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1、金 属 学辽宁科技大学高职学院 王疆主要内容：绪论 第一章 金属的晶体结构与性能 第二章 纯金属的结晶和单元相图 第三章 二元合金的相结构与结晶 第四章 铁碳合金相图金 属 学第五章 回复与再结晶 第六章 工业用钢常 识主 要 参 考 书材料结构与性能 李宗全 陈湘明主编 浙江大学出版社（参考：第1、2、9章，材料的结构与性能的关系） 金属学原理 侯增寿 主编 上海科技出版社（参考：二元合金相图部分） 金属材料学王笑天 主编 机械工业出版社 （参考：钢的牌号、微量元素等） 材料科学基础 杜丕一主编 机械工业出版社出版 （参考：第1篇，晶体学部分）认真听课，记好笔记，课下及时复习，弄懂搞明，不可
2、欠账，避免前松后紧，不用功学不好。学习本课程的要求绪 论一. 材料的分类 （classifications ）化学组成分类 components金属材料 无机非金属材料有机高分子材料作用分类类 Function功能材料结结构材料无机非金属材料高分子材料二、材料的发展历程人类历史的发展可用使用材料划分：石器时代石斧、凿、刀、铲、箭头、纺轮、钵等西安半坡遗址早在新石器时代(公元前6000-5000年)，中华民族的 先人们用粘土(主要成分为SiO2，Al2O3)烧制成陶器。陶器时代青铜器时代我国青铜的冶炼在夏朝(公元前2140年始)以前就开始 了，到殷、西周时期已发展到很高的水平。司母戊大鼎湖北江陵
3、楚墓出土越王勾践宝剑中国古代铁器的金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄 铁器时代早在战国时期出现炼钢,早期热处理秦汉时期发达（早欧 洲2千年）。瓷器（高岭土、粘土、瓷石、瓷土）我国在东汉时期发明了瓷器，成为最早生产 瓷器的国家。瓷器是中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。 钢铁在当今的生活和生产中占有重要地位。随着航空、航天、电子、通讯等技术以及机械、 化工、能源等工业的发展，复合材料和纳米材料 的研究和应用引起了人们的重视。第一章 金属的晶体结构与机械性能一.金属的定义 1. 化学中的定义：广义讲：金属是一种与非金属元素发生化学反应时能将其最外层电子让给非金属元素的一种元素。侠义讲：其氧
4、化物、氢氧化物具有碱性，与酸反应能形成盐的元素。 2. 工程中的定义：具有一定金属性能的物质。第一节 金属的概述固态时具有金属光泽和可锻性，具有良好的导电性和导热性等。（一）金属原子的结构特点最外层电子数很少，一般只有12个，多不超过4个；最外层电子与原子核的结合力较弱，易失去电子；（二）金属原子间的结合方式以金属键的方式相结合 外层电子脱落，形成自由电子二. 金属的特性第二节 金属的晶体结构晶体内部原子（分子、离子）在三维空间呈规则的周期性重复排列。非晶体 原子无规则堆积，也称为 “过冷液体” 。一、晶体的基本概念非晶体: 蜂蜡、玻璃等。晶体金刚石、NaCl、冰等 。液体晶体与非晶体有哪些区
5、别 ？七 大 性 质（1）各向异性 （2）固定熔点 （3）稳定性 （4）自限性 （5）对称性 （6）均匀性(均一性) （7）晶面角守恒定律自限性：晶体具有自发地形成封闭的 凸几何多面体外形能力的性质。对称性：指晶体的物理化学性质能够在不同的 方向或位置上有规律地出现，也称周期。均匀性：指晶体在任一部位上都具有相同性质 的特征。各向异性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象.XYZXYZ有确定的熔点熔点晶体非晶体时间温 度晶体和非晶体的熔化曲线原子（离子）的刚球模型原子中心位置二、晶体的结构晶胞点阵（晶格）模型为了研究方便，将原子或原子团（分子或分子团）抽象为 一个点，代表原子的震动中心
6、，这样原子在空间的规则排列， 就成为一系列点在空间的规则排列，称为空间点阵。阵点（结点）晶格晶胞XYZabc晶格常数 a，b，c，从晶格中选取出的有代表性的几何单元， 称为晶胞。整个晶格就是晶胞在 空间重复堆积而成。点阵类型根据晶格常数的不同，法国晶体学家布拉菲用数学方法证 明，空间点阵只能有14种，称为布拉菲点阵。分属7大晶系。序 号点阵类阵类 型 晶系晶族序 号点阵类阵类 型晶系晶族1简单简单 三斜三斜低 级级 晶 族8简单简单 六方六方中 级级 晶 族2简单单简单单 斜单单 斜9菱形 （三角）菱方3底心单单斜10简单简单 四方四方 （正方)4简单简单 正交 正 交11体心四方5底心正交1
7、2简单简单 立方 立方高 级级 晶 族6体心正交13体心立方7面心正交14面心立方底心单斜简单三斜简单单斜简单立方体心立方面心立方简单菱方简单六方简单四方体心四方底心正交简单正交面心正交体心正交密堆原理从球体堆积角度来说，球的堆积密度越 大系统内能就越小球体最紧密堆积原理。等径球体堆积 ABAB型等径球体堆积 ABCABC型不等径球体堆积 大球作紧密堆积，对小球则填充在其空隙 位置中，稍大的填充在八面体空隙中，稍 小的填充四面体空隙中； 对实际晶体，由于负离子半径之比正离子 半径大的多，所以，负离子作紧密堆积， 而正离子填充在四面体和八面体空隙中。 三、三种常见的金属晶体结构（1）体心立方晶格
8、 bcc（2）面心立方晶格 fcc（3）密排六方晶格 hcp（1）体心立方晶格 bcc-Fe（常温铁）、W 、V 、Mo 等体心立方晶格组织材料较硬，抗力较大，不易锻造 体心立方晶胞晶格常数：a=b=c；=90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.68 致密度=Va /Vc， 其中 Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积24r3/3XYZabc2r2raa2体心立方结构中的间隙（2）面心立方晶格 fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等较软，易变形，塑性好。 面心立方晶胞晶格常数：a=b=c；=90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.74 XYZabc密排方向4面心立方结构中的间隙（3）密排六方
9、晶格 hcpC（石墨）、Mg、Zn 等 晶格常数底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90晶胞原子数：6原子半径：a/2致密度：0.74四、金属晶体中的晶面和晶向XYZabc晶面通过原子中心的平面晶向通过原子中心的直线所指的方向XYZabc点阵几何元素表示法（1）坐标系的建立 注意：这种坐标系统，在不同 的晶系中是不同的，即点阵常 数是不同的。如： 立方晶系是一个直角坐标系，=90， a=b=c。 三斜晶系， abc 。 XYZabc（二）阵点位置表示法点阵的阵点位置是以它们的坐标值来表示的。空间中任一阵点P的位 置可以用空间矢量来表示式中， 为从原点到阵点 P的矢量； 分别表
10、 示沿三个点阵矢量的平移量 ，亦即该阵点的坐标。XYZabcAPBC练 习 （三）晶向指数与晶面指数1.晶向指数v 举例说明（米勒（Miller）指数 ）OA 212 OB 111OC 110CA 0 2 A/1-1/2总结：确定晶向指数的一般步骤（1）以晶胞的晶轴为坐标轴建立坐标系，以点阵矢量的长度 （即晶胞边长）作为坐标轴的长度单位。 （2）平移，使晶向从原点O出发。 （3）从0点出发，沿晶向方向取最近一个点，写出坐标（ ） （4）化为最小整数，加上方括号 ，负号记于数字上方。一般情况，对通过任一两点M , N 的 MN晶向符号为 。如上图CA方向的晶向符号确定A点坐标（1 1），C点 坐
11、标（110），则CA晶向符号1-1， - 1 ，1-00 1 0 2。注意：晶向符号不仅代表一根直线方向，而且代表所有平行于这根直线的直线方向。 晶向族的概念：原子排列相同而空间位向不同的所有晶向， 称为晶向族，用表示。如：立方晶系体对角线2. 晶面指数晶面在晶体中的方位可用晶面指数表示。xy2a2b3cm例：当晶面平行某一晶轴，则晶面在该晶轴上截距为，倒数为0 。（1）以晶胞的晶轴为坐标轴建立坐标系，以点阵矢量的长度（即晶胞边长）作为坐标轴的长度单位。 （2）求出待定晶面在坐标轴X、Y、Z上的相应截距。 （3）取截距倒数。 （4）化为没有公约数的最简整数h、k、l，加上（），负号标于数字上方
12、。即晶面指数可以表示为( h k l )。总结：确定晶面指数的一般步骤：六个晶面晶面族的概念：晶面族位向不同而原子排列完全相同的所有晶面，用 hkl 表示。晶面族在高对称度的晶体中比较普遍，如立方晶系中， 某些晶面族包括的等价晶面有：前六个与后六个晶面两两相互平行，共同构成一个十二面体。所以 ，晶面110又称为十二面体的面。前四个晶面和后四个晶面两两平行，共同构成一个八面体，因此 ，晶面族111又称为八面体的面。 注意 晶面指数代表了一组平行等距的晶面。对于非立方晶系，由于晶格参数（对称性）改变，晶面族 所包括的晶面数目就不一样了。例如：正交晶系中，晶面（100）、（010）、和（001） 并
13、 不是等同晶面，不能以100来概括。正交晶系同指数晶向与晶面互相垂直，即（h k l） h k l。例如：（100） 100立方晶系中一些晶面的晶面指数3.六方晶系四轴指数 六方晶系有一六次 旋转轴，为适应为 一特点，通常取四 个轴，这比三个轴 更为方便而准确， 由于选取了四个轴 ，则晶面符号中有 四个指数（h k i l ）(平面三个轴，垂直 一个轴)， i =(h+k)，i指数 并非独立。六方晶系一些晶面的指数c五晶体的对称性1回转对称轴（旋转轴）和旋转（一）宏观对称性当晶体绕一轴旋转而能完全复原时，此轴即为旋转对 称轴，在旋转一周（360）的过程中，晶体能复原几次， 就称为几次回转轴。对
14、称操作：晶体绕轴旋转。符号： Ln ，国际符号 n 。回转对称轴只有五种：以符号1、2、3、4、6来表示。几种旋转轴 符号：m 晶体中可以没有对称面，也可以有若干个， 最多有9个，如立方体：9个。图1.7 立方体的九个对称面2对对称面与反映3对称中心和倒反符号：i 晶体可有对称中心，可没有，但最多只有一个。 图1.8 对称中心abiab4回转反演轴与旋转倒反当晶体绕某一轴旋转一定角度（360/n）,再以轴上的一个中心点作反演之后能得到复原时，此轴称为回转反演轴。 对称操作复合操作，旋转+反伸，先绕一根直线旋转一定角度后，再通过该直线上某一点进行倒反。 回转反演轴也可有1次、2次、3次、4次和6
15、次五种，分别 以符号 来表示。事实上 等于对称中心i， 等于 对称面m。注意： 绕某直线旋转一定角度后，相等部分并未重复，只有经该直 线上一点反伸，才能使晶体相等部分重复。PP5P/P1P2P3P4P/BB/AAOP点绕 回转 180与 点重合 ，再经O点反演而 与 重合，则称 为2次回转反演 轴。 （二）微观对称1) 滑动面与反映平移是一个假想平面，相应对称操作是反映+滑移。晶体 结构中任意部分，先以滑移面为镜面反映，再平行于滑移 面进行平移，使相等部分重合。 111222B/B螺旋轴是一个假想直线，相应对称动作是旋转 + 轴向平移， 晶体中任一部分先绕轴旋转一定角度 后，再沿轴平移一定距离，使相等部分重复。例 ：共有11种螺旋轴：二次轴：21，三次轴：31，32，四次轴：41，42，43，六次轴：61，62，63，64，65。 2) 螺旋轴和旋转平移图1.9 旋转平移至此，把晶体内部构造的所有对称要素归纳如下： 回转对称轴：1、2
