1材料的组织结构和性能
材料组织结构对其性能的影响
材料组织结构对其性能的影响材料是指可以制成各种器件或构件的原材料，如金属、陶瓷、塑料等。
而材料性能则是指材料在各种条件下表现出来的物理、化学特性。
而材料组织结构是指材料微观和宏观结构的形态、大小和排列等。
这种材料组织结构对材料性能的影响是不容忽视的。
材料组织结构对其力学性能的影响一种材料的组织结构是由其晶体结构和微观组织构成的。
材料的晶体结构决定了其原子排列方式，而微观组织则是由晶粒、晶界、位错等组成的。
这些因素对材料的力学性能有着直接的影响。
首先，材料的晶体结构会影响其强度和塑性。
晶粒的尺寸和排列方式会直接影响材料的强度和韧性。
当晶粒尺寸减小时，晶粒边界的数目也会增加，使得材料的断裂韧性变得更高。
而当晶粒尺寸变大时，晶粒间的结合力也会增强，提高了材料的强度。
此外，晶界也是影响材料强度和韧性的关键因素，晶界能使晶体之间的位移发生，从而对其应变和变形起到调节作用。
而位错是晶体中产生塑性变形的主要途径之一，位错的数量和类型也会直接影响材料的变形能力。
其次，材料的组织结构对材料蠕变和疲劳寿命也有重要影响。
当材料长时间处于高温或高应力状态下时，就会发生蠕变现象。
晶粒的尺寸和晶粒间的结构会直接影响材料的蠕变行为。
若晶粒尺寸较大，晶界面积较小，则蠕变速率较慢；而若晶粒尺寸较小，晶界面积较大，则蠕变速率较快。
疲劳寿命是指材料在重复应力循环下失效的时间。
材料组织结构对疲劳寿命也有显著影响。
当材料的微观组织中存在缺陷时，这些缺陷在重复应力循环下会逐渐扩展，导致材料的裂纹和疲劳断裂。
因此，若想提高材料的疲劳寿命，就必须充分控制材料组织结构中存在的缺陷。
材料组织结构对其物理性能的影响材料的组织结构对其物理性能也有着重要影响。
例如，导电性、热导率、磁性和光学性质等。
首先，材料的微观组织对其导电性能有着重要的影响。
当电流通过材料时，电子会与材料中的原子和分子相互作用。
这些作用使得电子在材料中发生散射，并影响电子的运动。
因此，材料组织结构对电子的散射和传输会影响材料的导电性能。
材料的组织结构与性能的关系
第三章材料的组织结构与性能的关系在第一章，我们特别强调指出微观结构不同性能会不同。
上一章，我们进一步明确了微观结构的具体物理意义。
微观结构具体怎样影响性能，有哪些客观规律，就是这一章大家要学习的内容。
掌握了这些知识，将会为大家选用材料，研制新材料提供理论依据。
结构材料和功能材料的区分在于人们对于材料主要要求的性能不同。
对于结构材料，材料的强度、韧性是主要要求的性能，这种性能对材料的组织、原子排列方式很敏感；而功能材料主要要求材料的声、电、热、光、磁等物理性能和化学性能，它们往往对组织不那么敏感，而对材料中的电子分布与运动敏感。
所以本章分成结构材料和功能材料二部分来介绍。
结构材料在工业文明中发挥了巨大作用。
大到海洋平台，小到一枚螺丝钉，它们所用材料都要考虑承载能力，都是用结构材料。
面向2 1世纪，进一步发展空间技术、核能、海洋开发、石油、化工、建筑建材及交通运输等等仍然要依赖于结构材料。
其中金属材料以前是，现代仍然是占主导地位；在一些关键部位或特殊环境下如高温、腐蚀条件下要用到结构陶瓷；高分子材料重量轻、耐腐蚀的优点使人们在一些承载低的工况下用它做结构材料；复合材料由于可利用各种材料之长，正成为大家关注的热点，其作为结构材料使用的场合不断增加。
总之，这几类材料都可以作结构材料，但各有优缺点，通过学习大家要掌握这几类结构材料的特点和一些典型材料微观结构对性能的影响规律。
功能材料是当代新技术，如信息技术、生物工程技术、航空航天技术、能源技术、先进制造技术、先进防御技术……的物质基础，是新技术革命的先导，它的用量不大，但作用不小。
金属材料、无机非金属材料、高分子材料中都有一些是功能材料，不同功能材料的复合更有可能开发出多功能的功能材料。
由于这几类材料的声、光、电、热、磁各物理性质在本质上有共同的地方，所以功能材料部分我们按电、光、磁的顺序来介绍。
这三种物理性质用的较多。
对于电、光、磁本质的了解可以使我们容易理解形形色色的功能材料。
材料的结构组织与性能1
增强 水泥
无
无
陶瓷纤维 增强塑料
陶瓷纤维 增强橡胶
碳 素
碳纤维 增强金属
增强 陶瓷
陶瓷增 强玻璃
增强 水泥
碳纤维 强碳复 合材料
无
碳纤维 增强塑料
碳纤碳黑 增强橡胶
玻 璃
无
无
无
增强 水泥
无无Βιβλιοθήκη 玻璃纤维 增强塑料无
木材 有 机 材 料
无
无
无
水泥 木丝板 增强 水泥
无
无
纤维板 高聚物 纤维增强 塑料
无 高聚物 纤维增强 橡胶
图6.2
珠光体电化学腐蚀示意图
金属的氧化
金属材料在干燥气体介质中也能通过化学反应而被氧化。金属的氧 化，特别是高温下的氧化，是工程设计（如火箭发动机、高温石油化工 设备设计等）中必须重视的一个问题。 如果金属在氧化过程中形成的氧化膜具备下列条件，则这层金属氧 化膜将成为保护膜而阻止金属进一步氧化，从而提高金属的抗氧化能力。
材料的性能
材料具有各种不同的性能，如为了满足各类工程结构 和机械装置的服役条件，人们不断对工程材料的性能提出 新的要求。 使用性能：指材料在特定服役条件下保证能 安全地 工作所必需的性能，包括物理性能、化学性能、力学 金 性能三种，其中力学性能是金属材料最基本最常用的 属 性能 材 料 的 工艺性能：工艺性能是指材料在各种加工和处理 性 中所应具备的性能，如铸造性能、锻造性能、切削 能
例：
•航空机械——要求有低的密度，
•精密铸造金属及合金——要求有低的膨胀系数； •熔断器用保险丝——要求有低的熔点； •电热器用金属丝——要求有高的电阻； •导线——要求良好的导电性能；
•电机和变压器的铁芯材料——要求磁通大，磁损小
《材料的组织结构》课件
材料的微观结构决定了它们的宏观性能，了解结构与性能之间的关系对于设计新材料至 关重要。
2 结构调控的方法
通过调控材料的组织结构，可以改变材料的性能，实现特定的应用要求。
总结与展望
通过本课件的学习，我们深入了解了材料的组织结构及其与性能的关系。期待未来新的发现和应用！
通过控制材料的制备过程，可以制备出具有非晶体结构的材料。
材料的晶格缺陷
1 点缺陷
点缺陷是晶体中原子位置 的偏差，可以对材料的性 能产生重要影响。
2 线缺陷
线缺陷是晶体中沿着一维 方向有序排列的缺陷，如 位错。
3 面缺陷
面缺陷是晶体中二维面上 的缺陷，如晶粒边界和堆 垛层错。
材料的微观结构与性能关系
材料的晶体结构
1 晶体的定义和特点
晶体是有序排列的原子或分子的集合体，具有规则的几何形态和周期性结构。
2 晶体的结晶形态
晶体可以根据它们的结晶形态进行分类，不同的结晶形态决定了材料的特殊性质。
材料的非序排列的原子或分子的集合体，它们缺乏长程的周期性结构。
2 非晶体的制备方法
《材料的组织结构》PPT 课件
本课件将介绍材料的组织结构，包括基本组成、晶体结构、非晶体结构、晶 格缺陷、以及微观结构与性能关系。让我们深入探索材料的奥秘！
引言
1 材料的基本组成
材料由元素和化合物构成，了解基本组成对 于研究材料的特性至关重要。
2 原子结构和分子结构
材料的组成由原子和分子构成，它们的结构 对材料的性质和行为有着重要的影响。
清华大学工程材料第五版第一章
老师提示 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。
精品课件
一、三种常见的金属晶体结构
☆ 老师提示：重点内容
1. 体心立方晶格(胞) ( BCC 晶格)
8个原子处于立方体的角上，1个原子处于 立方体的中心, 角上8个原子与中心原子紧靠。
精品课件
若两个晶向的全部指数数值相同而符
号相反, 则它们相互平行或为同一原子列,
但方向相反。
如[110]与
。
若只研究原子排列情况, 则晶向[110]
与
可用同一个指数[110]表示。
精品课件
晶向族 原子排列情况相同而在空间位向不 同的晶向组成晶向族。
晶向族用尖括号表示, 即<uvw>。
如: <100> = [100] + [010] + [001]
晶面族用大括号表示, 即{hkl}。
在立方晶胞中
组成{111}晶面族：
精品课件
{111} 晶面族
2. 立方晶系的晶向表示方法
以晶向DA为例：
精品课件
晶向OA ： [100] 晶向OB ： [110] 晶向OB’ ：[111]
立方晶胞中的主要晶向
晶向指数一般标记为[uvw]，
表示一组原子排列相同的平行晶向。
精品课件
在立方晶系中, 一个晶面指数与 一个晶向指数数值和符号相同时, 则 该晶面与该晶向互相垂直。
如：(111)⊥[111]。
晶面与晶向互相垂直
精品课件
3. 六方晶系的晶面指数和 晶向指数
四指数方法表示晶面和晶向。
水平坐标轴选取互相成120°
材料的内部结构、组织与性能
概述
材料的种类千千万万，性能也各有不同，但影响材料性能的内在因素是：
材料性能与成分和组织的关系就像数学中的复合函数关系：P=f（x，y），其中y=y（n1， n2，n3，…），可见，只要改变或改善任一个因素（自变量），都将引起材料性能的变化。
材料的结构是指组成材料的原子（或离子、分子）的聚集状态，可分为三个层次，如图2.1 所示：一是组成材料的单个原子结构和彼此的结合方式（金属键、离子键、共价键、分子键）， 二是原子的空间排列，三是微观与宏观组织。材料的性能除与其组成原子或分子的种类有关外， 主要取决于它们的聚集状态，即材料的组织（结构）。
§2-1 材料的内部结构（简称材料的结构）
金属材料不同层次的结构示意图 (a)原子结构 (b)原子排列 (c)晶粒 (d)合金组织形貌 绝大数工程材料的使用状态为固态，固态材料（物质）的结构即构成材料的原子（或分子）在 三维空间的结合和排列状况。
固态材料（物质）的结构
晶体-原子(或分子)呈周期性规则排列
§2-1 材料的内部结构
实际金属材料的晶体内部原子排列和结合并不象理想晶体那样规则和完整，原因在 于金属材料由冶炼的高温向室温的凝固(晶体形成)冷却过程总是存在着一些现象：结晶 的不完整性→晶体缺陷（点缺陷、线缺陷和面缺陷），收缩性→缩孔、缩松、内应力等， 其他现象如晶粒粗大、杂质、偏析、二次相析出等，这些现象造成了实际晶体及组织的 不完整性，并对金属（和陶瓷）的许多性能产生极其重要的影响。
• 相构成了组织 单相组织，多相组织；相的形态、尺寸、相对数量 和分布的不同，形成了各种各样的组织，组织决定了材料的性能。
• 合金相图是合金成分、温度与合金系所处状态间关系的简明图解； 反映了合金系在给定条件下的相平衡关系，是研究相与组织转变及 其规律的重要工具。合金的元通常是元素如Cu-Ni、Pb-Sn、Al-Si等， 也可是在研究范围内不发生任何反应的化合物如Fe-Fe3C。
材料力学中的组织结构与性能关系
材料力学中的组织结构与性能关系材料力学是研究材料的变形与破坏的学科，而材料的组织结构与性能关系是材料力学研究中的重要内容之一。
材料的组织结构包括晶体结构、相组成和显微组织等，而材料的性能则包括力学性能、热学性能、电学性能等。
本文将探讨材料力学中的组织结构与性能关系，以揭示材料力学研究的重要性和应用前景。
一、晶体结构与力学性能晶体结构是材料中最小的有序区域，它由原子或离子按照一定的规律排列而成。
晶体结构的种类和排列方式直接影响了材料的力学性能。
以金属材料为例，金属的结晶主要有面心立方、体心立方和密排六方等几种结构。
这些晶体结构对于金属材料的硬度、韧性、延展性等力学性能都有直接的影响。
例如，面心立方结构具有较高的密堆积率和较好的变形性能，适用于制备高强度材料；而体心立方结构具有低的密堆积率和固溶困难的特点，适用于制备高硬度的合金材料。
因此，通过控制材料的晶体结构，可以实现对材料力学性能的调控和优化。
二、相组成与热学性能相是指材料中具有不同化学成分和结构特征的局部区域。
不同相的存在对材料的热学性能产生重要影响。
以陶瓷材料为例，陶瓷 often 由多种不同的氧化物组成，各种氧化物相互作用和相变行为决定了陶瓷材料的热学性能。
相变是指材料在温度或其他外界条件变化下，由一种相转变为另一种相的现象。
相变过程中的能量变化和晶粒的再分布等因素影响了材料的热学性能。
例如，在陶瓷材料中，相变过程会引起晶粒的尺寸变化，从而影响材料的导热性能和热膨胀系数。
三、显微组织与电学性能显微组织是材料中微观结构的总称，包括晶粒尺寸、晶界、孪晶、位错等。
显微组织的形貌和分布情况对材料的电学性能产生直接影响。
以半导体材料为例，半导体材料的导电性能受到杂质、晶界和位错等显微组织因素的影响。
晶界是相邻晶粒之间的交界面，其中存在着未配对原子或欠配位的现象。
晶界对电子传输和电子状态起着重要作用，因此晶界的相关参数（如晶界面积、晶界角度等）直接影响了半导体材料的导电性质。
金属材料微观组织结构与力学性能关系分析
金属材料微观组织结构与力学性能关系分析1. 引言金属材料是广泛应用于工业和制造业的一类重要材料，其力学性能与微观组织结构之间存在着密切的关系。
深入了解这种关系不仅有助于解释材料的性能差异，更能为材料的设计和优化提供指导。
因此，本文就金属材料的微观组织结构与力学性能之间的关系进行深入分析。
2. 金属材料的微观组织结构金属材料的微观组织结构是由晶体、晶界、晶粒、相界等多个因素组成的。
晶体是金属材料中最基本的结构单元，晶界是相邻晶粒之间的边界，晶粒是由多个晶体组成的区域，而相界则是不同相之间的边界。
这些结构单元的排列方式、晶界分布、晶粒尺寸以及相界的稳定性都将对材料的力学性能产生显著影响。
3. 微观组织对力学性能的影响3.1 晶体结构与强度金属材料的晶体结构对其强度有重要影响。
晶体中的原子排列方式决定了其结晶面和晶体方向，这将直接影响到材料的力学性能。
例如，在同一材料中，晶体结构较致密的方向晶体在受力时能更好地传递应力，从而提高材料的强度。
3.2 晶界对延展性的影响晶界是不同晶粒之间的边界区域，其性质直接影响到材料的延展性。
晶界能阻碍位错的移动，增加了材料的抗屈服性，但同时也降低了其延展性。
因此，晶界的数量和性质对材料的延展性有重要影响。
3.3 晶粒尺寸对材料强度和韧性的影响晶粒尺寸对金属材料的强度和韧性也有重要影响。
当晶粒尺寸减小到一定程度时，晶界的比例就会增加，造成晶界阻滞位错的移动，从而提高材料的抗屈服性和强度。
但同时也会增加晶界位错的移动，降低了材料的延展性和韧性。
3.4 相界的稳定性与材料的耐腐蚀性相界是不同相之间的边界，相界的稳定性与材料的耐腐蚀性密切相关。
相界处的缺陷和晶点能够增加材料的电化学反应活性，从而降低材料的耐腐蚀性能。
因此，材料的微观组织结构中相界的稳定性对其耐腐蚀性也有重要影响。
4. 应用案例通过对金属材料的微观组织结构与力学性能关系的深入分析，可以为材料的应用和优化提供指导。
材料的组织结构及性能
(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。
(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
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
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。
No Image
(3) 密排六方晶格(胞) (H.C.P.晶格)
晶体学抽象：
材料学导论试题答案
材料科学导论试题一、必作题（每题10分，共50分）1）材料的组织结构与其性能之间有什么样的关系?材料的性能往往取决于材料组分，结构。
材料的结构决定其性能，对结构的控制和改性，可获得不同特性、不同性能的材料。
材料的组织结构通常由自身原料和后期加工决定的。
材料的加工成型不是单纯的物理过程，而是决定材料最终结构和性能的重要环节。
材料的加工有可能受温度、压强、应力及作用时间等变化的影响，导致材料降解、交联以及其他化学反应，使材料的化学结构发生变化，从而影响材料的性能。
2）金属材料是由晶体组成的，常见的金属晶体结构点阵有哪些种类，试举例说明之。
最典型的是面心立方点阵(A1)、体心立方点阵(A2)和密排六方点阵(A3) 面心立方点阵：面心立方点阵的每个阵点上只有一个金属原子，结构很简单。
体心立方点阵：体心立方结构晶胞除了晶胞的8个角上各有一个原子外，在晶胞的中心尚有一个原子。
因此体心立方晶胞原子数为2。
密排六方结构可看成是由两个简单六方晶胞穿插而成。
密排六方结构亦是原子排列最密集的晶体结构之一。
3）什么是碳钢，合金钢？它们的主要区别在哪里？钢的强度是由什么因素决定的？碳钢：主要指碳的质量分数小于2.11%而不含有特意加入的合金元素的钢。
有时也称为普碳钢或碳素钢。
指含碳量Wc小于2.11%的铁碳合金。
碳钢除含碳外一般还含有少量的硅、锰、硫、磷。
合金钢：钢里除铁、碳外，加入其他的元素，就叫合金钢。
在普通碳素钢基础上添加适量的一种或多种合金元素而构成的铁碳合金。
区别：合金钢含有一种或多种特意加入的合金元素。
因素：钢的含碳量。
含碳量越高，钢的强度越高，而塑性越低。
钢的强度认定标准是屈服强度和抗拉强度，而影响屈服强度的内在因素有：结合键、组织、结构、原子本性。
4）实际的金属当中存在哪些缺陷，它们的特点是什么?这些特点对钢的性能产生了什么样的影响？人们怎样利用这些特点来发展金属材料？点缺陷、线缺陷、面缺陷三种缺陷。
其中点缺陷包括空位、间隙原子、置换原子。
机械工程材料总复习资料
机械工程材料复习第一部分基本知识一、概述⒈目的掌握常用工程材料的种类、成分、组织、性能和改性方法的基本知识（性能和改性方法是重点).具备根据零件的服役条件合理选择和使用材料;具备正确制定热处理工艺方法和妥善安排工艺路线的能力.⒉复习方法以“材料的化学成分→加工工艺→组织、结构→性能→应用”之间的关系为主线，掌握材料性能和改性的方法，指导复习.二、材料结构与性能:⒈材料的性能：①使用性能：机械性能（刚度、弹性、强度、塑性、硬度、冲击韧性、疲劳强度、断裂韧性）；②工艺性能：热处理性能、铸造性能、锻造性能、机械加工性能等.⒉材料的晶体结构的性能：纯金属、实际金属、合金的结构(第二章);纯金属:体心立方（)、面心立方（），各向异性、强度、硬度低;塑性、韧性高实际金属：晶体缺陷(点:间隙、空位、置换；线：位错；面：晶界、压晶界）→各向同性；强度、硬度增高；塑性、韧性降低.合金：多组元、固溶体与化合物.力学性能优于纯金属。
单相合金组织：合金在固态下由一个固相组成;纯铁由单相铁素体组成。
多相合金组织：由两个以上固相组成的合金.多相合金组织性能：较单相组织合金有更高的综合机械性能，工程实际中多采用多相组织的合金。
⒊材料的组织结构与性能⑴。
结晶组织与性能：F、P、A、Fe3C、Ld；1）平衡结晶组织平衡组织：在平衡凝固下，通过液体内部的扩散、固体内部的扩散以及液固二相之间的扩散使使各个晶粒内部的成分均匀,并一直保留到室温。
2）成分、组织对性能的影响①硬度（HBS)：随C﹪↑，硬度呈直线增加， HBS值主要取决于组成相的相对量。
②抗拉强度(）：C﹪＜0。
9%范围内，先增加，C﹪＞0.9～1。
0％后，值显著下降。
③钢的塑性(）、韧性(）：随着C﹪↑，呈非直线形下降.3）硬而脆的化合物对性能的影响：第二相强化:硬而脆的化合物，若化合物呈网状分布：则使强度、塑性下降；若化合物呈球状、粒状（球墨铸铁）：降低应力集中程度及对固溶体基体的割裂作用，使韧性及切削加工性提高；呈弥散分布于基体上：则阻碍位错的移动及阻碍晶粒加热时的长大，使强度、硬度增加，而塑性、韧性仅略有下降或不降即弥散强化；呈层片状分布于基体上：则使强度、硬度提高,而塑性、韧性有所下降。
材料分析方法绪论
• 目前,光学显微镜已远远满足不了当前材料研究的需要!
• 2、化学分析
• 分析材料平均化学成分的常规方法：湿化学法和光谱 分析法等。
• 优缺点：
• 采用化学分析方法测定钢的成分只能给出一块试样的平均 成分(所含每种元素的平均含量)，并可以达到很高的精度， 但不能给出所含元素分布情况(如偏析，同一元素在不同 相中的含量不同等)。
• 电子显微分析包括：
•
透射电子显微分析
•
扫描电子显微分析
•
电子探针显微分析
• (1) 透射电子显微镜（简称透射电镜） • 透射电镜是采用透过薄膜样品的电子束成像来显
示样品内部组织形貌与结构的。
• 特点： • 可以在观察样品微观组织形态的同时，对所观察
的区域进行晶体结构鉴定(同位分析)； • 分辨率可达10-1nm，放大倍数可达106倍。
• 光谱分析给出的结果也是样品的平均成分。
• 材料的整体的成分分析也不能满足材料研究的需要！ • 元素在钢中的分布不是绝对均匀的，即在微观上是不均匀
的。 • 由于微区成分的不均匀性造成了微观组织结构的不均匀性，
以致带来微观区域性能的不均匀性，这种不均匀性对材料 的宏观性能有重要的影响作用。
• 例如在淬火钢中，未溶碳化物附近的高碳区形成硬脆的片 状马氏体，而含碳量较低的区域则形成强而韧的板条马氏 体。片状马氏体在承载时往往易形成脆性裂纹源，并逐渐 扩展而造成断裂。
• 常用的两种分析方法：X射线光电子能谱、俄歇 电子能谱。
• (2) 扫描隧道显微镜
• 是一种表面形貌与结构测试仪器。
• 与扫描电镜、透射电镜相比，扫描隧道显微镜具 有结构简单、分辨本领高等特点，可在真空、大 气或液体环境下以及在实空间内进行原位动态观 察样品表面的原子组态，并可直接用于观察样品 表面发生的物理或化学反应的动态过程及反应中 原子的迁移过程等。
金属材料的组织结构与性能分析
金属材料的组织结构与性能分析一、前言金属材料作为工业生产中使用最广泛的材料之一，一方面得益于其高强度、良好的导电导热性质和较好的可加工性，另一方面也得益于其独特的组织结构，这种组织结构直接影响着金属材料的性能。
如何正确地识别金属材料的组织结构，分析其性能特点，是金属材料学中的基础和重要环节。
本文将从金属材料的组织结构入手，详细分析金属材料的性能特点。
希望对广大读者和从业者能够有所启发和帮助。
二、金属材料的组织结构金属材料的组织结构一般包括晶体、晶界、杂质和缺陷等结构成分。
1. 晶体晶体是金属材料的基本组成部分，其性质与银、铜等常见金属的单晶基本一致。
晶体形成的方式有单晶、多晶、丝状晶等。
单晶是一种完整的晶体，其内部没有任何晶界，其物理性质较其他晶体更为一致。
多晶体是由多个晶体组成，这些晶体之间由晶界相接，晶界的存在会严重影响多晶体的性能。
丝状晶是由细长晶体排列而成的，常出现在某些形变加工较多的金属中。
2. 晶界晶界是晶体与晶体之间的交界面，是有晶体长大和变形的必然结果。
晶界的存在会对金属材料的力学性能、电学性能、热学性能等产生很大的影响。
晶界越多，金属材料的强度就越低，其导热性、电导率也会相应降低。
3. 杂质杂质指的是当晶体中组成元素之外的其他元素，主要有溶解杂质、夹杂和析出相等。
其中溶解杂质是指在晶体中以原子溶解的形式存在的元素，常常对晶体的性质有很大的影响，同时还常常导致固溶体的物理性质发生变化。
4. 缺陷缺陷通常指的是晶体内部或表面的结构缺陷，如空位缺陷、间隙缺陷、位错、分界面。
这些缺陷的存在会明显降低金属材料的性能，如降低其强度和塑性等。
三、金属材料的性能特点金属材料的性能特点与其组织结构密切相关。
以下将从一些特定的性能指标出发，分析金属材料的性能特点。
1. 强度金属材料的强度主要与其组织结构、晶体结构、晶界数量、杂质含量和缺陷等因素有关。
晶界越多，强度就越低，晶界处还容易形成多种缺陷。
材料分析方法-1-课件
X射线照射到晶体物质时，将产生散射、干涉和衍射等现 象，与光线的绕射现象类似
X射线具有破坏杀死生物组织细胞的作用
27
第二节 X射线的产生及X射线谱
连续X射线和特征X射线
图1-2 X射线管结构示意图
图1-2所示的X射线管是产生 X射线的装置
SWL和强度最大值对应的波长m减小 当管电流 i 增大时，各波长X射线的强度均提高，但SWL
和m保持不变
随阳极靶材的原子序数Z 增大，连续X射线谱的强度提高，
但SWL和m保持不变
31
第二节 X射线的产生及X射线谱
一、连续X射线谱
连续谱强度分布曲线下的面积即为连续 X 射线谱的总 强度，其取决于X射线管U、i、Z 三个因素
不能给出所含元素的分布
10
绪论
四、X射线衍射与电子显微镜
1. X射线衍射（XRD, X-Ray Diffraction） XRD是利用X射线在晶体中的衍射现象来分析材料的 相组成、晶体结构、晶格参数、晶体缺陷（位错等）、 不同结构相的含量以及内应力的方法。
t-ZrO2 ZrSiO
4
Intensity
本教材主要内容
绪论 第一篇 材料X射线衍射分析
第一章 X射线物理学基础 第二章 X射线衍射方向 第三章 X射线衍射强度 第四章 多晶体分析方法 第五章 物相分析及点阵参数精确测定 第六章 宏观残余应力的测定 第七章 多晶体织构的测定
1
本教材主要内容
第二篇 材料电子显微分析
第八章 电子光学基础
第九章 透射电子显微镜
1895年德国物理学家伦琴发现了 X射线，随后医学界将其 用于诊断和医疗，后来又用于金属材料和机械零件的探伤
材料结构与性能
共价键 本质 上是原子间通过共用电子或电子云重叠而产生 的结合键，是另一种重要的化学键。
金属键——由金属中的自由电子和金属正离子之 间相互作用所构成的键合，来源于失去最外层电 子的金属原子所构成的。
1.2 材料的结构 材料的结构决定材料的性质，性质是 结构的外在反映，对材料的使用性能有决 定性影响，而使用性能又与材料的使用环 境密切相关。 材料的结构取决于其组成、形成条件 （包括制备工艺及加工过程）等因素。
1.3 实际晶体结构
单晶体与多晶体 : 多晶体具有晶界
1.4 晶体缺陷
(1)点缺陷：空位、间隙原子和置换原子等。
(2)线缺陷 ：
主要是位错，位错是一种极为重要的晶体缺陷， 对金属强度、塑性变形、扩散和相变等有显著影响。
刃型位错模型
（3）面缺陷: 有晶界、亚晶界
1.5 合金的晶体结构
1.5.1 合金的相、组织及其关系
材料科学要解决的问题就是研究材 料的组成与结构、合成与加工、性质、 使用性能以及环境之间的相互关系及制 约规律。
材料结构层次
第一个层次是原子及电子结构。 第二个层次是原子的空间排列。 第三个层次是组织结构或相结构。
第一个层次是原子及电子结构。
原子中电子的排列在很大程度上决定原子 间的结合方式，决定材料类型（金属、非 金属、聚合物等），决定材料的热学、力 学、光学、电学、磁学等性质。
材料科学导论
—— 材料结构与性能
一、材料的结构
1.1材料的结合方式
材料是由原子或分子构成的。原子之间有结合力， 也称结合键。
化学键：组成物质整体的质点（原子、分子或离子） 间的相互作用力。
键：离子键、共价键、金属键、分子键、氢键等。
离子键： 本质上是正负离子间的静电吸引作用，主要存在于 晶体化合物中，是化学键中重要的键合方式之一。
材料结构组织与性能 带答案
一、什么是材料？三大材料材料是指具有满足指定工作条件下使用要求的形态和各种性能的物质,是人们生活及组成生产工具的物质基础。
金属材料、无机非金属材料和有机高分子材料二、材料的性能分类使用性能(物理性能、化学性能、力学性能)，工艺性能（工艺性能是指材料在各种加工和处理中所应具备的性能，如铸造性能、锻造性能、切削性能、焊接性能和热处理性能等）三、材料的力学性能材料的力学性能是指材料在外加载荷作用下或载荷与环境因素（温度、介质和加载速度）联合作用下所表现出来的行为。
金属材料的力学性质决定与材料的化学成分、组织结构、冶金质量、残余应力及表面和内部缺陷等内在因素，也决定与载荷性质（静载荷、冲击载荷、交变载荷）、应力状态（拉、压、弯、扭、剪等)、温度和环境介质等外在因素.1。
强度指标弹性变形阶段的强度指标（弹性极限σe =F e/A0(MPa)式中：σe为e点对应的应力，F e为e点对应的载荷，A0为试样原始截面积。
弹性模量σ=Eε,其中比例系数E即是弹性模量）塑性变形阶段的强度指标(屈服极限σs=F s/A0（MPa）屈服强度σ0.2=F0。
2/A0（MPa）在S点附近，此时应力应变曲线上出现一个平台，表示材料开始产生塑性变形，其对应的应力叫屈服极限σs。
但对于大多数合金钢或淬火回火材料，应力应变曲线无屈服平台出现,此时,规定以产生试样原始长度0。
2％的塑性变形所对应的应力作为条件屈服极限，称为屈服强度σ0.2.抗拉强度σb=F b/A0(MPa)）断裂阶段的强度指标(断裂强度σk)2.塑性指标延伸率（δ=ΔL/L0×100%=（Lf—L0）/L0×100%）断面收缩率ψ=（A0-A1）/A0×100％式中A0为试样原始横截面积A1为试样断裂后缩颈处的最小横截面积。
3。
韧性指标冲击韧度（a k=A k/A N （J/m2）式中A N为试样缺口根部的原始截面积。
）断裂韧度静力韧度4. 硬度指标布氏硬度（HB球压头测定试样表面的压痕直径d) 洛氏硬度(HR圆锥压头测深度）维氏硬度(HV四棱锥压头同布）肖氏硬度(HS从一定高度处自由落到试样表面，根据冲头的回弹高度来表征材料硬度的大小)四、应力应变曲线设试样单位面积的载荷为应力σ，试样单位原始长度的伸长为应变ε，则得到应力-应变曲线。
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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。
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。
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。
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。
1.1.1 纯金属的晶体结构
金属的晶格常数一般为: 1×10-10 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。
• 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
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
(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。
<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
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。
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。
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。
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。
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)
(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
Bபைடு நூலகம்C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
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。
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°
• 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
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]
[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