工程材料课程讲稿Word文档格式.docx

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2．晶面指数及晶向指数的确定在学习时会感到困难。

应掌握常见的晶面和晶向的表

示方法，需要多练多画。

教学基本内容（教学过程）

改进设想

第一节晶体的基本知识

一、晶体与非晶体

1．晶体与非晶体

晶体：

材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的周期性排列

的物体。

如金刚石、水晶、氯化钠、金属等。

非晶体：

材料的原子（离子、分子）在三维空间无规则排列的物体，

和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。

如松香、玻璃等。

2.区别

①是否具有周期性、对称性；

②是否长程有序；

③是否有确定的熔点；

④是否各向异性。

特别提示：

金属玻璃（非晶态金属）

二、晶格、晶胞和晶格常数

★空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小组成单元）

图2-1晶体、晶格、晶胞示意图

1．晶体结构—晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式。

晶格—假设通过原子（离子）结点的中心划出许多空间直线所形

成的空间格架。

2．晶胞—能反映晶格特征的最小组成单元

3．晶体学参数—a，b，c，α，β，γ

晶格常数—晶胞的三个棱边的长度a，b，c

第二节金属的晶体结构

一、金属的特性和金属键

1.金属键---金属原子间的结合键。

2.金属键的基本特点是电子公有化。

3.电子气---当金属原子结合成晶体时,价电子不再被束缚在各个原子上,而是在整个晶体内运动,从而形成电子气。

4.金属晶体---失去价电子的金属正离子与组成电子气的自由电子之间产生的静电引力使金属原子结合在一起,从而形成了金属晶体。

二、常见的金属晶体结构

1．体心立方晶格（BCC—Body-CenteredCube）

图2-2体心立方晶格

常见的BCC金属有：

钼、钨、钒、铬、铌、α-Fe。

晶胞原子数—是指在一个晶胞中所含的原子数目。

为1/8×

8+1=2个

原子半径—是指晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子间平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距的一半。

BCC为：

r=（√3/4）a。

配位数—是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目。

BCC为8个。

致密度—是指晶胞中原子本身所占有的体积百分数，也称密排系数。

致密度=晶胞中原子所占有的体积/晶胞的体积*100%。

BCC的致密度为（4/3）πr3×

2=0.68=68％

2．面心立方晶格（FCC—Face-CenteredCube）

图2-3面心立方晶格

常见的面心立方晶格金属有：

铝、铜、镍、金、银、γ-Fe等。

晶胞原子数—FCC为4个。

原子半径—FCC为（√2/4）a。

配位数—12个。

致密度—FCC为74％。

3．密排六方晶胞（HCP—HexagonalClose-Packed）

常见的密排六方晶格金属有：

镁、镉、锌、铍等。

晶胞原子数—HCP为6个。

原子半径—HCP为（1/2）a。

致密度—HCP为74％。

配位数—12个。

上述三种晶体结构中：

FCC和HCP排列最紧密。

图2-4密排六方晶格

特别提示 

：

由于原子排列紧密程度不一样，当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时，体积会发生变化。

这就是钢可以进行热处理的内在原因。

三、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，其所代表的方向叫做晶向。

晶面或晶向可用晶面指数或晶向指数来表达。

1.立方晶系的晶面表示方法

图2-5空间坐标系图2-6立方晶胞中的主要晶面

以图2-6中的晶面ABB'

C'

为例,晶面指数的标定过程如下：

（1）设定一空间坐标系，原点在欲定晶面外，并使晶面在三条坐标轴上有截距或无穷大。

（2）以晶格常数a为长度单位，写出欲定晶面在三条坐标轴上的截距:

1∝∝。

（3）截距取倒数：

100

（4）截距的倒数化为最小整数：

（5）将三整数写在圆括号内：

（100）

晶面ABB'

A'

的晶面指数即为（100）。

同样可得晶面ACC'

和ACD'

的晶面指数分别为（110）、（111）

2.立方晶系的晶向表示方法

以图中的晶向OA为例，说明晶向指数的标定过程。

（1）设定一空间坐标系，原点在欲定晶向的一结点上。

（2）写出该晶向上另一结点的空间坐标值:

（3）将坐标值按比例化为最小整数：

（4）将化好的整数记在方括号内:

[100]

得到晶向OA的晶向指数为[100]。

同样方法可得晶向OB、OC的晶向指数分别为[110]、[111]。

图2-7立方晶胞中的主要晶向

由于相同晶格中，不同晶面和不同晶向上原子排列方式和排列密度不一样，原子间相互作用也就不同，因而不同晶面和不同晶向就显示不同的力学性能和理化性能，即各向异性。

例如单晶体铁（只含一个晶粒）的弹性模量，在〈111〉方向上为2.90×

105MPa，而在〈100〉方向上只有1.35×

105MPa。

第三节合金的晶体结构

★承上启下：

纯金属一般具有较好的导电性、导热性和美丽的金属光泽，但由于种类有限，提炼困难，力学性能较低，无法满足人们对金属提出的多品种和高性能的要求。

工业生产中，通过配置各种不同成分的合金，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。

因此合金的应用比纯金属广泛得多，碳钢、合金钢、铸铁、黄铜和硬铝等都是合金。

一、合金的基本概念

1．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。

2．组元：

组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。

组元可以是纯元素或稳定化合物。

3．二元合金：

由两个组元组成的合金称为二元合金,例如工程上常用的铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。

4．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叫做相。

液态物质为液相，固态物质为固相。

启下：

合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、形态、性能和组合情况——组织决定的，因此先了解构成合金组织的相的晶体结构（相结构）及其性能。

二、合金的相结构

★由于组元相互作用不同，固态合金的相结构有两大类：

固溶体和金属化合物。

（一）固溶体

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。

溶剂：

与固溶体晶格相同的组元，一般在合金中含量较多；

溶质：

以原子状态分布在溶剂晶格中，一般含量较少。

1.固溶体的分类

（1）按溶质原子的位置分 

固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。

置换固溶体中溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子；

间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。

图2-8置换固溶体图2-9间隙固溶体

（2）按溶解度分 

固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。

若溶质可以任意比例溶入，即溶质溶解度可达100%，则固溶体为无限固溶体。

（3）按分布有序度分 

固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种。

溶质原子有规则分布的为有序固溶体；

无规则分布的为无序固溶体。

2.固溶体的性能

溶质原子溶入→晶格畸变→位错远动→阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。

这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。

固溶强化是金属强化的一种重要形式。

在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。

（二）金属化合物

金属化合物：

合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相,或称中间相。

特点：

金属化合物一般熔点较高,硬度高,脆性大。

1．金属化合物的分类：

（1）正常价化合物

严格遵守化合价规律的化合物称正常价化合物。

（2）电子化合物

不遵守化合价规律但符合于一定电子浓度（化合物中价电子数与原子数之比）的化合物叫做电子化合物。

（3）间隙化合物

由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。

尺寸较大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属原子则有规则地嵌入晶格的间隙之中。

根据结构特点，间隙化合物分间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。

①间隙相（VC，WC，Ti等）

当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。

间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度,非常稳定。

它们的合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。

②复杂结构的间隙化合物

当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。

钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C、FeB、Fe2B等都是这类化合物。

Fe3C是铁碳合金中的重要组成相,具有复杂的斜方晶格。

复杂结构的间隙化合物也具有很高的熔点和硬度,但比间隙相稍低些,在钢中也起强化相作用。

2．金属化合物的性能

金属化合物一般熔点较高,硬而脆，当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化。

第四节实际金属的晶体结构

一、实际金属的晶体结构

1．理想晶体——完整的单晶体（即金属内部的晶格位向是完全一致，具有各向异性。

在工业生产中，只有经过特殊制作才能获得单晶体，它是电子和激光技术中必须使用的重要材料，如单晶硅、单晶锗）

2．实际金属的晶体结构——大都是多晶体结构

（1）多晶体——由许多位向各不相同的单晶体块组成 

各向同性

（2）晶粒——构成多晶体中的外形不规则的小晶体，叫～。

（3）晶界——晶粒与晶粒之间的界面，叫～。

（4）亚晶粒——晶粒内部存在着的尺寸更小、位向差也很小（一般1～2°

）的小晶块。

（4）亚晶界——亚晶粒之间的边界，可以理解为位错堆积的结果。

图2-10多晶体示意图

二、晶体的缺陷

晶体缺陷：

实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分。

1.点缺陷——三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。

①空位：

晶格结点处无原子

②间隙原子：

原子占据晶格间隙

③置换原子：

晶格结点处为其它原子占据

图2-11点缺陷示意图

2.线缺陷——二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。

①刃型位错

②螺型位错

图2-12刃型位错图2-13螺型位错

3．面缺陷—二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。

①晶界：

晶粒与晶粒之间的边界。

②亚晶界：

由一系列不同刃型位错所形成的小角度晶界。

图2-14晶界图2-15亚晶界

三、金属晶体缺陷对性能的影响

1．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。

2．线缺陷形成位错对金属的机械性能影响很大，位错极少时，金属

强度很高，位错密度越大，金属强度也会提高。

3．面缺陷晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高，金属塑变的能力越大，塑性越好。

（细晶强化）

作业和思考题：

课后习题5、9

课后小结及教学后记：

本课教育评注（课堂设计理念，实际教学效果）