体，
而使金属的强度、硬度升高的现象 称为
晶体内部晶格位向完全一致 ——
单晶体；
在工业材料中，很小的一块金属，
也包含着许许多多的小晶体； 每个小晶体的位向是不同的 —— 晶粒； 晶粒与晶粒之间的界面 —— 晶界； 多晶粒组成的晶体结构 —— 多晶 体。
多晶体示意图
硅、Al2O3。
2.2 金属的晶体结构——(4)单晶体与多晶体
物质称为组元，或简称元，可以是纯 元素，也可以是化合物；
多组元组成的金属材料称为 合金 ，
通过熔炼、烧结或其它方法，将两种 或两种以上的金属或金属与非金属元 素结合在一起所形成的具有金属特性 的物质；
2.3 合金的结构与相结构
合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并
以界面相分开的、均匀的组成部分——
面缺陷——晶界的特点
① 原子排列不规则； ② 熔点低； ③ 耐蚀性差； ④易产生内吸附，外来原子易在
晶界偏聚；
⑤阻碍位错运动，是强化部位，
因而实际使用的金属力求获得细 晶粒—细晶强化；
⑥是相变的优先形核部位 。
显微组织的显示
2.3 合金的结构与相结构
组元 ：组成材料最基本的、独立的
铁碳合金中的Fe3C
作业：
The End
第2章 材料的结构
2.1 材料的结合方式
物质由原子组成，原子的结合方
式和排列方式决定了物质的性能； 在凝聚态 ( 液态和固态 ) 下，原子 间距离十分接近，组成物质的原 子、分子或离子间的相互作用力 叫化学键；
原子、分子、离子的具体组合状
态称为结构。
2.1 材料的结合方式——(1)化学键——①离子键

a ，b ，c 晶格常数
晶胞 ：是组成晶格的
最基本的几何单元。
2.2 金属的晶体结构——(1)晶体的基本概念
7种晶系、14种布拉菲点阵
立方
六方
各异的晶体可归类于不同的晶体系统： 三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方、 立方；
四方 菱方
正交
单斜
三斜
2.2 金属的晶体结构——(2)常见金属的晶格类型
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。
2.3 合金的结构与相结构——(2)金属间化合物
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
称金属间化合物；
金属间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。
当合金中出现金属化
合物时，可提高其强 度、硬度和耐磨性， 但降低塑性； 金属化合物也是合金 的重要组成相。

NaCl晶体结构

离子键是由正负电荷的相互 吸引造成的。在带不同电荷 的相邻离子间靠静电引力就 形成了键。离子键的特点是 与正离子相邻的是负离子， 与负离子相邻的是正离子， 如NaCl晶体；
离子晶体具有较高的熔 点，脆性材料，导电性 差。
2.1 材料的结合方式——(1)化学键——②共价键
共价键是一种强吸引力的结合
2.2 金属的晶体结构——(3)晶面与晶向
Z
c
b a
Y
c b
Y
a
X
Байду номын сангаас
X
晶面 - 晶体中各个 晶向 - 晶体中各个 方位上的原子面； 方向上的原子列；
2.2 金属的晶体结构——(3)晶面与晶向 各向异性 不同晶面和晶向上原子密度不同引起性能不同的 现象，区别于非晶体的最重要的标志。
Z Z
Y X
X
Y
2.2 金属的晶体结构——(4)单晶体与多晶体
2a/4
致密度：K=nv/V=4×(4/3πr3)/a3=74%
2.2 金属的晶体结构——(2)常见金属的晶格类型
密排六方晶格-HCP(Hexagonal close-packed)
底边长a，底面间距c
晶格常数：c/a=1.633
晶胞原子数：
1/6×12+1/2×2+3=6 原子半径：1/2a 致密度：74% 配位数：12 Mg、Zn、Be、Cd
配位数：（在晶体中，与某一原子
最邻近且等间距的原子数）： 8 α-Fe、Cr、Mo
2.2 金属的晶体结构——(2)常见金属的晶格类型
面心立方晶格- FCC(face centered cubic)
a=b=c , a, α=β=γ=90 °
晶胞原子数：1/8×8+1/2×6=4 原子半径：r= 配位数：12 γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au
键。当两个相同原子或性质相 近的原子接近时，价电子不会 转移，原子间借共用电子对所 产生的力而结合，形成共价键。 共价键使原子间有很强的吸引 力； Si形成的四面体结构 结合力很大，硬度高，强度大， 脆性大，熔点高，沸点高，挥 发性低，如金刚石、 SiC 、 BN 等。
2.1 材料的结合方式——(1)化学键——③金属键
2.2 金属的晶体结构——(5)晶体缺陷
线缺陷——位错密度及加工硬化
晶体中位错的数量通常用位错密度表示，位错 密度是指单位体积内，位错线的总长度， = S/V(cm/cm3)
位错的存在以及位错密度的 变化，对金属的性能如强度、 塑性、疲劳等都起着重要影 响。如金属材料的塑性变形 与位错的移动有关。冷变形 加工后金属出现了强度提高 的现象（ 加工硬化 ），就 是由于位错密度的增加所致。
金属是由金属键结合而成的，它具
有同非金属完全不同的特性。金属 原子的外层电子少，容易失去。当 金属原子相互靠近时，这些外层原 子就脱离原子，成为自由电子，为 整个金属所共有，自由电子在金属 内部运动，形成电子气。这种由自 由电子与金属正离子之间的结合方 式称为——金属键； 有良好的导电性和导热性，正的电 阻温度系数，不透明，有特有的金 属光泽，有良好的塑性变形能力， 强韧性好。
线缺陷——刃型位错
当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，
该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘
就是刃型位错
2.2 金属的晶体结构——(5)晶体缺陷
线缺陷——螺型位错
2.2 金属的晶体结构——(5)晶体缺陷
线缺陷——电子显微镜下的位错
透射电镜下钛合金中的 位错线(黑线)
高分辨率电镜下的刃 位错（白点为原子）
2.1 材料的结合方式——(1)化学键——④分子键
分子键又叫范德瓦尔键，
是最弱的一种结合键。它 是靠原子各自内部电子分 布不均匀产生较弱的静电 引力，称为范德瓦尔力， 由这种分子力结合起来的 键叫做分子键；
2.1 材料的结合方式——(2)晶体与非晶体
晶体 ：当原子 ( 或分子 )
晶体
非晶体
按一定的几何规律作周 期性排列而形成的聚集 状态； 非晶体 ：当原子 ( 或分 子)为无规则地堆积在一 起形成的一种无序的聚 集状态；
2.2 金属的晶体结构——(5)晶体缺陷
面缺陷——晶界和亚晶界
晶界是不同位向晶粒的
过度部位，交界面，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，位向差也很小的小晶块。
亚晶粒之间的交界面称 亚晶
界，亚晶界也可看作位错壁。
2.2 金属的晶体结构——(5)晶体缺陷
坏了原子的平衡状态使晶格发生扭曲； 性能变化——电阻增大，密度减小，强度和硬 度提高，塑性和韧性下降。
2.2 金属的晶体结构——(5)晶体缺陷
线缺陷
晶体中的线缺陷是各种类型的位错；
位错 ：晶体中的一列或数列原子发
生有规律的错排现象；
刃型位错，螺型位错。
2.2 金属的晶体结构——(5)晶体缺陷
纯铁组织
铅锭宏观组织
晶 粒 示 意 图
沿晶断口
2.2 金属的晶体结构——(5)晶体缺陷
实际晶体中原子规则
排列遭到破坏而偏离 理想结构的区域—— 晶体缺陷；
点缺陷
线缺陷
面缺陷
2.2 金属的晶体结构——(5)晶体缺陷
点缺陷
空位； 间隙原子； 置换原子; 晶格畸变——空位、间隙原子以及置换原子破