空气动力学与飞行原理课件 06 金属的结构与结晶-金属的晶体结构

模块二航空金属材料性能强化方法2.1金属的晶体结构和细晶强化

单晶定向凝固柱状晶等轴多晶体导入新课劳模精神劳模精神内涵：爱岗敬业、争创一流、艰苦奋斗、

勇于创新、淡泊名利、甘于奉献内容提要

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、金属材料的组织。学习目标

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。知识目标1.掌握高温力学性能指标（热稳定性、热强度和松弛稳定性）的重要性。2.了解材料的工艺性能。能力目标熟悉高温力学性能和工艺性能在设计和选材中的应用。教学目标素质目标1.具有安全责任意识；2.具有集体意识和团队合作精神。TiPtCuHg金属共同的物理性质

容易导电、导热、有延展性、有金属光泽等。

金属为什么具有这些共同性质呢？一、材料的结合键1.结合键的分类结合键离子键共价键分子键金属键一、材料的结合键1.结合键的分类（1）离子键氯化钠结构示意图特点：结合力很大离子晶体性能：硬度高，强度大，热膨胀系数小，但脆性大。一、材料的结合键1.结合键的分类（2）共价键金刚石结构示意图特点：结合力很大共价晶体性能：强度高，硬度高，脆性大，熔点高，沸点高和挥发性低。一、材料的结合键1.结合键的分类（3）分子键甲烷结构示意图特点：范德华力很弱，由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低，因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。一、材料的结合键1.结合键的分类（4）金属键一、材料的结合键1.结合键的分类（4）金属键

金属是由金属键结合而成的，它具有同非金属完全不同的特性。金属原子的外层电子少，容易失去。当金属原子相互靠近时，这些外层电子就脱离原子，成为自由电子，为整个金属所共有，自由电子在金属内部运动，形成电子云。这种由自由电子与金属正离子之间的结合方式称为金属键。

除铋、锑、锗、镓等类金属为共价键结合外，其余的金属主要是金属键结合。一、材料的结合键1.结合键的分类（4）金属键结构性能自由电子良好的导电性自由电子的运动良好的导热性自由电子吸收可见光不透明自由电子辐射能量金属光泽自由电子—金属正离子良好的塑性金属键优良的力学性能一、材料的结合键2.不同材料的结合键不同材料的结合键金属材料金属键高分子材料分子键、共价键陶瓷材料离子键、共价键复合材料多种结合键钻石氯化钠雪花-冰的晶体晶体：

内部的原子(原子团或离子)在空间按一定的周期性排列形成具有一定规则几何外形的固体。（长程有序+短程有序排列）二、晶体1.晶体的概念二、晶体1.晶体的概念二、晶体1.晶体的概念二、晶体2.晶体与非晶体的区别二、晶体液态金属创新意识三、金属晶体的结构1.晶体学的几个假设假设在理想晶体中：原子规则排列，原子在空间周期性地重复，每个原子具有相同的环境。原子、离子等为固定不动的刚性小球；将原子、离子等抽象为几何的点。空间点阵：几何点(原子)在空间排列的阵列。晶格：几何点(原子)排列的空间格架。为了便于描述晶体内部原子排列的规律，人为地将原子看作一个质点，并用一些假想的几何线条将晶体中各原子中心连接起来，便形成一个空间格架，如图所示。这种抽象的、用于描述原子在晶体中规则排列方式的空间格架称为晶格。晶格中直线间的交点称为结点。三、金属晶体的结构2.晶格、空间点阵、晶胞晶胞：晶体中原子排列具有周期性变化的特点。因此，在研究晶体结构时，通常是从晶格中选取一个能够完全反映晶体特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞，如图所示。

实际上，晶格就是由许多大小、形状和位向相同的若干晶胞的重复组合。三、金属晶体的结构2.晶格、空间点阵、晶胞点阵参数：晶格常数a,b,c；棱间夹角α，β，γ。三、金属晶体的结构2.晶格、空间点阵、晶胞布拉菲用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲点阵，分属7个晶系。三、金属晶体的结构3.布拉菲点阵晶系

棱边长度和棱边夹角三斜晶系a≠b≠c,α≠β≠γ≠90º单斜晶系a≠b≠c,α=γ=90º≠β正交晶系a≠b≠c,α=β=γ=90º正方晶系a=b≠c,α=β=γ=90º菱方晶系a=b=c,α=β=γ≠90º六方晶系a=b≠c,α=β=90º,γ=120º立方晶系a=b=c,α=β=γ=90º简单三斜点阵简单单斜点阵底心单斜点阵三、金属晶体的结构3.布拉菲点阵晶系

棱边长度和棱边夹角三斜晶系a≠b≠c,α≠β≠γ≠90º单斜晶系a≠b≠c,α=γ=90º≠β正交晶系a≠b≠c,α=β=γ=90º正方晶系a=b≠c,α=β=γ=90º菱方晶系a=b=c,α=β=γ≠90º六方晶系a=b≠c,α=β=90º,γ=120º立方晶系a=b=c,α=β=γ=90º简单正交点阵底心正交点阵体心正交点阵面心正交点阵三、金属晶体的结构3.布拉菲点阵晶系

棱边长度和棱边夹角三斜晶系a≠b≠c,α≠β≠γ≠90º单斜晶系a≠b≠c,α=γ=90º≠β正交晶系a≠b≠c,α=β=γ=90º正方晶系a=b≠c,α=β=γ=90º菱方晶系a=b=c,α=β=γ≠90º六方晶系a=b≠c,α=β=90º,γ=120º立方晶系a=b=c,α=β=γ=90º简单正方点阵体心正方点阵简单六方点阵简单菱方点阵三、金属晶体的结构3.布拉菲点阵晶系

棱边长度和棱边夹角三斜晶系a≠b≠c,α≠β≠γ≠90º单斜晶系a≠b≠c,α=γ=90º≠β正交晶系a≠b≠c,α=β=γ=90º正方晶系a=b≠c,α=β=γ=90º菱方晶系a=b=c,α=β=γ≠90º六方晶系a=b≠c,α=β=90º,γ=120º立方晶系a=b=c,α=β=γ=90º简单立方点阵体心立方点阵面心立方点阵三、金属晶体的结构3.布拉菲点阵体心立方BCC密排六方HCP面心立方FCC三、金属晶体的结构4.金属的晶格类型a=b=cα

=β

=γ

=90ºa=b

≠c

α

=β

=90º

γ

=120º（1）原子半径：原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。三、金属晶体的结构5.晶格参数（2）晶胞中所含原子数：晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。三、金属晶体的结构5.晶格参数体心立方BCC角心（2）晶胞中所含原子数：晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。三、金属晶体的结构5.晶格参数面心立方FCC面（3）配位数：是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。（4）致密度：是指晶胞中原子所占体积分数，即K=nv′/V。式中，n为晶胞所含原子数、v′为单个原子体积、V为晶胞体积。三、金属晶体的结构5.晶格参数体心立方晶格bcc

面心立方晶格fcc

密排六方晶格hcp三、金属晶体的结构5.晶格参数角心

体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中心和八个角上各有一个原子，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1／8个原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为8×1／8＋1＝2（个）。三、金属晶体的结构5.晶格参数（1）体心立方晶体结构特征分析：

点阵参数：a=b=cα=β=γ=90°

晶胞中原子数=1+8×1/8=2

原子半径：r=√3/4a

配位数：8配位数越大，原子排列越紧密。三、金属晶体的结构5.晶格参数（1）体心立方BACDEFGHaaa√2aAEGCa√2a√3a晶体结构特征分析：致密度=晶胞中所含原子占体积的总和/晶胞体积=n·V原子/V晶胞三、金属晶体的结构5.晶格参数（1）体心立方

如：α-Fe、Cr、W、Mo、V。三、金属晶体的结构5.晶格参数（1）体心立方三、金属晶体的结构5.晶格参数（2）面心立方

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8×1／8＋6×1／2＝4（个）。三、金属晶体的结构5.晶格参数（2）面心立方晶体结构特征分析：点阵参数：a=b=cα=β=γ

晶胞原子数：N=3+1=4

原子半径r=√2a/4

配位数=12

致密度=nv/V=(4×3πr3/4)/a3=0.74三、金属晶体的结构5.晶格参数（2）面心立方三、金属晶体的结构5.晶格参数（2）面心立方如：γ-Fe、Al、Cu、Pb、Ni三、金属晶体的结构5.晶格参数（3）密排六方密排六方晶格的晶胞它是一个六棱柱体。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晶胞所共有，晶胞中三个原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为12×1/6+2×1／2＋3＝6（个）。三、金属晶体的结构5.晶格参数（3）密排六方晶体结构特征分析：晶胞原子数：6

原子半径r=1/2a

配位数=12

致密度=0.74三、金属晶体的结构5.晶格参数（3）密排六方三、金属晶体的结构5.晶格参数如：Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。（3）密排六方三、金属晶体的结构5.晶格参数在金属晶体中，各原子组成的平面称为晶面。为了便于研究，不同的位向的晶面采用一定符号来表示。表示晶面的符号称为晶面指数。

三、金属晶体的结构6.晶面

在金属晶体中，通过两个以上原子中心连线直线所指方向称为晶向。为了便于研究，不同的位向的晶向采用一定符号来表示，表示晶向的符号称为晶向指数。

具有一定晶格类型的金属，在晶体的各个晶面与晶向上原子排列紧密程度是不同的，原子间相互作用也就不同，因而使晶体在不同的方向上性能就有差异，这就是金属晶体具有各向异性的原因。三、金属晶体的结构7.晶向三、金属晶体的结构8.单晶体和多晶体

晶体内部的晶格方位完全一致，这种晶体称为单晶体。在工业生产中，只有经过特殊制作才能获得单晶体，如半导体元件、磁性材料、高温合金材料等。三、金属晶体的结构8.单晶体和多晶体实际使用的工业金属材料，即使体积很小，其内部仍包含了许多颗粒状小晶体(晶粒)。每个小晶体的内部，晶格方位都是基本一致的，而各个小晶体之间彼此的方位都不相同的，如图所示。由于其中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒，通常称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。一般金属材料都是多晶体。三、金属晶体的结构8.单晶体和多晶体晶粒尺寸是很小的，如钢铁材料的晶粒一般在10-1～10-3mm左右，故只有在金相显微镜下才能观察到。单晶体在不同方向上的物理、化学和力学性能不相同，即具有各向异性。但是，测定实际金属的性能，在各个方向上却基本一致，显示不出很大差别，即具有各向同性。四、金属晶体的缺陷理想晶体：是指晶体中原子严格地成完全规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体。实际晶体：多晶体+晶体缺陷四、金属晶体的缺陷

晶体中原子完全有规则排列时，称为理想晶体。实际上，金属由于多种原因的影响，内部总是存在着大量缺陷，晶体缺陷的存在对金属的性能有着很大的影响。根据晶体缺陷的几何特点，常分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、异类原子等。线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。1.晶体缺陷的分类四、金属晶体的缺陷空位：晶格中某些结点未被原子占有而形成空着的位置。2.点缺陷局部点阵畸变原子热振动克服约束，迁移到新的位置空位、间隙原子部分原子获得足够高的能量形成引起

晶体中的点缺陷四、金属晶体的缺陷间隙原子：在其它晶格空隙处出现多余原子而形成间隙原子。2.点缺陷局部点阵畸变原子热振动克服约束，迁移到新的位置空位、间隙原子部分原子获得足够高的能量形成引起

晶体中的点缺陷四、金属晶体的缺陷置换原子：是指占据基体原子平衡位置的异类的原子。2.点缺陷局部点阵畸变原子热振动克服约束，迁移到新的位置空位、间隙原子部分原子获得足够高的能量形成引起

晶体中的点缺陷四、金属晶体的缺陷2.点缺陷

在空位和间隙原子附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使周围原子发生靠拢或撑开，因此，晶格发生歪曲(亦称晶格畸变)，使金属的强度和硬度提高，塑性和韧性下降。四、金属晶体的缺陷3.线缺陷

线缺陷是指在空间的一个方向上尺寸很大，其余两个方向上尺寸很小的缺陷。晶体中的线缺陷通常是指各种类型的位错。所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。四、金属晶体的缺陷3.线缺陷（1）刃型位错通常把晶体上半部多出一层原子面的位错称为正刃型位错，以符号“┴”表示；把晶体下半部多出一层原子面的位错称为负刃型位错。以符号“┬”表示。四、金属晶体的缺陷3.线缺陷（1）刃型位错┻┻刃型位错:用┻（或┳）表示四、金属晶体的缺陷3.线缺陷（2）螺型位错四、金属晶体的缺陷3.线缺陷（3）位错密度和金属材料强度的关系位错在晶体中存在形态位错网络，密度高时互相缠绕，形成位错缠结/塞积。位错密度

退火软化金属中ρ=1010

～1012m-2

冷变形金属中ρ=1015

～1016m-2。四、金属晶体的缺陷3.线缺陷（3）位错密度和金属材料强度的关系金属强度和位错的关系金属铁须晶：13400MPa，

退火工业纯铁：300MPa，强化处理合金钢：2000MPa。四、金属晶体的缺陷4.面缺陷两维尺寸很大，第三向尺寸很小。面缺陷晶界亚晶界相界错层四、金属晶体的缺陷（1）晶界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称为晶界，它是一种内界面。4.面缺陷晶格紊乱杂质聚集四、金属晶体的缺