第一章 金属的晶体结构和机械性能

第一章金属的晶体结构和机械性能第1页，课件共101页，创作于2023年2月主要内容：绪论第一章金属的晶体结构与性能第二章纯金属的结晶和单元相图第三章二元合金的相结构与结晶第四章铁碳合金相图金属学第五章回复与再结晶第六章工业用钢常识第2页，课件共101页，创作于2023年2月主要参考书《材料结构与性能》李宗全陈湘明主编浙江大学出版社

（参考：第1、2、9章，材料的结构与性能的关系）《金属学原理》侯增寿主编上海科技出版社

（参考：二元合金相图部分）《金属材料学》王笑天主编机械工业出版社

（参考：钢的牌号、微量元素等）《材料科学基础》杜丕一主编机械工业出版社出版

（参考：第1篇，晶体学部分）认真听课，记好笔记，课下及时复习，弄懂搞明，不可欠账，避免前松后紧，不用功学不好。学习本课程的要求第3页，课件共101页，创作于2023年2月绪论一.材料的分类（classifications）化学组成分类components金属材料无机非金属材料有机高分子材料作用分类Function功能材料结构材料第4页，课件共101页，创作于2023年2月无机非金属材料第5页，课件共101页，创作于2023年2月高分子材料第6页，课件共101页，创作于2023年2月二、材料的发展历程人类历史的发展可用使用材料划分：石器时代石斧、凿、刀、铲、箭头、纺轮、钵等西安半坡遗址第7页，课件共101页，创作于2023年2月早在新石器时代(公元前6000-5000年)，中华民族的先人们用粘土(主要成分为SiO2，Al2O3)烧制成陶器。陶器时代第8页，课件共101页，创作于2023年2月青铜器时代我国青铜的冶炼在夏朝(公元前2140年始)以前就开始了，到殷、西周时期已发展到很高的水平。司母戊大鼎湖北江陵楚墓出土越王勾践宝剑第9页，课件共101页，创作于2023年2月中国古代铁器的金相组织湖南长沙砂子塘战国凹形铁锄铁器时代早在战国时期出现炼钢,早期热处理秦汉时期发达（早欧洲2千年）。第10页，课件共101页，创作于2023年2月瓷器（高岭土、粘土、瓷石、瓷土）我国在东汉时期发明了瓷器，成为最早生产瓷器的国家。瓷器是中国文化的象征，对世界文明产生了极大的影响。

钢铁在当今的生活和生产中占有重要地位。随着航空、航天、电子、通讯等技术以及机械、化工、能源等工业的发展，复合材料和纳米材料的研究和应用引起了人们的重视。第11页，课件共101页，创作于2023年2月钢铁是怎样炼成的？第12页，课件共101页，创作于2023年2月第一章金属的晶体结构与机械性能一.金属的定义1.化学中的定义：广义讲：金属是一种与非金属元素发生化学反应时能将其最外层电子让给非金属元素的一种元素。侠义讲：其氧化物、氢氧化物具有碱性，与酸反应能形成盐的元素。2.工程中的定义：

具有一定金属性能的物质。第一节金属的概述固态时具有金属光泽和可锻性，具有良好的导电性和导热性等。第13页，课件共101页，创作于2023年2月（一）金属原子的结构特点最外层电子数很少，一般只有1～2个，多不超过4个；最外层电子与原子核的结合力较弱，易失去电子；（二）金属原子间的结合方式以金属键的方式相结合外层电子脱落，形成自由电子二.金属的特性第14页，课件共101页，创作于2023年2月第二节金属的晶体结构晶体——内部原子（分子、离子）在三维空间呈规则的周期性重复排列。非晶体——原子无规则堆积，也称为“过冷液体”。一、晶体的基本概念非晶体:蜂蜡、玻璃等。晶体金刚石、NaCl、冰等。液体第15页，课件共101页，创作于2023年2月晶体与非晶体有哪些区别？七大性质（1）各向异性（2）固定熔点（3）稳定性（4）自限性（5）对称性（6）均匀性(均一性)（7）晶面角守恒定律自限性：晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体外形能力的性质。对称性：指晶体的物理化学性质能够在不同的方向或位置上有规律地出现，也称周期。均匀性：指晶体在任一部位上都具有相同性质的特征。第16页，课件共101页，创作于2023年2月各向异性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象.XYZXYZ第17页，课件共101页，创作于2023年2月有确定的熔点熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线第18页，课件共101页，创作于2023年2月原子（离子）的刚球模型原子中心位置二、晶体的结构第19页，课件共101页，创作于2023年2月晶胞点阵（晶格）模型为了研究方便，将原子或原子团（分子或分子团）抽象为一个点，代表原子的震动中心，这样原子在空间的规则排列，就成为一系列点在空间的规则排列，称为空间点阵。阵点（结点）晶格第20页，课件共101页，创作于2023年2月晶胞XYZabc晶格常数a，b，c，α，β，γ

从晶格中选取出的有代表性的几何单元，称为晶胞。整个晶格就是晶胞在空间重复堆积而成。第21页，课件共101页，创作于2023年2月点阵类型根据晶格常数的不同，法国晶体学家布拉菲用数学方法证明，空间点阵只能有14种，称为布拉菲点阵。分属7大晶系。序号点阵类型晶系晶族序号点阵类型晶系晶族1简单三斜三斜低级晶族8简单六方六方中级晶族2简单单斜单斜9菱形（三角）菱方3底心单斜10简单四方四方（正方)4简单正交正交11体心四方5底心正交12简单立方立方高级晶族6体心正交13体心立方7面心正交14面心立方第22页，课件共101页，创作于2023年2月第23页，课件共101页，创作于2023年2月底心单斜简单三斜简单单斜简单立方体心立方面心立方第24页，课件共101页，创作于2023年2月简单菱方简单六方简单四方体心四方第25页，课件共101页，创作于2023年2月底心正交简单正交面心正交体心正交第26页，课件共101页，创作于2023年2月密堆原理

从球体堆积角度来说，球的堆积密度越大系统内能就越小——球体最紧密堆积原理。等径球体堆积ABAB型第27页，课件共101页，创作于2023年2月第28页，课件共101页，创作于2023年2月等径球体堆积ABCABC型第29页，课件共101页，创作于2023年2月第30页，课件共101页，创作于2023年2月不等径球体堆积大球作紧密堆积，对小球则填充在其空隙位置中，稍大的填充在八面体空隙中，稍小的填充四面体空隙中；对实际晶体，由于负离子半径之比正离子半径大的多，所以，负离子作紧密堆积，而正离子填充在四面体和八面体空隙中。

第31页，课件共101页，创作于2023年2月三、三种常见的金属晶体结构（1）体心立方晶格bcc（2）面心立方晶格fcc（3）密排六方晶格hcp第32页，课件共101页，创作于2023年2月（1）体心立方晶格bcc-Fe（常温铁）、W、V、Mo等体心立方晶格组织材料较硬，抗力较大，不易锻造第33页，课件共101页，创作于2023年2月体心立方晶胞晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积2

4

r3/3XYZabc2r2raa2第34页，课件共101页，创作于2023年2月

体心立方结构中的间隙第35页，课件共101页，创作于2023年2月（2）面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等较软，易变形，塑性好。第36页，课件共101页，创作于2023年2月面心立方晶胞晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.74XYZabc密排方向4第37页，课件共101页，创作于2023年2月

面心立方结构中的间隙第38页，课件共101页，创作于2023年2月（3）密排六方晶格hcpC（石墨）、Mg、Zn

等晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角90晶胞原子数：6原子半径：a/2致密度：0.74第39页，课件共101页，创作于2023年2月四、金属晶体中的晶面和晶向XYZabc晶面——通过原子中心的平面晶向——通过原子中心的直线所指的方向XYZabc第40页，课件共101页，创作于2023年2月点阵几何元素表示法（1）坐标系的建立※注意：这种坐标系统，在不同的晶系中是不同的，即点阵常数是不同的。如：立方晶系是一个直角坐标系，α=β=γ=90，a=b=c。三斜晶系α≠β≠γ，a≠b≠c。XYZabc

第41页，课件共101页，创作于2023年2月（二）阵点位置表示法点阵的阵点位置是以它们的坐标值来表示的。

空间中任一阵点P的位置可以用空间矢量来表示式中，为从原点到阵点P的矢量；分别表示沿三个点阵矢量的平移量，亦即该阵点的坐标。XYZabcAPBC第42页，课件共101页，创作于2023年2月练习

第43页，课件共101页，创作于2023年2月（三）晶向指数与晶面指数1.晶向指数举例说明（米勒（Miller）指数）第44页，课件共101页，创作于2023年2月OA[212]OB[111]OC[110]CA[02]A/1-1/2第45页，课件共101页，创作于2023年2月总结：确定晶向指数的一般步骤（1）以晶胞的晶轴为坐标轴建立坐标系，以点阵矢量的长度（即晶胞边长）作为坐标轴的长度单位。（2）平移，使晶向从原点O出发。（3）从0点出发，沿晶向方向取最近一个点，写出坐标（）（4）化为最小整数，加上方括号[]，负号记于数字上方。一般情况，对通过任一两点M,N的MN晶向符号为。如上图CA方向的晶向符号确定A点坐标（11），C点坐标（110），则CA晶向符号[1-1，-1，1-0]→[01]→[02]。第46页，课件共101页，创作于2023年2月※注意：晶向符号不仅代表一根直线方向，而且代表所有平行于这根直线的直线方向。

晶向族的概念：原子排列相同而空间位向不同的所有晶向，称为晶向族，用<>表示。如：立方晶系体对角线第47页，课件共101页，创作于2023年2月2.晶面指数晶面在晶体中的方位可用晶面指数表示。xy2a2b3cm例：第48页，课件共101页，创作于2023年2月当晶面平行某一晶轴，则晶面在该晶轴上截距为∞，倒数为0

。（1）以晶胞的晶轴为坐标轴建立坐标系，以点阵矢量的长度（即晶胞边长）作为坐标轴的长度单位。（2）求出待定晶面在坐标轴X、Y、Z上的相应截距。（3）取截距倒数。（4）化为没有公约数的最简整数h、k、l，加上（），负号标于数字上方。即晶面指数可以表示为(hkl)。总结：确定晶面指数的一般步骤：第49页，课件共101页，创作于2023年2月六个晶面第50页，课件共101页，创作于2023年2月晶面族的概念：晶面族――位向不同而原子排列完全相同的所有晶面，用{hkl}表示。晶面族在高对称度的晶体中比较普遍，如立方晶系中，某些晶面族包括的等价晶面有：前六个与后六个晶面两两相互平行，共同构成一个十二面体。所以，晶面{110}又称为十二面体的面。前四个晶面和后四个晶面两两平行，共同构成一个八面体，因此，晶面族{111}又称为八面体的面。第51页，课件共101页，创作于2023年2月※注意

晶面指数代表了一组平行等距的晶面。对于非立方晶系，由于晶格参数（对称性）改变，晶面族所包括的晶面数目就不一样了。例如：正交晶系中，晶面（100）、（010）、和（001）并不是等同晶面，不能以{100}来概括。正交晶系同指数晶向与晶面互相垂直，即（hkl）⊥[hkl]。例如：（100）⊥[100]第52页，课件共101页，创作于2023年2月立方晶系中一些晶面的晶面指数第53页，课件共101页，创作于2023年2月3.六方晶系四轴指数

六方晶系有一六次旋转轴，为适应为一特点，通常取四个轴，这比三个轴更为方便而准确，由于选取了四个轴，则晶面符号中有四个指数（hkil）(平面三个轴，垂直一个轴)，i=－(h+k)，i指数并非独立。第54页，课件共101页，创作于2023年2月六方晶系一些晶面的指数c第55页，课件共101页，创作于2023年2月五．晶体的对称性1．回转对称轴（旋转轴）和旋转（一）宏观对称性当晶体绕一轴旋转而能完全复原时，此轴即为旋转对称轴，在旋转一周（360°）的过程中，晶体能复原几次，就称为几次回转轴。对称操作：晶体绕轴旋转。符号：Ln

，国际符号n。回转对称轴只有五种：以符号1、2、3、4、6来表示。第56页，课件共101页，创作于2023年2月几种旋转轴

第57页，课件共101页，创作于2023年2月符号：m

晶体中可以没有对称面，也可以有若干个，

最多有9个，如立方体：9个。

图1.7立方体的九个对称面2．对称面与反映第58页，课件共101页，创作于2023年2月3．对称中心和倒反符号：i

晶体可有对称中心，可没有，但最多只有一个。图1.8对称中心abia'b'第59页，课件共101页，创作于2023年2月4．回转－反演轴与旋转倒反当晶体绕某一轴旋转一定角度（360°/n）,再以轴上的一个中心点作反演之后能得到复原时，此轴称为回转－反演轴。对称操作－－复合操作，旋转+反伸，先绕一根直线旋转一定角度后，再通过该直线上某一点进行倒反。回转－反演轴也可有1次、2次、3次、4次和6次五种，分别以符号来表示。事实上等于对称中心i，等于对称面m。注意：

绕某直线旋转一定角度后，相等部分并未重复，只有经该直线上一点反伸，才能使晶体相等部分重复。第60页，课件共101页，创作于2023年2月PP5P/P1P2P3P4P//BB/AAOP点绕回转180°与点重合，再经O点反演而与重合，则称为2次回转－反演轴。

第61页，课件共101页，创作于2023年2月（二）微观对称1)滑动面与反映平移

是一个假想平面，相应对称操作是反映+滑移。晶体结构中任意部分，先以滑移面为镜面反映，再平行于滑移面进行平移，使相等部分重合。

第62页，课件共101页，创作于2023年2月111222B/B第63页，课件共101页，创作于2023年2月第64页，课件共101页，创作于2023年2月螺旋轴是一个假想直线，相应对称动作是旋转+轴向平移，晶体中任一部分先绕轴旋转一定角度后，再沿轴平移一定距离，使相等部分重复。例：共有11种螺旋轴：二次轴：21，三次轴：31，32，四次轴：41，42，43，六次轴：61，62，63，64，65。

2)螺旋轴和旋转平移第65页，课件共101页，创作于2023年2月图1.9旋转平移第66页，课件共101页，创作于2023年2月至此，把晶体内部构造的所有对称要素归纳如下：回转对称轴：1、2、3、4、6

对称面：m（）对称中心（i）回转－反演轴：滑动面：a、b、c、n、d

螺旋轴：21，31，32，41，42，43，61，62，63，64，65。总结归纳第67页，课件共101页，创作于2023年2月练习1.解释概念：空间点阵、晶体七个性质、晶向族、晶面族2.在立方晶系中画出（112）晶面。3.如图，设为立方晶系，试标出AF方向的晶向指数，并写出该晶向所属晶向族中其他所有晶向指数。4.设两个晶面（152）和（034）是属于六方晶系的正交坐标表示，试写出在四轴坐标下这两个晶面的晶面指数。第68页，课件共101页，创作于2023年2月根据CsCl晶体结构，如果Cs离子半径为0.17nm，Cl离子半径为0.181nm，计算晶胞的堆积系数（致密度）。假设正负离子沿立方对角线接触。MgO具有NaCl结构。根据O离子半径为0.14nm和Mg离子半径为0.072nm，计算MgO的堆积系数。7.一个立方系晶胞，在X、Y、Z三个晶轴上的截距分别为a/2、4b、2c/3，连接这三个截点作一个平面，试确定该平面的晶面指数，并作出该晶面的示意图。第69页，课件共101页，创作于2023年2月8.若现有两个晶面，试确定这两个晶面在正交坐标下的晶面指数。9.在立方晶系中绘出{110}、{111}晶面族所包括的晶面。10.求金刚石结构中通过（0,0,0）和（3/4,3/4,1/4）两点决定的晶向，并求与该晶向垂直的晶面。第70页，课件共101页，创作于2023年2月第三节金属的实际晶体结构－－缺陷实际金属晶体结构与理想结构的偏离单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。如单晶Si半导体。多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。晶粒（单晶体）第71页，课件共101页，创作于2023年2月晶体缺陷类型（1）点缺陷：空位、间隙原子、异类（杂质）原子（2）线缺陷：位错（3）面缺陷：晶界与亚晶界（4）体缺陷：气泡、空洞、镶嵌块、沉淀相第72页，课件共101页，创作于2023年2月一、点缺陷如果间隙原子是其它元素就称为:异类原子（杂质原子）空位间隙原子

按形成的原因不同分四类：第73页，课件共101页，创作于2023年2月原子热振动部分原子获得足够高的能量克服约束,迁移到新的位置空位,间隙原子形成引起局部点阵畸变引起热缺陷的形成原因（一）热缺陷——由于热运动而产生的点缺陷。第74页，课件共101页，创作于2023年2月图2.1弗仑克尔缺陷图2.2肖特基缺陷间隙足够大结构致密易形成热缺陷的两种基本形式：第75页，课件共101页，创作于2023年2月（二）组成缺陷

是一种杂质缺陷，在原晶体结构中进入了杂质原子，它与固有原子性质不同，破坏了原子排列的周期性，形成缺陷。

杂质原子有两种类型:1）置换型2）间隙型

（a）置换型杂质（b）间隙型杂质第76页，课件共101页，创作于2023年2月（三）电荷缺陷晶体中某些质点个别电子处于激发状态，有的离开原来质点，形成自由电子，在原来电子轨道上留下了电子空穴。（四）非化学计量缺陷

由化合物的非化学计量引起空位和间隙原子，常伴有电荷的转移。

第77页，课件共101页，创作于2023年2月二、线缺陷

——刃型位错与螺型位错刃型位错

（1）刃型位错第78页，课件共101页，创作于2023年2月晶体局部滑移造成的刃型位错刃型位错形成的原因特点：滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。第79页，课件共101页，创作于2023年2月（2）螺型位错第80页，课件共101页，创作于2023年2月螺型位错示意图第81页，课件共101页，创作于2023年2月晶体局部滑移造成的螺型位错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，呈螺丝状，称螺型位错。第82页，课件共101页，创作于2023年2月a-正常面网b-刃型位错c-螺型位错线缺陷原子面网示意图第83页，课件共101页，创作于2023年2月刃型位错的运动螺型位错的运动混合型位错的运动塑性变形中位错的运动第84页，课件共101页，创作于2023年2月三、面缺陷晶粒（单晶体）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。第85页，课件共101页，创作于2023年2月亚晶界晶界(grainboundary)：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(subgrainboundary)：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0.015~0.25nm范围内,而亚晶粒的平均直径则通常为0.001nm.

晶界和亚晶界第86页，课件共101页，创作于2023年2月根据相邻晶界之间的位向差（θ）不同，晶界可以分为两类：小角度晶界——两相邻晶粒的位向差约小于10°，即θ<10°，一般由位错组成。大角度晶界——两晶粒间的位向差较大，一般大于10°晶界演示图●0º－10º●10º－180º第87页，课件共101页，创作于2023年2月

挛晶关系非共格挛晶界孪晶——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。公共晶面就称为孪晶面。孪晶间的界面称为孪晶界。第88页，课件共101页，创作于2023年2月第四节金属的机械性能一、强度指标二、塑性指标三、韧性指标四、硬度指标第89页，课件共101页，创作于2023年2月拉伸实验机用来测定强度和塑性指标。第90页，课件共101页，创作于2023年2月低碳钢在单向拉伸时的应力－应变曲线

σe弹性极限：σs屈服强度：σb抗拉强度：σk断裂强度：

一.四种常用的强度指标第91页，课件共101页，创作于2023年2月其它强度指标（1）疲劳强度把试样承受无限次应力循环或达到规定次数（106～108次）仍不断裂的最大应力，称为材料的疲劳强度，用σ－1表示。经验讲：σ－1＝0.45～0.55σb。（2）蠕变强度把高温长时间负荷作用下，材料对塑性变形的抗力称为金属材料的蠕变强度。第92页，课件共101页，创作于2023年2月二．塑性指标（1）延伸率

注意：同一材料的试样长短不同，测得的伸长率是不同的，长试样用表示，短试样用表示，习惯