《工程材料及成形技术》教案 第1章工程材料的结构与性能 1.1金属材料的结构与组织 11.1纯金属的晶体结构 (一)晶体与非晶体 ·物质由原子组成 ·原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。 ·原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。 ·它们的具体组合状态称为结构。 ·晶体是指原子呈规则排列的周体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有 各向异性。 ·非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。 (二)品格与品胞 ·晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点 (原子中心)称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。 ·晶胞：能代表品格原子排列规律的最小几何单元。 ●品格常数： 晶胞个边的尺寸a、b、c 各棱间的夹角a、B、光 ●品系 根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系，14种晶胞。 90%以上的金属具有立方品系和六方品系。 立方晶系：=bc,ae=90° 六方品系：al=a2=a3≠c,a=-90°，=120 ·原子半径：品胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。 ·晶胞原子数： 一个晶胞内所包含的原子数目。 ·致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。 (三)立方系的晶面和晶向 ●晶体中各方位上的原子面称晶面，用晶面指数(hk1)表示。hk1分别代表 Xy,z轴上的截距的倒数 ·原子排列情况相同而在空间位向不同（即不平行）的品面统称为品面族，用尖括 号表示，即{hk}。如： 1/16
1 / 16 《工程材料及成形技术》教案 第 1 章 工程材料的结构与性能 1.1 金属材料的结构与组织 1.1.1 纯金属的晶体结构 （一） 晶体与非晶体 ⚫ 物质由原子组成。 ⚫ 原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。 ⚫ 原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。 ⚫ 它们的具体组合状态称为结构。 ⚫ 晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有 各向异性。 ⚫ 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。 （二）晶格与晶胞 ⚫ 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点 （原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。 ⚫ 晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。 ⚫ 晶格常数： 晶胞个边的尺寸 a、b、c. 各棱间的夹角 、、。 ⚫ 晶系： 根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系，14 种晶胞。 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 立方晶系：a=b=c，===90 六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，=120 ⚫ 原子半径： 晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。 ⚫ 晶胞原子数： 一个晶胞内所包含的原子数目。 ⚫ 致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。 （三）立方系的晶面和晶向 ⚫ 晶体中各方位上的原子面称晶面，用晶面指数（h k l）表示。h, k, l 分别代表 x,y,z 轴上的截距的倒数。 ⚫ 原子排列情况相同而在空间位向不同(即不平行)的晶面统称为晶面族, 用尖括 号表示, 即{h k l}。如：
11D-(111)+ī11)+1ī1)+11 品向上某一点xy,z的坐标。 ·原子排列情况相同而在空间位向不同（即不平行）的晶向统称为晶向族，用尖括 号表示，即<uvw>。如：<100>=[10]+[010]+001 立系的胸 ·金属的特点 ()金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。 (b)金属原子趋向于紧密排列： (c)具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。 常见纯金属的品格类型有：体心立方(bcc面心立方(fcc)和密排六方(hcp)品格。 (I)体心立方(bcc)晶格金属的参数 ·原子半径： ·原子个数：2 ·致密度：0.68 ●常见金属：a-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等 (2)面心立方(bcc)品格金属的参数 : ·原子半径： ·原子个数：4 ●致密度：0.74 ●常见金属：Y-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等 (3)密排六方(hcp)晶格金属的参数 ·密排六方(hcp)品格的参数 ●晶格常数：底面边长a和高c,ca=1.633 ●原子半径： ·原子个数：6 ●致密度：0.74 ·常见金属：Mg、Zn、Cd、Be等 2/16
2 / 16 立方晶系重要的晶面 {111}:(111) (111) (111) (111) {110}:(110) (101) (011) (110) (101) (011) {100}:(100) (010) (001) − − − − − − 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 ⚫ 晶体中各方向上的原子列称晶向，用晶向指数[u v w]表示。u,v,w 分别代表该 晶向上某一点 x,y,z 的坐标。 ⚫ 原子排列情况相同而在空间位向不同(即不平行)的晶向统称为晶向族, 用尖括 号表示, 即< u v w >。如: <100> = [100] + [010] + [001] 立方晶系重要的晶向 111 :[111] [111] [111] [111] 110 :[110] [101] [011] [110] [101] [011] 100 :[100] [010] [001] − − − − − − 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 （四）三种常见的金属晶体结构 ⚫ 金属的特点 （a）金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。 （b）金属原子趋向于紧密排列。 （c）具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。 常见纯金属的晶格类型有：体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。 （1）体心立方(bcc) 晶格金属的参数 ⚫ 晶格常数：a(a=b=c) ⚫ 原子半径： 3 r = a 4 ⚫ 原子个数：2 ⚫ 致密度：0.68 ⚫ 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb 等 （2）面心立方(bcc) 晶格金属的参数 ⚫ 晶格常数：a(a=b=c) ⚫ 原子半径： 2 r = a 4 ⚫ 原子个数：4 ⚫ 致密度：0.74 ⚫ 常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au 等 （3）密排六方(hcp)晶格金属的参数 ⚫ 密排六方(hcp)晶格的参数 ⚫ 晶格常数：底面边长 a 和高 c，c/a=1.633 ⚫ 原子半径： 1 r = a 2 ⚫ 原子个数：6 ⚫ 致密度：0.74 ⚫ 常见金属： Mg、Zn、Cd、Be 等
(4)三种常见晶格的密排面和密排方向 ●单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度 ·单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。 ·原子密度最大的品面或品向称密排面或密排方向， 密排面 数量 密排方向 数量 体心立方品格 {110 6 面心立方晶格 <110> 密排六方品格六方底面 1 底面对角线 3 (五)金属品体的特性 (1)金屈品体具有确定的熔点 ·纯金属缓慢加热到一定温度，固态金属熔化成为液态金属。熔化过程中温度不 变。 a)熔化温度(T)称为熔点。 b)非品体材料在加热时周态转变为液态时温度变化。 (2)金属品体具有各向异性 ·各向异性：晶体在不同的方向上的力学、物理和化学等性能不一样。 ·各向同性：非品体在各个方向上性能完全相同，这种性质叫非品体的各向同性 ·在晶体中，不同晶面和品向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力 的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的 各向异性。 ●单晶体铁在磁场中沿<100>方向磁化容易。制造变压器用的硅钢片的<I00>方 向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。 ·实际使用的金属，内部有许多晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，在 宏观上沿各个方向上的性能趋于相同，品体的各向异性显示不出来。 (六)实际金属的晶体结构 (1)几个概念 ●单品体：其内部品格方位完全一致的品体 ●多品体：由多品粒组成的品体结构。 ·晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小品体组成， 这些小晶体称为晶粒。 ·晶界：品粒之间的交界面。 3/16
3 / 16 （4）三种常见晶格的密排面和密排方向 ⚫ 单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。 ⚫ 单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。 ⚫ 原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。 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 （五）金属晶体的特性 （1）金属晶体具有确定的熔点 ⚫ 纯金属缓慢加热到一定温度, 固态金属熔化成为液态金属。熔化过程中温度不 变。 a) 熔化温度(T0)称为熔点。 b) 非晶体材料在加热时, 固态转变为液态时, 温度变化。 （2）金属晶体具有各向异性 ⚫ 各向异性：晶体在不同的方向上的力学、物理和化学等性能不一样。 ⚫ 各向同性：非晶体在各个方向上性能完全相同，这种性质叫非晶体的各向同性。 ⚫ 在晶体中, 不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力 的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的 各向异性。 ⚫ 单晶体铁在磁场中沿<100>方向磁化容易。制造变压器用的硅钢片的<100>方 向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。 ⚫ 锌在盐酸中溶解时，晶面的溶解速度的次序从大到小是： ⚫ 实际使用的金属，内部有许多晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，在 宏观上沿各个方向上的性能趋于相同，晶体的各向异性显示不出来。 （六） 实际金属的晶体结构 （1）几个概念 ⚫ 单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。 ⚫ 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。 ⚫ 晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成， 这些小晶体称为晶粒。 ⚫ 晶界：晶粒之间的交界面
(2)品粒尺寸 ●变形金属晶粒尺寸约1~100um,铸造金属可达几mm。 ·如果品粒尺寸达到纳米级别(1-100nm),则可称为纳米材料 ●品粒战细小，品界面积越大 ·所以说，多品体就是由多品粒组成的品体结构。 (3)晶体缺陷 ·晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在者大量的晶体缺陷。按形状可 分三类，即点、线、面缺陷。 ·点缺陷 )空间三维尺寸都很小的缺陷。 b)点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。 ©)晶格畸变使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。 ●线缺陷一一品体中的位错 )品格中一部分品体相对于另一部分品体发生局部滑移，滑移面上滑移 区与未滑移区的交界线称作位错。 b)位错分刃型位错和螺型位错。 )位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。金属的位错密度为 10-102em2。 p=S/V(cm/cm或1/cm) d)位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍 位错运动是强化金属的主要途径。 ©）减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。 ·面缺陷一晶界与亚晶界 )晶界是不同位向晶粒的过渡部位，宽度为510个原子间距，位向差一 般为2040°。 b)亚晶粒是组成品粒的尺寸很小，位向差也很小(10'2)的小品块。 心)亚晶粒之间的交界面称亚晶界，可看作位错壁。 d)晶界的特点 ①原子排列不规则 ②熔点低。 ③耐蚀性差。 ④易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚 ⑤阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细品粒 (使用温度低于0.5Tm)。 4/16
4 / 16 （2）晶粒尺寸 ⚫ 变形金属晶粒尺寸约 1~100m, 铸造金属可达几 mm。 ⚫ 如果晶粒尺寸达到纳米级别（1-100nm），则可称为纳米材料 ⚫ 晶粒越细小，晶界面积越大。 ⚫ 所以说，多晶体就是由多晶粒组成的晶体结构。 （3）晶体缺陷 ⚫ 晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷。按形状可 分三类, 即点、线、面缺陷。 ⚫ 点缺陷 a) 空间三维尺寸都很小的缺陷。 b) 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。 c) 晶格畸变使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。 ⚫ 线缺陷——晶体中的位错 a) 晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移 区与未滑移区的交界线称作位错。 b) 位错分刃型位错和螺型位错。 c) 位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。金属的位错密度为 104~1012/cm2。 = S/V (cm/cm3 或 1/cm2 ) d) 位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍 位错运动是强化金属的主要途径。 e) 减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。 ⚫ 面缺陷—晶界与亚晶界 a) 晶界是不同位向晶粒的过渡部位，宽度为 5~10 个原子间距，位向差一 般为 20~40°。 b) 亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’ ~2 )的小晶块。 c) 亚晶粒之间的交界面称亚晶界，可看作位错壁。 d) 晶界的特点： ① 原子排列不规则。 ② 熔点低。 ③ 耐蚀性差。 ④ 易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。 ⑤ 阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒 （使用温度低于 0.5Tm）
⑥是相变的优先形核部位。 1.1.2合金的晶体结构 (一)几个概念 ·合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的 元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。 ·组成合金的元素相互作用可形成不同的相。 ·所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分 开的均匀组成部分。 ·固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。 (二)固溶体 ·合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。用α、B、 y表示。 ·与固溶体晶体结构相同的元素称溶剂，其它元素称溶质。 ●固溶体是合金的重要组成相.实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为 基的合金。 ·按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体 (1)置换固溶体 ●溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的周溶体。 ·溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。 (2)间隙固溶体 ·溶质原子嵌入溶剂品格间隙所形成的固溶体。 ·形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等， 而溶剂元素一般是过渡族元素。 ●形成间隙固溶体的一般规律为r质厅剂<0.59。 ·间隙固溶体都是无序固溶体。 (3)固溶体的溶解度 ·溶质原子在固溶体中极限浓度 ·溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。组成元素无限互溶的固溶体称 无限周溶体。 ·组成元素原子半径、电化学性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才可能 形成无限固溶体 ·间隙固溶体都是有限固溶体， (4)固溶体的性能 5/16
5 / 16 ⑥ 是相变的优先形核部位. 1.1.2 合金的晶体结构 （一）几个概念 ⚫ 合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的 元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。 ⚫ 组成合金的元素相互作用可形成不同的相。 ⚫ 所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分 开的均匀组成部分。 ⚫ 固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。 （二）固溶体 ⚫ 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。用 、、 表示。 ⚫ 与固溶体晶体结构相同的元素称溶剂，其它元素称溶质。 ⚫ 固溶体是合金的重要组成相,实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为 基的合金。 ⚫ 按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。 （1）置换固溶体 ⚫ 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。 ⚫ 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。 （2）间隙固溶体 ⚫ 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 ⚫ 形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如 C、N、B 等， 而溶剂元素一般是过渡族元素。 ⚫ 形成间隙固溶体的一般规律为 r 质/r 剂<0.59。 ⚫ 间隙固溶体都是无序固溶体。 （3）固溶体的溶解度 ⚫ 溶质原子在固溶体中极限浓度。 ⚫ 溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。组成元素无限互溶的固溶体称 无限固溶体。 ⚫ 组成元素原子半径、电化学性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才可能 形成无限固溶体. ⚫ 间隙固溶体都是有限固溶体。 （4）固溶体的性能