金属学第一章2
金属学基础第一章
• 铁磁性材料有铁、钴、镍等，它们在外磁场中能 强烈被磁化。
• 顺磁性材料有锰、铬、钨、钼等，它们在外加磁 场中只是微弱地被磁化。
• 抗磁性材料有铜、锡、铅、锌等，它们能抗拒或 削弱外加磁场对材料本身的磁化作用。
• 铁磁性材料是制造电机、电器中不可缺少的材料 ，如变压器、电机及测量仪表的铁芯是用硅钢片 、工业纯铁制造的。
• 导热性是工程上选择保温或热交换材料、制订加工工艺的 重要依据之一。
4. 导电性
• 材料传导电流的能力称导电性(Electrical conductivity)，用电 阻率ρ来衡量。
• 电阻率越小，金属材料导电性越好。 • 金属导电性以银为最好，铜、铝次之。 • 合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属，如纯铜、纯
al
l2 l1 l1t
• 在工程实际中，许多场合要考虑热膨胀性。 • 铺设铁轨时，两根钢轨衔接处应留有一定空隙，让钢轨在
长度方向有伸缩的余地。
• 在材料的加工过程中更要考虑材料的热膨胀现象，如果表 面和内部热膨胀不一致，就会产生内应力，造成工件的变 形和开裂。
• 紧固件则要求与被紧固部件的线膨胀系数相近。精密仪器 的零件就要求采用线膨胀系数小的材料来制造。
金属材料的性能
导读
• 金属材料之所以在现代工业中获得广泛应用， 主要是由于其具有加工过程和使用过程中所需 要的各种优越性能，金属材料的性能是选择材 料的主要依据。
• 掌握各种金属材料的性能及其变化规律，对于 正确选择和使用金属材料、充分发挥其性能潜 力、保证构件或零件质量是十分重要的。
使 用 性 性能 能 工 艺 性 能
铝，适于制造导电零件和电线。 • 电阻率大的金属或合金，如钨、钼、铁、铬、铝，适于做
金属学
第一章材料的结构重点与难点：在晶体结构中，最常见的面心立方结构（fcc）、体心立方结构（bcc）、密排六方结构（hcp）、金刚石型结构及氯化钠型结构。
内容提要：在所有固溶体中，原子是由键结合在一起。
这些键提供了固体的强度和有关电和热的性质。
例如，强键导致高熔点、高弹性系数、较短的原子间距及较低的热膨胀系数。
由于原子间的结合键不同，我们经常将材料分为金属、聚合物和陶瓷3类。
在结晶固体中，材料的许多性能都与其内部原子排列有关。
因此，必须了解晶体的特征及其描述方法。
根据参考轴间夹角和阵点的周期性，可将晶体分为7种晶系，14种晶胞。
本章重点介绍了在晶体结构中，最常见的面心立方结构（fcc）、体心立方结构（bcc）、密排六方结构（hcp）、金刚石型结构及氯化钠型结构。
务必熟悉晶向、晶面的概念及其表示方法（指数），因为这些指数被用来建立晶体结构和材料性质及行为间的关系。
在工程实际中得到广泛应用的是合金。
合金是由金属和其它一种或多种元素通过化学键合而成的材料。
它与纯金属不同，在一定的外界条件下，具有一定成分的合金其内部不同区域称为相。
合金的组织就是由不同的相组成。
在其它工程材料中也有类似情形。
尽管各种材料的组织有多种多样，但构成这些组织的相却仅有数种。
本章的重点就是介绍这些相的结构类型、形成规律及性能特点，以便认识组织，进而控制和改进材料的性能。
学习时应抓住典型例子，以便掌握重要相的结构中原子排列特点、异类原子间结合的基本规律。
按照结构特点，可以把固体中的相大致分为五类。
固溶体及金属化合物这两类相是金属材料中的主要组成相。
它们是由金属元素与金属元素、金属元素与非金属元素间相互作用而形成。
固溶体的特点是保持了溶剂组元的点阵类型不变。
根据溶质原子的分布，固溶体可分为置换固溶体及间隙固溶体。
一般来说，固溶体都有一定的成分范围。
化合物则既不是溶剂的点阵，也不是溶质的点阵，而是构成了一个新的点阵。
虽然化合物通常可以用一个化学式（如AxBy）表示，但有许多化合物，特别是金属与金属间形成的化合物往往或多或少由一定的成分范围。
01-第一章 金属学基本原理
第一章金属学基本原理金属学是研究金属和合金的成分、组织、性能及其变化规律的一门科学。
学习金属学基础知识，重点在于掌握组织、组织的形成及其变化规律等方面的基本概念和基本原理，因为这是物理金相实验工借以了解各种金属材料的成分、热处理、组织与性能之间关系的基础。
本章的主要内容是：金属及合金的结构和结晶方面的基础知识；合金的基本组织及状态图；有关铁—碳平衡图的一些基本知识。
第一节纯金属的结构与结晶一、纯金属的晶体结构金属晶体是由原子在空间严格按照一定的规律周期性重复排列所构成的，这是把晶格中的原子排列看成是绝对完整的。
其实这是一种完全理想化的晶体结构，因此被称为理想晶体。
但在实际金属晶体中，原子的排列不可能这样规则和完整。
在晶体内部，由于种种原因，在局部区域或局部地带内原子的规则排列往往受到干扰和破坏，形成了各种形式的晶体缺陷。
因此，实际晶体是以结构的规则排列为主，兼有不规则排列，这就是实际金属晶体结构的特点。
金属晶体中缺陷的种类较多，根据晶体缺陷的几何形态特征，可以将它们分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
点缺陷：是指长、宽、高的尺寸都很小（相当于原子的尺寸）的缺陷，包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子以及由它们组合而成的复合点缺陷。
线缺陷：是在两个方向上（晶体的某一个平面上）的尺寸很小，第三个方向的尺寸相对很大的缺陷，是指各类位错。
其中较简单的有刃型位错和螺型位错。
面缺陷：是在两个方向上尺寸很大，而第三个方向上尺寸很小的缺陷。
有晶界、亚结构、相界、孪晶界和堆垛层错等。
1.空位和间隙原子金属晶体中的原子应处在晶格的结点上。
但在实际金属晶体结构中，并非每个结点都有原子占据，而在某些应该占据原子而实际空缺的结点位置称为空位。
见图1－1。
晶格内部除了原子占有绝大部分体积外，还有空隙存在，其中某些尺寸较大的空间有可能被原子挤入，这种占据晶格空隙的原子称为间隙原子，见图1－1。
在空位和间隙原子的附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使其周围的其他原子发生靠拢（如空位附近的原子）或撑开（如间隙原子附近的原子）的现象，这种变化称为晶格畸变，见图1－2。
金属学名词解释
金属学名词解释金属学名词解释第一章：金属的晶体结构金属：具有正的电阻温度系数的物质，其电阻岁温度的升高而增加。
晶体：原子在三维空间作有规则的周期性排列的物质。
它具有一定的熔点并且各向异性。
晶体结构：晶体中原子在三维空间有规则的周期性的具体排列方式。
阵点：为了清楚地表明原子在空间排列的规律性，常常将构成晶体的原子（或原子群）忽略，而将其抽象为纯粹的几何点，称之为阵点空间点阵：由阵点有规则的周期性重复排列所形成的三维空间阵列。
晶格：将阵点用直线连接起来形成的空间格子。
晶胞：能够反映晶格特征的最小几何单元。
晶面：在晶体中，由一系列原子所组成的平面称之为~ 晶向：在晶体中，任意两个原子之间的连线所指的方向。
多晶体：凡是由两颗以上晶粒所组成的晶体能量起伏：对于一个原子来说，这一瞬间能量可能高些，另一瞬间反而可可能低些的现象刃型位错：1.有一额外半原子面，2 位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，既有正应变又有切应变，3位错线与晶体滑移方向相垂直，位错线运动方向垂直于位错线。
4，柏氏矢量与位错线垂直。
螺型位错：1没有额外半原子面，2位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，只有切应变，而无正应变，3位错线与晶体滑移方向相平行，位错线运动方向垂直于位错线。
4，柏氏矢量与位错线平行。
晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面。
亚晶界：由直径为10-100μm的晶块组成，彼此间存在极小的位相差（通常<2°）这些晶块之间的内界面称为亚晶粒间接，简称~层错：在实际晶体中，晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一种晶体缺陷，是通常发生于面心立方金属的一种面缺陷。
相界：具有不同晶体结构的两相之间的分界面。
有共格，半共格，非共格三种。
第二章：纯金属的结晶结晶：金属由液态转变为固态的过程称谓凝固，由于凝固后的固态金属通常是晶体，所以又将这一转变过程称谓~过冷度：金属的理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn之差，金属不同，则过冷度大小不同，金属的纯度越高，则过冷度越大，当以上两因素确定后，过冷度的大小主要取决于冷却速度，冷却速度越大，则过冷度越大，实际结晶温度越低，反之，冷却速度越慢，则过冷度越小，实际结晶温度越接近于理论结晶温度。
《金属学与热处理》课件
本课程将介绍金属学基础、金属热力学、金属相变、金属缺陷与强化、金属 热处理以及金属表面处理，让您掌握金属材料与加工的基本知识。
第一章 金属学基础
1
金属的组成
金属是由原子或离子通过共用自由电子结合而成，是导热、导电、延展、可塑性 极强的物质。
2
金属的晶体结构
金属是具有整齐排列、具有规律性的晶体结构。晶格是六面体密排结构。
3
金属的晶界和位错
晶界是晶体内部不同晶粒相交界面。位错是晶粒中原子或离子排列存在的缺陷。
第二章 金属热力学
热力学第一定律
能量可以从一种形式转换成 另一种形式，但能量总量不 变。
热力学第二定律
热量不会自己从低温转移到 高温物体，只有在做功或吸 收外界热量的情况下才可以。
热力学第三定律
在温度绝对零度的情况下， 能量变为零。
2 热处理设备
有固体加热炉、电阻炉、气体加热炉、水加热炉等。
3 热处理工艺控制
包括加热速度、加热温度、保温时间、冷却速度等控制参数。
第六章 金属表面处理
金属表面处理方法
包括化学处理、机械加工、电 化学处理、热处理、电镀等多 种方法。
金属表面处理工艺流程
表面清洁、表面活化、表面处 理、表面涂装等环节组成。
产生于晶体生长、切割、变形等过程中。
包括薄亚晶带、位错、蠕变加工硬化带。
3
面缺陷
是金属晶体的缺陷，其形状是哑铃、孔
强化机理
4
等。表现为晶界、裂纹等。
金属材料经过不同的加工或处理过程， 可以获得不同的强度、硬度、延展性等
性能。
第五章 金属的热处理
1 热处理工艺
是在一定的加热、保温和冷却条件下，对金属材料进行组织和性能控制的工艺。
金属学名词解释
第一章：金属与合金的晶体结构【金属键】金属正离子与自由电子之间相互作用构成的金属原子间的结合力称为“金属键”。
【晶体结构】指晶体中原子（离子、分子或原子集团）在三维空间中有规律的周期性的重复排列方式【空间点阵】指阵点有规律的周期性的重复排列所形成的空间几何图形【晶格】人为的将阵点用直线连接起来形成的空间格子【晶胞】能够完全反应晶格特征的最小几何单元【配位数】指晶体结构中与任一原子最近邻、等距离的原子数目【晶向族】指同一晶体结构中，原子排列相同但空间位向不同的所有晶向【晶面族】指同一晶体结构中，原子排列完全相同但空间位向不同的晶面【共带面】平行于或相交于同一直线的一组晶面【晶体的各向异性】指沿晶体的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致的晶体在不同方向上的物理化学性质不同，称为“晶体的各向异性”。
【伪等向性】指一般情况下整个晶体不显示各向异性称为“伪等向性”。
【多晶型转变】（又称同素异构转变）指外部条件改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变。
【合金】由两种或以上的金属，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。
【组元】组成合金最基本的、独立的的物质【合金相】（又称相）指合金中结构相同、成分性能均一并以界面相互分开的组成部分。
【置换固溶体】指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体【间隙固溶体】当溶质原子比较小时，能够进入溶剂晶格的间隙位置内，这样形成的固溶体称为“间隙固溶体”。
【有限固溶体】指一定限度内溶解但超过这一限度便不再溶解的固溶体。
【无限固溶体】指溶质能以任意比例融入溶剂的固溶体【有序固溶体】指溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布的固溶体【一次固溶体】以纯金属为基的固溶体。
【二次固溶体】（中间相）以化合物为基的固溶体。
【固溶强化】指固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为“固溶强化”。
北科大《金属学》_讲义(精华版)_对考研的学材料的童鞋非常有用!
一：大纲分析：北京科技大学2009年攻读硕士学位《金属学》复习大纲（适用专业：材料加工工程、材料学、材料科学与工程、材料物理与化学）一、金属与合金的晶体结构1.原子间的键合1)金属键, 2)离子键, 3)共价键2．晶体学基础1）空间点阵， 2）晶系及布喇菲点阵， 3）晶向指数与晶面指数3．金属的晶体结构1）典型的金属晶体结构，2）原子的堆垛方式，3）晶体结构中的间隙，4）晶体缺陷4．合金相结构1）置换固溶体，2）间隙固溶体，3）影响固溶体溶解度的主要因素4）中间相5．晶体缺陷1）点缺陷, 2)晶体缺陷的基本类型和特征, 3)面缺陷二、金属与合金的凝固1．金属凝固的热力学条件2．形核1）均匀形核，2）非均匀形核3．晶体生长1）液-固界面的微观结构，2）金属与合金凝固时的生长形态，3）成分过冷4．凝固宏观组织与缺陷三、金属与合金中的扩散1．扩散机制2．扩散第一定律3．扩散第二定律4．影响扩散的主要因素四、二元相图1．合金的相平衡条件2．相律3．相图的热力学基础4．二元相图的类型与分析五、金属与合金的塑性变形1．单晶体的塑性变形1）滑移，2）临界分切应力,3）孪生，4）纽折2．多晶体的塑性变形1）多晶体塑性变形的特点，2）晶界的影响，3.塑性变形对组织与性能的影响1）屈服现象,2)应力-应变曲线及加工硬化现象,3)形变织构等六、回复和再结晶1．回复和再结晶的基本概念2．冷变形金属在加热过程中的组织与性能变化3．再结晶动力学4．影响再结晶的主要因素5．晶粒正常长大和二次再结晶七、铁碳相图与铁碳合金1．铁碳相图2．铁碳合金3．铁碳合金在缓慢冷却时组织转变八、固态相变1．固态相变的基本特点2．固态相变的分类3．扩散型相变1）合金脱溶，2）共析转变，3）调幅分解4．非扩散型相变参考书：1.金属学（修订版）, 宋维锡主编, 冶金工业出版社，1998；2.材料科学基础, 余永宁主编, 高等教育出出版社，2006；3.材料科学基础（第二版）, 胡赓祥等主编, 高等教育出出版社，2006；4.任何高等学校材料科学与工程专业《金属学》或《材料科学基础》教学参考书。
金属学及热处理教案第一章-1.ppt-2007级
排 斥 力
＋F
第 一 节 金 属 原 子 间 的 结 合
排斥力
排 斥 能
排斥能
结合力
d0
A
结合能
d0
A B EAB
dc
B
dc
原子间距d 原子间距
－F
原子间距d 原子间距
吸引力
吸 引 力
吸 引 能 （b） ）
吸引能
（a） ）
双原子作用模型
第 一 章
1.2 金属的晶体结构
第 二 节 金 属 的 晶 体 结 构
金属原子 八面体间隙 (a) 体心立方结构中的间隙 (a) 八面体间隙
金属原子 四面体间隙 (b) (b) 四面体间隙
体心立方中， 体心立方中，四面体间隙比八面体间隙要大
第 一 章
面心立方晶格中也有八面体间隙与四面体间隙两种， 面心立方晶格中也有八面体间隙与四面体间隙两种， 中也有八面体间隙与四面体间隙两种 如图所示， 如图所示，它们分别是正八面体间隙和正四面体间 隙
第 二 节 金 属 的 晶 体 结 构
nV0 K= V
（a） ） （a） 模型； ） 模型；
（b） ） （c） ） 体心立方晶胞 （b） 晶胞； （c） 晶胞原子数 ） 晶胞； ）
体心立方晶格配位数与致密度： 体心立方晶格配位数与致密度：
配位数为8 配位数为
3 a 致密度： 致密度：晶格常数为a，原子半径为 4
一、晶体的概念
晶体的三大特性： 晶体的三大特性： 三大特性 原子排列有序；有固定的熔点；各向异性。 原子排列有序；有固定的熔点；各向异性。 空间点阵和晶胞
Z
第 二 节 金 属 的 晶 体 结 构
金属学第一章2
b） bcc Fe-Al CuZn
c ) hcp
Mg-Cd
长程有序参数
P XA S 或 1 X A
P XB 1 X B
P——A(或B）原子正确位置上出现A（B）原子几率
完全有序时 P＝1 S＝1 α→最大值
完全无序时 P＝XA S＝1 α＝0 有序化影响因数
1.温度升高，原子热运动提高，S降低 2.冷却速度 Tc 以上温度快速冷却→无序
无限 complete solubility 按固溶度（solid solubility）分 有限 limited
有序 ordered 按原子排列秩序 无序 disordered 第一类固溶体 primary solid solution 第二类固溶体 secondary solid solution
3.合金成分 例：对 CuAu 合金 Cu:Au＝3:1 或 1:1 时完全有序
4. 固溶体的性质
Properties of the solid solution
⑴点阵畸变 间隙原子 d c ⑵固溶强化 HV， b dc ⑶物理化学性能 ρ μ 电极电位 点阵常数
⑷有序化影响
ρ HV 磁性
※4 金属的晶体结构 （Crystal Structure of Metals）
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（A 2）body - centred cubic lattice 密排立方结构（A ）hexagonal close - packed lattice 3
M6C：如 Fe3W3C ，Fe4W2C
(2)拓扑密堆相 Topological close-packed phase
金属学名词解释第一章
7晶界特性包括具有晶界能，内吸附反内吸附，高强度和硬度等。
降低晶界能量方法：晶粒长大和晶界平直化都可减少晶界总面积从而降低能量。
8内吸附：由于晶界能的存在，当金属中存在有能降低晶界能的异类原子时，这些原子将向晶界偏聚，这种现象叫内吸附。
6晶格：为了方便起见，常人为地用直线连接起来形成空间格子称为晶格。
7空间点阵：由几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列称为空间点阵，
8阵点：构成空间点阵的每一个点称为阵点。他是一个抽象的空间点，其既可代表晶体中原子或分子的中心，也可代表彼此相等的原子群或分子群的中心。
9晶胞：构成晶格的最基本单元称为晶胞
9多晶体型转变或同素异构转变：当外部条件改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变。
1伪等向性：在一般情况下，整个晶体不显示各向异性。
2晶体缺陷：指金属材料中，晶体原子偏离规则排列的不完整性区域。
3能量起伏：对一个原子来说，这一瞬间能量高些，另一瞬间可能低些。这种现象叫能量起伏。
4空位：晶体结构中原来应该有原子的某些结点上因某种原因出现了原子空缺而形成。
9反内吸附：凡能提高晶界能的原子，将会在晶粒内部偏聚氏矢量等于点阵矢量的位错称为全位错或单位位错。
4不全位错：柏氏矢量小于点阵矢量的位错称为不全位错。
（位错的柏氏矢量越小，则其具有的能量越低，位错就越稳定）
5位错反应：位错分解和合成的总称。（其驱动力为体系自由能的降低）
位2错作为线性缺陷，所引起的熵增远比空位小，不可能抵消应变能的增加，位错的存在肯定使体系的自由能增加，故位错为不平衡缺陷。
金属学重点
《金属学与热处理》上课重点第一章．金属的晶体结构①【阵点】为了清楚的表明原子在空间排列的规律性，常常将构晶体的原子（活原子群）忽略，而将其抽象为纯粹的几何点，称之为阵点②【晶格】将阵点用直线连接起来形成空间格子，称之为晶格③【晶胞】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，来分析晶体中原子排列的规律性，这个最小的几何单元称之为晶胞④三种典型晶体结构参数，以及其原子半径、晶胞的推导晶体结构晶胞数配位数致密度面心立方晶体结构体心立方晶体结构密排六方晶体结构4261280.740.680.7412体心立方：设晶胞的点阵常数为a，则立方体对角线长度为√3 ，等于4个原子半径，所以体心立方晶胞中的原子半径r=√3 / 4；致密度：面心立方：每个角上的原子为8 个晶胞所有，每个晶胞实际占有该原子的1/8，其面对角线长度为√2，等于4 个原子半径，所以体心立方晶胞中的原子半径r=√2/ 4；致密度：密排六方：对于典型密排六方金属，其原子半径为1/2，致密度：⑤三种常见金属结构的滑移系（要求可以画出阴影）⑥晶面、晶向、晶面族、晶向族的概念【晶面、晶向、晶面族、晶向族】有一系列原子组成的平面称为晶面，任意两个原子之间的连线所指方向称为晶向；原子排列情况相同但空间位向不同的所有晶向称之为晶向族；原子排列完全相同但在空间位向不同（即不平行）的晶面，这些晶面总称为晶面族晶向指数求法：从坐标轴原点引一有向直线平行于待定晶向→在直线上取一点，求出其X、Z 三轴坐标→将三个坐标值按比例化为最小简单数→加[uvw]；Ps：a.一个晶向族代表一系列性质地位相同的晶向；b．原子排序相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族；以<uvw>表示；晶面指数求法：定原点→求截距→取倒数→化最小整数→加（uvw）Ps：a.晶面指数代表一组互相平行的晶面，即所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数；b．在同一种晶体结构中，有些晶面虽然在空间的位向不同，但其原子排列情况完全相同，这些晶面均属于一个晶面族，以{hkl}表示；若某一晶向[uvw]与某一晶面（hkl）互相垂直时，则晶向指数和晶面指数必须完全相等，即u=h，v=k，w=l；若相互平行，则必须满足：hu+vk+lw=0.⑦什么是晶体？晶体的三种缺陷及其分类？【晶体】晶体（crystal）是有明确衍射图案的固体，其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列【单晶体】内部晶格位向完全一致的晶体（亦称理想晶体）（1）点缺陷：在某一温度，总有一些原子具有足够高的能量，以克服周围原子对他的约束，脱离原来的平衡位置迁移导别处，于是在原位置上出现了空结点，这就是空位；例如：空位、间隙以及置换原子（2）线缺陷：它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，使长度达几百至几万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发声有规律的错动；例如：刃型位错（位错线与柏氏矢量垂直）、螺型位错（位错线与柏氏矢量平行）（3）面缺陷：晶体的面缺陷包括晶体的外表面和内表面两种，内表面包括：晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛晶界和相界。
金属学知识点总结
第一章金属的晶体结构1、除化学成分外，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。
2、将阵点用直线连接起来形成空间格子，称之为晶格。
3、晶胞中原子排列的紧密程度通常用两个参数来表征：配位数、致密度。
4、原子所占体积与晶胞体积之比称为致密度。
5、体心立方结构有两种间隙：一种是八面体间隙，另一种是四面体间隙。
6、在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。
7、晶体的点缺陷有三种：空位、间隙原子和置换原子。
8、塑性变形时，由于局部区域的晶体发生滑移即可形成位错。
9、刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直，螺型位错的柏氏矢量与其位错线相平行。
10、把单位体积中所包含的位错线的总长度称为位错密度。
11、晶体的面缺陷包括晶体的外表面和内界面两类。
12、晶体的内界面缺陷有：晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。
13、金属：是具有正的电阻温度系数的物质，其电阻随温度的升高而增加。
14、晶体：原子在三维空间作有规则的周期性排列的物质称为晶体。
15、晶体结构：是指晶体中原子在三维空间有规律的周期性的具体排列方式。
16、点阵：能清楚地表明原子在空间排列规律性的原子的几何点，称之为点阵。
17、晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，称为晶胞。
用来分析晶体中原子排列的规律性。
18、配位数：是指晶体结构中与任一个原子最邻近、等距离的原子数目。
19、螺型位错：设想在立方晶体右端施加一切应力，使右端上下两部分沿滑移面发生了一个原子间距的相对切边，这种晶体缺陷就是螺型位错。
20、表面能：由于在表面层产生了晶格畸变，其能量就要升高，这种单位面积上升高的能量称为比表面能，简称表面能。
21、什么是晶体？晶体有何特性？答：晶体：原子在三维空间作有规则的周期性排列的物质称为晶体。
1）晶体具有一定的熔点。
在熔点以上，晶体变为液体，处于非晶体状；在熔点以下，液体又变为晶体。
2）晶体的另一个特点是在不同的方向上测量其性能，表现出或大或小的差异，称为各向异性或异向性。
金属学常识(专业技术-金属1)
第二章
铁碳合金
目前，合金状态图主要是通过实验测定的，且测定合金状态图的方法很多，但 应用最多的是热分析法。 以Cu—Ni合金相图测定为例，说明热分析法的应用及步骤： （1）配制不同成分的合金试样，如Ⅰ纯铜；Ⅱ75%Cu+25%Ni；Ⅲ50%Cu+50%Ni； 合金Ⅳ 25%Cu+75%Ni；Ⅴ：纯Ni。 （2）测定各组试样合金的冷却曲线并确定其相变临界点； （3）将各临界点绘在温度—合金成分坐标图上； （4）将图中具有相同含义的临界点连接起来，即得到Cu、Ni合金相图。
纯铁的冷却曲线
γ-Fe→α-Fe的同素异构转变过 程示意图
第一章 金属的结构与结晶 纯铁的同素异构转变 液态纯铁在1538℃进行结晶，得到 具有体心立方晶格的δ-Fe，继续 冷却到1394 ℃时发生同素异构转 变，δ-Fe转变为面心立方晶格的 -Fe，再冷却到912℃时又发生同 素异构转变，γ-Fe转变为体心立 方晶格的α—Fe，如再继续冷却到 室温，晶格的类型不再发生变化。
热分析法装臵示意图
1—电炉 2—坩埚 3—金属液 4—热电偶
纯金属的冷却曲线
第一章 金属的结构与结晶 实际结晶温度(T1)低于理论结晶温度(T0)这一现象称为‚过冷现象‛。 理论结晶温度和实际结晶温度之差称为过冷度(△T=T0-T1)。金属结晶 时过冷度的大小与冷却速度有关。冷却速度越快，金属的实际结晶温度 越低，过冷度也就越大。
晶界处的原子排列是不规则的， 原子处于不稳定的状态。 在一颗晶粒内部 ，小晶块，它们 相互嵌镶成一颗晶粒，这些小 晶块称为亚晶粒 ，亚晶粒之 间的界面称为亚晶界 ，亚晶 界处的原子排列与晶界相似， 也是不规则的。
亚晶示意图 晶界的过渡结构示意图
第1章-塑性加工金属学
1、回复和再结晶
从热力学角度来看，变形引起加工硬化，晶体缺陷增多，金属 畸变内能增加，原子处于不稳定的高自由能状态，具有向低自由 能状态转变的趋势。当加热升温时，原子具有相当的扩散能力， 变形后的金属自发地向低自由能状态转变。这一转变过程称为回 复和再结晶，这一过程伴随有晶粒长大。
多相合金（两相合金）中的第二相可以是纯金属、固溶 体或化合物，起强化作用的主要是硬而脆的化合物。
合金的塑性变形在很大程度上取决于第二相的数量、形 状、大小和分布的形态。但从变形的机理来说，仍然 是滑移和孪生
第二相以连续网状分布在基体晶粒的边界上 随着第二相数量的增加，合金的强度和塑性皆下
降。
第二相以弥散质点（颗粒）分布在基体晶粒内部 合金的强度显著提高而对塑性和韧性的影响较小。
图13-15 回复和再结晶对金属组织和性能的变化
表13-1 回复、再结晶和晶粒长大的特点及应用
回复
再结晶
晶粒长大
发生温度
较低温度
较高温度
更高温度
转变机制
原子活动能量小，空位 移动使晶格扭曲恢复。 位错短程移动，适当集 中形成规则排列
原严直无子重至晶扩畸畸格散变变类能组晶型力织粒转大中完变，形全新核消晶和失粒生，在长但，新晶粒生粒，晶吞晶粒并界中小位大晶移
四、本课程的任务
目的：
科学系统地阐明金属塑性成形的基础和规律， 为合理制订塑性成形工艺奠定理论基础。
任务：
• 掌握塑性成形时的金属学基础，以便使工件在成 形时获得最佳的塑性状态，最高的变形效率和优 质的性能；
金属学基础PPT课件
线膨胀系数大，引发的焊接应力与变形就大
四、导热性
导热性是指在物体内部或互相接触的物体之 间存在温度差时，热量从高温到低温的移动 能力，用热导率λ表示。单位为W/(m. ℃) 或W/(m. K)
五、导电性
导电性：金属传导电流的能力。常用导电率 表示，符号为γ，单位为s/m
第一章金属学基础
§1.1 金属的力学性能 §1.2 金属的物理性能 §1.3 金属的晶体结构
§1.4 金属的结晶 §1.5 合金的结构与结晶
§1.6 铁碳合金相图 §1.7 金属结构在工作中都要受 到外力的作用，金属在外力作用下所表现 的性能叫做力学性能。
金属导电能力大小的顺序与热导率基本相同
第三节 金属的晶体结构
一、晶体与非晶体
晶体的特点是： ①原子在三维空间呈有规则地周期性重复排列。 ②具有一定的熔点，绝大多数固体金属属于晶体： 如铁的熔点为1538℃，铜的熔点为1083℃。 ③晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶 体具有各向异性。
§1-3 金属的晶体结构
Ⅰ、点缺陷 ：空位和间隙原子
Ⅱ、线缺陷 ：位错
Ⅲ、面缺陷：晶界和亚晶界
二、晶体缺陷
1、点缺陷
点缺陷的存在使金属能够比较容易的发 生扩散现象
2. 线缺陷-位错
位错的存在使金属能够比较容易发生塑性变形。
3. 面缺陷
面缺陷的存在使金属的强度提高
五、金属的同素异构转变
定义：某些金属在不同的温度（或压力下） 具有不同的晶体结构的现象，称为同素异构 转变或同素异晶性。
常用力学性能指标有硬度、强度、塑性和 韧性等。
一、硬度
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Nc N=Ni 2 8
点阵常数（lattice parameter）a，c 原子半径（atomic radius） R 配位数（coordination number） N
Nf
4 3 n R nv 致密度（Efficiency of space filling） K 3 V V
轴比（axial ratio） c/a
b） bcc Fe-Al CuZn
c ) hcp
Mg-Cd
长程有序参数
P XA S 或 1 X A
P XB 1 X B
P——A(或B）原子正确位置上出现A（B）原子几率
完全有序时 P＝1 S＝1 α→最大值
完全无序时 P＝XA S＝1 α＝0 有序化影响因数
1.温度升高，原子热运动提高，S降低 2.冷却速度 Tc 以上温度快速冷却→无序
rx rm 0.59
复杂的晶体结构
M3C：如Fe3C－渗碳体（Cementite）
rc rFe 0.63
属正交晶系 a＝4.524Å
b＝5.089Å c＝6.743Å
每个晶胞原子数16个（12个 Fe , 4个C）
Fe－Fe呈金属键， Fe－C即有金属键也有离子键
M7C3：如 Cr7C3
M23C6：如 Cr23C6
无限 complete solubility 按固溶度（solid solubility）分 有限 limited
有序 ordered 按原子排列秩序 无序 disordered 第一类固溶体 primary solid solution 第二类固溶体 secondary solid solution
(1)间隙相和间隙化合物 Interstitial Phase and Compounds
过渡族金属←C、H、N、O、B （r<0.1nm）
a)间隙相 Interstitial Phase
rx rm 0.59
rx rm 0.414 rx rm 0.414
简单晶体结构 fcc，hcp 非金属原子进入四面体间隙 非金属原子进入八面体间隙 非金属原子填满密堆结构( fcc 和 hcp)八面体间隙
ⅣA
晶体结构类型相同
不符合化合价规律，但也可用分子式表示
原子间结合以金属键为主，具有明显的金属性
e/a
电子化合物
21 12
(hcp)
CuZn3
21 13
(复杂立方）
Cu5 Zn8
21 14
Mn
复杂立方
CuZn
hcp
Cu3Ga
3.原子尺寸因素化合物
Size factor Compounds
面心立方点阵
体心立方点阵
密排六方点阵
（a）面心立方 （A1型）
（b）体心立方 （A2型）
（c）密排六方 （A3型）
常见金属晶体的晶胞结构
面心立方结构fcc
fcc剖面图
体心立方结构bcc
bcc剖面图
hcp结构
表2.5三种典型金属结构的晶体学特点
晶胞中的原子数（Number of atoms in unit cell）
溶质 多面体分散 不对称点阵畸变
图2.32 面心立方结构中的间隙
图2.33 体心立方结构中的间隙
图2.34 密排六方结构中的间隙
多晶型转变（allotropic transformation） 同素异构转变
※ 3 合金的相结构 Phase constitution of Alloys
H B C N O
0.046
0.097 0.077 0.071 0.060
溶剂元素大多为过渡族元素 有限固溶体
溶解度与溶剂元素的晶格类型密切相关
C 在α-Fe（bcc） 0.0218 wt % ν-Fe (fcc) 2.11 wt %
3.有序固溶体 Ordered solid solution
原子偏聚 atom segregation
3.合金成分 例：对 CuAu 合金 Cu:Au＝3:1 或 1:1 时完全有序
4. 固溶体的性质
Properties of the solid solution
⑴点阵畸变 间隙原子 d c ⑵固溶强化 HV， b dc ⑶物理化学性能 ρ μ 电极电位 点阵常数
⑷有序化影响
ρ HV 磁性
成分可用分子式来表示：Mg2Pb，Mg2Sn，Mg2Ge，Mg2Si
负电性差愈大，化合物愈稳定，愈趋于离子键结合 负电性差愈小，化合物愈不稳定，愈趋于金属键结合 类 型 AB A2B（或AB2） A3B2 NaCl 或 ZnS 结构
反 CaF2 或 CaF2 结构 反 M2O3 型结构
2.电子化合物 electron compounds Hume－Rottery ⅡB ⅠB ⅢA 对应于同类分子式的离子化合物结构 特点：凡具有相同电子浓度，则相的
5
溶质元素的溶解度％ 溶剂
6
9
10
Zn（二价） Ga（三价） Ge（四价） As（五价）
Cu Ag 38 42 20 20 12 12 7 7
2. 间隙固溶体 Interstitial solid solution
溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体——间隙固溶体 溶质原子 （R<0.1nm） 如：
ABA: 第三层位于第一 层正上方
两种三层堆叠方式
ABC: 第三层位于一二层间隙
间隙（Interstice）
tetrahedral 四、八面体间隙 octahedral interstice fcc，hcp 间隙为正多面体，且八面体和四面体间隙相互独立 bcc 间隙不是正多面体，四面体间隙包含于八面体间隙之中
故通常把这些相称为中间相。
中间相的特征：具有不同于组元的晶体结构
可用化学分子式表示 但并不一定符合化合价规律 原子间的结合方式：(金属键＋其他键）混合，具有金属性 电负性 中间相的形成和晶体结构的影响因素 电子浓度 如 CuZn , Fe3C
原子尺寸 1.正常价化合物（electrochemical compounds） M ＋ Ⅳ、Ⅴ、Ⅵ族元素 按化学上的正常原子价规律形成
※4 金属的晶体结构 （Crystal Structure of Metals）
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（A 2）body - centred cubic lattice 密排立方结构（A ）hexagonal close - packed lattice 3
固溶体的微观不均匀性
短程有序 short range order
短程有序参数
PA 1 XX
B原子周围出现A原子的几率 A原子的原子百分数
PA X率与其它原子相等
短程有序 B偏聚
B周围出现A原子的几率大于其它原子 倾向于以异类原子为邻 B周围出现A原子的几率小于其它原子
合金相 (Phase)
固溶体 Solid Solution 中间相 Intermidiate phase
一. 固溶体 Solid solution
固溶体：溶质原子(solute atom)溶入基体(matrix)中所形成的均匀 结晶相。晶体结构保持基体金属的结构 置换固溶体 按溶质原子位置分 固溶体 Substitutional solid solution 间隙固溶体 Interstitial solid solution
比
100 合金中各组元的价电子总和（e）与组元的原子数总和（a）之 V、v分别为溶剂、溶质原子价
Critical electron concentration 极限电子浓度（临界电子浓度）与溶剂晶体点阵类型有关
对一价溶剂而言 fcc:1.36; bcc:1.48; hcp:1.75 Average group number 平均族数（过渡族元素）：以原子中相当于惰性气体的满 壳层以外的全部电子数（s＋p＋d)来计算： Nb Mo Rh Pd
M6C：如 Fe3W3C ，Fe4W2C
(2)拓扑密堆相 Topological close-packed phase
由两种大小不同的原子所构成的一类中间相，其中大小原子通过适 当的配合构成空间利用率和配位数很高的复杂结构，具有拓扑学特点。
a）结构特点
大小原子的适当配合，由四面体间隙组成的晶体点阵，配位数可以 达12、14、15及16 ① 配位多面体：把晶体点阵中一个原子周围最近邻原子的中心彼此用 直线连接起来所构成的多面体 特点：凸出的面，呈三角形；每个顶角至少连接五个三角形
PA X A
PA X A
倾向于以同类原子为邻
长程有序固溶体（Long Range Order）
——超结构 （superlattice, superstructure）
超结构的结构类型
a) fcc
CuAuⅠ型 385℃以下形成
CuAuⅡ型 385～410℃以下形成
Cu3AuⅠ 型 390℃有序化
Mx(TiC )
Mx2(TiH 2 )
M 4 x( Fe4 N )
非金属原子填满密堆结构(fcc 和 hcp)四面体间隙
在 fcc 中非金属原子占据一个八面体间隙 未填 满
M 2 x(Ti 2 H )
在 hcp 中非金属原子占据一半八面体间隙
b）间隙化合物 Interstitial Compounds
二 中间相 Intermediate Phase
金属化合物（metallic Compounds) 金属间化合物（Intermetallic Compounds) 中间相：两组元A和B组成合金时，除了形成以A为基或以 B为基的固溶体外，还可以形成晶体结构与A、B两组元均 不相同的新相。由于它们在二元相图的位置是位于中间，