1材料的组织结构和性能

3） 在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（x，y，z）
（例：B’点坐标为-1,1,0）；
4） 将此值化成最小整数:u v w ，并加以方括号[u v w]即是
（例：AB晶向指数为[Ī 1 0]）。
（代表一组互相平行，方向一致的晶向）
立方晶系晶向指数的标定
• ① 确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶 向的平行线。
1.1.1 纯金属的晶体结构
1 金属三种常见的晶体结构 晶体结构有： 布拉维晶格在三维平面上有七大晶系， 14种晶格分别为三斜晶系、单斜晶系、正 交晶系、四方晶系、立方晶系、三方晶系、 六角晶系。
三种晶体结构
（1）体心立方晶胞
BCC(Body Center Club）晶格（晶胞)
八个原子处于立方体的角, 一个原子处于立方体的中心, 角上八个原子与中心原子紧靠。
• 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]。
• 例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、 2，画出该晶向。
– 将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。
[234]
例二、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。
体心立方晶胞特征
① 晶格常数： ② 晶胞原子数：
③原子半径： ④致密度： 晶胞中原子体积和/晶胞体积
体心立方晶胞特征
⑤间隙半径： 12个四面体间隙 6个八面体间隙
体心立方晶胞特征
⑥配位数： 任一原子相邻最近且距离相同的原子数 配位数大，原子排列紧密度大。 BCC 晶胞配位数为：8
（2）面心立方晶胞
BCC中，密排面为｛1 1 0｝；密排方向为<1 1 1> FCC中，密排面为｛1 1 1｝；密排方向为<1 1 0>
密排面和密排方向
密排面 数量 密排方向 数量
体心立方晶格 {110} 6 <111> 4 面心立方晶格 {111} 4 <110> 6 密排六方晶格 六方底面 1 底面对角线 3
(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%
(2) 面心立方晶胞FCC -----Face-Centered Cubic
刚球模型
晶格模型
[110]
• 相互平行的晶向晶向 指数相同（或指数相
同符号相反）
z
[001]
[ī10]
• [u v w]表示的是一组
[111]
平行的晶向
[010]
• 晶向族：原子排列情 况相同而空间位向不 同（不平行）的晶向 [100]
y
[110]
• <uvw >
x
立方晶胞中主要晶向
立方晶系常见的晶向为：
100 : [100]、[010]、[001]
1.材料的结构与性能
本章导读
内容提要：
本章介绍金属材料的结构与组 织，包括纯金属的晶体结构、晶体 缺陷和合金的结构、金属材料的组 织。介绍金属材料的工艺性能、机 械性能和理化性能。还介绍高分子 材料和陶瓷材料的结构与性能。
学习目标：
本章重点掌握金属材料的晶体结构、晶 体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组 织及性能。了解高分子材料的结构与性能。
原子半径 晶胞原子数 配位数
a/2
6
12
致密度 74%
上节课回顾
2.金属晶体中的晶面和晶向
• 晶面：在晶体学中，通过晶体中原子中心的平面 • 晶向：通过原子中心的直线所指的方向
Z
c
b a
c
Y
b
a
Y
X X
（1）立方晶系的晶面表示方法
立方晶系晶面指数的标定
• ① 确定欲定晶面外的原点，建立坐标系，写出欲定晶 面在三个坐标轴上的截距。
(3) 密排六方晶格(胞) (H.C.P.晶格)
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）
3．三种典型的纯金属晶体晶胞
体心立方晶胞bcc (Body-centered cubic)
面(F心ac立ec-u方cbei晶nct)胞erfecdc



{110} : (110)、(101)、(011)、(110)、(1 01)、(011)



{111} : (111)、(111)、(111)、(111)
任意交换指数的位置和改变符号,都是该族的范围
{100} : (100)、(010)、(001)
{110}


{110} : (110)、(101)、(011)、(110)、(101)、(011)
<111>


111 : [111]、[111]、[111]、[111]
[111] Z
[111]
[111]
Y X
注意：
• 立方晶系中，晶向指数与晶面 指数数值和符号相同时，该晶 面与晶向垂直，例：（1 1 1） ⊥[111]
• 遇到负指数，“-”号放在该指 数的上方
• 同一直线相反两个方向的晶向 指数符号相反
学习建议：
1．晶体结构部分应弄清三种常见金属的晶体结 构及其特点，应充分发挥空间想象力。
2．晶面指数及晶向指数的确定在学习时会感到 困难。应掌握常见的晶面和晶向的表示方法，需 要多练多画。
3．了解高分子材料的大分子链结构与聚集态， 结合工程、生活实际归纳高分子材料的性能特点。
4．对陶瓷材料的结构与性能只作一般了解。
FCC晶胞(Face Center Club）
金属原子分布在立方体的八个角上和六 个面的中心。面中心的原子与该面四个角 上的原子紧靠。具有这种晶格的金属有铝 (Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、 γ- 铁( γ-Fe, 912℃-1394℃)等。
（2）面心立方晶胞
四面体间隙8个 八面体间隙4个
晶体具有各向异性的原因，是由于在不同晶向上的原子紧 密程度不同所致。原子的紧密程度不同，意味着原子之间的距 离不同，则导致原子间结合力不同，从而使晶体在不同晶向上 的物理、化学和机械性能不同。
实际金属不表现各向异性(多晶体)
4.实际晶体结构
在实际应用的金属材料中，总是不可避免地存 在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这 就是晶体缺陷。一般说来，金属中这些偏离其规 定位置的原子数很少，即使在最严重的情况下， 金属晶体中位置偏离很大的原子数目至多占原子 总数的千分之一。因此，从总体来看，其结构还 是接近完整的。尽管如此，这些晶体缺陷不但对 金属及合金的性能有重大影响，而且还在扩散、 相变、塑性变形和再结晶等过程中扮演重要角色。
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
晶体的特点是： （1）结构有序； （2）物理性质表现为各向异性； （3）有固定的熔点。



{111} : (111)、(111)、(111)、(111)
Z
（011）
（110） （011） （101）
（101）
Y
（110）
X
（2）立方晶系的晶向表示方法
Z
B
A
晶向指数确定的步骤
B'
o
Y
1） 确定坐标系（例：xyz）；
X
2） 过坐标原点，作直线与待求晶向平行（例：引OB’ //AB）;
⑥配位数：12
由于原子排列紧密程度不一样,当金属从 面心立方晶格向体心立方晶格转变时, 体 积会发生变化。这就是钢在淬火时因相变 而发生体积变化的原因。不同晶体结构中 原子排列的方式不同, 将会使它们的形变 能力不同。
(3) 密排六方晶格(胞) (HCP晶格)
十二个金属原子分布在六方体的十二个 角上, 在上下底面的中心各分布一个原子, 上下底面之间均匀分布三个原子。具有这 种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、 铍(Be)等。
• 如[110]与[110]方向相反。
(3) 六方晶格的晶向指数和晶面指
数
四轴坐标系： a1，a2，a3，c
c
a3
120°
a2
a1 120°
(h k i l ), i= -( h+k ) [u v t w], t= -( u+v )
(4) 密排面与密排方向 原子密度最大的晶面 原子密度最大的晶向
(h密ex排ag六poan方cak晶led胞c)lhocspe-
属于此类结构的金属 有：碱金属、难溶金 属（V、Nb、Cr、Mo 、W）、a-Fe等
属于此类结构的金属的 有：Al、Cu、Au、Ag 、γ-Fe、Ni、Pb以及奥 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。
是由于多晶体中，虽然每个晶粒都是各向异性的， 但它们的晶格位向彼此不同，晶体的性能在各个 方向相互补充和抵消，再加上晶界的作用，因而 表现出各向同性。
• ② 取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆 括弧，形式为（hkl）。
• 负号：
• 例一.画出截距为、1、晶面的指数
– 截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（010）
• 例二. 画出（112）晶面
– 取三指数的倒数1、1、1/2, 化成最小整数为2、2、1，即为X、Y、 Z三坐标轴上的截距
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%
（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°
多晶体
通常使用的金属都是由很多小晶体组成 的，这些小晶体内部的晶格位向是均匀一 致的，而它们之间，晶格位向却彼此不同， 这些外形不规则的的颗粒状小晶体称为晶 粒。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒 与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多 晶粒组成的晶体称为多晶体。
多晶体的性能在各个方向基本上是一致的，这
1.1.1 纯金属的晶体结构
金属的晶格常数一般为: Biblioteka Baidu×10-10 m-7×10-10 m。
不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数 的不同,表现出不同的物理、化学和力学性能。金属的 晶体结构可用X射线结构分析技术进行测定。
晶格常数测量：X射线衍射
由于原子排列紧密程度不一样,当金属 从面心立方晶格向体心立方晶格转变时, 体积会发生变化。这就是钢在淬火时因相 变而发生体积变化的原因。不同晶体结构 中原子排列的方式不同, 将会使它们的形 变能力不同。



110 : [110]、[101]、[011]、[110]、[1 01]、[011]



111 : [111]、[111]、[111]、[111]
立 方 晶 系 常 见 的 晶 向
[111]



110 : [110]、[101]、[011]、[110]、[101]、[011]
What? “组织结构”
1.1.1 纯金属的晶体结构
右手螺旋直角坐标系：
1.1.1 纯金属的晶体结构
晶胞： 能反映该晶格特征的最小组成单元称为
晶胞。晶胞在三维空间的重复排列构成晶 格。晶胞的基本特性即反映该晶体结构(晶 格)的特点。
晶格常数：
晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边 长a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、 γ等六个参数来描述。其中a、b、c 为晶 格常数。
1.1 金属材料的结构与组织
1.1.1 纯金属的晶体结构 晶体中原子(离子或分子)规则排列的方
式称为晶体结构（也称材料结构）。 通过金属原子(离子)的中心划出许多空
间直线，这些直线将形成空间格架。这种 格架称为晶格，晶格的结点为金属原子(或 离子)平衡中心的位置。
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。
晶面族
(īīī) • 相互平行的晶面晶面
指数相同（或指数相 同符号相反）
• (hkl) 表示的是一组 (100) 平行的晶面
• 晶面族：原子排列情 况相同而空间位向不 同（不平行）的晶面
• ｛ 1 11 ｝
(111)
(110)
立方晶胞中主要晶面
立方晶系常见的晶面为：
{100} : (100)、(010)、(001)
• 三种常见晶格的密
密 排
排面和密排方向 底面对角线
六 方
六方底面
晶
格
体
面
心
心
立
立
方
方
晶
晶
格
格
体心立方(110)面 面心立方(111)面 密排六方底面
3.晶体的特性
（1）有确定的熔点
温 度 非晶体
熔点
晶体
时间 晶体和非晶体的熔化曲线
（2）各向异性
不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象