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1、7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院13 材料的结构材料的结构本次课教学内容：u金属的晶体结构；u金属的实际晶体结构；u金属材料的结构特点。十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院2晶体：材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。晶体：材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。非晶体非晶体 ：原子在三维空间无规则堆积。：原子在三维空间无规则堆积。 非晶体非晶体 ： 蜂蜡、玻璃蜂蜡、玻璃 等。等。晶体晶体金刚石、金刚石、NaClNaCl、冰、冰 等。等。晶体的概念2.1 金属的晶体结构图2.1
2、晶体与非晶体3 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院3 金属晶体的特性（1）有确定的熔点熔点晶体非晶体时间温度图2.2 晶体和非晶体的熔化曲线3 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院4（2）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图2.3 晶体的各向异性3 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院5图图2.4 原子（离子）的刚球模型原子
3、（离子）的刚球模型原子中心位置原子中心位置 晶体结构 晶格与晶胞 3 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院6晶胞晶胞图图2.5 点阵（晶格）模型点阵（晶格）模型 晶格与晶胞 3 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院7晶胞的几何形状的表示晶格参数晶胞的几何形状的表示晶格参数XYZabc晶格常数晶格常数a，b，c 图2.6 晶格常数3 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽
4、车工程学院8三种常见的金属晶体结构三种常见的金属晶体结构（1）体心立方晶格（ bcc） 体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中心和八个角上各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有18个原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为81812（个）。 -Fe、W、V、Mo 等图2.7 体心立方晶格3 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院9体心立方体心立方晶胞的一些参数晶胞的一些参数晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c； = = = = =90=90 晶胞原子数：晶胞原
5、子数：原子半径：原子半径：致密度：致密度：0.680.68致密度致密度=Va /Vc=Va /Vc，其中，其中Vc:Vc:晶胞体积晶胞体积a a3 3Va:Va:原子总体积原子总体积2 2 4 4 r r3 3/3/3XYZabc2r2raa2 23 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院10（2）面心立方晶格（fcc） 面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为8186124（个）
6、。 -Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等图2.8 面心立方晶格3 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院11面心立方晶胞的参数晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c； = = = = =90=90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径：原子半径：致密度：致密度：0.740.74XYZabc密排方向密排方向4 43 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院12（3 3）密排六方晶格（）密排六方晶格（ hcp hcp） 密排六方晶胞每个角上的原
7、子为相邻的六个晶胞所共有，上、下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞独有。所以，密排六方晶胞中原子数为121621236（个）。 C（石墨）、Mg、Zn 等晶格常数晶格常数底面边长底面边长a a底面间距底面间距c c侧面间角侧面间角120120 侧面与底面夹侧面与底面夹角角9090 晶胞原子数：晶胞原子数：6 6原子半径：原子半径：a/2致密度：致密度：0. 740. 74图2.9 密排六方晶格3 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院13 合金的晶体结构（1）合金的基本概念 由两种或两种以上的金属
8、元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质，称为合金。 组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元。组元通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。 合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。 合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、形态、性能和各相的组合情况组织所决定的。3 材料的结构材料的结构显微组织：是观察到的在金属内部组成相的大小、方向、形状、分布及相互结合状态。十五十五863
9、子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院14 （2）合金的相结构 由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。 1、固溶体 合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为固溶体。图2.10 固溶体第二章第二章 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院15固溶体类型固溶体类型ZXY间隙原子间隙原子间间隙隙固固溶溶体体置置换换固固溶溶体体置换原子置换原子YXZ十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程
10、学院16 不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化固溶强化。 固溶强化固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，当控制固溶体中的溶质含量，可
11、以在可以在显显著提高金属材料的著提高金属材料的强强度、硬度的同度、硬度的同时时，仍能保持良好的塑性和仍能保持良好的塑性和韧韧性。因此，性。因此，对综对综合力学性能要求合力学性能要求较较高的高的结结构材料，都构材料，都是以固溶体是以固溶体为为基体的合金。基体的合金。图2.11 固溶体中的晶格畸变示意图第二章第二章 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院17 2、金属化合物 金金属属化化合合物物的的晶晶格格类类型型与与形形成成化化合合物物各各组组元元的的晶晶格格类类型型完完全全不不同同，一一般般可可用用化化学学分分子子式
12、式表表示示。钢钢中中渗渗碳碳体体（FeFe3 3C C）是是由由铁铁原原子子和和碳碳原原子子所所组组成成的的金金属属化化合合物物，它它具具有有复杂的晶格形式。复杂的晶格形式。 化合物类型：化合物类型： 正常价化合物正常价化合物 按化合价规律形成，如，按化合价规律形成，如，Mg2Si 。 电子化合物电子化合物 按电子浓度规律形成，如，按电子浓度规律形成，如，Cu3Al 。 间隙化合物间隙化合物 过渡金属过渡金属+小半径非金属元素小半径非金属元素 间隙相间隙相 r非非/r金金 0.59，如，如，WC、TiC、VC 复杂结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物 r非非/r金金 0.59如，如，Fe3C、
13、Cr23C6 金金属属化化合合物物的的性性能能不不同同于于任任一一组组元元，其其溶溶点点一一般般较较高高、硬硬而而脆脆。当当它它呈呈细细小小颗颗粒粒均均匀匀分分布布在在固固溶溶体体基基体体上上时时，将将使使合合金金的的强强度度、硬硬度度和和耐耐磨磨性性明明显显提提高高，这这一一现现象象称称为为弥弥散散强强化化。金金属属化化合合物物在在合合金金中中常常作作为为强强化化相相存存在在，它它是是许许多多合合金金钢钢、有有色色金金属属和和硬质合金的重要组成相。硬质合金的重要组成相。 绝绝大大多多数数合合金金的的组组织织都都是是固固溶溶体体与与少少量量金金属属化化合合物物组组成成的的混混合合物物，其其性性
14、质质取取决决于于固溶体与金属化合物的数量、大小、形固溶体与金属化合物的数量、大小、形态态和分布状况。和分布状况。 第二章第二章 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院182.2实际金属的晶体结构 （一）、金属材料都是多晶体（一）、金属材料都是多晶体 我我们们把把晶晶格格位位向向完完全全一一致致的的晶晶体体叫叫做做单单晶晶体体。单单晶晶体体只只有有经经过过特特殊殊制制作作才才能能获获得得。实实际际上上，常常使使用用的的金金属属材材料料，由由于于受受结结晶晶条条件件和和其其它它因因素素的的限限制制，其其内内部部结结构构都
15、都是是由由许许多多尺尺寸寸很很小小，各各自自结结晶晶方方位位都都不不同同的的小小单单晶晶体体组组合合在在一一起起的的多多晶晶体体构构成成。这这些些小小晶晶体体就就是是晶晶粒粒，它它们们之之间间的的交交界界即即为为晶界。在在一一个个晶晶粒粒内内部部其其结结晶晶方方位位基基本本相相同同，但但也也存存在在着着许许多多尺尺寸寸更更小小，位位向向差差更更小小的的小小晶晶粒粒，它它们们相相互互嵌嵌镶镶成成一一颗颗晶晶粒粒，这这些些小小晶晶块块称称为为亚亚晶晶粒粒，亚亚晶晶粒粒之之间间的的界界面面称为称为亚晶界。第二章第二章 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机
16、械与汽车工程学院机械与汽车工程学院19晶粒（单晶体）晶粒（单晶体）图2.11 多晶体示意图单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。 如单晶Si半导体。多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。晶体缺陷：实际金属晶体结构与理想结构 偏离的微观区域晶体缺陷类型：（1）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子（2）线缺陷：位错（3）面缺陷：晶界与亚晶界第二章第二章 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院20（1）点缺陷）点缺陷空位和间隙原子空位和间隙原子如果间隙原子是其它元素就称为异类原子 （杂质原子）空位空位 间隙原子间隙
17、原子 在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为空位。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙原子。图2.12 点缺陷示意图第二章第二章 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院21（2）线缺陷 刃位错与螺位错刃位错刃位错 刃位错刃位错 第二章第二章 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院22螺位错第二章第二章 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题
18、验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院23（3）面缺陷晶粒（单晶体）晶粒（单晶体）晶界晶界第二章第二章 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院24图2.14 亚晶界示意图亚晶界晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。晶界的特点：u晶界对金属塑性变形会产生阻碍作用，使晶界具有较高的强度和硬度细晶强化；u原子沿晶界的扩散速度比晶粒内部低，晶界的电阻比晶粒内部高；u熔点比晶粒内部低，腐蚀速度比晶粒内部快；u晶界的晶格畸变较大，晶界能较高，有自发向低能量状态转化的可能。第二章第二章 材料的结构材
19、料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报7/27/2024机械与汽车工程学院机械与汽车工程学院25小 结1、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到另一种的变化会引起体积的变化。2、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金化是提高金属性能的方法之一。3、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷对金属材料的热处理过程极为重要。位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。金属冷变形加工后的加工硬化，就是由于位错密度的增加所致。点缺陷、晶界和亚晶界也与材料的力学性能有关。 第二章第二章 材料的结构材料的结构十五十五863子课题子课题验收汇报验收汇报
