第2章 金属材料的组织结构

为金属键。
金属原子趋向于紧密排列。
正离子
电子云
金属键示意图
具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。
常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方(fcc)
和密排六方(hcp)晶格。
⑴ 体心立方晶格
体心立方晶格
体心立方晶格的参数
体心立方晶格
晶格常数：a(a=b=c)
原子半径： r 3 a 4
金 属 键
C60
2.1 金属材料的晶体结构与结晶
2.1.1 金属的晶体结构
一、基本概念 晶体：原子呈规则排列的固体。 常态下金属主要以晶体形式
存在。 晶体具有各向异性。 非晶体：原子呈无序排列的固
体。 在一定条件下晶体和非晶体
可互相转化。
金属的结构
晶态
非晶态
SiO2的结构
晶格：用假想的直线将原子 中心连接起来所形成的三维 空间格架。
减少或增加位错密度都可以
提高金属的强度。
金属晶须
退火态
(105-108/cm2)
加工硬化态
(1011-1012/cm2)
电子显微镜下的位错观察
③ 面缺陷：在三维尺寸的一个方向上尺寸很小，另两个方向 上尺寸较大的缺陷，主要有晶界与亚晶界两种。
晶界是不同位向晶粒间的过度部位，宽度为5~10个原子
晶体缺陷对金属材料带来的性能影响：
缺陷的存在对金属的物理性能和机械性能都有一定的 影响，利用缺陷强化金属。
点缺陷：存在对金属的物理性能和力学性能都有一定影 响，尤其影响晶体的电阻和晶体密度最显著。可达到固溶 强化（强度、硬度提高，塑性、韧性降低）；
线缺陷：大量位错互相缠结，交织在一起，阻碍塑性变 形，造成金属强化称加工硬化（强度、硬度提高，塑性、 韧性降低）；
第2章 金属材料的组织结构
2.1 金属材料的晶体结构与结晶 2.1.1 金属的晶体结构
2.1.2 纯金属的结晶 2.1.3 金属的同素异构转变 2.1.4 合金的晶体结构 2.2 铁碳合金相图 2.2.1 二元合金相图种类 2.2.2 铁碳合金相图
物质由原子、分子或离子组成。 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。
四方
原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距 菱方 的一半。
晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。
正交
配位数: 晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目.
致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。
单斜
三斜
二、金属的晶体结构
1、纯金属的晶体结构
金属原子是通过正离子与自
由电子的相互作用而结合的，称
多晶体：
实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规
则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。
晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。
光学金相显示的纯铁晶界
多晶体示意图
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量的晶体缺陷，按形状可分三类,
⑶ 密排六方晶格
密排六方晶格
密排六方晶格的参数
密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
c/a=1.633
原子半径 ：r 1 a
2
原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等
2、实际金属的晶体结构 ⑴ 单晶体与多晶体
单晶体：由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体。 特征：同一位向 如金刚石、水晶单晶硅等。
原子个数：2 配位数： 8 致密度：0.68 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等
⑵ 面 心 立 方 晶 格
面心立方晶格
面心立方晶格的参数
面心立方晶格
晶格常数：a
原子半径： r 2 a
4
原子个数：4 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等
空位
间隙原
小置换原
大置换原
子
子
子
② 线缺陷：在三维尺寸的两个方向上尺寸很小，另一个
方向上尺寸较大的缺陷；
晶体中的位错是典型的线位错。
晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，
滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错；
分为刃型位错和螺型位错。
刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子 面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就 是刃型位错。
直线的交点（原子中心） 称结点。
由结点形成的空间点的 阵列称空间点阵。 。
晶胞： 能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。
晶格常数：
各棱边的尺寸 a、b、c；夹角、、。
晶系：
立方
根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。
90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。
六方
立方晶系：a=b=c，===90
六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，=120
半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ┴ ”表示。 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ┬ ”表示。
位错密度：
单位体积内所包含的位错线
总长度。
= S/V(cm/cm3或1/cm2)
金属的位错密度为104~1012/cm2；
位错对性能的影响：
金属的塑性变形主要由位错 运动引起，因此阻碍位错运动是 强化金属的主要途径。
即点、线、面缺陷。
① 点缺陷 ：空间三维方向上尺寸都很小的缺陷。
空位：晶格中某些缺排原子的空结点。 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，
也可以是外来原子。 置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。
点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶 格畸变，从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
面缺陷：细晶强化（强度、硬度提高，塑性、韧性改 善） 。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ 2.1.2 纯金属的结晶
物质由液态转变为固态的过程称为凝固。
物质由液态转变为晶态的过程称为结晶。
物质由一个相转变为另一个相的过程称为相变，结晶过程是相
变过程。
非
水
晶
体
液体
凝固 结晶
结晶 = 相变
晶
体
冰
一、金属结晶的基本规律
间距，位向差一般为20~40°。
亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’ ~2 )
的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。
① 原子排列不规则. ② 熔点低。 ③ 耐蚀性差。 ④ 易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。 ⑤ 阻碍位错运动，是强化部位，因而实际 使用的金属力求获得细晶粒。 ⑥ 是相变的优先形核部位。