第一章 工程材料的结构.

1、1.1 金属的晶体结构和组织金属的晶体结构和组织 1.晶体晶体与非晶体与非晶体 3.实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构 4.晶体中的扩散晶体中的扩散 2. 金属的晶体金属的晶体结构结构一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体1. 晶体晶体：指原子呈规则、指原子呈规则、周期性周期性排列的固体。排列的固体。常态下金属主要以常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体非晶体：原子原子呈呈无规则堆积，和液体相似，亦称为无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体过冷液体”或或“无定形体无定形体”。 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

2、。2. 2. 区别区别(a)(a)是否具有周期性、对称性是否具有周期性、对称性(b)(b)是否长程有序是否长程有序(c)(c)是否有确定的熔点是否有确定的熔点(d)(d)是否各向异性是否各向异性金属的结构金属的结构晶态晶态非晶态非晶态Si2O的结构的结构二、二、金属的晶体结构金属的晶体结构1.1.金属的晶体结构金属的晶体结构晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。式。1 1）理想晶体理想晶体实际晶体的理想化实际晶体的理想化三维空间无限延续，无边界三维空间无限延续，无边界严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷。严格按周期性规划排列，是完整的

3、、无缺陷。原子在其平衡位置静止不动原子在其平衡位置静止不动2 2）理想晶体的晶体学抽象）理想晶体的晶体学抽象空间规则排列的原子空间规则排列的原子刚球模型刚球模型晶格（刚球抽象为晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）晶格结点，构成空间格架）晶胞（具有周期性最小晶胞（具有周期性最小组成单元）组成单元） 晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空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间格架。直线的交点（即原子中心）称。直线的交点（即原子中心）称结点结点。由结点形成由结点形成的空间的阵列称的空间的阵列称空间点阵空间点阵。晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元能代表

4、晶格原子排列规律的最小几何单元. .3）晶胞的描述 晶体学参数：a,b,c,晶格常数：a,b,c4)晶系：晶系：根据晶胞参数不同，根据晶胞参数不同， 将晶体分为七种晶系。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 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5）原子半径：）原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原晶胞中原子密度最大方向上相邻原 子间距的一半。子间距的一半。6)晶胞原子数晶胞原子数：一个晶胞内所包含的

5、原子数目。一个晶胞内所包含的原子数目。7)配位数配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的晶格中与任一原子距离最近且相等的 原子数目。原子数目。8)致密度致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。晶胞中原子本身所占的体积百分数。2.三种典型的金属晶体晶胞三种典型的金属晶体晶胞1）体心立方晶胞）体心立方晶胞BCC Body Centered Cube 晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)ar43 原子半径：原子半径：原子个数：原子个数：2配位数：配位数： 8致密度：致密度：0.68常见金属：常见金属： -Fe、Cr、 W、Mo、V、Nb等等b）面心立方晶胞FCC Face-Centere Cube

6、晶格常数：晶格常数：aa42r ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：4配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： -Fe、Ni、Al、 Cu、Pb等等c)密排六方晶胞密排六方晶胞HCP Hexagonal Close-Packed 晶格常数：晶格常数：底面边长底面边长 a 和高和高 c， c/a=1.633a21r ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等等（d）BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数 XYZ取三指数的倒数取三指数的倒数1/2，1/2，1，化成最小整数为化成最小

7、整数为1,1,2，即为，即为X，Y，Z三坐标轴上的截距。三坐标轴上的截距。l(hkl)与与uvw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。（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY111111111111XZY 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。XZY(221)221110110体心立方体心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面三实际金属的晶体结构三实际金属的晶体结构 理想晶体理想晶体+ +晶体缺陷晶体缺陷实际晶体实际晶体 实际晶体实际晶体单晶体和多晶体单晶体和多晶体 单晶

8、体单晶体：内部晶格位向完全一致，各向同性。：内部晶格位向完全一致，各向同性。 多晶体多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成，各向：由许多位向各不相同的单晶体块组成，各向 异性异性 1 1晶体缺陷晶体缺陷：实际晶体中存实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分和规则性的部分 a. a. 点缺陷点缺陷晶格结点处晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体或间隙处，产生偏离理想晶体的变化的变化 空位空位 晶格结点处无原子晶格结点处无原子 置换原子置换原子 晶格结点处为其它原子占据晶格结点处为其它原子占据 间隙原子间隙原子 原子占据晶格间隙原子占据晶格间隙 空位空位间隙原

9、子间隙原子大置换原子大置换原子小置换原子小置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称称晶格畸变晶格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。下降。 刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线(黑线黑线)c. c. 面缺陷面缺陷一维尺度很小，而二维尺度较大的原子一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。分为错排区域。分为晶界、亚晶界、表面等晶界、亚晶界、表面等 晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为是不同位向晶粒的过度部位，宽度为510510个原子间个原子间 距

10、，距，位向差一般为位向差一般为20402040。位向差很小（。位向差很小（10 2 10 2 ) )的的 小晶块为小晶块为亚晶粒亚晶粒。亚晶粒之间的交界面称。亚晶粒之间的交界面称亚晶界亚晶界。亚晶。亚晶 界也可看作界也可看作位错壁位错壁。四、晶体中的扩散四、晶体中的扩散1.1.扩散扩散原子在晶体中移动距离超过其平均原子原子在晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象间距的迁移现象 扩散扩散热激活过程（以克服晶格约束）热激活过程（以克服晶格约束）2 2影响扩散的因素影响扩散的因素：(1)(1)温度温度 原子能量提高原子能量提高 （最主要因素）（最主要因素） D=DoexpD=Doexp(-Q/R

11、T(-Q/RT） Do:Do:扩散系数扩散系数(cm2/s),(cm2/s), Q Q：扩散激活能：扩散激活能 DoDo，Q Q与温度无关，决定于晶体的成分和结构与温度无关，决定于晶体的成分和结构 温度提高温度提高10-1510-15度，度，D D提高一倍。提高一倍。(2)(2)晶体结构晶体结构 致密度小致密度小克服的能垒小克服的能垒小扩散容易扩散容易( (3)3)表面及晶体缺陷表面及晶体缺陷 晶格畸变晶格畸变高能态原子高能态原子激活能小（体扩散的激活能小（体扩散的0.6-0.70.6-0.7）扩散快扩散快100-1000100-1000倍倍Al-Cu两相合金两相合金1、固溶体、固溶体组元通过

12、溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体之一相同的固相称为固溶体A（B）。）。A：溶剂：溶剂 B：溶质：溶质分类分类a.a.按溶质原子的位置分按溶质原子的位置分置换固溶体置换固溶体 其中溶质原子占据溶质原子点阵位置的其中溶质原子占据溶质原子点阵位置的 固溶体。固溶体。晶格类型相同晶格类型相同, ,原子半径相差原子半径相差 不大不大, ,电化学性质相近电化学性质相近. .间隙固溶体间隙固溶体 溶质原子位于溶剂原子点阵的间隙位溶质原子位于溶剂原子点阵的间隙位 置中的固溶体，置中的固溶体， 原子半径较小。原子半径较小。b.b.按溶解度分按溶解度分 有限固溶体有限固溶体 无限固溶体无限固溶体c.c.按分布有序度分按分布有序度分 有序固溶体有序固溶体 无序固溶体无序固溶体 固溶强化固溶强化 由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。料硬度升高，塑性和