第二章金属材料结构与组织
工程材料—金属材料的结构与组织
工程材料—金属材料的结构与组织金属材料是工程中最常用的材料之一，广泛应用于建筑、交通、机械、电子等领域。
金属材料的主要特点是具有良好的导电性、导热性、塑性和可焊性。
这些特点使得金属材料在工程中得到广泛应用。
而金属材料的结构和组织对其性能有着重要的影响。
金属材料的结构主要包括晶格结构、晶界和晶粒等。
晶格结构是指金属原子在空间中的有序排列方式。
根据金属原子的排列方式可以分为立方晶系（包括体心立方、面心立方和简单立方）、六方晶系和正交晶系等。
不同晶格结构的金属材料具有不同的性质。
例如，立方晶系的金属材料具有较好的塑性和可焊性，而六方晶系的金属材料具有较高的硬度和强度。
晶格结构对金属材料的导电性和导热性也有一定的影响。
晶界是相邻晶粒之间的界面区域。
晶界的存在对金属材料的性能有着重要的影响。
晶界可以影响金属材料的力学性能、导电性能和光学性能等。
晶界的存在在金属材料中常常会引起晶界势垒。
这种势垒会限制位错的运动，从而影响金属材料的塑性和可焊性。
此外，晶界还可以影响金属材料的导电性和导热性。
晶界的存在会造成电子和热量的散射，从而降低金属材料的导电性和导热性能。
晶粒是金属材料中的基本组织单元。
晶粒是一个由许多金属晶体组成的区域。
晶粒的尺寸和形状对金属材料的性能有着重要的影响。
晶粒的尺寸通常用晶粒平均直径来表示。
晶粒尺寸越小，金属材料的强度和硬度越高，塑性和韧性越差。
这是因为小尺寸的晶粒增加了晶界的数量，从而削弱了金属材料的塑性。
另外，晶粒的形状也会影响金属材料的性能。
例如，金属材料中的拉伸试样通常会出现晶粒拉伸的现象，因此晶粒的形状会对金属材料的延伸性能产生影响。
在工程实践中，通过控制金属材料的结构和组织，可以改变其性能，例如提高强度、硬度、耐蚀性和耐磨性等。
常用的控制手段包括热处理和合金化。
热处理是通过加热和冷却金属材料，改变其晶格结构和晶粒尺寸，从而影响其性能。
合金化是指将其他金属元素加入到基体金属中，形成合金材料。
第二章金属组织结构(2017)
体心立方 塑性好 HB80
面心立方 塑性好 HB170
复杂晶格 硬脆 HB800
3、铁碳合金中的五种基本组织
铁碳合金的组织均由五种基本组织构成，如：
20钢 组织 F +P
T12钢组织 P＋ Fe3C
P
P
F
Fe3C
二、铁碳合金相图
1.相图组成
匀晶相图
L
A
共晶相图
1148℃
L
(A+ Fe3C)
L Ld
6.69
C%
Fe3C
强度、硬度高，塑性、韧性低
简化的 Fe--Fe3C 相图
三、铁碳合金相图的应用
1.判断一定成分的合金的组织、性能、及应用
工业纯铁
碳钢
白口铁
成分 C＜0.02 0.02－－－0.77－－－2.11 2.11－4.3－6.69
组织 F
性能 塑性好
强度低
应用 少用
P+F
P P+ Fe3CII L´d为基体
6.69
C% 白口铁E－F
Fe3C
亚共
晶白 口铁
E－C
共晶 过共晶 白口 白口铁 铁 C－F C
三、铁碳合金组织
用铁碳相图进行结晶过程分析
1.工业纯铁
L L+A A A＋F F F＋ Fe3CIII
最后组织： F
T℃ A
A G
F F+ A PS
Q Fe
L
D
L+ A E
L+ Fe3C C 1148℃ F
固溶体性能： 塑性好 作为基体相。用α、β、γ、δ表示
化合物 不同元素原子相互化合形成 如：Fe3C 正常价化合物 金属+非金属 Mg2Si
金属材料的结构与组织纯金属的晶体结构金属
3.气相
气相是陶瓷内部残留的孔 洞，其成因复杂，影响因素 多。陶瓷根据气孔率分为致 密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔 陶瓷。除多孔陶瓷外，气孔 对陶瓷的性能不利，它降低 了陶瓷的强度，常常是造成 裂纹的根源(图2-28)，所以 应尽量降低气孔率。一般普 通陶瓷的气孔率为5 %～10% ; 特种陶瓷在5 %以下;金属陶 瓷则要求低于0.5 %。
• 根据溶质原子在溶剂中所处位置不同，固溶体可分为间隙 固溶体和置换固溶体两大类。 (1)间隙固溶体 如图2-10(a)所示。 (2)置换固溶体 如图2-10(b)所示。
图2-10 晶格结构模型
2.1.4 金属材料的组织
1.组织的概念 2.组织的决定因素 3.组织与性能的关系 • 不同组织结构的材料具有不同的性能
图2-18为高聚物在不同加载速度时的应力应变。高聚 物大都服从这种规律。
图2-17 非晶态高聚物在不同温度时的图2-18 高聚物在不同加载速度时的
应力-应变曲线
应力-应变曲线
黏弹性:应变与应力同步发生，或应变与应力同时 达到平衡，如图2-19(a)所示。
应变不仅决定于应力，而且决定于应力作用的速 率。即应变不随作用力即时建立平衡，而有所滞后， 如图2-19(b)所示。
综上所述，金 属材料的成分、 工艺、组织结构 和性能之间有着 密切的关系。
图2-11 两种晶粒大小不同的纯铁示意图
2.2 高分子材料的结构与性能
• 2.2.1 高分子材料的结构 • 1.大分子链的构成 • (1)化学组成 • 组成大分子链的化学元素，主要是碳、氢、氧，
另外还有氮、氯、氟、硼、硅、硫等，其中碳是 形成大分子链的主要元素。 • 大分子链根据组成元素不同可分为三类，即碳链 大分子、杂链大分子和元素链大分子。
材料科学基础_第二章-合金的相结构
(2) TCP相 TCP相（topologically close-packed phase）的特点： ①由配位数为12、14、15、16的配位多面体堆垛而成；②呈层状 结构。
TCP相类型：①Lavs相 AB2型 镁合金、不锈钢中出现
②σ相 AB型或AxBx型 有害相
b.间隙化合物 间隙化合物的晶体结构比较复杂。其表达式有如下类型： M3C、M7C3、M23C6、M6C。间隙化合物中金属元素M常被其 它金属元素所代替形成化合物为基的固溶体（二次固溶体）。
在H、N、C、B等非金属元素中,由于H和N的原子半径很小,与所 有过渡族金属都满足rX/rM<0.59,所以过渡族金属的氢化物、氮化物 都为间隙相；而硼原子半径rB/rM>0.59较大, rB/rM>0.59，硼化物 均为间隙化合物；而碳原子半径处于中间,某些碳化物为间隙相,某些 为间隙化合物。
4.超结构—有序固溶体
超结构（super structure/lattice）类型： 有序化条件：异类原子之间的相互吸引大于同类原 子间 有序化影响因素：温度、冷却速度和合金成分
5.金属间化合物的性质及应用（P56） （1）——（7）
CuAu有序固溶体的晶体结构
2.4 离子晶体
离子晶体有关概念 1.离子晶体(ionic crystal) ：由正、负离子通过离子键按
相分类:固溶体和中间相(金属间化合物)
固溶体——
中间相——
中间相可以用分子式来大致表示其组成。
合金相的性质由以下三个因素控制:
（1）电化学因素(电负性或化学亲和力因素)
电负性——
（2）原子尺寸因素 △r=（rA－rB)/rA 中间相。 △r越小，越易形成固溶体
第二章金属材料的结构[2]
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3 原子半径：r 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等
2）面心立方晶胞FCC Face-Centered Cube
晶格常数：a
一、纯金属的结晶过程
二、细化晶粒的方法 雾 凇
一、纯金属的结晶过程 （一）纯金属结晶的冷却曲线 1.结晶驱动力 ΔF≤0 （不是过冷度ΔT） 自然界的自发过程进行的热力学条件都是ΔF≤0 • 体系中各种能量的总和叫做内能→U，其中可以对外 做功或向外释放的能量叫自由能→F，F=U-TS（熵）
a.当温度T>T0时，Fs>FL, 液相稳定 b.当温度T<T0时，Fs<FL, 固相稳定 c.当温度T=T0时，Fs=FL, 平衡状态 T0：理论结晶温度（熔点或平衡结晶温度） 在该温度下, 液体和晶体处于动平衡状态 2.冷却曲线 金属结晶时温度与时间的关系曲线 称冷却曲线。曲线上水平阶段所对 应的温度称实际结晶温度T1。 曲线上水平阶段是由于结晶时放出 结晶潜热引起的。
三元相图
Fe-C二元相图
2、相图的建立 几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的 是热分析法。
2、金属化合物 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的 固相称金属化合物。金属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。
铁碳合金中的Fe3C
金属化合物也是合金的重要组成相。
⑴ 正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si。 ⑵ 电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。
第3次课 2-1金属材料组织与结构2-2高分子材料的结构与性能
2．实际金属的晶体缺陷
由于结晶条件、压力加下、原子热运动等原因，在实际晶体巾还存在着大量的缺陷。这些缺陷对金属的性能将发生显著的影响。我们把实际金属中原子排列的不完整性称为晶体缺陷。晶体缺陷按其几何形态可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。
高分子材料有许多金属材料所不具备的优点，近几十年来，高分子材料不仅在品种上，而且在数量上都有突飞猛进的发展。现在，高分子材料不但在人们日常生活、国民经济各行业中得到广泛应用，而且在人造血管、人造皮肤及大容量、高速度信息传播等高新技术领域也正发挥着越来越大的作用。
和金属材料一样，要想学习高分子材料的性能，我们首先必须了解它们的内部结构。
课题序号
.3.
授课日期
2010年月日
授课班级
Z0924
授课形式
讲授
授课时数
2
授课章节
名称
-2-1金属材料组织与结构2-2高分子材料的结构与性能-
教学目标
1、了解金属材料的组织结构与作用；
2、了解高分子材料组织与性能；
教学重点
金属材料的组织结构与作用
教学难点
高分子材料的组织
教具学具
挂图三张
课后作业
P47 1、2、3、4、10、13
（2）形态
大分子链呈现不同的几何形状。主要有线型、支化型和体型三类，
（3）空间构型
大分子链空间构型是指大分子链原子或原子团在空间的排列方式，即链结构。
2．大分子链的构象及柔性
聚合物大分子链也在不停地运动，这种运动是由单键内旋转引起的。这种由于单键内旋转所产生的大分子链的空间形象称为大分子链的构象。
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
金属材料的结构与组织
晶界结构示意图
晶界原子排列示意图
亚晶界 亚晶粒之间的边界（过 渡区），也称小角度晶界。它也 是一种原子排列不太规则的区域. 亚晶界是位错规则排列的结构。
例如，亚晶界可由位错垂直排列 成位错墙而构成。
亚晶界
• 面缺陷处的晶格畸变较大，界面处能量高，影响范围
也较大。因此，晶界具有与晶粒内部不同的特性。
冷却曲线中出现水平线段，是因为 结晶时放出大量的结晶潜热，补偿 了金属向周围散失的热量。
纯金属冷却曲线
2.2 金属结晶过程
液态金属向固态转变经历形成晶核和晶核长大两个过
程。首先在液态金属中形成极小的晶体——晶核作为 结晶中心。此后，已形成的晶核不断长大，同时又不 断产生新的晶核并长大，直至液相完全消失。每个晶 核长大成为一个晶粒。
1.3 实际金属的晶体结构 实际金属的晶体结构与理想晶体的结构不同。实际金 属是由很多结晶位向不同的小晶体（即晶粒）组成， 晶粒内晶体的位向不同。 一般金属都是多晶体。晶粒之间的分界面称为晶界。
1Cr17不锈钢的多晶体
1. 单晶体与多晶体 • 单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。 如单晶Si半导体。
溶剂原子
溶质原子
溶质在间隙固溶体的溶解是有限的，故都是有限固溶体。 间隙固溶体中，溶质原子的排列是无序的，所以也都是无 序固溶体。
置换固溶体
溶质原子代替溶剂原子占据着溶剂晶
格结点位置而形成的固溶体。 置换固溶体又可分为两类：
• 显微组织 在显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小与分布。
3.2 合金的相结构
合金的相结构分为固溶体和金属化合物两大类。 1. 固溶体 合金组元通过溶解形成的一种成分和性能均匀、且 结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。 与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含 量较多；另一组元为溶质，含量较少。 合金在固态下溶质原子溶入溶剂而形成的一种与溶 剂有相同晶格的相，称为固溶体。 固溶体的重要标志是它仍保持溶剂晶格。固溶体用α、 β、γ等符号表示。
金属材料的结构与组织
金属材料的结构与组织金属材料是指由金属元素组成的材料，具有优良的电导和热传导性能，因此广泛应用于工业制造和建筑领域。
金属材料的结构与组织对其性能有着重要影响，以下将从晶体结构、晶粒大小、晶界和位错等方面介绍金属材料的结构与组织。
首先是金属材料的晶体结构。
金属是由多个金属原子组成的晶格结构，具有高度的有序性。
常见的金属结构包括面心立方结构（FCC）、体心立方结构（BCC）和密排六方结构（HCP）。
FCC结构中，每个原子周围有12个最近邻原子，原子间的距离相等，如铝和铜。
BCC结构中，每个原子周围有8个最近邻原子，原子间的距离比FCC结构略大，如铁和钒。
HCP结构中，每个原子周围有12个最近邻原子，但原子间的距离比其他两种结构大，如钛和锆。
金属的晶体结构对材料的硬度、延展性和导电性能等有着重要影响。
其次是金属材料的晶粒大小。
晶粒是金属中具有相同晶体结构的晶胞的集合体。
金属材料的晶粒大小对其性能有着重要影响。
晶粒越小，材料的强度和硬度越高，延展性和塑性则较差；晶粒越大，材料的延展性和塑性越好，但强度和硬度相对较低。
晶粒大小的控制通常通过热处理、变形加工和再结晶等方法实现。
金属材料的结构还与晶界有关。
晶界是相邻两个晶粒之间的界面。
晶界具有比晶粒内部更高的活动性，容易成为材料中的非晶区域、孔隙和裂纹的起点。
晶粒内部原子排列有序，而晶界则是原子排列的不规则区域，原子间的距离不够紧密，因此晶界对材料的力学性能和耐腐蚀性能等有着重要影响。
晶界的稳定性和结构特点常通过电子显微镜和X射线衍射等技术进行研究。
最后是金属材料中的位错。
位错是指晶体中原子排列的缺陷或错位。
位错可以增加金属材料的塑性和韧性，使其具有较好的变形能力。
在金属中，位错的形成和移动是塑性变形的主要机制。
位错的种类包括直线位错、螺旋位错和平面位错等，其特点和形成机制各不相同。
位错的存在对金属材料的断裂和疲劳性能有重要影响。
综上所述，金属材料的结构与组织对其性能有着重要影响。
第2章金属材料的基础知识
相是指合金中具有同一的聚集状态、同一的结构和性质的均匀组 成部分。按照相的形态划分，分为液相和固相。固态合金中的相 结构，分为固溶体和金属化合物。
组织是指用肉眼或借助显微镜观察到材料具有独特微观形貌特征 的部分。组织反映材料的相组成、相形态、大小和分布状况，它 是决定材料最终性能的关键。
金属材料的基本知识
金属材料在不同的使用场合下，所要求的力 学性能、物理性能、化学性能以及工艺性能各 不相同。虽然都是金属材料，不同成分和不同 状态下的性能差异也非常大。造成金属材料性 能差异的主要原因是由于金属材料内部结构的 不同。
2.1 金属材料的基础知识
按照物质原子在三维空间排列方式的不同， 材料可分为晶体材料与非晶体材料两大类。
3）面缺陷
面缺陷是指晶体中有一维空间方向上尺寸 很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。这类 缺陷主要是指晶界和亚晶界。
晶界和亚晶界处区域内的原子排列不整齐， 偏离其平衡位置，产生晶格畸变。
面缺陷对金属的塑性变形起着阻碍的作用， 强度、硬度较晶内高。因此金属内部的晶粒越 细小，晶界就越多，强度和硬度就越高。
（2）金属的实际晶体结构
在理想状态下，金属的晶体结构是原子排 列的位向或方式完全一致的晶格，这种晶体称 为单晶体。
单晶体需要通过特殊的方法才能获得，例 如生产半导体元件的单晶硅、单晶锗等。
单晶体在不同方向上具有不同性能的现象 称为各向异性。
多晶体：由许多位向不同的晶粒构成 的晶体。
晶粒：多晶体是由许多微小的单晶体 构成的，这单晶体称为晶粒。
液体
2.1.1 纯金属的晶体结构与结晶
纯金属是指仅由同一种金属元素组成的金属。 汽车中的各种导电体、传热器等大多由纯铜、 纯铝等纯金属材料制成。纯金属是典型的晶体材料。
2- 金属的结构与组织
（二）多晶体：其内部由多个晶粒组成的晶体结构
多晶体内相邻的两个晶粒之间的原子排列取向一 般存在着大于15°的位向差。 实际上在每个晶粒的内部的不同区域晶格位向也 可能存在着小差别（10～20′——1~2°） （三）亚晶粒：（这些）在晶格位向上彼此有微小差别 的晶内小区域称为亚晶粒；与之对应的 亚晶粒间的界面称为亚晶界。
1 4 4 1 a2 a2
晶面间距
晶向指数
晶向原子密度
晶向间距
{100}
a 0.5a 2
〈100〉
1 2 1 2 a a
2a 0.7a 2
{110} {110}
1 4 1 1.4 4 2 2 a2 a
2a 0.7a 2
〈110〉
1 2 0.7 2 2a a
a 0 .5 a 2
（二）对机械性能的影响：
缺陷晶格发生畸变畸变能↑ 提高 强度（点线缺陷降低韧性）。 通常情况下，位错密度越高，金属的强度越大。 通过后面的学习我们会知道，通过剧烈的冷变形可 使晶体的位错密度达到很高（1012cm/cm3）。 高 位 提 错密度是目前提高金属强度的常用手段之一。
晶界细化晶粒 ↑晶界面积 ↑面缺 陷 ↑强度并↑韧性（综合机械性能↑）
3.配位数： 8
体心立方晶胞
4.致密度：
（二）面心立方晶格 【fcc】
八个原子占据立方体八个角，在立 方体各面中心还有一个。（如下图） 1. 晶胞内原子数： 1/8×8+1/2×6=4
2 2. 原子半径立方晶胞
4. 致密度：
（三）密排六方晶格【cph】
以12个原子为顶点构成简单六方柱体 ， 在柱体 上下两个底面中心还各有一个原子，另在两个底面之 间还有3个原子（如下图）。 理论计算表明：c/a=1.633 1. 晶胞内原子数： 1/6×12+1/2×2+3=6 2. 原子半径：a/2 3. 配位数： 12
金属材料的结构与性能
第一章材料的性能第一节材料的机械性能一、强度、塑性及其测定1、强度是指在静载荷作用下，材料抵抗变形和断裂的才能。
材料的强度越大，材料所能承受的外力就越大。
常见的强度指标有屈服强度和抗拉强度，它们是重要的力学性能指标，是设计，选材和评定材料的重要性能指标之一。
2、塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不断裂的才能。
塑性指标用伸长率δ和断面收缩率ф表示。
二、硬度及其测定硬度是衡量材料软硬程度的指标。
目前，消费中测量硬度常用的方法是压入法，并根据压入的程度来测定硬度值。
此时硬度可定义为材料抵抗外表局部塑性变形的才能。
因此硬度是一个综合的物理量，它与强度指标和塑性指标均有一定的关系。
硬度试验简单易行，有可直接在零件上试验而不破坏零件。
此外，材料的硬度值又与其他的力学性能及工艺能有亲密联络。
三、疲劳机械零件在交变载荷作用下发生的断裂的现象称为疲劳。
疲劳强度是指被测材料抵抗交变载荷的才能。
四、冲击韧性及其测定材料在冲击载荷作用下抵抗破坏的才能被称为冲击韧性。
为评定材料的性能，需在规定条件下进展一次冲击试验。
其中应用最普遍的是一次冲击弯曲试验，或称一次摆锤冲击试验。
五、断裂韧性材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的才能称为断裂韧性。
它是材料本身的特性。
六、磨损由于相对摩擦，摩擦外表逐渐有微小颗粒别离出来形成磨屑，使接触外表不断发生尺寸变化与重量损失，称为磨损。
引起磨损的原因既有力学作用，也有物理、化学作用，因此磨损使一个复杂的过程。
按磨损的机理和条件的不同，通常将磨损分为粘着磨损、磨料磨损、接触疲劳磨损和腐蚀磨损四大根本类型。
第二节材料的物理化学性能1、物理性能：材料的物理性能主要是密度、熔点、热膨胀性、导电性和导热性。
不同用途的机械零件对物理性能的要求也各不一样。
2、化学性能：材料的化学性能主要是指它们在室温或高温时抵抗各种介质的化学侵蚀才能。
第三节材料的工艺性能一、铸造性能：铸造性能主要是指液态金属的流动性和凝固过程中的收缩和偏析的倾向。
第二章纯金属与合金的基本知识
第二章纯金属与合金的基本知识第一节纯金属与合金的晶体结构一、金属的性能取决于化学成分和组织结构：1、态度确定性格——组织确定性能。
2、不同的材料组织不同，性能不同。
3、同种材料，采用不同的加工工艺、热处理改变组织了组织，进而改变了性能。
二、纯金属（理想金属）的晶体结构物质是由原子组成，根据原子在空间中的排列的特征不同，固体物质可分为晶体和非晶体。
1、晶体：原子作有序排列；有固定的熔点；各向异性非晶体：原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性。
所有金属和合金都是晶体2、晶格：把原子看成刚性小球，再将钢球视为一个点，用线条连接起来，形成空间格架。
原子排列形成的空间格子。
3、晶胞：原子的排列具有周期性变化特点，为了方便，选取一个能够完全反应晶格特征的最小的几个单元。
组成晶格最基本单元。
（实际上，整个晶格就是有许多大小、形状、位向相同的晶胞在空间重复排列而成的）4、晶格常数：为了描述晶胞的结构，选取晶胞角上一个节点，作坐标原点，三条棱边作为X、Y、乙棱边的长度a、b、c,夹角a、B、Y。
单位1A=1X 10-1°=0.1 nm5、金属中常见的晶格类型：原子的排列方式不同，晶格类型也不同。
①体心立方晶格：立方体，中心一个原子，八个角上各有一个原子。
晶格常数a=b=c,棱边夹角a = B = Y =90°。
典型金属：Cr、Mo W V、a -Fe。
②面心立方晶格：立方体，每一个面的中心和八个角各有一个原子。
晶格常数a=b=c,棱边夹角a *二丫=90°。
典型金属：Cu Ni、Ag、Au 。
③密排六方晶格：六方柱体，六个呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面组成。
十二个节点、上下底面中心各一个原子，晶胞中间还有三个原子。
晶格常数a=b^ c,棱边夹角a =B =90°, 丫=120°。
典型金属：Mg Be Zn、a -Ti、［3 -Cr。
原子排列不同，晶格类型不同，组织不同。
第二章 金属学的基本知识
§ 2.1 金属与合金的晶体结构
合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫相。合金中相
与相之间有明显的界面。液态合金通常为单相液体。合金在固态下，
由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合 金。
组成合金各相的成分、结构、形态、性能和各相的组合情况构成
了合金的组织。组织是合金的内部情景，还包括晶粒的大小、形状、 种类以及各种晶粒之间的相对数量和相对分布，可以用肉眼或借助各
固溶体，如图2-10(b)所示。
由于溶剂晶格的间隙有限，因此间隙固溶体都是有限固溶体。形成间 隙固溶体的条件是溶质原子与溶剂原子的比值r溶质/r溶剂≤0. 59。因此
形成间隙固溶体的溶质元素都是一些原子半径小的非金属元素，如氢、
硼、碳、氮、氧等。
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
应当指出，所形成的固溶体虽然仍保持着溶剂金属的晶格类型， 但由于溶质与溶剂原子尺寸的差别，必然会造成晶格的畸变，如图 2-11。晶格畸变使合金的强度、硬度和电阻升高。这种通过溶人 溶质元素使固溶体的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。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
态的金属和合金。晶体具有一定的熔点，并具有各向异性的特征。
晶体中的原子排列情况如图2-1(a)所示。 2.晶体结构的基本知识 (1)晶格为了便于描述晶体中原子排列的规律及几何形状，人 为地将原子看作一个点，再用一些假想的线条，将原子的中心
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§ 2.1 金属与合金的晶体结构
连接起来，使之构成一个空间格子，如图2-1 ( b)。这种抽象 的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间格子叫做“晶格”。 晶格中的每个点叫做晶格结点。 (2)晶胞由于晶体中原子排列具有周期性特点，因此在研究晶 体结构时，为方便起见，通常只从晶格中选取一个能够完全反映 晶格特征的最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个 最小的几何单元称为晶胞，如图2-1 (c)。实际上整个晶格就是 由许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。晶 胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a,b,c及棱边夹角α,β,γ来
第2章金属材料的组织结构
均匀长大
实际金属结晶主要以树枝状长
大。因为存在负温度梯度，且晶核
棱角处散热好，生长快，先形成一
次轴，一次轴产生二次轴…，树枝
间最后被填充。
负温度梯度
树枝状长大
树枝状长大的实际观察(定向凝固)
二、晶粒大小及其控制
1、晶粒度 表示晶粒大小的尺度
总长度。
= S/V(cm/cm3或1/cm2)
金属的位错密度为104~1012/cm2；
位错对性能的影响：
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。
减少或增加位错密度都可以
提高金属的强度。
金属晶须
退火态
(105-108/cm2)
加工硬化态
(1011-1012/cm2)
光学金相显示的纯铁晶界
多晶体示意图
⑵ 晶体缺陷
晶格的不完整部位称晶体缺陷。
实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类,
即点、线、面缺陷。
① 点缺陷 ：空间三维方向上尺寸都很小的缺陷。
空位：晶格中某些缺排原子的空结点。 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。 置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。
中。因而高温下晶粒过大、过小都
不好。
的晶 关粒 系大
小 与 金 属 强 度
s= i+Kd-1/2
单晶叶片
2.1.3 金属的同素异构转变
物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异
构转变。 同素异构转变属于相变之一—
固态相变。
纯铁的同素异构转变
工程材料学2金属的晶体结构与结晶
§2.1 晶体学基础知识
注意:晶面指数特征与与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面 。
§2.1 晶体学基础知识
晶面族：原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶面的集合。
§2.1 晶体学基础知识
立方晶系常见的晶面 Z
（011）
（110
） （011
（101）
）
（101 ）
Y
（110
） X
§2.1 晶体学基础知识
柱体。
四轴定向：晶面符号一般写为（hkil），指
数的排列顺序依次与a1轴、 a2轴、 a3轴、c轴相对
应，其中a1、a2、a3三轴间夹角为120o，c轴与它 们垂直。它们之间的关系为：i =－（h＋k）。
2.2.3、六方晶系晶面、晶向表示方法
1、晶面指数：
方法同立方晶系， (hkil)为在四个坐标 轴的截距倒数的化简 ，自然可保证关系式 h＋k＋i＝0。底面指 数为(0001)。
铅锭宏观组织
沿晶断口
§2.3 金属材料的实际晶体结构
点缺陷对材料性能的影响
（1）提高材料的电阻 定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡 力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热)。
（2）加快原子的扩散迁移 空位可作为原子运动的周转站。 ( 3 ) 使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
§2.3 金属材料的实际晶体结构
体心立方晶格为单斜晶系
§2.2 纯金属的典型晶体结构
１．体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？
面心立方晶格为菱方晶系
§2.2 纯金属的典型晶体结构
２．面心立方、密排六方的致密度相同，原子堆积方式的主要差异是什么？
密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB… 面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABC…
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
2-3 根据组元数, 一般分为二元相图、三元相图。 三元相图
Fe-C二元相 图
2-3 同素异构转变 有些物质在固态下其晶格类型会随温度变化而发生变化，这 种现象称为同素异构转变。 锡，四方结构的白锡在13℃下转变为金刚石立方结构的灰 锡。 同素异构转变同样也遵循形核、长大的规律，但它是一个 固态下的相变过程，即固态相变。 除锡之外，铁、锰、钴、钛等也都存在着同素异构转变。
位错密度增加，能提高金属强度。
2-1
（3）面缺陷
呈面状分布的缺陷，主要是晶界和亚晶界。 晶体缺陷产生晶格畸变，使金属的强度、硬度提高，韧性下降。
2-1
二、合金的晶体结构 1.合金的基本概念
合金：两种或两种以上的金属与金属，或金属与非金属经一定方法合成的 具有金属特性的物质。 例如，钢和生铁是Fe与C的合金，黄铜是Cu和Zn的合金。 组元：组成合金最基本的物质。可以是元素，也可以是化合物。 黄铜的组元是铜和锌；青铜的组元是铜和锡。铁碳合金中的Fe3C，镁硅合 金中的Mg2Si。 合金系：组元不变，当组元比例发生变化，可配制出一系列不同成分、不 同性能的合金，这一系列的合金构成一个“合金系统”，简称合金系。
2-1
（2）金属化合物
合金组元间发生相互作用而形成一种具有金属特性的物质。
1.正常价化合物：如Mg2Si, Mg2Sn, Mg2Pb, Cu2Se等。
2.电子化合物：不遵守原子价规律，但有一定的电子浓度的化合物。
如Cu3Al, CuZn3, Cu5Zn8等。
3.间隙化合物：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较
通常在钢中加入铝、钒，向铸铁液中加入硅铁合金。
（3）机械振动、超声振动、电磁搅拌： 使结晶过程中形成的枝晶折断裂碎，增加晶核数，达到细化晶粒的目的。
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2) 晶胞原子数： 1 81 2 8
3) 原子半径：晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子间平
衡距离的一半
r
3 4
a
4) 配位数：晶格中与任一原子最近邻且等距离的原子数目。 8
5) 致密度：晶胞中原子本身所占有的体积百分数，即密排系数
k
nv1 v
243
a3
3
43a
68%
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
属于此类结构的金属 属于此类结构的金属的
有：碱金属、难溶金 有：Al、Cu、Au、Ag
属（V、Nb、Cr、Mo 、γ-Fe、Ni、Pb以及奥
、W）、a-Fe等
氏体不锈钢等。
属于此类结构的金属
有： Mg、Zn 、 aBe、a-Ti、a-Zr、aCo等。
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
简单立方
简单六方
体心立方
面心立方
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
3．三种典型的纯金属晶体晶胞
体心立方晶胞bcc
面心立方晶胞fcc
密排六方晶胞hcp
(Body-centered cubic) (Face-centered cubic) (hexagonal close-packed)
空隙半径
a=b=c, α=β=γ=90o
r四＝0.29r原子
2
8
68% r八＝0.15r原子
a=b=c, FCC α=β=γ=90o
晶体学抽象：
空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为
晶格结点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小组成
单元）
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
空间点阵
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
2．晶胞的描述
晶体学参数： 三条棱边长a, b, c；三条棱边之间的夹角α,β,γ 晶格常数：a, b, c（1×10-10m~7×10-10m）
七个晶系：
晶系 三斜晶系 单斜晶系 斜方晶系 正方晶系 菱方晶系 六方晶系 立方晶系
轴(棱边)之间的夹角
a≠b≠c, α≠β≠γ a≠b≠c,α=γ= 90°≠β
a≠b≠c,α=β=γ≠90° a≠b≠c,α=β=γ=90° a=b=c, α=β=γ≠90° a=b≠c,α=β=90°,γ=120 a=b=c, α=β=γ =90°
晶体与非晶体
晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的 周期性排列。如金刚石、水晶、氯化钠等。
非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则排列，和液 体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”
。如 玻璃、松香、石腊等。
区别
(a)、是否具有周期性、对称性 (b)、是否长程有序 (c)、是否有确定的熔点 (d)、是否各向异性
r四
6 a1a 42
0.112a 0.225r原子
21
r八
2
a a 2
0.207a 0.414r原子
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数
晶胞 BCC
晶体学参数
原子半径
晶胞原子 数
配位数
致密度
空隙半径
在晶胞空隙中放入刚性球的最大半径（它等于顶点原子 到空隙中心的距离减去原子半径）。体心立方晶胞中有 两种空隙，一种是四面体空隙，另一种为八面体空隙。
r四
5 a 4
3a 4
0.126a 0.29r原子
r八
1 2
a
3a 4
0.067a 0.15r原子
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构述
理想晶体——实际晶体的理想化
三维空间无限延续，无边界 严格按周期性规则排列 完整的，无缺陷的 原子在其平衡位置静止不动
晶体结构: 晶体中原子（离子、分子）的排列方式
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
（3）密排六方晶胞HCP----Hexagonal Close-Packed
刚球模型
晶格模型
晶胞原子数
晶胞 HCP
晶体学参数
a=b≠c,c/a=1.633 α=β=90° γ=120°
原子半径 晶胞原子数 配位数
a/2
6
12
致密度 74%
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
空隙半径
What? “组织结构 ”
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
第二章 金属的晶体结构与结晶
2.1 金属的晶体结构 2.2 实际金属的组织结构 2.3 金属的结晶
§2.1 金属的晶体结构
主要内容：
❖ 三种典型的晶体结构 ❖ 晶面指数、晶向指数的确定 ❖ 晶体缺陷
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
82
3) 原子半径：
r
2 4
a
4) 配位数： 12
5) 致密度：
k
nv1 v
44
3
a3
2 4
3
a
74%
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
空隙半径
r四
3 a 4
2a 4
0.06a 0.225r原子
r八
1 2
a
2a 4
0.146a 0.414r原子
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
(2) 面心立方晶胞FCC -----Face-Centered Cubic
刚球模型
晶格模型
晶胞原子数
晶胞 FCC
晶体学参数
a=b=c, α=β=γ=90°
原子半径 2a 4
晶胞原子数 4
配位数 12
致密度 74%
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
面心立方晶胞的特征：
1) 晶格常数：a=b=c, α=β=γ=90° 2) 晶胞原子数： 18164
(1) 体心立方晶胞BCC ——Body-Centered Cubic
刚球模型
晶格模型
晶胞原子数
晶胞 BCC
晶体学参数
a=b=c, α=β=γ=90°
原子半径 3a 4
晶胞原子数 2
配位数 8
致密度 68%
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能
体心立方晶胞的特征：
1) 晶格常数：a=b=c, α=β=γ=90°
复习：
简单→复杂
单一性能→综合性能
结构材料→功能材料 单一材料→复合材料
结合键：
离子键 共价键 金属键 分子键
化学键 物理键
金属材料
工程材料
高分子材料 陶瓷材料
复合材料
贯穿全课程的“纲 ”
核心关系
材料的结构、性能、加工和使用状况称为材料科学与工程的 四要素
第二章金属材料结构与组织 第一章 材料的结构与性能