【重庆大学工程材料】第二章

1、工程材料,王金星 材料科学与工程学院,邮箱：wjx 电话Engineering Materials,第二章 材料的结构,金刚石的晶体结构,石墨的晶体结构,第二章 材料的结构,一、晶体的基本概念 二、常见纯金属的晶格类型 三、实际金属的晶体结构 四、合金的相结构,第一节 晶体的基本概念 1.晶体与非晶体 晶体（Crystal） 晶体是其内部原子在三维空间呈规则排列的物质。 例如 , 所有的金属、食盐等。 晶体的特点： 结构有序； 各向异性； 有固定的熔点。,第二章 材料的结构,各向异性： 在测定材料的性能时，沿不同方向测定所得的结果各不相同，即各向异性。,非晶体（Non

2、-crystal） 非晶体是其内部原子排列无序的物质。 例如,普通玻璃、松香等。 非晶体的特点： 结构无序； 各向同性； 没有固定的熔点； 热导率(导热系数)和热膨胀性小； 塑性变形大； 组成的变化范围大。,各向同性： 在测定材料的性能时沿任何方向测定的结果都是一致的，不因方向而异，即各向同性，或称等向性。,第二章 材料的结构,第二章 材料的结构,2.晶体学的基本知识 晶格（Crystal Lattice） 晶体结构的描述： 将晶体的原子看成是刚性小球； 把原子抽象为几何点； 用假想的直线将几何点连接起来。,晶体模型,晶格： 用以描述晶体中原子排列规律的空间几何格架。,晶格,晶胞（Unit C

3、ell） 晶胞在三维空间平移，即可重构晶格。,晶胞,第二章 材料的结构,晶格,晶胞： 组成晶格的最小几何单元体。,晶胞的表示方法,a、 b、 c 晶格常数（点阵常数） 、 、 夹角,晶格常数（Lattice Constant）,第二章 材料的结构,晶格常数： 晶胞的几何尺寸。又称为点阵常数。,晶胞需要表示的有：形状和大小、面、方向,晶面与晶面指数 （1）晶面（Crystal Face） 在晶格中由一系列原子所构成的平面。,第二章 材料的结构,晶格中由一些原子构成的原子面,（2）晶面指数（Indices of Crystallographic Plane） 为便于研究和表述给晶面规定的符号。 确

4、定晶面指数的步骤： 求截距 求出待定晶面在三个坐标轴上的截距。 取倒数 将三个截距之值变为倒数。 化简并加圆括号 将三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号。 晶面指数的一般形式： （hkl）,第二章 材料的结构,第二章 材料的结构,立方晶格中的三种重要晶面,晶向与晶向指数 （1）晶向（Crystal Direction） 在晶格中，任意两原子之间的连线所指的方向。,第二章 材料的结构,晶格中由一些原子构成的原子列,（2）晶向指数（Indices of Crystallographic Direction） 为便于研究和表述给晶向规定的符号。 确定晶向指数的步骤： 引直线 通过坐标原点引一条

5、直线，使其平行于待求的晶向。 求坐标值 求出所引直线上任意一点的三个坐标值。 化简并加方括号 将三个坐标值按比例化为最小整数，并加上一方括号。 晶向指数的一般形式： uvw,第二章 材料的结构,第二章 材料的结构,立方晶格中的一些重要晶向,关于晶面和晶向的几点说明： 某一晶面指数并不仅代表某一具体的晶面，而是代表一组相互平行的晶面。 所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。 原子排列情况完全相同的所有晶面同属于一个晶面族。 晶面族用hkl表示。 某一晶向指数并不仅代表某一具体的晶向，而是代表了一族平行线的位向。 所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指数。 原子排列情况完全相同的所有晶向同属于一个

6、晶向族。 晶向族用uvw表示。 在立方晶系中，相同指数的晶面和晶向相互垂直。,第二章 材料的结构,晶格结构的表征 晶格尺寸： 以晶格常数表示。 原子半径（r）： 代表原子的刚性小球的半径。 晶胞原子数（n）： 晶胞内的原子数目。 晶格中原子排列的紧密程度： 配位数（Z）： 晶格中与任一原子等距且最近邻的原子数目。 致密度（K）： 晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。,第二章 材料的结构,体心立方晶格,第二节 常见纯金属的晶格类型 1.体心立方晶格（bcc，body-centered cubic lattice） 晶格的特征,体心立方晶体模型,具有bcc结构的金属： -Fe、Na、K、Cr、W、M

7、o、V、Nb、Ta等。,第二章 材料的结构,晶格的基本参数 原子半径 晶胞原子数 n =1/88 + 1 = 2 配位数 Z8 致密度 0.6868%,第二章 材料的结构,面心立方晶格,2.面心立方晶格（fcc，face-centered cubic lattice） 晶格的特征,面心立方晶体模型,具有fcc结构的金属： -Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag、Pt、Pb等。,第二章 材料的结构,晶格的基本参数 原子半径 晶胞原子数 n =1/88 + 1/26 = 4 配位数 Z =12 致密度 0.7474%,第二章 材料的结构,密排六方晶格,两个简单六方晶格穿插 在一起构成密排六方晶格,3

8、.密排六方晶格（hcp，hexagonal close-packed lattice） 晶格的特征,密排六方晶体模型,具有hcp结构的金属： Mg、Zn、Cd、Be、-Ti等。,第二章 材料的结构,c /a 称为密排六方晶格的轴比 理想的hcp晶格的轴比c /a 1.633,晶格的基本参数 原子半径 晶胞原子数 n =1/612 + 1/22 + 3 = 6 配位数 Z =12 致密度 0.7474%,第二章 材料的结构,第二章 材料的结构,第三节 实际金属的晶体结构,单晶体：单个晶粒 多晶体：许多晶粒,晶粒=颗粒?,晶体中的点缺陷,点缺陷对晶格规律性的影响 点缺陷的存在，破坏了原子的平衡，使

9、晶格发生畸变。 点缺陷对晶体性能的影响 点缺陷的存在将提高材料的硬度和强度，降低材料的塑性和韧性。,2.1 纯金属的晶体结构,实际晶体缺陷：（1）点缺陷，（2）线缺陷，（3）面缺陷,（1）点缺陷,E,晶体中的线缺陷位错,2.1 纯金属的晶体结构,EF位错线,（2）线缺陷,位错对晶体强度的影响,2.1 纯金属的晶体结构,位错对晶格规律性的影响 在位错线附近，原子的错排使晶格发生畸变。 位错对晶体性能的影响 位错的存在可降低晶体的强度。当位错大量产生后，又可提高强度，同时使晶体的塑性和韧性降低。,晶界,亚晶界,10,10,2.1 纯金属的晶体结构,晶界等面缺陷对晶体性能的影响 晶界等面缺陷能同时提

10、高晶体的强度和塑性。 细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段。,（3）面缺陷,重要概念 合金 由两种或两种以上的金属，或金属与非金属组成的具有金属特征的物质。（纯金属的力学性能差） 组元 组成合金最基本的、独立的物质（比如元素，少数情况化合物）。 合金系 由给定组元以不同的比例配制而成的一系列成分不同的合金，它们构成一个合金系统，即合金系。 相 合金中具有同一化学成分、同一结构和同一性能，并以界面互相分开的均匀的组成部分。,2.2 合金的晶体结构,第四节 合金的相结构,思考： 相 = 晶粒? = 颗粒? phase grain particle,让我想想先！,合金元素哪里去了？,固溶体 金属化合物,Cu (rCu=0.1276nm),Ni (rNi=0.1244nm),Fe (rFe=0.1260nm),C (rC=0.0770nm),固溶体的晶体结构,2.2 合金的晶体结构,置换固溶体,间隙固溶体,固溶体：组成合金的元素互相溶解，形成一种与某一元素的晶体结构相同，并包含有其它元素的合金固相。,固溶强化：通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的强度、硬度提高的现象。,固态的熔体!,间隙化合物Fe3C 的晶体结构,2.2 合金的晶体结构,金属化合物：合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。,两类合金相固溶体和金属化合物的比较 晶体结构： 固溶体