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1材料结构原子结构晶体结构非晶体结构长程有序和无序之分！第1页2原子结构与原子结合

原子结合方式决定了其结构基本概念和分类晶体学基础

晶体学基本概念晶向和晶面标定纯金属晶体结构

BCC、FCCandHCPcharacteristics堆垛和间隙合金晶体结构

solidsolutionandintermetalliccompounds基本概念材料结构第2页3晶体结构第3页41晶体学基础基本概念（1）晶格（2）晶胞（3）晶格常数（4）晶系空间点阵与晶体结构区分？7种晶系，14种布拉维点阵第4页52晶面指数和晶向指数标定！！！晶面、晶向和晶面族、晶向族写法确定步骤：A：确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向平行线，B：求直线上任一点坐标值并按百分比化为最小整数，加方括弧，形式为[uvw]。确定步骤：A：确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上截距，B：取三个截距值倒数，并按百分比化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。第5页6立方晶系常见晶面族为：立方晶系常见晶向为：*2第6页7晶带定律晶带轴[uvw]与该晶带晶面（hkl）之间存在以下关系：hu

+

kv

+lw

=0对于常见晶系，晶面间距dhkl为：晶面间距第7页8在立方晶系中两晶向夹角解析计算两晶面交线晶向指数[uvw]与晶带轴计算相同第8页92纯金属晶体结构金属中原子键为金属键，不具方向性，所以，对最邻近原子数和位置无限制，通常大部分金属都含有大最邻近原子数和原子堆垛密度。体心立方结构(BCC)body-centeredcubic面心立方结构(FCC)face-centeredcubic密排六方结构(HCP)close-packedhexagonal第9页10（1）原子半径(R)晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距二分之一。（2）晶胞原子数(n)一个晶胞内所包含原子数目。（3）致密度(K)晶胞中原子本身所占体积百分数。K＝V/V0V：晶胞中原子体积V0：晶胞体积AtomicradiusAtomnumberinaunitcellAtomicpackingfactorFCC4RR第10页11（4）配位数(CN)晶格中与任一原子直接相邻结合原子数目。Coordinationnumber第11页12原子堆垛方式三种常见晶格密排面和密排方向密排面数量密排方向数量体心立方晶格{110}6<111>4面心立方晶格{111}4<110>6密排六方晶格六方底面1底面对角线3间隙intersticestetraocta

第12页13CharacteristicsofBCC,FCCandHCPstructures第13页143合金相晶体结构合金（Alloy）：两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并含有金属特征物质。组元（Component）：组成合金最基本独立物质，通常组元就是组成合金元素，也能够是稳定化合物。组元间因为物理或化学相互作用，可形成各种相。显微组织(microscopicstructure):实质上是指在显微镜下观察到金属中各相晶粒形态、数量、大小和分布组合。相（Phase）：是合金中含有同一聚集状态、相同晶体结构，成份和性能均一，并以界面相互分开组成部分。第14页15相phase依据结构特点固溶体Solidsolution中间相Intermediatephase(金属间化合物Intermetalliccompound)置换固溶体Substitutionalsolidsolution间隙固溶体Interstitialsolidsolution正常价化合物电子化合物尺寸原因化合物基本概念！！第15页16固溶体溶解度：是指溶质原子在固溶体中极限浓度。溶解度有一定程度固溶体称有限固溶体，组成元素无限互溶固溶体称无限固溶体。只有组成元素原子半径、电化学特征相近，晶格类型相同置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。而间隙固溶体都是有限固溶体。影响固溶度原因：晶体结构，原子尺寸、电负性、电子浓度固溶体主要性能——固溶强化！产生原因：是溶质原子使晶格发生畸变及对位错钉扎作用，妨碍了位错运动。第16页17合金中其晶体结构与组成元素晶体结构均不相同固相当金属化合物。金属化合物含有较高熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。当合金中出现金属化合物时，可提升其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金主要组成相。中间相intermediatephase固溶体和中间相最本质区分？第17页18晶体缺点点缺点pointdefects

线缺点lineardefects

面缺点Interfacialdefects

第18页19点缺点pointdefects

空位间隙原子置换原子肖脱基空位弗兰克缺点热平衡点缺点过饱和点缺点改变外部条件在一定温度下含有一定平衡浓度点缺点运动：

空位和间隙原子不停产生和复合，自扩散点缺点破坏了原子平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提升，塑性、韧性下降；电阻升高，密度减小等。第19页20线缺点lineardefects

位错刃型位错螺型位错特点混合位错刃型位错：存在一个多出半原子面位错线与b垂直，滑移面只有一个即有切应变，又有正应变螺型位错：不存在一个多出半原子面位错线与b平行，滑移面能够多个只有切应变第20页21判断位错正负位错线柏氏矢量刃型正负右手法则直角坐标bb刃型位错bb右左螺型位错正•负×第21页22伯氏矢量特征1)物理量：是一个反应位错周围点阵畸变总积累物理量。

位错是柏氏矢量不为零晶体缺点。矢量方向：表示位错性质与取向，表示位错运动造成晶体滑移方向；矢量模∣b∣：表示该位错畸变程度（或称位错强度），也可表 示该位错造成晶体滑移大小；模平方∣b∣2

：位错畸变能与柏氏矢量模平方大小成正比；2)守恒性：柏氏矢量与回路起点及详细路径无关；3)唯一性：一根不分叉位错线含有唯一柏氏矢量，与位错类型、 形状、是否运动无关；4）矢量计算：柏氏矢量可分解、求和，满足矢量运算5)位错连续性：位错不能中止于晶体内部，但能够形成一个封闭位 错环，或连接于晶界、位错结点，或终于表面。第22页23滑移攀移位错运动滑移特点1)刃型：滑移切应力方向与位错线垂直，而螺型：滑移与位错线平行；

2)刃型和螺型，位错运动方向与位错线垂直；（b方向代表晶体滑移方向）

3)刃：滑移方向与位错运动方向一致，螺：滑移方向与位错运动方向垂直；

4)位错滑移切应力方向与b一致；位错滑移后，滑移面两侧晶体相对位移与柏氏矢量一致。5)对螺型位错，还存在交滑移和双交滑移。攀移：只对刃型位错而言，经过原子或空位扩散来实现第23页24类型柏氏矢量b切应力方向位错线运动方向晶体滑移方向晶体滑移大小与b关系滑移面个数刃螺混合垂直位错线平行位错线有夹角与b一致与b一致与b一致垂直位错线垂直位错线垂直位错线与b一致与b一致与b一致相等相等相等唯一多个第24页25位错交割扭折割阶bacddcba刃型位错螺型位错特点刃型位错割阶部分仍为刃型位错（垂直于b），而扭折部分则为螺型位错（平行于b）；（由柏氏矢量与位错线取向关系确定）

螺型位错割阶和扭折部分均为刃型位错；因为都垂直于b

第25页26位错弹性性质：

应力场：刃型位错、螺型位错弹性畸变能：正比于b2位错存在使晶体处于高能不稳定状态，位错线有尽可能变直和缩短其长度趋势作用在位错上作用力：F=tb位错上线张力=Gb/2rr为曲率半径点缺点存在会妨碍位错运动，增加金属及合金塑性变形抗力第26页27实际晶体结构中位错

单位位错、全位错、不全位错（肖克莱不全位错、弗兰克不全位错）堆垛层错位错反应：几何条件、能量条件扩展位错：全位错分解为两个不全位错+一个堆垛层错位错生成和增殖：位错源、增殖机理：Frank-Readresource第27页28面缺点Interfacialdefects

外表面晶界孪晶界相界堆垛层错小角度晶界大角度晶界共格半共格非共格对称倾斜不对称倾斜扭转界面第28页29晶界特征晶界能量高，原子处于不稳定状态杂质原子易于在晶界富集，造成晶界熔点低于晶内，加热时晶界先熔化，过热易于原子扩散，故新相易于在晶界处形核晶界原子扩散速度高于晶内，且晶内腐蚀比晶内也快2）晶界原子排列不规则，且存在较多缺点，如空位和位错等对位错运动起妨碍作用，从而提升强度和硬度3）晶界长大和晶界平直化会降低晶界面积和晶界能量。

需要在高温下原子扩散才能实现第29页30材料变形塑性变形方式：主要经过滑移和孪生、还有扭折。孪生是指晶体一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生切变。滑移是指晶体一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移现象。第30页31滑移变形特点

：⑴滑移只能在切应力作用下发生。临界分切应力！⑵滑移常沿晶体中原子密度最大晶面和晶向发生。⑶滑移时，晶体两部分相对位移量是原子间距整数倍.⑷滑移同时伴伴随晶体转动。(5)滑移是经过滑移面上位错运动来实现。单晶体金属塑性变形临界分切应力当外力在某一滑移系中分切应力到达一定临界值时，该滑移系方向首先发生滑移，该分切应力称为临界分切应力第31页32孪生与滑移主要区分1孪生经过晶格切变使晶格位向改变，使变形部分与未变形部分呈镜面对称；而滑移不引发晶格位向改变。2孪生时，相邻原子面相对位移量小于一个原子间距；而滑移时滑移面两侧晶体相对位移量是原子间距整数倍。3孪生所需要切应力比滑移大得多，变形速度大得多单晶体金属塑性变形第32页33多晶体金属塑性变形晶界及晶粒位向差影响晶粒大小对金属力学性能影响——细晶强化！合金塑性变形与强化单相固溶体——固溶强化多相合金——弥散强化塑性变形对金属性能影响——加工硬化产生强化原因！第33页34回复、再结晶和晶粒长大冷变形加热概念，在每个阶段材料组织以及力学和物理性能会发生什么改变第34页35

回复阶段退火作用：

提升扩散

促进位错运动释放内应变能回复退火产生结果：

电阻率下降硬度、强度下降不多

降低内应力第35页36再结晶消除加工硬化再结晶也是一个晶核形成和长大过程，但不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒晶格类型和成份完全相同。再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行过程，发生再结晶最低温度称再结晶温度。影响再结晶温度原因：1、金属预先变形度：2、金属纯度5、加热速度和保温时间3.原始晶粒尺寸4.第二相粒子第36页37冷加工与热加工区分低于再结晶温度加工变形称为冷加工高于再结晶温度加工变形称为热加工热加工：在加工变形同时产生加工硬化和动态回复与再结晶，而且热加工产生加工硬化很快被回复再结晶产生软化所抵消，所以热加工表达不出加工硬化现象。再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发过程。第37页38材料凝固凝固晶体物质由液态转变为晶态过程称为结晶crystallization其突出特点是材料性能发生突变非晶体材料在凝固过程中逐步变硬结晶是由一个相（液相）转变为另一个相（固相）过程称为相变，因而是相变过程。材料在凝固过程中逐步变硬只是一个凝固过程，不是相变。第38页39结晶结晶条件热力学条件动力学条件结构条件能量条件热过冷DT>0(DG<0)形核方式晶体长大均匀形核非均匀形核动态过冷DTk>0结构起伏（大于临界晶核尺寸r*）能量起伏（大于临界形核功）在均匀母相中完全靠过冷液体中结构起伏和能量起伏来实现形核，故十分困难依附在液体中外来固体表面形成晶核，故在相同条件下，比均匀形核更轻易长大机制长大形态依据液固界面微观结构：连续长大、二维形核长大和借螺位错长大依据液固界面微观结构和界面前沿液体中温度梯度：平面状长大和树枝状长大纯金属第39页40合金凝固区分于纯金属凝固最经典特征：成份过冷在正温度梯度下可实现树枝状生长固溶体凝固理论正常凝固区域熔炼平衡分配系数k0有效分配系数ke第40页41铸件组织表层细晶区柱状晶区中心等轴晶区铸件缺点缩孔气孔偏析宏观偏析显微偏析正偏析反偏析比重偏析胞状偏析枝晶偏析晶界偏析第41页42细化晶粒方法提升过冷度变质处理振动、搅拌等凝固理论应用第42页43二元相图基本类型

匀晶相图（isomorphousphasediagram）

共晶相图（eutecticphasediagram）

包晶相图（peritecticphasediagram）第43页44熟悉最基本反应类型熟练杠杆定律熟练掌握铁碳合金相图，应用杠杆定律第44页451.常见二元合金相图基本类型第45页46二元相图分析步骤实际二元相图往往比较复杂，可按以下步骤进行分析。⒈分清相图中包含哪些基本类型相图⒉确定相区⑴相区接触法则：相邻两个相区相数差为1⑵单相区确实定第46页47⑶两相区确实定：两个单相区之间夹有一个两相区，该两相区相由两相邻单相区相组成。3.利用相图分析经典合金结晶过程，从而判断出在室温下合金组织组成或相组成。应用杠杆定律计算平衡相（组织）相对量。注意杠杆定律只能在平衡条件下二相区使用。⑷三相区确实定：二元相图中水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触三个单相区相组成。第47页482.Fe－C合金相图：是二元合金相图综合应用点：符号、成份、温度线相区：5个单相区，7个两相区，和3个三相区（三条水平线）组织组成物：标注第48页493.杠杆定律：只适合用于两相区杠杆支点是合金成份，杠杆端点是所求两平衡相（或两组织组成物）成份。第49页50⑴作出经典合金冷却曲线示意图二元合金冷却曲线特征是:①在单相区和两相区冷却曲线为一斜线。

（非等温！）

分析经典合金结晶过程②由一个相区进入另一相区时,冷却曲线出现拐点:a.由相数少相区进入相数多相区曲线向右拐;b.由相数多相区进入相数少相区曲线向左拐。③发生三相等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶。第50页51⑵分析合金结晶过程①画出组织转变示意图。②计算各相、各组织组成物相对重量百分比：a.在单相区，合金由单相组成，相成份、重量即合金成份、重量。要熟悉平衡结晶过程，会画高温到低温组织转变！第51页524.杠杆定律在Fe－C相图中应用第52页53组织组成物和相在铁碳合金相图上标注组织组成物与相组成物标注区分主要在+Fe3C和+Fe3C两个相区.+Fe3C相区中有四个组织组成物区，+Fe3C相区中有七个组织组成物区。+Fe3C+Fe3C第53页54三元相图成份图合金标定三元相图立体图解析：匀晶和共晶立体图投影：等温截面图会分析合金结晶过程，给出在室温下存在相或组织第54页55CABEE3E1E2C1C2C3A1A2A3B1B2B3TCTATBeABC两相共晶转变线三相共晶转变点两相共晶区分界限第55页56ee1e2e3ABC612345区域相组成组织组成1A+B+C2A+B+C3A+B+CA初+(A+B)+(A+B+C)B初+(A+B)+(A+B+C)B初+(C+B)+(A+B+C)4A+B+C