第二章 材料的结构

第2章

金属的晶体结构与缺陷一、结合键

——组成物质的质点（原子、分子或离子）间的相互作用力称为结合键。结合键强键弱键：分子键离子键共价键金属键1.离子键特征：

①无方向性②无饱和性性能：

①结合力大②硬度高、脆性大、强度高、热膨胀系数小、离子晶体无色透明

NaCl离子键的形成过程——正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键。2.共价键——由共用电子对产生的结合键。

特征：

①结合力很大②强度高、硬度高、脆性大、熔点沸点高共价键形成氯分子示意图金刚石中的共价键水晶3.金属键——金属正离子与电子气之间相互作用的结合方式。

①良好的导电性及导热性②正的温度系数③良好的强度及塑性④特有的金属光泽特征：

4.分子键——一个分子的正电荷部位与另一个分子的负电荷部位间以微弱的静电引力而结合在一起

。

①结合键能很低②熔点低、硬度低、绝缘（无自由电子）

特征：

干冰二、晶体结构的基本概念

1.晶体——原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。

①原子排列有序；ABABABABABCABCABC②物理性质表现为各向异性；③有固定的熔点；④在一定的条件下有规则的几何外形。

特征：

食盐金刚石2.非晶体①结构无序；②物理性质表现为各向同性；③没有固定的熔点；④热导率（导热系数）和热膨胀性小；⑤相同应力下，非晶体的塑性形变大；⑥组成非晶体的化学成分变化大。

特征：

——原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列。如玻璃、高分子材料晶体非晶体晶态金属液体高速冷却（>107℃/s）可得到非晶体；非晶态金属加热到一定温度可转变为晶态金属玻璃经高温长时间加热可形成晶体玻璃§1.2金属的结构

金属材料纯金属合金重点章节1纯金属的晶体结构1.1晶体的基本概念

（2）晶格——空间几何格架

（1）空间点阵——一个由无数几何点在三维空间规则排列而成的阵列

（3）晶胞——一个能够完全反映晶体特征的最小几何单元

晶格常数晶轴轴间角1.2典型金属的晶体结构体心立方（bcc）thebody-centredcubicCr、Mo、V、W、α－Fe面心立方（fcc）theface-centredcubicAl、Cu、Ni、γ－Fe密排六方（hcp）theclose-packedhexagonalMg、Zn、Cd、Be几个描述晶胞特征的指标1晶胞原子数晶胞顶角处的原子同时为相邻几个晶胞所共有；面心的原子同时属于两个相邻晶胞；晶胞体积内的原子完全属于该晶胞。bcc：n＝8×1/8＋1＝2fcc：n＝8×1/8＋6×1/2＝4hcp：n＝12×1/6＋2×1/2＋3＝6

2原子半径

——晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子间距离的一半。

3配位数

——晶格中任一原子周围与其最临近且等距离的原子数目。

4致密度

——

一个晶胞内原子所占体积的百分数。

bcc:fcc:hcp:体心立方

面心立方密排六方

晶格常数a=b=ca=b=ca=b≠cc/a=1.633轴间角α=β=γ=90°

α=β=γ=90°

α=β=90°γ=120°

原子半径原子数246配位数81212致密度68%74%74%三种典型晶胞的参数对比1.3立方晶系的晶面、晶向表示方法晶向晶面1.3.1晶向指数[uvw]的确定方法①选定晶胞的某一阵点为原点，以晶胞的三条棱边为坐标轴，以棱边的长度为单位长度；②若所求晶向未通过坐标原点，则过原点作一平行于所求晶向的有向直线；③求出该有向直线上距原点最近的一个阵点的坐标值；④将三个坐标值按比例化为最小整数，依次放入[]内。

①三个数字之间没有逗号，负号标在数字上面；②某一晶向指数所表示的是一组相互平行的晶向。如方向相反，则指数数值相同，但符号相反；③某些晶体上的原子排列相同但空间位向不同，属等同晶向，可归并为一个晶向族，用<uvw>表示。

注意：Z[011]

XY[110][101]<110>晶向族ZXY[111]<111>晶向族1.3.2晶面指数（hkl）的确定方法①选不在所求晶面上的某一晶胞阵点为坐标原点，以三条棱边为坐标轴，以晶胞边长为单位长度；②求出待定晶面在三坐标轴上的截距，若晶面与某一轴平行，则认为该晶面在该轴上的截距为无穷大，倒数为0。③取各轴截距的倒数，并化为最小整数，放入（）内。ZXY（111）（110）（001）（1）所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数；注意：（110）ZXYZXY（110）（011）（011）{110}晶面族X{111}晶面族ZY（111）（2）空间位向不同但原子排列相同的晶面归并为一个晶面族{hkl}。难点一个晶面族到底表示那些面？{123}（123）（123）（123）（123）（132）（213）（231）（312）（321）（132）（213）（231）（312）（321）（132）（213）（231）（312）（321）（132）（213）（231）（312）（321）ZXY（111）（001）[001][111]（110）[110]（3）具有相同指数的晶面与晶向必定是互相垂直的。1.3.3晶面及晶向的原子密度晶面族体心立方晶格面心立方晶格晶面原子排列示意图晶面原子密度晶面原子排列示意图晶面原子密度{100}{110}{111}晶向族体心立方晶格面心立方晶格晶向原子排列示意图晶向原子密度晶向原子排列示意图晶向原子密度<100>

<110>

<111>

为什么晶体具有各向异性的特点？

●单晶体铁(只含一个晶粒)的弹性模量，在<111>方向上为2.90×105MPa,而在<100>方向上只有1.35×105MPa。●体心立方晶格的金属最易拉断或劈裂的晶面(称解理面)就是{100}面。●单晶体铁在磁场中沿<100>方向磁化，比沿<111>方向磁化容易。所以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：{1120}

、{1010}

、{0001}

。2.金属的实际结构与晶体缺陷

实际使用的金属材料是由许多小晶体组成，各个小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。

实际金属晶体中总是不可避免的存在一些原子排列偏离理想状态的不完整区域，称为晶体缺陷。它对金属的性能有很大影响，尤其在力学方面。点缺陷面缺陷线缺陷缺陷的分类

点缺陷的存在，破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲——晶格畸变。使密度发生变化，电阻率，屈服强度增加。

零维线缺陷

晶体中的一部分相对于另一部分发生一列或若干列原子有规律的错排现象。一维刃型位错刃型位错的特点：①刃位错是在滑移面上局部滑移区的边界②位错的方向与滑移方向垂直难点螺型位错难点螺型位错的特点：①螺位错是在滑移面上局部滑移区的边界②位错的方向与滑移方向平行位错密度——单位体积中位错线的总长度

（单位为m－2）ΣL为位错线总长度（m）V为体积（m3）Si中的位错缠结Ni中的位错线二维1Cr17连铸多晶Cu晶界——晶粒和晶粒之间的交界面。晶界的特征：晶界对位错起阻碍作用，使金属的强度升高。晶界上的原子具有较高的动能，原子的扩散速度比在晶内快的多。发生相变时，新相往往首先在母相的晶界上形核。能降低晶界能的合金元素，优先富集于晶界。晶界容易被优先腐蚀和氧化。不锈钢中的位错塞积细晶强化晶界的结构特点⑴有一定的厚度,5～10个原子间距⑵两晶粒的过渡区，位向差②亚晶界——亚晶粒之间的交界面。TiAl基合金中的亚晶界

亚晶界结构示意图——刃型位错垂直排列的位错壁。二、合金的相结构

组元——组成合金的最基本的独立单元。组元A组元B组元C二元合金三元合金Al－Si－MgAl－Cu－Zn碳钢，Al－Si，Al－Mg，Cu－Ni，Ti－Ni20CrMnTi是几元合金？？？难点各种元素相合金组织

相是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分。

珠光体铁素体渗碳体1.固溶体2.金属间化合物——合金组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，成为固溶体。像溶液一样，有溶剂、溶质之分。固溶体常用α、β、γ表示。1.固溶体1.1固溶体分类1.1.1按溶质原子的位置

置换固溶体间隙固溶体1.1.2按溶解度

1.1.3按溶质原子在固溶体内分布是否有规律

有限固溶体

（Fe－C）无限固溶体

（Cu－Ni、Cr－Fe）

CuZnCu3AuCuAu无限固溶体中两种元素置换示意图无序固溶体有序固溶体

溶质原子的溶入使晶格畸变增加，增大了位错运动的阻力，使塑性变形更加困难，从而提高了固溶体的强度与硬度，塑性和韧性略有降低。固溶体综合机械性能很好,常作为结构合金的基体相。固溶体与纯金属相比，物理性能有较大的变化,如电阻率上升,导电率下降。

●纯铜的σb为220MPa,硬度为40HB,断面收缩率ψ为70%。当加入1%的镍形成单相固溶体后,强度升高到390MPa,硬度升高到70HB,而断面收缩率仍有50%。

固溶强化1.2固溶体的性能2.金属间化合物——合金组元相互作用形成的晶格类型和特征完全不同于任一组元的新相即为金属化合物。

中间相2.1中间相的特点与组元晶格类型完全不同，熔点高，硬度高，脆性大（如Fe3C）常用化学式表示，（如CuAl2Fe3CCuZnTi3AlMg2Si）金属间化合物的存在，使合金硬度、耐磨性上升，塑性、韧性降低。

正常价化合物2.1中间相的分类符合一般化合物原子价规律；成分固定不变。一般有AB、A2B（AB2）、A3B2三种类型。特点是较高的硬度和脆性，如果弥散的分布于基体上，可以使合金强化。如Mg2Si、ZnS、SiCMg2SiAl9FeNiAl2CuMgAlCuNiAl9FeNiAl2CuMgMg2Si按照电子浓度形成的金属化合物。主要以金属键结合，具有明显的金属特性，导电。特点：熔点高，硬度高，塑性差，可做强化相。如Cu3Al、FeAl、NiAl、Cu5Al3、Cu31Si8

电子化合物间隙化合物——由过渡族金属元素与C、N、H、B等小原子非金属元素形成。金属原子在正常结点，非金属原子在间隙。

间隙相

——原子半径之比小于0.59类型：M4XM2XMXMX2

如：Fe4NW2CVCVC2特点：可以提高钢的强度，热强性，红硬性和耐磨性