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1、工程材料工程材料材料科学与工程学院材料科学与工程学院Engineering Materials第二章材料的结构第二章材料的结构金刚石的晶体结构金刚石的晶体结构石墨的晶体结构石墨的晶体结构第二章材料的结构一、晶体的基本概念一、晶体的基本概念二、常见纯金属的晶格类型二、常见纯金属的晶格类型三、实际金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构四、合金的相结构四、合金的相结构第一节第一节晶体的基本概念晶体的基本概念1.1.晶体与非晶体晶体与非晶体l 晶体晶体（Crystal）晶体是其内部原子在三维空间呈规则排列的物质。晶体是其内部原子在三维空间呈规则排列的物质。 例如例如 , , 所有的金属、食盐等。所有的金
2、属、食盐等。 晶体的特点：晶体的特点： 结构有序；结构有序； 各向异性；各向异性； 有固定的熔点。有固定的熔点。第二章材料的结构各向异性各向异性：在在测测定定材材料料的的性性能能时时，沿沿不不同同方方向向测测定定所所得得的的结结果果各各不不相相同同，即各向异性。即各向异性。l 非晶体非晶体（Non-crystal） 非晶体是其内部原子排列无序的物质。非晶体是其内部原子排列无序的物质。 例如例如, ,普通玻璃、松香等。普通玻璃、松香等。 非晶体的特点：非晶体的特点： 结构无序；结构无序； 各向同性；各向同性； 没有固定的熔点；没有固定的熔点； 热导率热导率(导热系数导热系数)和热膨胀性小；和热膨
3、胀性小； 塑性变形大；塑性变形大； 组成的变化范围大。组成的变化范围大。各向同性：各向同性：在在测测定定材材料料的的性性能能时时沿沿任任何何方方向向测测定定的的结结果果都都是是一一致致的的，不不因因方方向向而而异异，即即各各向向同同性性，或或称等向性。称等向性。第二章材料的结构第二章材料的结构2.2.晶体学的基本知识晶体学的基本知识l 晶格晶格（Crystal Lattice）晶体结构的描述：晶体结构的描述：将晶体的原子看成是刚性小球；将晶体的原子看成是刚性小球；把原子抽象为几何点；把原子抽象为几何点；用假想的直线将几何点连接起来。用假想的直线将几何点连接起来。晶体模型晶体模型晶格：晶格：用用
4、以以描描述述晶晶体体中中原原子子排排列列规规律律的空间几何格架。的空间几何格架。晶格晶格l 晶胞晶胞（Unit Cell）晶胞在三维空间平移，即可重构晶格。晶胞在三维空间平移，即可重构晶格。晶胞晶胞第二章材料的结构晶格晶格晶胞：晶胞：组成晶格的最小几何单元体。组成晶格的最小几何单元体。晶胞的表示方法晶胞的表示方法XYZcba a、 b、 c 晶格常数（点阵常数）晶格常数（点阵常数） 、 、 夹角夹角l 晶格常数晶格常数（Lattice Constant）第二章材料的结构晶格常数：晶格常数：晶晶胞胞的的几几何何尺尺寸寸。又称为点阵常数。又称为点阵常数。晶胞需要表示的有：形状和大小、面、方向晶胞需
5、要表示的有：形状和大小、面、方向l 晶面与晶面指数晶面与晶面指数（1 1）晶面）晶面（Crystal Face）在晶格中由一系列原子所构成的平面。在晶格中由一系列原子所构成的平面。第二章材料的结构晶格中由一些原子构成的原子面晶格中由一些原子构成的原子面（2）晶面指数）晶面指数（Indices of Crystallographic Plane）为便于研究和表述给晶面规定的符号。为便于研究和表述给晶面规定的符号。 确定晶面指数的步骤：确定晶面指数的步骤：求截距求截距求出待定晶面在三个坐标轴上的截距。求出待定晶面在三个坐标轴上的截距。取倒数取倒数将三个截距之值变为倒数。将三个截距之值变为倒数。化简
6、并加圆括号化简并加圆括号将三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号。将三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号。 晶面指数的一般形式：晶面指数的一般形式：（hkl）第二章材料的结构第二章材料的结构立方晶格中的三种重要晶面立方晶格中的三种重要晶面l 晶向与晶向指数晶向与晶向指数（1 1）晶向）晶向（Crystal Direction）在晶格中，任意两原子之间的连线所指的方向。在晶格中，任意两原子之间的连线所指的方向。第二章材料的结构晶格中由一些原子构成的原子列晶格中由一些原子构成的原子列（2）晶向指数）晶向指数（Indices of Crystallographic Direction）为便
7、于研究和表述给晶向规定的符号。为便于研究和表述给晶向规定的符号。 确定晶向指数的步骤：确定晶向指数的步骤：引直线引直线通过坐标原点引一条直线，使其平行于待求的晶向。通过坐标原点引一条直线，使其平行于待求的晶向。求坐标值求坐标值求出所引直线上任意一点的三个坐标值。求出所引直线上任意一点的三个坐标值。化简并加方括号化简并加方括号将三个坐标值按比例化为最小整数，并加上一方括号。将三个坐标值按比例化为最小整数，并加上一方括号。 晶向指数的一般形式：晶向指数的一般形式： uvw第二章材料的结构第二章材料的结构立方晶格中的一些重要晶向立方晶格中的一些重要晶向 关于晶面和晶向的几点说明：关于晶面和晶向的几点
8、说明：u某一晶面指数并不仅代表某一具体的晶面，而是代表一某一晶面指数并不仅代表某一具体的晶面，而是代表一组相互平行的晶面。组相互平行的晶面。 所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。u原子排列情况完全相同的所有晶面同属于一个晶面族。原子排列情况完全相同的所有晶面同属于一个晶面族。 晶面族用晶面族用hkl表示。表示。u某一晶向指数并不仅代表某一具体的晶向，而是代表了某一晶向指数并不仅代表某一具体的晶向，而是代表了一族平行线的位向。一族平行线的位向。 所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指数。所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指数。u原子排列情况完全相同的所有
9、晶向同属于一个晶向族。原子排列情况完全相同的所有晶向同属于一个晶向族。 晶向族用晶向族用uvw表示。表示。u在立方晶系中，相同指数的晶面和晶向相互垂直。在立方晶系中，相同指数的晶面和晶向相互垂直。第二章材料的结构l 晶格结构的表征晶格结构的表征 晶格尺寸：晶格尺寸： 以晶格常数表示。以晶格常数表示。 原子半径（原子半径（r r）：）： 代表原子的刚性小球的半径。代表原子的刚性小球的半径。 晶胞原子数（晶胞原子数（n n）：）： 晶胞内的原子数目。晶胞内的原子数目。 晶格中原子排列的紧密程度：晶格中原子排列的紧密程度： 配位数（配位数（Z）：）： 晶格中与任一原子等距且最近邻的原子数目。晶格中与
10、任一原子等距且最近邻的原子数目。 致密度（致密度（K）：）： 晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。第二章材料的结构a体心立方晶格体心立方晶格第二节第二节 常见纯金属的晶格类型常见纯金属的晶格类型1.1.体心立方晶格体心立方晶格（bcc，body-centered cubic lattice） l 晶格的特征晶格的特征体心立方晶体模型体心立方晶体模型具有具有bccbcc结构的金属：结构的金属： - -FeFe、NaNa、K K、CrCr、W W、MoMo、V V、NbNb、TaTa等。等。第二章材料的结构 bcc.swfl 晶格的基本参数晶格的基本参数原子半径原子
11、半径晶胞原子数晶胞原子数 n =1/88 + 1 = 2配位数配位数 Z8致密度致密度 0.6868% a第二章材料的结构a面心立方晶格面心立方晶格2.2.面心立方晶格面心立方晶格（fcc，face-centered cubic lattice） l 晶格的特征晶格的特征面心立方晶体模型面心立方晶体模型具有具有fccfcc结构的金属：结构的金属： - -FeFe、CuCu、AlAl、NiNi、AuAu、AgAg、PtPt、PbPb等。等。第二章材料的结构 fcc.swfal 晶格的基本参数晶格的基本参数原子半径原子半径晶胞原子数晶胞原子数 n =1/88 + 1/26 = 4配位数配位数 Z
12、=12致密度致密度 0.7474% 第二章材料的结构密排六方晶格密排六方晶格两个简单六方晶格穿插两个简单六方晶格穿插在一起构成密排六方晶格在一起构成密排六方晶格3.3.密排六方晶格密排六方晶格（hcp，hexagonal close-packed lattice）l 晶格的特征晶格的特征密排六方晶体模型密排六方晶体模型ac具有具有hcphcp结构的金属：结构的金属： MgMg、ZnZn、CdCd、BeBe、 - -TiTi等。等。第二章材料的结构c c / /a a 称为密排六方晶格的轴比称为密排六方晶格的轴比理想的理想的hcphcp晶格的轴比晶格的轴比c /a 1.633 hcp.swfl
13、晶格的基本参数晶格的基本参数原子半径原子半径晶胞原子数晶胞原子数 n =1/612 + 1/22 + 3 = 6 配位数配位数 Z =12致密度致密度 0.7474%第二章材料的结构晶粒晶粒晶界晶界多晶体结构多晶体结构第二章材料的结构第三节第三节 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构单晶体：单个晶粒单晶体：单个晶粒多晶体：许多晶粒多晶体：许多晶粒晶粒晶粒=颗粒颗粒?空位空位间隙原子间隙原子置换原子置换原子晶体中的点缺陷晶体中的点缺陷点缺陷对晶格规律性的影响点缺陷对晶格规律性的影响点缺陷的存在，破坏了原点缺陷的存在，破坏了原子的平衡，使晶格发生畸变。子的平衡，使晶格发生畸变。点缺陷对晶体性能的影
14、响点缺陷对晶体性能的影响点缺陷的存在将提高材料点缺陷的存在将提高材料的硬度和强度，降低材料的的硬度和强度，降低材料的塑性和韧性。塑性和韧性。2.12.1纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构实际晶体缺陷实际晶体缺陷：（：（1 1）点缺陷，（点缺陷，（2 2）线缺陷，（）线缺陷，（3 3）面缺陷）面缺陷（1 1）点缺陷点缺陷E晶体中的线缺陷晶体中的线缺陷位错位错2.12.1纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构EF位错线位错线（2 2）线缺陷线缺陷位错对晶体强度的影响位错对晶体强度的影响2.12.1纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构位错对晶格规律性的影响位错对晶格规律性的影响在位错线附近，原子的在位错线附近，
15、原子的错排使晶格发生畸变。错排使晶格发生畸变。位错对晶体性能的影响位错对晶体性能的影响位错的存在可降低晶体位错的存在可降低晶体的强度。当位错大量产生后，的强度。当位错大量产生后，又可提高强度，同时使晶体又可提高强度，同时使晶体的塑性和韧性降低。的塑性和韧性降低。晶界晶界亚晶界亚晶界10 10 2.12.1纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构晶界等面缺陷对晶体性能的影响晶界等面缺陷对晶体性能的影响晶界等面缺陷能同时提高晶体的强度和塑性。晶界等面缺陷能同时提高晶体的强度和塑性。细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段。细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段。（3 3）面缺陷面缺陷重要概念重要概念l 合金合金
16、 由两种或两种以上的金属，或金属与非金属组成的具有金属特征的由两种或两种以上的金属，或金属与非金属组成的具有金属特征的物质。（纯金属的力学性能差）物质。（纯金属的力学性能差）l 组元组元 组成合金最基本的、独立的物质（比如元素，少数情况化合物）。组成合金最基本的、独立的物质（比如元素，少数情况化合物）。l 合金系合金系 由给定组元以不同的比例配制而成的一系列成分不同的合金，它们由给定组元以不同的比例配制而成的一系列成分不同的合金，它们构成一个合金系统，即合金系。构成一个合金系统，即合金系。l 相相 合金中具有同一化学成分、同一结构和同一性能，并以界面互相分合金中具有同一化学成分、同一结构和同一
17、性能，并以界面互相分开的均匀的组成部分。开的均匀的组成部分。2.22.2合金的晶体结构合金的晶体结构第四节第四节 合金的相结构合金的相结构思考：思考： 相相 = = 晶粒晶粒? = ? = 颗粒颗粒? phase grain particle合金元素哪里去了？合金元素哪里去了？u 固溶体固溶体u金属化合物金属化合物Cu (rCu=0.1276nm) Ni (rNi=0.1244nm) Fe (rFe=0.1260nm) C (rC=0.0770nm) 固溶体的晶体结构固溶体的晶体结构2.22.2合金的晶体结构合金的晶体结构置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体l 固溶体：固溶体：组成合金的元
18、素互相溶解，形成一种与某一元素的晶组成合金的元素互相溶解，形成一种与某一元素的晶体结构相同，并包含有其它元素的合金固相。体结构相同，并包含有其它元素的合金固相。l 固溶强化：通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的强固溶强化：通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的强度、硬度提高的现象。度、硬度提高的现象。固态的熔体固态的熔体!间隙化合物间隙化合物Fe3C 的的晶体结构晶体结构2.22.2合金的晶体结构合金的晶体结构l 金属化合物：金属化合物：合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。能均不同于任一组元的合金固相。两类
19、合金相两类合金相固溶体和金属化合物的比较固溶体和金属化合物的比较晶体结构：晶体结构：l 固溶体的晶体结构特征：固溶体的晶体结构特征：与组元之一的溶剂的晶体结构相同。与组元之一的溶剂的晶体结构相同。l 金属化合物的晶体结构特征：金属化合物的晶体结构特征：与任一组元的晶体结构都不相同，而是与任一组元的晶体结构都不相同，而是一种新的结构。一种新的结构。性能：性能：l 固溶体的性能特点：固溶体的性能特点：强度和硬度提高，塑性和韧性有所下降。强度和硬度提高，塑性和韧性有所下降。l 金属化合物的性能特点：金属化合物的性能特点：强度、硬度提高，脆性较大。强度、硬度提高，脆性较大。在合金中的作用：在合金中的作用：l 固溶体通常作为合金的基体。固溶体通常作为合金的基体。l 金属化合物通常作为合金中的强化相。金属化合物通常作为合金中的强化相。2.22.2合金的晶体结构合金的晶体结构
