1、第二章 材料的结构,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。原子的结合方式：原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。原子的排列方式：就是指物质内部原子在空间的分布及排列规律。,第一节 晶体结构的基本概念,一、晶体与非晶体晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。,雪花晶体,石蜡、橡胶,二、晶格与晶胞,1、晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。,2、晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元
2、。3、晶格常数：晶胞三个棱边的尺寸 a、b、c。各棱间的夹角用、表示。4、晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，=90六方晶系：a1=a2=a3 c，=90，=120,晶系与布拉菲点阵（Crystal System and Bravais Lattice） 七个晶系，14个布拉菲点阵,底心单斜,简单三斜,简单单斜,底心正交,简单正交,面心正交,体心正交,简单菱方,简单六方,简单四方,体心四方,简单立方,体心立方,面心立方,5、原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。6、晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。7、
3、配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。8、致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。,三、晶向指数和晶面指数（Miller Indices of Crystallographic Direction and Planes）1阵点坐标,求法：1） 确定坐标系2） 过坐标原点，作直线与待求晶向平行；3） 在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（x，y，z）， 若某一坐标值为负，则在其上加一负号。4） 将此值化成最小整数u，v，w并加以方括号u v w即是。（代表一组互相平行，方向一致的晶向）,2. 晶向指数（Orientation index）,求法：1） 在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原
4、点o，三棱边为三坐标轴x，y，z2） 以棱边长a为单位，量出待定晶面在三个坐标轴上的截距。若某一截距为负，则在其上加一负号。3） 取截距之倒数，并化为最小整数h，k，l并加以圆括号（h k l）即是。,3.晶面指数（Indices of Crystallographic Plane）,第三节 金属的结构,一、金属的晶态结构常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。,1、体心立方晶格,体心立方晶格,原子个数：2配位数： 8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等,晶格常数：a(a=b=c),原子半径：,2、面心立方晶格,原子个数：4
5、配位数： 12致密度：0.74常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等,晶格常数：a,面心立方晶格,3、 密排六方晶格,原子个数：6配位数： 12致密度：0.74常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等,晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633,密排六方晶格,二、实际金属的晶体结构,1、单晶体与多晶体单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体：晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。,晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。,2、晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在
6、着大量的晶体缺陷，按几何特征可分三类，即点、线、面缺陷。（1） 点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷。,a. 空位：晶格中某些缺排原子的空结点。b. 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。c. 置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,（2）线缺陷晶体中的位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移,区的交界线称作位错。分为刃型位错和螺型位错。,刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个
7、多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ”表示。,(a) HRTEM micrograph of tensile austenite Fe-30wt.%Ni alloy with 40% percentage elongation and (b) Fourier filtered form of the part marked by the white frame 1,1 Wei Li, et al., J. Alloy Compd., 2009,474, 546-550,(a) HRTEM micrograph of
8、nanocrystalline Fe-30wt.%Ni alloy after SMAT for 60min and (b) Fourier filtered form of the part marked by the white frame 1,1 Wei Li, et al., J. Alloy Compd., 2009,474, 546-550,位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。 = S/V(cm/cm3或1/cm2)金属的位错密度为104-1012/cm2位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。,金属强度与位错密度的关系,（3）面缺陷晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为510个原子间距，位向差一般为2040。,亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。,晶界的特点： 原子排列不规则。 熔点低。 耐蚀性差。 易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。 阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。,显微组织的显示,
