工程材料—金属材料的结构与组织

非晶体 是指原子呈无序排列的固体。
金属的结构
晶态
SiO2的结构
非晶态
常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性 在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。
1.1.1 纯金属的晶体结构
晶体的基本概念
晶格与晶胞
●晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三 维空间格架。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。 ●晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。
(111) (001)
(110)
(111) (112)
不能将坐标原点选在 待定的晶面上； 若晶面与坐标轴平行， 则截距为无穷大； 若有负号，表示在数 字上方。
3）晶面族与晶向族

(hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。
指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶 面称作晶向族或晶面族。分别用<uvw>和{hkl}表示。
黄铜

Al-Cu两相合金
1.1.2 合金的晶体结构

所谓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。 显微组织实质上是指在显微 镜下观察到的金属中各相或 各晶粒的形态、数量、大小 和分布的组合。 固态合金中的相分为固溶体 和金属化合物两类。
单相 合金
Байду номын сангаас


两相 合金
n = 8×1/8+6×1/2 = 4
CNfcc = 12
面心立方点阵（FCC）
γ-Fe , Al , Ni , Pb ,Cu , Ag , Au
八面体间隙 间隙半径为0.414R
四面体间隙 间隙半径为0.225R
面心立方晶胞中的空隙位置
密排六方点阵（HCP）
Be,Mg,Zn,Cd,Zr, Hf, 低温Ti
刃型位错的伯氏矢量b特点：其与位错线ζ垂直。 -
伯氏矢量
螺型位错的伯氏矢量
有位错的晶体
完整晶体
螺型位错的伯氏矢量b特点：其与位错线ζ平行。
伯氏矢量
位错的特点：
a. b. c. d. e. 晶格畸变，产生内应力； 刃型位错易吸纳异类原子； 位错易移动； 正负刃型位错可相消； 刃型位错可攀移。

位错密度：单位体积内 所包含的位错线总长度。
(3)面缺陷—晶界与亚晶界

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°。

亚晶粒是组成晶粒的尺寸 很小，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。亚晶界也可看作位错壁。
第1章 材料的结构与性能
n = 12×1/6 + 2 × ½ + 3 = 6
理想状态，c/a=1.633时，a = 2R
CNhcp= 12
三种典型金属结构的晶体学特点
Fe淬火时发生固态相变FCC →BCC ，导致体积膨胀； C在γ-Fe（FCC）中的溶解度远大于α-Fe（BCC）。
2.金属晶体中的晶面和晶向

体心立方晶格中，原子密度最大的晶面族为{110}，称密 排面；在面心立方晶格中，密排面为{111} 。
4）晶面及晶向的原子密度
体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度
体心立方晶格中，原子密度最大的晶向族是〈111〉， 称密排方向。在面心立方晶格中，密排方向为〈110〉。
3.金属晶体的特性
1）具有确定的熔点 2）具有各向异性 不同晶面和晶向上原子排列的密度不同。


与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、 韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而 塑性和韧性则要高得多。
如：工业纯Al的硬度为35～40HBS，Al-Cu合金为120-145HBS
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。
面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上 尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。
(1) 点缺陷
点缺陷是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的 微 观区域内偏离晶体结构的正常 排列的一种缺陷。 晶体点缺陷 包括空位、间隙原子、置换原子，以及由 它们组成的复杂点缺陷，如空位对、空位团和空位 -溶 质原子对等。
第1章 材料的结构与性能
材料科学与工程学院
1.1 金属材料的结构与性能
1.1.1 纯金属的晶体结构
本节重点
1. 晶体学基本概念 2. 三种常见金属的晶体结构特征
3. 立方晶系的晶向指数和晶面指数的标定
4. 点缺陷的类型 5. 位错的类型及其特征
1.1 金属材料的结构与性能
固体 晶体 是指原子呈规则排列的固体。
1.1.2 合金的晶体结构
1.1 金属材料的结构与性能
1.1.2 合金的晶体结构
本节重点
1. 合金及相的概念 2. 相的分类及其特征 3. 固溶强化及其原因
1.1.2 合金的晶体结构

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。

组成合金的元素可以是全
部是金属，也可是金属与 非金属。 组成合金的元素相互作用 可形成不同的相。
晶体中各方位上的原子面称晶面。 各方向上的原子列称晶向。 表示晶面的符号称晶面指数。 表示晶向的符号称晶向指数。
阵点坐标 op ua vb wc a b c
1） 晶向指数
求法： 1）确定坐标系 [101] 2）过坐标原点，作直线与待 求晶向平行； 3） 在该直线上任取一点，并 确定该点的坐标（x，y，z） 4）将此值化成最小整数u，v， w并加以方括号[u v w]即是。
部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。
(2) 具有复杂结构的间隙化合物 当r非/r金>0.59时形成复杂结构间隙化合物。 如FeB、Fe3C、Cr23C6等。
Cr23C6的晶体结构
1. 基本概念：晶格、晶胞、晶格常数、合金、相
2. 三种常见金属的晶体结构特征
3. 立方晶系的晶向指数和晶面指数的标定
4. 点缺陷的类型
CNbcc= 8
体心立方点阵（BCC）：
八面体间隙 间隙半径为0.154R<100> 0.633R<110>
α-Fe , V, Nb, Ta, Cr, Mo, W
四面体间隙 间隙半径为0.291R
体心立方晶胞中的空隙位置
面心立方点阵（FCC）
γ-Fe , Al , Ni , Pb ,Cu , Ag , Au
三、综合题 1. 在立方晶胞中画出(110)、(120)晶面和[211]、[120]晶向。 2. α-Fe、Al、Cu、Ni、Mg、Zn各属于何种晶体结构？
3. 已知α-Fe的晶格常数a=2.87×10-10m，试求出α-Fe的原
c
[011]
[111]
[010]
[100]
[110] [210] [110]
-
b
*指数看特征，正负看走向
a
（代表一组互相平行，方向一致的晶向）
（x1,y1,z1）,(x2,y2,z2)二点连线的晶向指数：[x2-x1,y2-y1,z2-z1]
2）晶面指数
求法： 1）确定坐标：按晶格定向方式 2）求截距：晶面与三轴的截距，m(a), n(b), p(c)； 3）取倒数：1/m, 1/n, 1/p 4）互质化：加括号，记为（h k l）
晶体缺陷：实际晶体中与理想点阵结构发生偏差的区域。 原子的不规则排列产生晶体缺陷。晶体缺陷在材料组 织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中 具有重要作用。
点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如 空位、间隙原子、杂质或溶质原子等。 线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺 寸较大的缺陷。主要是位错。
3）晶面族与晶向族
说明：
[110]
Z
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。
[110] (221)
[221]
Y
③ 晶向具有方向性，如 -[110]与[110]方向相反。
X
4）晶面及晶向的原子密度
不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排 列方式和排列紧密程度是不一样的。
1). 正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si
2). 电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。
电子浓度为价电子数与原子数的比值。
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。
(1) 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。 间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点， 非常稳定。
5. 位错的类型及其特征 6. 相的分类及其特征 7. 固溶强化及其原因
一、填空题 1. 同非金属相对，金属的主要特征是（ 2. 晶体与非晶体结构上的最根本区别是（ 3. γ-Fe的一个晶胞内的原子数为 （ ）。
）。 ）。
二、选择题 1. 晶体中的位错属于： A．体缺陷 B. 面缺陷 C. 线缺陷 D.点缺陷 2. 在面心立方晶格中，原子密度最大的晶向是： A. <100> B. <110> C. <111> D. {111} 3. 在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是： A. ｛100｝ B. ｛110｝ C. ｛111｝ D. {120}
1. 固溶体
合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的 固相称固溶体。习惯以、、表示。 1）固溶体的分类

按溶质原子所处位 置 分为置换固溶体 和间隙固溶体。
按溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体。 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分 布的称有序固溶体。