2第二章材料的结构

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⑵ 晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元.
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⑶ 晶格常数：晶胞 个边的尺寸 a、b、c. 各棱间的夹角用α、β、 γ表示。 ⑷ 晶系： 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。 立方晶系：a=b=c，α=β=γ=90° 六方晶系：a1=a2=a3≠ c，α=β=90°，γ=120°
、 、
截距值取倒数为0、1、0，加圆括 弧得（010）
z
例二.求截距为2、3 ∝晶面的指数
、
取倒数为1/2、1/3、0, 化为最小整 数加圆括弧得（320）
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例三.画出（112）晶面 取三指数的倒数1、1、1/2, 化成最 小整数为2、2、1，即为X、Y、Z三 坐标轴上的截距
z z
⑵ 晶向指数 表示晶向的符号称晶向指数。其确定步骤为：
⑶ 密排六方晶格
密排六方晶格的参数
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密排六方晶格 晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633 1 原子半径 ：r = 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
BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数 晶胞 BCC FCC HCP 晶体学参数 a=b=c,α=β=γ=90o a=b=c,α=β=γ=90o a=b≠c, c/a=1.633, α=β=90o,γ =120o 原子 晶胞原子 配位 半径 数 数 2 4 8 12 致密 度 68% 74% 74%
z z
① 点缺陷 空间三维尺寸都 很小的缺陷。
z z z
空位 间隙原子 置换原子
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a. 空位：晶格中某些 缺排原子的空结点。 b. 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。
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体心立方的四面体和八面体间隙
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c. 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.
σ
金属晶须
退火态 加工硬化态
(10 -10 /cm )
5 8 2
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(1011-1012/cm2)
ρ
电子显微镜下的位错
透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)
高分辨率电镜下的刃位错 （白点为原子）
电子显微镜下的位错观察
z z
③ 面缺陷—晶界与亚晶界 晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5~10个 原子间距，位向差一般为20~40°。
z z
1、晶体与非晶体 晶体是指原子呈规则排 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。 非晶体是指原子呈无序 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
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晶态
非晶态
SiO2的结构
2、晶格与晶胞
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⑴ 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。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.
化合物
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间隙固溶体都是有限固溶体。
Cu-Zn有限固溶体
z z
④ 固溶体的性能 随溶质含量增加, 固溶体的 强度、硬度增加, 塑性、韧 性下降—固溶强化。
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产生固溶强化的原因是溶质 原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。
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与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、 韧性低。但与金属化合物相比，其硬度要低得 多，而塑性和韧性则要高得多。
z
空位
间隙原子
大置换原子
小置换原子
空位和间隙原子引起的晶格畸变
z z
② 线缺陷—晶体中的位错 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。分刃型位错和螺型位错.
刃型位错
螺型位错
刃位错的形成
刃型位错和 螺型位错
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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。
⑴ 体 心 立 方 晶 格
体心立方晶格
体心立方晶格的参数
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体心立方晶格 晶格常数：a(a=b=c)
3 a 原子半径：r = 4
原子个数：2 配位数： 8 致密度：0.68 常见金属：α-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
z
面心立方晶格 晶格常数：a 2 = a 原子半径 ：r 4 原子个数：4 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等
纯铁组织
z z
z
变形金属晶粒尺寸约1~100μm, 铸造金属可达几mm.
晶粒示意图
铅锭宏观组织
沿晶断口
z z z
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
z z
⑵ 晶体缺陷 晶格的不完整部 位称晶体缺陷。
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实际金属中存在 着大量的晶体缺 陷，按形状可分 三类, 即点、线、 面缺陷。
z z
正离子
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，称为金属键。 金属原子趋向于紧密排列。
价电子云
z z z
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。
三种典型的金属晶体晶胞
a/2
6
12
z z z z
⑷ 三种常见晶格的密排面和密排方向 单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。 单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。 原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。 密排面 体心立方晶格 面心立方晶格 数量 密排方向 数量
{110} {111}
6 4 1
<111> <110>
底面对角线
4 6 3
密排六方晶格 六方底面
z
三种常见晶格的密 排面和密排方向
底面对角线 六方底面
密排六方晶格
面心立方晶格
体心立方晶格
体心立方(110)面
面心立方(111)面
密排六方底面
2、实际金属的晶体结构
z z
⑴ 单晶体与多晶体 单晶体：其内部晶格方位完 全一致的晶体。 多晶体： 晶粒：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。
立方
z
六方
四方 菱方
z z z z z
正交
单斜
三斜
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⑸ 原子半径：晶胞中原子 密度最大方向上相邻原子 间距的一半。
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⑹ 晶胞原子数：一个晶胞 内所包含的原子数目。
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⑺ 配位数: 晶格中与任一原子 距离最近且相等的原子数目.
z
⑻ 致密度：晶胞中原子本身 所占的体积百分数。
3、立方晶系晶面、晶向表示方法
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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，可看作位错壁。
z
位错壁
亚晶粒
大角度和小角度晶界
z z z z z
晶界的特点： 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。
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形成间隙固溶体的一 般规律为r质/r剂<0.59。
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间隙固溶体都是无序 固溶体。
z z z
③ 固溶体的溶解度 溶质原子在固溶体中极限浓度. 溶解度有一定限度的固溶体称 有限固溶体。组成元素无限互 溶的固溶体称无限固溶体。
固溶体
Cu-Ni无限固溶体
z
组成元素原子半径、电化学性 相近，晶格类型相同的置换固 溶体，才可能形成无限固溶体.
单相 合金
z
z
两相 合金
z z
⑴ 固溶体 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固 相称固溶体。用α、β、γ表示.
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与固溶体晶体结构相同的元 素称溶剂。其它元素称溶质. 固溶体是合金的重要组成相, 实际合金多是单相固溶体合 金或以固溶体为基的合金。 按溶质原子所处位置分为置 换固溶体和间隙固溶体。
第二章 材料的结构
z 一、晶体结构的基本概念 z 二、金属的晶体结构
z z z
1、纯金属的晶体结构 2、实际金属的晶体结构 3、合金的晶体结构
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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。
C60
z
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。
一、晶体结构的基本概念
z
找出1、1、0坐标点,连 接原点与该点的直线 即所求晶向。
[110]
说明： ① 在立方晶系中，指 数相同的晶面与晶向 相互垂直。 ② 遇到负指数，“-”号 放在该指数的上方。 ③ 晶向具有方向性， -如[110]与[110]方 向相反。
[110]
Z
[110] (221) [221]
Y X
二、金属的晶体结构
z z
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.
z
位错密度：单位体积内所包 含的位错线总长度。
ρ = S/V(cm/cm3或1/cm2)
z
金属的位错密度为104~1012/cm2
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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。 减少或增加位错密度都可以 提高金属的强度。
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① 确定原点，建 立坐标系，过原 点作所求晶向的 平行线。
z
② 求直线上任一 点的坐标值并按 比例化为互质整 数，加方括弧。 形式为[uvw]。
z
例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、 2，求该直线的晶向指数。
z
将三坐标值化为最小 整数加方括弧得[234].
[234]
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例二、已知晶向指数 为[110], 画出该晶向。
体心立方晶胞bcc 属于此类结构的 金属有：碱金属、 难溶金属（V、Nb、 Ta、Cr、Mo、W）aFe等
面心立方晶胞fcc 密排六方晶胞hcp 属于此类结构的 属于此类结构的 金属的有：Al、贵重 金属有： Mg、Zn、 金属、γ-Fe、Ni、Pb、 a-Be、a-Ti、a-Zr、 Pd、Pt以及奥氏体不 a-Hf、a-Co等。 锈钢等。
z
晶体中各方位上的 原子面称晶面。 各方向上的原子列 称晶向。 ⑴晶面指数 表示晶面的符号称 晶面指数。 其确定步骤为：
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z z
z
z
① 确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个 坐标轴上的截距。 ② 取三个截距值的倒数并按比例化为互质的整数, 加圆括弧，形式为（hkl）。
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z
例一.求截距为∝ 1 ∝晶面的指数
z z
⑵ 金属化合物 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相 同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的 熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。 当合金中出现金属化 合物时，可提高其强 度、硬度和耐磨性， 但降低塑性。 金属化合物也是合金 的重要组成相。
铁碳合金中的Fe3C
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z
1. 晶体物质具有哪些特点？ 2. 三种常见的金属晶体结构是什么？其晶格常数、晶胞 原子数、配位数、原子半径及致密度分别是多少？ 3. 三种常见的金属晶体结构中最密排面和最密排方向分 别是什么？ 4. 实际金属中的晶体缺陷从空间尺度上分为几种？并分 别举例说明。 5. 什么是固溶体？固溶强化的原理是什么？ 6. 何为金属化合物？其性能的特点是什么？ 7. 试述金属中固溶体与金属化合物的机械性能有何特点。 8. 合金中固溶体和金属化合物的晶体结构有何不同？ 9. 什么是组织？组织与性能的关系是什么？
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⑥ 是相变的优先形核部位.
显微组织的显示
变形诱导铁素体相变组织
3、合金的晶体结构
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合金是指由两种或两种 以上元素组成的具有金 属特性的物质。
黄铜
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组成合金的元素可以是 全部是金属，也可是金 属与非金属。
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组成合金的元素相互作 用可形成不同的相。
Al-Cu两相合金
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所谓相是指金属或合金中凡 成分相同、结构相同，并与 其它部分有界面分开的均匀 组成部分。 显微组织实质上是指在显微 镜下观察到的金属中各相或 各晶粒的形态、数量、大小 和分布的组合。 固态合金中的相分为固溶体 和金属化合物两类。
Fe-C间隙固溶体
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Cu-Ni置换固溶体
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z z z
① 置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体. 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的 称有序固溶体。
黄铜置换固溶体组织
z z z
② 间隙固溶体 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非 金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过 渡族元素。