工程材料：第2章2.1 金属材料的结构与组织

1、复习：,贯穿全课程的“纲”,材料的结构、性能、加工和使用状况称为材料科学与工程的四要素,What? “组织结构”,第二章 金属的晶体结构与结晶,2.1 金属的晶体结构 2.2 实际金属的组织结构 2.3 金属的结晶,主要内容：,三种典型的晶体结构,晶面指数、晶向指数的确定,晶体缺陷,2.1 金属的晶体结构,晶体与非晶体,晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的 周期性排列。如金刚石、水晶、氯化钠等。 非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则排列，和液 体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。如 玻璃、松香、石腊等。,(a)、是否具有周期性、对称性 (b)、是否长程有序 (c)、是否有确

2、定的熔点 (d)、是否各向异性,区 别,1理想晶体及其描述,理想晶体实际晶体的理想化 三维空间无限延续，无边界 严格按周期性规则排列 完整的，无缺陷的 原子在其平衡位置静止不动,晶体结构: 晶体中原子（离子、分子）的排列方式,一、纯金属的晶体结构,晶体学抽象：,空间规则排列的原子刚球模型晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）晶胞（具有周期性最小组成单元）,空间点阵,2晶胞的描述,七个晶系：,晶体学参数： 三条棱边长a, b, c；三条棱边之间的夹角, 晶格常数：a, b, c（110-10m710-10m）,简单立方,体心立方,面心立方,简单六方,3三种典型的纯金属晶体晶胞,属于此类结构的金

3、属有：碱金属、难溶金属（V、Nb、Cr、Mo、W）、a-Fe等,属于此类结构的金属的有：Al、Cu、Au、Ag、-Fe、Ni、Pb以及奥氏体不锈钢等。,属于此类结构的金属有： Mg、Zn 、 a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Co等。,体心立方晶胞bcc (Body-centered cubic),面心立方晶胞fcc (Face-centered cubic),密排六方晶胞hcp (hexagonal close-packed),(1) 体心立方晶胞BCC Body-Centered Cubic,1) 晶格常数：a=b=c, =90,4) 配位数：晶格中与任一原子最近邻且等距离的原子数目。,2

4、) 晶胞原子数：,原子半径：晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子间平 衡距离的一半,致密度：晶胞中原子本身所占有的体积百分数，即密排系数,体心立方晶胞的特征：,8,在晶胞空隙中放入刚性球的最大半径（它等于顶点原子到空隙中心的距离减去原子半径）。体心立方晶胞中有两种空隙，一种是四面体空隙，另一种为八面体空隙。,空隙半径,(2) 面心立方晶胞FCC -Face-Centered Cubic,面心立方晶胞的特征：,1) 晶格常数：a=b=c, =90,4) 配位数：,2) 晶胞原子数：,原子半径：,致密度：,12,空隙半径,（3）密排六方晶胞HCP-Hexagonal Close-Packed,空隙

5、半径,BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数,4.金属晶体中的晶面和晶向,晶面：在晶体学中，通过晶体中原子中心的平面 晶向：通过原子中心的直线所指的方向,X,Y,a,b,c,（1）立方晶系的晶面表示方法, 确定欲定晶面外的原点，建立坐标系，写出欲定晶面在三个坐标轴上的截距。 取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。,立方晶系晶面指数的标定,例一.画出截距为、1、晶面的指数 截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（010） 例二. 画出（112）晶面 取三指数的倒数1、1、1/2, 化成最小整数为2、2、1，即为X、Y、Z三坐标轴上的截距,相互平行的晶面晶面指数相同（或指

6、数相同符号相反） (hkl) 表示的是一组平行的晶面 晶面族：原子排列情况相同而空间位向不同（不平行）的晶面 1 11 ,立方晶系常见的晶面为：,任意交换指数的位置和改变符号,都是该族的范围,110,（011）,立方晶系常见的晶面,晶向指数确定的步骤,1） 确定坐标系（例：xyz）； 2） 过坐标原点，作直线与待求晶向平行（例：引OB /AB）; 3） 在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（x，y，z） （例：B点坐标为-1,1,0）； 4） 将此值化成最小整数:u v w ，并加以方括号u v w即是 （例：AB晶向指数为 1 0）。 （代表一组互相平行，方向一致的晶向）,（2）立方晶系的晶

7、向表示方法, 确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。 求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为uvw。,立方晶系晶向指数的标定,例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，画出该晶向。 将三坐标值化为最小整数加方括弧得234。,例二、已知晶向指数为110, 画出该晶向。 找出1、1、0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。,相互平行的晶向晶向指数相同（或指数相同符号相反） u v w表示的是一组平行的晶向 晶向族：原子排列情况相同而空间位向不同（不平行）的晶向 ,立方晶系常见的晶向为：,立方晶系常见的晶向,111,注意：,立方晶系中，晶向指数与晶面指数数

8、值和符号相同时，该晶面与晶向垂直，例：（1 1 1） 1 1 1 遇到负指数，“-”号放在该指数的上方 同一直线相反两个方向的晶向指数符号相反 如110与110方向相反。,(3) 六方晶格的晶向指数和晶面指数,(h k i l ), i= -( h+k ) u v t w, t= -( u+v ),BCC中，密排面为1 1 0；密排方向为,FCC中，密排面为1 1 1；密排方向为,(4) 密排面与密排方向,原子密度最大的晶向,原子密度最大的晶面,密排面和密排方向,三种常见晶格的密排面和密排方向,5.晶体的特性,（1）有确定的熔点,熔点,晶体,非晶体,不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象 晶体具有各向异性的原因，是由于在不同晶向上的原子紧密程度不同所致。原子的紧密程度不同，意味着原子之间的距离不同，则导致原子间结合力不同，从而使晶体在不同晶向上的物理、化学和机械性能不同。 实际金属不表现各向异性(多晶体),（2）各向异性,作业：辅助教材P6，1、3、4,1.标出图1-1中给定的晶面与晶向。,3、常见的金属