第1章金屬材料的結構與性能課本第1章1.1和1.2的內容

2/5/20231北京郵電大學自動化學院晶體的三大特征：原子排列有序；有固定的熔點；各向異性。晶格和晶胞caXb

β

α

γYZ簡單立方晶體（a）晶體結構（b）晶格（c）晶胞一、晶體的概念2/5/20232北京郵電大學自動化學院（a）（b）（c）體心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數屬于這種晶格類型的金屬有α-Fe、Cr、W、Mo、V等

（1）晶格常數：a=b=c,α=β=γ=90°（2）晶胞原子數：是指在一個晶胞中所含的原子數目。1+8×1/8=2（3）原子半徑：是指晶胞中原子密度最大的方向上相鄰兩原子間平衡距離的一半，或晶胞中相距最近的兩個原子間距的一半。體心立方晶胞：二、常見純金屬的晶格類型1、體心立方晶胞BCC——Body-CenteredCube2/5/20233北京郵電大學自動化學院（a）（b）（c）體心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數（4）配位數：是指晶格中與任一原子最鄰近且等距離的原子數目，為8（5）致密度：是指晶胞中原子本身所占有的體積百分數，也稱密排系數。致密度=晶胞中原子所占有的體積/晶胞的體積×100%。68%（6）空隙半徑：若在晶胞空隙中放入剛性球，則能放入球的最大半徑。

2/5/20234北京郵電大學自動化學院2、面心立方晶胞FCCFace-CenteredCube（a）（b）（c）面心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數屬于這種晶格類型的金屬有γ－Fe、Cu、Al、Ag、Au、Pb、Ni等。74%12421/2a/4a=b=c,===90o

FCC致密度配位數晶胞原子數原子半徑晶體學參數晶胞2/5/20235北京郵電大學自動化學院3、密排六方晶胞HCPHexagonalClose-Packed（a）（b）（c）密排六方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數74%126a/2a=b≠c,c/a=1.633,==90o,=120o

HCP致密度配位數晶胞原子數原子半徑晶體學參數晶胞2/5/20236北京郵電大學自動化學院

在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱為晶面，任意兩個原子之間連線所指的方向稱為晶向。為了確定晶向、晶面在晶體中的空間位向，就需要引入一個統一的規則來標志它們，這種統一的標志，叫做晶向指數和晶面指數。國際上通用的是密勒（Miller）指數。三、晶向指數和晶面指數2/5/20237北京郵電大學自動化學院晶向指數的確定步驟如下：（1）以晶胞中的某一陣點為原點，以三條棱邊為X、Y、Z軸，并以晶胞棱邊的長度為單位長度；（2）如果所求晶向未通過坐標原點，過原點引一條平行于所求晶向的有向直線；（3）在所引直線上取離原點最近的那個原子，求出其在X、Y、Z軸上的坐標；（4）將三個坐標值按比例化為最小整數，依次記入方括號[]中，即得所求晶向指數。通常以[uvw]表示晶向指數的普遍形式，若其中某數為負值，應將負號標注在該數的上方，例如。[110][110][111][100]XYZ立方晶系中的三個重要晶向對于一個晶向指數，表示的不是一個具體的方向，而是所有相互平行，方向一致的晶向。如果兩個晶向指數數值大小相等，符號相反，則這兩組晶向相互平行但是方向相反。

晶向指數2/5/20238北京郵電大學自動化學院晶向族

在立方晶系中：[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]八個晶向，指的是立方體中四個對角線的方向。從晶體的對稱關系來看，這一組晶向在性質上是等同的，故總稱之為晶向族。原子排列情況相同，但空間位向不同的所有晶向稱為晶向族，用<>表示，上述八個晶向即可用<111>表示。

同理，<100>代表：[100]、[010]、[001]、[100]、[010]、[001]六個晶向。應當指出，只有在立方晶系中晶向族各晶向指數可以通過改變指數和正負號的排列組合方式求出。對于其他晶系并不一定適用。

2/5/20239北京郵電大學自動化學院晶面指數（1）與確定晶面指數類似建立坐標系，但坐標原點應位于待定晶面之外，以避免出現零截距。（2）以晶格常數為長度單位求出待定晶面在各軸上的截距。若晶面與某軸平行，則認為該晶面在該軸上的截距為無窮大，其倒數為零。（3）取截距的倒數，將其化為最小整數，置于圓括號內，寫成（hkl）的形式，即得晶面指數。2/5/202310北京郵電大學自動化學院下圖給出了一些立方晶系中的一些主要晶面的晶面指數。

XXXYYYZZZ（100）（111）（110）立方晶格中的三種重要晶面與晶向指數類似，如果有截距為負值，應將負號記在相應的指數上面。晶面指數（hkl）不是指一個晶面，而是代表一組相互平行的晶面。當兩個晶面指數的數字和順序完全相同而符號相反時，則這兩個晶面相互平行。

2/5/202311北京郵電大學自動化學院晶面族在同一晶體結構中，有些晶面上的原子排列和晶面間距完全相同，但具有不同的空間位向，這些晶面均歸并為一個晶面族，用{}表示。例如，在立方晶系中：｛100｝包括（100）,（010）,（001）｛110｝包括（110）,（101）,（011）,（110）,（101）,（011）｛111｝包括（111）,（111）,（111）,（111）晶面族不僅包括了相互平行的一組晶面，而且也包括了位向不同，但晶面間距相等、原子排列相同的若干組平行晶面。

在立方晶系中，{hkl}晶面族所包括的晶面可用改變h、k、l的正負號及數字的排列組合來求得。但是這種方法不適用于其他晶系。

2/5/202312北京郵電大學自動化學院不同的晶體結構中，不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列密度不一樣。密排面：原子密度最大的晶面密排方向：原子密度最大的晶向

講課本P11表1-1密排面和密排方向2/5/202313北京郵電大學自動化學院

單晶體與多晶體

晶體中原子排列規律相同，晶格位向一致的晶體，稱為單晶體。在實際應用中金屬材料中較少的用單晶體金屬，工程上使用的金屬材料，都是由很多小晶體組成的，這些小晶體內部的晶格位向是均勻一致的，而它們之間，晶格位向卻彼此不同，這些外形不規則的顆粒狀小晶體稱為晶粒。每一個晶粒相當于一個單晶體。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。這種由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。

四、實際金屬的晶體結構單晶體：內部晶格位向完全一致：各自異性多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組成：各自同性

2/5/202314北京郵電大學自動化學院純鐵的多晶體結構2/5/202315北京郵電大學自動化學院1．晶體缺陷：實際晶體中存在著偏離（破壞）晶格周期性和規則性的部分。

a、點缺陷

b、線缺陷（位錯）

c、面缺陷

2/5/202316北京郵電大學自動化學院a、點缺陷

——晶格結點處或間隙處，產生偏離理想晶體的變化空位：

晶格結點處無原子

置換原子：

晶格結點處為其它原子占據

間隙原子：

原子占據晶格間隙2/5/202317北京郵電大學自動化學院晶格畸變之空位引起的晶格畸變2/5/202318北京郵電大學自動化學院晶格畸變之置換原子引起的晶格畸變2/5/202319北京郵電大學自動化學院B、線缺陷（位錯）

——二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯排（1）刃型位錯

（a)立體模型（b）平面圖刃型位錯示意圖GH

EF2/5/202320北京郵電大學自動化學院ττ位錯運動示意2/5/202321北京郵電大學自動化學院（2）螺型位錯2/5/202322北京郵電大學自動化學院CBAD(b)（a）立體模型；（b）平面圖

螺型位錯示意圖ABCD(a)2/5/202323北京郵電大學自動化學院螺型位錯示意圖2/5/202324北京郵電大學自動化學院螺型位錯示意圖2/5/202325北京郵電大學自動化學院鈦合金中的位錯線2/5/202326北京郵電大學自動化學院c、面缺陷

——一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯排區域晶界、亞晶界等區域：2/5/202327北京郵電大學自動化學院

晶界晶界是兩相鄰晶粒間的過渡界面。由于相鄰晶粒間彼此位向各不相同，故晶界處的原子排列與晶內不同，它們因同時受到相鄰兩側晶粒不同位向的綜合影響，而做無規則排列或近似于兩者取向的折衷位置的排列，這就形成了晶體中的重要的面缺陷。晶界是晶體中的一種重要的缺陷。由于晶界上的原子排列不規則，脫離平衡位置，所以晶界具有較高的能量，使其具有一系列不同于晶粒內部的特征。例如，晶界比晶粒容易被腐蝕，熔點較低；原子沿晶界擴散速度快；在常溫下晶界對金屬的塑性變形起阻礙作用。因此，金屬材料晶粒愈細小，則晶粒愈多，其室溫強度愈高。2/5/202328北京郵電大學自動化學院亞晶界實驗表明，在實際金屬的一個晶粒內部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差異的小晶塊（位向差一般不超過2°）。這些小晶塊稱為亞結構。亞結構之間的界面稱為亞晶界。亞晶界實際上是由一系列的位錯所組成。亞晶界上原子排列也不規則，具有較高的能量，與晶界類似的特征，故細化亞結構，可顯著提高金屬的強度。2/5/202329北京郵電大學自動化學院

晶界示意圖

亞晶界示意圖2/5/202330北京郵電大學自動化學院工業純鐵的晶界2/5/202331北京郵電大學自動化學院五、合金的晶體結構和組織合金相結構相：凡是化學成分相同、晶體結構相同，與其它部分有明顯分界的均勻組成部分。液態物質為液相，固態物質為固相。

固態合金中有兩類基本的相結構，固溶體和金屬化合物。2/5/202332北京郵電大學自動化學院1、固溶體組元通過溶解形成一種成分和性能均勻的，且結構與組元之一相同的固相稱為固溶體A（B）。A：溶劑B：溶質。固溶體用α、

?、

γ等符號表示?！獰o序固溶體——有序固溶體分布有序度——無限固溶體——有限固溶體溶解度原子半徑較小間隙固溶體晶格類型相同,原子半徑相差不大,電化學性質相近置換固溶體溶質原子的位置2/5/202333北京郵電大學自動化學院置換固溶體

溶劑原子溶質原子置換固溶體示意圖固溶體中溶質原子引起的晶格畸變示意圖（a）正畸變（b）負畸變(a)(b)2/5/202334北京郵電大學自動化學院當溶質與溶劑原子半徑的比值rb/ra＜0.59時，形成間隙固溶體。溶質原子填充到溶劑晶格的間隙中形成間隙固溶體，如圖所示。形成間隙固溶體的溶質原子通常都是一些原子半徑小的非金屬元素，如氫（0.046nm）、氧（0.061nm）、氮（0.071nm）、碳（0.077nm）、硼（0.097nm），溶劑則大多數是過渡族元素。

溶劑原子溶質原子間隙固溶體示意圖間隙固溶體2/5/202335北京郵電大學自動化學院固溶強化

由于溶質原子溶入溶劑晶格產生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韌性沒有明顯降低。溶質原子溶入→晶格畸變→位錯遠動阻力上升→金屬塑性變形困難→強度、硬度升高。2/5/202336北京郵電大學自動化學院2、金屬化合物在合金中，溶質原子濃度超過固溶體的固溶極限時，將會形成一種晶格結構，特性完全不同于任一組元的新相，因其具有金屬性質，稱之為金屬化合物。由于它們常處在相圖的中間位置，所以又被稱為中間相。中間相分為正常價化合物、電子化合物和間隙化合物三種。2/5/202337北京郵電大學自動化學院（1）正常價化合物正常價化合物就是符合原子價規律的，受電負性控制的一種金屬化合物。如MnS、MgS、Mg2Si等。正常價化合物的熔點，硬度及脆性均較高。

2/5/202338北京郵電大學自動化學院（2）電子化合物

電子化合物通常是IB族或過渡族元素與ⅡB、ⅢA、ⅣA和ⅤA族元素所組成，它們不遵守化合價規律而是按照一定電子濃度比值（化合物中價電子數與原子數之比）形成金屬間化合物。電子濃度不同，晶體結構類型也不同。主要以金屬鍵結合，具有明顯的金屬特性，熔點和硬度較高，塑性較差。2/5/202339北京郵電大學自動化學院（3）間隙化合物間隙化合物主要是過渡族金屬元素和碳、氮等原子半徑較小的非金屬元素所形成的化合物。分為間隙相和復雜結構的間隙化合物。參見課本表1-2.間隙化合物Fe3C（滲碳體）VC2/5/202340北京郵電大學自動化學院二、工程材料的性能1.

使用性能：物理、化學、力學性能；

2.

工藝性能：鑄造、鍛、焊、切削等?！碚鞑牧显诮o定外界條件下的行為材料的性能2/5/202341北京郵電大學自動化學院（1）材料的強度

（2）塑性工程材料的力學性能2/5/202342北京郵電大學自動化學院（3）硬度抵抗外物壓入的能力，稱為硬度―綜合性能指標。1．布氏硬度HB試驗最初由瑞典工程師

JohanAugustBrinell（1849年-1925年）于1900年提出。布氏硬度是第一個被廣泛用于工程學及冶金學的標準化硬度試驗。此試驗方法因壓痕較大和對待測材料損傷明顯，應用受到一定限制。布氏硬度試驗一般采用直徑10毫米的球形鋼壓頭，用一定的負荷（試驗力）壓入被測材料表面。常見的試驗力可高達3,000千克力(29千牛頓)；對于軟的材料則可用較小的負荷。如果試驗材料很硬，則以碳化鎢球壓頭代替鋼壓頭。保持負荷一定時間后，卸除試驗力，測量材料表面留下的壓痕之直徑。2/5/202343北京郵電大學自動化學院適用于未經淬火的鋼、鑄鐵、有色金屬或質地輕軟的軸承合金。

P=負荷(千克力)D=壓頭直徑(毫米)d=壓痕直徑(毫米)200HBS10/1000/30硬度值為200，鋼球壓頭，直徑是10mm，在1000Kg力下保持30秒HBW（使用硬質合金球）2/5/202344北京郵電大學自動化學院2．洛氏硬度（金剛石壓頭或鋼球壓頭）

洛氏硬度試驗是簡便、迅速的硬度測試方法。洛氏硬度試驗方法廣泛應用于生產制造、科學研究的各個領域。洛氏硬度試驗是用標準型壓頭在先后兩次對被試材料表面施加試驗力（初試驗力F0與總試驗力F0+F1），在試驗力的作用下壓頭壓入試樣表面。在總試驗力保持一定時間后，卸除主試驗力F1，保留初始試驗力F0的情況下測量壓入深度，以總試驗力下壓入深度與在初試驗力下的壓入深度之差（即所謂的殘余壓入深度）來表征硬度的高低，殘余壓入深度值越大，硬度值越低，反之亦然。2/5/202345北京郵電大學自動化學院洛氏硬度常用標尺有：B、C、A三種①HRB標尺用于測試各種退火鋼、正火鋼、軟鋼、部分不銹鋼及較硬的銅合金。②HRC標尺用于測試淬火鋼、回火鋼、調質鋼和部分不銹鋼。這是金屬加工行業應用最多的硬度試驗方法。③HRA標尺盡管也可用于大多數黑色金屬，但是實際應用上一般只限于測試硬質合金和薄硬鋼帶材料。2/5/202346北京郵電大學自動化學院3、維氏硬度HV

英文詞條名：Vick