金属与合金的结构与结晶PPT课件
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三章合金的晶体结构与结晶ppt课件
原子半径：r
已知：
3 4
a
晶胞原子数 2
体心立方结构的原子半径
3
晶胞体积为a3， 晶胞内含有2个原子
K 2 34π
3 4
a
0.68
a3
所以它的致密度是：
第一节 金属与合金的晶体结构
晶格常数：a(a=b=c)
3 原子半径：4
a
原子个数：2
致密度：0.68
属于该类晶格的常见金属有α-Fe(<912oC)、δ-Fe
单晶体：其内部晶格方位完 全一致的晶体。 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构 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.
第一节 金属与合金的晶体结构 单晶体的各向异性
❖ 同一晶体的不同晶面和晶向上的性能不同
铁的单晶体及其各方向上弹性模量
（E）示意图
第一节 金属与合金的晶体结构
第一节 金属与合金的晶体结构
3、晶格常数 以棱边长度
a、b、c
和棱面夹角
来表示晶胞的形状和大小 。
、、r
第一节 金属与合金的晶体结构
（三）、金属中常见晶格 由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故 大多数金属属于以下三种晶格类型。
1、体心立方晶格(bbc)
第一节 金属与合金的晶体结构
第一节 金属与合金的晶体结构
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
控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同 时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结 构材料，都是以固溶体为基体的合金。
2、金属化合物
金属化合物的晶格类型与形成 化合物各组元的晶格类型完全不 同，一般可用化学分子式表示。 钢中渗碳体（Fe3C）是由铁原子 和碳原子所组成的金属化合物， 它具有复杂的晶格形式。
金属材料PPT
1nm=10-9 m
.
晶体结构示意图
7
工业技术学
第一章 金属材料
.
8
工业技术学
第一章 金属材料
14种布拉菲点阵的晶胞
.
9
工业技术学
金属晶格类型
第一章 金属材料
• 各种金属的晶体结构的主要区别就在于 晶格类型和晶格常数的不同。
• 最常见的金属晶格类型有以下三种：
体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格
.
20
工业技术学
第一章 金属材料
二、金属的结晶过程
• 金属自液态经冷却转变为固态的过程，是原子 从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的 过程，此过程称为金属的结晶。
• 研究金属结晶过程的基本规律，对改善金属材 料的组织和性能，都具有重要的意义。
• 在机械制造中，铸造生产和焊接生产都与结晶 过程有关，铸件和焊件的组织和性能，在很大 程度上取决于金属的结晶过程。控制结晶过程 已成为提高和改善金属性能的重要手段之一。
• 这类金属有相当大的强度和较好的塑性。
.
13
工业技术学
第一章 金属材料
.
14
工业技术学
晶胞内原子数
第一章 金属材料
• 体心立方结构的晶胞原子数可参照下图计 算。
• 体心立方晶胞除了晶胞的八个角上各有一 个原子外，在晶胞中心尚有一个原子。
• 因此体心立方晶胞的原子数为：
n8112 8
.
15
工业技术学
• 为了深入地研究金属的内部组织与性能之间的 关系，必须从本质上了解金属的晶体结构、结 晶过程和合金的构造。
.
3
工业技术学
第一章 金属材料
一、金属的晶体结构
.
晶体结构示意图
7
工业技术学
第一章 金属材料
.
8
工业技术学
第一章 金属材料
14种布拉菲点阵的晶胞
.
9
工业技术学
金属晶格类型
第一章 金属材料
• 各种金属的晶体结构的主要区别就在于 晶格类型和晶格常数的不同。
• 最常见的金属晶格类型有以下三种：
体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格
.
20
工业技术学
第一章 金属材料
二、金属的结晶过程
• 金属自液态经冷却转变为固态的过程，是原子 从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的 过程，此过程称为金属的结晶。
• 研究金属结晶过程的基本规律，对改善金属材 料的组织和性能，都具有重要的意义。
• 在机械制造中，铸造生产和焊接生产都与结晶 过程有关，铸件和焊件的组织和性能，在很大 程度上取决于金属的结晶过程。控制结晶过程 已成为提高和改善金属性能的重要手段之一。
• 这类金属有相当大的强度和较好的塑性。
.
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工业技术学
第一章 金属材料
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工业技术学
晶胞内原子数
第一章 金属材料
• 体心立方结构的晶胞原子数可参照下图计 算。
• 体心立方晶胞除了晶胞的八个角上各有一 个原子外，在晶胞中心尚有一个原子。
• 因此体心立方晶胞的原子数为：
n8112 8
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15
工业技术学
• 为了深入地研究金属的内部组织与性能之间的 关系，必须从本质上了解金属的晶体结构、结 晶过程和合金的构造。
.
3
工业技术学
第一章 金属材料
一、金属的晶体结构
金属的结构和结晶.pptx
直线的交点称结点 由结点形成的空间点的阵 列称空间点阵： 反应点阵特征的基本单元 叫晶胞
第5页/共41页
晶胞
Z
c
b
a
晶胞棱边长度叫 晶格
第6页/共41页
• （3）晶系：(布喇菲点阵,用数学方法证明)
立方
• 根据晶格常数不同，将晶体分为七种晶系。 六方
• 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 四方
菱方
• 立方晶系：a=b=c，===90
正交
• 六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，
单斜
=120
第7页/共41页
三斜
几个重要参数 前提：假设原子为刚性球 1、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。
2、晶胞原子数：一个晶胞内 所包含的原子数目。
3、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
• c. 置换原子：
取代原来原子位置的外来 原子称置换原子。
• 点缺陷破坏了原子的平衡 状态，使晶格发生扭曲， 称格晶畸变。 使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
空位
间隙原子
小置换原子
第30页/共41页
大置换原子
空位和间隙原子引起的晶格畸 变
第31页/共41页
二、线缺陷
线缺陷—晶体中的位错
刃位错
示。
第22页/共41页
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[-1-10]方向相反。
[110] Z
(221)
X
第23页/共41页
[110]
[221]
Y
第5页/共41页
晶胞
Z
c
b
a
晶胞棱边长度叫 晶格
第6页/共41页
• （3）晶系：(布喇菲点阵,用数学方法证明)
立方
• 根据晶格常数不同，将晶体分为七种晶系。 六方
• 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 四方
菱方
• 立方晶系：a=b=c，===90
正交
• 六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，
单斜
=120
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三斜
几个重要参数 前提：假设原子为刚性球 1、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。
2、晶胞原子数：一个晶胞内 所包含的原子数目。
3、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
• c. 置换原子：
取代原来原子位置的外来 原子称置换原子。
• 点缺陷破坏了原子的平衡 状态，使晶格发生扭曲， 称格晶畸变。 使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
空位
间隙原子
小置换原子
第30页/共41页
大置换原子
空位和间隙原子引起的晶格畸 变
第31页/共41页
二、线缺陷
线缺陷—晶体中的位错
刃位错
示。
第22页/共41页
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[-1-10]方向相反。
[110] Z
(221)
X
第23页/共41页
[110]
[221]
Y
第二章金属的晶体结构与结晶PPT课件
❖ 密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6 （个）。密排六方晶格的金属有Mg 、Zn 。
二、实际金属的晶体结构
❖ （一）金属材料都是多晶体。
❖ 单晶体：晶格位向完全一致的晶体。晶粒， ❖ 亚晶界。亚晶界。
晶体
晶粒 晶界
亚晶界 亚晶界
多晶体示意图
多晶体示意图
（二）、晶体的缺陷
❖ 缺陷对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）有 很大的影响。
来表示晶胞的形状和大小。
（三）、金属中常见晶格
1、体心立方晶格(bcc)：如 aFe Cr
❖ 晶胞中实际原子数为8×1／8＋1＝2（个）。
1/8
2、面心立方晶格(fcc)
❖ 面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋6×1／2＝4（个）。
面心立方晶格的金属有 rFe、Al等。
3、密排六方晶格(hcp)
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。
立体 模型
平面 模型
刃型位错示意图
a ) 刃晶 形格 立位体错模示型意b图) 平 面 图
3、面缺陷——晶界和亚晶界
晶界的过渡结构示意图
晶界结构
亚晶界结构示意图
亚晶界结构
第二节 纯金属的结晶
主要内容 ❖ 凝固与结晶的概念 ❖ 结晶的现象与规律 ❖ 同素异晶(构)转变
温
度
理论冷却曲线
结晶平台(是由结晶潜热导致)
To
T1
实际冷却曲线
时间
2. 过冷现象与过冷度
❖过冷现象 ：T实际<T理论；
❖ 过冷度：过冷是结晶的必要条件。
ΔT = T0 – T1
二).结晶的一般规律(结晶过程)
纯金属的结晶课件
金属晶体结构的形成
金属原子通过相互作用形成稳定的晶 格结构，这种晶格结构决定了金属的 力学、电学和热学等性质。
晶体结构的测定方法
X射线衍射法
利用X射线在晶体中的衍射现象 ，通过分析衍射图谱确定晶体结
构。
中子衍射法
利用中子在晶体中的散射现象， 通过分析散射图谱确定晶体结构
。
电子显微镜法
利用电子显微镜观察晶体表面或 薄片的形貌和电子衍射花样，从
而确定晶体结构。
03
纯金属的结晶缺陷
点缺陷
定义
点缺陷是指晶体中一个或几个原子、分子或原子 团缺失或添加，导致周围晶格发生畸变。
形成原因
在结晶过程中，由于温度下降过快或杂质元素掺 入，导致晶格结构中原子排列不规整。
影响
点缺陷的存在会对金属的物理、化学性能产生影 响，如导电性、热导率等。
线缺陷
定义
科研领域中的应用
金属晶体结构研究
通过纯金属的结晶技术可以研究金属的晶体结构，深入了解金属材料的原子排列和晶体缺 陷等微观结构特征。
金属相变研究
结晶过程中金属会发生相变，通过纯金属的结晶技术可以研究金属相变的规律和机制，为 金属材料的性能优化提供理论支持。
金属材料热力学研究
利用纯金属的结晶技术可以研究金属材料的热力学性质，如熔点、沸点、熵等，为金属材 料的热处理和加工提供理论依据。
形成原因
02
在结晶过程中，由于温度变化或杂质元素分布不均导致晶格在
某一平面内的排列出现偏差。
影响
03
面缺陷的存在会对金属的物理性能产生影响，如电导率、热导
பைடு நூலகம்
率等。
04
纯金属的结晶性能
热学性能
第一章-金属与合金的晶体构造及其结晶过程PPT课件
机电学院
12
.
体心立方晶格
Logo
❖体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方 体的角上,一个原子处于立方体的中心, 角 上八个原子与中心原子紧靠。
❖ 体心立方晶胞特征：
晶格常数：a=b=c, α=β=γ=90°
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13
.
体心立方晶格
Logo
原子个数
➢ 每个晶胞实际占有的原子个数。
（分析时要认真考虑每个原子的空间状况）
金属化合物的特性
力学性能：金属化合物一般具有复杂的晶体结构，熔点高， 高硬度、低塑性，硬而脆。当合金中出现金属化合物时， 通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性。金属化合物是工 具钢、高速钢等钢中的重要组成相。
物化性能：具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体 材料、形状记忆材料、储氢材料等。
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52
相：合金中结构相同、成分和性能均一的组成部分。
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43
.
一、合金的相结构
Logo
组织：由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合 体。如单相、两相、多相合金。
金属及的组织一般应用显微镜才能看到，所以常称 显微组织。
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44
.
一、合金的相结构
Logo
相的分类： 合金中的相按结构可分为： 固溶体和金属化合物 。
➢ 在体心立方晶胞中, 每个角上的原子在晶格中同时 属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个 晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶 胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个。
机电学院
14
.
体心立方晶格
Logo
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：
金属材料的结构与结晶.pptx
二、晶体结构的概念
（一）晶格与晶胞
实际晶体中的各类质点在不停的运动，讨论晶体结 构时，常把原子看成一个固定的小球，这些原子小 球按一定的几何形状在空间紧密堆积（图2-1a）。
z
c
a)晶体中的原子排列
b)晶格
x
ba
c)晶胞及晶格参数表示方法
图2-1 简单立方晶格与晶胞示意图
第2页/共101页
为描述晶体内部原子排列规律，将每个原子视为一个 几何质点，并用一些假想几何线条将各质点连接起来， 形成一个空间几何格架（图2-1b） 。
五、合金的晶体结构 （一）合金的基本概念
1.合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非 金属元素组成的具有金属性质的物质。
例:黄铜是铜和锌的合金；碳钢是铁和碳的合金。 合金一般具有比组成该合金的金属更高的力学性能。 例：钢比纯铁有更高的强度和硬度。 2.组元：组成合金的最基本的独立物质。 例：黄铜中铜和锌都是组元。组元可以是金属、非 金属或稳定的金属化合物。
刃位错示意图
三维图
在平面ABCD上方，多出半个原子面EFGH, 如同 刀刃插入晶体，称为刃位错。
第14页/共101页
平面图
螺型位错
第15页/共101页
在位错附近区域，晶格发生的畸变。 位错的特点之一是很容易在晶体中移动，金属材 料的塑性变形通过位错运动来实现的。
3. 晶界和亚晶界（面缺陷） 实际金属是一个多晶体结构。 晶粒与晶粒之间的 界面称为晶界 。晶界处的原子排列不规则，原子 处于不稳定状态。
第30页/共101页
晶体中存在点、线、面缺陷，都会造成晶格畸变， 引起塑变抗力的增加，使金属强度提高。
四、合金的晶体结构 1.合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非 金属元素组成的具有金属性质的物质。
（一）晶格与晶胞
实际晶体中的各类质点在不停的运动，讨论晶体结 构时，常把原子看成一个固定的小球，这些原子小 球按一定的几何形状在空间紧密堆积（图2-1a）。
z
c
a)晶体中的原子排列
b)晶格
x
ba
c)晶胞及晶格参数表示方法
图2-1 简单立方晶格与晶胞示意图
第2页/共101页
为描述晶体内部原子排列规律，将每个原子视为一个 几何质点，并用一些假想几何线条将各质点连接起来， 形成一个空间几何格架（图2-1b） 。
五、合金的晶体结构 （一）合金的基本概念
1.合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非 金属元素组成的具有金属性质的物质。
例:黄铜是铜和锌的合金；碳钢是铁和碳的合金。 合金一般具有比组成该合金的金属更高的力学性能。 例：钢比纯铁有更高的强度和硬度。 2.组元：组成合金的最基本的独立物质。 例：黄铜中铜和锌都是组元。组元可以是金属、非 金属或稳定的金属化合物。
刃位错示意图
三维图
在平面ABCD上方，多出半个原子面EFGH, 如同 刀刃插入晶体，称为刃位错。
第14页/共101页
平面图
螺型位错
第15页/共101页
在位错附近区域，晶格发生的畸变。 位错的特点之一是很容易在晶体中移动，金属材 料的塑性变形通过位错运动来实现的。
3. 晶界和亚晶界（面缺陷） 实际金属是一个多晶体结构。 晶粒与晶粒之间的 界面称为晶界 。晶界处的原子排列不规则，原子 处于不稳定状态。
第30页/共101页
晶体中存在点、线、面缺陷，都会造成晶格畸变， 引起塑变抗力的增加，使金属强度提高。
四、合金的晶体结构 1.合金：两种或两种以上的金属元素或金属和非 金属元素组成的具有金属性质的物质。
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显 微 组 织
不同放大倍数下金属的显微组织
2019年9月18日星期三
14
第二章 工程材料的性能及应用基础
显 微 组 织
不同含碳量的显微组织
2019年9月18日星期三
15
（5）晶体缺陷
第二章 工程材料的性能及应用基础
实际晶体中，不可避免地存在着一些原子偏
离规则排列的区域，即晶体缺陷。它对金属的性 能、扩散等有重大影响。
2019年9月18日星期三
9
（3）单晶体的各向异性
第二章 工程材料的性能及应用基础
各向异性：同一晶体的不同晶面和晶向上的性能
不同。
Fig2-5 铁的单晶体及其各方向上弹性模量（E）示意图
2019年9月18日星期三
10
第二章 工程材料的性能及应用基础
由于晶体中不同晶面和晶向上的原子 密度不同，因而便造成了它在不同方 向上的性能差异，晶体的这种“各向 异性”的特点是它区别于非晶体的重 要标志之一
晶体缺陷
晶格畸变
金属性能改变
根据晶体缺陷的几何形态，可将缺陷分为三类： 点缺陷、线缺陷和面缺陷。
2019年9月18日星期三
16
点缺陷
第二章 工程材料§的2性实能际及金应属用的基结础构
在三维空间各个方向上尺寸都很小的缺陷，包括 空位、置换原子和间隙原子。
点缺陷的形成多是热运动的结果，塑性变形也可产生空位。空位和间 隙原子的运动是金属中原子扩散（如钢表面渗碳）的主要方式。
2019年9月18日星期三
7
面心立方晶体结构
晶胞也是一个立方体，原子 分布在立方体的各结点和各
面的中心处
第二章 工程材料的性能及应用基础
原子数 (1/2) × 6 ＋ (1/8) ×8=4 典型金属：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag 性能特点：塑性极好 致密度：74％
2019年9月18日星期三
点缺陷将导致晶格畸变。
2019年9月18日星期三
17
线缺陷
第二章 工程材料的性能及应用基础
在三维空间中两维方向上尺寸很小，另一维方向 上尺寸相对较大的缺陷，主要是各种位错。
位错是晶体中某处有一列或数列原子发生有规律错 排的现象。常见的位错有刃型位错和螺型位错两种。
┴
2019年9月18日星期三
4
第二章 工程材料的性能及应用基础
晶体结构是指晶体内部原子规则排列的方式。
晶体结构不同，其性能往往相差很大。
2019年9月18日星期三
5
（2）金属的单晶体结构
第二章 工程材料的性能及应用基础
单晶体：结晶方位完全一致的晶体 。
在金属元素中，除少数具有复杂的晶体结构外， 大多数具有简单的晶体结构，常见的晶体结构类型有 三种： （1）体心立方晶体结构 （2）面心立方晶体结构 （3）密排立方晶体结构
21
第二章 工程材料的性能及应用基础
8
密排六方晶体结构
第二章 工程材料的性能及应用基础
在由12个原子所构成的正六面体的 上下两个六边形的中心各有一个原
子，在上下底中间有三个原子
原子数3＋2×(1/2)＋12×(1/6)=6
典型金属：Be、Mg、Zn、Cd、 - Ti 性能特点：性能介于体心立方和面心立方之间 致密度：74％
2019年9月18日星期三
6
第二章 工程材料的性能及应用基础
体心立方晶体结构
晶格顶点上的
晶胞是一个立方体，原子分布 在立方体的各结点和中心处
原子同时为相 邻的8个晶胞
所公有
原子数1＋8 ×(1/8)=2 典型金属：-Fe、Cr、Mo、Na、Ba、Nb 性能特点：强度很高，塑性较好 致密度：68％（原子占有晶胞体积的百分数）
(晶粒内部存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，称为亚晶粒，相邻亚晶粒的边
界称为亚晶界)。
晶界处是材料发生破坏的发源地。
大角度晶界---晶界
2019年9月18日星期三
小角度晶界---亚晶界
20
第二章 工程材料的性能及应用基础
面缺陷导致晶格畸变，晶粒细化； 可提高金属强度、硬度。
2019年9月18日星期三
（4）多晶体结构——各向同性
多晶体：实际金属是由许多位向不一致的小晶体组成
的，每个小晶体呈不规则粒状，叫做晶粒，晶粒之间 的界面叫晶界。
2019年9月18日星期三
12
显微组织
第二章 工程材料的性能及应用基础
在显微镜下观察到的各种晶 粒的形态、大小、分布情况
2019年9月18日星期三
13
第二章 工程材料的性能及应用基础
第二章 工程材料的性能及应用基础
第二章 金属及合金的结构与结晶
纯金属的晶体结构与结晶 材料的晶体结构与结晶过程；二元合金相 图及其分析 工程材料的 材料学基础
一、 金属学基础
1. 金属的晶体结构 2. 金属的结晶过程 3. 金属的同素异构转变 4. 合金的相与相结构 5. 二元合金相图 6. 铁碳合金相图
第二章 工程材料的性能及应用基础
2019年9月18日星期三
2
1 . 金属的晶体结构
第二章 工程材料的性能及应用基础
（1） 晶体、晶格、晶胞的概念
晶体：由许多质点（原子、离子或分子）在三维空
间呈周期性规则排列所构成的固体。
2019年9月18日星期三
原子排列模型
3
晶格与晶胞
第二章 工程材料的性能及应用基础
18
第二章 工程材料的性能及应用基础
位错导致晶格畸变，位错密度通常为10-6～ 10-8cm/cm 3 。
增加位错密度可显著提高材料的强度。
2019年9月18日星期三
19
面缺陷
第二章 工程材料的性能及应用基础
在三维空间中一维方向上尺寸很小，另两维方向 上尺寸相对较大的缺陷，主要是金属中的晶界和亚晶界
例如，体心立方的Fe晶体，由于它在 不同晶向上的原子密度不同，原子结 合力不同，因而其弹性模量E便不同。 许多晶体物质如石膏、云母、方解石 等常沿一定的晶面易于破，就是这个 道理。
Fig2-5 铁的单晶体及其各方向上弹性模量（E）示意图
2019年9月18日星期三
11
第二章 工程材料的性能及应用基础
为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情 况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连 接起来，这样得到的三维空间几何格架，称为晶格；晶 格中各边线的交点称为结点；晶格中各种不同方位的原 子面，称为晶面。组成晶格的最基本几何单元称为晶胞。 晶格可以看成由晶胞堆积而成。
2019年9月18日星期三
不同放大倍数下金属的显微组织
2019年9月18日星期三
14
第二章 工程材料的性能及应用基础
显 微 组 织
不同含碳量的显微组织
2019年9月18日星期三
15
（5）晶体缺陷
第二章 工程材料的性能及应用基础
实际晶体中，不可避免地存在着一些原子偏
离规则排列的区域，即晶体缺陷。它对金属的性 能、扩散等有重大影响。
2019年9月18日星期三
9
（3）单晶体的各向异性
第二章 工程材料的性能及应用基础
各向异性：同一晶体的不同晶面和晶向上的性能
不同。
Fig2-5 铁的单晶体及其各方向上弹性模量（E）示意图
2019年9月18日星期三
10
第二章 工程材料的性能及应用基础
由于晶体中不同晶面和晶向上的原子 密度不同，因而便造成了它在不同方 向上的性能差异，晶体的这种“各向 异性”的特点是它区别于非晶体的重 要标志之一
晶体缺陷
晶格畸变
金属性能改变
根据晶体缺陷的几何形态，可将缺陷分为三类： 点缺陷、线缺陷和面缺陷。
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点缺陷
第二章 工程材料§的2性实能际及金应属用的基结础构
在三维空间各个方向上尺寸都很小的缺陷，包括 空位、置换原子和间隙原子。
点缺陷的形成多是热运动的结果，塑性变形也可产生空位。空位和间 隙原子的运动是金属中原子扩散（如钢表面渗碳）的主要方式。
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面心立方晶体结构
晶胞也是一个立方体，原子 分布在立方体的各结点和各
面的中心处
第二章 工程材料的性能及应用基础
原子数 (1/2) × 6 ＋ (1/8) ×8=4 典型金属：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag 性能特点：塑性极好 致密度：74％
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点缺陷将导致晶格畸变。
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线缺陷
第二章 工程材料的性能及应用基础
在三维空间中两维方向上尺寸很小，另一维方向 上尺寸相对较大的缺陷，主要是各种位错。
位错是晶体中某处有一列或数列原子发生有规律错 排的现象。常见的位错有刃型位错和螺型位错两种。
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第二章 工程材料的性能及应用基础
晶体结构是指晶体内部原子规则排列的方式。
晶体结构不同，其性能往往相差很大。
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（2）金属的单晶体结构
第二章 工程材料的性能及应用基础
单晶体：结晶方位完全一致的晶体 。
在金属元素中，除少数具有复杂的晶体结构外， 大多数具有简单的晶体结构，常见的晶体结构类型有 三种： （1）体心立方晶体结构 （2）面心立方晶体结构 （3）密排立方晶体结构
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第二章 工程材料的性能及应用基础
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密排六方晶体结构
第二章 工程材料的性能及应用基础
在由12个原子所构成的正六面体的 上下两个六边形的中心各有一个原
子，在上下底中间有三个原子
原子数3＋2×(1/2)＋12×(1/6)=6
典型金属：Be、Mg、Zn、Cd、 - Ti 性能特点：性能介于体心立方和面心立方之间 致密度：74％
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第二章 工程材料的性能及应用基础
体心立方晶体结构
晶格顶点上的
晶胞是一个立方体，原子分布 在立方体的各结点和中心处
原子同时为相 邻的8个晶胞
所公有
原子数1＋8 ×(1/8)=2 典型金属：-Fe、Cr、Mo、Na、Ba、Nb 性能特点：强度很高，塑性较好 致密度：68％（原子占有晶胞体积的百分数）
(晶粒内部存在着许多尺寸很小、位向差很小的小晶块，称为亚晶粒，相邻亚晶粒的边
界称为亚晶界)。
晶界处是材料发生破坏的发源地。
大角度晶界---晶界
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小角度晶界---亚晶界
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第二章 工程材料的性能及应用基础
面缺陷导致晶格畸变，晶粒细化； 可提高金属强度、硬度。
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（4）多晶体结构——各向同性
多晶体：实际金属是由许多位向不一致的小晶体组成
的，每个小晶体呈不规则粒状，叫做晶粒，晶粒之间 的界面叫晶界。
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显微组织
第二章 工程材料的性能及应用基础
在显微镜下观察到的各种晶 粒的形态、大小、分布情况
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第二章 工程材料的性能及应用基础
第二章 工程材料的性能及应用基础
第二章 金属及合金的结构与结晶
纯金属的晶体结构与结晶 材料的晶体结构与结晶过程；二元合金相 图及其分析 工程材料的 材料学基础
一、 金属学基础
1. 金属的晶体结构 2. 金属的结晶过程 3. 金属的同素异构转变 4. 合金的相与相结构 5. 二元合金相图 6. 铁碳合金相图
第二章 工程材料的性能及应用基础
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1 . 金属的晶体结构
第二章 工程材料的性能及应用基础
（1） 晶体、晶格、晶胞的概念
晶体：由许多质点（原子、离子或分子）在三维空
间呈周期性规则排列所构成的固体。
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原子排列模型
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晶格与晶胞
第二章 工程材料的性能及应用基础
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第二章 工程材料的性能及应用基础
位错导致晶格畸变，位错密度通常为10-6～ 10-8cm/cm 3 。
增加位错密度可显著提高材料的强度。
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面缺陷
第二章 工程材料的性能及应用基础
在三维空间中一维方向上尺寸很小，另两维方向 上尺寸相对较大的缺陷，主要是金属中的晶界和亚晶界
例如，体心立方的Fe晶体，由于它在 不同晶向上的原子密度不同，原子结 合力不同，因而其弹性模量E便不同。 许多晶体物质如石膏、云母、方解石 等常沿一定的晶面易于破，就是这个 道理。
Fig2-5 铁的单晶体及其各方向上弹性模量（E）示意图
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第二章 工程材料的性能及应用基础
为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情 况，通常把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连 接起来，这样得到的三维空间几何格架，称为晶格；晶 格中各边线的交点称为结点；晶格中各种不同方位的原 子面，称为晶面。组成晶格的最基本几何单元称为晶胞。 晶格可以看成由晶胞堆积而成。
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