第三章材料结构和凝固
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பைடு நூலகம்
晶粒细
晶界面积大
强度高
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-19
合金的晶体结构
基本概念：
合金：由两种或两种以上金属，或金属与非金属组成， 具有金属性质的物质。 组元：组成合金的最基本物质。 二元合金：由两种组元组成的合金 相：结构相同，成分相近，与其它部分有界面分开的部分
单相合金：固态下由一个固相组成的合金 多相合金：固态下由两个以上固相组成的合金 相变：金属与合金的一种相在一定条件下可以变为另一种相 组织：相的聚合体（形态） （单相组织，多相组织） 相变：一定条件下，一种相可以变为另一种相
每个晶胞原子数为2(个)，晶格常数通常用一个常数a表示。
属于体心立方晶格类型的金属有α-Fe（912℃以下的纯铁）、 铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)等
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-10
②面心立方晶格
每个晶胞中的原子数为4(个) 属于面心立方晶格类型的金属有γ-Fe（1394－912℃的纯铁）、 铝（Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅（Pb)等。
第三章材料结构和凝固
3-3
❖ 物质由原子组成。原子的结合方式和排 列方式决定了物质的性能。
❖ 原子、离子、分子之间的结合力称为结 合键。它们的具体组合状态称为结构。
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-4
一、晶体结构的基本知识
1、晶体与非晶体(了解定义） 晶体的特点是： ①原子在三维空间呈有规则的周期性重复
第三章材料结构和凝固
3-14
晶体缺陷
晶体缺陷 —— 晶体中原子偏离原来平衡位置
导致晶格畸变
强度↑，硬度↑，电阻↑
（1）点缺陷：空位、间隙原子和异类原子 （2）线缺陷：位错 （3）面缺陷：晶界与亚晶界
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-15
❖ ⑵ 晶体缺陷 ❖ 晶格的不完整部位称
晶体缺陷。 ❖ 实际金属中存在着大
晶粒（单晶体）
晶界：晶粒之间的界面
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
多晶体示意图
3-13
❖ 单晶体中的原子呈规则排列，晶格位相 基本一致。
❖ 由于在单晶体中各个方向上显示出不同 的性能，此现象称为各相异性。
❖ 工业上应用的一半金属是多晶体，生产 中只有经过特殊制作才能获得的单晶体。
2021/3/26
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-12
实际金属的结构
单晶体：各部分位向完全一致的晶体
由于不同晶面和晶向上原子排列密度不同
原子间结合力不同
力学性能不同
单晶体表现为各向异性
多晶体：许多位向不同的单晶体的聚合体
由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互 抵消平衡 因而表现各向同性
晶粒：多晶体中外形不规则的小晶体
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-11
③密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面 和两个呈六边形的底面所组成。
密排六方晶胞中的原子数为6(个) 晶格常数通常用柱体的高度c和六方底面的边长a 来表示。
属于密排六方晶格的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、镉(Cd)等.
导热性： 金属依靠正离子振动以及自由电子的运动 传递热量。
塑性： 在外力作用下，金属中的原子面可作相对 移动 ，并且正电子和自由电子间的结合不被破坏。 (???)
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-2
3.1材料的结合方式
结合键 P19(键)
离子键 共价键 金属键 分子键 氢键
2021/3/26
量的晶体缺陷，按形 状可分三类，即点、 线、面缺陷。
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-16
点缺陷 —— 空位和间隙原子
导致晶格畸变
强度↑，硬度↑电阻↑
② 间隙原子
③ 异类原子
① 空位
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-17
线缺陷 —— 位错
位错 —— 整排原子有规律错排 增加或减小位错密度，可以提高强度
3-8
晶胞
Z
❖
在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三 条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴。
❖ 以棱边长度和棱面夹角来表示晶胞的形状和大小。图中的 a、b、c就是晶格常数。
c
b
a
Y
X
晶格常数 a，b，c
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-9
二、常见金属的晶格类型
①体心立方晶格
第 3 章 材料的结构与凝固
3.1 了解材料的结合方式 3.2金属材料的结构方式 3.3非金属材料的结构特点（自己看） 3.4掌握材料的凝固与结晶 3.5重点掌握铁碳合金相图
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-1
金属为什么具有良好的导电性、导热性、和良 好的塑性？
导电性： 金属原子间的结合是金属建结合，其中有 自由电子，在外电场的作用下作定向移动 形成电流。
③各个方向上的原子聚集密度大致相同，即具有各
向同性。 液体
非晶体 ： 蜂蜡、玻璃 等。
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-6
晶体与非晶体的转化
许多物质在不同条件下既可以以晶体形式存在， 又可以以非晶体形式存在。
如把水晶的结晶溶化，再使它冷却，可得非晶 体的石英玻璃。而非晶体的玻璃，经过相当长 的时间后，在它里面生成了微小的晶体，形成 透明性减弱的模糊斑点。这说明晶体转化为非 晶体需要一定的条件，而非晶体经过一定时间 会自动变成晶体。
排列。 ②具有固定的熔点，如铁的熔点为1538℃， ③铜晶的体熔的点性为能1随08着3℃原。子的排列方位而晶 金改刚体变石、，NaCl、冰 等。
即具有各向异性。(???)
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-5
非晶体的特点是：
①原子在三维空间呈不规则的排列。
②没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最 终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥 青等。
2021/3/26
刃 型 位 错第示三意章图 材料结构和凝固
3-18
面缺陷 —— 晶界，亚晶界
实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量 的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规 则的区域（如图）。
晶界的过渡结构示意图
晶界处晶格畸变
强度高
亚晶界结构示意图
原子能量高
熔点低，易腐蚀，原子扩散快
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-7
3.2金属材料的结构特点
晶格和晶胞
晶格：把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起 来，这样得到的三维空间几何格架。把晶体中原子排列形 式的空间格子称为晶格。
晶胞：晶格中能全面反映原子排列规律的最小单元
点阵（晶格）模型
晶
2021/3/26
胞 第三章材料结构和凝固
晶粒细
晶界面积大
强度高
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-19
合金的晶体结构
基本概念：
合金：由两种或两种以上金属，或金属与非金属组成， 具有金属性质的物质。 组元：组成合金的最基本物质。 二元合金：由两种组元组成的合金 相：结构相同，成分相近，与其它部分有界面分开的部分
单相合金：固态下由一个固相组成的合金 多相合金：固态下由两个以上固相组成的合金 相变：金属与合金的一种相在一定条件下可以变为另一种相 组织：相的聚合体（形态） （单相组织，多相组织） 相变：一定条件下，一种相可以变为另一种相
每个晶胞原子数为2(个)，晶格常数通常用一个常数a表示。
属于体心立方晶格类型的金属有α-Fe（912℃以下的纯铁）、 铬(Cr)、钼(Mo)、钨(W)等
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-10
②面心立方晶格
每个晶胞中的原子数为4(个) 属于面心立方晶格类型的金属有γ-Fe（1394－912℃的纯铁）、 铝（Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、铅（Pb)等。
第三章材料结构和凝固
3-3
❖ 物质由原子组成。原子的结合方式和排 列方式决定了物质的性能。
❖ 原子、离子、分子之间的结合力称为结 合键。它们的具体组合状态称为结构。
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-4
一、晶体结构的基本知识
1、晶体与非晶体(了解定义） 晶体的特点是： ①原子在三维空间呈有规则的周期性重复
第三章材料结构和凝固
3-14
晶体缺陷
晶体缺陷 —— 晶体中原子偏离原来平衡位置
导致晶格畸变
强度↑，硬度↑，电阻↑
（1）点缺陷：空位、间隙原子和异类原子 （2）线缺陷：位错 （3）面缺陷：晶界与亚晶界
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-15
❖ ⑵ 晶体缺陷 ❖ 晶格的不完整部位称
晶体缺陷。 ❖ 实际金属中存在着大
晶粒（单晶体）
晶界：晶粒之间的界面
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
多晶体示意图
3-13
❖ 单晶体中的原子呈规则排列，晶格位相 基本一致。
❖ 由于在单晶体中各个方向上显示出不同 的性能，此现象称为各相异性。
❖ 工业上应用的一半金属是多晶体，生产 中只有经过特殊制作才能获得的单晶体。
2021/3/26
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-12
实际金属的结构
单晶体：各部分位向完全一致的晶体
由于不同晶面和晶向上原子排列密度不同
原子间结合力不同
力学性能不同
单晶体表现为各向异性
多晶体：许多位向不同的单晶体的聚合体
由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互 抵消平衡 因而表现各向同性
晶粒：多晶体中外形不规则的小晶体
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-11
③密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面 和两个呈六边形的底面所组成。
密排六方晶胞中的原子数为6(个) 晶格常数通常用柱体的高度c和六方底面的边长a 来表示。
属于密排六方晶格的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)、镉(Cd)等.
导热性： 金属依靠正离子振动以及自由电子的运动 传递热量。
塑性： 在外力作用下，金属中的原子面可作相对 移动 ，并且正电子和自由电子间的结合不被破坏。 (???)
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-2
3.1材料的结合方式
结合键 P19(键)
离子键 共价键 金属键 分子键 氢键
2021/3/26
量的晶体缺陷，按形 状可分三类，即点、 线、面缺陷。
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-16
点缺陷 —— 空位和间隙原子
导致晶格畸变
强度↑，硬度↑电阻↑
② 间隙原子
③ 异类原子
① 空位
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-17
线缺陷 —— 位错
位错 —— 整排原子有规律错排 增加或减小位错密度，可以提高强度
3-8
晶胞
Z
❖
在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三 条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴。
❖ 以棱边长度和棱面夹角来表示晶胞的形状和大小。图中的 a、b、c就是晶格常数。
c
b
a
Y
X
晶格常数 a，b，c
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-9
二、常见金属的晶格类型
①体心立方晶格
第 3 章 材料的结构与凝固
3.1 了解材料的结合方式 3.2金属材料的结构方式 3.3非金属材料的结构特点（自己看） 3.4掌握材料的凝固与结晶 3.5重点掌握铁碳合金相图
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-1
金属为什么具有良好的导电性、导热性、和良 好的塑性？
导电性： 金属原子间的结合是金属建结合，其中有 自由电子，在外电场的作用下作定向移动 形成电流。
③各个方向上的原子聚集密度大致相同，即具有各
向同性。 液体
非晶体 ： 蜂蜡、玻璃 等。
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-6
晶体与非晶体的转化
许多物质在不同条件下既可以以晶体形式存在， 又可以以非晶体形式存在。
如把水晶的结晶溶化，再使它冷却，可得非晶 体的石英玻璃。而非晶体的玻璃，经过相当长 的时间后，在它里面生成了微小的晶体，形成 透明性减弱的模糊斑点。这说明晶体转化为非 晶体需要一定的条件，而非晶体经过一定时间 会自动变成晶体。
排列。 ②具有固定的熔点，如铁的熔点为1538℃， ③铜晶的体熔的点性为能1随08着3℃原。子的排列方位而晶 金改刚体变石、，NaCl、冰 等。
即具有各向异性。(???)
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-5
非晶体的特点是：
①原子在三维空间呈不规则的排列。
②没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最 终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥 青等。
2021/3/26
刃 型 位 错第示三意章图 材料结构和凝固
3-18
面缺陷 —— 晶界，亚晶界
实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量 的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规 则的区域（如图）。
晶界的过渡结构示意图
晶界处晶格畸变
强度高
亚晶界结构示意图
原子能量高
熔点低，易腐蚀，原子扩散快
2021/3/26
第三章材料结构和凝固
3-7
3.2金属材料的结构特点
晶格和晶胞
晶格：把原子抽象为几何点，并用许多假想的直线连接起 来，这样得到的三维空间几何格架。把晶体中原子排列形 式的空间格子称为晶格。
晶胞：晶格中能全面反映原子排列规律的最小单元
点阵（晶格）模型
晶
2021/3/26
胞 第三章材料结构和凝固