材料第1章金屬材料的結(jié)構(gòu)與性能

第1章金屬材料的結(jié)構(gòu)與性能課本第1章1.1和1.2的內(nèi)容

2/5/20231北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院晶體的三大特征：原子排列有序；有固定的熔點(diǎn)；各向異性。晶格和晶胞caXb

β

α

γYZ簡(jiǎn)單立方晶體（a）晶體結(jié)構(gòu)（b）晶格（c）晶胞一、晶體的概念2/5/20232北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（a）（b）（c）體心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數(shù)屬于這種晶格類型的金屬有α-Fe、Cr、W、Mo、V等

（1）晶格常數(shù)：a=b=c,α=β=γ=90°（2）晶胞原子數(shù)：是指在一個(gè)晶胞中所含的原子數(shù)目。1+8×1/8=2（3）原子半徑：是指晶胞中原子密度最大的方向上相鄰兩原子間平衡距離的一半，或晶胞中相距最近的兩個(gè)原子間距的一半。體心立方晶胞：二、常見(jiàn)純金屬的晶格類型1、體心立方晶胞BCC——Body-CenteredCube2/5/20233北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（a）（b）（c）體心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數(shù)（4）配位數(shù)：是指晶格中與任一原子最鄰近且等距離的原子數(shù)目，為8（5）致密度：是指晶胞中原子本身所占有的體積百分?jǐn)?shù)，也稱密排系數(shù)。致密度=晶胞中原子所占有的體積/晶胞的體積×100%。68%（6）空隙半徑：若在晶胞空隙中放入剛性球，則能放入球的最大半徑。

2/5/20234北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2、面心立方晶胞FCCFace-CenteredCube（a）（b）（c）面心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數(shù)屬于這種晶格類型的金屬有γ－Fe、Cu、Al、Ag、Au、Pb、Ni等。74%12421/2a/4a=b=c,===90o

FCC致密度配位數(shù)晶胞原子數(shù)原子半徑晶體學(xué)參數(shù)晶胞2/5/20235北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院3、密排六方晶胞HCPHexagonalClose-Packed（a）（b）（c）密排六方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數(shù)74%126a/2a=b≠c,c/a=1.633,==90o,=120o

HCP致密度配位數(shù)晶胞原子數(shù)原子半徑晶體學(xué)參數(shù)晶胞2/5/20236北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院

在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱為晶面，任意兩個(gè)原子之間連線所指的方向稱為晶向。為了確定晶向、晶面在晶體中的空間位向，就需要引入一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)則來(lái)標(biāo)志它們，這種統(tǒng)一的標(biāo)志，叫做晶向指數(shù)和晶面指數(shù)。國(guó)際上通用的是密勒（Miller）指數(shù)。三、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)2/5/20237北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院晶向指數(shù)的確定步驟如下：（1）以晶胞中的某一陣點(diǎn)為原點(diǎn)，以三條棱邊為X、Y、Z軸，并以晶胞棱邊的長(zhǎng)度為單位長(zhǎng)度；（2）如果所求晶向未通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，過(guò)原點(diǎn)引一條平行于所求晶向的有向直線；（3）在所引直線上取離原點(diǎn)最近的那個(gè)原子，求出其在X、Y、Z軸上的坐標(biāo)；（4）將三個(gè)坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)，依次記入方括號(hào)[]中，即得所求晶向指數(shù)。通常以[uvw]表示晶向指數(shù)的普遍形式，若其中某數(shù)為負(fù)值，應(yīng)將負(fù)號(hào)標(biāo)注在該數(shù)的上方，例如。[110][110][111][100]XYZ立方晶系中的三個(gè)重要晶向?qū)τ谝粋€(gè)晶向指數(shù)，表示的不是一個(gè)具體的方向，而是所有相互平行，方向一致的晶向。如果兩個(gè)晶向指數(shù)數(shù)值大小相等，符號(hào)相反，則這兩組晶向相互平行但是方向相反。

晶向指數(shù)2/5/20238北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院晶向族

在立方晶系中：[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]八個(gè)晶向，指的是立方體中四個(gè)對(duì)角線的方向。從晶體的對(duì)稱關(guān)系來(lái)看，這一組晶向在性質(zhì)上是等同的，故總稱之為晶向族。原子排列情況相同，但空間位向不同的所有晶向稱為晶向族，用<>表示，上述八個(gè)晶向即可用<111>表示。

同理，<100>代表：[100]、[010]、[001]、[100]、[010]、[001]六個(gè)晶向。應(yīng)當(dāng)指出，只有在立方晶系中晶向族各晶向指數(shù)可以通過(guò)改變指數(shù)和正負(fù)號(hào)的排列組合方式求出。對(duì)于其他晶系并不一定適用。

2/5/20239北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院晶面指數(shù)（1）與確定晶面指數(shù)類似建立坐標(biāo)系，但坐標(biāo)原點(diǎn)應(yīng)位于待定晶面之外，以避免出現(xiàn)零截距。（2）以晶格常數(shù)為長(zhǎng)度單位求出待定晶面在各軸上的截距。若晶面與某軸平行，則認(rèn)為該晶面在該軸上的截距為無(wú)窮大，其倒數(shù)為零。（3）取截距的倒數(shù)，將其化為最小整數(shù)，置于圓括號(hào)內(nèi)，寫成（hkl）的形式，即得晶面指數(shù)。2/5/202310北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院下圖給出了一些立方晶系中的一些主要晶面的晶面指數(shù)。

XXXYYYZZZ（100）（111）（110）立方晶格中的三種重要晶面與晶向指數(shù)類似，如果有截距為負(fù)值，應(yīng)將負(fù)號(hào)記在相應(yīng)的指數(shù)上面。晶面指數(shù)（hkl）不是指一個(gè)晶面，而是代表一組相互平行的晶面。當(dāng)兩個(gè)晶面指數(shù)的數(shù)字和順序完全相同而符號(hào)相反時(shí)，則這兩個(gè)晶面相互平行。

2/5/202311北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院晶面族在同一晶體結(jié)構(gòu)中，有些晶面上的原子排列和晶面間距完全相同，但具有不同的空間位向，這些晶面均歸并為一個(gè)晶面族，用{}表示。例如，在立方晶系中：｛100｝包括（100）,（010）,（001）｛110｝包括（110）,（101）,（011）,（110）,（101）,（011）｛111｝包括（111）,（111）,（111）,（111）晶面族不僅包括了相互平行的一組晶面，而且也包括了位向不同，但晶面間距相等、原子排列相同的若干組平行晶面。

在立方晶系中，{hkl}晶面族所包括的晶面可用改變h、k、l的正負(fù)號(hào)及數(shù)字的排列組合來(lái)求得。但是這種方法不適用于其他晶系。

2/5/202312北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院不同的晶體結(jié)構(gòu)中，不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列密度不一樣。密排面：原子密度最大的晶面密排方向：原子密度最大的晶向

講課本P11表1-1密排面和密排方向2/5/202313北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院

單晶體與多晶體

晶體中原子排列規(guī)律相同，晶格位向一致的晶體，稱為單晶體。在實(shí)際應(yīng)用中金屬材料中較少的用單晶體金屬，工程上使用的金屬材料，都是由很多小晶體組成的，這些小晶體內(nèi)部的晶格位向是均勻一致的，而它們之間，晶格位向卻彼此不同，這些外形不規(guī)則的顆粒狀小晶體稱為晶粒。每一個(gè)晶粒相當(dāng)于一個(gè)單晶體。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。這種由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。

四、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致：各自異性多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組成：各自同性

2/5/202314北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院純鐵的多晶體結(jié)構(gòu)2/5/202315北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1．晶體缺陷：實(shí)際晶體中存在著偏離（破壞）晶格周期性和規(guī)則性的部分。

a、點(diǎn)缺陷

b、線缺陷（位錯(cuò)）

c、面缺陷

2/5/202316北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院a、點(diǎn)缺陷

——晶格結(jié)點(diǎn)處或間隙處，產(chǎn)生偏離理想晶體的變化空位：

晶格結(jié)點(diǎn)處無(wú)原子

置換原子：

晶格結(jié)點(diǎn)處為其它原子占據(jù)

間隙原子：

原子占據(jù)晶格間隙2/5/202317北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院晶格畸變之空位引起的晶格畸變2/5/202318北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院晶格畸變之置換原子引起的晶格畸變2/5/202319北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院B、線缺陷（位錯(cuò)）

——二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯(cuò)排（1）刃型位錯(cuò)

（a)立體模型（b）平面圖刃型位錯(cuò)示意圖GH

EF2/5/202320北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院ττ位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)示意2/5/202321北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（2）螺型位錯(cuò)2/5/202322北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院CBAD(b)（a）立體模型；（b）平面圖

螺型位錯(cuò)示意圖ABCD(a)2/5/202323北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院螺型位錯(cuò)示意圖2/5/202324北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院螺型位錯(cuò)示意圖2/5/202325北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院鈦合金中的位錯(cuò)線2/5/202326北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院c、面缺陷

——一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯(cuò)排區(qū)域晶界、亞晶界等區(qū)域：2/5/202327北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院

晶界晶界是兩相鄰晶粒間的過(guò)渡界面。由于相鄰晶粒間彼此位向各不相同，故晶界處的原子排列與晶內(nèi)不同，它們因同時(shí)受到相鄰兩側(cè)晶粒不同位向的綜合影響，而做無(wú)規(guī)則排列或近似于兩者取向的折衷位置的排列，這就形成了晶體中的重要的面缺陷。晶界是晶體中的一種重要的缺陷。由于晶界上的原子排列不規(guī)則，脫離平衡位置，所以晶界具有較高的能量，使其具有一系列不同于晶粒內(nèi)部的特征。例如，晶界比晶粒容易被腐蝕，熔點(diǎn)較低；原子沿晶界擴(kuò)散速度快；在常溫下晶界對(duì)金屬的塑性變形起阻礙作用。因此，金屬材料晶粒愈細(xì)小，則晶粒愈多，其室溫強(qiáng)度愈高。2/5/202328北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院亞晶界實(shí)驗(yàn)表明，在實(shí)際金屬的一個(gè)晶粒內(nèi)部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差異的小晶塊（位向差一般不超過(guò)2°）。這些小晶塊稱為亞結(jié)構(gòu)。亞結(jié)構(gòu)之間的界面稱為亞晶界。亞晶界實(shí)際上是由一系列的位錯(cuò)所組成。亞晶界上原子排列也不規(guī)則，具有較高的能量，與晶界類似的特征，故細(xì)化亞結(jié)構(gòu)，可顯著提高金屬的強(qiáng)度。2/5/202329北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院

晶界示意圖

亞晶界示意圖2/5/202330北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院工業(yè)純鐵的晶界2/5/202331北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院五、合金的晶體結(jié)構(gòu)和組織合金相結(jié)構(gòu)相：凡是化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同，與其它部分有明顯分界的均勻組成部分。液態(tài)物質(zhì)為液相，固態(tài)物質(zhì)為固相。

固態(tài)合金中有兩類基本的相結(jié)構(gòu)，固溶體和金屬化合物。2/5/202332北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院1、固溶體組元通過(guò)溶解形成一種成分和性能均勻的，且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體A（B）。A：溶劑B：溶質(zhì)。固溶體用α、

?、

γ等符號(hào)表示?！獰o(wú)序固溶體——有序固溶體分布有序度——無(wú)限固溶體——有限固溶體溶解度原子半徑較小間隙固溶體晶格類型相同,原子半徑相差不大,電化學(xué)性質(zhì)相近置換固溶體溶質(zhì)原子的位置2/5/202333北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院置換固溶體

溶劑原子溶質(zhì)原子置換固溶體示意圖固溶體中溶質(zhì)原子引起的晶格畸變示意圖（a）正畸變（b）負(fù)畸變(a)(b)2/5/202334北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院當(dāng)溶質(zhì)與溶劑原子半徑的比值rb/ra＜0.59時(shí)，形成間隙固溶體。溶質(zhì)原子填充到溶劑晶格的間隙中形成間隙固溶體，如圖所示。形成間隙固溶體的溶質(zhì)原子通常都是一些原子半徑小的非金屬元素，如氫（0.046nm）、氧（0.061nm）、氮（0.071nm）、碳（0.077nm）、硼（0.097nm），溶劑則大多數(shù)是過(guò)渡族元素。

溶劑原子溶質(zhì)原子間隙固溶體示意圖間隙固溶體2/5/202335北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院固溶強(qiáng)化

由于溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格產(chǎn)生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韌性沒(méi)有明顯降低。溶質(zhì)原子溶入→晶格畸變→位錯(cuò)遠(yuǎn)動(dòng)阻力上升→金屬塑性變形困難→強(qiáng)度、硬度升高。2/5/202336北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2、金屬化合物在合金中，溶質(zhì)原子濃度超過(guò)固溶體的固溶極限時(shí)，將會(huì)形成一種晶格結(jié)構(gòu)，特性完全不同于任一組元的新相，因其具有金屬性質(zhì)，稱之為金屬化合物。由于它們常處在相圖的中間位置，所以又被稱為中間相。中間相分為正常價(jià)化合物、電子化合物和間隙化合物三種。2/5/202337北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（1）正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物就是符合原子價(jià)規(guī)律的，受電負(fù)性控制的一種金屬化合物。如MnS、MgS、Mg2Si等。正常價(jià)化合物的熔點(diǎn)，硬度及脆性均較高。

2/5/202338北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（2）電子化合物

電子化合物通常是IB族或過(guò)渡族元素與ⅡB、ⅢA、ⅣA和ⅤA族元素所組成，它們不遵守化合價(jià)規(guī)律而是按照一定電子濃度比值（化合物中價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之比）形成金屬間化合物。電子濃度不同，晶體結(jié)構(gòu)類型也不同。主要以金屬鍵結(jié)合，具有明顯的金屬特性，熔點(diǎn)和硬度較高，塑性較差。2/5/202339北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（3）間隙化合物間隙化合物主要是過(guò)渡族金屬元素和碳、氮等原子半徑較小的非金屬元素所形成的化合物。分為間隙相和復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。參見(jiàn)課本表1-2.間隙化合物Fe3C（滲碳體）VC2/5/202340北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院二、工程材料的性能1.

使用性能：物理、化學(xué)、力學(xué)性能；

2.

工藝性能：鑄造、鍛、焊、切削等。——表征材料在給定外界條件下的行為材料的性能2/5/202341北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（1）材料的強(qiáng)度

（2）塑性工程材料的力學(xué)性能2/5/202342北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院（3）硬度抵抗外物壓入的能力，稱為硬度―綜合性能指標(biāo)。1．布氏硬度HB試驗(yàn)最初由瑞典工程師

JohanAugustBrinell（1849年-1925年）于1900年提出。布氏硬度是第一個(gè)被廣泛用于工程學(xué)及冶金學(xué)的標(biāo)準(zhǔn)化硬度試驗(yàn)。此試驗(yàn)方法因壓痕較大和對(duì)待測(cè)材料損傷明顯，應(yīng)用受到一定限制。布氏硬度試驗(yàn)一般采用直徑10毫米的球形鋼壓頭，用一定的負(fù)荷（試驗(yàn)力）壓入被測(cè)材料表面。常見(jiàn)的試驗(yàn)力可高達(dá)3,000千克力(29千牛頓)；對(duì)于軟的材料則可用較小的負(fù)荷。如果試驗(yàn)材料很硬，則以碳化鎢球壓頭代替鋼壓頭。保持負(fù)荷一定時(shí)間后，卸除試驗(yàn)力，測(cè)量材料表面留下的壓痕之直徑。2/5/202343北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院適用于未經(jīng)淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質(zhì)地輕軟的軸承合金。

P=負(fù)荷(千克力)D=壓頭直徑(毫米)d=壓痕直徑(毫米)200HBS10/1000/30硬度值為200，鋼球壓頭，直徑是10mm，在1000Kg力下保持30秒HBW（使用硬質(zhì)合金球）2/5/202344北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院2．洛氏硬度（金剛石壓頭或鋼球壓頭）

洛氏硬度試驗(yàn)是簡(jiǎn)便、迅速的硬度測(cè)試方法。洛氏硬度試驗(yàn)方法廣泛應(yīng)用于生產(chǎn)制造、科學(xué)研究的各個(gè)領(lǐng)域。洛氏硬度試驗(yàn)是用標(biāo)準(zhǔn)型壓頭在先后兩次對(duì)被試材料表面施加試驗(yàn)力（初試驗(yàn)力F0與總試驗(yàn)力F0+F1），在試驗(yàn)力的作用下壓頭壓入試樣表面。在總試驗(yàn)力保持一定時(shí)間后，卸除主試驗(yàn)力F1，保留初始試驗(yàn)力F0的情況下測(cè)量壓入深度，以總試驗(yàn)力下壓入深度與在初試驗(yàn)力下的壓入深度之差（即所謂的殘余壓入深度）來(lái)表征硬度的高低，殘余壓入深度值越大，硬度值越低，反之亦然。2/5/202345北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院洛氏硬度常用標(biāo)尺有：B、C、A三種①HRB標(biāo)尺用于測(cè)試各種退火鋼、正火鋼、軟鋼、部分不銹鋼及較硬的銅合金。②HRC標(biāo)尺用于測(cè)試淬火鋼、回火鋼、調(diào)質(zhì)鋼和部分不銹鋼。這是金屬加工行業(yè)應(yīng)用最多的硬度試驗(yàn)方法。③HRA標(biāo)尺盡管也可用于大多數(shù)黑色金屬，但是實(shí)際應(yīng)用上一般只限于測(cè)試硬質(zhì)合金和薄硬鋼帶材料。2/5/202346北京郵電大學(xué)自動(dòng)化學(xué)院3、維氏硬度HV

英文詞條名：Vick