工程材料—金属材料的结构与组织

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 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 1.1 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 金属的结构金属的结构 晶态晶态非晶态非晶态 SiO2的结构

2、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。 1.1.1 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。

3、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 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 晶格常数：晶格常数：晶胞个边的晶胞个边的 尺寸尺寸 a、b、c。各棱间。各棱间 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 晶体的基本概念晶体的基本概念 原子半径：原子半径：晶胞中原子密

4、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 1.1. 三种常见的金属晶体结构三种常见的金属晶体结构 六 1 1 2 2 3 3 面面心心立立方方结结构构（A A ） face-centred cubic lattice

5、face-centred cubic lattice 常常见见金金属属晶晶体体结结构构 体体心心立立方方结结构构（A A ） body-centred cubic lat body-centred cubic lattice tice 密密排排方方结结构构（A A ） hexagonal close-packed lattice hexagonal close-packed lattice 体心立方点阵 BCC -Fe , V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 面心立方点阵 FCC -Fe , Al , Ni , Pb , Cu , Ag , Au 密排六方点阵 HCP Be,Mg,Zn,

6、Cd,Zr, Hf, 低温低温Ti n = 81/8+1 = 2 a 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）： CNbcc= 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Vc c 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。近邻且等距的原子数。 体心立方点阵

7、（BCC）： -Fe , V, Nb, Ta, Cr, Mo, W 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0.154R 0.633R 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, W n = 81/8+61/2 = 4 面心立方点阵（FCC） CNfcc = 12 -Fe , Al , Ni , Pb ,Cu , Ag , Au 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0.2

8、25R 面心立方晶胞中的空隙位置面心立方晶胞中的空隙位置 -Fe , Al , Ni , Pb ,Cu , Ag , Au 密排六方点阵（HCP） n = 121/6 + 2 + 3 = 6 理想状态，c/a=1.633时，a = 2R CNhcp= 12 Be,Mg,Zn,Cd,Zr, Hf, 低温低温Ti Fe淬火时发生固态相变淬火时发生固态相变FCC BCC ，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 2.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。

9、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向的符号称晶向指数晶向指数。 opuavbwc阵点坐标阵点坐标 a b c （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

10、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u v w即是。即是。 a b c 110 111 100 011 010 110 - 210 101 （代表一组互相平行，方向一致的晶向）（代表一组互相平行，方向一致的晶向） 1） 晶向指数晶向指数 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/p 4）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)

11、(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) (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指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶 面称作面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 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

12、 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。 X Z Y (221) 221 110 110 3）晶面族与晶向族）晶面族与晶向族 4）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

13、样的。列方式和排列紧密程度是不一样的。 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。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 3.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。 4.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

14、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： 点缺陷：点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如 空位空位、间隙原子间隙原子、杂质或溶质原

15、子杂质或溶质原子等。等。 线缺陷：线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺 寸较大的缺陷。主要是寸较大的缺陷。主要是位错位错。 面缺陷：面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上 尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、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。 原子的不规则排列产生晶体缺陷。晶体缺陷在材料组原子的不规则排列产生晶体缺陷。晶体缺陷在材料组 织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中织控制（如扩

16、散、相变）和性能控制（如材料强化）中 具有重要作用。具有重要作用。 4.实际金属中的晶体缺陷 (1) 点缺陷点缺陷 l 点缺陷点缺陷是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的 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 晶体点缺陷晶体点缺陷 包括包括空位空位、间隙原子间隙原子、置换原子置换原子，以及由，以及由 它们组成的复杂点缺陷，如它们组成的复杂点缺陷，如空位对空位对、空位团空位团和空和空位位-溶溶 质原子对质原子对等。等。 (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

17、位错 混合位错混合位错 位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局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 a. 先定位错线的先定位错线的正向正向 ，通常为，通常为 纸面方向纸面方向 b. 从任一原子出发，从任一原子出发，围绕位错围绕位错以一以一 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. 在完整晶体中，按同样的方向和在完整晶体中，按同样的方向和 步数作相同的回路，该回路封闭，步数作相同的回路，该回路封闭， 由由终点

18、终点向向起点起点引一矢量，使该回引一矢量，使该回 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。 - 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 b特点：其与位错线平行。 - 伯氏矢量伯氏矢量 位错密度位错密度单位体积内单位体积内 所包含的位错线总长度。所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.

19、 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 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亚晶粒亚晶粒是组成晶粒的尺寸是组成晶粒的尺寸 很小，位向差也很小很小，位向差也很小(1 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 1.1.2

20、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 1.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 1.1.2 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。

21、 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两相合金两相合金 黄铜黄铜 所谓所谓相相是指金属或合金中是指金属或合金中 凡成分相同、结构相同，并凡成分相同、结构相同，并 与其它部分有界面分开的均与其它部分有界面分开的均 匀组成部分。匀组成部分。 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。 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

22、1.1.2 1.1.2 合金的合金的晶体晶体结构结构 1. 固溶体固溶体 1）固溶体的分类）固溶体的分类 l按溶质原子所处位按溶质原子所处位 置置 分为分为置换固溶体置换固溶体 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合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的 固固相称相称固溶体固溶体。习惯以。习惯以 、 、 表示。表示。 随溶质含量增加随溶质含量增加, 固溶体的

23、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，Al-Cu合金为合金为120-145HBS 合金中其晶体结构与组成元素的

24、晶体结构均不相合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相 同的固相称同的固相称金属化合物金属化合物。金属化合物具有较高的。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。熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。 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Mg2Si 2). 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、H等等 小原子半径的非金属元素组成。小原子半径的非金属元素组成。 2. 金属化合物金属化合物 (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