金属学与热处理第一章(1)

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金属学及热处理要点总结

第一章金属的晶体结构决定材料性能的三个因素：化学成分、内部结构、组织状态金属：具有正的电阻温度系数的物质。

金属与非金属的主要区别是金属具有正的电阻温度系数和良好的导电能力。

金属键：处以聚集状态的金属原子，全部或大部分贡献出他们的价电子成为自由电子，为整个原子集体所共有，这些自由电子与所有自由电子一起在所有原子核周围按量子力学规律运动着，贡献出价电子的原子则变为正离子，沉浸在电子云中，依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用结合起来，这种结合方式叫做金属键。

双原子模型：晶体：原子在三维空间做有规则周期性重复排列的物质叫做晶体。

晶体的特性：1、各向异性2、具有一定的熔点。

空间点阵：为了清晰地描述原子在三维空间排列的规律性，常将构成晶体的实际质点忽略，而将其抽象为纯粹的几何点，称为阵点或节点，这些阵点可以是原子或分子的中心，也可以是彼此等同的原子团或分子团的中心，各个阵点的周围环境都相同。

做许多平行的直线将这些阵点连接起来形成一个三维空间格架，叫做空间点阵。

晶胞：从点阵中选取的一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元。

晶格常数：晶胞的棱边长度称为晶格常数，在X、Y、Z轴上分别以a、b、c表示。

致密度：表示晶胞中原子排列的紧密程度，可用原子所占体积与晶胞体积之比K表示。

三种典型的晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。

体心立方晶格：α-Fe、Cr、W、V、Nb、Mo 配位数8 致密度0.68 滑移系：{110}*<111> 共12 个堆垛顺序ABAB 面心立方晶格：γ-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 配位数12 致密度0.74 滑移系：{111}*<110> 共12 个堆垛顺序ABCABC 密排六方晶格：Zn、Mg、Be、Cd 配位数12 致密度0.74 滑移系：{0001}*<1121> 堆垛顺序ABAB晶向族指数包含的晶向指数：一、写出<u v w>的排列二、给其中每个晶向加一个负号，分三次加三、给其中每个晶向加两个负号，分三次加四、给每个晶向加三个负号晶面族指数包含的晶面指数：（如果h k l 中有一个是零就写出排列各加一个负号，如果有两个零就只写出排列就行。

金属学与热处理第一章

晶体：是内部原子（离子、分子）按某种特定方式在三维空间内周期性规则重复排列的固体。

非晶体：内部原子无序排列的固体。

即不存在长程的周期排列晶体的特点各向异性; 晶体沿不同方向所测得的性能的不同。

如导电性，热导率，弹性模量等。

熔点; 从固态转变为液态时有固定的熔点，并发生体积的突变。

晶体结构：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空间点阵：这些阵点有规律地周期性重复排列所形成的三维空间阵列晶格：人为地将阵点用直线连接起来的空间格子晶胞：构成晶格的最基本单元阵点或结点（lattice point）：构成空间点阵的每一个点。

空间点阵有14种类型，称为布拉菲点阵，将14种空间点阵归属于7个晶系晶体中原子列的方向称为晶向通过空间点阵中的任意一组阵点的平面代表晶体中的原子平面，称为晶面晶面间距；相邻两个平行晶面间的距离相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合称为晶带配位数；晶体结构中任一原子周围最近邻且等距的原子数原子半径；假设为原子间距的一半。

晶胞中的原子数；完全属于一个晶胞的原子的数目致密度；晶体结构中原子体积占总体积的百分数。

1.体心立方(bcc)具有体心立方的金属有：,α-Fe ，Cr,V,Nb,Mo,W 原子半径：(√3 / 4 ) a中心原子被8个最近邻原子包围，故配位数为8。

晶胞中原子数：1+8×1/8=2。

致密度：0.68。

2.面心立方(fcc)致密度：0.74, 晶胞中原子数=4. 配位数：CN=12，常见金属γ-Fe,Cu,Ni,Al,Ag 面心立方半径=(√2 / 4 ) a3.密排六方(hcp)致密度；APF=0.74，配位数CN=12，等轴比；c/a=1.633.原子半径a/2, 晶胞原子数：6个常见金属：Zn,Mg,Be,α-Ti,α-Co.Cd密排六方的配位数和致密度与面心立方结构相同，这说明两者晶胞中的原子具有相同的紧密排列结构晶体中的原子堆垛方式计算的结果表明：面心立方和密排六方均属于最紧密的结构这个原子排列最紧密的面，对于密排六方而言是其底面，对于面心立方而言则为垂直于立方空间对角线的对角面密排六方密排面的堆垛方式是ABABABAB。

金属学及热处理练习题答案

第一章金属的晶体结构马氏体沉淀硬化不锈钢,它是美国ARMCO 钢公司在1949年发表的,其特点是强度高,耐蚀性好,易焊接,热处理工艺简单,缺点是延韧性和切削性能差,这种马氏体不锈钢与靠间隙元素碳强化的马氏体钢不同,它除靠马氏体相变外并在它的基体上通过时效处理析出金属间化合物来强化。

正因为如此而获得了强度高的优点,但延韧性却差。

1、试用金属键的结合方式，解释金属具有良好的导电性、正的电阻温度系数、导热性、塑性和金属光泽等基本特性.答：(1)导电性：在外电场的作用下，自由电子沿电场方向作定向运动。

(2)正的电阻温度系数：随着温度升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍作用也加大，即金属的电阻是随温度的升高而增加的。

(3)导热性：自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能。

(4) 延展性：金属键没有饱和性和方向性，经变形不断裂。

(5)金属光泽：自由电子易吸收可见光能量，被激发到较高能量级，当跳回到原位时辐射所吸收能量，从而使金属不透明具有金属光泽。

2、填空：1)金属常见的晶格类型是面心立方、体心立方、密排六方。

2)金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽主要是因为金属原子具有金属键的结合方式。

3)物质的原子间结合键主要包括金属键、离子键和共价键三种。

4)大部分陶瓷材料的结合键为共价键。

5)高分子材料的结合键是范德瓦尔键。

6)在立方晶系中，某晶面在x轴上的截距为2，在y轴上的截距为1/2；与z轴平行，则该晶面指数为（（ 140 ）） .7)在立方晶格中，各点坐标为：A (1，0，1)，B (0，1，1)，C (1，1，1/2)，D(1/2，1，1/2)，那么AB 晶向指数为（-110），OC晶向指数为（221），OD晶向指数为（121）。

8)铜是（面心）结构的金属，它的最密排面是（111 ）。

9) α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn中属于体心立方晶格的有（α-Fe 、 Cr、V ），属于面心立方晶格的有（γ-Fe、Al、Cu、Ni ），属于密排六方晶格的有（ Mg、Zn ）。

金属学与热处理第一章金属的晶体结构

金属：Zn、Mg、Be、α -Ti、α -Co等
晶体结构特征：
点阵参数： a1=a2=a3=a，
α 1=α 2=α 3=1200
平面轴X1、X2、X3和Z轴的夹角=90 ——四轴坐标系
O
Z轴的单位长度=c，用a、c两个量来度量
点阵参数：α=β=90º, γ=120º; a1=a2=a3≠c，理想状态：c/a＝1.633
第一章金属的晶体结构
本章教学目的
建立金属晶体结构的理想模型揭示金属的实际晶体结构
§1-1 金属
一. 金属的特性和概念
1. 特性
金属通常表现出的特性：良好的导电性、导热性、塑性、金属光泽、不透明。
2. 概念
(1) 传统意义上的概念。 (2) 严格意义上的概念：具有正的电阻温度系数的物质，即电阻随温度的升高而增加的物质。
晶向─晶体点阵中，由阵点组成的任一直线，代表晶体空间内的一个方向，称为晶向。晶面─晶体点阵中，由阵点所组成的任一平面，代表晶体的原子平面，称为晶面。
1.晶向指数的标定
晶向指数─用数字符号定量地表示晶向，这种数字符号称为晶向指数。以晶胞为基础建立三维坐标体系： z C′ O′ A′ c
γ O β α
晶体有各向异性，非晶体则各向同性。
各向异性：不同方向上的性能有差异。
3.晶体与非晶体的相互转化性
玻璃
长时间保温
金属极快速凝固
“晶态玻璃”
“金属玻璃”
非晶新材料的发展：光、电、磁、耐蚀性、高强度等方面的高性能等。
二.晶体学简介
1.晶体结构模型的建立
（1）假设：原子为固定不动的刚性小球，每个原子具有相同的环境。
O′
z B′
C′

金属学与热处理课后答案(哈工大第3版)

金属学与热处理课后答案第一章填表：晶格类型原子数原子半径配位数致密度体心立方2a43868%面心立方4a421274%密排六方6a211274%5、作图表示出立方晶系（1 2 3）、（0 -1 -2）、（4 2 1）等晶面和[-1 0 2]、[-2 1 1]、[3 4 6] 等晶向10、已知面心立方晶格常数为a，分离计算（100）、（110）、和（111）晶面的晶面间距；并求出【100】、【110】和【111】晶向上的原子罗列密度（某晶向上的原子罗列密度是指该晶向上单位长度罗列原子的个数）第1 页/共18 页答：（100）：（110）：（111）：14、何谓组元？何谓相？何谓固溶体？固溶体的晶体结构有何特点？何谓置换固溶体？影响其固溶度的因素有哪些？答: 组元：组成合金最基本的、自立的物质。

相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面互相分开的组成部分。

固溶体：合金组元之间以不同的比例互相混合形成的晶体结构与某一组元相同的固相。

固溶体的晶体结构特点：固溶体仍保持着溶剂的晶格类型，但结构发生了变化，主要包括以下几个方面：1)有晶格畸变，2)有偏聚与有序，3)当低于某一温度时，可使具有短程有序的固溶体的溶质和溶剂原子在囫囵晶体中都按—定的顺序罗列起来，改变为长程有序，形成有序固溶体。

置换固溶体：溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体。

影响置换固溶体固溶度的因素：原子尺寸，电负性，电子浓度，晶体结构15、何谓固溶强化？置换固溶体和间隙固溶体的强化效果哪个大？为什么？答：固溶强化：在固溶体中，随着溶质浓度的增强，固溶体的强度、硬度提高，而塑性、韧性有所下降的现象。

间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体的强化效果。

缘故：溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，所引起的晶格畸变也越大，强化效果越好。

间隙固溶体晶格畸变大于置换固溶体的晶格畸变16、何谓间隙相？它与间隙固溶体及复杂晶格间隙化合物有何区别？答：间隙相：当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，形成的容易的晶体结构称为间隙相。

金属学与热处理原理(第三版)课后答案全

金属学与热处理课后答案第一章金属键？并用其解释金属的特性答：金属键就是金属阳离子和自由电子之间的强烈的相互作用，可以决定金属的很多物理性质。

金属的延展性就是由于在金属被锻造的时候，只是引起了金属阳离子的重新排布，而由于自由电子可以在整块金属内自由流动，金属键并未被破坏。

再如由于自由电子的存在使金属很容易吸收光子而发生跃迁，发出特定波长的光波，因而金属往往有特定的金属光泽。

金属中的自由电子沿着电场定向运动，导电性；自由电子的运动及正离子的震动，使之具有导热性；温度升高，正离子或原子本身振动的幅度加大，阻碍电子的通过，使电阻升高，具有正的电阻温度系数用双原子模型说明金属中原子为什么会呈现周期性规则排列，并趋于紧密排列答：当大量金属原子结合成固体时，为使体系能量最低，以保持其稳定，原子间必须保持一定的平衡距离，因此固态金属中的原子趋于周期性规则排列。

原子周围最近邻的原子数越多，原子间的结合能越低（因为结合能是负值），把某个原子从平衡位置拿走，克服周围原子对它的作用力所需做的功越大，因此固态金属中的原子总是自发地趋于紧密排列。

3.填表：晶格类型原子数原子半径配位数致密度间隙类型间隙半径间隙数目举例原子堆垛方式体心立方2a438 68% 八面体 a 18 α—Fe ABABAB四面体 a 24面心立方4a4212 74% 八面体 a 13 γ—Fe ABCABC四面体 a 8密排六方6a2112 74% 八面体 a 6 Mg ABABAB四面体8a 194什么是晶体结构？什么是晶格？什么是晶胞？答：晶体结构：指晶体中原子（离子，原子，分子集团）的具体的排列情况，也就是指晶体中这些质点在三维空间内有规律的周期性重复排列；晶格：将阵点用一系列平行的直线连接起来构成的空间格架。

晶胞：构成点阵的最基本单元。

5、作图表示出立方晶系（1 2 3）、（0 -1 -2）、（4 2 1）等晶面和[-1 0 2]、[-2 1 1]、[3 4 6] 等晶向6立方晶系的{1 1 1}晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并注明各晶面的晶面指数。

金属学与热处理复习题

第一章复习题晶向指数相同，符号相反的为同一条直线原子排列相同但空间位向不同的所有晶向晶面指数的数字和顺序相同，符号相反则两平面互相平行晶面的空间位向不同但原子排列相同的所有晶面当一个晶向[uvw]与一个晶面（hkl ）平行时hu+kv+lw=0当一个晶向[uvw]与一个晶面（hkl ）垂直时h=u ，K=v ，l=w晶体的各向异性原因: 在不同晶面上的原子紧密程度不同纯铁冷却时在912 发生同素异晶转变是从结构转变为结构，配位数，致密度降低，晶体体积，原子半径发生。

面心立方晶胞中画出）（211晶面和]211[晶向刃型位错的四个特征（作业）螺型位错的四个特征（作业）面心立方（FCC ）体心立方（BCC ）密排六方（HCP ）晶胞原子数原子半径配位数致密度同素异构转变定义--18页晶体缺陷的分类：常见的点缺陷：常见的面缺陷：第二章复习题一、填空1、金属结晶两个密切联系的基本过程是和2 、金属结晶的动力学条件为3 、金属结晶的结构条件为4 、铸锭的宏观组织包括5、如果其他条件相同，则金属模浇注的铸件晶粒比砂模浇注的晶粒更细，高温浇注的铸件晶粒比低温浇注的晶粒粗大，采用振动浇注的铸件晶粒比不采用振动的晶粒更细，薄铸件的晶粒比厚铸件晶粒更细。

二、问答1、金属的结晶形核45页2、金属的长大的要点52页2、铸锭三晶区名称及形成过程（柱状晶为重点）3、影响柱状晶生长的因素56-57页三、名词解释：1、细晶强化2、变质处理3、铸造织构第三章二元合金的相结构与结晶作业题（复习题）1、概念合金、相、固溶体、固溶强化、、离异共晶、伪共晶2、填空1）固溶体按照溶质原子在晶格中所占位置分为和。

2）固溶体按照固溶度不同分为和。

3）置换固溶体溶解度的影响因素有、、、、和温度。

4）置换固溶体中原子半径相对差别Δr 8%且两者的晶体结构相同时才有可能形成无限固溶体。

5）间隙固溶体形成无限固溶体（填“有可能”“不可能”）6）正温度梯度下：随成分过冷程度增大分别形成、和。

金属学与热处理原理崔忠圻第三版课后题全部答案

10.
11. 多晶型转变：大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如 Fe、Mn、Ti、Co 等具有两种或几种的晶体结构，当外界条件（如温度、压强）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称为多晶型转变。
-8.1% 12. 晶带：平行于或相交于同一直线的一组晶面叫做一个晶带。
晶带轴：晶带中平行于或相交于的那条直线叫做晶带轴。 13.（1-211）（-3211）（-1-122） 14.组元：组成合金的最基本的、独立的物质称为组元，一般来说，组元是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物；
随着晶胚 r 增大，系统的自由能下降，这样的晶胚可以自发地长成稳定的晶核，当 r= rk =时，这种晶胚既可能消失，
也可能长大称为稳定的晶核，因此把 rk 称为临界形核半径；
⑾活性质点：在非均匀形核中，固态杂质和晶核（晶体）界面满足点阵匹配原理(结构相似、尺寸相当)，就可能
能量起伏；
⑦均匀形核：液相中各个区域出现新相晶核的几率是相同的，这种形核方式称为均匀形核；
⑧形核功：形成临界晶核时，体积自由能的下降只补偿了表面能的 2/3，还有 1/3 的表面能没有得到补偿，需要
对形核作功，故称
△Gk=1/3Skσ为形核功；
⑨临界形核半径：当 r＜rk 时，随着晶胚 r 增大，系统自由能增加，这种晶胚不能成为稳定的晶核，当 r＞rk 时，
电子浓度决定的，故电子浓度影响着固溶度：公式
上式 Va、Vb 分别为溶剂和溶质的原子价，X 为溶剂 B 的摩尔分数。一定的金属晶体结构的单位体积中能容纳的价电子数有一定限度，超过这个限度会引起结构不稳定甚至变化，故此固溶体的电子浓度有一极限值。（fcc 为 1.36，bcc 为 1.48）元素的原子价越高，则其固溶度越小。 4 晶体结构因素：溶剂与溶质的晶体结构类型是否相同，是其能否形成无限固溶体的必要条件。如果组元的晶体结构不同，只能形成有限固溶体。即使组元晶体结构相同但是不能形成无限固溶体，其溶解度也将大于晶格类型不同的组元间的溶解度。以上 4 个要素都有利时所形成的固溶体固溶度可能较大，甚至无限固溶体。但上述四个要素只是形成固溶体的必要条件。此外，温度越高，固溶度越大。 15. 固溶强化：在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，而塑韧性有所下降的现象称为固溶强化。由于间隙原子造成的晶格畸变比置换固溶体要大得多，所以间隙固溶体的强化效果要好。 16. 间隙相：过渡族金属能与原子甚小的非金属形成化合物，当非金属原子半径与金属原子半径比值小于 0.59 时，形成的化合物具有比较简单的晶体结构，称为间隙相；间隙相与间隙固溶体之间有着本质的区别，间隙相是一种化合物，它具有与其组元完全不同的晶体结构，而间隙固溶体则保持溶剂组元的晶格类型；间隙相的非金属原子半径与金属半径比小于 0.59 且具有较简单的结构，而间隙化合物的非金属原子与金属原子半径比大于 0.59 且结构比较复杂。此外，间隙相一般比间隙化合物硬度更高，更稳定。 17. Ag、Al 都具有面心立方晶体结构，如果 Ag、Al 在固态下形成无限固溶体，则必须是置换固溶体，影响置换固溶体的四个因素：原子半径、电负性、电子浓度、晶体结构。Ag、Al 的原子半径相差不大、电负性相差不大，晶体结构都为面心立方晶体，这三个因素都比较有利，但是面心立方结构单位体积能容纳的价电子数有一定限度，超过这个限度就会引起结构的不稳定甚至改变，故而有电子浓度有一定的限度。AL 的化合价位+3（很大），只需溶入相对较少的 AL 就能达到极限电子浓度，即溶解度有一定限度，不能形成无限固溶体。 18. P107 19. 晶体结构：固溶体保持着溶剂组元的晶格类型，此外固溶体结构还会发生如下变（①晶格畸变；②偏聚与有序； ③有序固溶体）；金属化合物晶结构不同于任一组元，是合金组元间发生相互作用形成的新相；机械性能：固溶体相对来说塑韧性较好，硬度低；金属化合物硬而脆。 20. 点缺陷都会造成晶格畸变，对金属的性能产生影响，如使屈服强度升高、电阻增大、体积膨胀等等；此外，点缺陷的存在将加速扩散，因而凡是与扩散有关的相变、化学热处理、高温下的塑性变形和断裂等等，都与空位和间隙原子的存在和运动有关系。 21. 刃形位错：设有一简单立方晶体，某一原子面在晶体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就是一个刃形位错，犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面一样，将刃口处的原子列称为刃形位错线。螺形位错：一个晶体的某一部分相对于其它部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升，每绕轴线一周，原子面上升（下降）一个晶面间距。在中央轴线（即位错线）附近的原子是按螺旋型排列的，这种位错称为螺形位错。各种间隙原子核尺寸较大的置换原子，它们的应力场是压应力，因此在正刃形位错的上半部分的应力相同，二者

金属学与热处理课后习题汇编第一章

第一章：金属与合金的晶体结构1.什么是金属键？请用金属键解释金属的特性。

2.画图用双原子模型说明金属中原子为什么呈周期性规则排列，而且趋于紧密排列。

3.填表晶格类型晶胞参数晶胞原子数n原子半径r配位数间隙类型间隙半径间隙数目举例原子密排面堆垛方式bccfcchcp4.什么是晶体结构？什么是晶格？什么是晶胞？5.作图表示立方晶系（102）、（021）、（421）晶面和[021]、[112]、[346]晶向。

6.立方晶系的｛111｝晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并说明各晶面的晶面指数。

7.已知Fe和Cu在室温下的晶格常熟分别为0.286nm和0.3607nm，求1CM ³中Fe 和Cu 的原子数各为多少？8.钛在冷却到883℃时从bcc 转变为hcp 结构，此时其原子半径增加2%，求单位质量的钛发生此转变时体积变化的百分比。

9.在立方晶系中画出｛112｝的所有晶面。

10.已知面心立方晶格的晶格常数为a ，为别试算（100）、（110）和（111）晶面的晶面间距；并求出[100]、[110]和[111]晶向上的原子排列密度（某晶向上的原子排列密度是指该晶向上单位长度排列原子的个数）。

11.何谓多晶型转变？以Fe 为例说明之；Fe 加热至912℃会发生多晶型转变，如果原子半径不变，试求出此时的体积变化。

12.何谓晶带？何谓晶带轴？画出以[001]为晶带轴的共带面。

13.六方晶系中的（1211）、（1121）、（2113）、（2211）晶向中哪些属于[3211]晶带？14.何谓组元？何谓相？何谓固溶体？固溶体的晶体结构有何特点？何谓置换固溶体？影响其固溶度的因素有哪些？15.何谓固溶强化？置换固溶体和间隙固溶体的强化效果哪个大？为什么？16.何谓间隙相？它与间隙固溶体及复杂晶格间隙化合物有何区别？17.Ag 和Al 都具有面心立方晶格，原子半径接近，但它们再固态下却不能无限互溶，试解释其原因。

金属学与热处理原理思维导图

第一章金属与合金的晶体结构⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧越多，结合能越低密排列的原因：原子数固态金属中原子趋于紧衡距离使得能量最低则排列的原因：保持平固态金属中原子趋于规双原子作用模型的解释结合力与结合能延展性不透明具有金属光泽正的电阻温度系数导热性导电性解释固态金属的特性定义金属键金属原子的结构特点金属原子间的结合3.1.12.1.11.1.11.1⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧各向异性熔点晶体与非晶体的区别金属玻璃的定义晶体的定义晶体与非晶体1.2.1⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧年名词解释晶胞（晶粒年名词解释）晶格（空间点阵定义晶体结构定义晶体结构与空间点阵04012.2.1⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧密排六方面心体心间隙密排六方面心体心晶体中的原子堆垛和间隙晶体中的原子堆垛方式配位数：、、、、、密排六方：典型代表：配位数：、、、、面心立方：典型代表配位数：、、、、、体心立方：典型代表：构三种典型的金属晶体结12Cd Co Ti Be Mg Zn 12Ag Al Ni Cu Fe -8W Mo Nb V Cr -3.2.1γαFe ⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧相互结合而成的综合体大小数量及分布的相，同，形成具有不同形状组织：由于形成条件不相互分开的组成部分成分性能均一并以界面相：合金中结构相同，组元的定义合金的定义合金相结构3.1⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧电阻温度系数下降电阻率升高物理性能韧性塑性机械性能固溶强化固溶体的性能有序固溶体力）合力大于同种原子结合短程有序（异种原子结大于异种原子结合力）偏聚（同种原子结合力偏聚与有序晶格畸变固溶体结构特点有序固溶体无序固溶体的相对分布分类按溶质原子与溶剂原子无限共熔体有限固溶体按固溶度分溶剂晶格类型溶质原子大小的因素影响间隙固溶体溶解度过渡族元素为溶剂溶质氢、氧、碳、氮、硼为定义名词解释）间隙固溶体（晶体结构电子浓度电负性原子尺寸的因素影响置换固溶体溶解度定义置换固溶体占位置分按溶质原子在晶格中所分类名词解释）、定义（固溶体9506041.3.1⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧）时具有体心立方结构（电子浓度为相，称为）时具有体心立方结构（电子浓度为决定于电子浓度电子化合物部分具有半导体性质高脆性高硬度成分不变服从原子价规律正常价化合物定义金属化合物142123142123.2.12.3.1 第二章：纯金属的结晶⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧过程的描述规律：形核长大金属结晶的围观过程结晶潜热）过冷现象（过冷度定义结晶过程的宏观现象金属结晶的现象2.1.2.2.11.1.21.2⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧关系最大相起伏与过冷度的相起伏的定义义近程有序远程有序的定结构条件与过冷度的推导热力学条件：自由能差金属结晶的条件3.22.2⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧过热度的影响固体杂质形貌的影响固体杂质结构的影响过冷度的影响形核率的推导临界晶核半径和形核功非均匀形核原子扩散形核功形核率与均匀形核进行比较的推导形核功与过冷度关系式能量起伏的概念推导定义形核功推导临界晶核半径变化的关系图分析晶核半径与自由能形核时的能量变化均匀形核晶核的形成.2.12.4.2.3.2.11.4.24.2⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧方式进行凝固总是以非均匀形核工业生产中液体金属的在一定的温度下进行的扩散迁移过程，需要晶核的形成过程是原子然现象皆是液体本身存在的自也需要能量起伏，二者形核既需要结构起伏，比成正比，与过冷度成反临界形核半径与表面能过冷的液体中进行液态金属的结晶必须在金属的结晶形核要点.5.4.3.2.1⎩⎨⎧≤≥）粗糙界面（）光滑界面（固液界面的微观结构2.25.11.5.2αα⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧制粗糙界面：垂直长大机螺型位错长大机制二位晶核长大机制光滑界面晶体长大机制2.5.2⎩⎨⎧负温度梯度正温度梯度温度梯度固液界面前沿液体中的3.5.2⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧粗糙界面为树枝状生长能长成规则形状的晶体值大时负温度梯度下仍晶大温度梯度下形成树枝的几何外形小温度梯度下长成规则值小时光滑界面在负的温度梯度下粗糙界面：平面长大形表面具有规则的几何外光滑界面：以密排面为在正的温度梯度下晶体生长的界面形状αα.2.14.5.2⎪⎩⎪⎨⎧⎩⎨⎧度快粗糙界面：垂直长大速螺位错长大二位晶核长大光滑界面（速度慢）长大速度5.5.2⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎨⎧⎪⎪⎩⎪⎪⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧⎩⎨⎧界面状态值较高的金属保持光滑枝状金属亚金属的界面呈树负的温度梯度平面长大等温面的平直界面，呈于粗糙界面的形态为平行互成一定角度呈锯齿状光滑界面的一些小晶面正温度梯度界面的微观结构有关界面前沿的温度梯度和晶体生长的界面形态与所需过冷度很大。

《金属学和热处理》崔忠圻[第二版]课后答案解析[完整版]

第一章金属的晶体结构之阿布丰王创作1-1 作图暗示出立方晶系（1 2 3）、（0 -1 -2）、（4 2 1）等晶面和[-1 0 2]、[-2 1 1]、[3 4 6]等晶向。

答：1-2 立方晶系的{1 1 1}晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并注明各晶面的晶面指数。

答：{1 1 1}晶面共包含（1 1 1）、（-1 1 1）、（1 -1 1）、（1 1 -1）四个晶面，在一个立方晶系中画出上述四个晶面。

1-3 某晶体的原子位于正方晶格的节点上，其晶格常数为a=b≠c,c=2/3a。

今有一晶面在X、Y、Z坐标轴上的结局分别为5个原子间距、2个原子间距和3个原子间距，求该晶面的晶面指数。

答：由题述可得：X方向的截距为5a，Y方向的截距为2a，Z方向截距为3c=3×2a/3=2a。

取截距的倒数，分别为1/5a，1/2a，1/2a化为最小简单整数分别为2，5，5故该晶面的晶面指数为（2 5 5）1-4 体心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。

答：H（1 0 0）==a/2H（1 1 0）==√2a/2H（1 1 1）==√3a/6面间距最大的晶面为（1 1 0）1-5 面心立方晶格的晶格常数为a，试求出（1 0 0）、（1 1 0）、（1 1 1）晶面的面间距大小，并指出面间距最大的晶面。

答：H（1 0 0）==a/2H（1 1 0）==√2a/4H（1 1 1）==√3a/3面间距最大的晶面为（1 1 1）注意：体心立方晶格和面心立方晶格晶面间距的计算方法是：1、体心立方晶格晶面间距：当指数和为奇数是H=，当指数和为偶数时H=2、H=，当指数全为奇数是H=。

1-6 试从面心立方晶格中绘出体心正方晶胞，并求出它的晶格常数。

答：1-7 证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633。

证明：理想密排六方晶格配位数为12，即晶胞上底面中心原子与其下面的3个位于晶胞内的原子相切，将各原子中心相连接形成一个正四面体，如图所示：此时c/a=2OD/BC在正四面体中：AC=AB=BC=CD ,OC=2/3CE所以：OD2=CD2-OC2=BC2- OC2OC=2/3CE，OC2=4/9CE2，CE2=BC2-BE2=3/4BC2可得到OC2=1/3 BC2，OD2= BC2- OC2=2/3 BC2OD/BC=√6/3所以c/a=2OD/BC=2√6/3≈1-8 试证明面心立方晶格的八面体间隙半径r=0.414R，四面体间隙半径r=0.225R；体心立方晶格的八面体间隙半径：<1 0 0>晶向的r=0.154R，<1 1 0>晶向的r=0.633R，四面体间隙半径r=0.291R。

金属学及热处理基础知识

第一章金属学及热处理基础知识一、金属的基本结构金属材料的化学成分不同，其性能也不同。

但是对于同一种成分的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料内部的组织结构，也可以使其性能发生极大的变化，可见，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。

金属和合金在固态下通常都是晶体，因此首先要了解其晶体结构。

1、金属的原子结构及原子的结合方式（1）金属原子的结构特点最外层的电子数很少，一般为1～2个，最多不超过4个，这些外层电子与原子核的结合力很弱，很容易脱离原子核的束缚而变成自由电子，此时的原子即变为正离子，而对于过渡族金属元素来说，除具有以上金属原子的特点外，还有一个特点，即在次外层尚未填满电子的情况下，最外层就先填充了电子。

因此，过渡族金属的原子不仅容易丢失最外层电子，而且还容易丢失次外层的1～2个电子，这就出现了过渡族金属化合价可变的现象。

当过渡族金属的原子彼此相互结合时，不仅最外层电子参与结合，而且次外层电子也参与结合。

因此，过渡族金属的原子间结合力特别强，宏观表现为熔点高。

强度高。

由此可见，原子外层参与结合的电子数目，不仅决定着原子间结合键的本质，而且对其化学性能和强度等特性也具有重要影响。

（2）金属键处以集聚状态的金属原子，全部或大部将它们的价电子贡献出来，为其整个原子集体所公有，称之为电子云或电子气。

这些价电子或自由电子，已不再只围绕自己的原子核转动，而是与所有的价电子一起在所有原子核周围按量子力学规律运动着。

贡献出价电子的原子，则变为正离子，沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式叫做金属键，它没有饱和性和方向性。

（3）结合力与结合能固态金属中两原子之间的相互作用力包括：正离子与周围自由电子间的吸引力，正离子与正离子以及电子与电子间的排斥力。

结合能是吸引能与排斥能的代数和，当形成原子集团比分散孤立的原子更稳定，即势能更低时，在吸引力的作用下把远处的原子移近所做的功是使原子的势能降低，所以吸引能是负值，相反，排斥能作用下把远处的原子移近平衡距离d 0时，其结合能最低，原子最稳定。

金属学与热处理章节重点总结

第1章金属和合金的晶体结构1.1金属原子的结构特点：最外层的电子数很少，一般为1～2个，不超过3个。

金属键的特点：没有饱和性和方向性结合力：当原子靠近到一定程度时，原子间会产生较强的作用力。

结合力＝吸引力＋排斥力结合能＝吸引能＋排斥能（课本图1.2）吸引力：正离子与负离子（电子云）间静电引力，长程力排斥力：正离子间，电子间的作用力，短程力固态金属原子趋于规则排列的原因：当大量金属原子结合成固体时，为使固态金属具有最低的能量，以保持其稳定状态，原子间也必须保持一定的平衡距离。

1.2晶体：基元在三维空间呈规律性排列。

晶体结构：晶体中原子的具体排列情况，也就是晶体中的这些质点在三维空间有规律的周期性的重复排列方式。

晶格：将阵点用直线连接起来形成空间格子。

晶胞：保持点阵几何特征的基本单元三种典型的金属晶体结构（要会画晶项指数，晶面指数）共带面：平行或相交于同一直线的一组晶面组成一个晶带，这一组晶面叫做共带面晶带轴：同一晶带中所有晶面的交线互相平行，其中通过坐标原点的那条直线。

多晶型转变或同素异构转变：当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变。

1.3合金：两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它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物质，通常组元就是组成合金的元素。

相：是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。

固溶体：合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。

与固溶体结构相同的组元为溶剂，另一组元为溶质。

固溶体的分类：按溶质原子在溶剂晶格中的位置：置换固溶体与间隙固溶体。

按溶质原子在固体中的溶解度：分为有限固溶体和无限固溶体。

按溶质原子在固溶体内分布规则：分为有序固溶体和无序固溶体固溶强化：在固体溶液中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，塑性韧性下降。

《金属学与热处理》课程教学大纲

金属学与热处理课程代码：1013003总学时：96先修课程：普通化学、材料力学、物理化学、机械制造基础开课对象：金属材料工程专业一、课程的性质、目的与任务：1、性质：金属学与热处理是金属材料工程专业的一门主要技术基础课程，是该专业学生学习和研究工程材料及其工程技术的重要理论基础课程，其为进行进一步的专业课程学习打下理论和实验基础。

2、目的与任务：使学生掌握研究材料微观的方法，建立微观组织与宏观特性和性能间的联系与对应关系并通过实验掌握基本的金相实验方法。

二、教学基本内容与基本要求：3^基本内容(1)金属的晶体结构。

(2)纯金属结晶。

(3)二元合金的相结构与结晶。

(4)铁碳合金。

(5)三元合金相图。

(6)金属及合金的塑性变形与断裂。

(7)金属及合金的回复与再结晶。

(8)扩散。

(9)钢的热处理原理。

(10)钢的热处理工艺。

(11)工业用钢。

(12) 铸铁。

(13)有色金属及合金。

4、基本要求(1)掌握材料的基本结构、组织及与性能的联系。

(2)掌握材料的结晶过程及结晶过程组织变化的分析。

(3)利用相图分析材料的组织及组织转变。

(4)掌握金属的塑性变形过程及机理。

(5) 了解材料的强化途径及强化理论。

(教学要求：A -熟练掌握；B -掌握；C - 了解)本课程实验安排项目：16学时五、教学方法与教学手段1、教学方法采用启发式教学，鼓励学生自学，培养学生的自学能力；以扩大学生的知识面为原则，增加课堂讨论内容，调动学生学习的主动性与积极性。

2、教学手段采用黑板教学、幻灯教学、挂图讲解等教学方法相结合，并开展电子教案、CAI课件的研制、引进和应用、研制多媒体教学系统。

六、建议教材与参考书目1、金属学与热处理，崔忠圻，机械工业出版社，2000.2、金属学原理，侯增寿，上海科学技术出版社，1990。

3、金属学与热处理，丁建生，机械工业出版社，20044、金属材料与热处理原理，赵忠，丁仁亮，周而康，哈尔滨工业大学出版社，2000o 七、大纲编写的依据与说明本课程教学大纲，是根据金属材料工程专业本科生培养目标与教学计划要求，结合本课程的性质、教学的基本任务和基本要求编写的。

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。

金属学及热处理习题参考答案(1-9章)

第一章金属及合金的晶体结构一、名词解释：1．晶体：原子（分子、离子或原子集团）在三维空间做有规则的周期性重复排列的物质。

2．非晶体：指原子呈不规则排列的固态物质。

3．晶格：一个能反映原子排列规律的空间格架。

4．晶胞：构成晶格的最基本单元。

5．单晶体：只有一个晶粒组成的晶体。

6．多晶体：由许多取向不同，形状和大小甚至成分不同的单晶体（晶粒）通过晶界结合在一起的聚合体。

7．晶界：晶粒和晶粒之间的界面。

8．合金：是以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。

9．组元：组成合金最基本的、独立的物质称为组元。

10．相：金属中具有同一化学成分、同一晶格形式并以界面分开的各个均匀组成部分称为相。

11．组织：用肉眼观察到或借助于放大镜、显微镜观察到的相的形态及分布的图象统称为组织。

12．固溶体：合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、结构上与组元之一相同的固相。

二、填空题：1．晶体与非晶体的根本区别在于原子（分子、离子或原子集团）是否在三维空间做有规则的周期性重复排列。

2．常见金属的晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格三种。

3．实际金属的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。

4．根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。

5．置换固溶体按照溶解度不同，又分为无限固溶体和有限固溶体。

6．合金相的种类繁多，根据相的晶体结构特点可将其分为固溶体和金属化合物两种。

7．同非金属相比，金属的主要特征是良好的导电性、导热性，良好的塑性，不透明，有光泽，正的电阻温度系数。

8．金属晶体中最主要的面缺陷是晶界和亚晶界。

9．位错两种基本类型是刃型位错和螺型位错，多余半原子面是刃型位错所特有的。

10．在立方晶系中，｛120｝晶面族包括(120)、(120)、(102)、(102)、(210)、(210)、(201)、(201)、(012)、(012)、(021)、(021)、等晶面。

15年金属学与热处理第1章习题及思考题

第一章习题1、标出图中给定的晶面和晶向的米勒指数：晶面: OO ′A ′A 、OO ′B ′B 、OO ′C ′C 、OABC 、AA ′C ′C 、ED ′D 、EDC晶向: OB 、EC 、O ′C 、OD 、AC ′、D ′A2 在立方晶胞中画出以下晶面或晶向 , 写出立方晶系空间点阵特征。

3 某晶体的原子位于四方点阵的节点上，点阵的a=b ，c=a/2，有一晶面在x ，y ，z 轴的截距分别为6个原子间距、2个原子间距和4个原子间距，求该晶面的密勒指数。

4、已知铜原子直径为0.256nm ，试计算Cu 的晶格常数以及1mm 3铜中的原子数。

5、对于体心立方的Fe ，已知其点阵常数为0.2866nm 。

请计算Fe 的密度。

6．什么是晶面族，立方晶系的｛111｝、｛105｝晶面族各包含哪些晶面? 立方晶系的<123>晶向族各包含哪些晶向？7 什么是点阵参数? 讨论晶体结构与空间点阵之间的关系。

写出七种晶系的名称及对应的空间点阵特征。

8、fcc(bcc)结构的密排方向是___，密排面是___，密排面的堆垛顺序是___，致密度为____，配位数是___，晶胞中原子数为___，把原子视为半径为r 的刚性球时，原子的半径是点阵常数a 的关系为______。

9根据缺陷相对于晶体尺寸和其影响范围的大小，缺陷可以分为哪几类?简述这几类缺陷的特征以及这些缺陷对金属性能的影响。

这些缺陷是否一定是性能上的缺陷，为什么？10常见的金属晶体的界面有哪些？通常晶界分为哪两大类？划分的依据是什么? 简述小角度晶界的结构模型，大角晶界重合点阵模型的含义是什么?11 纯Cu 晶体在常温下的点阵常数为a=0.3615nm:（1）. 指出其晶体结构类型和配位数；（2）. 简略计算Cu 原子半径、原子致密度以及其中八面体间隙的半径，写出八面体间隙中心所在的位置；（3）. 画出Cu 原子在（111）晶面的分布情况，并计算其晶面间距和原子在晶面上的致密度。