第二章材料的结构

1、机械工程材料机械工程材料第二章 材料的结构 第一节 金属的晶体结构第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构 内容: 晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念 常见的三种晶格类型常见的三种晶格类型 目的: 掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备一、晶体结构的基本概念一、晶体结构的基本概念 （一）、晶体与非晶体（一）、晶体与非晶体 固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。在晶体中，

2、原子（或分子）按一定和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列的几何规律作周期性地排列 。非晶体中原子（或分子）非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青） 晶体和非晶体的对比项目晶体晶体非晶体非晶体定义原子呈有序、有规则排列的物质 原子呈无序、无规则堆积物质 性能特点具有规则的几何形状 有一定的熔点，性能呈各向异性 没有规则的几何形状 有固定的熔点，性能呈各向同性 典型物质石英、云母、明矾、食盐、硫酸铜、糖、味精 玻璃、蜂蜡、松香、沥青、橡胶 （二）、晶格、晶胞、晶格常数（二）、晶格、晶胞、晶格

3、常数 1、晶格 为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架构成一个空间格架，各原子，各原子的中心就处在格架的几个结点上，这种抽象的、用于描的中心就处在格架的几个结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格晶格。 2、晶胞 由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为了便于讨论为

4、了便于讨论 通常只从晶格中，选取一个通常只从晶格中，选取一个能够完全反能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元列的规律，这个最小的几何单元称为称为晶胞晶胞 ，整个晶，整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。复堆积而成的。 3 3、晶格常数、晶格常数 在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴其三条棱边作三个坐标轴X X、Y Y、Z Z，并称之为晶轴，而，并称之为晶

5、轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以棱边长度为反方向，并以棱边长度 和棱面夹角和棱面夹角 来表示晶胞的形状和大小来表示晶胞的形状和大小 。cb、ar、（三）、金属中常见晶格类型（三）、金属中常见晶格类型 由于金属键结合力较强，使金属原子总趋于紧密排由于金属键结合力较强，使金属原子总趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。 1 1、体心立方晶格、体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中在晶胞的中心和八个角上各有一

6、个原子心和八个角上各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻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的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1 18 8个原个原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为子数为8 81 18 81 12 2（个）（个）。具有体心立方晶格的金。具有体心立方晶格的金属有属有 、 W W、MoMo、V V 等。等。 eFarC 2、面心立方晶格 面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上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，晶胞角上的原和晶胞的六个面的中心都排一个

7、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两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为8 81 18 86 61 12 24 4（个）。（个）。 具有面心立方晶格的金属有具有面心立方晶格的金属有 、 CuCu、AuAu、AgAg等。等。 eFr Al 3、密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数表示。和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数表示。一

8、个是柱体的高度一个是柱体的高度c c，另一个是六边形的边长，另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角在晶胞的每个角上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子个原子。 密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、密排六方晶胞每个角上的原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独有。所以，密排六方晶胞中原子数为12121 16 62 21 12 23 36 6（个）。（个）。具有密排

9、六方晶格的金属有具有密排六方晶格的金属有Mg Mg 、ZnZn 。 （四）、晶体结构的致密度致密度 晶体结构的晶体结构的致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比，可用比，可用原子排列的紧密程度进行定量比较。原子排列的紧密程度进行定量比较。 在体心立方晶胞中，含有在体心立方晶胞中，含有2 2个原子。这个原子。这2 2个原子的体积为个原子的体积为2 2（4 43 3）rr3 3，式中式中r r为原子半径为原子半径 。故体心立方晶格的致密度为：故体心立方晶格的致密度为： 2 2个原子的体积与晶胞体积之比等于个原子的体积与晶胞体积之比等于0.680.68。 这表

10、明在体心立方晶格中，有这表明在体心立方晶格中，有6868的体积被原子所占据，其余的体积被原子所占据，其余为空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为为空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为0.740.74。显然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，显然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，当铁由面心当铁由面心立方晶格变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀立方晶格变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀。 第二节第二节 实际金属的晶体结构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单晶体单晶体：我们把晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。

11、：我们把晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。 如单晶硅（具有各向异性）如单晶硅（具有各向异性） 单晶体只有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用单晶体只有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体。的小单晶体组合在一起的多晶体。多晶体多晶体：由许多晶粒组成的晶体。（具有各向同性）：由许多晶粒组成的晶体。（具有各向同性）晶粒：晶粒：指外形呈多面体颗粒状的小晶体。它们之间的交指外形呈多面体颗粒状的小

12、晶体。它们之间的交界即为晶界。界即为晶界。 晶粒晶粒组成金属的小晶体。 晶界晶界由晶粒间不规则排列的原子构成。 多晶体示意图 二、晶体缺陷二、晶体缺陷 指晶体中原子紊乱排列的现象。指晶体中原子紊乱排列的现象。 （即原子排列的不完全性）（即原子排列的不完全性） 晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称为称为晶体缺陷晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（物。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性能、化学性能、机械性能）将产生显著影响。理性能、化学性能、机

13、械性能）将产生显著影响。 根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为以下三类：类： 点缺陷点缺陷 线缺陷线缺陷 面缺陷面缺陷 1 1、点缺陷、点缺陷晶格空位、置换原子和间隙原子晶格空位、置换原子和间隙原子 在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原在实际晶体结构中，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。位置，而处在晶格空隙之间的原子称为间隙

14、原子。 由于空位、置换原子和间隙原子的存在由于空位、置换原子和间隙原子的存在 ，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发生改变，如强度、硬度增加。如强度、硬度增加。 晶体中的空位和间隙原子处于不断地运动晶体中的空位和间隙原子处于不断地运动和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定和变化之中，在一定温度下，晶体内存在一定平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子平衡浓度的空位和间隙原子，空位和间隙原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金的运动，是金属中原子扩散的主要方式，对金属材料的热处理过程极为重要。属材料的热处理过程极为重要。 2 2、线缺陷、线缺陷位错、滑移

15、位错、滑移 晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错晶体中，某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很排现象，称为位错。其特征是在一个方向上的尺寸很长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通长，而另两个方向的尺寸很短。晶体中位错的数量通常用位错密度表示，位错密度是指单位体积常用位错密度表示，位错密度是指单位体积内内，位错，位错线的总长度。线的总长度。 位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如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。如金属材料的强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移

16、动有关。塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。的增加所致。 刃 型 位 错 示 意 图 a) 晶 格 立 体 模 型 b) 平 面 图 3 3、面缺陷、面缺陷晶界和亚晶界 实际金属材料是多晶体材料，则在晶体内部存在着大量的晶界和亚晶界。晶界和亚晶界实际上是一个原子排列不规则的区域（如图所示），该处晶体的晶格处于畸变状态，能量高于晶粒内部，在常温下强度和硬度较高，在高温下则较低，晶界容易被腐蚀等。 晶界的过渡结构示意图 亚晶界结构示意图 合合 金金 纯金属与合金的区

17、别：1.纯金属具有较好的导电、导热性，但力学性能较低，冶炼困难，价格高，在使用上受限制。2.合金具有更好的力学性能，得到广泛使用。 第三节第三节 合金的晶体结构合金的晶体结构（一）、合金合金的基本概念 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具有金属特性的物质，称为元素组成的具有金属特性的物质，称为合金合金。组成合组成合金的最基本的、独立的元素叫做组元金的最基本的、独立的元素叫做组元。组元通常是纯。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（如

18、铁碳合金由数目的多少，合金可以分为二元合金（如铁碳合金由铁和碳组成）、三元合金和多元合金。铁和碳组成）、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合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相叫做相。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都为液相，固态称为固相。由两个以上固相组成通常都为液相，固态称为固相。由两个以上固相组成时称为多相合金。时称为多相合金。由数量、形态、大小和分布方式不由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成了合金的组织。同的各种相组成了合金的组织。（分为：单相组织和多相组织。）（分为：单相组织和多相组

19、织。） 合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、形态、性能和形态、性能和组织组织所决定的。所决定的。 （二）、合金的组织结构合金的组织结构 在结晶时，在结晶时，由于各组元间相互作用的不同，合金由于各组元间相互作用的不同，合金的组织可分为：的组织可分为： 1 1、固溶体、固溶体 在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀固相在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀固相称为称为固溶体固溶体。分为：分为：间隙固溶体和置换固溶体间隙固溶体和置换固溶体。 不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶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

20、固溶体的剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变晶格发生畸变，使塑性变形抗，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度提高。力增大，结果使金属材料的强度、硬度提高。这种通这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高，塑性下降的现象，称为度升高，塑性下降的现象，称为固溶强化固溶强化。 固溶体中的晶格畸变示意图 a)间隙固溶体 b)置换固溶体 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，表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金可以在显著提高金属

21、材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，因此，对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。体为基体的合金。 2 2、金属化合物、金属化合物 合金组元间发生合金组元间发生相互作用相互作用而形成一种具有金属特性的而形成一种具有金属特性的物质。物质。 金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全不同。钢中渗碳体（完全不同。钢中渗碳体（FeFe3 3C C）是由铁原子和碳原子所组）是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶格形式。成的金属化合物，它具有复杂的晶格形式。 金属化合物的性能不同于任一组元，具有金属化合物的性能不同于任一组元，具有“三高一稳三高一稳”的特点：的特点：其溶点一般较高、硬而脆、化学稳定性好。（其溶点一般较高、硬而脆、化学稳定性好。（当当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象