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1、SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识 本章提要本章提要1 1、学习目的和要求、学习目的和要求 通过本章的学习，掌握有关晶体结构的基本知识，晶体缺陷的通过本章的学习，掌握有关晶体结构的基本知识，晶体缺陷的种类和特点，金属结晶的基本规律以及合金相图的分析与应用。种类和特点，金属结晶的基本规律以及合金相图的分析与应用。2 2、课程内容、课程内容（1 1）纯金属的晶体结构与结晶；）纯金属的晶体结构与结晶；（2 2）合金的晶体结构及结晶；）合金的晶体结构及结晶；（3 3）铁碳合金。）铁碳合金。 SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第一节
2、 金属的晶体结构第二节 合金的相结构第三节 纯金属的结晶第四节 合金的结晶第五节 铁-碳合金相图SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构一、晶体与非晶体晶体：凡内部原子呈规则排列的物质称为晶体。非晶体：凡内部原子无规则排列的物质称为非晶体。晶体与非晶体的区别内部原子的排列是否有规则；晶体有固定的熔点，而非晶体没有固定的熔点；晶体具有各向异性，而非晶体呈各向同性。晶体非晶体SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构二、金属的晶体结构二、金属的晶体结构1.1
3、.金属晶体结构的基本概念金属晶体结构的基本概念SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构二、金属的晶体结构1.金属晶体结构的基本概念晶格假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。晶胞能反映晶格特征的最小组成单元。晶格常数晶胞的三个棱边的长度a,b,cSDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识立方立方四方四方正交正交六方六方单斜单斜三斜三斜三角三角SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构二、金属的晶体结构二、金属的
4、晶体结构2.2.三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构二、金属的晶体结构二、金属的晶体结构2.2.三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构晶体结构特征（1）晶格尺寸：可用晶格常数表达（2）晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目（3）原子半径：晶胞中原子密度最大的方向上相邻的两个原子之间平衡距离的一半（4）配位数：晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目。（5）致密度：晶胞中原子本身所占有的体积与该晶胞体积之比的百分数SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章
5、 金属材料的基础知识第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构二、金属的晶体结构2.典型的晶体结构体心立方晶格晶格常数：a(a=b=c)原子半径：体心立方晶格原子个数：2配位数：8致密度：0.68常见金属：钼（Mo）、钨、钒、铬、铌、-Fe等SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构二、金属的晶体结构2.典型的晶体结构面心立方晶格晶格常数：a(a=b=c)原子个数：4配位数：12致密度：0.74常见金属： -Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag、Pt等原子半径：面心立方晶格SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金
6、属材料的基础知识第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构二、金属的晶体结构2.典型的晶体结构密排六方晶格晶格常数：底面边长a，底面间距c， c/a=1.633原子个数：6配位数：12致密度：0.74常见金属： Be、Mg、Zn、Cd、-Ti等原子半径：a/2密排六方晶格SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识r四=0.29 r原子r八=0.15 r原子SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识r四=0.225 r原子r八=0.414 r原子SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识r四=0.225 r原子r
7、八=0.414 r原子SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构二、金属的晶体结构3.金属晶体中晶面指数、晶向指数晶面指数：在晶体学中，通过晶体中心的平面叫做晶面。晶面指数确定步骤(1)以晶胞的某一阵点O为原点，过原点O的晶轴为坐标轴x,y,z，以晶胞点阵矢量的长度a,b,c作为坐标轴的长度单位。(2) 求出待标晶面在坐标轴上的截距。(3) 取截距的倒数 1/x，1/y，1/z。将这些倒数化成最简整数比：1/x，1/y，1/z。(4) 将h，k，l 置于圆括号内，写成（h k l),则（h k l）就是待标晶面的晶面指数。晶
8、面指数的确定SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构二、金属的晶体结构3.金属晶体中晶面指数、晶向指数 关于晶面指数的几点说明1、晶面指数并不特指某一个晶面，而是代表着与该晶面平行的所有晶面；2、待定晶面不要通过坐标轴原点，否则会出现截距为零的情况；3、一个面和它的负面是等同的，是可以通用的；4、原子排列完全相同但不平行的晶面成为晶面族。SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构二、金属的晶体结构3.金属晶体中晶面指数、晶向指数晶向：通过原子中心的直线晶
9、向指数确定步骤(1)在点阵中设定参考坐标系，设置方法与确定晶面指数时相同。(2) 选取该晶向上原点以外的任一点P(x，y，z)。(3) 将x，y，z化成最简整数比u，v，w且uvw =xyz。 。(4) 将 u，v，w 三数置于方括号内就得 到晶向指数u v w 。 晶向指数的确定SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构二、金属的晶体结构3.金属晶体中晶面指数、晶向指数 关于晶向指数的几点说明1、晶向指数也不特指某一个晶向，而是表示所有相互平行、方向一致的晶向；2、晶体中原子密度相同而空间位向不同的各组晶向可归并为一个晶向
10、族；、对于立方晶体，相同指数的面和方向是垂直的；、晶向的其它求法。SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识本章练习本章练习1 11、在常温下，已知铁的原子直径d=0.254nm，求铁的晶格常数,每立方厘米大约有多少个原子。2、画出下列晶面指数或晶向指数：（234），（120），（112），2103、画出体心立方和面心立方晶体中原子排列最密的晶面和晶向，写出它们的晶面和晶向指数并求出单位面积及单位长度上的原子数。4、立方晶系中，下列晶面、晶向表示方法是否正确？不正确的请改正。（1，-1，2） （1
11、/2，1，1/3） -1，1.5，2 121SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识密排面和密排方向密排面和密排方向单位面积晶面上的原子数称单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称原子密度最大的晶面或晶向称密排面密排面或或密排方向密排方向。 三种常见晶格的密排面和密排方向为：三种常见晶格的密排面和密排方向为：密排面密排面数量数量密排方向密排方向数量数量体心立方晶格体心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底
12、面1底面对角线底面对角线3本章练习本章练习1 1补充说明补充说明SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构理想晶体+晶体缺陷实际晶体(1)点缺陷三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。形成成因原子去向影响因素对性能的影响SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SD
13、USTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构(2)线缺陷二维尺度很小，另一维尺度很大的缺陷。刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工
14、程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构(3)面缺陷二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。晶界晶界 亚晶界亚晶界SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSD
15、UST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第二节第二节 合金的相结构合金的相结构一、基本概念合金：合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的金属材料。合金系：由若干给定组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，构成一个合金系统，简称合金系。组元：组成合金的最基本的、独立的物质。相：是指合金中成分、结构均相同的组成部分，相与相之间有明显的界面组织：用金相观察方法，在金属及合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小、方向、形状、排列状况等组成关系的构造情况。SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识（1）不同的组元可以组成不同的相，相同的组元也可以
16、组成不同不同的组元可以组成不同的相，相同的组元也可以组成不同的相。的相。（2）对于不同的合金可能具有不同类型的相，也可能具有相同类）对于不同的合金可能具有不同类型的相，也可能具有相同类型的相，同一合金在不同条件下可能具有不同的相。型的相，同一合金在不同条件下可能具有不同的相。（3）固态合金可以是仅由一种固相组成的单相合金，也可以是由）固态合金可以是仅由一种固相组成的单相合金，也可以是由几种不同固相组成的多相合金。几种不同固相组成的多相合金。（4）在有些情况下，金属的组织名称相同，组成相也相同，但晶）在有些情况下，金属的组织名称相同，组成相也相同，但晶粒形状、大小不同，则它们的性能也不相同。粒形
17、状、大小不同，则它们的性能也不相同。SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第二节第二节 合金的相结构合金的相结构一、合金的相结构1.固溶体 固溶体是指溶质原子溶入溶剂中形成的均一的结晶相。与某一组元晶格与某一组元晶格结构相同。结构相同。 按溶质原子的位置可分为：置换固溶体间隙固溶体溶剂原子溶质原子SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第二节第二节 合金的相结构合金的相结构一、合金的相结构1.固溶体（1）间隙固溶体的形成：通常仅由比溶剂原子显著小得多的并且在尺寸上与它所占据的间隙位置相当的溶质原子组成。（2）置换固溶体的形成：Hum
18、e-RotheryHume-Rothery 为了能在比较大的成分范围形成置换固溶体，必须遵守如下条件： 两类原子的电负性必须相当 溶质和溶剂的尺寸差别必须不大于15% 两类原子的价必须相似 两类原子的结构必须是一样的。 SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第二节第二节 合金的相结构合金的相结构一、合金的相结构1.固溶体置换固溶体的形成：Hume-RotheryHume-Rothery例：例：Cu-NiCu-Ni电负性：电负性：CuCu为为1.901.90，NiNi为为1.911.91尺寸差别：尺寸差别：2.4%2.4%化合价：化合价：CuCu为为+1+1或或+
19、2+2，NiNi为为+2+2原子的结构：同为面心立方晶格原子的结构：同为面心立方晶格 Cu-ZnCu-Zn电负性：电负性：CuCu为为1.901.90，ZnZn为为1.651.65尺寸差别：尺寸差别：4.3%4.3%化合价：化合价：CuCu为为+1+1或或+2+2，ZnZn为为+2+2原子的结构：原子的结构：CuCu为面心立方为面心立方 ZnZn为密排六方为密排六方 SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第二节第二节 合金的相结构合金的相结构一、合金的相结构1.固溶体 按分布有序度可分为：按溶解度可分为：有限固溶体和无限固溶体溶剂原子溶质原子无序固溶体有序固溶体
20、SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第二节第二节 合金的相结构合金的相结构一、合金的相结构1.固溶体 固溶体的性能 当溶质元素含量很少时，固溶体性能与溶剂金属性能基本相同。但随溶质元素含量的增多，会使金属的强度和硬度升高，而塑性和韧性有所下降，这种现象称为固溶强化。置换固溶体和间隙固溶体都会产生固溶强化现象。 适当控制溶质含量，可明显提高强度和硬度，同时仍能保证足够高的塑性和韧性，所以说固溶体一般具有较好的综合力学性能。因此要求有综合力学性能的结构材料，几乎都以固溶体作为基本相。这就是固溶强化成为一种重要强化方法，在工业生产中得以广泛应用的原因。 SDUSTS
21、DUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第二节第二节 合金的相结构合金的相结构一、合金的相结构2.金属化合物 合金组元相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物。金属化合物的组成一般可用化学式表示。金属化合物的晶格类型不同于任一组元，一般具有复杂的晶格结构。其性能特点是熔点高、硬度高、脆性大。当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韧性会降低。 根据合金中金属化合物相结构的性质和特点，可大致划分为正常价化合物、电子化合物及间隙化合物三类。 SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第二节 合金的相结构一、合金的相结构
22、2.金属化合物 正常价化合物符合正常原子价规律，如Mg2Sn、 BeS、 ZnS、 A1P、 ZnSe、CaF2等。有一定的成分，可用化学分子式表示，如Mg2Si。一般表示为AB、AB2(A2B)。 有独特的晶体结构，一般与离子化合物NaCl和CaF2结构相同。 由周期表上相距较远、电负性差值较大的元素组成。 SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识CaF2NaClSDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第二节 合金的相结构一、合金的相结构2.金属化合物 电子化合物不遵守一般的化合价规律但符合于一定电子浓度（价电子数与原子数目之比值）
23、的化合物。 Cu5Zn8、Cu31Sn8、 CuZn3 、Cu8Sn等Cu5Sn，CuZn C21/14时，多为体心立方结构，称为相Cu31Sn8，Cu5Zn8 C21/13时，复杂立方结构，称为相 Cu3Sn、 CuZn3 C7/421/12时，密排立方结构，称为相SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第二节 合金的相结构一、合金的相结构2.金属化合物 间隙化合物由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。VCVC渗碳体SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识分类 简单间隙化合物 复杂间隙化合物原子尺寸r非/r金0.
24、59晶体结构具有简单(常见的)晶体结构(如VC)具有复杂晶体结构(如Fe3C)实例WC、VCFe3C、Cr23C6特点具有高熔点、高硬度WC 2 867 HV 1 730Fe3C 1 227 HV 1 000应用高熔点合金中的重要组成相；制造硬质合金等铁碳合金中的重要组成相SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识 材料的整体性能取决于材料的整体性能取决于 存在相的数目存在相的数目 存在相的成分存在相的成分 存在相的相对含量存在
25、相的相对含量 存在相的结构存在相的结构 存在相的尺寸和空间分布存在相的尺寸和空间分布SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识本章练习本章练习2 21、能提高金属材料强度、硬度的同时，又不明显降低其塑性、韧性的强化方法是：（ ）。2、固溶体的强度和硬度比溶剂的强度和硬度（ ）。3、平衡结晶获得的20%Ni的Cu-Ni合金与40%Ni的Cu-Ni合金相比谁的硬度和强度高？。4、复杂间隙化合物、间隙相、间隙固溶体的区别？SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第三节 纯金属的结晶一、基本概念结晶的定义气体结构 液体结构 固体结构SDUSTS
26、DUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识近程有序近程有序第三节 纯金属的结晶一、基本概念结晶的定义：1）从状态看：结晶通常是指金属自液态向固态过渡时晶体形成的过程，称为“一次结晶”。金属从一种固体晶态过渡为另一种固体晶态的转变称为“二次结晶”2）从金属学观点：结晶则是指物质的原子从近程有序过渡到远程有序结构的过程。SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第三节 纯金属的结晶二、金属的冷却曲线和过冷现象金属的结晶温度可用热分析等实验方法来测定。 热分析装置示意图热分析装置示意图
27、热分析装置实物图热分析装置实物图SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识 冷却速度越快，实际结晶温度越低，过冷度就越大。过冷是纯金属结晶的必要条件。第三节 纯金属的结晶二、金属的冷却曲线和过冷现象过冷指液态金属实际冷却到结晶 温度以下而暂不结晶的现象。过冷度理论结晶温度和实际结晶温度之差。 SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第三节 纯金属的结晶三、纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程随着凝固温度的下降，经历以下阶段：1)晶核的生成（自发形核、非自发形核）2)晶核的长大（平面长大、树枝状长大）金属结晶过程示意图金属结晶过程示意图SDU
28、STSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第三节 纯金属的结晶三、纯金属的结晶过程SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第三节 纯金属的结晶三、纯金属的结晶过程长大方式：平面长大SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第三节 纯金属的结晶三、纯金属的结晶过程长大方式：树枝状长大SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第三节 纯金属的结晶三、纯金属的结晶过程长大方式：固液界面结构光滑界面 粗糙界面SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUS
29、T机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第三节 纯金属的结晶晶粒大小对性能的影响：在常温下的细晶粒金属比粗晶粒金属具有较高的强度、塑性和韧性。晶粒平均直径/mb/MPa()9716828.87018430.62521539.52.026848.81.627050.7128450纯铁的晶粒大小对力学性能的影响SDUSTSDUST机械工程材料机械工程材料第二章 金属材料的基础知识第三节 纯金属的结晶细晶强化：工业上将通过细化晶粒以提高材料强度的方法成为细晶强化。细晶强化有以下方法：（1）增加过冷度（2）变质处理 在液态金属中加入孕育剂或变质剂作为非自发晶核的核心，以细化晶粒和改善组织。（3）振动与搅拌 机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。铸铸造造
