第二章 常见金属晶体结构与结晶01

1、金属材料的机械性能金属材料的机械性能 金属材料的机械性能，即是指金属材料在外力（载荷）金属材料的机械性能，即是指金属材料在外力（载荷）作用时表现出来的性能。作用时表现出来的性能。 包括包括强度、塑性、硬度、韧性强度、塑性、硬度、韧性及及疲劳强度疲劳强度等。等。 载荷的形式载荷的形式一、强度一、强度 金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力金属材料抵抗塑性变形或断裂的能力, ,材料的强度材料的强度用拉伸试验测定。用拉伸试验测定。(a)(a)原始试样原始试样 （b)b)拉伸后试拉伸后试样样 圆形拉伸试样圆形拉伸试样拉伸试验拉伸试验 1. 1. 弹性极限弹性极限e e 材料保持弹性变形材料保持弹性变形, ,

2、 不产生永久变形的最不产生永久变形的最大应力。大应力。 2.屈服极限（屈服强度）屈服极限（屈服强度）s 金属开始发生明显塑性变形的抗力。金属开始发生明显塑性变形的抗力。铸铁等材料没有明显的屈服现象铸铁等材料没有明显的屈服现象,用用条件屈服极条件屈服极限限0.2表示（产生表示（产生0.2%残余应变时的应力值）。残余应变时的应力值）。 3. 3. 强度极限强度极限( (抗拉强度抗拉强度b b ) ) 表示金属受拉时所能承受的最大应力。表示金属受拉时所能承受的最大应力。 二、塑性 断裂前材料产生永久断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性。变形的能力称为塑性。 (a)(a)原始试样原始试样 （b)b)拉

3、伸后试样拉伸后试样 1. 1. 伸长率（伸长率（） 试样拉断后试样拉断后, , 标距的伸长与原始标距的百分标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。比称为伸长率。 2. 2. 断面收缩率（断面收缩率（） 试样拉断后试样拉断后, , 缩颈处截面积的最大缩减量与缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。原横断面积的百分比称为断面收缩率。硬度硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物体压入其表是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。面的能力，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。常用测量硬度的方法常用测量硬度的方法布氏硬度布氏硬度HB洛氏硬度洛氏硬度

4、HR维氏硬度维氏硬度HV布氏硬度布氏硬度布氏硬度试验是用一定直径布氏硬度试验是用一定直径D的淬火钢球或硬质合金球，在的淬火钢球或硬质合金球，在规定的试验力规定的试验力F的作用下，压的作用下，压入试件表面，并保持一定时间，入试件表面，并保持一定时间，卸除力卸除力F，测量压痕直径，测量压痕直径d，以压痕单位面积上的压力表示以压痕单位面积上的压力表示材料的布氏硬度值。材料的布氏硬度值。压头为淬火钢球时，用符号压头为淬火钢球时，用符号HBSHBS表示，适用于表示，适用于布氏硬度值在布氏硬度值在450HBS450HBS以下的材料。以下的材料。压头为硬质合金时，用符号压头为硬质合金时，用符号HBWHBW表

5、示，适用于表示，适用于布氏硬度在布氏硬度在450450650HBW650HBW的材料。的材料。其计算公式为：其计算公式为：FHBSA A- -表示凹印表面积（表示凹印表面积（mm ）。）。F- -表示试验力（表示试验力（f）。）。布氏硬度布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计布氏硬度计在实际使用中，布氏硬度值并不计算，也不用标注单位，在实际使用中，布氏硬度值并不计算，也不用标注单位，只需测出压痕直径只需测出压痕直径d，即可从布氏硬度表上查得。，即可从布氏硬度表上查得。布氏硬度的标注：符号布氏硬度的标注：符号HBS或或HBW之前的数字表示硬度之前的数字表示硬度值，符号后面的数

6、字按顺序分别表示球体直径、载荷及载值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。荷保持时间。120HBS10/1000/30表示直径为表示直径为10mm的淬火钢球在的淬火钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持）载荷作用下保持30s(10-15s不标注不标注)测得的布氏硬度值为测得的布氏硬度值为120。布氏硬度的优点是测量误差小，数据稳定，缺点是压痕大，布氏硬度的优点是测量误差小，数据稳定，缺点是压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。洛氏硬度洛氏硬度洛氏硬度试验是用顶角洛氏硬度试验是用顶角120的金刚石圆锥体的金

7、刚石圆锥体或直径或直径1.588mm淬火钢球作压头，加上一定载淬火钢球作压头，加上一定载荷，使压头压入工件表面，然后根据压痕的深荷，使压头压入工件表面，然后根据压痕的深度确定其硬度值。度确定其硬度值。洛氏硬度实验洛氏硬度实验原理原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度。试验时，先加初始试验力 98N（10kgf），使压头紧密接触试件表面a，并压入到b处，以此作为衡量压入深度的起点，再加主试验力使压头压入到c处，然后去掉主试验力，由于被试金属弹性变形的消除，压头向上回升到d处。表盘上读出即可。根据试验用的压头和载荷的不同，洛氏硬度分根据试验用的压头和载荷的不同，洛氏硬度分为为HRA、HRB、HRC

8、三种标尺，其中以三种标尺，其中以HRC应用最广。洛氏硬度值可直接从试验机的表盘应用最广。洛氏硬度值可直接从试验机的表盘上读出，不需计算，也不用标出单位。上读出，不需计算，也不用标出单位。洛氏硬度的标注：数字洛氏硬度的标注：数字+HRC(HRA/HRB)如如60HRC表示表示C标尺测定的洛氏硬度值为标尺测定的洛氏硬度值为60。洛氏硬度操作简便，压痕小，适用范围广，但洛氏硬度操作简便，压痕小，适用范围广，但测量结果不够精确。测量结果不够精确。试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表-2选择，对应的洛选择，对应的洛氏硬度标尺为氏硬度标尺

9、为HRA、HRB、HRC三种三种符号符号压头类型压头类型载荷载荷/kgf硬度有效范围硬度有效范围使用范围使用范围HRA金刚石圆锥金刚石圆锥体体607085适用于测量硬质合金、钢适用于测量硬质合金、钢表、淬火层或渗碳层表、淬火层或渗碳层HRB直径为直径为1.588mm钢钢球球10025100（相当（相当60230HB）适用于测量非铁金属退火、适用于测量非铁金属退火、火等火等HRC金刚石圆锥金刚石圆锥体体1502067(相当相当230700HB)适用于调质钢、淬火钢等适用于调质钢、淬火钢等120表表-2四、冲击韧度（ak） 许多机械零件和工具受到冲击载荷的作用。如活塞销、许多机械零件和工具受到冲击

10、载荷的作用。如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。锤杆、冲模和锻模等。 材料抵抗冲击载荷作用的能力称为材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性冲击韧性。 用摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样用摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功冲击吸收功, ,用符号用符号 A Ak k 表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积积 S S0 0 , , 即得到材料的即得到材料的冲击韧度冲击韧度 a ak k。冲击试样冲击试样冲击吸收功的测定冲击吸收功的测定 五、疲劳强度 轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的在工作过

11、程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种应力称为变化，这种应力称为交变应力交变应力( (也称循环应也称循环应力力) )。 在交变应力作用下，虽然零件所承受的在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂。这种工作而产生裂纹或突然发生完全断裂。这种过程称为过程称为金属的疲劳金属的疲劳。 交变应力越大交变应力越大,材料断裂时应力循环次数材料断裂时应力循环次数N越越少。当应力低于一定值时少。当应力低于一定值时,试样可以经受无限周期试样可以经受无限周期循环而不破坏循环而不破坏,此应力值称为材料的此应力值称为

12、材料的疲劳极限疲劳极限(亦叫亦叫疲劳强度疲劳强度)，用，用-1表示。表示。 六、断裂韧性 桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，名义断裂应力低于材料的屈服强度。应力脆断，名义断裂应力低于材料的屈服强度。 构件或零件存在裂纹。裂纹在应力作用下失稳构件或零件存在裂纹。裂纹在应力作用下失稳扩展，导致机件破断。扩展，导致机件破断。 材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性断裂韧性。 裂纹扩展的临界状态所对应的应力场裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强度因子称为强度因子称为临界应力场强度因子临界应力场强度因子，用，用K K

13、1C1C表示，单位为表示，单位为MN/mMN/m3/23/2，它代表材料的断裂它代表材料的断裂韧性。韧性。裂纹尖端应力场大小用应力场强度因子裂纹尖端应力场大小用应力场强度因子 表示。表示。KIY Y：系数：系数 ：外加应力：外加应力a a：裂纹半长：裂纹半长金属材料的理化性能金属材料的理化性能 一、金属的物理性能 1. 1. 密度密度 单位体积物质的质量称为该物质的单位体积物质的质量称为该物质的密度密度。 密度小于密度小于5 510103 3 kg/mkg/m3 3 的金属称为轻金属的金属称为轻金属, , 如铝、镁、钛及它们的合金。用于航天航空器如铝、镁、钛及它们的合金。用于航天航空器上。上。

14、 密度大于密度大于5 510103 3 kg/m kg/m3 3的金属称为重金属的金属称为重金属, , 如铁、铅、钨等。如铁、铅、钨等。 2. 2. 熔点熔点 金属从固态向液态转变时的温度称为金属从固态向液态转变时的温度称为熔点熔点。 熔点高的金属称难熔金属，如钨、钼、钒熔点高的金属称难熔金属，如钨、钼、钒等，制造耐高温零件，如火箭、导弹、燃气轮等，制造耐高温零件，如火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等零、部件。机和喷气飞机等零、部件。 熔点低的金属称为易熔金属如锡、铅等，熔点低的金属称为易熔金属如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。 3. 3. 导热

15、性导热性 导热性通常用热导率来衡量导热性通常用热导率来衡量。热导率越大。热导率越大, , 导热性越好。金属的导热性银为最好导热性越好。金属的导热性银为最好, , 铜、铝次铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。之。合金的导热性比纯金属差。 在热加工和热处理时，必须考虑导热性，防在热加工和热处理时，必须考虑导热性，防止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。以免零件变形或开裂。 选用导热性好的金属材料制造散热器、热交选用导热性好的金属材料制造散热器、热交换器与活塞等零件。换器与活塞等零件。4. 4. 导电性导电性传导电流的能力称传导电流的

16、能力称导电性导电性，用电阻率来衡量。，用电阻率来衡量。电阻率越小，金属材料导电性越好。电阻率越小，金属材料导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属电阻率小的金属( (纯铜、纯铝纯铜、纯铝) )适于制造导电零件适于制造导电零件和电线。和电线。电阻率大的金属或合金电阻率大的金属或合金( (如钨、钼、铁、铬、铝如钨、钼、铁、铬、铝) )适于做电热元件。适于做电热元件。5. 5. 热膨胀性热膨胀性材料随温度变化而膨胀、收缩的特性材料随温度变化而膨胀、收缩的特性。膨胀系数大的材料制造的零件膨胀系数大的材

17、料制造的零件, , 温度变化时温度变化时, , 尺寸和形状变化较大。尺寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制间隙尺轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制间隙尺寸；寸；在热加工和热处理时要考虑材料的热膨胀影响在热加工和热处理时要考虑材料的热膨胀影响, , 减少工件变形和开裂。减少工件变形和开裂。6. 6. 磁性磁性铁磁性材料铁磁性材料: :在外磁场中能强烈被磁化，如铁、钴。在外磁场中能强烈被磁化，如铁、钴。顺磁性材料顺磁性材料: :在外磁场中只微弱被磁化，如锰、铬。在外磁场中只微弱被磁化，如锰、铬。抗磁性材料抗磁性材料: :能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化能抗拒或削弱外磁场对材料本身

18、的磁化作用，如铜、锌等。作用，如铜、锌等。铁磁性材料制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁铁磁性材料制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如性材料用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。航海罗盘。居里点：居里点：铁磁性材料当温度升高到一定数值时，铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居居里点里点。如铁的居里点是。如铁的居里点是770 770 。二、金属的化学性能1. 1. 耐腐蚀性耐腐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其

19、它化学介质腐蚀破坏作用的能力称质腐蚀破坏作用的能力称耐腐蚀性耐腐蚀性。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。2. 2. 抗氧化性抗氧化性金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化性抗氧化性。 加入加入CrCr、SiSi等元素等元素, , 可提高钢的抗氧化性。可提高钢的抗氧化性。 如如4Cr9Si24Cr9Si2可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板, , 料盘等。料盘等。金属材料主要以金属键结

20、合，其强韧性好，塑金属材料主要以金属键结合，其强韧性好，塑性变形能力强，导电、导热性好，为主要的工性变形能力强，导电、导热性好，为主要的工程材料。程材料。金属材料的结构与性能金属材料的结构与性能 金属特性金属特性金属键决定：金属键决定：良好导电性良好导电性导热性导热性强韧性好，特别是很好的塑性变形能力强韧性好，特别是很好的塑性变形能力正电阻温度系数正电阻温度系数不透明、特有金属光泽不透明、特有金属光泽问题：问题：为什么绝大多数为什么绝大多数金属具有超导特性？金属具有超导特性？1.21.2 金属材料的性能金属材料的性能 金属材料的性能：金属材料的性能：工艺性能工艺性能 使用性能使用性能。 工艺性

21、能工艺性能 制造工艺过程中材料适应加工的性制造工艺过程中材料适应加工的性能。能。 包括铸造性能包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削、锻压性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能；加工性能、热处理性能； 使用性能使用性能 材料在使用条件下表现出来的性能。材料在使用条件下表现出来的性能。 包括力学性能、物理和化学性能包括力学性能、物理和化学性能 一、铸造性能 金属材料铸造成形获得优良金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸件的能力称为铸造性能铸造性能，用流用流动性、收缩性和偏析来衡量。动性、收缩性和偏析来衡量。铸造铸造 1. 1. 流动性流动性 熔融金属的流动能力称为熔融金属的流动能力称为流动性

22、流动性。 完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。 2. 2. 收缩性收缩性 铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为少的现象称为收缩性收缩性。 铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故铸造孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故铸造用金属材料的收缩率越小越好。用金属材料的收缩率越小越好。 3. 3. 偏析偏析 金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为的不均匀现象称为偏析偏析。 偏析大会使铸件各部分的力学

23、性能有很大偏析大会使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。的差异，降低铸件的质量。 二、锻造性能 金属材料用锻压加工方法成形的适应能力金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称称锻造性锻造性。锻造锻造冷冲冷冲 金属材料的塑性越好，变形抗力越小，金金属材料的塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。属的锻造性能越好。 三、焊接性能 金属材料对焊接加工的适应性称金属材料对焊接加工的适应性称焊接性焊接性。也也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。头的难易程度。 钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素

24、。 低碳钢和碳的质量分数低于低碳钢和碳的质量分数低于0.18 %0.18 %的合金钢的合金钢有较好的焊接性能。有较好的焊接性能。 碳含量和合金元素含量越高碳含量和合金元素含量越高, , 焊接性能越差。焊接性能越差。 电弧焊电弧焊 气焊气焊四、切削加工性能四、切削加工性能用切削后的表面粗糙度和刀具用切削后的表面粗糙度和刀具寿命来表示。寿命来表示。 金属材料具有适当的硬度金属材料具有适当的硬度(170 HBS(170 HBS230 HBS)230 HBS)和和足够的脆性时切削性良好。足够的脆性时切削性良好。 改变钢的化学成分改变钢的化学成分( (加少量铅、磷加少量铅、磷) )和进行适当的和进行适当

25、的热处理热处理( (低碳钢正火，高碳钢球化退火低碳钢正火，高碳钢球化退火) )可提高钢的可提高钢的切削加工性能。切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。切削加工切削加工 五、热处理工艺性能五、热处理工艺性能钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性, , 即钢接即钢接受淬火的能力。受淬火的能力。含含MnMn、CrCr、NiNi等合金元素的合金钢淬透性比较好等合金元素的合金钢淬透性比较好, , 碳钢的淬透性较差。碳钢的淬透性较差。 l铝合金的热处理要求较严。铝合金的热处理要求较严。 l铜合金只有几种可以用热处理强化。铜合金只有几种可以用热处理强化。

26、 第二章第二章 常见金属的晶体结构与结晶常见金属的晶体结构与结晶 金属材料的结构与性能金属材料的结构与性能 内容提要： 本章重点介绍金属材料的结构与组织，包括本章重点介绍金属材料的结构与组织，包括纯金属的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构、金纯金属的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构、金属材料的组织。一般介绍金属材料的性能。属材料的组织。一般介绍金属材料的性能。 学习目标： 本章重点掌握金属材料的晶体结构、晶体缺本章重点掌握金属材料的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。四硼酸铝铱钕晶体磷酸钛氧钾晶体四硼酸铝钕晶体非晶体非晶体 ： 蜂蜡、玻

27、璃等。蜂蜡、玻璃等。晶体：晶体：金刚石、金刚石、NaClNaCl、冰冰 等。等。怎么办？怎么办？晶胞晶胞abc 晶胞：晶胞：能反映该晶格特征的最小组成单元。能反映该晶格特征的最小组成单元。晶胞的几何特征：晶胞的几何特征： 棱边长棱边长a a、b b、c c 棱边间夹角棱边间夹角、 a a、b b、c c 称为称为晶格常数晶格常数。 金属的晶格常数一般为金属的晶格常数一般为: : 1 11010-10-10 m m7 71010-10 -10 m m (0.1nm (0.1nm0.7nm)0.7nm) 晶胞晶胞不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数的不不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常

28、数的不同，表现出不同的物理、化学和力学性能；金属的晶同，表现出不同的物理、化学和力学性能；金属的晶体结构可用体结构可用X X射线结构分析技术进行测定。射线结构分析技术进行测定。晶系晶系边长边长夹角夹角晶体实例晶体实例立方立方a=b=ca=b=c=90=90Cu , NaClCu , NaCl四方四方a=bca=bc=90=90Sn , SnOSn , SnO2 2正交正交abcabc=90=90I I2 2 , HgCl , HgCl2 2三方三方a=b=ca=b=c=90=90Bi , AlBi , Al2 2O O3 3六方六方a a1 1=a=a2 2=a=a3 3 c c=90=90=

29、120=120Mg , AgIMg , AgI单斜单斜abcabc=90=90=120=120S , KClOS , KClO3 3三斜三斜abcabc9090CuSOCuSO4 45H5H2 2O O 三种常见的金属晶体结构三种常见的金属晶体结构 重点内容重点内容1. 1. 体心立方晶格体心立方晶格( (胞胞) ( BCC ) ( BCC 晶格晶格) )八个原子处于立方体的角上八个原子处于立方体的角上, ,一个原子处于立方体的一个原子处于立方体的中心中心, , 角上八个原子与中心原子紧靠。角上八个原子与中心原子紧靠。具有体心立方晶格的金具有体心立方晶格的金属有钼属有钼(Mo)(Mo)、钨、钨

30、(W)(W)、钒钒(V)(V)、-铁铁(-Fe, (-Fe, 912 )912 )等。等。 体心立方晶胞特征：体心立方晶胞特征：（1 1）晶格常数）晶格常数 a=b=c, =a=b=c, =90=90 （2 2）晶胞原子数）晶胞原子数 角上原子属角上原子属8 8个相邻晶胞，中个相邻晶胞，中心原子属于该晶胞；心原子属于该晶胞；一个体心立方晶胞所含的原子一个体心立方晶胞所含的原子数为数为 2 2个。个。（3 3）原子半径）原子半径晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半称为原晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半称为原子半径子半径( (r r原子原子) )；体心立方晶胞中原子半径与晶格常数体心立方晶

31、胞中原子半径与晶格常数a a之间关系为：之间关系为： （4 4）致密度）致密度晶胞中原子占有的体积与该晶胞体积之比称为致晶胞中原子占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度密度( (也称密排系数也称密排系数) )；致密度越大，原子排列紧密程度越大。致密度越大，原子排列紧密程度越大。 体心立方晶胞的致密度为：体心立方晶胞的致密度为：体心立方晶胞特征：体心立方晶胞特征：（5 5）空隙半径）空隙半径在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。体在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。体心立方晶胞中有两种空隙：心立方晶胞中有两种空隙： 四面体空隙半径四面体空隙半径: :r r四四= =0.290.29r r

32、原子原子 八面体空隙半径八面体空隙半径: :r r八八= =0.150.15r r原子原子 四面体空隙半径四面体空隙半径八面体空隙半径八面体空隙半径体心立方晶胞特征：体心立方晶胞特征：（6 6）配位数）配位数配位数配位数: :晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目；原子数目；配位数越大，原子排列紧密程度就越大；配位数越大，原子排列紧密程度就越大；体心立方晶格的配位数为体心立方晶格的配位数为8 8。 体心立方晶胞特征：体心立方晶胞特征：2. 2. 面心立方晶格面心立方晶格( (胞胞) ( FCC ) ( FCC 晶格晶格) )金属原子分布在立方体的八

33、个角上和六个面的中心。金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。 具有这种晶格的金属：铝具有这种晶格的金属：铝(Al)(Al)、铜、铜(Cu)(Cu)、镍、镍(Ni)(Ni)、金、金(Au)(Au)、银、银(Ag)(Ag)、- - 铁铁( -Fe, 912 ( -Fe, 912 1394 )1394 )等。等。XYZabc 面心立方晶胞的特征：面心立方晶胞的特征：（1 1）晶格常数：）晶格常数：a=b=c, =a=b=c, =90=90（2 2）晶胞原子数：）晶胞原子数：4 4个个（3 3）原子半径：）原子半径：（

34、4 4）致密度）致密度：0.74 (74%)0.74 (74%)（5 5）空隙半径）空隙半径 四面体空隙半径四面体空隙半径: : r r四四=0.225=0.225r r原子原子 八面体空隙半径八面体空隙半径: : r r八八=0.414=0.414r r原子原子四面体空隙半径四面体空隙半径八面体空隙半径八面体空隙半径面心立方晶胞的特征：面心立方晶胞的特征：（6 6）配位数）配位数 12 12 3. 3. 密排六方晶格密排六方晶格( (胞胞) ( HCP ) ( HCP 晶格晶格) )十二个金属原子分布在六方体的十二个角上十二个金属原子分布在六方体的十二个角上, , 在上下在上下底面的中心各分

35、布一个原子底面的中心各分布一个原子, , 上下底面之间均匀分布上下底面之间均匀分布三个原子。三个原子。具有这种晶格的金属有具有这种晶格的金属有镁镁(Mg)(Mg)、镉、镉(Cd)(Cd)、锌、锌(Zn)(Zn)、铍、铍(Be)(Be)等。等。密排六方晶胞特征：密排六方晶胞特征：（1 1）晶格常数）晶格常数 正六边形的边长正六边形的边长a a 两底面之间的距离两底面之间的距离c c 相邻侧面夹角相邻侧面夹角120120 侧面与底面夹角侧面与底面夹角9090 1112+2+3=662创r=a/2r=a/2（2）晶胞原子数）晶胞原子数6（3 3）原子半径）原子半径（4）配位数）配位数：12（5 5）

36、致密度：）致密度：0.74 (74%)0.74 (74%)（6 6）空隙半径：）空隙半径： 四面体空隙半径四面体空隙半径为为: : r r四四= =0.2250.225r r原子原子 八面体空隙半径八面体空隙半径为为: : r r八八= =0.4140.414r r原子原子密排六方晶胞特征：密排六方晶胞特征：(7)(7)轴比：轴比：c/a=1.633aACAaaaaaaDO2 /4a3 /4aa)b)bbbcccc)bbbABC体心立方结构原子的堆垛方式体心立方结构原子的堆垛方式AB晶体中的晶面和晶向通过晶体中原子中心的平面叫做通过晶体中原子中心的平面叫做晶面晶面；通过原子中心的直线为原子列，

37、代表的方向叫通过原子中心的直线为原子列，代表的方向叫晶向晶向。晶面、晶向用晶面指数、晶向指数表达。晶面、晶向用晶面指数、晶向指数表达。 1. 1. 立方晶系的晶面表示方法立方晶系的晶面表示方法 以图中的晶向以图中的晶向DADA为例。为例。 2. 2. 立方晶系的晶向表示方法立方晶系的晶向表示方法立方晶胞中的主要晶向立方晶胞中的主要晶向晶向晶向OA OA ： 100 100 晶向晶向OB OB ： 110110晶向晶向OB OB ：晶向指数一般标记为晶向指数一般标记为 uvwuvw ，表示一组原子排列，表示一组原子排列相同的平行晶向。相同的平行晶向。111111ABBO100010001和000

38、0010l 例一、例一、已知某过原点晶向已知某过原点晶向上一点的坐标为上一点的坐标为1 1、1.51.5、2 2，求该直晶向指数。，求该直晶向指数。l 将三坐标值按比例化为最将三坐标值按比例化为最小整数加方括弧得小整数加方括弧得234234。l 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。l 找出找出1 1、1 1、0 0坐标点坐标点, ,连接连接原点与该点的直线即所求原点与该点的直线即所求晶向。晶向。110234当晶面平行某一晶轴，则晶面在该晶轴上截距为当晶面平行某一晶轴，则晶面在该晶轴上截距为，倒数为，倒数为0 0 。另外还有另外还有10010011

39、1111等晶面族等晶面族立方晶系的立方晶系的110晶面族晶面族(110)(101)(011)(10)(01)(01)000000如：如：(111)与与 ()l 例一、例一、求截距为求截距为 、1 1、 晶面的指晶面的指数。数。l 截距值取倒数为截距值取倒数为0 0、1 1、0 0，加圆括，加圆括弧得（弧得（010010）l 例二、例二、求截距为求截距为2 2、3 3、 晶面的指晶面的指数。数。 l 取倒数为取倒数为1/21/2、1/3 1/3 、 0, 0, 按比例按比例化为最小整数加圆括弧得（化为最小整数加圆括弧得（320320）l 例三、例三、画出（画出（112112）晶面）晶面 取三指数

40、的倒数取三指数的倒数1 1、1 1、1/2, 1/2, 化成最化成最小整数为小整数为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100111l 晶面族与晶向族晶面族与晶向族l ( (hklhkl) )与与 uvwuvw 分别表示的是一组平行的晶面和晶向。分别表示的是一组平行的晶面和晶向。l 指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶面和晶向称作晶指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶面和晶向称作晶面族或晶向族。分别用面族或晶向族。分别用 hklhkl 和和 表示。表示。)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()

41、101()110(:110)001()010()100(:100 、110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY111111111111 :111110011101011101110 :110001010100 :100 、111111111111XZY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110与与110方方向相反。向相反。XZY(221)221110110l 三种常见晶格的密排面和密排方向三

42、种常见晶格的密排面和密排方向l 单位面积晶面上单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。的原子数称晶面原子密度。l 单位长度晶向上单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。的原子数称晶向原子密度。l 原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。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11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底六方底面面1底面对角底面对角线线3100111110ABCDEOF（110） 晶面的截距可以为负数晶面的截距可以为负数, , 在指数上加负号在指数上加负号, , 如如 。 若某个

43、晶面若某个晶面 的指数都乘以的指数都乘以-1,-1,则得到晶则得到晶面面 , , 则晶面则晶面 与与 属于一组平行晶面。属于一组平行晶面。立方晶胞中的主要晶面立方晶胞中的主要晶面晶面指数的一般标记为晶面指数的一般标记为( (hklhkl) )。实际表示一组原子。实际表示一组原子排列相同的平行晶面。排列相同的平行晶面。晶面族：晶面族：在立方晶系中在立方晶系中, , 原子排列相同但在空间位向不同的晶原子排列相同但在空间位向不同的晶面组成晶面族。面组成晶面族。晶面族用大括号表示晶面族用大括号表示, , 即即 hklhkl 。111 111 晶面族晶面族在立方晶胞中在立方晶胞中 组成组成111111晶

44、面族：晶面族：若两个晶向的全部指数数值相同而符号相反若两个晶向的全部指数数值相同而符号相反, , 则则它们相互平行或为同一原子列它们相互平行或为同一原子列, , 但方向相反。但方向相反。 如如110110与与 。 若只研究原子排列情况若只研究原子排列情况, , 则晶向则晶向110110与与 可用同一个指数可用同一个指数110110表示。表示。晶向族晶向族原子排列情况相同而在空间位向不同的晶向组原子排列情况相同而在空间位向不同的晶向组成晶向族。成晶向族。晶向族用尖括号表示晶向族用尖括号表示, , 即即 。如如: = 100 + 010 + 001: = 100 + 010 + 001在立方晶系中

45、在立方晶系中, , 一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时同时, , 则该晶面与该晶向互相垂直。则该晶面与该晶向互相垂直。如：如：(111)111(111)111。晶面与晶向互相垂直晶面与晶向互相垂直4. 4. 密排面和密排方向密排面和密排方向 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上原子排列密度不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上原子排列密度不一样。不一样。密排面：密排面：原子密度最大的晶面。原子密度最大的晶面。密排方向：密排方向：原子密度最大的晶向。原子密度最大的晶向。 在体心立方晶格中，在体心立方晶格中， 密排面为密排面为110110。 密排方向为密排方

46、向为。 在面心立方晶格中在面心立方晶格中, , 密排面为密排面为111111。 密排方向为密排方向为。体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度晶面晶面 指数指数 体心立方晶格体心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格晶面原子晶面原子 排列示意图排列示意图 晶面原子晶面原子密度密度( (原子数原子数/ /面积面积) ) 晶面原子晶面原子 排列示意图排列示意图 晶面原子晶面原子密度密度( (原子数原子数/ /面积面积) ) 100 100 110 110 111 111 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

47、子排列和密度晶向晶向 指数指数 体心立方晶格体心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格晶向原子晶向原子 排列示意图排列示意图 晶向原子晶向原子密度密度( (原子数原子数/ /长度长度) ) 晶向原子晶向原子 排列示意图排列示意图 晶向原子晶向原子密度密度( (原子数原子数/ /长度长度) ) XYZXYZ金属晶体的特性 1. 1. 金属晶体具有确定的熔点金属晶体具有确定的熔点 纯金属缓慢加热到一定温度纯金属缓慢加热到一定温度, , 固态金属熔化成为液态固态金属熔化成为液态金属。熔化过程中温度不变。金属。熔化过程中温度不变。熔化温度熔化温度( (T T0 0) )称为称为熔点熔点。晶体和非晶体的熔化

48、曲线晶体和非晶体的熔化曲线非晶体材料在加热非晶体材料在加热时时, , 固态转变为液固态转变为液态时态时, , 温度变化。温度变化。 2. 2. 金属晶体具有各向异性金属晶体具有各向异性在晶体中在晶体中, , 不同晶面和晶向上原子排列的方不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的同。这种性质叫做晶体的各向异性各向异性。 单晶体铁单晶体铁( (只含一个晶粒只含一个晶粒) )的弹性模量，的弹性模量， 方向上为方向上为2.902.9010105

49、 5 MPa, MPa, 方向上只有方向上只有1.351.3510105 5 MPaMPa。 单晶体铁在磁场中沿单晶体铁在磁场中沿方向磁化容方向磁化容易。制造变压器用的硅钢片的易。制造变压器用的硅钢片的方向应平方向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。行于导磁方向，以降低变压器的铁损。 锌在盐酸中溶解时，晶面的溶解速度锌在盐酸中溶解时，晶面的溶解速度的次序从大到小是：的次序从大到小是： 各向异性：各向异性：晶体晶体在不同的方向上的力学、在不同的方向上的力学、物理和化学等方面的性能不一样。物理和化学等方面的性能不一样。 各向同性：各向同性：非晶体非晶体在各个方向上性能完在各个方向上性能完全相同，

50、这种性质叫非晶体的全相同，这种性质叫非晶体的各向同性各向同性。 伪各向同性：伪各向同性：实际使用的金属实际使用的金属, , 内部有内部有许多晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向许多晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，在宏观上沿各个方向上的性能趋于相不同，在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同，晶体的各向异性显示不出来。同，晶体的各向异性显示不出来。 练习练习 写出体心立方晶格、面心立方晶格的写出体心立方晶格、面心立方晶格的密排面和密排方向。密排面和密排方向。晶体缺陷类型晶体缺陷类型（1 1）点缺陷：空位、间隙原子、异类（杂质）原子）点缺陷：空位、间隙原子、异类（杂质）原子（2 2）线缺陷：位错）

51、线缺陷：位错（3 3）面缺陷：晶界与亚晶界）面缺陷：晶界与亚晶界（4 4）体缺陷：气泡、空洞、镶嵌块、沉淀相）体缺陷：气泡、空洞、镶嵌块、沉淀相一、点缺陷一、点缺陷 在三维尺度上都很小的的缺陷。在三维尺度上都很小的的缺陷。如果间隙原子是其它元素就称为如果间隙原子是其它元素就称为: : 异类原子异类原子（杂质原子）（杂质原子）空位空位间隙原子间隙原子实际金属中的晶体缺陷实际金属中的晶体缺陷 实际金属存在不同类型的缺陷。实际金属存在不同类型的缺陷。（1 1）空位）空位晶格中某结点上没有原子。有晶格中某结点上没有原子。有利于金属内部原子的扩散。利于金属内部原子的扩散。（2 2）间隙原子）间隙原子位于

52、晶格间隙之中的原子叫间隙位于晶格间隙之中的原子叫间隙原子。原子。（3 3）异类原子）异类原子纯金属中存在的其它元素。纯金属中存在的其它元素。异类原子与金属原子的半径接近时异类原子与金属原子的半径接近时, , 占据晶格的一占据晶格的一些结点些结点; ; 异类原子的半径比金属原子的半径小得多异类原子的半径比金属原子的半径小得多, , 位于晶位于晶格的空隙中。格的空隙中。 异类原子异类原子 老师提示：老师提示：点缺陷造成局部晶格畸变点缺陷造成局部晶格畸变, , 使金属使金属的电阻率、屈服强度增加的电阻率、屈服强度增加, , 密度发生变化。密度发生变化。 指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，叫指两维

53、尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，叫位错。由晶体中原子平面的错动引起。位错。由晶体中原子平面的错动引起。二、线缺陷二、线缺陷 刃型位错与螺型位错刃型位错与螺型位错二、线缺陷二、线缺陷 刃型位错与螺型位错刃型位错与螺型位错刃型位错刃型位错（1）刃型位错）刃型位错刃型位错：晶体的一部分出刃型位错：晶体的一部分出现一个多余的半原子面，如现一个多余的半原子面，如切入晶体的刀片，刀片的刃切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。口线即为位错线。半原子面在上面的称正刃型半原子面在上面的称正刃型位错位错, , 半原子面在下面的称半原子面在下面的称负刃型位错。负刃型位错。位错位错地毯挪动晶体局部滑移造成的刃型位错

54、刃型位错形成的原因特点：滑移方向与位错线垂直，符号特点：滑移方向与位错线垂直，符号，有多余半片原子面。，有多余半片原子面。（2 2）螺型位错）螺型位错螺型位错示意图螺型位错：晶体右边的螺型位错：晶体右边的上部相对于下部向后错上部相对于下部向后错动一个原子间距，晶面动一个原子间距，晶面发生错动，错动区的原发生错动，错动区的原子用线连接起来，成螺子用线连接起来，成螺旋状。旋状。晶体局部滑移造成的螺型位错螺型位错的形成原因螺型位错的形成原因特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺丝状，称螺型位错。呈螺丝状，称螺型位错。a-正常面

55、网正常面网b-刃型位错刃型位错c-螺型位错螺型位错线缺陷原子面网示意图线缺陷原子面网示意图刃型位错的运动刃型位错的运动螺型位错的运动螺型位错的运动混合型位错的运动混合型位错的运动塑性变形中位错的运动塑性变形中位错的运动位错的形成：位错的形成：在金属的结晶、塑性变形和相变等过在金属的结晶、塑性变形和相变等过程中形成。程中形成。位错的量：位错的量：用位错线长度来表示。用位错线长度来表示。位错密度：位错密度：单位体积中位错线的总长度单位体积中位错线的总长度， 即即 式中：式中： 为位错密度为位错密度, , 单位为单位为m m-2-2， LL 为位错线总长度为位错线总长度, , 单位为单位为m, m,

56、 V V为体积为体积, , 单位为单位为m m3 3。位错对性能的影响：位错对性能的影响： 退火金属中位错密度一般为退火金属中位错密度一般为 1010101012 12 m m-2-2 左右。左右。 当金属为理想晶体或含极少量位错时当金属为理想晶体或含极少量位错时, , 金属的屈服金属的屈服强度强度 s s 很高。很高。 当含有一定量的位错时当含有一定量的位错时, , 强度降低。强度降低。 当进行形变加工时当进行形变加工时, , 位错密度增加位错密度增加, , s s 将会增高。将会增高。 不锈钢中的位错线不锈钢中的位错线金属的强度与位错密度的关系金属的强度与位错密度的关系三、面缺陷三、面缺陷

57、晶粒（单晶体）晶粒（单晶体）晶界晶界涉及较大范围（二维方向），如：晶界、晶体的表面及堆垛层错。涉及较大范围（二维方向），如：晶界、晶体的表面及堆垛层错。亚晶界亚晶界晶界(grain boundary)：多数晶体物质是由许多晶粒所组成,属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面. 亚晶界(subgrain boundary) ：每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成,相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界.晶粒的平均直径通常在0.0150.25nm范围内,而亚晶粒的平均直径则通常为0.001nm. 面缺陷面缺陷二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。（1 1）晶界）晶

58、界实际金属为多晶体，每个晶粒可视实际金属为多晶体，每个晶粒可视为单晶体。为单晶体。所有晶粒结构相同所有晶粒结构相同, , 位向不同位向不同, , 位位向差为几十分、几度或几十度。向差为几十分、几度或几十度。1Cr171Cr17不锈钢的多晶体不锈钢的多晶体晶界原子排列晶界原子排列示意图示意图晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界晶界。晶界在空间呈网状；晶界上原子晶界在空间呈网状；晶界上原子的排列规则性较差。的排列规则性较差。（2 2）亚晶界）亚晶界晶粒由许多位向相差很小的亚晶粒晶粒由许多位向相差很小的亚晶粒( (嵌镶块嵌镶块) )组成。亚晶粒之间的位向差组成。亚晶粒之间的位

59、向差只有几秒、几分，最多达只有几秒、几分，最多达1 12 2度。度。亚亚晶粒之间的边界叫晶粒之间的边界叫亚晶界亚晶界。亚晶界可。亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成。由位错垂直排列成位错墙而构成。晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多越多, , 晶粒越细晶粒越细, , 金属的塑性变形能力越金属的塑性变形能力越大大, , 塑性越好。塑性越好。亚晶界亚晶界根据相邻晶界之间的位向差（根据相邻晶界之间的位向差（）不同，晶界可以分为两类：）不同，晶界可以分为两类：小角度晶小角度晶两相邻晶粒的位向差约小于两相邻晶粒的位向差约小于10，即，即10，一般由位错组成。一般由

60、位错组成。大角度晶界大角度晶界两晶粒间的位向差较大，一般大于两晶粒间的位向差较大，一般大于10晶界演示图晶界演示图01010180挛晶关系挛晶关系非共格挛晶界非共格挛晶界孪晶孪晶相邻两晶粒或一个晶粒内部相邻两部分沿一相邻两晶粒或一个晶粒内部相邻两部分沿一 个公共晶面构成镜面对称的位向关系。个公共晶面构成镜面对称的位向关系。公共晶面就称为公共晶面就称为孪晶面孪晶面。孪晶间的界面称为孪晶间的界面称为孪晶界孪晶界。1.1.21.1.2 合金的晶体结构合金的晶体结构 组元：组元：组成合金的独立的、最基本的单元。组成合金的独立的、最基本的单元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。组元可以是金属、非金