02第二章材料的结构

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
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
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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)
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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。
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十四种空间点阵
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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。
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（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
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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”。
体心立方的四面体和八面体间隙
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置换原子
——取代原来原子位置的外来原子称置换 原子。
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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
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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。

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{110}
Z
（110）
（011） （011） （101）
（101） Y （110）
X
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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
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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
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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
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2、影响因素
——温度，晶体结构，晶体缺陷，外场
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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”
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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
2
2、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。
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金属的结构
晶态
非晶态
SiO2的结构
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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。
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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（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
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光学金相显示的纯铁晶界
多晶体立体形貌
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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。
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]
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
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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
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1、点缺陷
空位 ——晶格中某些缺排原子的空结点。
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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。
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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。
5、画出体心立方晶胞，并在上面标注[111]、[012]晶向和 (111)、(112)晶面。
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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。
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（3）固溶体的性能
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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。
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
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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。
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
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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。
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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”
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。
截距。
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（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)
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。