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1、主讲人：田 妮 东北大学材料研究所*1阐述金属材料的化学成分、微观组织结构与宏观力学性能 三者之间的关系和变化规律的科学。 通过本课程的学习，达到能够运用金属学、热处理原理和 金属材料的基本理论知识，认识与分析本专业课程中所遇到的 有关问题； 掌握和运用金属材料及热处理知识，能合理而经济地选用 金属材料及提出合理的热处理工艺方案等。Date2第一章 金属与合金的晶体结构Date3金属材料的化学成分不同，其性能也不同。 对于同一种成分的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料内部的组织结构，也可以使性能发生极大的变化。可见，除化学成分外，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。
2、金属和合金在固态下通常都是晶体，要了解金属及合金的内部结构，首先应了解晶体的结构，其中包括： 晶体中原子是如何相互作用并结合起来的； 原子的排列方式和分布规律； 各种晶体结构的特点及差异等。Date4金属的传统定义：良好导电性、导热性、延展性（塑性）和金属光泽的物质。但锑延展性不好；铈和镨导电性还不如非金属（如石墨）。由性能确定，不具有共性，没揭示金属与非金属的本质区别。1.1 金属严格定义：具有正的电阻温度系数的物质，非金属的电阻都随温度升高而下降。由原子结构和原子间的结合方式确定。 Date5金属的最外层电子数很少（13），外层电子与原子核的结合力弱，容易脱离原子核的束缚而变成自由电子；原
3、子成为正离子，将这些元素称为正电性元素。过渡族金属元素的核外电子先填充次外层再填充最外层电子，很容易失去，化合价可变。结合力特强，表现为熔点、强度高。1、 金属原子的结构特点原子(10-10m、 = 10-1nm)= 带正电的原子核(质子+中子) （10-14m）+ 带负电的按能级排布核外电子(最外层与次外层为价电子) 。非金属外层电子数较多，最多7个，最少4个，易获得电子，原子成为负离子，故非金属元素又称为负电性元素。可见原子外层参与结合的电子数决定着结合键的本质，对化学性能、强度等特性有重要影响。 Date62、 金属键处于集聚状态的金属原子 将价电子贡献出来，为整个原 子集体所共有，形成
4、电子云。贡献出价电子的原子，变 成正离子，沉浸于电子云中， 依靠运动于其间的公有化自由 电子的静电作用而结合形成 金属键没有饱和性和方向性 。 中性原子正离子电子云用金属键的特点解释金属特性导电性 自由电子在电 场作用下定向移动形成电流 ；导热性 自由电子的运 动和正离子振动；正电阻温度系数 正离 子或原子的振幅随温度的升高 增大，可阻碍电子通过，使电 阻升高；金属光泽 电子跃迁吸 收或放出可见光；延展性 无饱和性和方 向性。 Date7共价键相邻原子共用其外部价电子，形成稳定的电子满壳层。金刚石中的碳原子间即为共价键。离子键正电性元素与负电性元素相遇时，电子一失一得，各自成为正、负离子，正、
5、负离子间靠静电作用结合而成。NaClDate83、 结合力与结合能（双原子作用模型图解）原子间结合力是由自由电子与金属正离子间的引力（长程力），以及正离子间、电子间的排斥力（短程力）合成的。当两原子间距较大，引力斥力，两原子自动靠近；当两原子自动靠近，使电子层发生重叠时，斥力；直到两原子间距为d0时，引力斥力。任何对平衡位置d0的偏离，都将受到一个力的作用，促使其回到平衡位置。原子间最大结合力不是出现在平衡位置d0而是在dc位置，最大结合力与金属的理论抗拉强度相对应。结合能是吸引能和排斥能的代数和。当原子处于平衡距离d0时，其结合能达到最低值，此时原子的势能最低、最稳定。任何对d0的偏离，都会
6、使原子势能增加，使原子处于不稳定状态，原子就有力图回到低能状态，即恢复到平衡距离的倾向。Date91.2 金属的晶体结构1、晶体的特性:天然晶体(宝石) 规则外型 金属一般无规则外型 晶体 原子在三维空间按照一定的规律周期性的重复排列。 具有固定的熔点、各向异性。不同方向上的性能，表现出差异，称为各向异性。非晶体 内部原子杂乱无章，至多有局部或短程规则排列。无固定熔点、各向同性。一定条件晶体非晶体 ，玻璃高温长时间保温，非晶体晶态玻璃 ；液态金属急快冷却(冷速107s) ，可形成非晶态金属。性能发生显著变化。用双原子模型解释形成晶体的原因： 原子之间保持一定的平衡距离； 原子周围要保持尽可能多
7、的近邻原子。Date10晶体结构： 指晶体中原子（或离子、分子、原子集团）的具体排列情况，也就是晶体中的质点（也叫基元，可以是原子、离子、分子或者原子集团）在三维空间中有规律的周期性重复排列方式。原子堆垛模型：假定晶体中的物质质点都是固定的刚球，晶体由刚球堆垛而成。优点：直观、立体感强；缺点：很难看清内部原子排列的规律和特点。2、晶体结构与空间点阵Date11阵点有规则地周期性重复排列所形成的空间几何图形。人为地将阵点用直线连接起来形成空间格子，称空间点阵，简称点阵或晶格。 为清楚地表明原子在空间的排列规律性，常将构成晶体的实际质点忽略，而将它们抽象为纯粹的几何点，称为阵点或结点。晶格空间点阵
8、：Date12同一点阵，可因阵胞选择方式不 同，得到不同的阵胞。 晶胞选取应满足下列条件:(1)晶胞几何形状充分反 映点阵对称性。(2)平行六面体内相等的 棱和角数目最多。(3)当棱间呈直角时，直 角数目应最多。(4)满足上述条件，晶胞 体积应最小。晶胞 能够完全反映阵点排列规律的最小几何单元。 晶胞 晶格大小、形状 棱边长度: a、b、c 棱边夹角: 、表示。Y XZDate13简单三斜底心单斜简单单斜底心正交体心正交面心正交简单正交3、三种典型晶体结构根据晶格常数与夹角关系空间点阵分为14种布拉菲格子 90 90 90Date14简单四方体心四方简单三方简单立方面心立方体心立方六方 90a
9、a2a3=90 =120= = 90= =90Date15a=b=c、=90，构成立方体；晶胞的8个角顶各有1个原子，立方体的中心有1个原子。体心立方结构的金属有：-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W等。体心立方晶格(body-centered cube, bcc)原 子 数：n=81812原子半径：配 位 数：指晶体结构中，与任一个原子最近邻、等距离的原子数目。 bcc配位数：8致密度：原子排列的紧密程度。晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比，用下式表示：Date16面 心 立方晶格(face-centered cube, fcc)晶胞的8个角顶各有1个原子，构成立方体，立方体6个面的中心各有1个原
10、子。面心立方结构的金属有：-Fe、Cu、Ni、Al、Ag等。原 子 数：n=8186124原子半径： 致 密 度：配 位 数：4312Date17密排六方晶格(hexagonal close-packed, hcp)晶胞的12 个角顶各有1个原子，构成六方柱体，上、下底面中心各有1个原子，晶胞内还有3个原子。有：Zn、Mg、-Ti、-Co、Cd等。原 子 数：n=1216212+36晶格常数有两个，上下底面间的距离c与正六边形边长a，比值c/a称为轴比。典型密排六方晶格的轴比为1.633，实际轴比往往偏离这一数值，大约在1.571.64之间波动。原子半径：配 位 数：12 、 6+6致 密 度
11、：Date18大小相同的圆球在二维的最密排方式，称为六方最密排面。每个球的周围有六个间隙，可分为B、C两组，每组分别构成一等边三角形。密堆结构中的某一层密排面由中 心 在A的原子构成，第二层密排面的原子中 心 可放在间隙B上，也可放在间隙C上，第三层有两种方式，由于空间的限制，只能取一种方案。晶体中的原子堆垛方式和间隙对各类晶体分析表明；配位数最大为12，致密度最高为0.74 。为何会出现fcc和hcp不同的晶体结构？Date19如密排面的堆垛次序为ABAB，得到hcp结构。如密排面的堆垛次序为ABCABC，得到fcc结构。Date20A AA AA AB BB BB BC CC CC CDa
12、te21立方次密排面：在体心立方晶胞中，原子排列较为紧密的面相当于连接晶胞立方体的两个斜对角线所组成的面，在该面上，除了位于体心的原子与位于顶角的原子相切外，顶角的原子彼此间并不相互接触；原子面的空隙由四个互不接触的原子组成，原子排列的紧密程度较差。在三维方向上，第二层次密排面（B层）坐落在第一层（A层）的空隙中心上，第三层的原子位于第二层的原子空隙处，并与第一层的原子中心相重复，依次类推。因而堆垛次序为ABAB，得到体心立方结构。Date22六个原子的中心构成了正八面体的顶角，六个原子之间就形成一个八面体间隙。晶体中的间隙在密堆结构中，四个原子的中心构成了正四面体的顶角，四个原子之间就形成一
13、个四面体间隙。Date23fcc：两种间隙，正八面体原子至间隙中心 的 距离为a/2，原子半径为正四面体，原子至间隙中 心 的距离为0.08a0.146a数量：4 数量：8金属原子 八面体间隙金属原子 四面体间隙间隙半径为：间隙半径为：Date24bcc：不是密堆积结构，但也有两类间隙， 扁八面体间隙:角顶至间隙中心的距离较远为上下原子至间隙中心 的距离较近为a/2，原子半径为非正四面体间隙:原子至间隙中心的距离为数量：6数量：12金属原子 八面体间隙金属原子 四面体间隙间隙半径：间隙半径：Date25hcp：与面心立方晶格完全相似，当原子半径相等时（轴比为1.633时），间隙大小完全相等，只
14、是间隙中心在晶胞中的位置不同。数量：6数量：12 金属原子 四面体间隙金属原子 八面体间隙Date264、晶向指数和晶面指数晶体中，由一系列原子所组成的平面称晶面，任意两个原子之间的连线所指的方向称晶向。为便于研究和表述不同晶面和晶向原子的排列情况和空间取向，需统一表示方法。晶向指数 确定步骤： 以晶胞三棱边为坐标轴x、y、z，以棱边长度为坐标轴的长度单位； 从坐标原点引一有向直线平行于待定晶向； 在这条直线上取一适当结点，并求出此点的位置坐标； 将三坐标值化为最简整数，写入方括号内，如u v w。原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族，用尖括号表示，如u v w。 如坐标值为负值，则
15、相应数字之上冠以负号。Date27111Date28晶面指数确定步骤： 以晶胞三棱边为参考坐标轴x、y、z，原点应位于待定晶面之外，以免出现零截距。 以各晶轴点阵常数为度量单位，求出晶面与三个晶轴的截距。 取各截距的倒数，化为最简整数比，放在圆括号内，如(h k l )。如截距为负值，则相应数字之上冠以负号。XZY (111)XZY (112)XZY (110)YXZ(100)Date29原子排列相同，但空间位向不同的所有晶面称为晶面族，用大括号表示，如 h k l 。110晶面族中的晶面组Date30111晶面族中的晶面组Date31linear indicesBCCFCCatomic arrangementlinear densityatomic arrangementlinear densityFCC和BCC晶格典型晶向的线密度Date32pla
