第二章材料的结构

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§2.2 金属的 晶体结构
注意：
1) 每一个晶面指数(或晶向指数)泛指晶格中一系列与之相平行的 一组晶面（或晶向）。
2) 立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。 3) 原子排列情况相同但空间位向不同的晶面（或晶向）统称为一 个晶面（或晶向）族。
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（2）各向异性 Z
§2.2 金属的 晶体结构
不同晶面或晶向上原子密度 不同引起性能不同的现象
Z
Y X
X
2020/3/3多1 晶体材料的伪等向性
Y
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§2.3 实际晶体中的缺陷
理想晶体：是指晶体中原子严格地成，完全规则和完整的排列，在每个晶 格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构 成理想的单晶体。
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§2.3 实际晶体中的缺陷
三、 面缺陷
概念：是指晶体中在二维方向上尺寸很大，而在另一维方向上尺寸很 小的晶体缺陷。 类型：主要包括晶体的外表面、堆垛层错、晶界、亚晶界、孪晶界和 相界面等。
1. 晶界
晶界是多晶体中晶粒与晶粒之间的 交界面，由于各晶粒中原子排列方式 相同（如都是体心立方），只是晶格 位向不同，因此晶界实际上是不同位 向晶粒之间的过渡层。该过渡层有一 定的厚度，为了同时适应两侧不同位 向晶粒的过渡，而使过渡层处的原子 总是不能规则排列，产生晶格畸变， 所以它是晶体中的一种重要的面缺陷。
✓ 按溶质原子在晶格中的分布状态分： 有序固溶体、无序固溶体
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§2.4 合金的相
3.固溶体的性能
固溶强化：固溶体的强度、硬度随溶质原子浓度升 高而明显增加，塑性、韧性稍有下降，这种现象称 为～～ 。
金属材料重要的强化方式之一，固溶体具有良好的 综合机械性能（强硬度、塑韧性的综合），一般作 为合金的基体相。
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§2.2 金属的 晶体结构
常见的金属晶体结构
工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构， 其中最典型的为以下三种：
（1）体心立方晶格bcc （2）面心立方晶格fcc （3）密排六方晶格hcp
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体心立方晶格
在立方晶胞的八个顶 角上各有一个原子， 在体中心有一个原子， 每个原子与空间点阵 中的一个阵点相对应。 属于这种晶体结构的 纯金属有α- Fe, Cr, Mo, W,V等。
面心立方
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描述金属晶体结构的一些重要概念
晶胞原子数 一个晶胞内所含的原子数目。注意相邻晶胞的共有原子的计算
方法。
原子半径 晶胞中最近邻的两个原子之间（平衡）距离的一半。
配位数 晶格中和某一原子相邻的原子数目称为配位数
致密度 晶胞中原子本身所占的体积与晶胞体积之比
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体置 换 固 溶 Z
置换原子
体间 隙 固 溶
Z
间隙原子
X
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Y X
Y
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§2.4 合金的相
✓ 按固态溶解度分：
有限固溶体：间隙固溶体只能是有限固溶体 无限固溶体：无限固溶体只能是置换固溶体
形成无限固溶体的必备条件： 置换固溶体 组元点阵相同 原子尺寸相差不大 负电性相同
• 实验和理论研究表明:晶体的强度和位错密度 有如图的对应关系,
• 当晶体中位错密度很低时,晶体强度很高；相 反在晶体中位错密度很高时,其强度很高。
• 但目前的技术,仅能制造出直径为几微米的晶 须,不能满足使用上的要求。而位错密度很高 易实现,如剧烈的冷加工可使密度大大提高, 这为材料强度的提高提供途径。
Fe(C)合金
类比 鸡蛋
Fe、C组元 Fe、Fe3C组元
水，蛋白质，脂肪，胆固醇
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§2.4 合金的相
相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化
的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是 两个不同的相。
工业纯铁 共析碳钢 普通陶瓷
单相铁素体 铁素体相、渗碳体相 晶相、玻璃相、气相
金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发生相对位移时，
其结合键不会被破坏，从而具有延展性。
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§2.2 金属的 晶体结构
1）晶体与非晶体 2）金属的晶体结构 3）晶面和晶向及其表示方法 4）金属晶体的特点
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§2.2 金属的 晶体结构
晶体：材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则， 周期性排列—长程有序。
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刃位错
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§2.3 实际晶体中的缺陷
刃型位错示意图
刃位错
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§2.3 实际晶体中的缺陷
螺型位错示意图
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• 位错密度 ：单位体积中位错线的总长度, 或 单位面积上位错线的根数,单位cm2
• 位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶格发 生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。
第二章 材料的结构
第二章 材料的结构
材 §1 电子结构 料 的 §2 原子的空间排列 结 §3 显微组织 构
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§2.1 金属的特征 §2.2 金属的晶体结构 §2.3 实际晶体中的缺陷 §2.4 合金的相结构
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§2.1 金属的特征
与非金属相比，固态金属具有它独特的性能，如良 好的导电性、导热性、延展性（塑性变形能力） 和金属光泽。
Z
c b
a
X
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§2.2 金属的 晶体结构
晶向 通过原子中心的直线所指的方向
Z
c
ຫໍສະໝຸດ Baidu
Y
b
a
Y
X
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§2.2 金属的 晶体结构
立方晶系的晶面、晶向表示方法
a.晶向指数的确定方法
1) 以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系，通过原点作平行于所 求晶向的直线。
2) 以相应的晶格常数为单位，求出直线上任意一点的三个坐标值。 3) 将所求坐标值化为最简整数，并用方括号括起，即为所求的晶向指数， 例如[101]。 具体晶向指数如图所示，其形式为[uvw]。
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面心立方晶格
§2.2 金属的 晶体结构
属于这种晶体结构 的纯金属有：
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面心立方晶胞 Z
c
a
X
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b
Y
§2.2 金属的 晶体结构
晶格常数：a=b=c； ===90
晶胞原子数： 4
原子半径： 致密度：0.74
3
K
4
4 3
2 4
a
a3 0.74
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§2.2 金属的 晶体结构
类比
鸡蛋
蛋白、蛋黄
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§2.4 合金的相
组织：用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图 像的统称（宏观组织、微观组织）。组织是影响 材料性能的重要因素。
相是组织的基本组成部分
不同的相构成不同的组织！ 相同的相，但当组成相的数量、大小、 形态和分布不同时，其组织也不同！
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实际晶体：多晶体+晶体缺陷 晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域，
按其几何尺寸特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
晶粒（单晶体）
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§2.3 实际晶体中的缺陷
一、 点缺陷
1. 点缺陷的概念 是晶体中在X,Y,Z 置换原子 三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷。 2. 点缺陷的类型 主要有四类，即 空位；间隙原子（有同类和异类之 分）；置换原子（有大小之分）； 复合空位。
a 原子堆垛模型
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b 空间点阵
c 晶格
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§2.2 金属的 晶体结构
空间点阵
将晶体内部的原子（离子）或原子群（离子群）抽象为无数点 子按一定的方式在空间做有规则的周期性分布，这些几何点子的 总体称为空间点阵，这些点称为阵点或节点。
晶格
用一系列假想的平行直线将空间点阵的阵点联结起来，形成的 空间网络称为空间格子，也称晶格。
根据晶体中各晶粒之间的位向差θ不同，又 可将晶界分为大角度晶界（θ>10°）和小角 度晶界（θ<10°）两类。
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界扭 转 晶
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§2.3 实际晶体中的缺陷
对称倾側晶界
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2.亚晶界
§2.3 实际晶体中的缺陷
亚晶界是亚晶粒与亚晶粒之间的晶界，位向 差θ一般为几十分到几度。大晶粒中的小晶 粒称为亚晶粒。亚晶界的两种特殊形式为对 称倾側晶界和扭转晶界。
非晶体：原子无规则堆积，也称为 “过冷液体”—短程 有序。
晶体 金刚石、NaCl、冰 等。
非晶体
蜂蜡、玻璃 等。
液体
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（1）有确定的熔点
温度 非晶体
熔点
§2.2 金属的 晶体结构
晶体
时间
晶体和非晶体的熔化曲线
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§2.2 金属的 晶体结构
z
c
a
x
y b
d 晶胞
晶胞
为了研究空间点阵的排列特点，从点阵中取出一个反映点阵特 征的基本单元（通常是一个平行六面体）作为其组成单元，这个 平行六面体称为晶胞。
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七大晶系，十四个空间点阵：
§2.2 金属的 晶体结构
简单三斜 简单单斜 底心单斜 简单正交 体心正交 面心正交 底心正交
简单六方 简单菱方 简单正方 体心正方 简单立方 体心立方
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亚晶界
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§2.4 合金的相
合金：由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元
素，也可以是非金属元素）组成的有金属特征的金属 材料。
思考 金属与非金属组成的是不是一定就是合金？
Fe + C
Fe(C)合金（钢） Fe3C (化合物）
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§2.4 合金的相
组元：组成合金独立的最基本单元。组元可以是元素 或是稳定化合物。
思考 这些是 金属的特性么？能否据此来区分金属 与非金属呢？
不是
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§2.1 金属的特征
1. 有的非金属也可能表现出上述某些特性： 如：石墨能导电 金刚石导热 无机化合物的金属光泽；
2. 各种金属晶体之间，这些特征的差别也很大： 鈈、锰的导电能力比银、铜相差近百倍 锑、铬、钒等金属是一种“脆性”金属。
空位
置换 原子
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复合空位 间隙原子
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§2.3 实际晶体中的缺陷
二、 线缺陷
线缺陷的概念:晶体中在一维方向上尺寸很大，而在另外 二维方向上的尺寸很小的晶体缺陷，它的主要形式是位 错。 位错是晶体中一列或若干列原子，发生某种有规律的错 排现象。 位错的类型:刃型位错 螺型位错
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§2.4 合金的相
固溶体：溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相
称为固溶体。
“固体溶液”
1. 晶体结构特点
✓ 均一的、保持熔剂金属的晶体结构 ✓ 晶格常数发生一定变化
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§2.4 合金的相
2. 固溶体的分类
✓ 按溶质原子所占据的位置 置换固溶体：溶质原子一般为半径相差不大的原子 间隙固溶体：溶质原子半径小的非金属原子 （H、O、N、C、B）
良好的导电、导热性： 自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作用下）导热。
正的电阻温度系数： 金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自由电子的定向运动，
从而使电阻升高。 不透明，有光泽：
自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子吸收可见光后 由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收 的可见光能量辐射出来，产生金属光泽。 具有延展性：
因此，只根据以上的一些特性来区分金属和非金属 是不够充分的。
3. 金属的特征：正的电阻温度系数
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§2.1 金属的特征
金属为何具有上述这些特性呢？ 主要是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关
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§2.1 金属的特征
金属材料 以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征：
晶格常数 密排六方晶格 C（石墨）、Mg、Zn 等 底面边长a
底面间距c=1.633a 侧面间角120 侧面与底面夹角90
晶胞原子数：6
原子半径：a/2
致密度：0.74
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§2.2 金属的 晶体结构
配位数：8
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配位数：12
配位数：12
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晶面 通过原子中心的平面
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§2.2 金属的 晶体结构
b.晶面指数的确定方法
1) 选坐标，以晶格中某一原子为原点（注意不要把原点放在所求 的晶面上），以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。
2) 以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个坐标轴的截距。 3) 求三个截距值的倒数。 4) 将所得数值化为最简单的整数，并用圆括号括起，即为晶面指 数，如图所示，其形式为（hkl）。
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§2.2 金属的 晶体结构
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体心立方晶胞 Z
c
a a 2r
a
b
Y
X2020/3/31
§2.2 金属的 晶体结构
晶格常数：a=b=c； ===90
晶胞原子数： 2
原子半径：
致密度：0.68
致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞体积 Va:原子总体积
K
2
4 3
3 4
a
3
a3 0.68