02第二章材料的结构

16
{110}
Z
（110）
（011） （011） （101）
（101） Y （110）
X
17
2、晶向指数
（1）确定步骤：
① 确定原点，建立坐标系，过原点作所
求晶向的平行线。
② 求直线上任一点的坐标值并按比例化
为最小整数，加方括弧，形式为[uvw]。
——设原标，求坐标，化整数
刃型位错
螺型位错 38
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，这个多余原子面的边缘就是 刃型位错。
正刃型位错
负刃型位错
39
金属的塑性变形主 要由位错运动引起， 因此阻碍位错运动 是强化金属的主要 途径。
钛合金中的位错线(黑线)
40
3、面缺陷——晶界与亚晶界
（1）单晶体：其内部晶格方位完全一致。 单晶体具有各向异性 如单晶硅、单晶锗等。
举例1：三种常见晶格的密排面
体心立方(110)面
面心立方(111)面
密排六方底面
32
二、实际金属的晶体的结构
晶格的不完整部位称晶体缺陷。
点缺陷
线缺陷
面缺陷
33
1、点缺陷
空位 ——晶格中某些缺排原子的空结点。
34
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。
举例
单相 合金
纯铁的金相组织是由α相 构成。 钢铁中的组织由α相和 Fe3C相构成。 ——α相为固溶体，
Fe3C相为金属化合物。
48
两相 合金
1、固溶体
（1）定义 合金的组元（元素）互相溶解，形成的晶 体结构与某一组元相同，这种相称为固溶体。 ——固溶体晶体结构相同的元素称溶剂， 其它元素称溶质。
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Pb基轴承合金中的电子化合物
③ 间隙化合物：由过渡族元 素与C、N、B、H 等 小原子半径的非金属元素组成。
a. 间隙相：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结
构的间隙化合物——极高的硬度及熔点，非常稳 定。 b. 具有复杂结构间隙化合物当r非/r金>0.59时形成 复杂结构间隙化合物——如FeB、Fe3C、Cr23C6 等。
截距。
14
（2）晶面族 ——原子排列相同，只是空间位向不同 的各组晶面，用{hkl}表示。
注：同 一晶面族的各晶面指数的数字相同，但 排列次序或正负号不同。
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举例：立方晶系常见的晶面族
{100} : (100)、 (010)、 (001) {110} : (110)、 (101)、 (011)、 (1 10)、 (1 01)、 (0 1 1) {111} : (111)、 (1 11)、 (1 1 1)、 (111)
固溶体的结构特点：溶剂A + 溶质B = C bcc fcc bcc
49
①置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格某些 结点位置所形成的固溶体。
溶剂原子
溶质原子
——溶质原子呈无序分布的称无序固溶体； ——溶质原子呈有序分布的称有序固溶体。
50
② 间隙固溶体：溶质原子（ C、N、B等小 尺寸原子）嵌入溶剂晶格间隙所形成的固 溶体。
第二章
1、概念解释 （1）晶格 （2） 晶胞 （5）晶向族 （6）晶面族
复习题
（3）合金 （7）相 （4）位错 （8）组织
（9）晶界（10）金属化合物（11）密排面 （12）密排方向 2、什么是固溶体，固溶体的种类有哪些？ 3、什么是固溶强化？固溶强化的机理是什么？
4、实际晶体中的缺陷具体有哪些？这些缺陷对材料性能有 何影响？
58
提示
1、Fe3C 称渗碳体, 是钢中 重要组成相，具有复杂斜
方晶格。
2、化合物也可溶入其它元素原
Fe3C的晶格
子，形成以化合物为基的固溶
体。
钢中的Fe3C
59
四、固态金属中的扩散
1、扩散机制
——空位扩散 ——间隙扩散 ——晶界和位错扩散
60
2、影响因素
——温度，晶体结构，晶体缺陷，外场
61
5、画出体心立方晶胞，并在上面标注[111]、[012]晶向和 (111)、(112)晶面。
62
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2、金属化合物
（1）结构特点 合金中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。
可用分子式表示其组成 晶体结构与组成元素不同，是一种新相。 溶剂A + 溶质B = C 例如: 3Fe + C = Fe3C 体心 六方 复杂结构
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（2）性能特点
金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性
金属化合物，是合金的重要组成相 。
合金中出现金属化合
物,可提高其强度、硬
度和耐磨性，但降低
塑性。
铁碳合金中的Fe3C
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（3）主要类型
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
Al-Mg-Si合金中的Mg2Si
浓度规律。如Cu3Sn。
——电子浓度为价电子 数与原 子数的比值。
Y
23
简单立方的晶面
24
§2.3 金属的晶体结构
一、纯金属的晶态结构
1、体心立方晶格（bbc）
25
体心立方晶格结构特征
晶格常数：a(a=b=c) 原子半径：r 3 a
4
原子个数：2 配位数： 8 致密度：0.68 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb、 Na、 K等
26
2.面心立方晶格 ( fcc )
间 示隙 意固 图溶 体
——间隙固溶体都是无序固溶体。
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（2）溶质原子在固溶体中极限浓度
①溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。 间隙固溶体都是有限固溶体。 ②组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。
组成元素原子半径、电化学性相近，晶格类 型相同的置换固溶体，才可能形成无限固溶体。
52
（3）固溶体的性能
12
举例
例1：求截距为1、∞、∞晶面的指数。 解：截距值取倒数为1、 0、0，加圆括弧
得（100）。
例2：求截距为1、1、 ∞晶面的指数。
解：取倒数为1、1、0, 化为互质整数加圆
括弧得（110）。
——―设坐标，求截距，取倒数，化整数”
13
例3、画出（111）晶面。 取三指数的倒数1、 1、1, 化成互质整数 为1、1、1，即为X、 Y、Z三坐标轴上的

21
<111>
[111] [111] Z [111] [111]
Y X
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水平提高
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。
(221) [110] [221]
[110]
Z
③ 晶向具有方向性， -- 方 如[110]与[110] 向相反。 X
41
（2）多晶体
多晶体是由许多彼此方位不同、外形不规 则的小晶体组成。
多晶体中的小晶体称为晶粒； 晶粒之间的交界面称为晶界；
多晶体示意图
42
光学金相显示的纯铁晶界
多晶体立体形貌
43
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°。 亚晶粒是位向差也很小(1~2 )的小晶块。亚 晶粒之间的交界面称亚晶界，可看作位错壁。
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
相——是指金属或合金中凡成分相同、结构相 同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。 ——相分为固溶体和金属化合物
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显微组织实质上是指
在显微镜下观察到的
单 相 合 金
金属中各相或各晶粒
的形态、数量、大小
和分布的组合。
两相合金
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固溶强化：随溶质浓度的增加，固 溶体的强度和硬度升高， 塑性、韧性降低的现象。
固溶体合金成分与性能关系
53
产生原因：溶质原子使晶格发生畸变 及对位错的钉扎作用。 （溶质原子在位错附近富集）
——性能特点总结： 与纯金属相比，固溶体的 强度、硬度高，塑性、韧 性低；与金属化合物相比， 其硬度要低得多，而塑性 和韧性则要高得多。
5
十四种空间点阵
6
三、晶胞
代表晶格原子排列规律的最小几何单 元——构成晶格的最基本单元。
7
（1）晶胞参数
Z
晶胞的棱边长度a、b、 c和棱间夹角α 、β 、 γ 是衡量晶胞大小和 形状的六个参数。 其中a、b、c称为
α β O γ
c
Y
X
b
8
晶格常数或点阵常数。
（2）七种晶系
根据晶胞参数不同，将晶体分为 七种晶系——“三、单、正、六、棱、 四、立”。
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面心立方晶格结构特征
晶格常数：a
2 a 原子半径 ：r 4
原子个数：4
配位数：
12
致密度：0.74
常见金属： -Fe、Ni、Al、 Au 、Ag、Cu、Pb、等
28
3.密排六方晶格 （ cph）
29
密排六方晶格结构特征
晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633 1 a 原子半径 ：r 2 原子个数：6 配位数： 12
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 六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，
立方
六方
四方 菱方
正交
=120
单斜
9
三斜
十四种空间点阵
10
四、立方晶系的晶面及晶向
——晶体中各方位上的原子面称为晶面。 ——晶体中各个方向上的原子列称晶向。
晶面和晶向分别用“晶面指数”和“晶向指数”
表示，国际上通用密勒指数（Miller)统一标定。
11
1、晶面指数
（1）确定步骤 ① 确定坐标原点，（以晶格常数为单位） 建坐标系； ② 求晶面在坐标轴上的截距；
③ 取截距值的倒数，化整数；
④ 加圆括弧，形式为（hkl）。
——―设坐标，求截距，取倒数，化 整数”
体心立方的四面体和八面体间隙
35
置换原子
——取代原来原子位置的外来原子称置换 原子。
36
能力提高——点缺陷对性能的影响
点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发 生扭曲，称晶格畸变。 晶格畸变使强度、硬度提高，塑性、韧性 下降。
空位
间隙原子
小置换原子
大置换原子
37
2、线缺陷—位错
——晶格中一部分晶体相对于另一部分晶 体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移 区的交界线称作位错。
2
2来自百度文库非晶体
（1）定义 非晶体是指原子在空间呈无序排列的固体。
（2）特点 结构无序，各向同性 无固定熔点
注意：在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。
3
金属的结构
晶态
非晶态
SiO2的结构
4
二、晶格
用假想的直线将原子（或 离子、分子）中心连接起来所 形成的三维空间格架，即晶格。
——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。
致密度：0.74
常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd、 α – Ti等
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4、三种常见晶格的密排面和密排方向
密排面 体心立方晶格 面心立方晶格 {110} {111}
数量 6 4
密排方向 <111> <110>
数量 4 6
密排六方晶格 六方底面

1
底面对角线
3
31
原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。
大角度晶界---晶界
小角度晶界---亚晶界
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素质提高——晶界的特点
晶界： ① 原子排列不规 则; 熔点低; 耐蚀 性差。 ② 易产生内吸附， 显微组织的显示 外来原子易在晶 界偏聚。 ③ 阻碍位错运动，是强化部位，实际使用的 金属力求获得细晶粒。 45 ④ 是相变的优先形核部位。
三、合金的晶体结构
注：同 一晶向族的各晶向指数的数字相同，但 排列次序或正负号不同。
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立方晶系常见的晶向
100 : [100]、 [010]、 [001] 110 : [110]、 [101]、 [011]、 [1 10]、 [1 01]、 [0 1 1] 111 : [111]、 [1 11]、 [1 1 1]、 [111]
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举例
例1：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。
将三坐标值化为最小整 数加方括弧得[234]。
例2：已知晶向指数为[110], 画出该晶向。
找出1、1、0坐标点，连 接原点与该点的直线即所 求晶向。
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（2）晶向族 ——原子排列相同但空间位向不同的所有 晶向，用<u v w>表示。
机械工程材料
第二章 材料的结构
原子的结合方式（自学内容） 晶体结构基础知识 金属的晶体结构 答疑：周一，9,10节，主楼东教师休 息室
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§2-2 晶体结构的基本概念
一、晶体与非晶体 1、晶体 （1） 定义 晶体是指原子呈规则（有序）排列的固体。 ——在自然界中除了一些少数的物质（如普 通玻璃、松香等）以外，包括金属在内的绝大多 数固体都是晶体 。 （2）特点 固定的熔点， 各向异性等。