工程材料教案 总第1章

工程材料基础

课

程

教

案

任课老师：唐思文

职称：讲师

2013年8月

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授课教师：唐思文职称：讲师单位：机电工程学院

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授课教师：唐思文职称：讲师单位：机电工程学院

第1章材料的结构与凝固

本章目录

1.1 金属的晶体结构

1.2 合金的晶体结构

1.3 非金属材料的结构

1.4 凝固的基本概念

1.5 金属的结晶

1.6 材料的同素异构现象

1.1 金属的晶体结构

1.1.1 晶体结构的基本概念

✧晶体：内部原子或离子按一定几何形状有规则排列的固体。

✧非晶体：原子排列无规则的固体。

✧晶格：将构成晶体的实际质点（原子或离子）抽象为纯粹的几何阵点，并

用直线连接起来构成的三维空间格架。

✧晶胞：能够反映晶格特征的最小组成单元。

✧晶格参数：晶格的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之

间的夹角α、β、γ六个参数来描述。晶格常数：a、b、c。

1.1.2 三种常见的金属晶体结构

体心立方晶格：Ti、V、Cr、Mo、W及α-Fe等属此种晶格。

面心立方晶格：Al、Cu、Ag、Pt、Au及γ-Fe等属此种晶格。

密排六方晶格：Zn、Mg、Be、Cd等属此种晶格。

1.1.3 常见金属晶体结构的特征

（1） 晶胞中的原子数

体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格

（2） 原子半径晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间球心距离的一半称为原子半径(r 原子)。

体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格

（3） 配位数：晶体结构中与任一原子周围最近邻的且等距离的原子数。配位数越大，晶体中原子排列就越紧密。

体心立方晶格：8 面心立方晶格：12 密排六方晶格：12

（4） 致密度：晶胞中所含原子的体积与晶胞体积的比值，配位数大，则致密度亦大。

18128

n =⨯+=11864

82n =⨯+⨯=111223662

n =⨯+⨯+=34

r a =

24

r a

=12

r a

=

体心立方晶格

面心立方晶格

密排六方晶格

三种典型金属晶体结构的特征

1.1.4 晶面、晶向及晶体的各向异性 ✧ 晶面：通过晶体中原子中心的平面。

✧ 晶面指数：用以表示晶面的数字符号称为晶面指数。

晶体中一些特定的晶向、晶面与晶体表现出的性能有密切关系。

立方晶系的晶面指数的标定

以图中的晶面ABB ’A ’为例, 晶面指数的标定过程如下：

1、设定一空间坐标系, 原点在预定晶面外,以晶胞三棱边作三维坐标的X 、Y 、Z ，并使晶面在三条坐标轴上有截距或无穷大。

2、以晶格常数a 为长度单位, 写出预定晶面在三条坐标轴上的截距:a ∞∞

3

333

4342234U 30.68a r n K V a a ππ⎛⎫

⨯ ⎪⨯⎝⎭===≈3

333

4244434U 30.74a r n K V a a ππ⎛⎫

⨯ ⎪⨯⎝⎭===≈3

3

3241466U 3230.743383223a r n K V a

a a ππ⎛⎫⨯⨯ ⎪⎝⎭===≈

3、截距取倒数：1/a 0 0

4、截距的倒数化为最小整数：100

5、将三整数写在圆括号内：(100)

6、晶面ABBA'的晶面指数即为(100)。

●晶面指数的一般标记为(hkl)。(hkl)实际表示一组原子排列相同的平行晶

面。

●在立方晶系中, 由于原子的排列具有高度的对称性, 往往存在许多原子排

列完全相同但在空间位向不同的晶面, 这些晶面总称为晶面族, 用大括号表示, 即{hkl}。

➢晶向：晶体中原子列所表示的方向。

➢晶向指数：表示晶向的数字符号称为晶向指数。

以图中的晶向OA为例,说明晶向指数的标定过程：

1、设定一空间坐标系,原点在预定晶向的一结点上，并以晶胞三棱边作三维坐标的X、Y、Z，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测量单位，写出该晶向上另一结点的空间坐标值：a00

3、将坐标值按比例化为最小整数：100

4、将化好的整数记在方括号内：[100]

5、得到晶向OA的晶向指数为[100]。

➢晶面原子密度：该晶面单位面积中的原子数。

●在晶体中, 不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合

力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的各向异性。

体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度

➢晶向原子密度：该晶向单位长度上的原子数。

体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度

1.1.5 实际金属的晶体结构

●实际晶体结构

单晶体：金属内部的晶格方位完全一致。

多晶体：多晶粒组成的实际晶体结构。

晶粒：组成多晶体的外形不规则的小晶体。

晶界：晶粒与晶粒间的界面。

组织：指金属的内部形貌。

显微组织：利用金相显微镜所观察到的组织。

亚晶粒：晶粒内存在的、相互间晶格位向差很小的晶块。

亚晶界：亚晶粒之间的界。