1、C60物質由原子組成。原子的結合方式和物質由原子組成。原子的結合方式和排列方式決定了物質的性能。排列方式決定了物質的性能。原子、離子、分子之間的結合力稱為原子、離子、分子之間的結合力稱為結合鍵結合鍵。它們的具體組合狀態稱為。它們的具體組合狀態稱為結結構構。金屬的結構金屬的結構晶態晶態非晶態非晶態SiO2的結構的結構l1、晶體與非晶體、晶體與非晶體(晶體結構是指晶體內部原子規則排列的方式)l晶體晶體是指原子呈規則排列的固體。是指原子呈規則排列的固體。常態下金屬主常態下金屬主要以晶體形式存在。要以晶體形式存在。晶體具有各向異性晶體具有各向異性。l非晶體非晶體是指原子呈無序排列的固體。是指原子呈無序

2、排列的固體。在一定條件在一定條件下晶體和非晶體可互相轉化。下晶體和非晶體可互相轉化。l 晶格：晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間的三維空間格架格架。直線直線的交點（原的交點（原子中心）稱子中心）稱結點結點。由結由結點形成的空點形成的空間點的陣列間點的陣列稱稱空間點陣空間點陣l 晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列規律的最小幾何單元。能代表晶格原子排列規律的最小幾何單元。l 晶系：晶系：l根據晶胞參數不同，將晶體分為七種晶系。根據晶胞參數不同，將晶體分為七種晶系。l90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。l立方晶系

3、：立方晶系：a=b=c， = = =90 l六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c， = =90 ， =120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交單斜單斜三斜三斜l 晶格常數：晶格常數：晶晶胞個邊的尺寸胞個邊的尺寸 a、b、c。l各棱間的夾角用各棱間的夾角用 、 、 表示。表示。l 原子半徑：原子半徑：晶胞中原晶胞中原子密度最大方向上相鄰子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。原子間距的一半。l 晶胞原子數：晶胞原子數：一個晶一個晶胞內所包含的原子數目。胞內所包含的原子數目。l 配位數：配位數：晶格中與任晶格中與任一原子距離最近且相等一原子距離最近且相等的原子數目。的原子數目。l 致密度：

4、致密度：晶胞中原子晶胞中原子本身所占的體積百分數。本身所占的體積百分數。l1、純金屬的晶體結構、純金屬的晶體結構l金屬原子是通過正離子與自金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結合的，由電子的相互作用而結合的，稱為稱為金屬鍵金屬鍵。l金屬原子趨向于緊密排列。金屬原子趨向于緊密排列。價電子云價電子云正離子正離子金屬鍵示意圖金屬鍵示意圖l具有良好的導熱性、導電性、延展性及金屬光澤。具有良好的導熱性、導電性、延展性及金屬光澤。l常見純金屬的晶格類型有常見純金屬的晶格類型有體心立方體心立方(bcc)、面、面心立方心立方(fcc)和密排六方和密排六方(hcp)晶格。晶格。 體體心心立立方方晶晶格格體

5、心立方晶格體心立方晶格體心立方晶格的參數體心立方晶格的參數l體心立方晶格體心立方晶格原子個數：原子個數：2配位數：配位數： 8致密度：致密度：0.68常見金屬：常見金屬： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常數：晶格常數：a(a=b=c)ar43 原子半徑：原子半徑： 面面心心立立方方晶晶格格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格的參數面心立方晶格的參數 a42r ：原子半徑原子半徑原子個數：原子個數：4配位數：配位數： 12致密度：致密度：0.74常見金屬：常見金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常數：晶格常數：al面心立方晶格面心立方晶格 密排六方晶格密排六方晶格密排六

6、方晶格的參數密排六方晶格的參數a21r ：原子半徑原子半徑原子個數：原子個數：6配位數：配位數： 12致密度：致密度：0.74常見金屬：常見金屬： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常數：晶格常數：底面邊長底面邊長 a 和高和高 c， c/a=1.633l密排六方晶格密排六方晶格3. 晶格的晶面和晶向（1）晶面指數及晶向指數（2）晶面及晶向的原子密度1）晶面指數及晶向指數）晶面指數及晶向指數l晶體中各種方位上的原子面叫晶面；各種方向上的原子列叫晶向。在研究金屬晶體結構的細節及其性能時，往往需要分析它們的各種晶面和晶向中原子分布的特點，因此有必要給各種晶面和晶向定出一定的符號，以表示出它們在晶體中

7、的方位或方向。晶面的這種符號叫“晶面指數”，晶向的符號叫“晶向指數”。2)確定晶面指數的步驟如下：l（1）設晶格中某一原子為原點，通過該點平行于晶胞的三棱邊作OX、OY、OZ三個坐標軸，以晶格常數a、b、c分別作為相應的三個坐標軸上的量度單位，求出所需確定的晶面在三坐標軸上的截距（見圖1.2-6）。l（2）將所得三截距之值變為倒數；l（3）再將這三個倒數按比例化為最小整數，并加上一圓括號，即為晶面指數。晶面指數的一般形式用（hkl）表示。晶向指數的確定方法是：l（1）以格中某一原子為原點，通過該點平行于晶胞的三棱邊作OX、OY、OZ三個坐標軸，通過坐標原點引一直線，使其平行于所求的晶向；l（2

8、）求出該直線上任意一點的三個坐標來；l（3）將三個坐標值按比例化為最小整數，加一方括號，即為所求的晶面指數，其一般形式為uvw。 三種常見晶格的三種常見晶格的晶面原子密度和晶向原子密度晶面原子密度和晶向原子密度(1)單位面積晶面上的原子數稱單位面積晶面上的原子數稱晶面原子密度晶面原子密度。(2)單位長度晶向上的原子數稱單位長度晶向上的原子數稱晶向原子密度晶向原子密度。 l三種常見晶格的三種常見晶格的密排面和密排方向密排面和密排方向(1)原子密度最大的晶面稱原子密度最大的晶面稱密排面密排面(2)原子密度最大的晶向稱原子密度最大的晶向稱密排方向密排方向l。密排面密排面數量數量密排方向密排方向數量數

9、量體心立方晶格體心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1底面對角線底面對角線3l三種常見晶格的密三種常見晶格的密排面和密排方向排面和密排方向六方底面六方底面底面對角線底面對角線密排六方晶格密排六方晶格面心立方晶格面心立方晶格體心立方晶格體心立方晶格體心立方體心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面l面心立方晶格與密排六方晶格密排面的堆垛順序面心立方晶格與密排六方晶格密排面的堆垛順序l密排六方晶格密排六方晶格的堆垛順序為的堆垛順序為ABABABl面心立方晶格面心立方晶格的堆垛順序為的堆垛順序為ABCABCA

10、BCl面心立方晶格的原子堆垛面心立方晶格的原子堆垛l變形金屬晶粒尺寸約變形金屬晶粒尺寸約1100 m，鑄造金屬可達幾，鑄造金屬可達幾mm。純鐵組織純鐵組織晶粒示意圖晶粒示意圖l 單晶體與多晶體單晶體與多晶體l單晶體：單晶體：其內部晶格方位完其內部晶格方位完全一致的晶體。全一致的晶體。l多晶體：多晶體：l晶粒：晶粒：實際使用的金屬材料實際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外是由許多彼此方位不同、外形不規則的小晶體組成，這形不規則的小晶體組成，這些小晶體稱為些小晶體稱為晶粒晶粒。鉛錠宏觀組織鉛錠宏觀組織l晶粒越細小，晶界面積越大。晶粒越細小，晶界面積越大。l多晶體：多晶體：由多晶粒組成的晶體結構

11、。由多晶粒組成的晶體結構。光學金相顯示的純鐵晶界光學金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖多晶體示意圖l 晶體缺陷晶體缺陷l晶格的不完整部晶格的不完整部位稱位稱晶體缺陷晶體缺陷。l實際金屬中存在實際金屬中存在著大量的晶體缺著大量的晶體缺陷，按形狀可分陷，按形狀可分三類，三類，即點、線、即點、線、面缺陷。面缺陷。l 點缺陷點缺陷 l空間三維尺寸都空間三維尺寸都很小的缺陷。很小的缺陷。l空位空位l間隙原子間隙原子l置換原子置換原子la. 空位：空位：晶格中某些晶格中某些缺排原子的空結點。缺排原子的空結點。lb. 間隙原子：間隙原子：擠進晶擠進晶格間隙中的原子。格間隙中的原子。可可以是基體金屬原子，以是基體

12、金屬原子，也可以是外來原子。也可以是外來原子。體心立方的四面體和八面體間隙體心立方的四面體和八面體間隙lc. 置換原子：置換原子：取代原來原子位置的外來原取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。子稱置換原子。l點缺陷破壞了原子的平衡狀點缺陷破壞了原子的平衡狀態，使晶格發生扭曲，稱態，使晶格發生扭曲，稱晶晶空位空位間隙原子間隙原子大置換原子大置換原子小置換原子小置換原子格畸變格畸變。從而使。從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降強度、硬度提高，塑性、韌性下降。空位和間隙原子引起的晶格畸變空位和間隙原子引起的晶格畸變l 線缺陷線缺陷晶體中的位錯晶體中的位錯l位錯：位錯：晶格中一部分晶體相晶格中一部分晶

13、體相對于另一部分晶體發生局部對于另一部分晶體發生局部滑移，滑移面上滑移區與未滑移，滑移面上滑移區與未刃型位錯刃型位錯 螺型位錯螺型位錯滑移區的交界線稱作滑移區的交界線稱作位錯位錯。分為。分為刃型位錯刃型位錯和和螺型位錯螺型位錯。刃型位錯和螺型位錯刃型位錯和螺型位錯刃位錯的形成刃位錯的形成l刃型位錯：刃型位錯：當一個完整晶體某晶面以上的某處多出當一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是余原子面的邊緣就是刃型位錯刃型位錯。l半原子面在滑移面以上的稱半原子面在滑移面以上的稱正位錯正位錯，用，用“ ”表示

14、。表示。l半原子面在滑移面以下的稱半原子面在滑移面以下的稱負位錯負位錯，用，用“ ”表示。表示。l位錯密度：位錯密度：單位體積內所包單位體積內所包含的位錯線總長度。含的位錯線總長度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)l金屬的位錯密度為金屬的位錯密度為1041012/cm2l位錯對性能的影響位錯對性能的影響：金屬的金屬的塑性變形主要由位錯運動引塑性變形主要由位錯運動引起，（要使變形繼續進行，起，（要使變形繼續進行，必須增加外力）因此阻礙位必須增加外力）因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途錯運動是強化金屬的主要途徑。徑。金屬晶須金屬晶須退火態退火態(105-108/cm2) 加工硬化態加工硬

15、化態(1011-1012/cm2) 透射電鏡下鈦合金中的位錯線透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線黑線)電子顯微鏡下的位錯觀察l 面缺陷面缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界l晶界是不同位向晶粒的過度部位晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為，寬度為510個原個原子間距，位向差一般為子間距，位向差一般為2040。亞晶粒亞晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位錯壁位錯壁l亞晶粒亞晶粒是組成晶粒的尺寸很是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小小，位向差也很小(10 2 )的小晶塊。的小晶塊。l亞晶粒之間的交界面稱亞晶粒之間的交界面稱亞晶亞晶界界。亞晶界也可看作亞晶界也可看作位錯壁位錯壁。l晶界的特點：晶界的特點：

16、l 原子排列不規則原子排列不規則。l 熔點低熔點低。l 耐蝕性差耐蝕性差。l 易產生內吸附易產生內吸附，外來原，外來原子易在晶界偏聚。子易在晶界偏聚。l 阻礙位錯運動阻礙位錯運動，是強化，是強化部位，因而實際使用的金部位，因而實際使用的金屬力求獲得細晶粒。屬力求獲得細晶粒。l 是相變的優先形核部位是相變的優先形核部位 顯微組織的顯示顯微組織的顯示實際金屬中的缺陷對材料力學性能的影響如下：l點缺陷的存在，提高了材料的硬度和強度，降低了材料的塑性和韌性，增加位錯密度可提高金屬強度，但塑性隨之降低l面缺陷能提高金屬材料的強度和塑性l細化晶粒是改善金屬力學性能的有效手段l合金合金是指由兩種或兩種是指由

17、兩種或兩種以上元素組成的具有金以上元素組成的具有金屬特性的物質。屬特性的物質。l組成合金的元素可以是組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金全部是金屬，也可是金屬與非金屬。屬與非金屬。l組成合金的元素相互作組成合金的元素相互作用可形成不同的用可形成不同的相相。Al-Cu兩相合金兩相合金黃銅黃銅l所謂所謂相相是指金屬或合金中凡是指金屬或合金中凡成分相同、結構相同，并與成分相同、結構相同，并與其它部分有界面分開的均勻其它部分有界面分開的均勻組成部分。（組成部分。（液相和固相液相和固相）l顯微組織顯微組織實質上是指在顯微實質上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的各晶粒的

18、形態、數量、大小形態、數量、大小和分布和分布的組合。的組合。l固態合金中的相固態合金中的相分為分為固溶體固溶體和和金屬化合物金屬化合物兩類。兩類。單相單相合金合金兩相兩相合金合金l 固溶體固溶體l合金中其結構與組成元素之一的晶體結構相同的固合金中其結構與組成元素之一的晶體結構相同的固 相稱相稱固溶體固溶體。習慣以習慣以 、 、 表示。表示。l與合金晶體結構相同的元素稱與合金晶體結構相同的元素稱溶溶劑劑。其它元素稱。其它元素稱溶質溶質。l固溶體是合金的重要組成相固溶體是合金的重要組成相，實，實際合金多是單相固溶體合金或以際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。固溶體為基的合金。l按溶質原子

19、所處位置分為按溶質原子所處位置分為置換固置換固溶體溶體和和間隙固溶體間隙固溶體。Cu-Ni置換固溶體置換固溶體Fe-C間隙固溶體間隙固溶體l 置換固溶體置換固溶體l溶質原子占據溶劑晶格某些結點位置所形成的固溶溶質原子占據溶劑晶格某些結點位置所形成的固溶體。體。l溶質原子呈無序分布的稱溶質原子呈無序分布的稱無序固溶體，無序固溶體，呈有序分布呈有序分布的稱的稱有序固溶體。有序固溶體。黃銅置換固溶體組織黃銅置換固溶體組織l 間隙固溶體間隙固溶體l溶質原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。溶質原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。l形成間隙固溶體的溶質元素是原子半徑較小的非金形成間隙固溶體的溶質元素是原子

20、半徑較小的非金 屬元素，如屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般等，而溶劑元素一般是過渡族元素。是過渡族元素。l形成間隙固溶體的一形成間隙固溶體的一般規律為般規律為r質質/r劑劑0.59。l間隙固溶體都是無序間隙固溶體都是無序固溶體。固溶體。l 固溶體的溶解度固溶體的溶解度l溶質原子在固溶體中的極限濃度。溶質原子在固溶體中的極限濃度。l溶解度有一定限度的固溶體稱溶解度有一定限度的固溶體稱有有限固溶體限固溶體。l組成元素無限互溶的固溶體稱組成元素無限互溶的固溶體稱無無限固溶體限固溶體。l組成元素原子半徑、電化學特性組成元素原子半徑、電化學特性相近，晶格類型相同的置換固溶相近，晶格類型相同的置換固

21、溶體，才有可能形成無限固溶體。體，才有可能形成無限固溶體。 l間隙固溶體都是有限固溶體。間隙固溶體都是有限固溶體。Cu-Ni無限固溶體無限固溶體Cu-Zn有限固溶體有限固溶體固溶體固溶體化合物化合物l 固溶體的性能固溶體的性能l隨溶質含量增加隨溶質含量增加, 固溶體固溶體的強度的強度、硬度增加硬度增加, 塑性、塑性、韌性下降韌性下降固溶強化固溶強化。l產生固溶強化的原因是產生固溶強化的原因是溶質原子使溶質原子使晶格發生畸晶格發生畸變變及對位錯的及對位錯的釘扎作用釘扎作用。l與純金屬相比，固溶體的強度、硬度高，塑性、韌與純金屬相比，固溶體的強度、硬度高，塑性、韌性低。但與化合物相比，其硬度要低得

22、多，而塑性性低。但與化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。和韌性則要高得多。金屬化合物金屬化合物l合金中其晶體結構與組成元素的晶體結構均不相同合金中其晶體結構與組成元素的晶體結構均不相同的固相稱的固相稱金屬化合物金屬化合物。金屬化合物具有金屬化合物具有較高的熔點、較高的熔點、硬度和脆性硬度和脆性，并，并可用分子式表示可用分子式表示其組成。其組成。鐵碳合金中的鐵碳合金中的Fe3Cl當合金中出現金屬化當合金中出現金屬化合物時，可提高其強合物時，可提高其強度、硬度和耐磨性，度、硬度和耐磨性，但降低塑性。但降低塑性。l金屬化合物也是合金金屬化合物也是合金的重要組成相。的重要組成相。 正常價化合物正常價化合物符合正符合正常原子價規律。如常原子價規律。如Mg2Si 電子化合物電子化合物符合電子符合電子濃度規律。如濃度規律。如Cu3Sn。 電子濃度電子濃度為價電子數與為價電子數與原子數的比值。原子數的比值。 間隙化合物間隙化合物由過渡族由過渡族元素與元素與C、N、B、