第二章常见金属的晶体结构与结晶演示文稿

第二章常见金属的晶体结构与结晶演示文稿当前第1页\共有164页\编于星期六\16点优选第二章常见金属的晶体结构与结晶当前第2页\共有164页\编于星期六\16点拉伸曲线1.弹性极限σe

材料保持弹性变形,不产生永久变形的最大应力。2.屈服极限（屈服强度）σs

金属开始发生明显塑性变形的抗力。铸铁等材料没有明显的屈服现象,用条件屈服极限σ0.2

表示（产生0.2%残余应变时的应力值）。3.强度极限(抗拉强度σb)

表示金属受拉时所能承受的最大应力。

当前第3页\共有164页\编于星期六\16点

二、塑性

断裂前材料产生永久变形的能力称为塑性。

(a)原始试样

（b)拉伸后试样

1.伸长率（δ）

试样拉断后,标距的伸长与原始标距的百分比称为伸长率。

2.断面收缩率（ψ）

试样拉断后,缩颈处截面积的最大缩减量与原横断面积的百分比称为断面收缩率。当前第4页\共有164页\编于星期六\16点硬度硬度(hardness):是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力，特别是塑性变形、压痕或划痕的能力。常用测量硬度的方法布氏硬度HB

洛氏硬度HR

维氏硬度HV当前第5页\共有164页\编于星期六\16点⑴布氏硬度布氏硬度试验是用一定直径D的淬火钢球或硬质合金球，在规定的试验力F的作用下，压入试件表面，并保持一定时间，卸除力F，测量压痕直径d，以压痕单位面积上的压力表示材料的布氏硬度值。当前第6页\共有164页\编于星期六\16点压头为淬火钢球时，用符号HBS表示，适用于布氏硬度值在450HBS以下的材料。压头为硬质合金时，用符号HBW表示，适用于布氏硬度在450~650HBW的材料。其计算公式为：A-表示凹印表面积（mm

）。F-表示试验力（㎏f）。当前第7页\共有164页\编于星期六\16点布氏硬度HB(Brinell-hardness)布氏硬度计

当前第8页\共有164页\编于星期六\16点当前第9页\共有164页\编于星期六\16点在实际使用中，布氏硬度值并不计算，也不用标注单位，只需测出压痕直径d，即可从布氏硬度表上查得。布氏硬度的标注：符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。120HBS10/1000/30表示直径为10mm的淬火钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s(10-15s不标注)测得的布氏硬度值为120。布氏硬度的优点是测量误差小，数据稳定，缺点是压痕大，不能用于太薄件、成品件及比压头还硬的材料。当前第10页\共有164页\编于星期六\16点⑵洛氏硬度洛氏硬度试验是用顶角120°的金刚石圆锥体或直径1.588mm淬火钢球作压头，加上一定载荷，使压头压入工件表面，然后根据压痕的深度确定其硬度值。当前第11页\共有164页\编于星期六\16点洛氏硬度实验洛氏硬度试验法原理：根据压痕的塑性变形深度来衡量硬度。试验时，先加初始试验力98N（10kgf），使压头紧密接触试件表面a，并压入到b处，以此作为衡量压入深度的起点，再加主试验力使压头压入到c处，然后去掉主试验力，由于被试金属弹性变形的消除，压头向上回升到d处。洛氏硬度计表盘上读出即可。当前第12页\共有164页\编于星期六\16点根据试验用的压头和载荷的不同，洛氏硬度分为HRA、HRB、HRC三种标尺，其中以HRC应用最广。洛氏硬度值可直接从试验机的表盘上读出，不需计算，也不用标出单位。洛氏硬度的标注：数字+HRC(HRA/HRB)如60HRC表示C标尺测定的洛氏硬度值为60。洛氏硬度操作简便，压痕小，适用范围广，但测量结果不够精确。当前第13页\共有164页\编于星期六\16点

试验时，根据被测的材料不同，压头的类型、试验力及按表-2选择，对应的洛氏硬度标尺为HRA、HRB、HRC三种符号压头类型载荷/kgf硬度有效范围使用范围HRA金刚石圆锥体6070～85适用于测量硬质合金、钢表、淬火层或渗碳层HRB直径为1.588mm钢球10025～100（相当60～230HB）适用于测量非铁金属退火、火等HRC金刚石圆锥体15020～67(相当230～700HB)适用于调质钢、淬火钢等表-2当前第14页\共有164页\编于星期六\16点四、冲击韧度（ak）

许多机械零件和工具受到冲击载荷的作用。如活塞销、锤杆、冲模和锻模等。材料抵抗冲击载荷作用的能力称为冲击韧性。

用摆锤冲击弯曲试验来测定。测得试样冲击吸收功,用符号Ak

表示。用冲击吸收功除以试样缺口处截面积S0,即得到材料的冲击韧度

ak。冲击试样当前第15页\共有164页\编于星期六\16点冲击吸收功的测定当前第16页\共有164页\编于星期六\16点

五、疲劳强度

轴、齿轮、轴承、叶片、弹簧等零件，在工作过程中各点的应力随时间作周期性的变化，这种应力称为交变应力(也称循环应力)。

在交变应力作用下，虽然零件所承受的应力低于材料的屈服点，但经过较长时间的工作而产生裂纹或突然发生完全断裂。这种过程称为金属的疲劳。

当前第17页\共有164页\编于星期六\16点

交变应力越大,材料断裂时应力循环次数N越少。当应力低于一定值时,试样可以经受无限周期循环而不破坏,此应力值称为材料的疲劳极限(亦叫疲劳强度)，用σ-1

表示。当前第18页\共有164页\编于星期六\16点

六、断裂韧性

桥梁、船舶、大型轧辊、转子等有时会发生低应力脆断，名义断裂应力低于材料的屈服强度。构件或零件存在裂纹。裂纹在应力作用下失稳扩展，导致机件破断。

材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性。当前第19页\共有164页\编于星期六\16点

裂纹扩展的临界状态所对应的应力场强度因子称为临界应力场强度因子，用K1C表示，单位为MN/m3/2，它代表材料的断裂韧性。

裂纹尖端应力场大小用应力场强度因子表示。KIY：系数σ

：外加应力a：裂纹半长当前第20页\共有164页\编于星期六\16点金属材料的理化性能

一、金属的物理性能

1.密度

单位体积物质的质量称为该物质的密度。密度小于5×103kg/m3

的金属称为轻金属,如铝、镁、钛及它们的合金。用于航天航空器上。密度大于5×103kg/m3的金属称为重金属,如铁、铅、钨等。

2.熔点

金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。熔点高的金属称难熔金属，如钨、钼、钒等，制造耐高温零件，如火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等零、部件。

熔点低的金属称为易熔金属如锡、铅等，可用于制造保险丝和防火安全阀零件等。

3.导热性

导热性通常用热导率来衡量。热导率越大,导热性越好。金属的导热性银为最好,铜、铝次之。合金的导热性比纯金属差。在热加工和热处理时，必须考虑导热性，防止材料在加热或冷却过程中形成过大的内应力，以免零件变形或开裂。选用导热性好的金属材料制造散热器、热交换器与活塞等零件。当前第21页\共有164页\编于星期六\16点4.导电性

传导电流的能力称导电性，用电阻率来衡量。电阻率越小，金属材料导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。合金的导电性比纯金属差。电阻率小的金属(纯铜、纯铝)适于制造导电零件和电线。电阻率大的金属或合金(如钨、钼、铁、铬、铝)适于做电热元件。

5.热膨胀性

材料随温度变化而膨胀、收缩的特性。膨胀系数大的材料制造的零件,温度变化时,尺寸和形状变化较大。轴和轴瓦之间要根据其膨胀系数来控制间隙尺寸；在热加工和热处理时要考虑材料的热膨胀影响,减少工件变形和开裂。当前第22页\共有164页\编于星期六\16点6.磁性铁磁性材料:在外磁场中能强烈被磁化，如铁、钴。顺磁性材料:在外磁场中只微弱被磁化，如锰、铬。抗磁性材料:能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用，如铜、锌等。铁磁性材料制造变压器、电动机、测量仪表等。抗磁性材料用于要求避免电磁场干扰的零件和结构材料，如航海罗盘。居里点：铁磁性材料当温度升高到一定数值时，磁畴被破坏，变为顺磁体，这个转变温度称为居里点。如铁的居里点是770℃。当前第23页\共有164页\编于星期六\16点二、金属的化学性能

1.耐腐蚀性

金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐腐蚀性。碳钢、铸铁的耐腐蚀性较差；钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性。

当前第24页\共有164页\编于星期六\16点2.抗氧化性

金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化性。

加入Cr、Si等元素,可提高钢的抗氧化性。

如4Cr9Si2可制造内燃机排气阀及加热炉炉底板,料盘等。金属材料主要以金属键结合，其强韧性好，塑性变形能力强，导电、导热性好，为主要的工程材料。

当前第25页\共有164页\编于星期六\16点金属材料的结构与性能

金属特性金属键决定：良好导电性导热性强韧性好，特别是很好的塑性变形能力正电阻温度系数不透明、特有金属光泽问题：为什么绝大多数金属具有超导特性？？当前第26页\共有164页\编于星期六\16点1.2

金属材料的性能

金属材料的性能：工艺性能

使用性能。

工艺性能

制造工艺过程中材料适应加工的性能。

包括铸造性能、锻压性能、焊接性能、切削加工性能、热处理性能；

使用性能

材料在使用条件下表现出来的性能。

包括力学性能、物理和化学性能当前第27页\共有164页\编于星期六\16点

一、铸造性能

金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能，用流动性、收缩性和偏析来衡量。铸造1.流动性

熔融金属的流动能力称为流动性。

完整、尺寸精确、轮廓清晰的铸件。2.收缩性

铸件在凝固和冷却过程中，其体积和尺寸减少的现象称为收缩性。

铸件收缩不仅影响尺寸，还会使铸件产生缩孔、疏松、内应力、变形和开裂等缺陷。故铸造用金属材料的收缩率越小越好。3.偏析

金属凝固后，铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析。

偏析大会使铸件各部分的力学性能有很大的差异，降低铸件的质量。当前第28页\共有164页\编于星期六\16点

二、锻造性能

金属材料用锻压加工方法成形的适应能力称锻造性。锻造

冷冲

金属材料的塑性越好，变形抗力越小，金属的锻造性能越好。当前第29页\共有164页\编于星期六\16点

三、焊接性能

金属材料对焊接加工的适应性称焊接性。也就是在一定的焊接工艺条件下，获得优质焊接接头的难易程度。

钢材的碳含量是焊接性好坏的主要因素。低碳钢和碳的质量分数低于0.18%的合金钢有较好的焊接性能。碳含量和合金元素含量越高,焊接性能越差。

电弧焊

气焊当前第30页\共有164页\编于星期六\16点四、切削加工性能

用切削后的表面粗糙度和刀具寿命来表示。

金属材料具有适当的硬度(170HBS～230HBS)和足够的脆性时切削性良好。

改变钢的化学成分(加少量铅、磷)和进行适当的热处理(低碳钢正火，高碳钢球化退火)可提高钢的切削加工性能。铜有良好的切削加工性能。切削加工

当前第31页\共有164页\编于星期六\16点五、热处理工艺性能钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性,即钢接受淬火的能力。含Mn、Cr、Ni等合金元素的合金钢淬透性比较好,碳钢的淬透性较差。

铝合金的热处理要求较严。

铜合金只有几种可以用热处理强化。

当前第32页\共有164页\编于星期六\16点

举例：σb(MPa)铝合金400～600铜合金600～70040钢(退火态)50040钢(调质态)800性能取决于哪些因素呢？①化学成分不同，性能不同

纯铝40

纯铜60

纯铁200第二章常见金属的晶体结构与结晶

当前第33页\共有164页\编于星期六\16点②化学成分相同，处理方式不同，性能不同如：

0.8℅C的钢锯条→800℃，冷却方式不同.

一根出炉后水冷，性硬而脆，一弯就断；另一根随炉缓慢冷却，性软，弯曲90°不断。

又如：石墨和金刚石均由碳原子构成，但性能迥异。原因：碳原子的空间排列方式不同即内部组织结构不同当前第34页\共有164页\编于星期六\16点提高材料性能的主要途径：一方面改变材料的化学成分，另一方面改进材料的生产工艺，进而改变材料内部的组织结构与性能。***材料科学研究的四要素及相互关系线：性能Performance加工工艺Process化学成分Composition组织结构Construction

内因

外因

当前第35页\共有164页\编于星期六\16点目的利用上述四要素关系和规律：（1）进行科学研究；（2）指导生产实践；（3）研制新合金材料。当前第36页\共有164页\编于星期六\16点金属材料的结构与性能

内容提要：

本章重点介绍金属材料的结构与组织，包括纯金属的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构、金属材料的组织。一般介绍金属材料的性能。

学习目标：

本章重点掌握金属材料的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。当前第37页\共有164页\编于星期六\16点四硼酸铝铱钕晶体磷酸钛氧钾晶体四硼酸铝钕晶体当前第38页\共有164页\编于星期六\16点当前第39页\共有164页\编于星期六\16点非晶体——原子排列短程有序或无序非晶体的特点是：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）和膨胀性小。

材料的原子排列注意晶体与非晶体的区别与联系当前第40页\共有164页\编于星期六\16点晶体——基元在三维空间呈规律性排列单个的原子、离子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。

晶体的主要特点是：①结构上长程有序；②物理性质表现为各向异性；③有固定的熔点；④在一定条件下有规则的几何外形(天然晶体才有)。⑤对称性（周期性）。⑥最小内能和最大稳定性。注意：晶体和非晶体在一定条件下可互相转化当前第41页\共有164页\编于星期六\16点非晶体：蜂蜡、玻璃等。晶体：金刚石、NaCl、冰等。液体当前第42页\共有164页\编于星期六\16点原子（离子）的刚球模型原子中心位置

晶体结构与空间点阵钢球模型—用钢球代表空间排列的原子但难看清原子排列的规律和特点。可直观地看出原子在各个方向的排列都是很规则的。怎么办？当前第43页\共有164页\编于星期六\16点晶胞点阵（晶格）模型晶格(lattice)：将阵点用线连接起来形成的空间格子。阵点：将构成晶体的原子或原子群抽象为纯粹的几何点。空间点阵：是一个几何概念。是阵点在三维空间中形成的有规律的某种对称排列。当前第44页\共有164页\编于星期六\16点XYZabc晶格常数a，b，c晶胞(unitcell)：是从晶格中选取出来的一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元，可用来分析晶体中原子排列的规律性。晶胞大小常用棱边长度和夹角来表示。当前第45页\共有164页\编于星期六\16点晶胞：能反映该晶格特征的最小组成单元。当前第46页\共有164页\编于星期六\16点晶胞的几何特征：棱边长a、b、c

棱边间夹角α、β、γa、b、c

称为晶格常数。

金属的晶格常数一般为:

1×10-10m～7×10-10m

(0.1nm～0.7nm)

晶胞不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、化学和力学性能；金属的晶体结构可用X射线结构分析技术进行测定。当前第47页\共有164页\编于星期六\16点空间点阵是一种数学上的抽象!金刚石晶格模型(空间点阵)当前第48页\共有164页\编于星期六\16点晶体结构=空间点阵+基元构成晶体的基元在三维空间有规律的周期性的具体排列方式甲：空间点阵乙：基元，含有两个不同的原子丙：晶体结构当前第49页\共有164页\编于星期六\16点

布拉菲在1948年根据“每个阵点环境相同”的要求，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲点阵，分属7个晶系。晶系边长夹角晶体实例立方a=b=cα=β=γ=90°Cu,NaCl四方a=b≠cα=β=γ=90°Sn,SnO2正交a≠b≠cα=β=γ=90°I2,HgCl2三方a=b=cα=β=γ≠90°Bi,Al2O3六方a1=a2=a3cα=β=90°γ=120°Mg,AgI单斜a≠b≠cα=γ=90°β=120°S,KClO3三斜a≠b≠cα≠β≠γ≠90°CuSO4·5H2O七个晶系及有关特征空间点阵的种类当前第50页\共有164页\编于星期六\16点七个晶系(triclinic)(monoclinic)(orthorhombic)(tetragonal)(cubic)(rhombohedral)(hexagonal)当前第51页\共有164页\编于星期六\16点14种布拉菲空间点阵三斜P单斜C单斜P正交P立方P立方I立方F六方H三方R四方P四方I正交C正交F正交I当前第52页\共有164页\编于星期六\16点三种典型晶体结构体心立方(body-centeredcubic)面心立方(face-centeredcubic)密排六方(hexagonalclose-packed)

三种典型晶体结构当前第53页\共有164页\编于星期六\16点晶胞中所含原子数:

是指一个晶胞内真正包含的原子数目。配位数:

是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。原子半径:

原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。晶格参数

致密度:

是指晶胞中原子所占体积分数，即K=nv′/V。式中，n为晶胞所含原子数、v′为单个原子体积、V为晶胞体积。间隙半径：顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径。当前第54页\共有164页\编于星期六\16点

三种常见的金属晶体结构

☆重点内容1.体心立方晶格(胞)(BCC晶格)八个原子处于立方体的角上,一个原子处于立方体的中心,角上八个原子与中心原子紧靠。具有体心立方晶格的金属有钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、α-铁(α-Fe,<912℃)等。当前第55页\共有164页\编于星期六\16点密排方向当前第56页\共有164页\编于星期六\16点

体心立方晶胞特征：（1）晶格常数

a=b=c,α=β=γ=90°（2）晶胞原子数

角上原子属8个相邻晶胞，中心原子属于该晶胞；一个体心立方晶胞所含的原子数为2个。当前第57页\共有164页\编于星期六\16点（3）原子半径晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半称为原子半径(r原子)；体心立方晶胞中原子半径与晶格常数a之间关系为：当前第58页\共有164页\编于星期六\16点

（4）致密度

晶胞中原子占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数)；致密度越大，原子排列紧密程度越大。

体心立方晶胞的致密度为：体心立方晶胞特征：当前第59页\共有164页\编于星期六\16点（5）空隙半径

在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。体心立方晶胞中有两种空隙：

●四面体空隙半径:r四=0.29r原子

●八面体空隙半径:r八=0.15r原子

四面体空隙半径八面体空隙半径体心立方晶胞特征：当前第60页\共有164页\编于星期六\16点（6）配位数

配位数:晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目；配位数越大，原子排列紧密程度就越大；体心立方晶格的配位数为8。

体心立方晶胞特征：当前第61页\共有164页\编于星期六\16点2.面心立方晶格(胞)(FCC晶格)金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。

具有这种晶格的金属：铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ-铁(γ-Fe,912℃～1394℃)等。当前第62页\共有164页\编于星期六\16点当前第63页\共有164页\编于星期六\16点XYZabc密排方向当前第64页\共有164页\编于星期六\16点

面心立方晶胞的特征：（1）晶格常数：

a=b=c,α=β=γ=90°（2）晶胞原子数：4个

（3）原子半径：

（4）致密度：0.74(74%)当前第65页\共有164页\编于星期六\16点（5）空隙半径

●四面体空隙半径:r四=0.225r原子

●八面体空隙半径:r八=0.414r原子四面体空隙半径八面体空隙半径面心立方晶胞的特征：当前第66页\共有164页\编于星期六\16点222233331111（6）配位数

12

当前第67页\共有164页\编于星期六\16点3.密排六方晶格(胞)(HCP晶格)十二个金属原子分布在六方体的十二个角上,在上下底面的中心各分布一个原子,上下底面之间均匀分布三个原子。具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等。当前第68页\共有164页\编于星期六\16点当前第69页\共有164页\编于星期六\16点密排六方晶胞特征：（1）晶格常数

正六边形的边长a

两底面之间的距离c

相邻侧面夹角120°

侧面与底面夹角90°

当前第70页\共有164页\编于星期六\16点r=a/2（2）晶胞原子数

6（3）原子半径当前第71页\共有164页\编于星期六\16点

（4）配位数：12当前第72页\共有164页\编于星期六\16点

（5）致密度：0.74(74%)

（6）空隙半径：

●四面体空隙半径为:

r四=0.225r原子●八面体空隙半径为:

r八=0.414r原子

密排六方晶胞特征：当前第73页\共有164页\编于星期六\16点(7)轴比：c/a=1.633aACAaaaaaaDO当前第74页\共有164页\编于星期六\16点晶格参数一览表

结构类型原子半径r原子数配位数致密度K=nυ/VfccA14120.74bccA2280.68hcpA3a/26120.74要求会计算并记忆当前第75页\共有164页\编于星期六\16点为什么面心立方和密排六方结构不同而其紧密程度相同？即配位数均为12，致密度均为0.74当前第76页\共有164页\编于星期六\16点最紧密堆积原理：晶体中各原子间的相互结合，可以看作是球体的堆积。球体堆积的密度越大，系统的势能越低，晶体越稳定，此即球体最紧密堆积原理。适用于：典型的离子晶体和金属晶体。晶体中的原子堆垛方式当前第77页\共有164页\编于星期六\16点球体最紧密排列的平面就是密排面密排立方密排面为底面面心立方密排面为垂直于立方体空间对角线的对角面当前第78页\共有164页\编于星期六\16点a)b)bbbcccc)密排面上原子排列示意图当前第79页\共有164页\编于星期六\16点第三层bbbABC当前第80页\共有164页\编于星期六\16点两种三层堆叠方式ABA:第三层位于第一层正上方ABC:第三层位于一二层间隙当前第81页\共有164页\编于星期六\16点见P11图1-13当前第82页\共有164页\编于星期六\16点体心立方结构原子的堆垛方式AB

体心立方原子排列较为紧密的面为晶胞立方体的两个斜对角线所组成的面，若将该面向四周扩展，则如下图所示。由图可看出，这层原子面的空隙是由四个原子所构成的，紧密程度较差（密排六方和面心立方密排面的空隙是由三个原子所构成的），称为次密排面。为获得较紧密的排列，第二层次密排面(B层)的每个原子应坐落在第一层(A层)空隙中心上，第三层原子位于第二层空隙处并与第一层的原子中心重复，以此类推。当前第83页\共有164页\编于星期六\16点晶体中的晶面和晶向通过晶体中原子中心的平面叫做晶面；通过原子中心的直线为原子列，代表的方向叫晶向。晶面、晶向用晶面指数、晶向指数表达。

1.立方晶系的晶面表示方法

当前第84页\共有164页\编于星期六\16点

以图中的晶向DA为例。2.立方晶系的晶向表示方法

当前第85页\共有164页\编于星期六\16点立方晶胞中的主要晶向晶向OA：[100]晶向OB：[110]晶向OB’

：晶向指数一般标记为[uvw]，表示一组原子排列相同的平行晶向。[111]当前第86页\共有164页\编于星期六\16点晶面：在晶体中，由一系列原子所构成的平面。晶向：在晶体中，任意两个原子之间连线所指的方向。表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的位向称为晶面指数和晶向指数。

∵不同的晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，原子间相互作用就不同晶面及晶向力学性能和理化性能也不同。当前第87页\共有164页\编于星期六\16点ABB’O晶向指数的确定方法：①建立以晶胞的边长作为单位长度的坐标系。设坐标②从坐标原点引一有向直线平行于待定晶向。③在直线上任取一点求出该点的坐标值。求坐标值④将所得坐标值约成互质整数（化整数），再加方括号[]。⑤若晶向指向坐标负方向，则在晶向指数的这一数字之上冠以负号。[112][210][120]1晶向指数[uvw]当前第88页\共有164页\编于星期六\16点晶向指数相同，符号相反的为同一条直线原子排列相同但空间位向不同的所有晶向

——晶向族<uvw><100>包括[100][010][001][123][0ī0][0ī0]与[010]当前第89页\共有164页\编于星期六\16点例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直晶向指数。将三坐标值按比例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]当前第90页\共有164页\编于星期六\16点2晶面指数（hkl）晶面指数的确定方法：①在以晶胞的边长作为单位长度的坐标系中取该晶面在各坐标轴上的截距。（设坐标、求截距）②取截距的倒数。取倒数③将倒数约成互质整数（化整数），再加圆括号（）当晶面平行某一晶轴，则晶面在该晶轴上截距为∞，倒数为0。当前第91页\共有164页\编于星期六\16点另外还有｛100｝｛111｝等晶面族晶面的空间位向不同但原子排列相同的所有晶面

——晶面族{hkl}立方晶系的｛110｝晶面族XXXXXXYYYYYYZZZZZZ(110)(101)(011)(ī10)(ī01)(0ī1)000000当前第92页\共有164页\编于星期六\16点晶面指数的数字和顺序相同，符号相反则两平面互相平行同一晶面族各平行晶面的面间距相等。如：(111)与(īīī)当前第93页\共有164页\编于星期六\16点例一、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,按比例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三坐标轴上的截距当前第94页\共有164页\编于星期六\16点[100][111]当一个晶向[uvw]与一个晶面（hkl）平行时hu+kv+lw=0当一个晶向[uvw]与一个晶面(hkl)垂直时h=uK=vl=w如：[100]晶向与（010）晶面平行如：[111]晶向与（111）晶面垂直3晶面与晶向的关系当前第95页\共有164页\编于星期六\16点晶面族与晶向族(hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶面和晶向。指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶面和晶向称作晶面族或晶向族。分别用{hkl}和<uvw>表示。当前第96页\共有164页\编于星期六\16点立方晶系常见的晶面为：当前第97页\共有164页\编于星期六\16点{110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY当前第98页\共有164页\编于星期六\16点立方晶系常见的晶向为：当前第99页\共有164页\编于星期六\16点<111>[111][111][111][111]XZY当前第100页\共有164页\编于星期六\16点说明：①

在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。②遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。--③晶向具有方向性，如[110]与[110]方向相反。XZY(221)[221][110][110]当前第101页\共有164页\编于星期六\16点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当前第102页\共有164页\编于星期六\16点

体心立方晶格中最密原子面是｛110｝，原子排列最密的方向是<111>。面心立方晶格中最密的原子面是｛111}，原子排列最密的方向是<110>。[100][111][110]ABCDEOF（110）当前第103页\共有164页\编于星期六\16点

晶面的截距可以为负数,在指数上加负号,如。若某个晶面的指数都乘以-1,则得到晶面,则晶面与属于一组平行晶面。立方晶胞中的主要晶面晶面指数的一般标记为(hkl)。实际表示一组原子排列相同的平行晶面。当前第104页\共有164页\编于星期六\16点晶面族：在立方晶系中,原子排列相同但在空间位向不同的晶面组成晶面族。晶面族用大括号表示,即{hkl}。{111}晶面族在立方晶胞中

组成{111}晶面族：当前第105页\共有164页\编于星期六\16点若两个晶向的全部指数数值相同而符号相反,则它们相互平行或为同一原子列,但方向相反。如[110]与。若只研究原子排列情况,则晶向[110]与可用同一个指数[110]表示。当前第106页\共有164页\编于星期六\16点晶向族原子排列情况相同而在空间位向不同的晶向组成晶向族。晶向族用尖括号表示,即<uvw>。如:<100>=[100]+[010]+[001]当前第107页\共有164页\编于星期六\16点在立方晶系中,一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时,则该晶面与该晶向互相垂直。如：(111)⊥[111]。晶面与晶向互相垂直当前第108页\共有164页\编于星期六\16点4.密排面和密排方向

不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上原子排列密度不一样。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。

●在体心立方晶格中，密排面为{110}。

密排方向为<111>。

●在面心立方晶格中,

密排面为{111}。密排方向为<110>。当前第109页\共有164页\编于星期六\16点体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度晶面

指数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(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){100}{110}

{111}当前第110页\共有164页\编于星期六\16点体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度晶向

指数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(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)<100>

<110><111>当前第111页\共有164页\编于星期六\16点XYZXYZ晶体的各向异性原因:不同晶面或晶向上原子密度不同引起各种性能不同的现象。是晶体的一个重要特性，是区别于非晶体的一个重要标志当前第112页\共有164页\编于星期六\16点在实际生产中，一般见不到金属材料的各向异性特征。这是为什么呢？当前第113页\共有164页\编于星期六\16点多晶体:

实际应用的工程材料中，哪怕是一块尺寸很小材料，都包含着许许多多的小晶粒，每个小晶粒都是由大量位向相同的晶胞组成的，而各个小晶粒之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶粒组成的晶体为“多晶体”。

由于多晶体晶粒与晶粒之间位向是任意的，晶粒的各向异性互相抵消，整个晶体不显示各向异性，称之为伪等向性。当前第114页\共有164页\编于星期六\16点晶粒：多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫做“晶粒”。

晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶界”。为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。

当前第115页\共有164页\编于星期六\16点单晶体:

一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体”。在实用材料中，如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的晶须和其他一些供研究用的材料。实际生产中可通过特殊工艺制备单晶体。当前第116页\共有164页\编于星期六\16点例子：纯铁912℃以下体心立方α-Fe912

～1394℃

面心立方γ-Fe

1394℃

至熔点体心立方δ-Fe※多晶型转变将伴随体积突变和其他性能变化

当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为多晶型转变，又称为同素异构转变。多晶型转变(同素异构转变)当前第117页\共有164页\编于星期六\16点小结晶体的特性（晶态与非晶态的区别）晶体结构及空间点阵三种典型的金属晶体结构（重点）晶向指数与晶面指数（重点）晶体的各向异性、伪等向性、多晶型性当前第118页\共有164页\编于星期六\16点金属晶体的特性

1.金属晶体具有确定的熔点

纯金属缓慢加热到一定温度,固态金属熔化成为液态金属。熔化过程中温度不变。熔化温度(T0)称为熔点。晶体和非晶体的熔化曲线非晶体材料在加热时,固态转变为液态时,温度变化。当前第119页\共有164页\编于星期六\16点2.金属晶体具有各向异性

在晶体中,不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的各向异性。●单晶体铁(只含一个晶粒)的弹性模量，

<111>方向上为2.90×105MPa,<100>方向上只有1.35×105MPa。

●单晶体铁在磁场中沿<100>方向磁化容易。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：当前第120页\共有164页\编于星期六\16点

各向异性：晶体在不同的方向上的力学、物理和化学等方面的性能不一样。

各向同性：非晶体在各个方向上性能完全相同，这种性质叫非晶体的各向同性。伪各向同性：实际使用的金属,内部有许多晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同，晶体的各向异性显示不出来。当前第121页\共有164页\编于星期六\16点☆练习

写出体心立方晶格、面心立方晶格的密排面和密排方向。当前第122页\共有164页\编于星期六\16点晶体缺陷类型（1）点缺陷：空位、间隙原子、异类（杂质）原子（2）线缺陷：位错（3）面缺陷：晶界与亚晶界（4）体缺陷：气泡、空洞、镶嵌块、沉淀相当前第123页\共有164页\编于星期六\16点一、点缺陷在三维尺度上都很小的的缺陷。如果间隙原子是其它元素就称为:

异类原子

（杂质原子）空位

间隙原子实际金属中的晶体缺陷

实际金属存在不同类型的缺陷。当前第124页\共有164页\编于星期六\16点（1）空位晶格中某结点上没有原子。有利于金属内部原子的扩散。（2）间隙原子位于晶格间隙之中的原子叫间隙原子。当前第125页\共有164页\编于星期六\16点（3）异类原子纯金属中存在的其它元素。●异类原子与金属原子的半径接近时,占据晶格的一些结点;

●异类原子的半径比金属原子的半径小得多,位于晶格的空隙中。异类原子

老师提示：点缺陷造成局部晶格畸变,使金属的电阻率、屈服强度增加,密度发生变化。

当前第126页\共有164页\编于星期六\16点指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，叫位错。由晶体中原子平面的错动引起。二、线缺陷

——

刃型位错与螺型位错当前第127页\共有164页\编于星期六\16点二、线缺陷

——

刃型位错与螺型位错刃型位错

（1）刃型位错当前第128页\共有164页\编于星期六\16点刃型位错：晶体的一部分出现一个多余的半原子面，如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。半原子面在上面的称正刃型位错,半原子面在下面的称负刃型位错。当前第129页\共有164页\编于星期六\16点位错当前第130页\共有164页\编于星期六\16点地毯挪动当前第131页\共有164页\编于星期六\16点当前第132页\共有164页\编于星期六\16点晶体局部滑移造成的刃型位错

刃型位错形成的原因特点：滑移方向与位错线垂直，符号⊥，有多余半片原子面。当前第133页\共有164页\编于星期六\16点（2）螺型位错当前第134页\共有164页\编于星期六\16点螺型位错示意图当前第135页\共有164页\编于星期六\16点螺型位错：晶体右边的上部相对于下部向后错动一个原子间距，晶面发生错动，错动区的原子用线连接起来，成螺旋状。当前第136页\共有164页\编于星期六\16点晶体局部滑移造成的螺型位错螺型位错的形成原因特点：滑移方向与位错线平行，与位错线垂直的面不是平面，呈螺丝状，称螺型位错。当前第137页\共有164页\编于星期六\16点a-正常面网b-刃型位错c-螺型位错线缺陷原子面网示意图当前第138页\共有164页\编于星期六\16点刃型位错的运动螺型位错的运动混合型位错的运动塑性变形中位错的运动当前第139页\共有164页\编于星期六\16点位错的形成：在金属的结晶、塑性变形和相变等过程中形成。位错的量：用位错线长度来表示。位错密度：单位体积中位错线的总长度，即

式中：ρ

为位错密度,单位为m-2，

ΣL

为位错线总长度,单位为m,

V为体积,单位为m3。当前第140页\共有164页\编于星期六\16点位错对性能的影响：

退火金属中位错密度一般为1010～12m-2

左右。

●当金属为理想晶体或含极少量位错时,金属的屈服强度σs

很高。●当含有一定量的位错时,强度降低。●当进行形变加工时,位错密度增加,σs

将会增高。不锈钢中的位错线金属的强度与位错密度的关系当前第141页\共有164页\编于星期六\16点三、面缺陷晶粒（单晶体）晶界涉及较大范围（二维方向），如：晶界、晶体的表面及堆垛层错。当前第142页\共有164页\编于星期六\16点亚晶界晶界(grainboundary)：多数晶体物质是由许多晶粒所组成,属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面.亚晶界(subgrainboundary)：每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成,相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界.晶粒的平均直径通常在0.015~0.25nm范围内,而亚晶粒的平均直径则通常为0.001nm.晶界和亚晶界当前第143页\共有164页\编于星期六\16点面缺陷二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。（1）晶界实际金属为多晶体，每个晶粒可视为单晶体。所有晶粒结构相同,位向不同,位向差为几十分、几度或几十度。1Cr17不锈钢的多晶体

晶界原子排列示意图晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。晶界在空间呈网状；晶界上原子的排列规则性较差。当前第144页\共有164页\编于星期六\16点（2）亚晶界晶粒由许多位向相差很小的亚晶粒(嵌镶块)组成。亚晶粒之间的位向差只有几秒、几分，最多达1～2度。亚晶粒之间的边界叫亚晶界。亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成。晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多,晶粒越细,金属的塑性变形能力越大,塑性越好。亚晶界当前第145页\共有164页\编于星期六\16点根据相邻晶界之间的位向差（θ）不同，晶界可以分为两类：小角度晶—两相邻晶粒的位向差约小于10°，即θ<10°，一般由位错组成。大角度晶界

—两晶粒间的位向差较大，一般大于10°晶界演示图●0º－10º●10º－180º当前第146页\共有164页\编于星期六\16点

挛晶关系非共格挛晶界孪晶——相邻两晶粒或一个晶粒内部相邻两部分沿一个公共晶面构成镜面对称的位向关系。公共晶面就称为孪晶面。孪晶间的界面称为孪晶界。当前第147页\共有164页\编于星期六\16点

合金的晶体结构

组元：组成合金的独立的、最基本的单元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。合金

一种金属元素同另一种或几种其它元素,通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。二元合金：由两个组元组成的合金，如铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多；某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理、化学性能。合金的应用比纯金属广泛得多。当前第148页\共有164页\编于星期六\16点相：

在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。液态物质为液相；固态物质为固相。固态合金中有两类基本相：

固溶体金属化合物当前第149页\共有164页\编于星期六\16点

一、固溶体合金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。与固溶体晶格相同的组元为溶剂（含量较多），另一组元为溶质（含量较少）。固溶体用α、β、γ等符号表示；A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B),其中A为溶剂,B为溶质。如：铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示,亦可表示为Cu(Zn)。当前第150页\共有164页\编于星期六\16点固溶体的分类（1）按溶质原子在溶剂晶格中的位置分

●置换固溶体:溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子;

●间隙固溶体溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。置换固溶体间隙固溶体当前第151页\共有164页\编于星期六\16点（2）按溶质原子在溶剂中的溶解度分

分为有限固溶体和无限固溶体两种。

固溶体中溶质的含量即为固溶体的浓度，用质量分数或摩尔分数表示。在一定温度和压力条件下，溶质在固溶体中的极限浓度即为溶质在固溶体中的溶解度。●有限固溶体超过溶解度有其它相形成。●无限固溶体溶质可以任意比例溶入，即溶质溶解度可达100%。当前第152页\共有164页\编于星期六\16点（3）按溶质原子在固溶体中分布有否规律分

●无序固溶体：溶质原子无规则分布●有序固溶体：溶质原子规则分布有序化转变：在一定条件下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体。无序固溶体有序固溶体当前第153页\共有164页\编于星期六\16点2.固溶体