第1章+金属材料的晶体结构.

1、机械工程材料机械工程材料大连海洋大学精品课程大连海洋大学精品课程大连理工大学经济系0501班 姜珊2目录目录第第4 4篇篇 材料的应用材料的应用第第3 3篇篇 常用机械工程材料常用机械工程材料第第2 2篇篇 金属材料组织和性能的控制金属材料组织和性能的控制第第1 1篇篇 金属材料的结构与性能金属材料的结构与性能大连理工大学经济系0501班 姜珊3第第1 1篇篇 金属材料的结构与性能金属材料的结构与性能第第2 2章章 金属材料的性能金属材料的性能 第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构33大连理工大学经济系0501班 姜珊41.1.1 晶体与非晶体晶体与非晶体第第1 1章章 金属材

2、料的晶体结构金属材料的晶体结构晶体是指原子呈规则排列的固体。晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。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。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。晶体和非晶体可互相转化。金属的结构金属的结构（a）晶态）晶态（b）非晶态）非晶态SiO2的结构的结构大连理工大学经济系0501班 姜珊51.1.2 1.1.2 金属材料的特性和金属键金属材料的特性和金属键第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构以金属键结合为主以金属键结合为主 良好的导电性

3、、导热良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽性、延展性和金属光泽 用量最大、应用最广泛用量最大、应用最广泛正离子正离子电子云电子云大连理工大学经济系0501班 姜珊61.1.3 1.1.3 晶体结构的概念晶体结构的概念第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构1.1.晶格：晶格：用假想的直用假想的直线将原子中心连接起线将原子中心连接起来所形成的三维空间来所形成的三维空间格架。格架。2.2.晶胞：晶胞：能代表晶格能代表晶格原子排列规律的最小原子排列规律的最小几何单元。几何单元。晶格和晶胞示意图晶格和晶胞示意图大连理工大学经济系0501班 姜珊71.1.3 1.1.3 晶体结构的概念晶体

4、结构的概念第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构3.3.晶格常数：晶格常数：晶胞个边晶胞个边的尺寸的尺寸 a a、b b、c c。各棱间的夹角用各棱间的夹角用、表示。表示。* *晶系：晶系：根据晶胞参数根据晶胞参数不同，将晶体分为七种不同，将晶体分为七种晶系。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90%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。大连理工大学经济系0501班 姜珊81.1.4 1.1.4 金属中常见的晶格类型金属中常见的晶格类型-体心立方晶格体心立方晶格第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构常见金

5、属：常见金属：-Fe-Fe、CrCr、W W、MoMo、V V、NbNb等等。大连理工大学经济系0501班 姜珊91.1.4 1.1.4 金属中常见的晶格类型金属中常见的晶格类型-面心立方晶格面心立方晶格第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构常见金属：常见金属：-Fe-Fe、NiNi、AlAl、CuCu、PbPb、AuAu等等大连理工大学经济系0501班 姜珊101.1.4 1.1.4 金属中常见的晶格类型金属中常见的晶格类型-密排六方晶格密排六方晶格第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构常见金属：常见金属：MgMg、ZnZn、 Be Be、CdCd等等大连理工大学

6、经济系0501班 姜珊111.1.5 1.1.5 晶格的致密度晶格的致密度第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构1.1.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。2.2.晶胞中原子数：晶胞中原子数：一个晶胞内所一个晶胞内所包含的原子数目。包含的原子数目。3.3.配位数配位数：晶格中与任一原子距：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。离最近且相等的原子数目。4.4.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。大连理工大学经济系0501班 姜珊121.1.5 1.1.5 晶格的致

7、密度晶格的致密度第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构晶格类型晶格类型晶胞中原子数晶胞中原子数原子半径原子半径致密度致密度配位数配位数体心立方晶格体心立方晶格2 20.680.688 8面心立方晶格面心立方晶格4 40.740.741212密排六方晶格密排六方晶格6 60.680.681212三种典型金属晶格的相关数据三种典型金属晶格的相关数据34a24a12a大连理工大学经济系0501班 姜珊131.1.6 1.1.6 晶面和晶向及晶体的各向异性晶面和晶向及晶体的各向异性第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构晶面：晶面：晶体中晶体中通过一系列原子中心所构成的平面。

8、通过一系列原子中心所构成的平面。晶向：晶向：通过两个以上原子中心的直线，可代表某通过两个以上原子中心的直线，可代表某一原子列在晶格空间的位向。一原子列在晶格空间的位向。l表示晶面的符号称表示晶面的符号称晶面指数晶面指数。l表示晶向的符号称表示晶向的符号称晶向指数晶向指数。大连理工大学经济系0501班 姜珊141.1.6 1.1.6 晶面和晶向及晶体的各向异性晶面和晶向及晶体的各向异性第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构1.1.晶面指数：晶面指数： 确定原点，建立坐确定原点，建立坐标系，求出所求晶面标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截在三个坐标轴上的截距。距。 取三个截距值的倒取

9、三个截距值的倒数并按比例化为最小数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形整数，加圆括弧，形式为（式为（hklhkl）。）。大连理工大学经济系0501班 姜珊151.1.6 1.1.6 晶面和晶向及晶体的各向异性晶面和晶向及晶体的各向异性第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构1.1.晶面指数：晶面指数：例一例一 求截距为求截距为、1 1、 晶面的指数晶面的指数 截距值取倒数为截距值取倒数为0 0、1 1、0 0，加圆括弧得（，加圆括弧得（010010）例二例二 求截距为求截距为2 2、3 3、 晶面的指数晶面的指数 取倒数为取倒数为1/21/2、1/3 1/3 、0, 0, 化为最小整

10、数加圆括弧得化为最小整数加圆括弧得（320320）例三例三 画出（画出（112112）晶面）晶面 取三指数的倒数取三指数的倒数1 1、1 1、1/2, 1/2, 化成最小整数为化成最小整数为2 2、2 2、1 1，即为，即为X X、Y Y、Z Z三坐标轴上的截距三坐标轴上的截距大连理工大学经济系0501班 姜珊161.1.6 1.1.6 晶面和晶向及晶体的各向异性晶面和晶向及晶体的各向异性第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构2.2.晶向指数：晶向指数： 确定原点，建确定原点，建立坐标系，过原点立坐标系，过原点作所求晶向的平行作所求晶向的平行线。线。 求直线上任一求直线上任一点的

11、坐标值并按比点的坐标值并按比例化为最小整数，例化为最小整数，加方括弧。形式为加方括弧。形式为uvwuvw。大连理工大学经济系0501班 姜珊171.1.6 1.1.6 晶面和晶向及晶体的各向异性晶面和晶向及晶体的各向异性第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构大连理工大学经济系0501班 姜珊181.1.6 1.1.6 晶面和晶向及晶体的各向异性晶面和晶向及晶体的各向异性第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构例一例一 已知某过原点晶向上一点的坐标为已知某过原点晶向上一点的坐标为1 1、1.51.5、2 2，求，求该直线的晶向指数。该直线的晶向指数。将三坐标值化为最小整

12、数加方括弧得将三坐标值化为最小整数加方括弧得234234。 例二例二 已知晶向指数为已知晶向指数为110, 110, 画出该晶向。画出该晶向。 找出找出1 1、1 1、0 0坐标点坐标点, ,连接原连接原点与该点的直线即所求晶向。点与该点的直线即所求晶向。110234大连理工大学经济系0501班 姜珊191.1.6 1.1.6 晶面和晶向及晶体的各向异性晶面和晶向及晶体的各向异性第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构* *晶面族与晶向族晶面族与晶向族: :(hkl)(hkl)与与uvwuvw分别表示的是一组平行的晶向和晶面。分别表示的是一组平行的晶向和晶面。指数虽然不同，但指数虽

13、然不同，但原子排列完全相同原子排列完全相同的晶向和晶面称作的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用晶向族或晶面族。分别用hklhkl和和表示。表示。(111)(111)其它的其它的( ( 111)111)晶面晶面大连理工大学经济系0501班 姜珊201.1.6 1.1.6 晶面和晶向及晶体的各向异性晶面和晶向及晶体的各向异性第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构* *立方晶系常见的晶面为：立方晶系常见的晶面为：)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、大连理工大学经济

14、系0501班 姜珊211.1.6 1.1.6 晶面和晶向及晶体的各向异性晶面和晶向及晶体的各向异性第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构* *立方晶系常见的晶立方晶系常见的晶向向为：为：111111111111:111110011101011101110:110001010100:100 、大连理工大学经济系0501班 姜珊221.1.6 1.1.6 晶面和晶向及晶体的各向异性晶面和晶向及晶体的各向异性第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构XZY(221)221110110说明：说明： 在立方晶系中，指在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向数相同的晶面与晶向相互垂直。相

15、互垂直。 遇到负指数，遇到负指数，“-”-”号放在该指数的上方。号放在该指数的上方。 晶向具有方向性，晶向具有方向性， 如如110110与与110110方向方向相反。相反。 大连理工大学经济系0501班 姜珊231.1.6 1.1.6 晶面和晶向及晶体的各向异性晶面和晶向及晶体的各向异性第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构3 3. .密排面和密排方向密排面和密排方向：单位面积晶面上的原子数称单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密

16、排方向密排面或密排方向。密排面密排面数量数量密排方向密排方向数量数量体心立方晶格体心立方晶格1101106 64 4面心立方晶格面心立方晶格1111114 46 6密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1 1底面对角线底面对角线3 3大连理工大学经济系0501班 姜珊241.1.6 1.1.6 晶面和晶向及晶体的各向异性晶面和晶向及晶体的各向异性第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构3 3. .密排面和密排方向密排面和密排方向：体心立方体心立方(110)(110)面面面心立方面心立方(111)(111)面面 密排六方底面密排六方底面大连理工大学经济系0501班 姜珊251.1.

17、6 1.1.6 晶面和晶向及晶体的各向异性晶面和晶向及晶体的各向异性第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构4.4.晶体的各向异性晶体的各向异性：同一晶格同一晶格 不同晶面不同晶面 不同晶向不同晶向 原子排列疏密不同原子排列疏密不同原子结合力不同原子结合力不同不同晶面和晶向显示不同的性能不同晶面和晶向显示不同的性能力学性能力学性能 物理性能物理性能 化学性能化学性能 表现表现 各向异性各向异性大连理工大学经济系0501班 姜珊261.2.11.2.1 金属的多晶体结构金属的多晶体结构第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构单晶体单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。：其

18、内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体多晶体：晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、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。外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。纯铁组织纯铁组织晶粒示意图晶粒示意图大连理工大学经济系0501班 姜珊271.2.11.2.1 金属的多晶体结构金属的多晶体结构第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构沿晶断口沿晶断口铅锭宏观组织铅锭宏观组织大连理工大学经济系0501班 姜珊281.2.11.2.1 金属的多晶体结构金属的多晶体结构第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构晶界：晶界：晶

19、粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。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。光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图多晶体示意图大连理工大学经济系0501班 姜珊291.2.21.2.2 实际金属的晶体缺陷实际金属的晶体缺陷第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构晶体缺陷：晶体缺陷：晶格的不完整部位称晶体缺陷。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，实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。即点、线、面缺陷。大连理工大学经济系0501

20、班 姜珊301.2.21.2.2 实际金属的晶体缺陷实际金属的晶体缺陷第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构 点缺陷点缺陷 空间三维尺寸空间三维尺寸都很小的缺陷。都很小的缺陷。空位空位间隙原子间隙原子置换原子置换原子大连理工大学经济系0501班 姜珊311.2.21.2.2 实际金属的晶体缺陷实际金属的晶体缺陷第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构a.a.空位：空位：晶格中某些缺排原子晶格中某些缺排原子的空结点。的空结点。b.b.间隙原子：间隙原子：挤进晶格间隙中挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。也可以是外来原子

21、。体心立方的四面体和八面体间隙体心立方的四面体和八面体间隙大连理工大学经济系0501班 姜珊321.2.21.2.2 实际金属的晶体缺陷实际金属的晶体缺陷第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构c.c.置换原子：置换原子：取代原来原子位取代原来原子位置的外来原子称置换原子。置的外来原子称置换原子。* *晶格畸变晶格畸变：点缺陷破坏了原子点缺陷破坏了原子的平衡状态的平衡状态，使晶格发生扭曲。，使晶格发生扭曲。从而使强度、硬度提高，塑性、从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。韧性下降。空位空位间隙原子间隙原子小置换原子小置换原子大置换原子大置换原子大连理工大学经济系0501班 姜珊33

22、1.2.21.2.2 实际金属的晶体缺陷实际金属的晶体缺陷第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构 线缺陷线缺陷位错位错晶体中某处有一列或若干晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律错排的列原子发生有规律错排的现象。分为刃型位错和螺现象。分为刃型位错和螺型位错。型位错。刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错大连理工大学经济系0501班 姜珊341.2.21.2.2 实际金属的晶体缺陷实际金属的晶体缺陷第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构刃型位错刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子原

23、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。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，用半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ”“ ”表示表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ”“ ”表示表示。刃位错刃位错大连理工大学经济系0501班 姜珊351.2.21.2.2 实际金属的晶体缺陷实际金属的晶体缺陷第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构螺型螺型位错位错：上下两部分原子排列沿晶面发生错动，错上下两部分原子排列沿晶面发生错动，错位区的原子用线连接起来，表现出螺旋特征，这种线位区的原子用线连接起来，表现出螺旋特

24、征，这种线缺陷称为螺型位错。缺陷称为螺型位错。大连理工大学经济系0501班 姜珊361.2.21.2.2 实际金属的晶体缺陷实际金属的晶体缺陷第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构位错密度：位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。单位体积内所包含的位错线总长度。 = = L L/V/V 位错密度，位错密度，m m-2-2；LL位错线总长度，位错线总长度，m m；VV体积体积, m, m-2-2。位错对性能的影响：位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。减少或

25、增加位错密度都可以提高金属的强度。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。大连理工大学经济系0501班 姜珊371.2.21.2.2 实际金属的晶体缺陷实际金属的晶体缺陷第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构 面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，位向差一般为是不同位向晶粒的过度部位，位向差一般为20204040。大连理工大学经济系0501班 姜珊381.2.21.2.2 实际金属的晶体缺陷实际金属的晶体缺陷第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构亚晶界亚晶界是一系列刃型位错组成的小角度晶界。是一系列刃型位错组成的小角度晶界。亚晶粒亚晶

26、粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位错壁位错壁大连理工大学经济系0501班 姜珊391.3.1 1.3.1 合金的基本概念合金的基本概念第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构1.1.合金合金由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的元素组成的具有金属特性具有金属特性的物质。的物质。Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜大连理工大学经济系0501班 姜珊401.3.1 1.3.1 合金的基本概念合金的基本概念第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构2.2.组元：组元：组成合金的组成合金的最基本最基本的的独立物质独立

27、物质；组元是纯元素或稳定的化合物；组元是纯元素或稳定的化合物；组元数目为二元、三元或多元。组元数目为二元、三元或多元。3.3.合金系：合金系：给定组元，按照不同比例配制出一系列给定组元，按照不同比例配制出一系列成分不同的合金。成分不同的合金。4.4.相：相：是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，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。并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。 合金的组织是合金中各种相的结合体。合金的组织是合金中各种相的结合体。大连理工大学经济系0501班 姜珊411.3.2 1.3.2 合金的相结构合金的相结构第第1 1章章 金属材料的晶体结构

28、金属材料的晶体结构1.1.固溶体固溶体（1 1）固溶体的定义及分类）固溶体的定义及分类合金组元在液态时相互溶解，在固态时仍能互相溶解合金组元在液态时相互溶解，在固态时仍能互相溶解而形成一种成分和性能均匀且而形成一种成分和性能均匀且结构与组元之一相同的结构与组元之一相同的固相；固相；与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质；与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质；按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。大连理工大学经济系0501班 姜珊421.3.2 1.3.2 合金的相结构合金的相结构第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的

29、晶体结构 置换固溶体置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。有限固溶体有限固溶体 无限固溶体无限固溶体Cu-Ni置换固溶体置换固溶体大连理工大学经济系0501班 姜珊431.3.2 1.3.2 合金的相结构合金的相结构第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构 间隙间隙固溶体固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的一般规律为形成间隙固溶体的一般规律为r r质质/r/r剂剂0.590.59。间隙固溶体都是有限固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体。Fe-CFe-

30、C间隙固溶体间隙固溶体大连理工大学经济系0501班 姜珊441.3.2 1.3.2 合金的相结构合金的相结构第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构（2 2）固溶体的性能：）固溶体的性能：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、韧性塑性、韧性下降下降固溶强化固溶强化。原因是溶质原子使晶格发生原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。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。和韧性则要高得多。大连理工大学经济系0501班 姜珊451.3.2 1.3.2 合金的相结构合金的相结构第第1 1章章 金属材料的晶体结构金属材料的晶体结构2.2.金属化合物：金属化合物：合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同均不相同的的固相称金属化合物。固相称金属化合物。较高的熔点