工程材料 第二章 材料的结构

2020/12/11
（二）典型金属的晶体结构
2. 面心立方晶格（fcc晶格）
§2.2 晶体结构理论
晶格常数： a=b=c ===90°
原子半径： r 2 a 4
晶胞原子数： 8×1/8+6×1/2=4
致密度： K=nV1/V=74%
常见fcc晶格的金属有： -Fe、 Cu、Ni、Al、Ag等20多种金属
也称为 “过冷液体”—短程有序。
晶体的特点：①结构有序； ②物理性质表现为各向异性； ③有固定熔点； ④一定条件下有规则的几何外形。
晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化，如玻璃经高温 长时间加热能变成晶态玻璃；而通常是晶态的金属若从液态急 冷也可获得非晶态金属。
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晶体的挪动flash动画
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§2.3 晶体缺陷理论
维纳斯“断臂”之美更深入人心 晶体缺陷赋予材料丰富内容 实际晶体中晶体缺陷普遍存在，对金属的许多性质，尤其
是力学性能有着重大的影响。
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§2.3 晶体缺陷理论
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。
答：不是。
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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： 钚、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。
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。
纳米材料晶粒非常小，晶界缺陷异常多。 当晶粒5nm时，处于晶界原子的体积分数为50％，即一半的体积是晶界。
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一、晶体与非晶体
§2.2 晶体结构理论
扩充知识
微晶：快速凝固的晶态金属或合金的颗粒尺寸要小得多， 仅为微米纳米级尺度，高强度高硬度；
准晶：在晶体内部的原子长程有序，介于晶体和非晶体之间；
液晶：二维长程有序。
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二、晶体结构
§2.2 晶体结构理论
（一）晶体学基本概念 （二）典型金属的晶体结构
§2.2 晶体结构理论
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。
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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（二）典型金属的晶体结构
1. 体心立方晶格（ bcc晶格 ） 2. 面心立方晶格（ fcc晶格 ） 3. 密排六方晶格（ hcp晶格）
位错对金属材料的力学性能、扩散及相变等过程均有重要的影响。
如果金属中不含位错，即为理想晶体，其强度极高；而实际金属晶 体中由于位错的存在，其实际强度值比理论值降低了2 - 3个数量级。
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二、线缺陷
• 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cm-2。
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。
单晶体（晶粒）
多晶体（整体）
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§2.3 晶体缺陷理论
实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为以下三种：
（1）点缺陷 （2）线缺陷 （3）面缺陷
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一、点缺陷
§2.3 晶体缺陷理论
3. 金属的特征：正的电阻温度系数。
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金属的特征
金属为何具有上述这些特性呢？
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：
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。
§2.2 晶体结构理论
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（二）典型金属的晶体结构
1. 体心立方晶格（bcc晶格）
§2.2 晶体结构理论
晶格常数： a=b=c ===90° 原子半径： r = 3 a
4
晶胞原子数： 8×1/8+1=2 致密度： K=nV1/V=68%
常见bcc晶格的金属有： -Fe、Cr、Mo、W、V等30多种金属
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 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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工程材料 第二章 材料的结构
§2.1 结合键
在固体状态下,原子聚集堆积在一起,其间距足 够近 , 便产生相互作用力,即为原子间的结合力或 结合键(简称为键)。 主要有以下四种结合键:
离子键、共价键、金属键、分子键
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一、离子键
§2.1 结合键
离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系数小， 但脆性大，具有很好的绝缘性。
§2.3 wenku.baidu.com体缺陷理论
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二、线缺陷
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flash
§2.3 晶体缺陷理论 刃 型 位 错 的 运 动
二、线缺陷 螺型位错
§2.3 晶体缺陷理论
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三、面缺陷
面缺陷: 二维尺度很大而另一尺度很小的缺陷。 金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界。
§2.3 晶体缺陷理论
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四、分子键
分子晶体因其结合键能很低， 所以其熔点很低，硬度也低。 但其绝缘性良好。
§2.1 结合键
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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。
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？
2. 常温下晶界对金属的塑性变形起阻碍作用，即金属材料晶粒越细，晶界 越多，其常温强度就越高。
3. 钢在热处理时，奥氏体晶粒会随加热温度的升高而长大，因此要严格控 制加热温度。
4. 钢中第二相在加热时也会产生球化，如高碳钢锻造后进行球化退火，以 使第二相即碳化物球化。但加热温度过高、保温时间过长，则球化物会自 发长大、聚集，对性能不利。
典型的离子晶体是无色透明的。
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二、共价键
§2.1 结合键
共价键结合力很大， 共价晶体的强度、硬度高、脆性大，
熔点、沸点高，挥发度低。
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三、金属键
（1）良好的导电性及导热性； （2）正的电阻温度系数； （3）良好的强度及塑性； （4）特有的金属光泽。
§2.1 结合键
由于晶界上原子排列脱离平衡位置，晶格畸变程度较大，所以其能量比晶 粒内部的高，从而也就有一系列不同晶粒内部的特性。
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三、面缺陷
§2.3 晶体缺陷理论
2020/12/11
三、面缺陷
§2.3 晶体缺陷理论
晶界的特性及作用：
1. 晶界比晶粒本身容易被腐蚀和氧化，熔点较低，原子沿晶界扩散快。
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（一）晶体学基本概念
§2.2 晶体结构理论
晶格、晶胞和晶格常数——这些为晶体结构的抽象描述（原子的堆垛模型）
空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架） →晶胞（具有周期性最小组成单元）→ 晶格常数（晶胞的棱边长度a、b、c）
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（一）晶体学基本概念
• 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。
• 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。
点缺陷是指在三维尺度上都很小而不超过几个原子直径的缺陷。
（1）空位 （2）间隙原子 （3）置换原子
点缺陷均会造成晶格畸 变,影响金属性能,如使屈服强 度升高、电阻增大、体积膨胀 等。
点缺陷示意图
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二、线缺陷
§2.3 晶体缺陷理论
线缺陷: 二维尺度很小而另一维尺度很大的缺陷。包括各种类型的位错。 位错：是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若干列 原子有规律的错排现象。图为刃型位错。位错密度用ρ表示。
钢的A状态、A不锈钢、耐磨钢的晶格也是fcc 2020/12/11
（二）典型金属的晶体结构
3. 密排六方晶格（hcp晶格）
§2.2 晶体结构理论
晶格常数： a=b≠c c/a=1.633 ==90° =120° 原子半径： r=a/2 晶胞原子数：6 致密度： K=nV1/V=74%
常见hcp晶格的金属有： Zn、Mg、Be、Cd等金属
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§2.2 晶体结构理论
一、晶体与非晶体 二、晶体结构
2020/12/11
一、晶体与非晶体
§2.2 晶体结构理论
液体 --> 固体（晶体 或 非晶体）-- 凝固 液体 --> 晶体 -- 结晶
液体 晶体
2020/12/11
一、晶体与非晶体
§2.2 晶体结构理论
晶体：原子在三维空间中有规则地周期性重复排列的物质。 非晶体：原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列的一类物质。