金属材料结构性能
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缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势 场的畸变称为晶体的结构缺陷。
理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。
研究缺陷的意义
由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的 性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有 效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制 备得以实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律， 对材料工艺过程的控制，对材料性能的改善，对于 新型材料的设计、研究与开发具有重要意义。
置换固溶体
特点
置换固溶体：A组元的原子取代了B组元的原子。 当A、 B两个组元的原子直径相差不大时，两个 组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则 为有限固溶体。
在置换固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的 晶格格点上。
置换固溶体 置换固溶体
置换固溶体4
（a）随机置换固溶体 （b）有序置换固溶体
合金
合金是由两种或两种以上的金属元素， 或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的 具有金属特性的新物质。合金的性质与组成 合金的各个相的性质有关，同时也与这些相 在合金中的数量、形状及分布有关。
合金
组元：组成材料的最基本的独立的物质称为“组 元”，组元可以是金属元素或非金属元素（例如： 普通碳钢的组元是Fe与C)，也可以是稳定的化 合物。 相：材料中成份、性能、结构相同并以界面互相 分开的均匀的组成部分称为“相”。
间隙固溶体
间隙固溶体
间隙固溶体
随机间隙固溶体 固溶体中的溶质丛聚
合金中的固溶体
固溶体的电学、热学、磁学等物理性 质也随成分而连续变化，但一般都不是线 性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各 组元Hale Waihona Puke Baidu而塑性则较低。
合金中的固溶体
实际应用：铂、铑单独做热电偶材料使用， 熔点为1450℃，而将铂铑合金做其中的一 根热电偶，铂做另一根热电偶，熔点为 1700℃，若两根热电偶都用铂铑合金而只 是铂铑比例不同，熔点达2000℃以上。
金属的结构
1、体心立方结构
（a）刚球模型
（a）刚球模型
（b）质点模型
（b）质点模型
图1 体心立方晶胞
（c）晶胞原子数
（c）晶胞原子数
金属的结构
2、面心立方结构
（a）刚球模型
（b）质点模型
图2 面心立方晶胞
（c）晶胞原子数
金属的结构
3、密排六方结构
（a）刚球模型
（b）质点模型
图3 密排六方晶胞
（c）晶胞原子数
合金－金属间化合物
A、B两组元相互溶解后所形成的新的物质 既不是A组元的结构，也不是B组元的结构，而 是自身的一种独立的结构。
例如： Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一 种典型的金属化合物。
合金中的固溶体
固溶体的分类
根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固溶 体可分为：
1. 置换固溶体（代位固溶体） 2. 间隙固溶体
冶 化 与 加 属 程料
护与
金 学热工材 与
工
处料工
程
理
程
金属材料
课程内容 1、金属晶体结构、金属固溶体和晶体缺陷 2、金属材料的力学性能 3、金属合金相图 4、新型金属材料
金属材料
金属材料是由化学元素周 期表中的金属元素组成的材料。 可分为由一种金属元素构成的 单质（纯金属）；由两种或两 种以上的金属元素或金属与非 金属元素构成的合金。合金又 可分为固溶体和金属间化合物。
金属间化合物
特点
金属间化合物可分为三类， 即由负电性决定的原子价化合物（简称价化合物） 、由电子浓度决定的电子化合物（亦称为电子相）
以及由原子尺寸决定的尺寸因素化合物。 除了这三类由单一元素决定的典型金属间化合物外，
还有许多金属间化合物， 其结构由两个或多个因素决定，称之为复杂化合物。
晶体结构缺陷
金属的实际晶体结构
实际上，金属是一个多晶体结构， 这种原子排列方位基本一致，但 外形不规则的小晶体，称为晶粒。 由于金属是多晶体结构，单个晶 粒的各向异性彼此相互抵消，金属 就显示出各向同性，若对金属进行 单方向的塑性变形（如冷扎、冷拉 等），使各个晶粒的晶格趋向一致， 则多晶体金属又会显示出各向异性。
particle）
双空位等复合体 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温 动力学过程等有关。
间隙固溶体
特点
间隙固溶体：A组元溶入B组元的的间隙中。只能 形成有限固溶体。
例如：C溶入α-Fe或γ-Fe 所形成的铁素体、奥氏体 。
在间隙固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的 晶格间隙。溶质原子在固溶体中的分布可以是随机的， 即呈统计分布；也可以是部分有序或完全有序，在完 全有序固溶体中，异类原子趋于相邻，这种结构亦称 为超点阵或超结构。
晶体结构缺陷
缺陷的类型
点缺陷 线缺陷 面缺陷
缺陷的成因
热缺陷 杂质缺陷 非化学计量缺陷
点缺陷（零维缺陷） Point Defect
缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上 缺陷的尺寸都很小。
包括：空位（vacancy） 间隙质点（interstitial particle） 错位原子或离子 外来原子或离子（杂质质点）（foreign
第二部分：金属材料
梁玉军 材料科学与化学工程学院
歼10 (中国)
太行发动机（中国）
材料学科二级学科分类表
材料学科
钢 有 冶 金 金 无 硅高 粉 复 腐 材 复 铸 焊
铁 色 金 属 属 机 酸分 末 合 蚀 料 合 造 接
冶 金 物 材 压 非 盐子 冶 材 与 科 材
金 属 理 料 力 金 工材 金 料 防 学 料
单质金属
在 103 种 元 素 中 ， 除 He,Ne,Ar 等 6 种 惰 性 元素和C、Si、N等16种非金属元素外，其余81 种为金属元素。除Hg之外，单质金属在常温下 呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光 泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面， 具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。
图4 金属的多晶体结 构示意图
合金的分类
固溶体 金属间化合物
合金的结构按其组元在结晶时彼此作用的不同， 可以分为固溶体、金属化合物、机械混合物三种类型。
合金－固溶体
当金属的晶体结构保持溶剂组元 的晶体结构时，这种合金称为一次固 溶体或端际固溶体，简称为固溶体。
合金－金属间化合物
金属元素与其它金属元素或非金 属元素之间形成合金时，除固溶体外， 还可能形成金属间化合物。
理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。
研究缺陷的意义
由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的 性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有 效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制 备得以实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律， 对材料工艺过程的控制，对材料性能的改善，对于 新型材料的设计、研究与开发具有重要意义。
置换固溶体
特点
置换固溶体：A组元的原子取代了B组元的原子。 当A、 B两个组元的原子直径相差不大时，两个 组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则 为有限固溶体。
在置换固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的 晶格格点上。
置换固溶体 置换固溶体
置换固溶体4
（a）随机置换固溶体 （b）有序置换固溶体
合金
合金是由两种或两种以上的金属元素， 或金属元素与非金属元素熔合在一起形成的 具有金属特性的新物质。合金的性质与组成 合金的各个相的性质有关，同时也与这些相 在合金中的数量、形状及分布有关。
合金
组元：组成材料的最基本的独立的物质称为“组 元”，组元可以是金属元素或非金属元素（例如： 普通碳钢的组元是Fe与C)，也可以是稳定的化 合物。 相：材料中成份、性能、结构相同并以界面互相 分开的均匀的组成部分称为“相”。
间隙固溶体
间隙固溶体
间隙固溶体
随机间隙固溶体 固溶体中的溶质丛聚
合金中的固溶体
固溶体的电学、热学、磁学等物理性 质也随成分而连续变化，但一般都不是线 性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各 组元Hale Waihona Puke Baidu而塑性则较低。
合金中的固溶体
实际应用：铂、铑单独做热电偶材料使用， 熔点为1450℃，而将铂铑合金做其中的一 根热电偶，铂做另一根热电偶，熔点为 1700℃，若两根热电偶都用铂铑合金而只 是铂铑比例不同，熔点达2000℃以上。
金属的结构
1、体心立方结构
（a）刚球模型
（a）刚球模型
（b）质点模型
（b）质点模型
图1 体心立方晶胞
（c）晶胞原子数
（c）晶胞原子数
金属的结构
2、面心立方结构
（a）刚球模型
（b）质点模型
图2 面心立方晶胞
（c）晶胞原子数
金属的结构
3、密排六方结构
（a）刚球模型
（b）质点模型
图3 密排六方晶胞
（c）晶胞原子数
合金－金属间化合物
A、B两组元相互溶解后所形成的新的物质 既不是A组元的结构，也不是B组元的结构，而 是自身的一种独立的结构。
例如： Fe和C所形成的化合物Fe3C，就是一 种典型的金属化合物。
合金中的固溶体
固溶体的分类
根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固溶 体可分为：
1. 置换固溶体（代位固溶体） 2. 间隙固溶体
冶 化 与 加 属 程料
护与
金 学热工材 与
工
处料工
程
理
程
金属材料
课程内容 1、金属晶体结构、金属固溶体和晶体缺陷 2、金属材料的力学性能 3、金属合金相图 4、新型金属材料
金属材料
金属材料是由化学元素周 期表中的金属元素组成的材料。 可分为由一种金属元素构成的 单质（纯金属）；由两种或两 种以上的金属元素或金属与非 金属元素构成的合金。合金又 可分为固溶体和金属间化合物。
金属间化合物
特点
金属间化合物可分为三类， 即由负电性决定的原子价化合物（简称价化合物） 、由电子浓度决定的电子化合物（亦称为电子相）
以及由原子尺寸决定的尺寸因素化合物。 除了这三类由单一元素决定的典型金属间化合物外，
还有许多金属间化合物， 其结构由两个或多个因素决定，称之为复杂化合物。
晶体结构缺陷
金属的实际晶体结构
实际上，金属是一个多晶体结构， 这种原子排列方位基本一致，但 外形不规则的小晶体，称为晶粒。 由于金属是多晶体结构，单个晶 粒的各向异性彼此相互抵消，金属 就显示出各向同性，若对金属进行 单方向的塑性变形（如冷扎、冷拉 等），使各个晶粒的晶格趋向一致， 则多晶体金属又会显示出各向异性。
particle）
双空位等复合体 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温 动力学过程等有关。
间隙固溶体
特点
间隙固溶体：A组元溶入B组元的的间隙中。只能 形成有限固溶体。
例如：C溶入α-Fe或γ-Fe 所形成的铁素体、奥氏体 。
在间隙固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的 晶格间隙。溶质原子在固溶体中的分布可以是随机的， 即呈统计分布；也可以是部分有序或完全有序，在完 全有序固溶体中，异类原子趋于相邻，这种结构亦称 为超点阵或超结构。
晶体结构缺陷
缺陷的类型
点缺陷 线缺陷 面缺陷
缺陷的成因
热缺陷 杂质缺陷 非化学计量缺陷
点缺陷（零维缺陷） Point Defect
缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上 缺陷的尺寸都很小。
包括：空位（vacancy） 间隙质点（interstitial particle） 错位原子或离子 外来原子或离子（杂质质点）（foreign
第二部分：金属材料
梁玉军 材料科学与化学工程学院
歼10 (中国)
太行发动机（中国）
材料学科二级学科分类表
材料学科
钢 有 冶 金 金 无 硅高 粉 复 腐 材 复 铸 焊
铁 色 金 属 属 机 酸分 末 合 蚀 料 合 造 接
冶 金 物 材 压 非 盐子 冶 材 与 科 材
金 属 理 料 力 金 工材 金 料 防 学 料
单质金属
在 103 种 元 素 中 ， 除 He,Ne,Ar 等 6 种 惰 性 元素和C、Si、N等16种非金属元素外，其余81 种为金属元素。除Hg之外，单质金属在常温下 呈现固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光 泽及良好的导电性和导热性。在力学性质方面， 具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。
图4 金属的多晶体结 构示意图
合金的分类
固溶体 金属间化合物
合金的结构按其组元在结晶时彼此作用的不同， 可以分为固溶体、金属化合物、机械混合物三种类型。
合金－固溶体
当金属的晶体结构保持溶剂组元 的晶体结构时，这种合金称为一次固 溶体或端际固溶体，简称为固溶体。
合金－金属间化合物
金属元素与其它金属元素或非金 属元素之间形成合金时，除固溶体外， 还可能形成金属间化合物。