金属材料的结构讲解学习

1、金属材料的结构 主要是与金属原子的主要是与金属原子的内部结构内部结构以及以及原子间的原子间的结合方式结合方式有关。有关。金属为何具有上述这些特性呢？金属为何具有上述这些特性呢？金属键金属键金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金属原子结合成固体时，彼此失去最外层子电子（过渡族元素也失去少数次外层电子），成为正离子，而失去的外层电子穿梭于正离子之间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力（库仓引力），这种结合方式称为金属键。价电子云价电子云正离子正离子金属键示意图金属键示意图 金属材料金属材料 以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征：以金属键方式结合，

2、从而使金属材料具有以下特征：u良好的导电、导热性良好的导电、导热性：u正的电阻温度系数正的电阻温度系数： 金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自由电子的定向运动，从而使电阻升高。u不透明，有金属光泽：不透明，有金属光泽： 自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见光能量辐射出来，产生金属光泽。u具有延展性：具有延展性： 金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发生相对位移时，其结合键不会被破坏，从而具有延展性。 返回返回 尽管金属材料都具有相同的原子结合尽管金属材料都具有相同的原子结合方式，但不同的金属材料

3、性能还是各不相方式，但不同的金属材料性能还是各不相同，为什么呢？同，为什么呢？ 物质的性能取决于原子的物质的性能取决于原子的结合方式结合方式和和排列方式排列方式两个方面。材料的性能除了与原子的两个方面。材料的性能除了与原子的结合方式结合方式有关，有关，还取决于材料的还取决于材料的内部结构内部结构。 结构即为原子的排列方式和空间分布。结构即为原子的排列方式和空间分布。二、二、 金属的晶体结构金属的晶体结构 晶体：晶体：原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列列长程有序。长程有序。 非晶体：非晶体：原子无规则堆积，无序排列，也称为原子无规则堆积，无

4、序排列，也称为 “ “过冷液过冷液体体”短程有序。（短程有序。（一定条件下晶体和非晶体可互相转化）一定条件下晶体和非晶体可互相转化）晶体晶体常态金属、金刚石、常态金属、金刚石、NaClNaCl、冰、冰 等等。液体液体非晶体非晶体 石蜡、玻璃、沥青等。石蜡、玻璃、沥青等。l1、晶体与非晶体、晶体与非晶体 微晶：微晶：快速凝固的晶态金属或合金的颗粒尺寸要小得多，仅为微米纳米级尺度，高强度高硬度； 准晶：准晶：具有与晶体相似的长程有序的原子排列；但不具备晶体的平移对称性即无周期性，可以说是介于晶体和非晶体之间； 液晶：液晶：二维长程有序。一些有机化合物和高分子聚合物，在一定温度或浓度的溶液中，既具有

5、液体的流动性，又具有晶体的各向异性，这就是液晶。返回返回a 原子堆垛模型b 空间点阵c 晶格zxy a ab bc cd 晶胞l2、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构空间点阵空间点阵 将晶体内部的原子（离子）或原子群（离子群）抽象为无将晶体内部的原子（离子）或原子群（离子群）抽象为无数点子按一定的方式在空间做有规则的周期性分布，这些几何数点子按一定的方式在空间做有规则的周期性分布，这些几何点子的总体称为空间点阵，这些点称为阵点或节点。点子的总体称为空间点阵，这些点称为阵点或节点。晶格晶格 用一系列假想的平行直线将空间点阵的阵点联结起来，形用一系列假想的平行直线将空间点阵的阵点联结起来，形成的空

6、间网络称为空间格子，也称晶格。成的空间网络称为空间格子，也称晶格。晶胞晶胞 为了研究空间点阵的排列特点，从点阵中取出一个反映点为了研究空间点阵的排列特点，从点阵中取出一个反映点阵特征的基本单元（通常是一个平行六面体）作为其组成单元，阵特征的基本单元（通常是一个平行六面体）作为其组成单元，这个平行六面体称为晶胞。这个平行六面体称为晶胞。晶体结构基本概念晶体结构基本概念晶格参数晶格参数 晶胞各棱边的尺寸晶胞各棱边的尺寸 a a、b b、c c； 各棱边间的夹角用各棱边间的夹角用 、 、 表示。表示。晶体分为晶体分为七大晶系，十四个空间点阵：七大晶系，十四个空间点阵：简单三斜简单单斜底心单斜简单正交

7、体心正交面心正交底心正交简单六方简单菱方简单正方体心正方简单立方体心立方面心立方90%90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 立方晶系：立方晶系：a a= =b b= =c c， = = = = =90=90 六方晶系：六方晶系：a a1=1=a a2=2=a a3 3 c c， = = =90=90 ， =120=120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜描述金属晶体结构的一些重要概念描述金属晶体结构的一些重要概念晶胞原子数晶胞原子数 一个晶胞内所含的原子数目。注意相邻晶胞的共有原子的计算方法。原子半径原子半径 晶胞中最近邻的两个原子

8、之间（平衡）距离的一半。配位数配位数 晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。致密度致密度 晶胞中原子本身所占的体积与晶胞体积之比.常见的金属晶体结构常见的金属晶体结构工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构，其中最典型的为以下三种：体结构，其中最典型的为以下三种： （1 1）体心立方晶格体心立方晶格bccbcc （2 2）面心立方晶格面心立方晶格fccfcc （3 3）密排六方晶格密排六方晶格hcphcp 体体心心立立方方晶晶格格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格的参数体心立方晶格的参数 体心立方晶格体心立方晶格原子个数：原子个数：2配位数：

9、配位数： 8致密度：致密度：0.68常见金属：常见金属： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)ar43 原子半径：原子半径： 面面心心立立方方晶晶格格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格的参数面心立方晶格的参数 a42r ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：4配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常数：晶格常数：a 面心立方晶格面心立方晶格 密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格的参数密排六方晶格的参数a21r ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6配位数：配位数： 12致密度：致密

10、度：0.74常见金属：常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常数：底面边长晶格常数：底面边长 a 和高和高 c， c/a=1.633 密排六方晶格密排六方晶格XYZabc晶面晶面通过原子中心的平面通过原子中心的平面晶向晶向通过原子中心的直线所代表的方向通过原子中心的直线所代表的方向XYZabc3 3、金属晶体中的晶面和晶向、金属晶体中的晶面和晶向 金属的许多性能和金属中发生的许多现象都和金属的许多性能和金属中发生的许多现象都和晶体中晶体中特定的晶面和晶向特定的晶面和晶向有密切关系。有密切关系。立方晶系晶面、晶向表示方法立方晶系晶面、晶向表示方法晶面表示法晶面表示法 晶面指数晶面指数 其确

11、定步骤为：其确定步骤为： 确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。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，取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为加圆括弧，形式为（hklhkl）。 例一例一. .求截距为求截距为 、1 1、 晶面的指数晶面的指数 截距值取倒数为截距值取倒数为0 0、1 1、0 0，加圆括弧，加圆括弧得（得（010010） 例二例二. .求截距为求截距为2 2、3 3、 晶面的指数晶面的指数 取倒数为取倒数为1/21/2、1/3 1/3 、 0, 0, 化为最小化为最小整数加圆括弧得（整数

12、加圆括弧得（320320） 例三例三. .画出（画出（112112）晶面）晶面 取三指数的倒数取三指数的倒数1 1、1 1、1/2, 1/2, 化成最化成最小整数为小整数为2 2、2 2、1 1，即为，即为X X、Y Y、Z Z三坐三坐标轴上的截距标轴上的截距 晶向表示法晶向表示法 晶向指数。晶向指数。其确定步骤为：其确定步骤为： 以晶胞中的某原以晶胞中的某原子为原点确定三维子为原点确定三维晶轴坐标系，通过晶轴坐标系，通过原点作平行于所求原点作平行于所求晶向的直线。晶向的直线。 以相应的晶格常以相应的晶格常数为单位，求直线数为单位，求直线上任一点的坐标值上任一点的坐标值并按比例化为最小并按比例

13、化为最小整数，加方括弧。整数，加方括弧。形式为形式为 uvwuvw 。 例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1 1、1.51.5、2 2，求该直线的晶向指数。求该直线的晶向指数。 将三坐标值化为最小整数加方括弧得将三坐标值化为最小整数加方括弧得234234。l例二、已知晶向指例二、已知晶向指数为数为110, 110, 画出画出该晶向。该晶向。 找出找出1 1、1 1、0 0坐标坐标点点, ,连接原点与该点连接原点与该点的直线即所求晶向。的直线即所求晶向。110234说明：说明：每一晶面指数每一晶面指数( (或晶向或晶向) )泛泛指晶格中一系列与之相平指晶格中

14、一系列与之相平行的一组晶面（晶向）。行的一组晶面（晶向）。在立方晶系中，指数相同在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。的晶面与晶向相互垂直。 遇到负指数，遇到负指数，“-”-”号放号放在该指数的上方。在该指数的上方。晶向具有方向性，晶向具有方向性， 如如110110与与 方方 向相反。向相反。XZY(221)221110110110 （3）三种常见晶格的密排面和密排方向）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。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

15、或密排方向。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。密排面密排面数量数量密排方向密排方向数量数量体心立方晶格体心立方晶格1101106 64 4面心立方晶格面心立方晶格1111114 46 6密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1 1底面对角线底面对角线3 3体心立方体心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面（1 1）有确定的熔点）有确定的熔点熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线晶体和非晶体的熔化曲线4 4、金属晶体的特性、金属晶体的特性（2 2）各向异性）各向异性不同晶面或晶向原子排列的方式和不同晶面或晶向原子排列的方式和密度不同引起性能不同

16、的现象。密度不同引起性能不同的现象。XYZXYZ返回返回例如：例如： 单晶铁的弹性模量在单晶铁的弹性模量在111111方向上为方向上为2.9X102.9X105 5MPaMPa，而在而在100100方向上只有方向上只有1.35X101.35X105 5MPaMPa。 体心立方晶格的金属最易拉断或劈裂的晶面为体心立方晶格的金属最易拉断或劈裂的晶面为100100面。面。 实际使用的金属材料大都是多晶体，内部由实际使用的金属材料大都是多晶体，内部由许许多多晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向许许多多晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，因而宏观上各个方向上的性能趋于相同，不同，因而宏观上各个方向上的

17、性能趋于相同，晶体的各向异性就显现不出来了。晶体的各向异性就显现不出来了。5、实际金属的晶体结构、实际金属的晶体结构变形金属晶粒尺寸约变形金属晶粒尺寸约11001100 m m，铸造金属可达几，铸造金属可达几mmmm。纯铁组织纯铁组织晶粒示意图晶粒示意图 单晶体与多晶体单晶体与多晶体 单晶体单晶体：其内部晶格方位完全一：其内部晶格方位完全一致的晶体。致的晶体。 多晶体多晶体 晶粒晶粒：实际使用的金属材料是：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称则的小晶体组成，这些小晶体称为为晶粒晶粒。（一般。（一般10-5-10-4m）铅锭宏观

18、组织铅锭宏观组织 晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。 多晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图多晶体示意图 晶体缺陷晶体缺陷 理想晶体理想晶体：是指晶体中原子严格地有规则和完：是指晶体中原子严格地有规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而整的排列，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。构成理想的单晶体。 实际晶体：实际晶体：多晶体多晶体+ +晶体缺陷晶体缺陷 晶体缺陷：晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原

19、子排列是晶体内部存在的一些原子排列不不规则和不完整规则和不完整的微观区域，按其几何尺寸特征，的微观区域，按其几何尺寸特征，可分为可分为点缺陷点缺陷、线缺陷线缺陷和和面缺陷面缺陷三类。三类。 点缺陷点缺陷 空间三维尺寸都空间三维尺寸都很小的缺陷。很小的缺陷。l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子 a. 空位：空位：晶格中某些晶格中某些缺排原子的空结点。缺排原子的空结点。 b. 间隙原子：间隙原子：挤进晶挤进晶格间隙中的原子。可格间隙中的原子。可以是基体金属原子，以是基体金属原子，也可以是外来原子。也可以是外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙体心立方的四面体和八面体间隙 c. 置换原子：

20、置换原子：取代原来原子位置的外来原取代原来原子位置的外来原子称置换原子。子称置换原子。 点缺陷破坏了原子的平衡状点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称态，使晶格发生扭曲，称晶晶空位空位间隙原子间隙原子小置换原子小置换原子大置换原子大置换原子格畸变格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位和间隙原子引起的晶格畸变空位和间隙原子引起的晶格畸变 线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错 位错：位错：晶格中一部分晶体相晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部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，滑移面上滑移区与未刃型位错刃型位错 螺型位错

21、螺型位错滑移区的交界线称作滑移区的交界线称作位错位错。分刃型位错和螺型位错。分刃型位错和螺型位错。 刃型位错：刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这种线半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这种线缺陷称为刃型位错缺陷称为刃型位错。 多余半原子面的底边即为位错线。多余半原子面的底边即为位错线。位错线周围引起晶格畸变，阻碍变形。位错线周围引起晶格畸变，阻碍变形。刃型位错刃型位错刃位错的形成刃位错的形成 螺型位错：螺型位错：如图所示晶体右边的上部原子相对于下如图所示晶体右边的上部原子相对于下部原子向后错动一个原子间距，即

22、右边上部相对于部原子向后错动一个原子间距，即右边上部相对于下部晶面发生错动。若将错动区的原子用线连接下部晶面发生错动。若将错动区的原子用线连接 起来，则具有螺旋型特征起来，则具有螺旋型特征。螺型位错螺型位错 位错密度位错密度：单位体积内所包含：单位体积内所包含的位错线总长度。的位错线总长度。 = S/V= S/V(cm/cm(cm/cm3 3或或1/cm1/cm2 2) )金属的位错密度为金属的位错密度为10104 410101212/cm/cm2 2 位错对性能的影响位错对性能的影响：减少（晶减少（晶须）或增加位错密度都可以提须）或增加位错密度都可以提高金属的强度。高金属的强度。 金属材料的

23、一种强化方式金属材料的一种强化方式：“冷塑性变形法冷塑性变形法”-增加位增加位错密度错密度金属晶须金属晶须退火态退火态(105-108/cm2) 加工硬化态加工硬化态(1011-1012/cm2) 电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线(黑线黑线)电子显微镜下的位错观察 面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界 晶界晶界是不同位向晶粒的过渡层是不同位向晶粒的过渡层。 厚度为厚度为510510个原子间距，位向差一般为个原子间距，位向差一般为20402040。亚晶粒亚晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位错壁位错壁 亚晶粒亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，是组成晶粒的尺寸

24、很小，位向差也很小位向差也很小(10 2 (10 2 ) )的小的小晶块。晶块。（10-8-10-6m） 亚晶粒之间的交界面称亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界。亚晶界也可看作亚晶界也可看作位错壁（位错位错壁（位错规则排列形成）。规则排列形成）。晶界及亚晶界的特点：晶界及亚晶界的特点： 原子排列不规则。原子排列不规则。 熔点低。熔点低。 耐蚀性差。耐蚀性差。 易产生内吸附，外来原易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。子易在晶界偏聚。 阻碍位错运动，是阻碍位错运动，是强化强化部位部位，故实际使用时力求，故实际使用时力求 获得细晶粒。（细晶强化）获得细晶粒。（细晶强化） 是相变的优先形核部位是相变的

25、优先形核部位 显微组织的显示显微组织的显示 纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差，如何改善？能较差，如何改善？三、合金的晶体结构三、合金的晶体结构合金：合金：由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元素，也可以是非金属元素）组成的有金属特征金属特征的金属材料。金属与非金属组成的是不是一定就是合金？金属与非金属组成的是不是一定就是合金？Fe + CFe(C)合金（钢）Fe3C (化合物）基本概念Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜组元：组元：组成合金独立的最基本单元。组元可以是元素元素或是稳定化合物稳定化合物。Fe(C)合金Fe、C组元Fe、Fe3C组元类比鸡蛋鸡蛋水

26、，蛋白质，脂肪，胆固醇水，蛋白质，脂肪，胆固醇相：相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相。 类比类比鸡蛋鸡蛋蛋白、蛋黄工业纯铁单相铁素体共析碳钢铁素体相、渗碳体相普通陶瓷晶相、玻璃相、气相单相合金单相合金两相合金两相合金组织：用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌组织：用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌（金属中各相或各晶粒的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分形态、数量、大小和分布布的组合）的组合）图像的统称（宏观组织、微观组织）。图像的统称（宏观组织、微观组织）。组织是影响材料性能的重要因素。组织是影响材料性能的重要因

27、素。相是组织的基本组成部分相同的相，但当组成相的数量、大小、形态和分布不同时，其组织也不同！不同的相构成不同的组织！1、固溶体：、固溶体：溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相称为固溶体固溶体。 实际合金多是单相固溶体或以固溶体为基的合金。实际合金多是单相固溶体或以固溶体为基的合金。“固体溶液固体溶液” 均一的、保持熔剂金属的晶格类型 晶格常数发生一定变化（1 1） 晶体结构特点晶体结构特点合金中的相分固溶体和金属化合物两大类 形成固溶体时含量多的能够保持自己晶形成固溶体时含量多的能够保持自己晶格类型的元素称格类型的元素称溶剂溶剂。其它元素称其它元素称溶质。溶质。（2 2）固溶体的分类固溶体的分类

28、 按溶质原子所占据的位置按溶质原子所占据的位置置换固溶体置换固溶体：溶质原子一般为半径相差不大的原子间隙固溶体间隙固溶体：溶质原子半径小的非金属原子 （H、O、N、C、B）黄铜置换固溶体组织黄铜置换固溶体组织一般规律为一般规律为r r质质/ /r r剂剂0.590.59 按固态溶解度分：按固态溶解度分：有限固溶体有限固溶体：间隙固溶体只能 是有限固溶体无限固溶体无限固溶体：无限固溶体只能 是置换固溶体形成无限固溶体的必备条件：形成无限固溶体的必备条件： 晶格类型相同 原子尺寸相差不大 负电性（元素得到电子的能力）相同 置换固溶体Cu-Ni无限固溶体无限固溶体Cu-Zn有限固溶体有限固溶体固溶体

29、固溶体化合物化合物 按溶质原子在晶格中的分布状态分：按溶质原子在晶格中的分布状态分： 有序固溶体、无序固溶体溶质原子呈无序分布的称溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，无序固溶体，呈有序分布的称呈有序分布的称有序固溶体。有序固溶体。 随溶质增加随溶质增加, , 固溶体的强度、固溶体的强度、硬度增加硬度增加, , 塑性、韧性略下塑性、韧性略下降降固溶强化固溶强化。 产生固溶强化的原因产生固溶强化的原因是溶质原是溶质原子使子使晶格发生畸变晶格发生畸变及对位错的及对位错的钉扎钉扎作用。（点缺陷）作用。（点缺陷）l与纯金属比强度、硬度高，塑性、韧性低，但与化与纯金属比强度、硬度高，塑性、韧性低，但与化合物比硬度要低得多，而塑性和韧性要高得多。合物比硬度要低得多，而塑性和韧性要高得多。具具有良好的综合力学性能，一般作为合金的基体相。有良好的综合力学性能，一般作为合金的基体相。（3 3）固溶体的性能固溶体的性能正常晶格正常晶格大原子置换引起的晶格畸变大原子置换引起的晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变 各种合金钢、硬质合金及许多非铁合金重要组成相各种合金钢、硬质合金及许多非铁