金属材料的晶体结构与性能
材料科学基础第一章晶体结构(三单质晶体结构)
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
配位数 12；8（8＋6）；12 致密度 0.74；0.68； 0.74
配位数（CN）：晶体结构中 任一原子周围最近且等距离 的原子数。 致密度（K）：晶体结构中 原子体积占总体积的百分数。 K=nv/V。
linear density
<100>
a
2 1 2
1
aa
a
2 1 2
1
aa
<110>
2a
2
1 2
0.7
2a a
2a
2
1 2
1
1.4
2a a
<111>
3a
2
1 2
1
1.16
3a a
3a
2
1 2
0.58
3a a
案例讨论：工程上大量使用低碳钢渗碳件，试分析材 料的渗碳行为与哪些因素有关? 晶格常数? 结构类型? 致密度?....?
1.4单质晶体结构
同种元素组成的晶体称为单质晶体。 一、金属晶体的结构 二、非金属元素单质的晶体结构
一、金属晶体的结构
香港国际机场 案例讨论：工程上大量使用钢铁材料，钢和铁在 性能上差别较大，各有优势，设想这种差别的来 源。
一、金属晶体的结构
1.常见金属晶体结构
典型金属的晶体结构是最简单的晶体结构。由于金属键的性质， 使典型金属的晶体具有高对称性，高密度的特点。常见的典型金属晶 体是面心立方、体心立方和密排六方三种晶体，其晶胞结构如图1-10 所示。另外，有些金属由于其键的性质发生变化，常含有一定成分的 共价键，会呈现一些不常见的结构。锡是A4型结构（与金刚石相似）， 锑是A7型结构等。
金属材料的结构与结晶
只有当溶质原子尺寸较小，溶剂晶格间隙较大时
才能形成间隙固溶体。
例：Fe和C形成间隙固溶体。
间隙固溶体溶解的溶质数量是有限的。
图2-12（ｂ）
图2-12（ａ）
（2）臵换固溶体：溶质原子占据晶格结点位臵而形 成的固溶体。 （图2-12b）
两组元原子尺寸相近时，易形成臵换固溶体。可形
成有限固溶体和无限固溶体。 例：Cr和Ni等合金元素溶入铁中形成的固溶体为臵
立方晶格中的某些晶面立方晶格中的某些晶面100100面面110110面面111111面面立方晶格中的某些晶向立方晶格中的某些晶向111111向向110110向向在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密不同因此原子结合力也就不同从而在不同的不同因此原子结合力也就不同从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能这就是晶体具晶面和晶向上显示出不同的性能这就是晶体具有各向异性的原因
1.晶格：描述原子在晶体中排列方式的空间几何格架。 2.晶胞：反映晶格特征的最小单元。
3. 晶格参数：
晶胞棱边的长度和棱边夹角α、β、γ。
4. 三种典型的金属晶体结构 面心立方晶格、体心立方晶格、密排六方晶格。 面心立方晶格类型的金属有Cu、Al、Ni等，具有良
好的塑性； 密排六方晶格的金属有 Mg、Zn、Be等
Fe3C组成的机械混合物。
机械混合物的性质，基本上是各组成相性能的
平均值。
35 钢的显微组织
机械混合物P
将黑色部分放大，看到指纹状结构。其中白色
基体是Fe与C形成的固溶体， 含碳0.0218% 体 心立方晶格（称为铁素体F）， 黑色条纹为 渗
碳体（Fe3C）。
黑色部分是F与Fe3C形成的机械混合物，称为
机械工程材料 第二章 金属的晶体结构与结晶
均匀长大
树枝状长大
2-2
晶粒度
实际金属结晶后形成多晶体，晶粒的大小对力学性能影响很大。 晶粒细小金属强度、塑性、韧性好，且晶粒愈细小，性能愈好。
标准晶粒度共分八级， 一级最粗，八级最细。 通过100倍显微镜下的 晶粒大小与标准图对 照来评级。
2-2
• 影响晶粒度的因素
• （1）结晶过程中的形核速度N（形核率） • （2）长大速度G（长大率）
面心立方晶 格
912 °C α - Fe
体心立方晶 格
1600
温 度
1500 1400
1300
1200
1100
1000
900
800
700 600 500
1534℃ 1394℃
体心立方晶格
δ - Fe
γ - Fe
γ - Fe
912℃
纯铁的冷却曲线
α – Fe
体心立方晶 格
时间
由于纯铁具有同素异构转变的特性，因此，生产中才有可能通过 不同的热处理工艺来改变钢铁的组织和性能。
2-3
• 铁碳合金—碳钢+铸铁，是工业应用最广的合金。 含碳量为0.0218% ~2.11%的称钢 含碳量为 2.11%~ 6.69%的称铸铁。 Fe、C为组元，称为黑色金属。 Fe-C合金除Fe和C外，还含有少量Mn 、Si 、P 、 S 、 N 、O等元素，这些元素称为杂质。
2-3
• 铁和碳可形成一系列稳定化合物： Fe3C、 Fe2C、 FeC。 • 含碳量大于Fe3C成分（6.69%）时，合金太脆，已无实用价值。 • 实际所讨论的铁碳合金相图是Fe- Fe3C相图。
2-2
物质从液态到固态的转变过程称为凝固。 材料的凝固分为两种类型：
金属材料的微结构与性能研究
金属材料的微结构与性能研究金属材料是现代工业中最重要的材料之一，它们在各个领域中扮演着至关重要的角色。
金属材料是由许多微观结构构成的，这些结构能够影响整个材料的性能。
为了深入了解不同金属材料的性能，科学家们研究了它们的微结构，并发现了微结构与性能之间的微妙关系。
其中，金属材料的爆炸性能研究是材料学研究的重要方向之一。
爆炸性能是指材料在遭受外部冲击、剪切、压缩等拉伸状态下的反应，其表现形式主要有弹性、塑性、断裂等。
这些表现形式都与微观结构有关。
例如，弹性的表现形式与金属的晶体结构、面心立方体（FCC）结构、体心立方体（BCC）结构等因素有关。
同样，材料的断裂也与晶粒大小、晶界强度、缺陷密度等因素有关。
综上所述，金属材料的微结构对于材料的性能具有重要影响。
因此，了解金属材料的微观结构和性能之间的关系是非常必要的。
以下是一些典型的金属材料的微观结构与性能之间的关系：用锆合金为例。
锆合金材料的晶粒越细小，其强度就越大。
此外，晶粒的大小也会影响材料的塑性——当晶粒越细小时，材料的延展性将越高，即材料在产生塑性变形时，会形成细小的颗粒形变，而不会使整个材料出现大幅度塑性变形。
再如，对于钢材来说，冷处理可以改善钢材的强度和硬度。
钢材的晶粒数量与晶粒大小能够影响其冷加工时的性能改善程度。
晶粒更多、大小更小的钢材常常具有较高的冷加工强化效应，并且在冷加工后也不容易出现应力松弛。
另外一方面，现代金属材料的研究和应用中，除了单纯地控制微观结构外，纳米共晶、超细晶体、多重晶体/晶界等新型微观结构是主要的研究方向之一。
这些结构是通过现代先进制备技术实现的，可以为材料提供优异的性能，使得金属材料的应用领域更加广泛。
总而言之，金属材料的微结构是决定其性能的关键因素之一。
了解和研究金属材料的微观结构和性能之间的关系，是未来金属材料研究和应用的发展核心。
这些研究成果不仅可以帮助制造高强度、高韧性、高耐磨性等材料，也可以促进金属材料的可持续发展和循环利用。
材料的晶体结构与耐蚀性
材料的晶体结构与耐蚀性材料的晶体结构和耐蚀性是一个相互关联的重要议题。
晶体结构的特征和组成物质的耐蚀性之间存在着密切的联系。
本文将探讨晶体结构对材料耐蚀性的影响，并介绍一些常见材料的晶体结构和其耐蚀性的关系。
1. 材料的晶体结构对耐蚀性的影响材料的晶体结构决定了其内部原子的排列方式和间隙结构，从而直接影响了材料的耐蚀性。
晶体结构紧密的材料往往具有较好的耐蚀性，因为原子之间的结合力较强，难以被外界环境中的腐蚀物质侵蚀。
相反，晶体结构松散的材料容易被腐蚀物质渗透，导致其耐蚀性下降。
2. 金属材料的晶体结构和耐蚀性金属材料是最常用的工程材料之一，其晶体结构与耐蚀性密切相关。
常见的金属晶体结构包括面心立方（FCC）、体心立方（BCC）和密排六方（HCP）。
FCC结构的金属材料由密集堆积的原子构成，具有良好的耐腐蚀性能。
例如，不锈钢中的钢铁具有FCC结构，因此其具有较好的抗腐蚀能力。
BCC结构的金属则相对容易被腐蚀，如铁、钴等。
HCP结构的金属材料在某些情况下可以具备较好的耐蚀性能，例如钛合金。
3. 陶瓷材料的晶体结构和耐蚀性陶瓷材料是由离子或离子化合物组成的晶体结构。
根据晶体结构的不同，陶瓷材料可以分为离子晶体、共价晶体和复合晶体。
离子晶体的耐蚀性往往较好，因为离子之间的结合力较强。
例如，氧化铝陶瓷具有良好的耐腐蚀性能。
共价晶体一般具有较强的耐蚀性，但某些情况下也容易被腐蚀。
复合晶体则因其结构的多样性，其耐蚀性表现也会有所不同。
4. 高分子材料的晶体结构和耐蚀性高分子材料是由长链状分子构成的材料，其晶体结构和耐蚀性之间的关系较为复杂。
高分子材料的耐腐蚀性能与其分子链的排列方式、交联度以及侧链结构等因素有关。
一些晶型排列较为整齐的高分子材料，如高密度聚乙烯（HDPE）和聚四氟乙烯（PTFE），具有较好的耐蚀性。
而一些晶型较为松散的高分子材料，如低密度聚乙烯（LDPE）和聚丙烯（PP），则相对容易被腐蚀。
5. 其他材料的晶体结构和耐蚀性除了金属、陶瓷和高分子材料外，其他材料的晶体结构和耐蚀性也有着密切的关系。
金属晶体结构及结晶
亚晶界示意图
Cu-Ni 合金中的亚结构
金属的晶体结构
①使实际金属的强度远远小于理想金属 ②晶界处位错密度高，使其局部强度 强度 硬度 塑性 韧性 硬度
金属的晶体结构
（二）晶体学基础
把晶体中每个原子抽象成一个点，用直线连接，构成的空
间格架称为晶格。
组成晶格的最小几何组成单元是晶胞。a、b、c是晶格常 数，单位是10-10m(Å)； 晶胞各边夹角以a、b及g表示。
Z
b g X ba a源自c Y原子排列模型晶
格
晶
胞
简单立方晶体
金属的晶体结构
（二）晶体学基础
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 体组合状态称为结构。 自然界中的固态物质按其原 子（或分子、离子）的聚集 状态可分为晶体和非晶体两 大类。
C60
金属的晶体结构
晶体：原子（原子团或离子）在三维空间按一定规则 周期性重复排列的固体。如固态金属、钻石、冰等。 晶体具有各向异性。 非晶体：原子（原子团或离子）在三维空间中无规则 排列的物质，也称为玻璃态。如松香、玻璃、塑料等。
[111]方向上，弹性模量E=290000Mpa ；[001]方向上，弹性模量E=135000Mpa
金属的晶体结构
（五）单晶体的各向异性 单晶体具有各向异性的特征。但工业上 实际应用的金属材料，因为属于多晶体，一
般不具有各向异性的特征。如工业纯铁在任
何方向上其弹性模量E均为2.1×105MPa。
金属的晶体结构
引言金属学是研究金属及合金的成分、组织、结构与力学性能之间关系的科学。
所谓力学性能主要指材料的强度、硬度和塑性。
通常用来承受载荷的零件要求材料具有一定的力学性能，我们称这类材料为结构材料。
与结构材料对应的另一类材料是功能材料，它一般不要求承受载荷，主要使用它的物理性能，如光、电、磁性能等。
功能材料利用它对光、电、磁的敏感特性制作各类传感器。
金属学只讨论金属材料的力学性能，不涉及物理性能。
固态金属通常是晶体，金属学研究的最小结构单元是原子。
原子通过不同的排列可构成各种不同的晶体结构，产生不同的性能。
原子结构不是金属学研究的范畴。
第1章金属的晶体结构1-1金属及金属键金属的定义根据学科的不同有多种划分方法。
本人倾向按结合键的性质来划分，即金属是具有金属键的一类物质。
这种分类的好处是有利于解释与金属力学性能相关的现象。
例如，为什么金属具有较好的塑性？什么是金属键、离子键、共价键我们早就熟知，金属键的最大特点是无饱和性、无方向性。
以后我们将会看到，正是这些特点使金属具有较好的塑性。
研究表明，固态金属通常是晶体，且其结构趋于密堆积结构。
这是为什么？下面我们用双原子模型来说明。
当两个原子相距很远时，它们之间不发生作用。
当它们逐渐靠近时，一个原子的原子核与另一个原子的核外电子之间将产生引力；而两原子的原子核及电子之间产生斥力。
研究表明，引力是长程力，斥力是短程力，即距离较远时，引力大于斥力，表现为相互吸引。
随着原子距离的减小，斥力增加的速度逐渐大于引力增加的速度。
显然这样作用的结果必然存在一个平衡距离d0，此时，引力等于斥力，偏离这一距离时，都将受到一个恢复力，如P3图2。
d c对应最大恢复引力，即最大结合力，它对应着金属的理论抗拉强度。
下面，我们从能量的角度来考虑系统的稳定性。
在引力作用下原子移近所做的功使原子的势能降低，所以吸引能是负值。
相反，排斥能是正值。
吸引能和排斥能的代数和是结合能。
由P3图2可以看出，当原子移至平衡距离d0时，其结合能达到最低值，此时系统的势能最低，状态最稳定。
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶
第二章 金属与合金的晶体结构与结晶第一节 金属的晶体结构自然界的固态物质，根据原子在内部的排列特征可分为晶体与非晶体两大类。
晶体与非晶体的区别表现在许多方面。
晶体物质的基本质点（原子等）在空间排列是有一定规律的，故有规则的外形，有固定的熔点。
此外，晶体物质在不同方向上具有不同的性质，表现出各向异性的特征。
在一般情况下的固态金属就是晶体。
一、晶体结构的基础知识（1）晶格与晶胞为了形象描述晶体内部原子排列的规律，将原子抽象为几何点，并用一些假想连线将几何点连接起来，这样构成的空间格子称为晶格（图2-1）晶体中原子排列具有周期性变化的特点，通常从晶格中选取一个能够完整反映晶格特征的最小几何单元称为晶胞（图2-1），它具有很高对称性。
（2）晶胞表示方法不同元素结构不同，晶胞的大小和形状也有差异。
结晶学中规定，晶胞大小以其各棱边尺寸a 、b 、c 表示，称为晶格常数。
晶胞各棱边之间的夹角分别以α、β、γ表示。
当棱边a b c ==，棱边夹角90αβγ===︒时，这种晶胞称为简单立方晶胞。
（3）致密度金属晶胞中原子本身所占有的体积百分数，它用来表示原子在晶格中排列的紧密程度。
二、三种典型的金属晶格1、体心立方晶格晶胞示意图见图2-2a。
它的晶胞是一个立方体，立方体的8个顶角和晶胞各有一个原子，其单位晶胞原子数为2个，其致密度为0.68。
属于该晶格类型的常见金属有Cr、W、Mo、V、α-Fe等。
2、面心立方晶格晶胞示意图见图2-2b。
它的晶胞也是一个立方体，立方体的8个顶角和立方体的6个面中心各有一个原子，其单位晶胞原子数为4个，其致密度为0.74（原子排列较紧密）。
属于该晶格类型的常见金属有Al、Cu、Pb、Au、γ-Fe等。
3、密排六方晶格它的晶胞是一个正六方柱体，原子排列在柱体的每个顶角和上、下底面的中心，另外三个原子排列在柱体内，晶胞示意图见图2-2c。
其单位晶胞原子数为6个，致密度也是0.74。
属于该晶格类型常见金属有Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti等。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
金属材料的晶体结构与性能
在我们日常生活中，金属材料无处不在。
无论是建筑、交通工具还是电子设备，金属材料都发挥着重要的作用。
然而，有多少人真正了解金属材料的晶体结构与性能呢？本文将介绍金属材料的晶体结构与性能的关系，并探讨其中的奥秘。
一、晶体结构的基本概念
1.1 简单立方晶体结构
简单立方晶体结构是最简单的晶体结构之一，它的原子排列形式如同一个立方体。
这种结构具有简单、规则的特点，常见于一些低熔点金属材料。
1.2 面心立方晶体结构
面心立方晶体结构是一种更为复杂的结构，其中每个面心立方晶体结构中的每
一个原子周围都有12个邻位原子，它的密堆效应更好，因此强度更高。
1.3 体心立方晶体结构
体心立方晶体结构在简单立方晶体结构的基础上，每个晶胞的中心还存在一个
原子。
这种结构具有更好的导电性和热导性，因此广泛应用于电子器件和导热材料。
二、晶体结构与金属材料性能的关系
2.1 强度与晶体结构
金属材料的强度与其晶体结构之间有着密切的关系。
通过控制晶体结构的排列
方式和原子间的相互作用，可以调节金属材料的强度。
例如，面心立方晶体结构由于具有更好的密堆效应，因此其强度往往比其他结构更高。
2.2 导电性与晶体结构
金属材料具有良好的导电性，这与其晶体结构也有很大的关系。
体心立方晶体结构由于具有更好的导电性，因此常用于电子器件中。
通过调节晶体结构的排列和原子间的相互作用，可以进一步提高金属材料的导电性能。
2.3 热导性与晶体结构
金属材料的热导性能也与其晶体结构紧密相关。
晶体结构的排列方式和原子间的相互作用会影响金属材料对热能的传导效率。
体心立方晶体结构具有较好的热导性能，因此常用于导热材料中。
三、晶体结构与金属材料的改性
通过改变金属材料的晶体结构，可以调节其性能，从而满足不同的应用需求。
例如，通过热处理、冷加工等方式可以改变金属材料的晶体结构，使其具有更高的强度和硬度。
同时，还可以通过掺杂、合金化等手段改变晶体结构，提高金属材料的导电性、热导性等特性。
结语
金属材料的晶体结构与性能之间存在着紧密的关系。
通过了解和掌握金属材料的晶体结构特点，可以更好地设计和制造金属制品，满足不同领域的需求。
随着科学技术的不断进步，我们对金属材料晶体结构与性能的认识也会越来越深入，为金属材料的应用提供更好的支持。