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1、第第1 1章章 材料的结构与性能材料的结构与性能材料科学与工程学院材料科学与工程学院1本节重点1.晶体学基本概念晶体学基本概念2.三种常见金属的晶体结构特征三种常见金属的晶体结构特征3.立方晶系的晶向指数和晶面指数的标定立方晶系的晶向指数和晶面指数的标定4.点缺陷的类型点缺陷的类型5.位错的类型及其特征位错的类型及其特征1.1 1.1 金属材料的结构与性能金属材料的结构与性能1.1.1 1.1.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构21.1 1.1 金属材料的结构与性能金属材料的结构与性能晶体晶体非晶体非晶体金属的结构晶态非晶态SiO2的结构常态下金属主要以常态下金属主要以晶体晶体形式存在。晶体
2、具有各向异性形式存在。晶体具有各向异性在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。固体是指原子呈是指原子呈规则排列规则排列的固体。的固体。是指原子呈是指原子呈无序排列无序排列的固体。的固体。31.1.1 1.1.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构晶格晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点结点。由结。由结点形成的空间点的阵列称点形成的空间点的阵列称空间点阵空间点阵。晶胞晶胞晶胞晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。能代表晶格原子排列规律
3、的最小几何单元。能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。晶格与晶胞晶格与晶胞u晶体的基本概念晶体的基本概念 4晶系：晶系：立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜晶晶格格常常数数：晶晶胞胞个个边边的的尺尺寸寸a、b、c。各各棱棱间间的夹角用的夹角用 、 、 表示。表示。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：立方晶系：a=b=c， = = =90 六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c， = =90 ， =120 u晶体的
4、基本概念晶体的基本概念 5原子半径：原子半径：晶胞中原子密度最晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。大方向上相邻原子间距的一半。晶胞原子数：晶胞原子数：一个晶胞内所包一个晶胞内所包含的原子数目。含的原子数目。配位数及致密度：配位数及致密度：配位数是指配位数是指晶格中与任一原子距离最近且晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。相等的原子数目。致密度致密度：晶胞中原子本身所占：晶胞中原子本身所占的体积百分数。的体积百分数。u晶体的基本概念晶体的基本概念 61.1. 三种常见的金属晶体结构三种常见的金属晶体结构体心立方点阵BCC-Fe,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W面心立方点阵FCC-Fe,
5、Al,Ni,Pb,Cu,Ag,Au密排六方点阵HCPBe,Mg,Zn,Cd,Zr,Hf,低温Ti7n = 81/8+1 = 2a a）晶胞中的原子数）晶胞中的原子数b b）点阵常数与原子半径）点阵常数与原子半径原子半径：原子半径：密排最邻近两原子间距的一半密排最邻近两原子间距的一半-Fe,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W体心立方点阵（BCC）：8CNbcc= 8单位晶胞中原子所占有的体积单位晶胞中原子所占有的体积Vs单位晶胞的体积单位晶胞的体积Vcc c）致密度）致密度（APF)=d d）配位数）配位数（CN）：）：晶体结构中，任一原子周围最晶体结构中，任一原子周围最近邻且等距的原子数。近邻且等
6、距的原子数。体心立方点阵（BCC）：-Fe,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W9体心立方晶胞中的空隙位置体心立方晶胞中的空隙位置八面体间隙八面体间隙间隙半径为间隙半径为0.154R0.633R四面体间隙四面体间隙间隙半径为间隙半径为0.291R体心立方点阵（BCC）：-Fe,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W10n = 81/8+61/2 = 4面心立方点阵（FCC）CNfcc=12-Fe,Al,Ni,Pb,Cu,Ag,Au11面心立方点阵（FCC）八面体间隙八面体间隙间隙半径为间隙半径为0.414R四面体间隙四面体间隙间隙半径为间隙半径为0.225R面心立方晶胞中的空隙位置面心立方晶胞中的空隙位置-
7、Fe,Al,Ni,Pb,Cu,Ag,Au12密排六方点阵（HCP）n=121/6+2 +3=6理想状态，c/a=1.633时，a=2RCNhcp=12Be,Mg,Zn,Cd,Zr,Hf,低温低温Ti13Fe淬火时发生固态相变淬火时发生固态相变FCCBCC，导致体积膨胀；，导致体积膨胀；C在在-Fe（FCC）中的溶解度远大于）中的溶解度远大于-Fe（BCC）。）。三种典型金属结构的晶体学特点 142.金属晶体中的晶面和晶向晶体中各方位上的原子面称晶体中各方位上的原子面称晶面晶面。各方向上的原子列称各方向上的原子列称晶向晶向。表示晶面的符号称表示晶面的符号称晶面指数晶面指数。表示晶向的符号称表示晶
8、向的符号称晶向指数晶向指数。阵点坐标阵点坐标abc15（x1,y1,z1）,(x2,y2,z2)二点连线的晶向指数：二点连线的晶向指数：x2-x1,y2-y1,z2-z1*指数看特征，正负看走向指数看特征，正负看走向求法：求法：1）确定坐标系）确定坐标系2）过坐标原点，作直线与待）过坐标原点，作直线与待求晶向平行；求晶向平行；3）在该直线上任取一点，并在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（确定该点的坐标（x，y，z）4）将此值化成最小整数）将此值化成最小整数u，v，w并加以方括号并加以方括号uvw即即是。是。abc110111100011010110-210101（代表一组互相平行，方向一致的
9、晶向）（代表一组互相平行，方向一致的晶向）1）晶向指数晶向指数16求法：求法：1）确定坐标：按晶格定向方式）确定坐标：按晶格定向方式2）求截距：晶面与三轴的截距，）求截距：晶面与三轴的截距，m(a), n(b), p(c)；3）取倒数：）取倒数：1/m, 1/n, 1/p4）互质化：加括号，记为（）互质化：加括号，记为（h k l）2）晶面指数）晶面指数(112)(111)(110)(001)不能将坐标原点选在不能将坐标原点选在待定的晶面上；待定的晶面上；若晶面与坐标轴平行，若晶面与坐标轴平行，则截距为无穷大；则截距为无穷大；若有负号，表示在数若有负号，表示在数字上方。字上方。(111)17(
10、hkl)与与uvw分别表示的是分别表示的是一组平行的晶向和晶面一组平行的晶向和晶面。指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作称作晶向族晶向族或或晶面族晶面族。分别用分别用和和hkl表示。表示。3）晶面族与晶向族）晶面族与晶向族18说明：说明：在立方晶系中，指数在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相相同的晶面与晶向相互垂直。互垂直。遇到负指数，遇到负指数，“-”号号放在该指数的上方。放在该指数的上方。- - - -晶向具有方向性，如晶向具有方向性，如110与与110方向相反。方向相反。XZY(221)2211101103）晶面族与晶向族）晶面族与
11、晶向族194）晶面及晶向的原子密度）晶面及晶向的原子密度体心立方体心立方晶格中，原子密度最大的晶面族为晶格中，原子密度最大的晶面族为110110，称，称密密排面排面；在；在面心立方面心立方晶格中，密排面为晶格中，密排面为111 111 。 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的。列方式和排列紧密程度是不一样的。20体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度 体心立方体心立方晶格中，原子密度最大的晶向族是晶格中，原子密度最大的晶向族是111111，称密排方向。在称密排方向
12、。在面心立方面心立方晶格中，密排方向为晶格中，密排方向为110110。 4）晶面及晶向的原子密度）晶面及晶向的原子密度213.金属晶体的特性1 1）具有确定的熔点）具有确定的熔点2 2）具有各向异性）具有各向异性 不同晶面和晶向上原子排列的密度不同。不同晶面和晶向上原子排列的密度不同。224.实际金属中的晶体缺陷晶粒：晶粒：实际使用的金属材料实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为些小晶体称为晶粒晶粒。l晶界：晶界：晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。l晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。l多
13、晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。由多晶粒组成的晶体结构。金属多晶体示意图金属多晶体示意图p单晶体：单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。其内部晶格方位完全一致的晶体。p多晶体：多晶体：23点点缺缺陷陷：在在三三维维空空间间各各方方向向上上尺尺寸寸都都很很小小的的缺缺陷陷。如如空位空位、间隙原子间隙原子、杂质或溶质原子杂质或溶质原子等。等。线线缺缺陷陷：在在两两个个方方向向上上尺尺寸寸很很小小，而而另另一一个个方方向向上上尺尺寸较大的缺陷。主要是寸较大的缺陷。主要是位错位错。面面缺缺陷陷：在在一一个个方方向向上上尺尺寸寸很很小小，在在另另外外两两个个方方向向上上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界
14、、表面等。尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。晶体缺陷：晶体缺陷：实际晶体实际晶体中与中与理想点阵结构理想点阵结构发生偏差的区域。发生偏差的区域。 原原子子的的不不规规则则排排列列产产生生晶晶体体缺缺陷陷。晶晶体体缺缺陷陷在在材材料料组组织织控控制制（如如扩扩散散、相相变变）和和性性能能控控制制（如如材材料料强强化化）中中具有重要作用。具有重要作用。4.实际金属中的晶体缺陷24(1)点缺陷点缺陷l点点缺缺陷陷是是最最简简单单的的晶晶体体缺缺陷陷，它它是是在在结结点点上上或或邻邻近近的的微微 观区域内偏离晶体结构的正常观区域内偏离晶体结构的正常 排列的一种缺陷。排列的一种缺陷。l晶晶体体点点缺
15、缺陷陷 包包括括空空位位、间间隙隙原原子子、置置换换原原子子，以以及及由由它它们们组组成成的的复复杂杂点点缺缺陷陷，如如空空位位对对、空空位位团团和和空空位位-溶溶质原子对质原子对等。等。25(2)线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错混合位错混合位错位位错错：晶晶格格中中一一部部分分晶晶体体相相对对于于另另一一部部分分晶晶体体发发生生局局部滑移，滑移面上滑移区与未部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的滑移区的交界线称作位错。交界线称作位错。多余半原子面多余半原子面错开一个原子间距错开一个原子间距26a.先先定定位位错错线线的的正正向向 ，通通常常为为纸面方向纸面方向
16、b.从从任任一一原原子子出出发发，围围绕绕位位错错以以一一定的步数作一定的步数作一右旋右旋闭合回路闭合回路c.在在完完整整晶晶体体中中，按按同同样样的的方方向向和和步步数数作作相相同同的的回回路路，该该回回路路封封闭闭，由由终终点点向向起起点点引引一一矢矢量量，使使该该回回路闭合，即为位错的路闭合，即为位错的伯氏矢量伯氏矢量表示位错区原子的畸变特征的矢量表示位错区原子的畸变特征的矢量刃型位错刃型位错伯氏矢量的确定伯氏矢量的确定伯氏矢量伯氏矢量刃型位错的伯氏矢量b b特点：其与位错线垂直。-27螺型位错的伯氏矢量螺型位错的伯氏矢量有位错的晶体有位错的晶体 完整晶体完整晶体 螺型位错的伯氏矢量b
17、b特点：其与位错线平行。-伯氏矢量伯氏矢量28位错密度位错密度：单位体积内所单位体积内所包含的位错线总长度。包含的位错线总长度。位错的特点：位错的特点：a.晶格畸变，产生内应力；晶格畸变，产生内应力；b.刃型位错易吸纳异类原子；刃型位错易吸纳异类原子；c.位错易移动；位错易移动；d.正负刃型位错可相消；正负刃型位错可相消；e.刃型位错可攀移。刃型位错可攀移。伯氏矢量伯氏矢量29晶界是不同位向晶粒的过度部位，晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为宽度为510个个原子间距，位向差一般为原子间距，位向差一般为2040。n亚亚晶晶粒粒是是组组成成晶晶粒粒的的尺尺寸寸很很小小，位位向向差差也也很很小小(1
18、 2 )的小晶块。的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶粒之间的交界面称亚晶亚晶界界。亚晶界也可看作亚晶界也可看作位错壁位错壁。(3)面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界301.1.2 1.1.2 合金的合金的晶体晶体结构结构第第1 1章章 材料的结构与性能材料的结构与性能311.合金及相的概念合金及相的概念2.相的分类及其特征相的分类及其特征3.固溶强化及其原因固溶强化及其原因本节重点1.1 1.1 金属材料的结构与性能金属材料的结构与性能1.1.2 1.1.2 合金的合金的晶体晶体结构结构321.1.2 1.1.2 合金的合金的晶体晶体结构结构合金合金是指由两种或两种以是指由两种或两种以上元素
19、组成的具有金属特上元素组成的具有金属特性的物质。性的物质。组成合金的元素可以是全组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与部是金属，也可是金属与非金属。非金属。组成合金的元素相互作用组成合金的元素相互作用可形成不同的可形成不同的相。相。Al-Cu两相合金黄铜33所谓所谓相相是指金属或合金中凡是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀其它部分有界面分开的均匀组成部分。组成部分。显微组织显微组织实质上是指在显微实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或镜下观察到的金属中各相或各晶粒的各晶粒的形态、数量、大小形态、数量、大小和分布和分布的组合。的组合。
20、固态合金中的相分为固态合金中的相分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两类。两类。单相单相合金合金两相两相合金合金1.1.2 1.1.2 合金的合金的晶体晶体结构结构341.固溶体固溶体1）固溶体的分类）固溶体的分类l按按溶溶质质原原子子所所处处位位置置分分为为置置换换固固溶溶体体和和间隙固溶体。间隙固溶体。l按溶解度可分为按溶解度可分为有限固溶体有限固溶体和和无限固溶体。无限固溶体。l溶质原子呈无序分布的称溶质原子呈无序分布的称无序固溶体无序固溶体，呈有序分呈有序分布的称布的称有序固溶体有序固溶体。合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称
21、相称固溶体固溶体。习惯以。习惯以 、 、 表示。表示。35随溶质含量增加随溶质含量增加,固溶体的固溶体的强度、硬度增加强度、硬度增加,塑性、韧塑性、韧性下降性下降固溶强化固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用错的钉扎作用。l与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。塑性和韧性则要高得多。2）固溶体的性能）固溶体的性能如：工业纯如：工业纯Al的硬度为的硬度为3540HBS
22、，Al-Cu合金为合金为120-145HBS36合合金金中中其其晶晶体体结结构构与与组组成成元元素素的的晶晶体体结结构构均均不不相相同同的的固固相相称称金金属属化化合合物物。金金属属化化合合物物具具有有较较高高的的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。1).1).正常价化合物正常价化合物符合正常原子价规律。如符合正常原子价规律。如Mg2Si2).电子化合物电子化合物符合电子浓度规律。如符合电子浓度规律。如Cu3Sn。电子浓度为价电子数与原子数的比值。电子浓度为价电子数与原子数的比值。3).间隙化合物间隙化合物由过渡族元素与由过渡族元素与C、N、B、
23、H等小等小原子半径的非金属元素组成。原子半径的非金属元素组成。2.金属化合物金属化合物37(1)间隙相间隙相：r非非/r金金 0.59时形时形成的具有简单晶成的具有简单晶格结构的间隙化合物。格结构的间隙化合物。间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。非常稳定。部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。(2)具有复杂结构的具有复杂结构的间隙化合物间隙化合物当当r非非/r金金0.59时形成复杂结构间隙化合物。时形成复杂结构间隙化合物。如如FeB、Fe3C、Cr23C6等。等。38Cr23C6的晶体结构的晶体结构391.基本概念
24、：晶格、晶胞、晶格常数、合金、相基本概念：晶格、晶胞、晶格常数、合金、相2.三种常见金属的晶体结构特征三种常见金属的晶体结构特征3.立方晶系的晶向指数和晶面指数的标定立方晶系的晶向指数和晶面指数的标定4.点缺陷的类型点缺陷的类型5.位错的类型及其特征位错的类型及其特征6.相的分类及其特征相的分类及其特征7.固溶强化及其原因固溶强化及其原因40一、填空题一、填空题1.同非金属相对，金属的主要特征是（同非金属相对，金属的主要特征是（）。）。2.晶体与非晶体结构上的最根本区别是（晶体与非晶体结构上的最根本区别是（）。）。3.-Fe的一个晶胞内的原子数为的一个晶胞内的原子数为（）。）。二、选择题二、选
25、择题1.晶体中的位错属于：晶体中的位错属于：A体缺陷体缺陷B.面缺陷面缺陷C.线缺陷线缺陷D.点缺陷点缺陷2.在面心立方晶格中，原子密度最大的晶向是：在面心立方晶格中，原子密度最大的晶向是：A.B.C.D.1113.在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是：在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是：A.100B.110C.111D.12041三、综合题三、综合题1.在立方晶胞中画出在立方晶胞中画出(110)、(120)晶面和晶面和211、120晶向。晶向。2.-Fe、Al、Cu、Ni、Mg、Zn各属于何种晶体结构？各属于何种晶体结构？3.已知已知-Fe的晶格常数的晶格常数a=2.8710-10m，试求出，试求出-Fe的原的原子半径和致密度。子半径和致密度。4.什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？5.实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？42
