材料第1章金属材料的结构与性能

第1章金属材料的结构与性能课本第1章1.1和1.2的内容

2/5/20231北京邮电大学自动化学院晶体的三大特征：原子排列有序；有固定的熔点；各向异性。晶格和晶胞caXb

β

α

γYZ简单立方晶体（a）晶体结构（b）晶格（c）晶胞一、晶体的概念2/5/20232北京邮电大学自动化学院（a）（b）（c）体心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数属于这种晶格类型的金属有α-Fe、Cr、W、Mo、V等

（1）晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90°（2）晶胞原子数：是指在一个晶胞中所含的原子数目。1+8×1/8=2（3）原子半径：是指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，或晶胞中相距最近的两个原子间距的一半。体心立方晶胞：二、常见纯金属的晶格类型1、体心立方晶胞BCC——Body-CenteredCube2/5/20233北京邮电大学自动化学院（a）（b）（c）体心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数（4）配位数：是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目，为8（5）致密度：是指晶胞中原子本身所占有的体积百分数，也称密排系数。致密度=晶胞中原子所占有的体积/晶胞的体积×100%。68%（6）空隙半径：若在晶胞空隙中放入刚性球，则能放入球的最大半径。

2/5/20234北京邮电大学自动化学院2、面心立方晶胞FCCFace-CenteredCube（a）（b）（c）面心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数属于这种晶格类型的金属有γ－Fe、Cu、Al、Ag、Au、Pb、Ni等。74%12421/2a/4a=b=c,===90o

FCC致密度配位数晶胞原子数原子半径晶体学参数晶胞2/5/20235北京邮电大学自动化学院3、密排六方晶胞HCPHexagonalClose-Packed（a）（b）（c）密排六方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数74%126a/2a=b≠c,c/a=1.633,==90o,=120o

HCP致密度配位数晶胞原子数原子半径晶体学参数晶胞2/5/20236北京邮电大学自动化学院

在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。为了确定晶向、晶面在晶体中的空间位向，就需要引入一个统一的规则来标志它们，这种统一的标志，叫做晶向指数和晶面指数。国际上通用的是密勒（Miller）指数。三、晶向指数和晶面指数2/5/20237北京邮电大学自动化学院晶向指数的确定步骤如下：（1）以晶胞中的某一阵点为原点，以三条棱边为X、Y、Z轴，并以晶胞棱边的长度为单位长度；（2）如果所求晶向未通过坐标原点，过原点引一条平行于所求晶向的有向直线；（3）在所引直线上取离原点最近的那个原子，求出其在X、Y、Z轴上的坐标；（4）将三个坐标值按比例化为最小整数，依次记入方括号[]中，即得所求晶向指数。通常以[uvw]表示晶向指数的普遍形式，若其中某数为负值，应将负号标注在该数的上方，例如。[110][110][111][100]XYZ立方晶系中的三个重要晶向对于一个晶向指数，表示的不是一个具体的方向，而是所有相互平行，方向一致的晶向。如果两个晶向指数数值大小相等，符号相反，则这两组晶向相互平行但是方向相反。

晶向指数2/5/20238北京邮电大学自动化学院晶向族

在立方晶系中：[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]八个晶向，指的是立方体中四个对角线的方向。从晶体的对称关系来看，这一组晶向在性质上是等同的，故总称之为晶向族。原子排列情况相同，但空间位向不同的所有晶向称为晶向族，用<>表示，上述八个晶向即可用<111>表示。

同理，<100>代表：[100]、[010]、[001]、[100]、[010]、[001]六个晶向。应当指出，只有在立方晶系中晶向族各晶向指数可以通过改变指数和正负号的排列组合方式求出。对于其他晶系并不一定适用。

2/5/20239北京邮电大学自动化学院晶面指数（1）与确定晶面指数类似建立坐标系，但坐标原点应位于待定晶面之外，以避免出现零截距。（2）以晶格常数为长度单位求出待定晶面在各轴上的截距。若晶面与某轴平行，则认为该晶面在该轴上的截距为无穷大，其倒数为零。（3）取截距的倒数，将其化为最小整数，置于圆括号内，写成（hkl）的形式，即得晶面指数。2/5/202310北京邮电大学自动化学院下图给出了一些立方晶系中的一些主要晶面的晶面指数。

XXXYYYZZZ（100）（111）（110）立方晶格中的三种重要晶面与晶向指数类似，如果有截距为负值，应将负号记在相应的指数上面。晶面指数（hkl）不是指一个晶面，而是代表一组相互平行的晶面。当两个晶面指数的数字和顺序完全相同而符号相反时，则这两个晶面相互平行。

2/5/202311北京邮电大学自动化学院晶面族在同一晶体结构中，有些晶面上的原子排列和晶面间距完全相同，但具有不同的空间位向，这些晶面均归并为一个晶面族，用{}表示。例如，在立方晶系中：｛100｝包括（100）,（010）,（001）｛110｝包括（110）,（101）,（011）,（110）,（101）,（011）｛111｝包括（111）,（111）,（111）,（111）晶面族不仅包括了相互平行的一组晶面，而且也包括了位向不同，但晶面间距相等、原子排列相同的若干组平行晶面。

在立方晶系中，{hkl}晶面族所包括的晶面可用改变h、k、l的正负号及数字的排列组合来求得。但是这种方法不适用于其他晶系。

2/5/202312北京邮电大学自动化学院不同的晶体结构中，不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列密度不一样。密排面：原子密度最大的晶面密排方向：原子密度最大的晶向

讲课本P11表1-1密排面和密排方向2/5/202313北京邮电大学自动化学院

单晶体与多晶体

晶体中原子排列规律相同，晶格位向一致的晶体，称为单晶体。在实际应用中金属材料中较少的用单晶体金属，工程上使用的金属材料，都是由很多小晶体组成的，这些小晶体内部的晶格位向是均匀一致的，而它们之间，晶格位向却彼此不同，这些外形不规则的颗粒状小晶体称为晶粒。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。

四、实际金属的晶体结构单晶体：内部晶格位向完全一致：各自异性多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成：各自同性

2/5/202314北京邮电大学自动化学院纯铁的多晶体结构2/5/202315北京邮电大学自动化学院1．晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分。

a、点缺陷

b、线缺陷（位错）

c、面缺陷

2/5/202316北京邮电大学自动化学院a、点缺陷

——晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化空位：

晶格结点处无原子

置换原子：

晶格结点处为其它原子占据

间隙原子：

原子占据晶格间隙2/5/202317北京邮电大学自动化学院晶格畸变之空位引起的晶格畸变2/5/202318北京邮电大学自动化学院晶格畸变之置换原子引起的晶格畸变2/5/202319北京邮电大学自动化学院B、线缺陷（位错）

——二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排（1）刃型位错

（a)立体模型（b）平面图刃型位错示意图GH

EF2/5/202320北京邮电大学自动化学院ττ位错运动示意2/5/202321北京邮电大学自动化学院（2）螺型位错2/5/202322北京邮电大学自动化学院CBAD(b)（a）立体模型；（b）平面图

螺型位错示意图ABCD(a)2/5/202323北京邮电大学自动化学院螺型位错示意图2/5/202324北京邮电大学自动化学院螺型位错示意图2/5/202325北京邮电大学自动化学院钛合金中的位错线2/5/202326北京邮电大学自动化学院c、面缺陷

——一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域晶界、亚晶界等区域：2/5/202327北京邮电大学自动化学院

晶界晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于相邻晶粒间彼此位向各不相同，故晶界处的原子排列与晶内不同，它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响，而做无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列，这就形成了晶体中的重要的面缺陷。晶界是晶体中的一种重要的缺陷。由于晶界上的原子排列不规则，脱离平衡位置，所以晶界具有较高的能量，使其具有一系列不同于晶粒内部的特征。例如，晶界比晶粒容易被腐蚀，熔点较低；原子沿晶界扩散速度快；在常温下晶界对金属的塑性变形起阻碍作用。因此，金属材料晶粒愈细小，则晶粒愈多，其室温强度愈高。2/5/202328北京邮电大学自动化学院亚晶界实验表明，在实际金属的一个晶粒内部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小晶块（位向差一般不超过2°）。这些小晶块称为亚结构。亚结构之间的界面称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列的位错所组成。亚晶界上原子排列也不规则，具有较高的能量，与晶界类似的特征，故细化亚结构，可显著提高金属的强度。2/5/202329北京邮电大学自动化学院

晶界示意图

亚晶界示意图2/5/202330北京邮电大学自动化学院工业纯铁的晶界2/5/202331北京邮电大学自动化学院五、合金的晶体结构和组织合金相结构相：凡是化学成分相同、晶体结构相同，与其它部分有明显分界的均匀组成部分。液态物质为液相，固态物质为固相。

固态合金中有两类基本的相结构，固溶体和金属化合物。2/5/202332北京邮电大学自动化学院1、固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A（B）。A：溶剂B：溶质。固溶体用α、

ß、

γ等符号表示。——无序固溶体——有序固溶体分布有序度——无限固溶体——有限固溶体溶解度原子半径较小间隙固溶体晶格类型相同,原子半径相差不大,电化学性质相近置换固溶体溶质原子的位置2/5/202333北京邮电大学自动化学院置换固溶体

溶剂原子溶质原子置换固溶体示意图固溶体中溶质原子引起的晶格畸变示意图（a）正畸变（b）负畸变(a)(b)2/5/202334北京邮电大学自动化学院当溶质与溶剂原子半径的比值rb/ra＜0.59时，形成间隙固溶体。溶质原子填充到溶剂晶格的间隙中形成间隙固溶体，如图所示。形成间隙固溶体的溶质原子通常都是一些原子半径小的非金属元素，如氢（0.046nm）、氧（0.061nm）、氮（0.071nm）、碳（0.077nm）、硼（0.097nm），溶剂则大多数是过渡族元素。

溶剂原子溶质原子间隙固溶体示意图间隙固溶体2/5/202335北京邮电大学自动化学院固溶强化

由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。溶质原子溶入→晶格畸变→位错远动阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。2/5/202336北京邮电大学自动化学院2、金属化合物在合金中，溶质原子浓度超过固溶体的固溶极限时，将会形成一种晶格结构，特性完全不同于任一组元的新相，因其具有金属性质，称之为金属化合物。由于它们常处在相图的中间位置，所以又被称为中间相。中间相分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三种。2/5/202337北京邮电大学自动化学院（1）正常价化合物正常价化合物就是符合原子价规律的，受电负性控制的一种金属化合物。如MnS、MgS、Mg2Si等。正常价化合物的熔点，硬度及脆性均较高。

2/5/202338北京邮电大学自动化学院（2）电子化合物

电子化合物通常是IB族或过渡族元素与ⅡB、ⅢA、ⅣA和ⅤA族元素所组成，它们不遵守化合价规律而是按照一定电子浓度比值（化合物中价电子数与原子数之比）形成金属间化合物。电子浓度不同，晶体结构类型也不同。主要以金属键结合，具有明显的金属特性，熔点和硬度较高，塑性较差。2/5/202339北京邮电大学自动化学院（3）间隙化合物间隙化合物主要是过渡族金属元素和碳、氮等原子半径较小的非金属元素所形成的化合物。分为间隙相和复杂结构的间隙化合物。参见课本表1-2.间隙化合物Fe3C（渗碳体）VC2/5/202340北京邮电大学自动化学院二、工程材料的性能1.

使用性能：物理、化学、力学性能；

2.

工艺性能：铸造、锻、焊、切削等。——表征材料在给定外界条件下的行为材料的性能2/5/202341北京邮电大学自动化学院（1）材料的强度

（2）塑性工程材料的力学性能2/5/202342北京邮电大学自动化学院（3）硬度抵抗外物压入的能力，称为硬度―综合性能指标。1．布氏硬度HB试验最初由瑞典工程师

JohanAugustBrinell（1849年-1925年）于1900年提出。布氏硬度是第一个被广泛用于工程学及冶金学的标准化硬度试验。此试验方法因压痕较大和对待测材料损伤明显，应用受到一定限制。布氏硬度试验一般采用直径10毫米的球形钢压头，用一定的负荷（试验力）压入被测材料表面。常见的试验力可高达3,000千克力(29千牛顿)；对于软的材料则可用较小的负荷。如果试验材料很硬，则以碳化钨球压头代替钢压头。保持负荷一定时间后，卸除试验力，测量材料表面留下的压痕之直径。2/5/202343北京邮电大学自动化学院适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。

P=负荷(千克力)D=压头直径(毫米)d=压痕直径(毫米)200HBS10/1000/30硬度值为200，钢球压头，直径是10mm，在1000Kg力下保持30秒HBW（使用硬质合金球）2/5/202344北京邮电大学自动化学院2．洛氏硬度（金刚石压头或钢球压头）

洛氏硬度试验是简便、迅速的硬度测试方法。洛氏硬度试验方法广泛应用于生产制造、科学研究的各个领域。洛氏硬度试验是用标准型压头在先后两次对被试材料表面施加试验力（初试验力F0与总试验力F0+F1），在试验力的作用下压头压入试样表面。在总试验力保持一定时间后，卸除主试验力F1，保留初始试验力F0的情况下测量压入深度，以总试验力下压入深度与在初试验力下的压入深度之差（即所谓的残余压入深度）来表征硬度的高低，残余压入深度值越大，硬度值越低，反之亦然。2/5/202345北京邮电大学自动化学院洛氏硬度常用标尺有：B、C、A三种①HRB标尺用于测试各种退火钢、正火钢、软钢、部分不锈钢及较硬的铜合金。②HRC标尺用于测试淬火钢、回火钢、调质钢和部分不锈钢。这是金属加工行业应用最多的硬度试验方法。③HRA标尺尽管也可用于大多数黑色金属，但是实际应用上一般只限于测试硬质合金和薄硬钢带材料。2/5/202346北京邮电大学自动化学院3、维氏硬度HV

英文词条名：Vick