金属的结构与结晶(材料第一章)

工程材料材料科学与工程学院金属材料系sunwky@金属学部分：主要介绍金属材料的基本现象、基本概念和材料的组织与性能的变化基本规律；热处理部分：主要介绍钢的热处理原理与工艺两方面；金属材料部分：主要结合金属学与热处理基本知识；非金属材料部分：这部分主要包括高分子材料、陶瓷材料和复合材料;材料的机械性能及机械零件的失效与选材分析部分：主要介绍材料的常用机械性能指标，机械零件的失效形式、原因及分析方法；实验部分:(1)铁碳合金平衡组织观察;(2)二元合金非平衡组织观察；(3)碳钢热处理及硬度。组织架构总学时：讲课28课时+实验4课时=28课时考核：考试最后成绩=50%平时成绩+50%笔试考核了解和掌握所学工程材料方面的基本理论和基本知识;了解和掌握各类工程材料的牌号、成分，组织与性能之间的相互关系及其变化规律;能正确选择常用工程材料，合理制订其生产工艺流程;基本要求E-mail：gcclxc2014@126.com密码：abc123456绪论1.什么是工程材料工程材料：主要是指机械、船舶、建筑、化工、交通运输、航空航天等各项工程中经常使用的各类材料。

2023/2/15绪论2.工程材料的重要性人类生产、生活的物质基础；人类社会文明程度的重要标志之一；当代社会经济的先导，是科技进步的关键；2023/2/16结构性能组织构成材料的基本质点(离子、原子或分子等)是如何结合与排列的，表明材料内部的构成方式借助于显微镜所观察到的材料微观组成与形貌---通常称为显微组织材料组织结构与性能的关系绪论制备加工工艺性能分类绪论性能使用性能工艺性能力学性能物理性能化学性能强度、硬度、塑性、韧性、蠕变和疲劳熔点、密度以及电、磁、光和热耐腐蚀和抗老化材料本身所具有的使用特性性能使用性能工艺性能绪论铸造塑性加工焊接热处理粉末冶金液→固；流动性锻、拉、挤、轧、弯；延展性;变形抗力,变形开裂倾向可焊性热诱发组织转变经压制、烧结成固体材料本身所具有的可加工特性绪论铸造绪论塑性加工绪论热处理冶炼浇铸均匀化退火锻造预备热处理机械加工最终热处理精加工稳定化处理装配材料制备和加工工序2.材料中原子之间的键合特点金属材料陶瓷材料高分子材料复合材料金属是具有正的电阻温度系数的物质,通常具有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽金属材料陶瓷材料高分子材料复合材料金属和非金属元素间的化合物。具有很高的强度和硬度，较低的导电、导热性，延性、成型性及耐冲击性都很差。极好的耐高温和耐腐蚀特性,还有一些独特的光学、电学。金属材料陶瓷材料高分子材料复合材料非金属元素构成的大分子材料。每个大分子由许多结构相同的单元相互连接而成。具有较高的强度、良好的塑性、较强的耐腐蚀性、绝缘性和低密度等优良性能。

金属材料陶瓷材料高分子材料复合材料由两种或两种以上材料组成，其性能是单一的组成材料所不具备的。一般具有非同寻常的刚度、强度、高温性能和耐蚀性。第一章工程材料的基本理论

第二章金属材料组织与性能的控制第一章材料的结构与性能金锰铝合金铜钛合金不锈钢基本概念金属材料：由金属元素或以金属元素为主形成的具有一般金属特征的一类材料。§1-1材料的键合方式金属键金属的特征?良好的导电、导热性；高密度，有光泽；正的电阻温度系数；具有延展性；金属的特征金属的定义：具有正电阻稳定系数的物质。金属键：大量金属原子结合成固体时，失去外层电子的金属正离子与自由电子的结合。金属键模型示意图举例：(镁)Mg:1s22s22p63s2(铝)Al:1s22s22p63s23p1(锗)Ge:1s22s22p63s3p3d10金属原子外层电子排布最外层的电子数(价电子)很少，一般为1～2个，不超过3个

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。C60§1-2晶体结构常识一、晶体概念

三、三种常见的金属晶格*二、立方晶系晶面、晶向指数四、晶体的各向异性一、晶体概念1、晶体与非晶体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。2、晶格与晶胞⑴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(晶格)⑵晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。⑷晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。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立方六方四方菱方正交单斜三斜⑶晶格常数：晶胞各边的尺寸a、b、c。各棱间的夹角用、、表示。⑸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。⑹晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。*⑺配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。*⑻致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。*二、立方晶系晶面、晶向表示方法晶体中各方位上的原子面称晶面。各方向上的原子列称晶向。⑴晶面指数表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：①

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。②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）。例一.求截距为、1、晶面的指数截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（010）例二.求截距为2、3、晶面的指数取倒数为1/2、1/3、

0,化为最小整数加圆括弧得（320）例三.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⑵

晶向指数表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：①

确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。②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]。2023/2/133例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，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[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。[110][234]{110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY1、纯金属的晶体结构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。金属原子趋向于紧密排列。价电子云正离子金属键示意图具有良好的导热性、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。§1-3金属的晶体结构与性能原子半径：是利用晶格常数，算出晶胞中两相切原子间距离的一半；单位晶胞原子数：一个晶胞所含的原子数目；配位数：是晶体结构中任何一原子周围最近邻且等距离的原子数目，配位数越大，原子排列的越紧密；致密度：是单位晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比，其表达式为K=nv/V；K-致密度；n-单位晶胞原子数，v-每个原子的体积，V-晶胞体积，致密度越大，原子排列越紧密;间隙半径：指晶格空隙中能容纳的最大球体半径。因为相同尺寸的原子，既使按最紧密方式排也会存在空隙；描述金属晶体结构的一些重要参数⑴

体心立方晶格(bcc)体心立方晶格体心立方晶格的参数体心立方晶格原子个数：2配位数：

8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常数：a(a=b=c)原子半径：⑵面心立方晶格(fcc)面心立方晶格面心立方晶格的参数

a42r=：原子半径原子个数：4配位数：

12致密度：0.74常见金属：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常数：a面心立方晶格⑶密排六方晶格密排六方晶格的参数*a21r=：原子半径原子个数：6配位数：

12致密度：0.74常见金属：

Mg、Zn、Be、Cd等晶格常数：底面边长a和高c，

c/a=1.633密排六方晶格(hcp)⑷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3三种常见晶格的密排面和密排方向六方底面底面对角线密排六方晶格面心立方晶格体心立方晶格体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面四、晶体的各向异性由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而晶体在不同方向上的性能便有所差异，这叫晶体的各向异性。§1-3-2

实际金属的晶体结构变形金属晶粒尺寸约1~100m，铸造金属可达几mm。纯铁组织晶粒示意图一、多晶体结构单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。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。沿晶断口铅锭宏观组织晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图二、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。①点缺陷

空间三维尺寸都很小的缺陷。空位间隙原子置换原子a.

空位：晶格中某些缺排原子的空结点。b.

间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙c.

置换原子：

取代原来原子位置的外来原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶空位间隙原子小置换原子大置换原子格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位和间隙原子引起的晶格畸变②线缺陷—晶体中的位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上已滑移区与未滑移区的交界线称作位错。刃型位错：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，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金属的位错密度为104~1012/cm2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。金属晶须退火态(105-108/cm2)

加工硬化态(1011-1012/cm2)

电子显微镜下的位错观察③面缺陷—晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。亚晶粒是晶粒内部的尺寸很小,位向差也很小(10’~2

)的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。晶界示意图亚晶界示意图亚晶组织晶界的特点：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。⑥

是相变的优先形核部位

显微组织的显示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。Al-Cu两相合金黄铜§1-3-3合金的相结构相: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。显微组织:是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。单相合金两相合金一、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。习惯以、、表示。与合金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。Cu-Ni置换固溶体Fe-C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。黄铜置换固溶体组织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的极限浓度。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、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体。Cu-Ni无限固溶体Cu-Zn有限固溶体固溶体化合物④

固溶体的性能随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降—固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。二、金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同且具有金属特性的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的Fe3C当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性、韧性。金属化合物也是合金的重要组成相。*①

正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si*②

电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。

电子浓度为价电子数与原子数的比值。③间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、等小原子半径的非金属元素组成。Al-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基轴承合金中的电子化合物a.间隙相：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。如M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)等。间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。VC的结构b.具有复杂结构的间隙化合物当r非/r金>0.59时形成复杂结构间隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。Fe3C的晶格高温合金中的Cr23C6§1-3-4金属材料的力学性能使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造、锻压、焊接、热处理和切削性能等。金属材料的力学性能是指在承受各种外加载荷（拉伸、压缩、弯曲、扭转、冲击、交变应力等）时，对变形与断裂的抵抗能力及发生变形的能力。常用的力学性能有：强度、刚度、弹性、塑性、硬度、冲击韧性及疲劳极限等。硬度：材料抵抗表面局部塑性变形的能力。（一）布氏硬度（二）洛氏硬度布氏硬度布氏硬度试验是指用一定直径的硬质合金球以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸除试验力，用测量的表面压痕直径计算硬度的一种压痕硬度试验。

测量比较软的材料。测量范围<650HBW的金属材料。3.优缺点2.应用

压痕大，测量准确，但不能测量成品件。（二）洛氏硬度加初载荷加主载荷卸除主载荷读硬度值2.应用范围20~671500N120°金刚石圆锥体HRC25~1001000N1.588mm钢球HRB70~85600N120°金刚石圆锥体HRA常用洛氏硬度标度的试验范围优点：操作简便、迅速，效率高，可直接测量成品件及高硬度的材料