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1、第3章金属材料的结构、结晶与 合金相图 3.1 纯金属的晶体结构和组织 3.2 合金的晶体结构和组织 工程材料 第3章 第 2 页 材料的结构表明材料的组元及其排列和运动方式。 对材料内部结构水平的认识：宏观、微观。 工程材料 第3章 第 3 页 What? “组织结构” 工程材料 第3章 第 4 页 相：凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与 其它部分分开的均匀组成部分。元素不一定单一。 广义的讲 组织结构包括了成分、相、组织、结构等概念。 组织：用肉眼或显微镜观察到的材料的微观形貌，它 可以是单相的，也可以是由一定数量、形态、大小和 分布方式的多种相组成。 工程材料 第3章 第 5 页
2、3.1 纯金属的晶体结构和组织 3.2 合金的晶体结构和组织 工程材料 第3章 第 6 页 3.1 纯金属的晶体结构和组织 3.1.1理想晶体 1.晶体与非晶体 晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则、 周期性排列。 非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液 体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体” 。 (a)、是否具有周期性、对称性； (b)、是否长程有序； (c)、是否有确定的熔点； (d)、是否各向异性。 区 别 石英晶体 石英玻璃 工程材料 第3章 第 7 页 2晶体结构的描述 a.理想晶体实际晶体的理想化 p 三维空间无限延续，无边界； p 严格按周期性规划排列，是完
3、整的、无缺陷； p 原子在其平衡位置静止不动。 晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。 工程材料 第3章 第 8 页 b. 理想晶体的晶体学抽象：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） 工程材料 第3章 第 9 页 3晶胞的描述 晶体学参数：a, b, c, 晶格常数：a, b, c 晶系轴(棱边)之间的夹角 三斜晶系 单斜晶系 斜方晶系 正方晶系 菱方晶系 六方晶系 立方晶系 c X Z Y O b a 七个晶系： 工程材料 第3章 第 10 页 布拉菲空间点阵晶胞 工程材料 第3章 第 11 页 晶向(crystal
4、 direction): 在晶格 中,任意两原子之间的连线所指的方向 。 晶向指数: 用密勒(Miller)指数对 晶格中某一原子排列在空间的位向进 行标定。 确定方法: n设置坐标; n求投影坐标; n取最小整数。 工程材料 第3章 第 12 页 晶向指数的例子 n确定方法: n设置坐标; n求投影坐标; n取最小整数。 工程材料 第3章 第 13 页 晶面(crystal face):在晶格中由 一系列原子所构成的平面称为晶面。 确定方法: n设置坐标; n求截距; n取倒数。 晶面指数(indices of crystallographic plane ):用密勒(Miller)指数对晶
5、格中 某一晶面进行标定。 工程材料 第3章 第 14 页 晶面指数的例子 X Z Y X Z Y X Z Y X Z Y X Z Y X Z Y 正交点阵中一些晶面的面指数 （010） （100） （120） （102） （111） （321） 确定方法: n设置坐标; n求截距; n取倒数。 工程材料 第3章 第 15 页 晶向族 uvw 晶 向 晶向族 :100,010,001 (hkl) 晶 面 hkl 晶面族 111:(111),(111),(111) (111）. X Z Y X Z Y 100 010 001 晶面族 工程材料 第3章 第 16 页 a b c a b c (111
6、) 110 (110) 111 问题：若立方晶系中，同一晶体的晶向指数与 晶面指数相同，则两者之间有什么关系？ 工程材料 第3章 第 17 页 4三种典型的金属晶体晶胞(图) 属于此类结构的 金属有：碱金属、难 溶金属（V、Nb、Ta 、Cr、Mo、W）a-Fe 等。 属于此类结构的金 属的有：Al、 Cu、贵 重金属、-Fe、Ni、 Pb、Pd、Pt以及奥氏 体不锈钢等。 属于此类结构的 金属有： Mg、Zn 、 a-Be、a-Ti、a- Zr、a-Hf、a-Co等 。 体心立方晶胞bcc面心立方晶胞fcc密排六方晶胞hcp 工程材料 第3章 第 18 页 工程材料 第3章 第 19 页 晶
7、胞 晶体学参数 原子半径 晶胞原子数 配位数 致密度 BCC a=b=c,=g=90o ？ ？ (1) 体心立方晶胞BCC Body-Centered Cube 工程材料 第3章 第 20 页 晶胞原子数：是指在一个晶胞中所含的 原子数目。 原子半径：是指晶胞中原子密度最大的 方向上相邻两原子间平衡距离的一半， 或晶胞中相距最近的两个原子间距的一 半。 致密度：是指晶胞中原子本身所占有的 体积百分数，也称密排系数。 致密度=（晶胞中原子所占有的体积/ 晶胞的体积）X100% 配位数：是指晶格中与任一原子最邻近 且等距离的原子数目。 体心立方晶胞：r=sqr(3)a/4 8*1/8+1=2 BC
8、C为8 68% 工程材料 第3章 第 21 页 晶胞 晶体学参数 原子半径 晶胞原子数 配位数 致密度 BCC a=b=c,=g=90o 2 8 68% 属于此类结构的金属 有：碱金属、难溶金属（ V、Nb、Ta、Cr、Mo、W） a-Fe等 体心立方晶胞bcc 工程材料 第3章 第 22 页 (2) 面心立方晶胞FCC- Face-Centered Cube 晶胞 晶体学参数 原子半径 晶胞原子数 配位数 致密度 FCC a=b=c,=g=90o 4 12 74% 工程材料 第3章 第 23 页 FCC刚球模型 属于此类结构的 金属有：Al、Cu、贵 重金属、-Fe、Ni 、Pb、Pd、Pt
9、以及奥 氏体不锈钢等。 工程材料 第3章 第 24 页 (3) 密排六方晶胞HCP -Hexagonal Close-Packed 晶胞 晶体学参数 原子半径 晶胞原子数 配位数 致密度 HCP a=bc, c/a=1.633, =90o,g =120o a/2 6 12 74% 工程材料 第3章 第 25 页 属于此类结构的金 属有： a-Be、a-Ti、 a-Zr、a-Hf、 a-Co、Mg、Zn等。 HCP刚球模型 工程材料 第3章 第 26 页 BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数 晶 胞 晶体学参数 原子半 径 晶胞原 子数 配位 数 致 密 度 BCC a=b=c, =g=90o
10、2 8 68% FCC a=b=c, =g=90o 4 12 74% HCP a=bc, c/a=1.633, =90o,g =120o a/2 6 12 74% 工程材料 第3章 第 27 页 密排面与密排方向 110, 底面, 底面上任意 相邻原子的连线 111, 工程材料 第3章 第 28 页 3.1.2 实际晶体 理想晶体+晶体缺陷实际晶体 实际晶体单晶体和多晶体 单晶体：内部晶格位向完全一致-各向异性 多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成-各向同性 晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离（破 坏）晶格周期性和规则性的部分 。 a、 点缺陷 b、 线缺陷（位错） c、 面缺陷 单晶体 多晶
11、体 工程材料 第3章 第 29 页 1. 点缺陷 晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化。 u空位 (vacancy ) ： 晶格结点处无原子 u置换原子(gap atom ) ： 晶格结点处为其它原子占据 u间隙原子(substitutional atom ) ： 原子占据晶格间隙 空位、间隙原子、置换原子示意图 空位 工程材料 第3章 第 30 页 点缺陷导致晶格畸变 置换原子 引起的晶格畸变 空位引起的晶格畸变 工程材料 第3章 第 31 页 2. 线缺陷( line defect ) 位错( dislocation ) ： 二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排。 u刃型位错( s
12、crew dislocation ) u螺型位错 ( blade dislocation ) 工程材料 第3章 第 32 页 3. 面缺陷( surface-defect ) 一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。 晶界( grain boundary ) :晶粒与晶粒之间的界面 。 亚晶界( sub-boundary ):相邻晶粒位向很小(一般 12)的小角度晶界。 表面（surface）：表面与内部不同。 区域： 大角度晶界-晶界小角度晶界-亚晶界 工程材料 第3章 第 33 页 工程材料 第3章 第 34 页 Cu-Ni 合金中的亚结构 工程材料 第3章 第 35 页 3.1.3晶
13、体中的扩散 扩散原子在晶体中移动距离超过其平均原 子间距的迁移现象。 1、概念 扩散热激活过程（以克服晶格约束） 工程材料 第3章 第 36 页 2影响扩散的因素 (1) 温度 使原子能量提高 （最主要因素） D=Doexp(-Q/RT） Do扩散系数(cm2/s), Q扩散激活能，T为温度。 (2) 晶体结构 致密度小克服的能垒小扩散容易 (3) 表面及晶体缺陷 晶格畸变高能态原子激活能小(体扩散的0.6-0.7) 扩散快100-1000倍 u式中，D0为与振动频率有关的常数（又称频率因子），与 温度无关； u温度提高10-15度，D提高一倍。 工程材料 第3章 第 37 页 3.1.4纯金
14、属的结晶及其组织 1结晶与凝固的区别 凝固：LS S可以是非晶 结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另 一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。 一次结晶：LS晶态 二次结晶：SS晶态 Liquid Solid 工程材料 第3章 第 38 页 2结晶驱动力F0，而不是过冷度T 自然界的自发过程进行的热力学条件都是F0 体系中各种能量的总和叫做内能U，其中可以对外 做功或向外释放的能量叫自由能F，F=U-TS（熵） 过冷度： T=Tm-Tn , F用来克服 界面能 Tm Tm：理论结晶温度 Tn：实际结晶温度 工程材料 第3章 第 39 页 液、固两相的自由能随温度变 化示意图（也可用G
15、表示自由能。） a 当温度TTm时，FsFL, 液相稳定 b 当温度TL+初+（ c+ e)- 初+（ c+ e) - + II+（ +） 工程材料 第3章 第 75 页 L=M+ f g m 工程材料 第3章 第 76 页 相组成物：， 室温下： 组织相对量： 在共晶温度时： 室温下： 初-+ II m m m 工程材料 第3章 第 77 页 亚共晶合金组织 工程材料 第3章 第 78 页 合金IV：（ 过共晶合金）-作业 组织标注相图 IV II II (+ ) 相（%） 组织（%） 工程材料 第3章 第 79 页 3.2.4合金性能与相图的关系 1、合金的使用性能与相图的关系 工程材料 第3章 第 80 页 p 溶质元素晶格畸变大强度、硬度，（50%最大） p 复相组织区域内（如共晶转变范围内），合金的强度和 硬度随成分的变化呈直线关系，大致是两相性能的算术平 均值。HB=HB * % + HB*% p 对组织较敏感的性能强度，与组成相或组织组成物的 形态有很大关系。组成相或组织组成物越细密，强度越高 （共晶点处，共晶组织呈细小、均匀细密的复相组织，强 度可达最高值。） 工程材料 第3章 第
