第1章金属的结构与性能 教学提示:金属材料在性能方面所表现出的多样性、多变性和特殊性是其固有的内在 因素在一定外在条件下的综合反映。化学成分,原子集合体的结构以及内部组织是决定金 属材料性能的内在基本因素。一个完整的晶粒或亚晶内部,是由同类的原子或不同比例的 异类原子按一定规律结合在一起的,并可用严格的几何图案来表达出来。在金属学中用“晶 体结构”来概括它,简称“结构”,是指原子集合体中各原子的具体组合状态。成分、结 构和组织三者既相互区别,又相互渗透,并分别在不同程度上相互制约着,它们的综合作 用决定了金属材料的性能 教学要求:本章使学生掌握三种常见金属的晶体结构、实际金属中三类晶体缺陷、合 金中的两类基本相;了解常见金属材料的力学性能(也称杋械性能)试验方法及其应用;掌 握金属材料常用力学性能指标的物理意义、以便在机器零件设计时能根据零件的技术要求 合理地选用金属材料。 1.1金属的晶体结构 金属在固态下通常都是晶体。金属所表现的种种性能,同金属原子的结构、原子间结 合以及金属的晶体结构密切相关。要了解金属材料内部的组织结构,首先必须了解晶体中 原子的相互作用和结合方式、有关晶体学的一些基础知识、典型金属理想晶体的结构以及 实际晶体中的各种晶体缺陷。 11.1晶体的概念 1.晶体( crystal)与非晶体( noncrystal 自然界中的物质,按其内部粒子(原子、离子、分子、原子集团)排列情况可分为两大 类:晶体与非晶体。所谓晶体就是指其内部粒子呈規则排列的物质,如水晶、食盐、金属 等。由于晶体内的粒子呈规则排列,所以晶体具有下列特点: (1)一般具有规则的外形,但晶体的外形不一定都是规则的,这与晶体形成条件有关, 如果条件不具备,其外形也就变得不规则。所以不能仅从外观来判断,而应从其内部粒子 排列情况来确定是不是晶体。 (2)有固定的熔点,例如,铁(Fe)的熔点为1538℃;铜(Cu)的熔点为10845℃C;铝(AI) 的熔点为660.37℃ (3)具有各向异性。所谓各向异性,就是在同一晶体的不同方向上,具有不同的性能。 非晶体内部粒子呈无规则的堆积,因此没有晶体的上述特点。玻璃是一种典型的非晶 体,故往往将非晶体的固态物质(简称非晶态物质称为玻璃体
第 1 章 金属的结构与性能 教学提示：金属材料在性能方面所表现出的多样性、多变性和特殊性是其固有的内在 因素在一定外在条件下的综合反映。化学成分，原子集合体的结构以及内部组织是决定金 属材料性能的内在基本因素。一个完整的晶粒或亚晶内部，是由同类的原子或不同比例的 异类原子按一定规律结合在一起的，并可用严格的几何图案来表达出来。在金属学中用“晶 体结构”来概括它，简称“结构”，是指原子集合体中各原子的具体组合状态。成分、结 构和组织三者既相互区别，又相互渗透，并分别在不同程度上相互制约着，它们的综合作 用决定了金属材料的性能。 教学要求：本章使学生掌握三种常见金属的晶体结构、实际金属中三类晶体缺陷、合 金中的两类基本相；了解常见金属材料的力学性能(也称机械性能)试验方法及其应用；掌 握金属材料常用力学性能指标的物理意义、以便在机器零件设计时能根据零件的技术要求 合理地选用金属材料。 1.1 金属的晶体结构 金属在固态下通常都是晶体。金属所表现的种种性能，同金属原子的结构、原子间结 合以及金属的晶体结构密切相关。要了解金属材料内部的组织结构，首先必须了解晶体中 原子的相互作用和结合方式、有关晶体学的一些基础知识、典型金属理想晶体的结构以及 实际晶体中的各种晶体缺陷。 1.1.1 晶体的概念 1. 晶体(crystal)与非晶体(noncrystal) 自然界中的物质，按其内部粒子(原子、离子、分子、原子集团)排列情况可分为两大 类：晶体与非晶体。所谓晶体就是指其内部粒子呈规则排列的物质，如水晶、食盐、金属 等。由于晶体内的粒子呈规则排列，所以晶体具有下列特点： (1) 一般具有规则的外形，但晶体的外形不一定都是规则的，这与晶体形成条件有关， 如果条件不具备，其外形也就变得不规则。所以不能仅从外观来判断，而应从其内部粒子 排列情况来确定是不是晶体。 (2) 有固定的熔点，例如，铁(Fe)的熔点为 1538℃；铜(Cu)的熔点为 1084.5℃；铝(Al) 的熔点为 660.37℃。 (3) 具有各向异性。所谓各向异性，就是在同一晶体的不同方向上，具有不同的性能。 非晶体内部粒子呈无规则的堆积，因此没有晶体的上述特点。玻璃是一种典型的非晶 体，故往往将非晶体的固态物质(简称非晶态物质)称为玻璃体
金属学与热处理 晶体纯物质与非晶体纯物质在性质上的区别主要有两点 ①前者熔化时具有固定的熔点,而后者却存在一个软化温度范围,没有明显的熔点; ②前者具有各向异性,而后者却为各向同性 2.金属晶体的特性 金属一般均属晶体。但最近人们对某些金属采用特殊的工艺措施,也可使固态金属呈 非晶态。金属的晶体结构是指构成金属晶体中的原子(离子)具体结合与排列的情况。金属 原子的特点在于它的最外层的电子数较少,大多一个或两个,最多不超过四个,金属原子 易于丢失外层电子,以便达到与其相邻的前一周期的惰性元素相似的电子结构。 根据近代物理和化学的观点,处于集聚状态的金属原子,全部或大部分都将它们的价 电子贡献出来,作为整个原子集体所公有。这些公有化的电子也称自由电子,它们组成所 谓电子云或电子气,在点阵的周期场中按量子力学规律运动着:而贡献出电子的原子,则 变成正离子,它沉浸在电子云中,它们依靠运动于其间的公有化自由电子的静电作用而结 合起来。这种结合叫金属键,它无饱和性和方向性的问题。金属晶体中的原子(离子)之间 是靠金属键结合的。 金属晶体中原子(离子)排列的规律性,可由ⅹ射线结构分析方法测定,结果表明,原 子(离子)排列均有其周期性。金属晶体中原子排列的周期性可用其基本几何单元体“晶胞” 来描述 112金属的晶体结构 1.晶格与晶胞 晶体结构是指晶体中原子(或离子、分子、原子集团)的具体排列情况,也就是晶体中 的这些质点(原子、离子、分子、原子集团)在三维空间有规律的周期性的重复排列方式。 组成晶体的物质质点不同,排列的规则不同,或者周期性不同,就可以形成各种各样的晶 体结构,即实际存在的晶体结构可以有很多种。假定晶体中的物质质点都是固定的刚性小 球,那么晶体即由这些刚性小球按一定几何规则排列的紧密堆积,如图1.1(a)所示。由图可 见,原子在晶体中是有规则的、周期性的排列的。这种排列的形式称为空间点阵,简称点 阵( lattice)。为方便起见,人为地将点阵用直线连接起来形成空间格子,称之为晶格(unit lattice),如图1.(b)所示。 (a)原子堆垛模型 (b)晶格 (c)晶胞 图1.1晶体中原子排列示意
·2· 金属学与热处理 ·2· 晶体纯物质与非晶体纯物质在性质上的区别主要有两点： ① 前者熔化时具有固定的熔点，而后者却存在一个软化温度范围，没有明显的熔点； ② 前者具有各向异性，而后者却为各向同性。 2. 金属晶体的特性 金属一般均属晶体。但最近人们对某些金属采用特殊的工艺措施，也可使固态金属呈 非晶态。金属的晶体结构是指构成金属晶体中的原子(离子)具体结合与排列的情况。金属 原子的特点在于它的最外层的电子数较少，大多一个或两个，最多不超过四个，金属原子 易于丢失外层电子，以便达到与其相邻的前一周期的惰性元素相似的电子结构。 根据近代物理和化学的观点，处于集聚状态的金属原子，全部或大部分都将它们的价 电子贡献出来，作为整个原子集体所公有。这些公有化的电子也称自由电子，它们组成所 谓电子云或电子气，在点阵的周期场中按量子力学规律运动着；而贡献出电子的原子，则 变成正离子，它沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化自由电子的静电作用而结 合起来。这种结合叫金属键，它无饱和性和方向性的问题。金属晶体中的原子(离子)之间 是靠金属键结合的。 金属晶体中原子(离子)排列的规律性，可由 X 射线结构分析方法测定，结果表明，原 子(离子)排列均有其周期性。金属晶体中原子排列的周期性可用其基本几何单元体“晶胞” 来描述。 1.1.2 金属的晶体结构 1. 晶格与晶胞 晶体结构是指晶体中原子(或离子、分子、原子集团)的具体排列情况，也就是晶体中 的这些质点(原子、离子、分子、原子集团)在三维空间有规律的周期性的重复排列方式。 组成晶体的物质质点不同，排列的规则不同，或者周期性不同，就可以形成各种各样的晶 体结构，即实际存在的晶体结构可以有很多种。假定晶体中的物质质点都是固定的刚性小 球，那么晶体即由这些刚性小球按一定几何规则排列的紧密堆积，如图 1.1(a)所示。由图可 见，原子在晶体中是有规则的、周期性的排列的。这种排列的形式称为空间点阵，简称点 阵(lattice)。为方便起见，人为地将点阵用直线连接起来形成空间格子，称之为晶格(unit lattice)，如图 1.1(b)所示。 (a)原子堆垛模型 (b)晶格 (c)晶胞 图 1.1 晶体中原子排列示意图
第1章金属的结构与性能 由于晶体中原子的规则排列具有周期性的特点,因此,为了简便起见,通常只从晶格 中选取一个能够完全反映晶格对称特征的、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( unit lattice cel),如图1.l(c)所示。整个晶格就是由许多大小 形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、 b、c及棱间夹角a、B、y来表示,如图12所示。图中通过晶胞角上某一结点沿其三条棱 边作三个坐标轴x、y、,称为晶轴。晶胞的棱边长度,称为晶格常数( (lattice constant)或点 阵常数,晶胞的棱间夹角又称为晶轴间夹角。习惯上,以原点O的前、右、上方为轴的正 方向(反之为负方向)。 图12晶轴及晶胞的六个参 2.纯金属的典型晶体结构 金属晶体中原子在空间规则排列的方式称为金属的晶体结构。金属原子间的结合键为 金属键,由于金属键的无方向性和不饱和性,使金属原子(离子)趋于作高度对称的、紧密 的和简单的排列。 自然界中的晶体有成千上万种,它们的晶体结构各不相同,但若根据晶胞的三个晶格 常数和三个轴间夹角的相互关系对所有的晶体进行分析,则发现空间点阵只有14种类型, 进一步根据晶体的对称程度高低和对称特点,1855年,法国学者布拉维( Bravais用数学方 法证明了空间点阵共有且只能有14种(见图13),并归纳为七个晶系,见表1-1 表1-1晶系及其点阵特征 空间点阵特 晶体例证 三斜晶系 a≠b≠c,a≠B≠ KCrO 单斜晶系 CasO4·2H2O 正交晶系(斜方晶系) a≠b≠c,a=B=y=90° Fe3C 六方晶系 a=b≠c,a=B=90°,y=120° Zn、Mg、N E方晶系(四方晶系) a=b≠c,a=B=y=90 T1O,P-SI 方晶系 a=b=c,a=B=y=90 Fe、Cu、NaCI
第 1 章 金属的结构与性能 ·3· ·3· 由于晶体中原子的规则排列具有周期性的特点，因此，为了简便起见，通常只从晶格 中选取一个能够完全反映晶格对称特征的、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(unit lattice cell)，如图 1.1(c)所示。整个晶格就是由许多大小、 形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度 a、 b、c 及棱间夹角 α、β、γ 来表示，如图 1.2 所示。图中通过晶胞角上某一结点沿其三条棱 边作三个坐标轴 x、y、z，称为晶轴。晶胞的棱边长度，称为晶格常数(lattice constant)或点 阵常数，晶胞的棱间夹角又称为晶轴间夹角。习惯上，以原点 O 的前、右、上方为轴的正 方向(反之为负方向)。 图 1.2 晶轴及晶胞的六个参数 2. 纯金属的典型晶体结构 金属晶体中原子在空间规则排列的方式称为金属的晶体结构。金属原子间的结合键为 金属键，由于金属键的无方向性和不饱和性，使金属原子(离子)趋于作高度对称的、紧密 的和简单的排列。 自然界中的晶体有成千上万种，它们的晶体结构各不相同，但若根据晶胞的三个晶格 常数和三个轴间夹角的相互关系对所有的晶体进行分析，则发现空间点阵只有 14 种类型， 进一步根据晶体的对称程度高低和对称特点，1855 年，法国学者布拉维(Bravais)用数学方 法证明了空间点阵共有且只能有 14 种(见图 1.3)，并归纳为七个晶系，见表 1-1。 表 1-1 晶系及其点阵特征 序 号 晶 系 空间点阵特征 晶体例证 1 三斜晶系 a ≠ b≠ c ，α≠ β≠ γ≠ 90° K2CrO7 2 单斜晶系 a ≠ b ≠ c，α = γ = 90°≠ β CaSO4•2H2O 3 正交晶系(斜方晶系) a ≠ b ≠ c，α = β = γ = 90° Fe3C 4 六方晶系 a = b ≠ c，α= β = 90°，γ=120° Zn、Mg、Ni 5 菱方晶系(三角晶系) a = b = c，α = β = γ≠90° Sb、Bi、As 6 正方晶系(四方晶系) a = b ≠ c，α = β = γ = 90° TiO2、β-Sn 7 立方晶系 a = b = c，α = β = γ = 90° Fe、Cu、NaCl
金属学与热处理 (a)简单三斜 (b)简单单斜 (c)底心单斜 (d简单正交 e)底心正交 (的)体心正交 (g)面心正交 (h)简单六方 (i)简单菱方 ()简单正方k)体心正方 (1)简单立方 (m)体心立方 (n)面心立方 图1314种平移点阵的单胞 由于金属原子趋向于紧密排列,所以在工业上使用的金属元素中,除了少数具有复杂 的晶体结构外,绝大多数金属具有面心立方(fc0、体心立方(bc)和密排六方hep)三种典型 的晶体结构。 (1)体心立方晶格( bodycentered cubic lattice):体心立方晶体的晶胞如图14所示。其晶 胞是一个立方体,晶格常数a=b=c,晶轴间夹角a=B=y=90°,所以通常只用一个晶 格常数a表示即可。在体心立方晶胞的每个角上和晶胞中心都有一个原子。在顶角上的原 子为相邻八个晶胞所共有,故每个晶胞只占1/8,只有立方体中心的那个原子才完全属于该 晶胞所独有,所以实际上每个体心立方晶胞所包含的原子数为:8×18+1=2个 具有体心立方晶体结构的金属有axFe、W、Mo、V、β-Ti等
·4· 金属学与热处理 ·4· (a)简单三斜 (b)简单单斜 (c)底心单斜 (d)简单正交 (e)底心正交 (f)体心正交 (g)面心正交 (h)简单六方 (i)简单菱方 (j)简单正方 (k)体心正方 (l)简单立方 (m)体心立方 (n)面心立方 图 1.3 14 种平移点阵的单胞 由于金属原子趋向于紧密排列，所以在工业上使用的金属元素中，除了少数具有复杂 的晶体结构外，绝大多数金属具有面心立方(fcc)、体心立方(bcc)和密排六方(hcp)三种典型 的晶体结构。 (1) 体心立方晶格(bodycentered cubic lattice)：体心立方晶体的晶胞如图 1.4 所示。其晶 胞是一个立方体，晶格常数 a＝b＝c，晶轴间夹角 α ＝ β ＝ γ ＝90°，所以通常只用一个晶 格常数 a 表示即可。在体心立方晶胞的每个角上和晶胞中心都有一个原子。在顶角上的原 子为相邻八个晶胞所共有，故每个晶胞只占 1/8，只有立方体中心的那个原子才完全属于该 晶胞所独有，所以实际上每个体心立方晶胞所包含的原子数为：8×1/8+1=2 个。 具有体心立方晶体结构的金属有 α-Fe、W、Mo、V、β-Ti 等
第1章金属的结构与性能 (a)刚性小球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数 图14体心立方晶胞 (2)面心立方晶胞( facecentered cubic lattice:面心立方晶体的晶胞如图1.5所示。其晶 胞也是一个立方体,晶格常数a=b=c,晶轴间夹角a=β=y=90°,所以也只用一个晶 格常数a表示即可。在面心立方晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都有一个原子。面 心立方晶胞所包含的原子数为:8×18+6×1/2=4个。 具有面心立方晶体结构的金属有yFe、Al、Cu、Ag、Au、Pb、Ni、β-Co等。 (a)刚性小球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数 图15面心立方晶胞 (3)密排六方晶胞( closepacked lattice hexagonal):密排六方晶体的晶胞如图16所示 它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成的一个六方柱体。因此,需要 用两个晶格常数表示,一个是正六边形的边长a,另一个是柱体的高c。在密排六方晶胞的 每个角上和上、下底面的中心都有一个原子,另外在中间还有三个原子。因此,密排六方 晶格的晶胞中所含的原子数为:6×1/6×2+2×1/2+3=6个。 (a)刚性小球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数 图16密排六方晶胞
第 1 章 金属的结构与性能 ·5· ·5· (a)刚性小球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数 图 1.4 体心立方晶胞 (2) 面心立方晶胞(facecentered cubic lattice)：面心立方晶体的晶胞如图 1.5 所示。其晶 胞也是一个立方体，晶格常数 a＝b＝c，晶轴间夹角 α ＝ β ＝ γ ＝90°，所以也只用一个晶 格常数 a 表示即可。在面心立方晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都有一个原子。面 心立方晶胞所包含的原子数为：8×1/8+6×1/2=4 个。 具有面心立方晶体结构的金属有 γ-Fe、A1、Cu、Ag、Au、Pb、Ni、β-Co 等。 (a)刚性小球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数 图 1.5 面心立方晶胞 (3) 密排六方晶胞(closepacked lattice hexagonal)：密排六方晶体的晶胞如图 1.6 所示。 它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成的一个六方柱体。因此，需要 用两个晶格常数表示，一个是正六边形的边长 a，另一个是柱体的高 c。在密排六方晶胞的 每个角上和上、下底面的中心都有一个原子，另外在中间还有三个原子。因此，密排六方 晶格的晶胞中所含的原子数为：6×1/6×2+2×1/2+3=6 个。 (a)刚性小球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数 图 1.6 密排六方晶胞