机械工程材料第一章

机械工程材料第一章第1页，共46页，2023年，2月20日，星期五课程的主线Properties性能Structure结构Classification分类Steels

钢铁Castiron

铸铁Nonferrous

有色金属Ceramics

陶瓷Polymer

高分子Composite

复合材料Crystalstructure

晶体结构Phasestructure

相结构Microstructure

微观组织Materialsprocessing材料加工Solidification凝固Plasticdeformation塑性变形Heattreatment热处理第2页，共46页，2023年，2月20日，星期五机械工程材料第一章金属的晶体结构第一节金属的晶体结构第二节实际金属的微观结构第3页，共46页，2023年，2月20日，星期五晶体结构——原子排列方式与相互作用的结果

材料的性能取决于内部结构包括第一章金属的晶体结构本章目的晶体非晶体规则排列原子排列包括原子结构原子键合原子运动显微组织金属合金黄铜奥氏体不锈钢第4页，共46页，2023年，2月20日，星期五第一章金属的晶体结构主要内容

三种常见的金属晶体结构及特征参数：

体心立方、面心立方、密排六方单胞原子数、致密度、配位数

晶体的描述晶向指数和晶面指数

晶体缺陷点缺陷、线缺陷、面缺陷

晶体和点阵的概念

第5页，共46页，2023年，2月20日，星期五物质由原子组成。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晶体结构。第一节金属的晶体结构

一.金属原子间的结合金刚石石墨第6页，共46页，2023年，2月20日，星期五正离子和自由电子之间的正负电荷产生吸引力而使金属原子结合。金属特性：导电、导热性，塑性，强度↑，金属光泽。1.金属键第一节金属的晶体结构

正离子与自由电子之间的吸引力自由电子气模型第7页，共46页，2023年，2月20日，星期五大量原子保持一平衡距离，使得结合能最低，原子自发趋于紧密排列——固态金属中原子趋于规则排列2.结合力和结合能第一节金属的晶体结构

双原子作用模型三原子作用模型f=fa+frR0第8页，共46页，2023年，2月20日，星期五二.晶体的概念1.定义

原子在三维空间作有规则的周期性重复排列的物质2.特性

恒定熔点：晶体到液体或液体到晶体的转变为突变

各向异性：强度、弹性、导电性、热膨胀性等

规则外形：个别晶体，如水晶、天然金刚石等第一节金属的晶体结构

第9页，共46页，2023年，2月20日，星期五3.其它金属结构状态

非晶态金属准晶态金属第一节金属的晶体结构

准晶体的结构像晶体的原子像第10页，共46页，2023年，2月20日，星期五阵点：将晶体的实际质点(原子、分子)抽象为纯粹的几何点晶格：描述原子排列方式的几何格架——空间点阵晶胞：晶格中具有代表性的最小的几何单元。

——晶格则由晶胞重复堆砌而成。三.晶体的描述1.晶格与晶胞第一节金属的晶体结构

晶体结构晶格晶胞

几何点的周围环境相同第11页，共46页，2023年，2月20日，星期五第一节金属的晶体结构

晶体结构晶格晶胞

同一点阵中选取不同的晶胞

晶胞（1）点阵的周期性；（必要条件）（2）点阵的对称性；（3）体积尽量小。原胞晶胞晶胞晶胞选取原则第12页，共46页，2023年，2月20日，星期五

晶格常数：表示晶胞几何形状、大小的参数。如立方晶胞：

三棱边a、b、c；

三棱边夹角α、β、γ2.晶格特征参数第一节金属的晶体结构

简单单斜底心单斜简单三斜第13页，共46页，2023年，2月20日，星期五第一节金属的晶体结构

空间点阵根据“每个阵点的周围环境相同”的要求，用数学分析法可推出空间点阵共有14种。体心立方面心立方简单立方简单单斜底心单斜简单三斜立方六方四方菱方正交单斜三斜晶系：

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第14页，共46页，2023年，2月20日，星期五第一节金属的晶体结构

四、金属中三种常见的晶体结构

体心立方BCC密排六方HCP面心立方FCC1.晶胞原子排列第15页，共46页，2023年，2月20日，星期五2.几何特征

特征：在立方体的中心有一个原子，晶格常数a=b=c，α=β=γ=900

晶胞原子数：2

配位数：8致密度：0.68(68％)常见金属：α-Fe、Cr、Mo、W、V等

原子半径:a43第一节金属的晶体结构

体心立方

点阵模型晶胞原子数晶格配位数第16页，共46页，2023年，2月20日，星期五2几何特征

特征：立方体六个面的中心各有一个原子，晶格常数用边长a表示

晶胞原子数：4

配位数：12

致密度：0.74(74％)

常见金属：γ-Fe、Al、Cu、Ag、Ni等原子半径：a42第一节金属的晶体结构

面心立方点阵模型晶胞原子数晶格配位数第17页，共46页，2023年，2月20日，星期五2几何特征密排六方结构晶胞原子数晶胞模型晶格配位数特征：六方柱体的上下底面中心各有一个原子，晶胞内三个原子。晶格常数：正六边形边长a，上下底距离c，c/a≈1.63。晶胞原子数：6

配位数：12致密度：0.74(74％)常见金属：Zn、Mg、α-Ti等

原子半径：a21第一节金属的晶体结构

第18页，共46页，2023年，2月20日，星期五晶体结构与空间点阵的区别：●晶体中原子的集合（或分布）称为晶体结构；●表示原子分布规律的代表点（几何点）的集合称为空间点阵。第一节金属的晶体结构

必然是等同点（周围原子的种类与分布相同）

AB二维图案以及由抽象出来的二维点阵正方点阵长方点阵菱形点阵长方点阵○代表结点，●代表原子第19页，共46页，2023年，2月20日，星期五第一节金属的晶体结构

晶体结构不同于点阵的例子●

Zn、Mg等金属具有简单六方点阵，密排六方结构。晶体结构有无数种，而空间点阵只有14种密排六方结构六方点阵第20页，共46页，2023年，2月20日，星期五五、晶向指数和晶面指数晶面：晶格中一系列原子所组成的平面晶向：晶格中任意两个原子之间连线所指的方向晶面指数和晶向指数：确定晶面和晶向在点阵中的几何位置的一套标志参量。第一节金属的晶体结构

XZYXZY[001][100][010][110][110]-[111][110]-[110][111][110]-[110]1.定义第21页，共46页，2023年，2月20日，星期五(2)过O作OC//AB(3)求C点坐标值：例：1/2，1/2，1(4)化为最小整数

[UVW]：[112]第一节金属的晶体结构

(1)建立坐标系2.晶向指数确定方法出现负数时，“-”号放在数字上面，如；第22页，共46页，2023年，2月20日，星期五第一节金属的晶体结构

实例第23页，共46页，2023年，2月20日，星期五xyzOABCEFGH求晶向OA、OB、OC、EF、EG、EH的晶向指数？第一节金属的晶体结构

例题想想晶向指数确定？(作业)第24页，共46页，2023年，2月20日，星期五（1）[UVW]晶向指数：表示一组平行且同向的晶向；（2）＜UVW＞晶向族指数：表示原子排列情况相同的所有晶向；

<100>：[100]，[010]，[001],,,（3）两晶向如指数的数字与顺序相同而完全异号，则互相平行且反向。3、用晶向指数分析晶向和特殊晶向第一节金属的晶体结构

第25页，共46页，2023年，2月20日，星期五（1）建立坐标系（2）求出待定晶面在坐标上的截距例：1,1/2,1/2（3）取截距倒数:122（4）化成最小整数（hkl）：(122)4、晶面指数确定方法第一节金属的晶体结构

（5）晶面与坐标轴平行时，截距为∞，倒数为0；截距为负数时，“-”号放在数字上面；第26页，共46页，2023年，2月20日，星期五XZY(011)实例第一节金属的晶体结构

第27页，共46页，2023年，2月20日，星期五求晶面OAB、EFG、BCDE的晶面指数？第一节金属的晶体结构

例题xyzOABCEGDF想想晶面指数确定？（作业）第28页，共46页，2023年，2月20日，星期五（1）(hkl)：表示一组平行晶面；（2）两晶面如指数的数字与顺序相同而完全异号，则互相平行。第一节金属的晶体结构

5.用晶面指数分析晶面和特殊晶面{111}晶面族

（3）{hkl}晶面族指数：表示原子排列情况相同的所有晶面；{111}：XZY(011)第29页，共46页，2023年，2月20日，星期五6.晶向指数和晶面指数的关系立方晶系中，晶向指数与晶面指数性质：1）指数相同：[uvw]⊥{hkl}；如：[111]⊥{111}2）hu+kv+lw=0时，[uvw]//{hkl}。

第一节金属的晶体结构

[111]与(111)第30页，共46页，2023年，2月20日，星期五体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度第一节金属的晶体结构

<111>

<110>

<100>

晶向原子密度(原子数/长度)

晶向原子排列示意图晶向原子密度(原子数/长度)晶向原子排列示意图

晶向指数面心立方晶格体心立方晶格第31页，共46页，2023年，2月20日，星期五

体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度第一节金属的晶体结构

{111}

{110}

{100}

晶面原子密度(原子数/面积)晶面原子排列示意图晶面原子密度(原子数/面积)晶面原子排列示意图

晶面指数面心立方晶格体心立方晶格第32页，共46页，2023年，2月20日，星期五第二节实际金属的微观结构

一.实际金属晶体结构特点1.多晶体实际金属大多是多晶体组织，即由晶粒和晶界组成晶粒--小的单晶体(10-1～10-3mm）晶界--位向不同的晶粒之间的边界多晶体结构--由许多位向不同的晶粒构成单晶体--其内部晶格取向完全一致的小晶体第33页，共46页，2023年，2月20日，星期五

显微组织：用放大50~1000倍的光学显微镜观察，可看到各种晶粒的大小、形态和分布.晶粒越细小，晶界面积越大。

显微组织的显示第二节实际金属的微观结构

第34页，共46页，2023年，2月20日，星期五

多晶体示意图亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，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。金属晶粒内的结构第二节实际金属的微观结构

第35页，共46页，2023年，2月20日，星期五第36页，共46页，2023年，2月20日，星期五工业纯铁的显微组织奥氏体不锈钢的显微组织铸铁的显微组织高速钢淬火+回火的显微组织第37页，共46页，2023年，2月20日，星期五点缺陷位错根据晶体缺陷的几何形态特性分类：

点缺陷

线缺陷

面缺陷原子堆垛模型晶格晶格的不完整部位称晶体缺陷。第二节实际金属的微观结构

二.晶体缺陷1.晶体缺陷的概念第38页，共46页，2023年，2月20日，星期五第二节实际金属的微观结构

点缺陷：空位、间隙原子、置换原子

点缺陷的存在——破坏了原子的平衡状态——使晶格发生扭曲，称晶格畸变——从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位间隙原子大置换原子第39页，共46页，2023年，2月20日，星期五线缺陷：刃型位错螺型位错各种类型的位错第二节实际金属的微观结构

晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错线。第40页，共46页，2023年，2月20日，星期五2.位错的基本概念特征：1、有一个额外半原子面

2、存在晶格畸变，既有正应变，又有切应变。

3、与晶体滑移方向垂直，位错线运动的方向垂直于位错线顶视图、前视图、位错线简图、原子面简化图运动图：第二节实际金属的微观结构

刃型位错第41页，共46页，2023年，2月20日，星期五螺型位错的特征：1、没有一个额外半原子面，位错线附近呈螺旋形排列；2、晶格畸变管道，只有正应变，而无切应变。3、与晶体滑移方向平行，位错线运动的方向垂直于位错线螺型位错简化图、顶视图、原子面简化图运动图：第二节实际金属的微观结构

第42页，共46页，2023年，2月20日，星期五

柏氏矢量与位错线既不垂直也不平行——呈任意角度。混合位错可分解为刃型位错和螺型位错混合位错混合位错的产生混合位错的结构第二节实际金属的微观结构

第43页，共46页，2023年，2月20日，星期五柏氏矢量与其位错线互相垂直——刃型位错柏氏矢量与其位错线互相平行——螺型位错位错