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1、第二章第二章 金属材料金属材料上节回顾上节回顾原子间的键合离子键离子键共价键共价键金属键金属键范德瓦尔斯键范德瓦尔斯键氢键氢键晶体学基础空间点阵空间点阵晶胞晶胞晶系晶系布拉菲点阵布拉菲点阵空间点阵与晶体结构空间点阵与晶体结构2.2.3 纯金属的晶体结构金属晶体中的结合键为金属键，由于金属键无饱和性、无方向性，所以大多数金属晶体都是具有紧密排列、对称性高的简单晶体结构。1. 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构体心立方结构体心立方结构 （BCC）面心立方结构面心立方结构（FCC）密排六方结构密排六方结构 （HCP）面心立方（面心立方（FCCFCC或或A1A1）的晶胞与刚球模型）的晶胞与刚
2、球模型 Al、Cu、Au、Ag、Pt、Pb、-Fe体心立方（体心立方（BCCBCC或或A2A2）晶胞与刚球模型）晶胞与刚球模型 W、V、-Ti、-Fe、K六方密堆积结构六方密堆积结构(hcp或或A3) Mg、Zn、Cd、Ag、-Be、-Ti、（1）晶胞中的原子数）晶胞中的原子数（2）点阵常数与原子半径的关系）点阵常数与原子半径的关系（3）配位数和致密度）配位数和致密度（4）晶体结构中的间隙）晶体结构中的间隙顶点占顶点占1/8棱占棱占1/4面心占面心占1/2体心占体心占1（1）晶胞中的原子数）晶胞中的原子数面心立方结构：n=81/8+61/2=4体心立方结构：n=81/8+1=3密排六方结构：n
3、=121/6+21/2+3=6（2）点阵常数与原子半径的关系）点阵常数与原子半径的关系点阵常数：晶胞的棱边长度（a,b,c）不同金属不同金属可以有相同的点阵类型相同的点阵类型，但却具有各不相同的点阵常数不相同的点阵常数，且随温度不同而变化随温度不同而变化面心立方结构（a=b=c ）体心立方结构（a=b=c ）密排六方结构（a=bc ）点阵常数用a和c来表示，轴比：c/a=1.633，a=2r（原子看做等径钢球）轴比：c/a1.633，（a2/3+c2/4）1/3=2r（3）配位数和致密度）配位数和致密度定量地表示原子排列的紧密程度配位数配位数：晶体结构中任一原子周围最近邻且等 距离的原子数致密
4、度致密度：晶体结构中原子体积占总体积的百分数。 晶胞中原子体积与晶胞体积之比值。K=nv/V（4）晶体结构中的间隙）晶体结构中的间隙面心立方晶体结构的间隙体心立方晶体结构的间隙密排六方晶体结构的间隙2. 金属的多晶型性金属的多晶型性纯铁加热时的膨胀曲线2.3 晶体结构的缺陷晶体结构的缺陷 晶体在定义上有序是完美无缺的，但实际晶体中晶体在定义上有序是完美无缺的，但实际晶体中存在各式各样的缺陷（原子水平的，有的则是较大存在各式各样的缺陷（原子水平的，有的则是较大尺寸）。尺寸）。 原子水平的缺陷对聚合物材料没有什么影响，但原子水平的缺陷对聚合物材料没有什么影响，但对金属或陶瓷的性质和性能就会有很大影
5、响。缺陷的对金属或陶瓷的性质和性能就会有很大影响。缺陷的影响既有正面的也有负面的，利用和控制晶体中的缺影响既有正面的也有负面的，利用和控制晶体中的缺陷，可以对材料进行增强，提高材料的流动加工性。陷，可以对材料进行增强，提高材料的流动加工性。有时甚至可以人为引入一些缺陷，赋予材料更高的导有时甚至可以人为引入一些缺陷，赋予材料更高的导电性、更强的磁性等。所以电性、更强的磁性等。所以“缺陷缺陷”并不一定是贬义并不一定是贬义的，它有许多值得利用的价值。的，它有许多值得利用的价值。 点缺陷：点缺陷：其特征是在三维空间的各个方向上其特征是在三维空间的各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺尺寸都
6、很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，故称为零维缺陷，如：度，故称为零维缺陷，如：空穴、间隙原子、空穴、间隙原子、杂质或溶质原子杂质或溶质原子等等线缺陷：线缺陷：其特征是在三维两个方向上尺寸都其特征是在三维两个方向上尺寸都很小，另外一个方向上的尺度相对很长，故也很小，另外一个方向上的尺度相对很长，故也称一维缺陷，如：称一维缺陷，如：位错位错面缺陷：面缺陷：其特征是在三维空间一个方向上尺其特征是在三维空间一个方向上尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很大，故称为寸很小，另外两个方向上的尺寸很大，故称为二维缺陷，如：二维缺陷，如：晶界、相界晶界、相界等等 材料在加工过程加工过程中得到能量产生空穴，或人为
7、人为导入杂质导入杂质，或人为制造合金人为制造合金时就会产生各类点缺陷，正常的晶体位置缺少原子就称为空穴空穴。材料在结晶过程结晶过程中，加热时或受到辐射加热时或受到辐射作用时都会产生空穴。室温下空穴数目很少，但随着温度升高而增多。 当有外来原子占据正常晶格点中间的间隙位置时，就构成间隙缺陷间隙缺陷。虽然间隙原子比晶格上的原子小得多，但仍比间隙尺寸要大。结果使周围的原子受到挤压而变形。间隙原子有时是有时是杂质，有时是人为导入的。如将碳原子导入铁杂质，有时是人为导入的。如将碳原子导入铁的晶格以形成钢的晶格以形成钢。这种间隙缺陷一旦引入，数目就是固定的，不会因温度变化而改变。1. 点缺陷点缺陷点缺陷点
8、缺陷(a)(a)空穴；空穴；(b)(b)间隙原子；间隙原子；(c)(c)小取代原子；小取代原子；(d)(d)大取代原子；大取代原子；(e)Frenkel(e)Frenkel缺陷；缺陷；(f)Schttky(f)Schttky缺陷缺陷 线缺陷就是晶体中的位错。按严格的几何意义，位线缺陷就是晶体中的位错。按严格的几何意义，位错是直径约错是直径约5个原子的柱状缺陷，在晶体中以各种个原子的柱状缺陷，在晶体中以各种方向延伸，不一定是直线。位错在金属材料中大量方向延伸，不一定是直线。位错在金属材料中大量存在，在自然生长的金属单晶中，每单位平方厘米存在，在自然生长的金属单晶中，每单位平方厘米的面积就有的面积
9、就有106个位错穿过。个位错穿过。 螺旋位错螺旋位错2. 线缺陷线缺陷 晶粒的边界与相的边界构成面缺陷。晶粒生长时晶粒的边界与相的边界构成面缺陷。晶粒生长时相遇的面就是晶粒的边界。尽管晶体的结构相同，但相遇的面就是晶粒的边界。尽管晶体的结构相同，但原子平面的取向可以不同，所以在晶体界面上的原子原子平面的取向可以不同，所以在晶体界面上的原子可能不属于任何一方。可能不属于任何一方。 (a) 小角晶粒边界小角晶粒边界 (b) 双层边界双层边界 3. 面缺陷面缺陷2.4 金属材料的形变金属材料的形变1.金属形变基础金属形变基础2.塑性形变对金属材料组织和性能的影响塑性形变对金属材料组织和性能的影响 弹
10、性形变弹性形变塑性形变塑性形变（均匀的）（均匀的）断裂断裂加工硬化或冷变形强化加工硬化或冷变形强化应力-应变曲线1.金属形变基础金属形变基础1.塑性形变对金属材料组织和性能的影响塑性形变对金属材料组织和性能的影响 （1）冷形变金属的组织金属材料经塑性形变后，组织结构会发生明显的变化。除了每个晶粒内部出现大量的滑移带或孪晶带外，还会出现新的亚晶，各种结构缺陷（如位错、空位、间隙原子、层错）的浓度也升高。随着形变量的增加，原来的等轴晶粒将逐渐沿其变形方向伸长。当形变量很大时，晶界变得模糊不清，晶粒以难以分辨并沿材料流变伸展的方向呈现纤维状，称为纤维组织。这种纤维组织沿其形变方向强度、硬度增加，横向则不然，出现了性能的各向异性。（2）冷形变金属的加工硬化单晶体加工硬化3阶段示意图易滑移阶段：加工硬化主要来自位错的增殖所引起的内应力线性硬化阶段：位错密度增加，其它滑移系统被激活，形成压杆位错，阻碍位错的继续运动，从而产生大的硬化效应抛物线型硬化阶段：滑移线变粗成滑移带，新增加的应变几乎全部集中在这些滑移带内，且滑移带碎花。3种典型的金属单晶体的应力-应变曲线铝单晶与多晶体的应力-应变曲线比较（室温）课堂作业1.试述原子间的键合方式，并举例说明。2.空间点阵的概念？空间点阵和晶体结构的关系？3.纯金属的晶体结构有哪些？并分析他们的特征4.金属晶体结构的缺陷？5.描述金属材料的形变过程。
