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1、机械工程材料机械工程材料 第二章 材料的结构2.1 原子的结合方式v2.1.1 离子键离子键v2.1.2 共价键共价键v2.1.3 金属键金属键v2.1.4 分子键分子键2.2 2.2 晶体结构的基本概念晶体结构的基本概念 2.2.12.2.1晶体与非晶体晶体与非晶体 固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列几何规律作周期性地排列 。非晶体中原子（或分子）。非晶体中原子（或分子）则是无规则的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）则是无规则
2、的堆积在一起。（如松香、玻璃、沥青）2.2.2 2.2.2 晶格晶格 为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几个结点上，这种抽象的、用于描的中心就处在格架的几个结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称晶格。2.2.32.2.3晶胞晶胞 由于晶体中原子有规则排列且有周
3、期性的特点，由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为了便于讨论为了便于讨论 通常只从晶格中，选取一个能够完全反通常只从晶格中，选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞 ，整个晶，整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。复堆积而成的。2.2.4 2.2.4 晶格常数晶格常数 晶面晶面 晶向晶向 在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿
4、其三条棱边作三个坐标轴其三条棱边作三个坐标轴X X、Y Y、Z Z，并称之为晶轴，而并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以棱边长度为反方向，并以棱边长度 和棱面夹角和棱面夹角 来表示晶胞的形状和大小来表示晶胞的形状和大小 。cb、ar、1.晶面指数v晶面：晶体中各方位上的原子面。（111）（110）（221）2、晶向指数v晶向：晶体中各方向上的原子列。二、金属中常见的晶格类型二、金属中常见的晶格类型 由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属
5、于以下三种晶格类型。列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。1、体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中心和八个角上各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻心和八个角上各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有1 18 8个原个原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为子数为8 81 18 81 12 2（个）。具有体心立方晶格的金（个）。具有体心立方晶格的金属有属有 、等。等。致密度：致密度：68%68%eF
6、arC 2、面心立方晶格 面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为8 81 18 86 61 12 24 4（个）。（个）。致密度：致密度：74%74%具有面心立方晶格的金属有具有面心立方晶格的金属有 、等。等。eFr Al 3、密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个
7、呈长方形的侧面密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，有六个呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数表示。和两个呈六边形的底面所组成。因此，要用两个晶格常数表示。一个是柱体的高度一个是柱体的高度c c，另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角另一个是六边形的边长，在晶胞的每个角上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三上和上、下底面的中心都排列一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子。个原子。密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞下底面中心的原子
8、为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞独有。所以，密排六方晶胞中原子数为独有。所以，密排六方晶胞中原子数为12121 16 62 21 12 23 36 6（个）。具有密排六方晶格的金属有（个）。具有密排六方晶格的金属有Mg Mg、Zn Zn。致密度：致密度：74%74%（四）、晶体结构的致密度致密度 晶体结构的晶体结构的致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比，可用来原子排列的紧密程度进行定量比较。比，可用来原子排列的紧密程度进行定量比较。在体心立方晶胞中，含有在体心立方晶胞中，含有2 2个原子。这个原子。这2 2个原子的体积为个原子的体积为2 2（
9、4 43 3）rr3 3，式中式中r r为原子半径为原子半径 。故体心立方晶格的致密度为：故体心立方晶格的致密度为：2 2个原子的体积与晶胞体积之比等于个原子的体积与晶胞体积之比等于0.680.68。这表明在体心立方晶格中，有这表明在体心立方晶格中，有6868的体积被所占据，其余为空的体积被所占据，其余为空隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为隙。同理亦可求出面心立方及密排立方晶格的致密度为0.740.74。显。显然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，当铁由面心立然，致密度数值越大，则原子排列越紧密。所以，当铁由面心立方晶格变为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀方晶格变
10、为体心立方晶格时，由于致密度减小而使体积膨胀。第二节、合金的晶体结构第二节、合金的晶体结构（一）、合金合金的基本概念 由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质，称为元素组成的具有金属特性的物质，称为合金合金。组组成合金的最基本的、独立的物质叫做成合金的最基本的、独立的物质叫做组元组元。组元通常。组元通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。根据组成合金是纯元素，但也可以是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。和多元合金。合金中，具有
11、同一化学成分且结构相同的均匀部分合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做叫做相相。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、形态、性能和各相的组合情况形态、性能和各相的组合情况组织组织所决定的。所决定的。（二）、合金的相结构 由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可由于组元间相互作
12、用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。分为固溶体和金属化合物两大类。1、固溶体由两种组元相互溶解后所组成的新的物质仍然保持其中由两种组元相互溶解后所组成的新的物质仍然保持其中某一组元的晶体结构某一组元的晶体结构-固溶体固溶体 v置换固溶体：置换固溶体：A组元的原子取代了组元的原子取代了B组元的原子。组元的原子。v 当当A、B两个组元的原子直两个组元的原子直径相差不大时，两个组元可以以径相差不大时，两个组元可以以任何比例溶解，形成任何比例溶解，形成无限固溶体无限固溶体，反之则为反之则为有限固溶体有限固溶体。不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶不管溶质原子处于溶剂原子的间
13、隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为度升高的现象，称为固溶强化固溶强化。固溶体中的晶格畸变示意图 a)间隙固溶体 b)置换固溶体 固溶强化固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料表明，适当控制固溶体中的溶质含量，可以在
14、显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。2、金属化合物 金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全不金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。钢中渗碳体（同，一般可用化学分子式表示。钢中渗碳体（FeFe3 3C C）是由铁原子是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶格形式。和碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶格形式。金属化合物的性
15、能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为弥散强化弥散强化。金属化合物。金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。合金的重要组成相。绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的混合绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的混合物，其性质取决于固溶体与金
16、属化合物的数量、大小、形态和分物，其性质取决于固溶体与金属化合物的数量、大小、形态和分布状况。布状况。第三节、实际金属的晶体结构第三节、实际金属的晶体结构 一、金属材料都是多晶体一、金属材料都是多晶体 我们把晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。单晶体只我们把晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。单晶体只有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用的金属材料，由有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺于受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。这些小晶体就是晶粒，它们之间的交界即为体构成。这些小晶体就是晶粒，它们之间的交界即为晶界。在一个晶粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸在一个晶粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为亚晶
