工程材料02(金属与合金的晶体结构)

金属材料的性能特点一般地，金属材料与非金属材料相比，金属材料具有良好的力学性能，而且工艺性能也较好。

即使都是金属材料，不同成分和不同状态下的性能也会有很大的差异。

造成这些性能差异的主要原因是材料内部结构不同，因此掌握金属与合金的内部结构特点，对于合理选材具有重要意义。

金属材料是靠原子间金属键结合起来的。

金属键——金属材料内部，呈一定规律排列的正离子与公有化的自由电子靠库仑力结合起来，这种结合力即为金属键。

（正离子+公有电子云、无方向性、非饱和性）金属材料的性能特点：1、良好的导电、导热性。

2、正的电阻温度系数3、良好的塑性4、不透明、有金属光泽第一节晶体的基本知识金属材料一般都是晶体，具有晶体的特性。

一、晶体——内部原子呈规则排列的物质。

晶体材料（单晶体）的特性：①具有固定的熔点。

②具有规则的几何外形。

③具有“各向异性”。

二、晶格、晶胞和晶格常数1、晶格——描述晶体中原子排列规律的空间点阵。

将原子的振动中心抽象为一几何点，再用直线的连接表示原子之间的相互作用。

2、晶胞——由于晶格排列具有周期性，研究晶格时，取出能代表晶格特征的最小基本单元即称为晶胞。

3、晶格常数——用来描述晶胞大小与形状的几何参数。

三条棱长：a、b、c三条棱的夹角：α、β、γ对于简单立方晶胞：棱长a=b=c 夹角α= β= γ= 90°第二节纯金属的晶体结构一、典型的晶格类型各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，往往呈现出不同的物理、化学及力学性能。

除少数金属具有复杂晶格外，大多数晶体结构比较简单，典型的晶格结构主要有以下三种：1、体心立方晶格（bcc）2、面心立方晶格（fcc）3、密排六方晶格（hcp）1、体心立方晶格（bcc ）晶格常数： a = b = c ；α=β=γ= 90°密排方向（原子排列最紧密的方向）：立方体的对角线方向原子半径：属于bcc 晶格的金属主要有：α-Fe 、Cr 、W 、Mo 、V 等ar 432、面心立方晶格（fcc ）晶格常数： a = b = c ；α=β=γ= 90°密排方向：立方体表面的对角线方向原子半径：属于fcc 晶格的金属主要有：γ-Fe 、Cu 、Al 、Au 、Ag 等。

ar 423、密排六方方晶格（hcp ）晶格常数： a = b≠ cc / a =1.633α=β= 90°γ= 120°密排方向：顶面的对角线方向原子半径：属于hcp 晶格的金属主要有：Mg 、Zn 、Be 等2a r二、典型晶格结构的相关参数1、晶胞原子数——一个晶胞内所拥有的原子个数。

bcc: fcc: hcp:2 1818=+⨯4216818=⨯+⨯632126112=+⨯+⨯2、致密度——晶胞中原子所占的体积与晶胞体积之比，用来衡量原子在晶格中排列的紧密程度。

（致密度越大，原子排列的紧密程度越高）bcc:fcc: hcp:68 .0)43(34233=⨯⨯⨯aaπ74.0)42(34433=⨯⨯⨯aaπ74.0633.1)60sin(6)2(3462213=⨯⨯⨯⨯⨯⨯⨯aaaπ3、（了解）配位数——晶格中与任一原子紧靠，且距离相等的原子的个数，也用来衡量原子在晶格中排列的紧密程度。

（晶体原子的配位数越大，原子排列的紧密程度越高）bcc: 配位数为8个；fcc: 配位数为12个；hcp: 配位数为12个；因此：由上述致密度和配位数可知，fcc和hcp晶格中原子排列比较紧密，而bcc晶格中原子排列相对较松散。

三、晶面和晶向1、晶面和晶面指数晶面——晶体中各原子所组成的平面。

晶面指数——表示晶面空间位向的参数。

晶面指数的确定方法：P27（1）沿晶胞的棱边设定坐标系（坐标系的原点应于晶面之外）；（2）求晶面在各棱边上的截距； a 2a ∞（3）将各截距值得取倒数；1/a 1/2a 0（4）化为最小整数比，各数之间用空格分开； 2 1 0（5）将各整数列入圆括号（）。

（2 1 0）2、晶向和晶向指数晶向——晶体中任意两个原子连线所指的方向。

晶向指数——表示晶向的空间指向的参数。

晶向指数的确定方法：P28（1）设定坐标系（坐标系的原点应于晶向矢量的箭尾）；（2）晶向上任取一点，求该点的坐标值；（3）化为最小整数比，各数之间用空格分开；（4）将各整数列入方括号[ ]。

注：对某晶面指数（h k l）和某晶向指数[u v w]若：h=u, k=v, l=w 则：晶面⊥晶向若：h*u+k*v+l*w=0 则：晶面∥晶向3. 晶面族/晶向族（了解内容）——晶体中原子排列相同但指数不同的所有晶面/ 晶向的集合。

如：fcc晶体原子排列最紧密的晶向族为〈1 1 0〉该晶向族包括：[1 1 0]、[1 0 1]、[0 1 1] ……四、晶体的各向异性在单晶体中，由于不同晶面或晶向上原子排列的紧密程度不同，原子间的作用力也不相同，故晶体在不同方向上就表现出不同的力学性能和理化性能——晶体的“各向异性”。

但是，实际金属材料一般都是多晶体，内部包含许多小晶体，各个小晶体的位向各不相同，因此金属材料的性能的宏观表现仍为各向同性。

第三节合金的晶体结构纯金属一般具有良好的导电性、导热性等，但纯金属种类有限，提炼困难，机械（力学）性能较差，因此在工业生产中更多使用合金材料，以满足生产中多品种、高性能的要求。

一、合金的基本概念P29合金——由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的，具有金属特性的物质。

例如：黄铜(Cu+Zn)、碳钢（Fe+C）组元——组成合金的最基本、独立的物质（一般可以理解为组成合金的元素）。

例如：碳钢的组元是Fe和C元素，为二元合金。

合金系——组元相同，但配制比例不同的所有合金系列。

相——合金中，具有同一化学成分且结构相同，相互以界面分开的均匀组成部分。

组织——合金材料的微观形貌，组织可由单个相或多个相组成。

（了解相和组织的关系）二、合金的基本相结构由于组元之间的相互作用不同，合金的相结构分为固溶体和金属化合物两大类。

1、固溶体——固态下，组元间相互溶解而形成的均匀相。

固溶体的晶格结构与其中某一组元的晶格结构相同，该组元称为溶剂，其它组元为溶质。

在固溶体中，一般溶剂含量较多，而溶质含量较少。

（1）固溶体的分类：间隙固溶体——溶质占据溶剂晶格中的间隙位置。

置换固溶体——溶质占据溶剂晶格中的结点位置。

（2）、固溶强化P30——在固溶体中，随着溶质的加入，导致固溶体的晶格发生畸变，（晶格畸变会阻碍位错移动），使塑性变形的抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度提高。

固溶强化在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持较高的塑性和韧性，因此是强化金属材料的重要途径之一。

由于固溶体具有较好的力学性能，合金材料都是以固溶体作为基体相的。

2、金属化合物——合金组元之间发生相互作用而形成一种新相，也称为中间相。

金属化合物的晶格类型和性能均不同于任一组元，一般可以用分子式大致表示其组成。

例如：渗碳体（Fe3C ），参阅《教材》P30。

金属化合物一般具有复杂的晶格结构，其性能特点是熔点高、硬而脆。

因此，在金属材料中，金属化合物一般不作为基体相，而是作为第二相存在。

在合金中，当金属化合物以细小的颗粒状形式均匀地分布（弥散分布）在固溶体基体上时，导致合金材料的强度、硬度和耐磨性明显提高，但塑性和韧性会有所下降——弥散强化（第二相强化/析出强化）。

综上所述，在工业生产中，可以调整固溶体的溶质含量和金属化合物的数量、大小、形态及分布状况（材料的内部组织结构），从而使合金的力学性能发生改变，以满足生产中的不同使用要求。

第四节实际金属的晶体结构与理想晶体相比，工业生产中使用的实际金属一般都是多晶体，而且晶体内部往往存在许多晶体缺陷，对实际金属的性能产生很大的影响。

一、多晶体与亚组织P32理想晶体内部的原子是按某一固定规律排列的，晶体内部的晶格位向完全一致，这种晶体称为单晶体。

单晶体必须采用特殊工艺制作才能获得，它对外表现出各向异性。

实际金属材料一般都是多晶体，内部包含了许多颗粒状的小晶粒，每个晶粒内部的位向是一致的，但各个晶粒彼此之间的位向各不相同。

因此，实际金属材料的性能的宏观表现仍为各向同性。

实际金属的晶体内部，其晶格也并不完全一致，而是存在许多尺寸更小、位向差也更小的小晶块，这些小晶块称为亚晶粒/亚组织。

（了解内容）二、晶体的缺陷实际金属中的原子排列并不完全规则和完整，而是存在大量的晶体缺陷（原子排列不规则的现象）。

这些晶体缺陷的存在，对实际晶体的性能具有很大的影响，金属材料的塑性变形和各种强化机理都与晶体缺陷密切相关。

1、点缺陷——空位、间隙原子和置换原子在点缺陷的附近，周围原子偏离了原来的平衡位置，产生了晶格畸变，由于晶格畸变会阻碍位错移动，导致晶体的强度、硬度提高——固溶强化。

2、线缺陷——位错在晶体中的某处，一列或若干列原子发生了有规律的错排现象，称为位错。

（1）位错的分类位错分为刃型位错和螺型位错两类。

刃型位错螺型位错（2）位错密度位错密度ρ——单位体积中位错线的总长度。

单位为cm-2(cm/cm3)ρ= S/V (S—晶体中位错线的总长度；V——晶体的体积）实际金属材料中，位错是大量存在的。

例如，变形铝合金中ρ∝1012 cm-2= 107km/cm3。

位错对金属性能的影响：A、位错密度与金属的强度的关系：从图中可以看出，当金属处于退火状态时强度是最低的；理想晶体（无位错）的强度很高；金属产生冷加工变形时，由于位错密度提高，使金属的强度和硬度提高——加工硬化/ 形变强化。

B、“位错易动性”金属材料的塑性变形实际上是通过位错的运动来实现的。

如图所示，在位错移动时，由于不需整个晶体上下两部分的原子同时发生相对移动，而每次只需位错中心附近的少数原子作微量运动，那么位错移动所需临界切应力很小，因此实际金属的强度比理想晶体（无位错）的强度要低很多——“位错易动性”。

3、面缺陷——晶界和亚晶界在多晶体中，相邻晶粒之间的分界处称为晶界。

由于晶界位于两晶粒间的过渡带，原子排列不规则，产生晶格畸变，阻碍位错移动，使材料的塑性变形抗力增大。

细化材料的晶粒，可以使材料的晶界面积显著提高，从而提高材料的强度和硬度——细晶强化。

同时，由于晶界处原子排列不规则，原子间隙较大，所以晶界处原子能量较高，杂质容易聚集，导致：晶界处容易被腐蚀；晶界处的熔点较低等等。

（介绍）金相实验的基本原理金相试样在抛光后，需要对试样表面进行浸蚀，显示出各种组织的组成物及其形态特征。

浸蚀的主要原理是：单相组织的浸蚀是一个纯化学腐蚀过程，由于晶界处原子排列不规则，能量较高且杂质聚集，因此晶界处容易被浸蚀而呈现凹沟；而两相以上的组织的浸蚀则主要是一个电化学过程，由于各组成相的化学成分和结构不同，因此具有不同的电极电位，受浸蚀的程度就不相同，使得试样观察面上形成凹凸不平的状态。