材料的结构与性能

第一章材料的结构与凝固本章目录1.1金属的晶体结构

1.1.1晶体结构的基本概念

1.1.2三种常见的金属晶体结构

1.1.3常见金属晶体结构的特征

1.1.4晶面、晶向及晶体的各向异性

1.1.5实际金属的晶体结构1.2合金的晶体结构

1.2.1合金概述

1.2.2固态合金的相结构1.3非金属材料的结构

1.3.1高分子材料的结构

1.3.2陶瓷材料的结构当前1页，总共64页。C60物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称为结构。当前2页，总共64页。一、晶体结构的基本概念金属的结构晶态非晶态SiO2的结构1、晶体与非晶体(晶体结构是指晶体内部原子规则排列的方式)晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。当前3页，总共64页。2、晶格与晶胞⑴晶格：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）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵当前4页，总共64页。⑵晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。当前5页，总共64页。当前6页，总共64页。⑷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。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3

c，==90，=120立方六方四方菱方正交单斜三斜⑶晶格常数：晶胞个边的尺寸

a、b、c。各棱间的夹角用、、表示。当前7页，总共64页。⑸原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。⑹晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。⑺配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。⑻致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。当前8页，总共64页。二、金属的晶体结构1、纯金属的晶体结构金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。金属原子趋向于紧密排列。价电子云正离子金属键示意图具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。当前9页，总共64页。⑴

体心立方晶格当前10页，总共64页。体心立方晶格当前11页，总共64页。体心立方晶格的参数当前12页，总共64页。体心立方晶格原子个数：2配位数：

8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常数：a(a=b=c)原子半径：当前13页，总共64页。⑵面心立方晶格当前14页，总共64页。面心立方晶格当前15页，总共64页。面心立方晶格的参数当前16页，总共64页。

a42r=：原子半径原子个数：4配位数：

12致密度：0.74常见金属：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常数：a面心立方晶格当前17页，总共64页。⑶密排六方晶格当前18页，总共64页。密排六方晶格的参数当前19页，总共64页。a21r=：原子半径原子个数：6配位数：

12致密度：0.74常见金属：

Mg、Zn、Be、Cd等晶格常数：底面边长a和高c，

c/a=1.633密排六方晶格当前20页，总共64页。当前21页，总共64页。3.晶格的晶面和晶向（1）晶面指数及晶向指数（2）晶面及晶向的原子密度当前22页，总共64页。1）晶面指数及晶向指数晶体中各种方位上的原子面叫晶面；各种方向上的原子列叫晶向。在研究金属晶体结构的细节及其性能时，往往需要分析它们的各种晶面和晶向中原子分布的特点，因此有必要给各种晶面和晶向定出一定的符号，以表示出它们在晶体中的方位或方向。晶面的这种符号叫“晶面指数”，晶向的符号叫“晶向指数”。当前23页，总共64页。2)确定晶面指数的步骤如下：（1）设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三个坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的量度单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距（见图1.2-6）。（2）将所得三截距之值变为倒数；（3）再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为晶面指数。晶面指数的一般形式用（hkl）表示。当前24页，总共64页。当前25页，总共64页。当前26页，总共64页。晶向指数的确定方法是：（1）以格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三个坐标轴，通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；（2）求出该直线上任意一点的三个坐标来；（3）将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶面指数，其一般形式为[uvw]。当前27页，总共64页。当前28页，总共64页。

三种常见晶格的晶面原子密度和晶向原子密度

(1)单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。

(2)单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。

三种常见晶格的密排面和密排方向(1)原子密度最大的晶面称密排面(2)原子密度最大的晶向称密排方向当前29页，总共64页。。密排面数量密排方向数量体心立方晶格{110}6<111>4面心立方晶格{111}4<110>6密排六方晶格六方底面1底面对角线3当前30页，总共64页。三种常见晶格的密排面和密排方向六方底面底面对角线密排六方晶格面心立方晶格体心立方晶格当前31页，总共64页。体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面当前32页，总共64页。面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB…面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABC…当前33页，总共64页。面心立方晶格的原子堆垛当前34页，总共64页。2、实际金属的晶体结构变形金属晶粒尺寸约1~100m，铸造金属可达几mm。纯铁组织晶粒示意图⑴单晶体与多晶体单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体：晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。当前35页，总共64页。沿晶断口铅锭宏观组织当前36页，总共64页。晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图当前37页，总共64页。⑵晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。当前38页，总共64页。①点缺陷

空间三维尺寸都很小的缺陷。空位间隙原子置换原子当前39页，总共64页。a.

空位：晶格中某些缺排原子的空结点。b.

间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙当前40页，总共64页。c.

置换原子：

取代原来原子位置的外来原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶空位间隙原子大置换原子小置换原子格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。当前41页，总共64页。空位和间隙原子引起的晶格畸变当前42页，总共64页。②线缺陷—晶体中的位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未刃型位错

螺型位错滑移区的交界线称作位错。分为刃型位错和螺型位错。当前43页，总共64页。刃型位错和螺型位错刃位错的形成当前44页，总共64页。刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“┴”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“┬”表示。当前45页，总共64页。位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金属的位错密度为104~1012/cm2位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，（要使变形继续进行，必须增加外力）因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。金属晶须退火态(105-108/cm2)

加工硬化态(1011-1012/cm2)

当前46页，总共64页。电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）当前47页，总共64页。电子显微镜下的位错观察当前48页，总共64页。③面缺陷—晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。当前49页，总共64页。亚晶粒大角度和小角度晶界位错壁亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’~2)的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。当前50页，总共64页。晶界的特点：①

原子排列不规则。②

熔点低。③

耐蚀性差。④

易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。⑤

阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。⑥

是相变的优先形核部位

显微组织的显示当前51页，总共64页。实际金属中的缺陷对材料

力学性能的影响如下：点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，降低了材料的塑性和韧性，增加位错密度可提高金属强度，但塑性随之降低面缺陷能提高金属材料的强度和塑性细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段当前52页，总共64页。1.2、合金的晶体结构合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu两相合金黄铜当前53页，总共64页。所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。（液相和固相）显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。单相合金两相合金当前54页，总共64页。⑴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

相称固溶体。习惯以、、表示。与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体当前55页，总共64页。①

置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。黄铜置换固溶体组织当前56页，总共64页。②

间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金

属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂<0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。当前57页，总共64页。③

固溶体的溶解度溶质原子在固溶体中的极限浓度。溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体。Cu-Ni无限固溶体Cu-Zn有限固溶体固溶体化合物当前58页，总共64页。④

固溶体的性能随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降—固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。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，而塑性和韧性则要高得多。当前59页，总共64页。⑵金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的Fe3C当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。当前60页，总共64页。①

正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si②

电子化合物—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。③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