金属材料的结构与缺陷

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➢晶带定理： 在立方晶系中，若晶面（hkl）的晶带轴 是[uvw]，则必有 hu+kv+lw=0 反之亦然。
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晶带定理的应用：
根据两不平行晶面的指数（h1 k1 l1）， （h2 k2 l2） 可以求出它们所在晶带的晶带轴[uvw]。
➢u=k1l2 - k2l1 ➢v=l1h2 - l2h1 ➢w=h1k2 - h2k1
一定变化范围 ➢金属键 ➢硬度高脆性大 ➢有色金属中的弥散强化相
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➢间隙相与间隙化合物
➢过渡金属与H,B,C,N等形成 ➢不是固溶体
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➢间隙相
➢Rx/Rm<0.59时形成的结构简单的金属化合 物
➢成分可表现为一定范围 ➢极高的硬度和熔点 ➢硬质合金、高速钢的强化相
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➢间隙化合物
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2. 晶胞 ➢晶胞：构成点阵的最基本单元。 ➢晶胞选择的依据：——反映点阵的规律
➢ 反映点阵对称性。 ➢ 平衡六面体内各角与棱尽量相等。 ➢ 棱之间尽量为直角。 ➢ 晶胞体积最小。
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晶胞的选择 晶胞参数
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3. 晶胞参数：
➢ 晶格常数 ａ、ｂ、ｃ ➢ 晶轴间角 α、β、γ
4. 七个晶系与十四种Bravis点阵
➢Rx/Rm>0.59，结 构较复杂
➢过渡金属的碳化物 ➢比间隙相略低的熔
点和硬度 ➢钢中弥散强化相
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➢中间相的性能与应用
➢硬度高，熔点高 ➢可作弥散强化相 ➢提高合金的强度、硬度、耐磨性、耐热性 ➢用于耐热合金、硬质合金、有色合金、钢
的强化
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➢良好的合金组织是什么样的？
➢性能要求：强度高，有适中的塑性和韧性 ➢组织：基体——固溶体
有良好的塑性 有固溶能力
6
4. 范德瓦尔键 ➢ 分子间静电引力形成，分子键
聚合物链间
➢ 没有方向性和饱和性 ➢ 分子晶体
如冰、干冰等 熔点低，硬度小
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1.1.2 工程材料的键性
8
第二节 晶体学基础
1.2.1 晶体与非晶体 ➢ 晶体：物质的质点在三维空间作有规律
的周期性重复排列所形成的物质。 ——长程有序
16
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1.2.3 晶向指数与晶面指数
基本概念
➢ 晶面：
晶体中由一系列原子组成的平面。
➢ 晶向：
任意两个原子之间连线所指的方向。
➢ 晶向指数与晶面指数：
标明晶面与晶向空间方位排列的统 一方法。
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1.晶向指数
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➢晶格中的点
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➢三步法确定晶向指数 ［ｕｖｗ］
➢建坐标，确定点 ➢“末”- “始”，数字定 ➢化整，加[ ]
➢晶向指数
➢三轴 a1,a2,c (UVW) U=u-t V=v-t W=w ➢四轴 a1,a2,a3,c (uvtw)且t=-(u+v) u=(2U-V)/3 v=(2V-U)/3 t=-(u+v) w=W
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➢六方系常用晶面与晶向
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4. 晶带与晶带定理
➢晶带：由与某一晶向直线平行及所有相 交于该晶向直线的所有晶面构成的集合。 该直线称为该晶体带轴。
+ 起增强作用的第二相 ➢机理：
➢基体能够承受力，有足够的塑性和韧性 ➢第二相提高强度、硬度、耐热性等。
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➢本章重要知识点
➢典型金属的晶体结构 ➢晶向指数与晶面指数 ➢合金的结构 ➢固溶体与中间相的性能特点与应用
➢复习、作业
81
82
➢体心立方结构的间隙
46
➢面心立方结构的间隙
47
➢密排六方结构的间隙
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7.多晶型性
➢多晶型性及多晶型转变：
一种材料具有几种不同晶体结构的性质称多晶型性。 当改变温度或压力时，晶体从一种结构转变为另一 种结构，称多晶型转变。
意义： 热处理的工艺基础——通过改变结构而改变性能
➢多晶型转变的体积变化
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5.晶面间距
dhkl dhkl dhkl
1
(h)2 (k )2 ( l )2 abc
a
h2 k2 l2
1
4 3
(h2
hk a2
k
2
)
(
l c
)2
正交系 立方系
六方系
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第三节 材料的晶体结构
1.3.1 典型金属的晶体结构 ➢体心立方、面心立方、密排六方结构
B.C.C.
F.C.C. H.C.P.
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➢影响置换固溶体固溶度的因素
➢晶体结构因素
相同时易实现无限互溶
➢原子尺寸因素
ΔR/Ra<14%-15%，易大量固溶
➢电负性因素
接近时易大量固溶
➢电子浓度因素
受极限电子浓度制约，价越高的溶 质其溶解度越小
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电子浓度因素
➢ 电子浓度的定义
e/a(固溶体价电子数/原子数)= Va(100-x)+Vb x 100
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纯铁的多晶型转变及体积变化
50
1.3.2 共价晶体的晶体结构
➢特点：
配位数低（8-N），致密度低
51
52
1.3.3 离子晶体的晶体结构
➢特点：
配位数主要由离子的半径比决定。
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简单离子晶体的结构
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1.3.4 合金的相结构
➢ 基本概念 合金：
由两种或两种以上金属元素，或金属与非金 属元素，经过熔炼、烧结或其他方法组合而成， 具有金属特性的物质。
组元：
组成合金的最基本的独立物质，单质或化合 物。
相：
聚集状态相同的，结构和性质一致，并以界 面相互隔开的均匀的组成部分。
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合金中的相的显微镜形貌
➢单相合金与两相合金
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1.固溶体
➢概念：
B组元的原子完全溶入固相的A组元，并保持 A的晶体结构所形成的合金相。
A,B分别称为溶剂组元与溶质组元。
➢分类
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B.C.C.
F.C.C.
H.C.P.
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➢晶胞中的原子数 ➢原子半径 ➢配位数 ➢致密度 ➢原子堆垛方式 ➢晶体结构中的间隙
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1.晶胞中的原子数
37
2.原子半径
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3. 配位数
➢配位数：一个原子周围最近邻并且等距 离的原子的个数。
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FCC
CPH
40
4.致密度——晶胞中原子所占的体积
晶面法线反向
➢用｛hkl｝代表空间位
向不同，但原子排列 情况完全相同的晶面， 称为晶面族。
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3. 六方晶系的晶面指数与晶向指数 ——四轴坐标 ➢晶面指数
同于立方系方法
➢晶向指数
转换法 u=1/3（2U-V） v=1/3（2V-U） t= -(u+v） w=W
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六方晶系指数转换关系
➢晶面指数
➢三轴 a1,a2,c (hkl) ➢四轴 a1,a2,a3,c (hkil)且i=-(h+k)
➢置换固溶体与间隙固溶体 ➢有限固溶体与无限固溶体 ➢有序固溶体与无序固溶体
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置换固溶体（a）与间隙固溶体（b）
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➢间隙固溶体
➢H,O,N,C,B等溶入过渡金属中形成 ➢Rb/Ra<0.59 ➢晶格膨胀 ➢固溶度有限 ➢溶剂间隙的形状与大小影响固溶度
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➢置换固溶体
➢常在过渡金属组元之间形成 ➢也有晶格畸变 ➢条件合适时组元浓度可以连续变化
Va,Vb:溶剂与溶质的化合价 X: 溶质的原子数，<100
➢ 现象：1价以上的金属原子溶于面心立方Cu（或者Ag,Au） 中形成固溶体时，存在一极限电子浓度值。超过此值将有 新相形成。
➢ 核心： 固溶体的固溶度受极限电子浓度制约。
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➢固溶体的微观不均匀性
宏观均匀的固溶体微观可表现为无序、偏聚 及短程有序的分布。
金属材料及热处理
第一篇 金属材料的结构与缺陷
第一章 材料的结构
➢本章提要
➢结合键与材料的性质 ➢晶体学的基本概念 ➢纯金属的晶体结构 ➢合金的晶体结构
➢化学键——组成物质的质点的相互作用
力。 1.共价键 ➢共用电子对 ➢有饱和性与方向性。 ➢共价晶体
体心立方 面心立方 密排六方
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5.原子堆垛
体心立方的原子堆垛——密排面{110}
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➢面心立方晶胞中的密堆积面
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密排六方与面心立方的原子堆垛
➢密排面原子排列特点——密排面{111}， （0001）
原子形成密集堆积的堆积位置可以是 A, B或者C
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面心立方与密排六方堆垛的差异
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6.晶体结构中的间隙
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➢正交系常用晶向指数
22
➢晶向族
➢平行且同向的晶向 指数相同。
➢方向相反晶向的指 数为相反数。
➢用＜ｕｖｗ＞代表 所有原子排列相同 但空间位向不同的 晶向，称晶向族。
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2.晶面指数
➢三步法确定晶面指数 （hkl）
➢取坐标 ➢求截距 ➢求倒数、化整
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➢立方系常用晶面指数
25
➢晶面族
➢平行晶面的指数相同 ➢指数互为相反数时，
高熔点，高强度，较好绝缘性。
3
2. 离子键 ➢ 得失电子形成 ➢ 没有方向性和饱和性 ➢ 离子晶体
高熔点，高硬度，导电（熔融）
4
3. 金属键 ➢ 原子共用自由电子形成 ➢ 无饱和性和方向性。 ➢ 金属晶体
原子排列密度高，能变形，导电，导热。
5
金属原子结构的特点
➢ 外层电子少，易失去。 ➢ 有自由电子。 ➢ 金属离子与自由电子形成键。 ➢ 金属键无方向性