第一章 金属与合金的晶体结构
为什么要研究金属的晶体结构？ 使用、改善、发展金属材料（性能）??
?内部结构
化学成分.21.
内部结构—决定金属材料性能的重要因素
在固态下，金属与合金是晶体结构：1. 晶体中原子是如何相互作用的？ 2. 原子排列方式和分布规律 3. 各种晶体的特点及差异
1.1 金属原子间的结合
金属的定义
1. 传统的定义：是具有良好的导电性、导热性、延展性（塑性）、金属光泽的物质。
2. 严格的定义：是具有正电阻温度系数的物质。
一、金属原子的结构特点
1. 最外层电子数少，外层原子与原子核结合弱，易脱离原子核的束缚而变成自由电子。
2. 在次外层尚未填满电子的情况下，最外层就先填充电子了，在原子彼此相互结合时，次外层电子与最外层电子同时参与结合。
二、金属键
化学键：在分子和固体中原子间的强烈的相互吸引作用。 1. 共价键，2. 离子键，3. 金属键 1.共价键
当两个原子相互靠近，原子的某些电子的波函数（原子轨道）彼此发生重迭，将引起两个原子之间的强烈的相互吸引作用。
2.离子键
若分子和固体的组成单元不是电中性的原子，而是带正电或负电荷的正负离子，此时通过正负离子的相间排列，每个离子都与最近邻的异性离子彼此产生库仑吸引作用。这种正负离子之间强烈的静电库仑吸引作用就是离子键。例：NaCl 3.金属键
当晶体内各组成原子的外层价电子全部或部分地发生离开原来的原子而在整个晶体中运动时，
整个晶体就可以看作是由许多的正离子浸泡在由公有化电子形成的负电子云的海洋之中构成的。在晶体内负电子云和正离子实之间存在的这种库仑相互作用就是金属键。
三种化学键的关系：
三种化学键是对实际分子和固体中原子间相互作用的极端情况的描述。在实际的分子和固体中，大多数情况下，原子间的相互作用是介于这些极端的相互作用之间的相互作用。
金属键的本质可以解释固态金属的一些特性：
1.导电性：自由电子沿着电场方向定向运动
2.导热性：自由电子运动和正离子振动
3.正电阻温度系数：温度升高，正离子或原子本身运动幅度加大，阻碍电子通过
4.金属光泽：自由电子易吸收可见光能量而升到较高能级，当它跳回原来能级时，辐射可见光能
5.延展性：金属键没有方向性和饱和性，金属两部分发生相对位移时，金属的正离子始终被包围在电子云中而保持着金属键的结合，金属能经受变形而不断裂。
三、结合力与结合能
可以说明金属中原子以什么样的方式，按怎样的规则，紧密的排列。
图1.2双原子模型
1.固态金属中两个原子之间相互作用力包括：
1）正离子与周围自由电子间的吸引→吸引力
2）正离子与正离子之间的排斥力
3）电子与电子之间的排斥力
两个原子之间的结合力为吸引力与排斥力的代数和
2.吸引力与排斥力
吸引力：是一种长程力→两个原子间距较大时，吸引力大于排斥力，两个原子自动靠近
排斥力：是一种短程力→两个原子愈靠近，排斥力愈大
吸引力=排斥力，两个原子即不靠近，也不远离，距离为d0，结合力为零。
3.平衡位置d0
原子既不会自动靠近，也不会自动离开，原子要离开平衡位置，要么受吸引力，要么受排斥力，促使其回到平衡位置。
4. 原子间的最大结合力→不是出现在平衡位置，而是在d c位置上
原子结合力曲线上d c所对应的最大结合力
5. 结合能
首先肯定一点：原子形成集团时比分散孤立的原子更稳定，稳定：势能低，不稳定：势能高
吸引力使原子靠近，原子势能降低，因此吸引能为负值
排斥力使原子远离，原子势能升高，因此排斥能为正值
结合能=排斥能+吸引能
图1.2
当原子移至平衡距离d0时，其结合能达到最低值，此时原子的势能最低，最稳定。
E AB：称为原子间的结合能或键能
通过以上的研究可以解释如下的问题：
1）固态金属中的原子趋于规则排列：当大量金属原子结合成固体时，为使体系能量最低，以保持其稳定，原子间必须保持一定的平衡距离。
2）固态金属中的原子总是自发地趋于紧密排列：原子周围最近邻的原子数越多，原子间的结合能越低（因为结合能是负值），把某个原子从平衡位置拿走，克服周围原子对它的作用力所需做的功越大。
1.2 金属的晶体结构
金属中的原子不是杂乱无章的，而是在三维空间中作有规则的周期性重复排列，是原子间结合力和结合能所要求的。排列方式不同，性能不同，因此要研究金属的晶体结构。
一、晶体与非晶体
晶体的特性是相对于非晶体而言的。
1. 晶体与非晶体的区别：不在外形，而在于内部原子排列情况
晶体：原子按一定的规律周期性的重复排列
非晶体：原子散乱分布，至多有些局部有一些短程规则排列
2. 晶体特性
1）有一定熔点：固态向液态转变的临界温度
2）有各向异性：不同方向上性能有或大或小的差异
晶体与非晶体有本质区别，但在一定条件下是可以相互转化的
例：玻璃→经过长时间高温加热→晶态玻璃
液态金属→极快冷却→非晶态金属
二、晶体结构与空间点阵
图1.3 晶体结构：是指晶体中原子(或离子、分子、原子集团)的具体排列情况，也就是晶体中的
这些质点(原子、离子、分子、原子集团)在三维空间有规律的周期性的重复排列方式。 阵点（结点）：为清楚表明物质质点在空间排列的规律性而将构成晶体的实际质点抽象成的纯粹的几何点。
晶格：用以描述晶体中原子（离子或分子）排列规律的空间格架。 晶胞：空间点阵中能够完全反映晶格特征的最小几何单元。 晶格常数（点阵常数）：晶胞棱边的长度。
空间点阵：阵点有规则地周期性重复排列所形成的空间几何图。
三、三种典型的金属晶体结构
根据晶胞3个晶格常数和3个轴间夹角相互关系将晶体空间点阵分成14种类型，归属7个晶系。 表1.1
金属及合金的晶体结构比较简单，其中最典型、最常见的金属晶体结构有3种类型：体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。 1. 体心立方晶格（A 2或bcc 表示） 图1.5
1）特点：三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90°，立方体八个角上各有1个原子，立方体中心有1个原子。
具有体心立方结构的金属：α-Fe 、Cr 、V 、Nb 、Mo 、W 等30多种。 2）原子半径
体心立方晶胞中，原子沿立方体体对角线紧密地接触着，如图1.5(a)
a r 4
3
=
体 3）原子数
n 体=8×1/8+1=2，如图1.5(c)所示。
4）配位数和致密度--用以描述晶胞中原子排列的紧密程度
① 配位数：指晶体结构中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目。 配位数越大，晶体中原子排列便越紧密。
8=配位数体n
② 致密度：晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比表示。
晶胞
原子V nV K =
式中：K 为晶体的致密度；n 为一个晶胞实际包含的原子数；V 原子为一个原子的体积；V 晶胞为晶
胞的体积。
体心立方晶胞(晶格常数为a)： n 体=8×1/8+1=2 V 原子=3
34
体r π=34
334）（
a π 3a V =体
68.0433423
3≈π?=
=
a
a V V n K ）（晶胞
原子体体 体心立方晶格中有68％的体积为原子所占据，其余32％为间隙体积。 2、面心立方晶格（A 1或fcc 表示） 图1.6
1）特点：晶胞三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90°，立方体八个角上各有1个原子，六个面中心各有1个原。
具有面心立方结构的金属：γ-Fe 、Cu 、Ni 、A1、Ag 等约20种。 2）原子半径
a r 4
2=
面 3）原子数 n 面=81
×8+
2
1×6＝4
图1.6(c)
4）配位数和致密度 ① 配位数
12=配位数面n
图1.7 ② 致密度
74.0423443
3
≈π?=
=
a
a V V n K ）（晶胞
原子面面 3、密排六方晶格（A 3或hcp 表示） 图1.8所示
1）特点：晶胞12个角上各有1个原子，构成六方柱体，上底面和下底面的中心各有1个原子，晶胞内z 轴1/2高度有3个原子。
具有密徘六方晶格的金属：Zn 、Mg 、Be 、α-Ti 、α-Co 、Cd 等。 2）原子数
n 密=1/6×12十1/2×2十3＝6 3）原子半径
2
a r =
密 4）配位数
12=配位数密n
图1.9 5）轴比c/a
a ：正六边形的边长，c ：上、下两底面之间的距离c 。 理想轴比：c/a=
3
8
≈1.633。 实际轴比：c/a=1.57~1.64。 6）致密度
74.038
233234
623≈π?=
=
a a a V V n K ）（晶胞
原子密密 密排六方晶格的配位数和致密度均与面心立力晶格相同，说明这两种晶格晶胞中原子的紧密排列程度相同。
面心立方晶格和密排六方晶格均属于最紧密排列的晶格。为什么两者的晶体结构不同而却会有相同的密排程序呢?为了回答这一问题，需要了解晶体中的原子准垛方式。 4、晶体中的原子堆垛方式和间隙 1）晶体中的原子堆垛方式
晶体配位数以12为最大，致密度以0.74为最高。 密排面：原子最紧密排列的平面 密排六方晶格的密排面--底面，图1.10 面心立方晶格的密排面—对角面，图1.13 体心立方晶格的密排面—斜对角面，图1.14
ABAB …堆垛方式：图1.11、图1.12---构成密排六方晶格
ABCABCABC …堆垛方式：图1.11、图1.13---构成面心立方晶格 体心立方晶格原子的堆垛方式：ABABAB …图1.14 2）晶体中的间隙
间隙对金属的性能以及形成合金后的晶体结构等都有重要影响 （1）体心立方晶格间隙：八面体间隙与四面体间隙。如图1.15所示。
八面体间隙--1.15a ：由6个原子围成的扁八面体间隙，4个角上的原子中心至间隙中心的距离为
a 22，上下顶点原子中心至间隙中心的距离为2
a 。 a a a r 067.04
32
1≈-
=
八面体间隙体
间隙半径为：顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径：2
1
a-43a ≈0.067a 。 间隙位置：立方体各面的中心和棱边的中点处。
四面体间隙—图1.15b ：由4个原子所围成的不对称的四面体间隙，4个原子中心至间隙中心的距离皆为
a 45
。 a a a r 126.04
345≈-
=
四面体间隙
体
间隙位置：每个面上均有4个四面体间隙位置。
（2）面心立方晶格间隙：八面体间隙和四面体间隙，图1.16。 八面体间隙：图1.16a ，由6个原子围成的正八面体间隙
a a a r 146.04
22
1≈-
=
八面体间隙面
间隙位置：体心及棱边中心
四面体间隙：图1.16b ，由4个原子围成的正四面体间隙
a a a r 06.04
24
3≈-
=
四面体间隙面
（3）密排六方晶格间隙：八面体间隙和四面体间隙，图1.17所示。
形状与面心立方晶格的完全相似，当原子半径相等时，间隙大小完全相等，只是间隙中心在晶胞中的位置不同。
四、晶向指数和晶面指数
晶面：晶体中由一系列原子所组成的平面。
晶向：任意两个原子之间连线所指的方向。
晶面指数和晶向指数---为了便于研究和表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的位向．
1）晶向指数
晶向指数的确定步骤如下：
①以晶胞的三个棱边为坐标轴x、y、z，以棱边长度作为坐标轴的长度单位；
②从坐标原点引一有向直线平行于待定晶向；
③在所引有向直线上任取一点，求出该点在x、y、z 上的坐标值；
④将三个坐标值按比例化为最小简单整数，依次写入方括引[ ]中；
⑤通常以[u v w]表示晶向指数的普遍形式，若晶向指向坐标为负方向时，则坐标值中出现负值，这时在晶向指数的这一数字之上冠以负号。
例：图1.18AB方向的晶向[110]。
所有相互平行的晶向，都具有相同的晶向指数。换句话：晶向指数所表示的不仅仅是一条直线的位向，而是一族平行线的位向。
立方晶胞中一些常用的晶向指数，图1.19。
同一直线有相反的两个方向，其晶向指数的数字和顺序完全相同，只是符号相反，相当于用-1乘晶向指数中的三个数字．如[123]与[] 方向相反，[10] 与[20] 方向相反等等。
晶向族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶向，用表示。
例：立方晶系中，[100]、[010]、[001]以及方向与之相反的[100]、[010]、[001]共六个晶向上的原子排列完全相同，只是空间位向不同，属于同一晶向族，用<100>表示。同样<110>晶向族包括[110]、[101]、[011]、[110]、[101]、[011]以及方向与之相反的晶向[110]、[101]、[011]、[110]、[101]、[011]共12个晶向。<111>晶向族包括[111]、[111]、[111]、[111]以及[111]、[111]、[111]、[111]共8个晶向。
只有对于立方结构的晶体，改变晶向指数的顺序，所表示的晶向上的原子排列情况才完全相同，这种方法对于其它结构的晶体则不一定适用。
2）晶面指数
晶面指数的确定步骤如下：
①以晶胞的三条相互垂直的棱边为参考坐标轴x、y、z，坐标原点O应位于待定晶面之外，以免出现零截距；
②以棱边长度为度量单位，求出待定晶面在各轴上的截距；
③取各截距的倒数，并化为最小简单整数，放在圆括号（）内。
晶面指数的一般表示形式为(h k l)。如果所求晶面在坐标轴上的截距为负值，则在相应的指数上
加一负号，如(h k l)、(h k l)等。
例：图1.20中的晶面(122)。
如晶面与坐标轴平行，认为在该轴上的截距为∞，其倒数为0。
例：图1.21的晶面指数(100)、(110)。
所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。当两个晶面指数的数字和顺序完全相同而符号相反时，则这两个晶面相互平行，它相当于用-1乘以某一晶面指数中的各个数字，例如(100)晶面平行于(100)晶面，(111)与(111)平行等。
晶面族：原子排列情况完全相同但空间位向不同的所有晶面，用｛h k l｝表示。
例：立方晶系中
｛100｝=（100）+（010）+（001）
｛111｝=（111）+（11）+（11）+（11）
｛110｝=（110）+（101）+（011）（110）+（101）+（011）
在立方晶系中，｛hkl｝晶面族所包括的晶面可以用h、k、l数字的排列组合方法求出，但这一方法不适用于非立方晶系的晶体。
立方晶体结构中晶向指数与晶面指数的关系：
1）[uvw]//(hkl)时，uh+vk+wl=0
2）[uvw]⊥(hkl)时，u=h，v=k，w=l
3）六方晶格的晶向指数和晶面指数
图1.22
三坐标轴标定法：a1轴a2轴夹角为120°，c⊥a1，c⊥a2。
结果：六个等同柱面指数分别为(100)、(010)、(110)、(100)、(010)、(110)。同一类型的晶面，其指数不同。
四坐标轴标定法：以a1、a2、a3及c为四个坐标轴，a1、a2、a3之间的夹角均为120°，晶面指数以(hkil)四个指数来表示。结果：六个等同柱面指数分别为( 1 010 ) ( 0 110 ) (11 0 0 ) (10 1 0 ) (0 1 0 ) (10 0 )，这六个晶面可归并为｛100｝晶面族。
上底面：（0001）
采用这种标定方法，等同的晶面就可以从指数上反映出来。
四坐标轴标定法指数之间的关系：i=－(h+k) h+k+i=0
六方晶系的晶向指数：既可用三个坐标轴标定，也可以用四个坐标轴标定。
三坐标轴标定：
-a3方向的晶向指数：-a3的坐标值为1,1,0；过-a3做a1、a2的平行线，得到坐标值，晶向指数即为【110】
四坐标轴标定：
-a3方向的晶向指数：-a3的坐标值为1/2，1/2，-1，0；简化为最小简单整数1，1，-2，0；晶向指数即为[1 120]
c轴方向的晶向指数：[0 0 0 1]
a1轴方向的晶向指数：坐标值为1，-1/2，-1/2，0；晶向指数即为[21 1 0]
晶向指数[u v t w]有如下关系：t=－(u+v)，u+ v+ t=0
五、晶带、共带面、晶带轴
平行于或相交于同一直线的一组晶面组成一个晶带，这一组晶面叫做共带面，而该直线(用晶向指数表示)叫做晶带轴。
图1.24
图中(010)、(110)、(120)、(010)、晶面都属于一个晶带，其晶带轴为[001]
同一晶带中各共带面的法线均与晶带轴垂直。
在立方晶系中，晶向指数与晶面指数的数字和顺序相同时，该晶向即垂直该晶面，即该晶向就是该晶面的法线方向。因为同一晶带的各组晶面均平行于同一晶向，故共带面中各面的法线必定都垂直于晶带轴，而处于同一平面上。图1.23。
如果晶带轴的指数为[uvw]，共带面中任一晶面的指数为(hkl)，则有如下关系：
hu+kv+lw＝0
[001]与(010) 0×0+0×1+1×0＝0
[001]与(120) 0×1+0×2+1×0＝0
同一晶带中2个非平行的晶面的晶面指数为(h1k1l1)与(h2k2l2)，则其晶带轴的指数[uvw]可求
h1u+k1v+l1w＝0
h2u+k2v+l2w＝0
写成矩阵形式
???
???=????
?
???????????0022
2
111w v u l k h l k h ??
?
??-=-=-=122112211
221k
h k h w h l h l v l k l k u 解法 u
v
w
h 1 k 1 l 1 h 1 k 1 l 1 h 2
k 2
l 2
h 2
k 2
l 2
六、晶体的各向异性---是晶体的一个重要特性，是区别于非晶体的一个重要标志 晶体具有各向异性的原因：在不同晶向上的原子排列紧密程度不同所致。
原子的紧密程度不同，意味着原子之间的距离不同．从而导致原子之间的结合力不同，使晶体在不同晶向上的物理、化学和机械性能不同。从而使晶体在不同晶向上：物理、化学、机械等性能不同，进而弹性模量、断裂抗力、屈服强度、电阻率、磁导率、线膨胀系数、在酸中的溶解速度等出现明显差异。
一般金属材料不显各向异性的原因： 图1.25纯铁的显微组织， 图1.26纯铜的显微组织，
图1.27多晶体金属中晶粒位向示意图。
原因在于一般金属材料都是多晶体，显微组织由很多晶粒组成，虽然每个晶粒是由大量位向相同的晶胞组成，而晶粒与晶粒之间存在着位向上的差别，各向异性因而互相抵消，整个晶体表现为伪等向性。
七、多晶型性
大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如re 、Mn 、T1、co 等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。
多晶型转变或同素异构转变：当外部条件(如温度和压强)改变时，金属内部由一种晶体结构向另
一种晶体结构的转变。 图1.28纯铁加热时的膨胀曲线
体心α-Fe ??→??C 912面心γ-Fe ??→??C
1394体心δ-Fe ???→??熔点C 1538
液态 由于γ-Fe 面心比体心α-Fe 致密度大，所以在912℃出现体积减小。
§1.3 实际金属的晶体结构
晶体缺陷：实际金属材料中存在的原子偏离规则排列的不完整性区域。
晶体缺陷虽很少（至多千分之一），对金属及合金的性能影响重大，影响强度、塑性，还影响扩散、相变、塑性变形、再结晶、电阻。 根据几何形态特征，晶体缺陷可分为三类：
①点缺陷：三个方向上的尺寸都很小，相当于原子尺寸
②线缺陷：在两个方向的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大 ③面缺陷：在一个方向上的尺寸很小．另外两个方向上的尺寸相对很大 一、点缺陷
常见的点缺陷有三种：空位、间隙原子和置换原子，如图 1.37所示。 1. 空位
空位出现的原因：能量起伏 能量起伏：
在任何温度下，金属晶体中的原子都是以其平衡位置为中心不间
断地进行着热振动。原子的振幅大小与温度有关，温度越高，振幅越大。在一定的温度下，每个原子的振动能量并不完全相同，在某一瞬间，某些原子的能量可能高些，其振幅就要大些；而另一些原子的能量可能低些，振幅就要小些。对一个原子来说，这一瞬间能量可能高些，另一瞬间反而可能低些。这种现象称为能量起伏。
在某一温度下的某一瞬间，总有一些原子具有足够高的能量，以克服周围原子对它的约束，脱离开原来的平衡位置迁移到别处，其结果，即在原位置上出现了空结点，这就是空位。 脱离平衡位置的原子的去处：
1）迁移到晶体的表面上----肖脱基空位(见图1.38(a)) 2）迁移到晶格的间隙中---弗兰克尔空位(见图1.38(b)) 3）迁移到其它空位处，使空位变换位置
空位是一种热平衡缺陷，在一定温度下，它有一定的平衡浓度。
温度升高，空位浓度提高。温度降低，则空位的浓度也随之减小。空位的平衡浓度极小的。 空位的位置在晶体中不是固定不变的，而是处于运动、消失和形成的不断变化之中(见图1.39)。一方面，周围原子可以与空位换位，使空位移动一个原子间距，当这种换位不断进行时，就造成空位的运动；另一方面，空位迁移至晶体表面或与间隙原子相遇而消失，但在其它地方又会有新的空位形成。
固态金属中主要形成肖脱基空位。两个、三个或多个空位聚在一起，形成复合空位。
晶格畸变：空位破坏其周围原子原有的相互间的平衡，并使之稍向空位移动而偏离平衡位置，进而在空位的周围造成的一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区。 2. 间隙原子：处于晶格间隙中的原子
间隙原子硬挤入很小的晶格间隙中后，会造成严重的晶格畸变。如钢中的氢、氮、碳、硼等，尽管原子半径很小，但仍比晶格中的间隙大得多，造成的晶格畸变远较空位严重。?压应力场间隙原子是一种热平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度，温度升高，平衡浓度升高。对于异类间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。 3. 置换原子：占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子
置换原子的大小与基体原子不可能完全相同，因此其周围邻近原子也将偏离其平衡位置，造成晶格畸变。
尺寸大的间隙原子?压应力场
尺寸小的间隙原子?拉应力场
置换原子在一定温度下也有一个平衡浓度值。
总结：点缺陷的存在将对金属的性能产生影响，如使屈服强度升高、电阻增大、体积膨胀等。缺陷的存在还将加速金属中的扩散过程，凡与扩散有关的相变、化学热处理、高温下的塑性变形和断裂等，部与空位和间隙原子的存在和运动有着密切的关系 二、线缺陷：晶体中的线缺陷就是各种类型的位错
位错：晶体中某处存在的一列或若干列长度达几百至几万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置发生的有规律的错排现象。
位错是一种极为重要的晶体缺陷，它对于金属的强度、断裂和塑性变形等起着决定性的作用。 最简单、最基本的位错类型：刃型位错、螺型位错 1. 刃型位错
描述：某一原子面在晶体内部中断，犹如额外半原子面插
入晶体中，这个原子平面中断处的边缘就是一个刃型位错。刀口处的原子列称之为刃型位错线。
正刃型位错：额外半原子面位于晶体的上半部的位错线，以符号“┷”表示 负刃型位错：额外半原子面位于晶体的下半部的位错线，以符号“┰”表示 1）刃位错形成的原因 ：（多种）
晶体局部区域滑移是造成刃型位错的原因之一，如图1.41所示。
可以把刃型位错理解为：晶体中已滑移区和未滑移区的边界。 2）位错应力场
位错线周围一有限区域内，因原子偏离平衡位置而产生的弹性应力场。 正刃型位错应力场：
（1）滑移面上边的原子间距变小，晶格受到压应力 （2）晶格下边的原子间距变大，晶格受到拉应力 （3）滑移面上晶格受到的是切应力
位错中心----额外半原于面的边缘处，晶格畸变最大
位错宽度----晶格畸变程度大于其正常原子间距1/4的区域，其值约为3~5个原子间距 位错线长----一般为数百到数万个原子间距 位错是一条具有一定宽度的细长的晶格畸变管道 3）刀型位错的特征： ①有一额外半原子面
②是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道
③位错线与晶体滑移的方向相垂直，位错线运动的方向与滑移方向平行
柯氏气团：刃型位错的应力场可以与间隙原子和置换原子发生弹性交互作用。各种间隙原子及尺寸较大的置换原子，它们的应力场是压应力，与正刃型位错的上半部分的应力相同，二者相互排斥，与下半部分的应力相反，二者相互吸引。这些点缺陷大多易于被吸引而跑到正刃型位错的下半部分，或者负刀型位错的上半部分聚集起来。对于尺寸较小的置换原子来说，则易于聚集于刃型位错的另一半受压应力的地方。所以刃型位错往往总是携带着大量的溶质原子，形成柯氏气团。
柯氏气团使位错的晶格畸变降低，使位错难于运动，造成金属的强化。 2. 螺型位错
描述：在aa '的右侧，晶体的上下两部分相对错动了一个原子间距，在aa '和BC
之间，则发生上下两层相邻原子发生了错
排和不对齐的现象。在这过渡地带的原子被扭曲成了螺旋型。如果从a 开始，按顺时针方向依
次连接此过渡地带的各原子，每旋转一周，aBcde，原子面就沿滑移方向前进一个原子间距，犹
如一个右旋螺纹一样。
螺型位错：位错线附近的原子按螺旋型排列的位错。
根据位错线附近呈螺旋型排列的原子的旋转方向，螺型位错可分为：左螺型位错、右螺型位错螺型位错特征：
①没有额外半原子面；
②是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，有切应变，无正应变；
③位错线与滑移方向平行，位错线运动的方向与位错线垂直
3. 柏氏矢量
是一个既能表示位错的性质，又可以表示晶格畸变的大小和方向的矢量
提出柏氏矢量的原因：不用关心位错区域内原子排列的具体细节，一看柏
氏矢量，就知道是什么类型的位错。
1）刃型位错确定柏氏矢量的方法：
一原子M出发，以至相邻原子为一步，沿逆时针方向环绕位错
线作一闭合柏氏回路。
②在完整晶体中，以同样的方向和步数作相同的回路，终点为
Q，始点为M，由于步数相同，此回路不能封闭。
③由完整晶体的回路终点Q到始点M引一矢量b，使该回路闭
合，这个矢量b即为这条位错线的柏氏矢量。
2）刃型位错正负与柏氏矢量和位错线方向之间的关Array系：
通常先人为的规定位错线的方向：规定指出“纸面”方
向为位错线方向。
刃型位错正负与柏氏矢量和位错线方向符合右手规
则。
3）螺型位错柏氏矢量确定的方法：
与刃型位错相同柏氏矢量方向与位错线方向相同的为右螺型位错柏氏矢量方向与位错线方向相
反的为左螺型位错
4）柏氏矢量的重要特性
①可以判断位错的类型。
不需要再去分析晶体中是否存在额外半原子面等原子排列的具体细节。如：位错线与柏氏矢量
垂直，就是刃型位错；位错线与柏氏矢量平行，就是螺型位错。 ②反映位错引起的晶格畸变大小。
用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量的大小。柏氏矢量b 越大，晶格畸变越严重。位错周围的所有原子，都不同程度地偏离其平衡位置，位错中心的原子偏移量最大，离位错中心越远的原子，偏移量越小。通过柏氏回路将这些畸变叠加起来，畸变总量的大小即可由柏氏矢量表示出来。显然，柏氏矢量越大．位错周围的晶格畸变越严重。 ③表示晶体滑移的方向和大小。
已知位错线是晶体在滑移面上已滑移区和未滑移区的边界线，位错线运动时扫过滑移面，晶体即发生滑移，其滑移量的大小即柏氏矢量b ，滑移的方向即柏氏矢量的方向。 ④恒定不变的，与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关。 回路沿位错线任意移动或任意扩大，都不会影响柏氏矢量。 ⑤刃型位错线和柏氏矢量垂直，螺型位错线与柏氏矢量平行。
滑移面：包含位错线和其柏氏矢量的平面刃型位错的滑移面只有一个。螺型位错的滑移面是不定的，它可以在更多的滑移面上进行滑移。 5）混合型位错
描述：柏氏矢量与位错线既不平行又不垂直而是交成任意角度的位错
在实际晶体中，位错线一般是弯曲的，柏氏矢量与位错线既不平行又不垂直而是交成任意角度，是刃型和螺型的混合类型
晶体的右上角在外力的作用下发生切变时，其滑移面上
ACB 的上层原子相对于下层原子移动了一段距离(其大小等于b)之后，就出现了已滑移区与未滑移区的边界线AC ，这条边界线就是一条位错线。若它的柏氏矢量为b ，那么可以看出，位错线上的不同线段与柏氏矢量具有不同交角
在A 点附近，位错线与柏氏矢量平行，所以是螺型位错，C 点附近与柏氏矢量垂直，所以是刃型位错，其余部分与怕氏矢量斜交，因而是混合型位错。它可以分解为刃型位错分量和螺型位错分量，它们分别具有刃型位错和螺型位错的特征。 4.位错密度
应用一些物理的和化学的实验方法可以将晶体中的位错显示出来。 位错附近的能量较高，位错在晶体表面露头的地方最容易受到腐蚀。 用电子显微镜可以直接观察金属薄膜中的位错组态及分布。
位错是已滑移区和未滑移区的边界，不能终止在晶体内部，只能中止在晶体的表面或晶界上。在晶体内部，位错线一定是封闭的，或者自身封闭成一个位错圈，或者构成三维位错网络。
1）位错密度 ：单位体积中所包含的位错线的总长度。
式中，V 为晶体体积；L 为该晶体中位错线的总长度；r 的单位为m -2。 又可定义为：穿过单位截面积的位错线数目。 一般在经过充分退火的多晶体金属中，位错密度达1010~1012 m -2
经剧烈冷塑性变形的金属中，其位错密度高达1015~1016m -2，这相当于在1cm3的金属内，含有千百万公里长的位错线。 2）位错与晶体强度的关系 ： 理想晶体中不含位错，有极高的强度 铁晶须，其抗拉强度竞高达1340 Mpa
工业上应用的退火纯铁，抗拉强度则低于300 Mpa ，
合金化、加工硬化或热处理的合金强度随位错密度升高而提高。 二、面缺陷
晶体的面缺陷：晶体的外表面、内界面
内界面：晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错、相界
1. 晶体表面：晶体表面是指金属与真空或气体、液体等外部介质相接触的界面。
1）晶体表面原子的受力：晶体内部自身原子作用力
外部介质原子或分子的作用力
晶体内部自身原子作用力 > > 外部介质原子或分子的作用力
表面原子偏离平衡位置，牵连邻近的几层原子，造成表面层晶格畸变。 2）比表面能：单位面积上升高的能量(J/m 2) 影响表面能的因素主要有：
①外部介质性质。内外作用力相差越大，表面能越大。
②裸露晶面原子密度。裸露晶面原子密度越大，表面能越小。 T畸变小③晶体表面曲率。表面曲率越大，表面能越大。T畸变大④晶体性质。晶体本身的结合能高，表面能大。 2. 晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面。 小角度晶界：相邻晶粒的位向差小于10°的晶界 大角度晶界：相邻晶粒的位向差大于l0°的晶界 ？为什么要分小角度晶界与大角度晶界。 因为晶粒位向差不同，晶界的结构和性质不同。
小角度晶界：基本上由位错构成大角度晶界：大角度晶界的结构十分复杂，目前还不十分清楚，而多晶体金属材料中的晶界大都属于大角度晶界 (1)小角度晶界类型：
对称倾侧晶界，由两个晶粒相互倾斜θ/2角(θ 扭转晶界，将一个晶体沿中间晶面切开，右半晶体沿垂直于切面的y 轴旋转θ角（θ 相邻晶粒间的位向差大于10°时，相邻晶粒在邻接处的形状是由不规则的台阶所组成。界面上既包含有不属于任一晶粒的原子A ，也含有同时属于两晶粒的原子D ；既包含有压缩区B ，也包含有扩张区C 。 大角度晶界是原子排列紊乱的区域(简称坏区)与原子排列较整齐的区域(简称好区)交替相间而成。晶界很薄，纯金属中大角度晶界的厚度不超过3个原子间距。 3.亚晶界 晶粒内晶块之间（存在几十分到1、2度位向差 ）的内界面 亚晶界的形成：凝固时、形变及形变后的回复再结晶、固态相变 4.堆垛层错 在实际晶体中，晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一种晶体缺陷。 5. 相界 具有不同晶体结构的两相之间的分界面。 相界的结构有三类：共格界面、半共格界面和非共格界面。 共格界面：界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，为两种晶格所共有的界面。 界画上原子的排列规律既符合这个相晶粒内原子排列的规律，又符合另一个相晶粒内原子排列的规律。 图1.57(a)是一种具有完善共格关系的相界，几乎没有畸变。 图1.57(b)是一种具有弹性畸变的共格界面。 非共格相界：界面两边原子排列相差大，弹性畸变大，相界的畸变能高至不能维持共格关系的，共格关系破坏的界面，见图1.57(d)。 半共格界面：介于共格与非共格之间的界面，(见图1.57(c)，界面上的两相原子部分地保持着对应关系，其特征是在相界面上每厢一定距离就存在一个刃型位错。 非共格界面的界面能最高，半共格的次之，共格界面的界面能最低6. 晶界特性 界面能(晶界能)越高，晶界越不稳定，晶界迁移速率越大； 存在异类原子内吸附与反内吸附现象； 提高金属材料的强度和硬度； 易于腐蚀和氧化，熔点低； 新相晶核易于在晶界形成。 内吸附：金属中降低界面能的异类原子向晶界偏聚的现象 反内吸附：金属中提高界面能的异类原子在晶粒内部偏聚现象 第一章金属的晶体结构 1、试用金属键的结合方式，解释金属具有良好的导电性、正的电阻温度系数、导热性、塑性和金属光泽等基本特性. 答：(1)导电性：在外电场的作用下，自由电子沿电场方向作定向运动。 (2)正的电阻温度系数：随着温度升高，正离子振动的振幅要加大，对自由电子通过的阻碍作用也加大，即金属的电阻是随温度的升高而增加的。 (3)导热性：自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能。 (4) 延展性：金属键没有饱和性和方向性，经变形不断裂。 (5)金属光泽：自由电子易吸收可见光能量，被激发到较高能量级，当跳回到原位时辐射所吸收能量，从而使金属不透明具有金属光泽。 2、填空： 1)金属常见的晶格类型是面心立方、体心立方、密排六方。 2)金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽主要是因为金属原子具有金属键的结合方式。 3)物质的原子间结合键主要包括金属键、离子键和共价键三种。 4)大部分陶瓷材料的结合键为共价键。 5)高分子材料的结合键是范德瓦尔键。 6)在立方晶系中，某晶面在x轴上的截距为2，在y轴上的截距为1/2；与z轴平行，则该晶面指数为（（ 140 ））. 7)在立方晶格中，各点坐标为：A (1，0，1)，B (0，1，1)，C (1，1，1/2)，D(1/2，1，1/2)，那么AB晶向指数为（ī10），OC晶向指数为（221），OD晶向指数为（121）。 8)铜是（面心）结构的金属，它的最密排面是（111 ）。 9) α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn中属于体心立方晶格的有（α-Fe 、 Cr、V ），属于面心立方晶格的有（γ-Fe、Al、Cu、Ni ），属于密排六方晶格的有（ Mg、Zn ）。 3、判断 1)正的电阻温度系数就是指电阻随温度的升高而增大。（√） 2)金属具有美丽的金属光泽，而非金属则无此光泽，这是金属与非金属的根本区别。（×） 3) 晶体中原子偏离平衡位置，就会使晶体的能量升高，因此能增加晶体的强度。(× ) 4) 在室温下,金属的晶粒越细,则其强度愈高和塑性愈低。(×) 5) 实际金属中存在着点、线和面缺陷，从而使得金属的强度和硬度均下降。 (×) 6)体心立方晶格中最密原子面是｛110｝，原子排列最密的方向也是<111> .（对） 7)面心立方晶格中最密的原子面是｛111}，原子排列最密的方向是<110>。 ( 对 ) 8)纯铁加热到912℃时将发生α-Fe向γ-Fe的转变，体积会发生膨胀。 ( 错 ) 9)晶胞是从晶格中任意截取的一个小单元。(错) 10)纯铁只可能是体心立方结构，而铜只可能是面心立方结构。 (错) 4、选择题 1)金属原子的结合方式是（ C ） 3.3 实际金属的晶体结构 一、多晶体结构和亚结构 实际使用的工业金属材料，即使体积很小，其内部的晶格位向也不是完全一致的，而是包含着许许多多彼此间位向不同的、称之为晶粒的颗粒状小晶体。而晶粒之间的界面称为晶界。这种实际上由许多晶粒组成的晶体结构称为多晶体结构（polycrystalline structure）。一般金属材料都是多晶体（图3-12）。通常测得的金属性能是各个位向不同的晶粒的平均值，故显示出各向同性。 图3—12 多晶体结构示意图 实践证明，即使在一个晶粒内部，其晶格位向也并不是象理想晶体那样完全一致，而是存在着许多尺寸更小，位向差也很小的小晶块。它们相互嵌镶成一颗晶粒。这些小晶块称为亚结构。可见，只有在亚结构内部，晶格的位向才是一致的。 二、晶体缺陷 实际晶体还因种种原因存在着偏离理想完整点阵的部位或结构，称为晶体缺陷（crystal defect）。晶体缺陷的存在及其多寡，是研究晶体结构、金属塑性变形的关键问题。根据其几何特性，晶体的缺陷可分为三类： 1．点缺陷——空位和间隙原子 实际晶体未被原子占有的晶格结点称为空位；而不占有正常晶格位置而处于晶格空隙之间的原子则称为间隙原子。在空位或间隙原子的附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使其周围的原子离开了原来的平衡位置，即产生所谓的晶格畸变。空位和间隙原子都处于不断的运动和变化之中，这对于热处理和化学处理过程都是极为重要的。 2．线缺陷——位错 晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象称为位错（dislocation）。有刃型 和螺型两种位错。 刃型位错如图3-13所示。垂直方向的原子面EFGH中断于水平晶面ABCD上的EF处，就像刀刃一样切入晶体，使得晶体中位于ABCD面的上、下两部分出现错排现象。EF线称为刃型位错线。在位错线附近区域，晶格发生畸变，导致ABCD晶面上、下方位错线附近的区域内，晶体分别受到压应力和拉应力。符号“┴”和“┬”分别表示多出的原子面在晶体的上半部和下半部，分别称为正、负刃型位错。 图3—13 刃型位错示意图 螺型位错如图3-14所示。晶体在BC右方的上、下两部分原子排列沿ABCD晶面发生了错动。aa’右边晶体上、下层原子相对移动了一原子间距，而在BC和aa’之间形成了一个上下层原子不相吻合的过渡区域，这里的原子平面被扭成了螺旋面。在原子面上，每绕位错线一周就推进了一个晶面间距。显然，螺型位错附近区域的晶格也发生了严重畸变，形成了一个应力集中区。 3．面缺陷——晶界和亚晶界 晶界实际上是不同位向晶粒之间原子排列无规则的过渡层（图3-15）。晶界处晶格处于畸变状态，导致其能量高于晶粒内部能量，常温下显示较高的强度和硬度，容易被腐蚀，熔点较低，原子扩散较快。 第二章金属与合金的晶体结构 第一节纯金属的晶体结构 一、晶体结构的基本知识 1、晶体与非晶体 晶体——原子规则排列的集合体 非晶体——原子无规则堆积的集合体 晶体特征：固定的熔点，各向异性 2、晶格与晶胞 晶格：把晶体中原子看成几何点，用假象的直线连接后得到的三维格架晶胞：晶格中能全面反映原子排列规律的最小几何单元 3、晶面与晶向晶格常数：晶胞的棱边长度 晶面：晶格中各方位的原子面 晶向：任意两个原子连线所指的方向 第二节纯金属的实际晶体结构 α-Fe [100] E=135000N/mm2 [111] E=290000 N/mm2 实际测定 E=210000 N/mm2 一、多晶体结构 单晶体：各部分位向完全一致的晶体（各向异性）多晶体：许多位向不同的单晶体的聚合体（各向同性）晶粒：多晶体中外形不规则的小晶体晶界：晶粒之间的界面 二、晶体缺陷 1、点缺陷——空位和间隙原子 点缺陷→导致晶格畸变→强度↑，硬度↑ 空位和间隙原子都处于运动和变化之中，是原子扩散主 要方式之一。温度↑，空位↑ 2、线缺陷——位错 位错——整排原子有规律错排位错密度ρ=L / V (cm-2) 增加或减小，可以提高强度 3、面缺陷——晶界、亚晶界晶界处：晶格畸变→强度高 原子能量高→熔点低，易腐蚀，原子扩散快 晶粒细→晶界面积大→强度高 亚晶界：晶粒内小位向差（1-2°）的晶块（亚晶粒亚结构）边界 第三节合金的晶体结构合金的基本概念 合金：由两种或两种以上金属，或金属与非金属组成，具有金属性质的物质。 组元：组成合金的基本物质。 相：结构相同，成分相近，与其它部分有界面分开的部分 单相合金：固态下由一个固相组成的合金 多相合金：固态下由两个以上固相组成的合金 组织：相的聚合体。 ( 单相组织，多相组织，) 二、合金的相结构 合金相结构——固溶体和金属化合物。 1、固溶体 固溶体：一种元素的原子溶入另一种元素中形成的合金相。溶剂——保持原晶体结构的元素溶质——失去原晶体结构的元素 有限固溶体：溶解度有一定限度——有限互溶 无限固溶体：溶解度无一定限度——无限互溶（晶体结构相同原子直径相近）固溶体分类： 置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点 间隙固溶体：溶质原子处于溶剂晶格的间隙中 固溶强化——溶质溶入固溶体，导致晶格畸变，引起强度和硬度升高 (仍保持良好的塑性和韧性) 2、金属化合物 特征： ?有金属性质 ?晶体结构不同于任何组元 ?成分可用分子式表示Fe3C 性能：硬，脆，熔点高 弥散强化（第二相强化）： 当金属化合物以细小颗粒均布于固溶体上， 可使合金的强度↑↑，硬度↑↑，耐磨性↑↑ 调整合金性能的途径： ?改善固溶体溶解度 ?改变化合物形状、数量、大小、分布 第二章作业 2－1 常见的金属晶体结构有哪几种它们的原子排列和晶格常数有什么特点 V、Mg、Zn 各属何种结构答：常见晶体结构有 3 种：⑴体心立方：－Fe、Cr、V ⑵面心立方：－Fe、Al、Cu、Ni ⑶密排六方：Mg、Zn －Fe、－Fe、Al、Cu、Ni、Cr、 2---7 为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。第三章作业3－2 如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小；⑴金属模浇注与砂模浇注；⑵高温浇注与低温浇注；⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件；⑷浇注时采用振动与不采用振动；⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。答：晶粒大小：⑴金属模浇注的晶粒小⑵低温浇注的晶粒小⑶铸成薄壁件的晶粒小⑷采用振动的晶粒小⑸厚大铸件表面部分的晶粒小第四章作业 4－4 在常温下为什么细晶粒金属强度高，且塑性、韧性也好试用多晶体塑性变形的特点予以解释。答：晶粒细小而均匀，不仅常温下强度较高，而且塑性和韧性也较好，即强韧性好。原因是：（1）强度高：Hall-Petch 公式。晶界越多，越难滑移。（2）塑性好：晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中。（3）韧性好：晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。 4－6 生产中加工长的精密细杠（或轴）时，常在半精加工后，将将丝杠吊挂起来并用木锤沿全长轻击几遍在吊挂 7~15 天，然后再精加工。试解释这样做的目的及其原因答：这叫时效处理一般是在工件热处理之后进行原因用木锤轻击是为了尽快消除工件内部应力减少成品形变应力吊起来，是细长工件的一种存放形式吊个7 天，让工件释放应力的时间，轴越粗放的时间越长。 4－8 钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，请说明它们是热加工还是冷加工（钨熔点是3410℃，锡熔点是232℃）答：W、Sn 的最低再结晶温度分别为: TR(W) =（～×(3410+273)－273 =（1200～1568）(℃)＞1000℃ TR(Sn) =（～×(232+273)－273 =（-71～-20）(℃) ＜25℃ 所以 W 在1000℃时为冷加工，Sn 在室温下为热加工 4－9 用下列三种方法制造齿轮，哪一种比较理想为什么（1）用厚钢板切出圆饼，再加工成齿轮；（2）由粗钢棒切下圆饼，再加工成齿轮；（3）由圆棒锻成圆饼，再加工成齿轮。答：齿轮的材料、加工与加工工艺有一定的原则，同时也要根据实际情况具体而定，总的原则是满足使用要求；加工便当；性价比最佳。对齿轮而言，要看是干什么用的齿轮，对于精度要求不高的，使用频率不高，强度也没什么要求的，方法 1、2 都可以，用方法 3 反倒是画蛇添足了。对于精密传动齿轮和高速运转齿轮及对强度和可靠性要求高的齿轮，方法 3 就是合理的。经过锻造的齿坯，金属内部晶粒更加细化，内应力均匀，材料的杂质更少，相对材料的强度也有所提高，经过锻造的毛坯加工的齿轮精度稳定，强度更好。 4－10 用一冷拔钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到1000℃，保温后再次吊装工件时钢丝绳发生断裂，试分析原因答：由于冷拔钢丝在生产过程中受到挤压作用产生了加工硬化使钢丝本身具有一定的强度和硬度，那么再吊重物时才有足够的强度，当将钢丝绳和工件放置在1000℃炉内进行加热和保温后，等于对钢丝绳进行了回复和再结晶处理，所以使钢丝绳的性能大大下降，所以再吊重物时发生断裂。 4－11 在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又像最初一样柔软这是什么原因答：铅板在室温下的加工属于热加工，加工硬化的同时伴随回复和再结晶过程。越弯越硬是由于位错大量增加而引起的加工硬化造成，而过一段时间又会变软是因为室温对于铅已经是再结晶温度以上，所以伴随着回复和再结晶过程，等轴的没有变形晶粒取代了变形晶粒，硬度和塑性又恢复到了未变形之前。第五章作业 5－3 一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体异同答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。二次渗碳体：从 A 中析出的渗碳体称为二次渗碳体。三次渗碳体：从 F 中析出的渗碳体称为三次渗碳体共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体共析渗碳体：经共析反应生成的渗碳体即珠光体中的渗 第一章 金属得晶体结构 (一)填空题 3．金属晶体中常见得点缺陷就是 空位、间隙原子与置换原子 ，最主要得面缺陷就是 。 4．位错密度就是指 单位体积中所包含得位错线得总长度 ，其数学表达式为V L =ρ。 5．表示晶体中原子排列形式得空间格子叫做 晶格 ，而晶胞就是指 从晶格中选取一个能够完全反应晶格特征得最小几何单元 。 6．在常见金属晶格中，原子排列最密得晶向，体心立方晶格就是 [111] ，而面心立方晶格就是 [110] 。 7 晶体在不同晶向上得性能就是 不同得 ，这就就是单晶体得 各向 异性现象。一般结构用金属为 多 晶体，在各个方向上性能 相同 ，这就就是实际金属得 伪等向性 现象。 8 实际金属存在有 点缺陷 、 线缺陷 与 面缺陷 三种缺陷。 位错就是 线 缺陷。 9．常温下使用得金属材料以 细 晶粒为好。而高温下使用得金属 材料在一定范围内以粗 晶粒为好。 10．金属常见得晶格类型就是 面心立方、 体心立方 、 密排六方 。 11．在立方晶格中，各点坐标为：A (1，0，1)，B (0，1，1)，C (1， 1，1/2)，D(1/2，1，1/2)，那么AB 晶向指数为10]1[- ，OC 晶向指数为[221] ，OD 晶向指数为 [121] 。 12．铜就是 面心 结构得金属，它得最密排面就是 ｛111｝ ， 若铜得晶格常数a=0、36nm,那么最密排面上原子间距为 0、509nm 。 13 α-Fe 、γ-Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Cr 、V 、Mg 、Zn 中属于体心立方 晶格得有 α-Fe 、Cr 、V ，属于面心立方晶格得有 γ-Fe 、Al 、Cu 、Ni 、 ，属于密排六方晶格得有 Mg 、Zn 。 14．已知Cu 得原子直径为0．256nm ，那么铜得晶格常数为 。 1mm 3Cu 中得原子数为 。 15．晶面通过(0，0，0)、(1/2、1/4、0)与(1/2，0，1/2)三点，这个晶 面得晶面指数为 、 16．在立方晶系中，某晶面在x 轴上得截距为2，在y 轴上得截距为 1/2；与z 轴平行，则该晶面指数为 （140） 、 17．金属具有良好得导电性、导热性、塑性与金属光泽主要就是因为 金属原子具有 金属键 得结合方式。 18．同素异构转变就是指 当外部条件（如温度与压强）改变时，金 第一章金属的晶体结构 1-1. 作图表示立方晶系中的(123),(012),(421)晶面和[102],[211],[346]晶向。 附图1-1 有关晶面及晶向 1-2、立方晶系的{111}晶面构成一个八面体，试作图画出该八面体，并注明各晶面的晶面指数。 {111}=（111）+（111）+（111）+（111） （111）与（111）两个晶面指数的数字与顺序完全相同而符号相反，这两个晶面相互平行，相当于用-1乘某一晶面指数中的各个数字。 1-3 （题目见教材） 解：x方向截距为5a，y方向截距为2a，z方向截距为3c=3 2a/3=2a。 取截距的倒数，分别为 1/5a，1/2a，1/2a 化为最小简单整数分别为2，5，5 故该晶面的晶面指数为（2 5 5） 1-4 （题目见课件） 解：（100）面间距为a/2；（110）面间距为2a/2；（111）面间距为3a/3。 三个晶面中面间距最大的晶面为（110）。 1-5 （题目见课件） 解：方法同1-4题 1-7 证明理想密排六方晶胞中的轴比c/a=1.633。 证明：理想密排六方晶格配位数为12，即晶胞上底面中心原子与其下面的3个位于晶胞内 的原子相切，构成正四面体，如图所示。 则OD= 2 c ，AB=BC=CA=AD=BD=CD=a 因?ABC 是等边三角形，所以有OC=3 2CE 因(BC)2 =(CE)2 +(BE) 2 则CE=23a ，OC=32×23a =3 3 a 又(CD)2 =(OC)2 +( 21c )2，即(CD)2=(3 3a )2+(21c )2=(a )2 因此， a c =3 8≈1.633 1-8 解：面心立方八面体间隙半径 r=a/2-2a/4=0.146a ， 面心立方原子半径R=2a/4，则a=4R/2，代入上试有 淮安信息职业技术学院教案首页 一、章节：第二章纯金属与合金的晶体结构 第一节纯金属的晶体结构第二节纯金属的实际晶体结构第三节合金的晶体结构 二、教学目的：使学生了解纯金属与合金的晶体结构，晶胞、晶格、合金的基本概念，了解固溶体与金属化合物。 三、教学方法： 讲授法。 四、教学重点： 晶胞、晶格、合金的基本概念，了解固溶体与金属化合物。 五、教学难点： 晶胞、晶格、合金的基本概念，了解固溶体与金属化合物。 六、使用教具： 挂图。 七、课后作业： P17：1、2、6。 八、课后小结： 第二章纯金属与合金的晶体结构 第一节纯金属的晶体结构 一、晶体结构的基本知识 1．晶体与非晶体 晶体内部的原子按一定几何形状作有规则地重复排列，如金钢石、石墨及固态金属与合金。而非晶体内部的原子无规律地规律地堆积在一起，如沥青、玻璃、松香等。 晶体具有固定的熔点和各向异性的特征，而非晶体没有固定的熔点，且各向同性。 2．晶体管格与晶胞 为便于分析晶体中原子排列规律，可将原子近似地看成一个点，并用假想的线条将各原子中心连接起来，便形成一个空间格子。 晶格——抽象的、用于描述原子在晶体中的规则排列方式的空间几何图形。结点——晶格中直线的交点。 晶胞——晶格是由一些最基本的几何单元周期重复排列而成的，这种最基本的几何单元称为晶胞。 晶胞大小和形状可用晶胞的三条棱长a、b、c（单位，1A=108cm）和棱边夹角来描述，其中a、b、c称为晶格常数。 各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，故呈现出不同的物理、化学及力学性能。 二、常见的晶格类型 1．体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞为一立方体，立方体的八个顶角各排列着一个原子，立方体的中心有一个原子。其晶格常数a=b=c。属于这种晶格类型的金属有α铁、铬、钨、钼、钒等。 2．面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各排列一个原子。属于这种晶格类型的金属有γ铁、铝、铜墙铁壁、镍、金、银等。 3．密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，柱体的十二个顶角和上、下中心各排列着一个原子，在上、下面之间还有三个原子。属于这种晶格类型的金属有镁、锌、铍等、α－Ti。 晶格类型不同，原子排列的致密度也不同。体心立方晶格的致 Chapter Outline ?金属的晶体结构 ?密排面堆积方式 ?晶体结构间隙 ?固溶体 ?中间相结构 常见金属的晶体结构 面心立方结构（A1）face-centred cubic lattice 体心立方结构（A2） body-centred cubic lat tice 密排立方结构（A3）hexagonal close-packed lattice A B A ?金属键无饱和性和方向性，使其晶 体结构倾向于最紧密堆垛。 ?将原子看作刚性球，构成相互接触 圆球模型，更确切表示原子排列。 ?面心原子shared by 2 cells: 6 x 1/2 = 3?顶角原子shared by 8 cells: 8 x 1/8 = 1 面心立方结构金属：γ-Fe, Al, Cu, Ni, Au, Ag 和Pt 等。 面心立方结构 ?结构符号A1，Pearson 符号c F4。 ?每个晶胞含4个原子。(0,1/2,1/2)● (0,0,0) ●(1/2,1/2,0)●●(1/2,0,1/2) 配位数与致密度 面心立方结构的致密度η为?致密度η是衡量原子堆垛紧密程度的，为晶胞中原子所占体积(V a )与晶胞体积(V )的比值：η=V a / V ?面心立方晶胞面对角线为原子半径的4倍，即()r 24/=a ?配位数（Coordination Number——CN ）是晶体结构中每个原子的最近邻原子数目。a/2 2密排面{111}密排方向 <110> ?面心立方结构的配位数为12，最近 原子间距离为?结构符号A2，Pearson 符号c I2?每个晶胞含2个原子 体心立方结构 ?体心立方结构的金属包括：α-Fe, Cr, W, Mo, V 和Nb 等。 ?体心立方结构配位数为8，原子间距a/23?还有6个次近邻原子，间距为a ，相差15.5%。?体心配位数也表示为CN=8+6。 体心立方结构的致密度η为 体心立方晶胞体对角线为原子半径的4倍，即()r 34/=a 体心原子shared by 0 cells: 1 x 1 = 1 顶角原子shared by 8 cells: 8 x 1/8 = 1 (1/2 1/2 1/2)●(000)●密排面{110} 密排方向<111> 第一章 金属的晶体结构 (一)填空题 3．金属晶体中常见的点缺陷是 空位、间隙原子和置换原子 ，最主要的面缺陷是 。 4．位错密度是指 单位体积中所包含的位错线的总长度 ，其数学表达式为V L =ρ。 5．表示晶体中原子排列形式的空间格子叫做 晶格 ，而晶胞是指 从晶格中选取一个能够完全反应晶格特征的最小几何单元 。 6．在常见金属晶格中，原子排列最密的晶向，体心立方晶格是 [111] ，而面心立方 晶格是 [110] 。 7 晶体在不同晶向上的性能是 不同的 ，这就是单晶体的 各向异性现象。一般结构用金属 为 多 晶体，在各个方向上性能 相同 ，这就是实际金属的 伪等向性 现象。 8 实际金属存在有 点缺陷 、 线缺陷 和 面缺陷 三种缺陷。位错是 线 缺陷。 9．常温下使用的金属材料以 细 晶粒为好。而高温下使用的金属材料在一定范围内以粗 晶粒为好。 10．金属常见的晶格类型是 面心立方、 体心立方 、 密排六方 。 11．在立方晶格中，各点坐标为：A (1，0，1)，B (0，1，1)，C (1，1，1/2)，D(1/2，1，1/2)， 那么AB 晶向指数为10]1[- ，OC 晶向指数为[221] ，OD 晶向指数为 [121] 。 12．铜是 面心 结构的金属，它的最密排面是 ｛111｝ ，若铜的晶格常数a=0.36nm, 那么最密排面上原子间距为 0.509nm 。 13 α-Fe 、γ-Fe 、Al 、Cu 、Ni 、Cr 、V 、Mg 、Zn 中属于体心立方晶格的有 α-Fe 、Cr 、 V ，属于面心立方晶格的有 γ-Fe 、Al 、Cu 、Ni 、 ，属于密排六方晶格的有 Mg 、 Zn 。 14．已知Cu 的原子直径为0．256nm ，那么铜的晶格常数为 。1mm 3Cu 中的原子数 为 。 15．晶面通过(0，0，0)、(1/2、1/4、0)和(1/2，0，1/2)三点，这个晶面的晶面指数为 . 16．在立方晶系中，某晶面在x 轴上的截距为2，在y 轴上的截距为1/2；与z 轴平行，则 该晶面指数为 （140） . 17．金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽主要是因为金属原子具有 金属键 的 结合方式。 18．同素异构转变是指 当外部条件（如温度和压强）改变时，金属内部由一种金属内部由 一种晶体结构向另一种晶体结构的转变 。纯铁在 温度发生 和 多晶型转变。 19．在常温下铁的原子直径为0．256nm ，那么铁的晶格常数为 。 20．金属原子结构的特点是 。 21．物质的原子间结合键主要包括 离子键 、 共价键 和 金属键 三种。 (二)判断题 1．因为单晶体具有各向异性的特征，所以实际应用的金属晶体在各个方向上的性能也是不 相同的。 (N) 2．金属多晶体是由许多结晶位向相同的单晶体所构成。 ( N) 3．因为面心立方晶体与密排六方晶体的配位数相同，所以它们的原子排列密集程度也相同 4．体心立方晶格中最密原子面是｛111｝。 Y 5．金属理想晶体的强度比实际晶体的强度高得多。N 6．金属面心立方晶格的致密度比体心立方晶格的致密度高。 7．实际金属在不同方向上的性能是不一样的。N 8．纯铁加热到912℃时将发生α-Fe 向γ-Fe 的转变。 ( Y ) 9．面心立方晶格中最密的原子面是111}，原子排列最密的方向也是<111>。 ( N ) 10．在室温下，金属的晶粒越细，则其强度愈高和塑性愈低。 ( Y ) 11．纯铁只可能是体心立方结构，而铜只可能是面心立方结构。 ( N ) 12．实际金属中存在着点、线和面缺陷，从而使得金属的强度和硬度均下降。 ( Y ) 13．金属具有美丽的金属光泽，而非金属则无此光泽，这是金属与非金属的根本区别。N 第七章二元合金的相结构与结晶 (一)填空题 1 合金的定义是 2．合金中的组元是指。 3．固溶体的定义是 4．Cr、V在γ-Fe中将形成固溶体。C、N则形成固溶体。 5．和间隙原子相比，置换原子的固溶强化效果要些。 6．当固溶体合金结晶后出现枝晶偏析时，先结晶出的树枝主轴含有较多的组元。 7．共晶反应的特征是，其反应式为 8．匀晶反应的特征是，其反应式为 9．共析反应的特征是，其反应式为 10．合金固溶体按溶质原子溶入方式可以分为，按原子溶入量可以分为和11．合金的相结构有和两种，前者具有较高的性能，适合于做相；后者有较高的性能，适合于做相 12．看图4—1，请写出反应式和相区： ABC ；DEF ；GHI ； ①；②；③；④；⑤；⑥； 13．相的定义是，组织的定义是 14．间隙固溶体的晶体结构与相同，而间隙相的晶体结构与不同。 15．根据图4—2填出： 水平线反应式；有限固溶体、无限固溶体。 液相线，固相线，固溶线、 16．接近共晶成分的合金，其性能较好；但要进行压力加工的合金常选用的合金。17．共晶组织的一般形态是。 18.固溶体合金，在铸造条件下，容易产生_______ 偏析，用__________ 方法处理可以消除。 19.AL－CuAL2共晶属于_ _ 型共晶，AL-Si共晶属于__型共晶，Pb－Sn共晶属于_ _型共晶。 20.固溶体合金凝固时有效分配系数ke的定义 是_ _。当凝固速率无限缓慢时，ke趋于_ _；当凝固速率很大时，则ke趋于__ 。 21.K0<1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越小，成分偏析越____ , 提纯效果越_____；而K0>1的固溶体合金非平衡凝固的过程中，K0越大，成分偏析越____ , 提纯效果越_____。 22.固溶体合金_____ 凝固时成分最均匀，液相完全混合时固溶体成分偏析（宏观偏析）最___ ，液相完全无混合时固溶体成分偏析最____ ，液相部分混合时固溶体成分偏析_________。 (二)判断题 1．共晶反应和共析反应的反应相和产物都是相同的。( ) 2．铸造合金常选用共晶或接近共晶成分的合金，要进行塑性变形的合金常选用具有单相( ) 固溶体成分的合金。( ) 3．合金的强度与硬度不仅取决于相图类型，还与组织的细密程度有较密切的关。( ) 4．置换固溶体可能形成无限固溶体，间隙固溶体只可能是有限固溶体。( ) 5．合金中的固溶体一般说塑性较好，而金属化合物的硬度较高。( ) 6．共晶反应和共析反应都是在一定浓度和温度下进行的。( ) 第二章作业2－1 常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？V、Mg、Zn 各属何种结构？答：常见晶体结构有 3 种：⑴体心立方：－Fe、Cr、V ⑵面心立方：－Fe、Al、Cu、Ni ⑶密排六方：Mg、Zn －Fe、－Fe、Al、Cu、Ni、Cr、2---7 为何单晶体具有各向异性，而多晶体在一般情况下不显示出各向异性？答：因为单晶体内各个方向上原子排列密度不同，造成原子间结合力不同，因而表现出各向异性；而多晶体是由很多个单晶体所组成，它在各个方向上的力相互抵消平衡，因而表现各向同性。第三章作业3－2 如果其它条件相同，试比较在下列铸造条件下，所得铸件晶粒的大小；⑴金属模浇注与砂模浇注；⑵高温浇注与低温浇注；⑶铸成薄壁件与铸成厚壁件；⑷浇注时采用振动与不采用振动；⑸厚大铸件的表面部分与中心部分。答：晶粒大小：⑴金属模浇注的晶粒小⑵低温浇注的晶粒小⑶铸成薄壁件的晶粒小⑷采用振动的晶粒小⑸厚大铸件表面部分的晶粒小第四章作业4－4 在常温下为什么细晶粒金属强度高，且塑性、韧性也好？试用多晶体塑性变形的特点予以解释。答：晶粒细小而均匀，不仅常温下强度较高，而且塑性和韧性也较好，即强韧性好。原因是：（1）强度高：Hall-Petch 公式。晶界越多，越难滑移。（2）塑性好：晶粒越多，变形均匀而分散，减少应力集中。（3）韧性好：晶粒越细，晶界越曲折，裂纹越不易传播。4－6 生产中加工长的精密细杠（或轴）时，常在半精加工后，将将丝杠吊挂起来并用木锤沿全长轻击几遍在吊挂7~15 天，然后再精加工。试解释这样做的目的及其原因？答：这叫时效处理一般是在工件热处理之后进行原因用木锤轻击是为了尽快消除工件内部应力减少成品形变应力吊起来，是细长工件的一种存放形式吊个7 天，让工件释放应力的时间，轴越粗放的时间越长。4－8 钨在1000℃变形加工，锡在室温下变形加工，请说明它们是热加工还是冷加工（钨熔点是3410℃，锡熔点是232℃）？答：W、Sn 的最低再结晶温度分别为: TR(W) =（0.4～0.5)×(3410+273)－273 =（1200～1568）(℃)＞1000℃ TR(Sn) =（0.4～0.5)×(232+273)－273 =（-71～-20）(℃) ＜25℃所以W 在1000℃时为冷加工，Sn 在室温下为热加工4－9 用下列三种方法制造齿轮，哪一种比较理想？为什么？（1）用厚钢板切出圆饼，再加工成齿轮；（2）由粗钢棒切下圆饼，再加工成齿轮；（3）由圆棒锻成圆饼，再加工成齿轮。答：齿轮的材料、加工与加工工艺有一定的原则，同时也要根据实际情况具体而定，总的原则是满足使用要求；加工便当；性价比最佳。对齿轮而言，要看是干什么用的齿轮，对于精度要求不高的，使用频率不高，强度也没什么要求的，方法1、2 都可以，用方法3 反倒是画蛇添足了。对于精密传动齿轮和高速运转齿轮及对强度和可靠性要求高的齿轮，方法3 就是合理的。经过锻造的齿坯，金属内部晶粒更加细化，内应力均匀，材料的杂质更少，相对材料的强度也有所提高，经过锻造的毛坯加工的齿轮精度稳定，强度更好。4－10 用一冷拔钢丝绳吊装一大型工件入炉，并随工件一起加热到1000℃，保温后再次吊装工件时钢丝绳发生断裂，试分析原因？答：由于冷拔钢丝在生产过程中受到挤压作用产生了加工硬化使钢丝本身具有一定的强度和硬度，那么再吊重物时才有足够的强度，当将钢丝绳和工件放置在1000℃炉内进行加热和保温后，等于对钢丝绳进行了回复和再结晶处理，所以使钢丝绳的性能大大下降，所以再吊重物时发生断裂。4－11 在室温下对铅板进行弯折，越弯越硬，而稍隔一段时间再行弯折，铅板又像最初一样柔软这是什么原因？答：铅板在室温下的加工属于热加工，加工硬化的同时伴随回复和再结晶过程。越弯越硬是由于位错大量增加而引起的加工硬化造成，而过一段时间又会变软是因为室温对于铅已经是再结晶温度以上，所以伴随着回复和再结晶过程，等轴的没有变形晶粒取代了变形晶粒，硬度和塑性又恢复到了未变形之前。第五章作业5－3 一次渗碳体、二次渗碳体、三次渗碳体、共晶渗碳体、共析渗碳体异同？答：一次渗碳体：由液相中直接析出来的渗碳体称为一次渗碳体。二次渗碳体：从 A 中析出的渗碳体称为二次渗碳体。三次渗碳体：从 F 中析出的渗碳体称为三次渗碳体共晶渗碳体：经共晶反应生成的渗碳体即莱氏体中的渗碳体称为共晶渗碳体共析渗碳体：经共 引言 金属学是研究金属及合金的成分、组织、结构与力学性能之间关系的科学。所谓力学性能主要指材料的强度、硬度和塑性。通常用来承受载荷的零件要求材料具有一定的力学性能，我们称这类材料为结构材料。与结构材料对应的另一类材料是功能材料，它一般不要求承受载荷，主要使用它的物理性能，如光、电、磁性能等。功能材料利用它对光、电、磁的敏感特性制作各类传感器。 金属学只讨论金属材料的力学性能，不涉及物理性能。 固态金属通常是晶体，金属学研究的最小结构单元是原子。原子通过不同的排列可构成各种不同的晶体结构，产生不同的性能。原子结构不是金属学研究的范畴。 第1章金属的晶体结构 1-1金属及金属键 金属的定义根据学科的不同有多种划分方法。本人倾向按结合键的性质来划分，即金属是具有金属键的一类物质。这种分类的好处是有利于解释与金属力学性能相关的现象。例如，为什么金属具有较好的塑性？ 什么是金属键、离子键、共价键我们早就熟知，金属键的最大特点是无饱和性、无方向性。以后我们将会看到，正是这些特点使金属具有较好的塑性。 研究表明，固态金属通常是晶体，且其结构趋于密堆积结构。这是为什么？下面我们用双原子模型来说明。 当两个原子相距很远时，它们之间不发生作用。当它们逐渐靠近时，一个原子的原子核与另一个原子的核外电子之间将产生引力；而两原子的原子核及电子之间产生斥力。研究表明，引力是长程力，斥力是短程力，即距离较远时，引力大于斥力，表现为相互吸引。随着原子距离的减小，斥力增加的速度逐渐大于引力增加的速度。显然这样作用的结果必然存在一个平衡距离d0，此时，引力等于斥力，偏离这一距离时，都将受到一个恢复力，如P3图2。d c对应最大恢复引力，即最大结合力，它对应着金属的理论抗拉强度。 下面，我们从能量的角度来考虑系统的稳定性。在引力作用下原子移近所做的功使原子的势能降低，所以吸引能是负值。相反，排斥能是正值。吸引能 （一）．填空题 1．同非金属相比，金属的主要特性是__________ 2．晶体与非晶体的最根本区别是__________ 3．金属晶体中常见的点缺陷是__________ ，最主要的面缺陷是__________ 。4．位错密度是指__________ ，其数学表达式为__________ 。 5．表示晶体中原子排列形式的空间格子叫做__________ ，而晶胞是指__________ 。 6．在常见金属晶格中，原子排列最密的晶向，体心立方晶格是__________ ，而面心立方晶格是__________ 。 7．晶体在不同晶向上的性能是__________，这就是单晶体的__________现象。 一般结构用金属为__________ 晶体，在各个方向上性能__________ ，这就是实际金属的__________现象。 8．实际金属存在有__________ 、__________ 和__________ 三种缺陷。位错是__________ 缺陷。实际晶体的强度比理想晶体的强度__________ 得多。。9．常温下使用的金属材料以__________ 晶粒为好。而高温下使用的金属材料在一定范围内以__________ 晶粒为好。‘ 10．金属常见的晶格类型是__________、__________ 、__________ 。 11．在立方晶格中，各点坐标为：A (1，0，1)，B (0，1，1)，C (1，1，1/2)，D(1/2，1，1/2)，那么AB晶向指数为__________ ，OC晶向指数为__________ ，OD晶向指数为__________ 。 12．铜是__________ 结构的金属，它的最密排面是__________ ，若铜的晶格常数a=0.36nm,那么最密排面上原子间距为__________ 。 13 α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn中属于体心立方晶格的有 __________ ，属于面心立方晶格的有__________ ，属于密排六方晶格的有__________ 。 14．已知Cu的原子直径为0．256nm，那么铜的晶格常数为__________ 。1mm3Cu 中的原子数为__________ 。 15．晶面通过(0，0，0)、(1/2、1/4、0)和(1/2，0，1/2)三点，这个晶面的晶面指数为() 16．在立方晶系中，某晶面在x轴上的截距为2，在y轴上的截距为1/2；与z轴平行，则该晶面指数为__________ . 17．金属具有良好的导电性、导热性、塑性和金属光泽主要是因为金属原子具有__________ 的结合方式。 18．同素异构转变是指__________ 。纯铁在__________ 温度发生__________ 和__________ 多晶型转变。 19．在常温下铁的原子直径为0．256nm，那么铁的晶格常数为__________ 。20．金属原子结构的特点是______________________________________。21．物质的原子间结合键主要包括__________ 、__________ 和__________ 三种。 22．大部分陶瓷材料的结合键为__________ 。 23．高分子材料的结合键是__________ 。 25．位错线与柏氏矢量垂直，该位错为_________，位错线与柏氏矢量平行时为_______位错。 第一章金属及合金的晶体结构 一、名词解释： 1．晶体：原子（分子、离子或原子集团）在三维空间做有规则的周期性重复排列的物质。2．非晶体：指原子呈不规则排列的固态物质。 3．晶格：一个能反映原子排列规律的空间格架。 4．晶胞：构成晶格的最基本单元。 5．单晶体：只有一个晶粒组成的晶体。 6．多晶体：由许多取向不同，形状和大小甚至成分不同的单晶体（晶粒）通过晶界结合在一起的聚合体。 7．晶界：晶粒和晶粒之间的界面。 8．合金：是以一种金属为基础，加入其他金属或非金属，经过熔合而获得的具有金属特性的材料。 9．组元：组成合金最基本的、独立的物质称为组元。 10．相：金属中具有同一化学成分、同一晶格形式并以界面分开的各个均匀组成部分称为相。 11．组织：用肉眼观察到或借助于放大镜、显微镜观察到的相的形态及分布的图象统称为组织。 12．固溶体：合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、结构上与组元之一相同的固相。 二、填空题： 1．晶体与非晶体的根本区别在于原子（分子、离子或原子集团）是否在三维空间做有规则的周期性重复排列。 2．常见金属的晶体结构有体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格三种。 3．实际金属的晶体缺陷有点缺陷、线缺陷、面缺陷、体缺陷。 4．根据溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体两种。 5．置换固溶体按照溶解度不同，又分为无限固溶体和有限固溶体。 6．合金相的种类繁多，根据相的晶体结构特点可将其分为固溶体和金属化合物两种。7．同非金属相比，金属的主要特征是良好的导电性、导热性，良好的塑性，不透明，有光泽，正的电阻温度系数。 8．金属晶体中最主要的面缺陷是晶界和亚晶界。 9．位错两种基本类型是刃型位错和螺型位错，多余半原子面是刃型位错所特有的。 10．在立方晶系中，｛120｝晶面族包括(120)、(120)、(102)、(102)、(210)、 (210)、(201)、 (201)、(012)、(012)、(021)、(021)、等晶面。 11．点缺陷有空位、间隙原子和置换原子等三种；属于面缺陷的小角度晶界可以用亚晶界来描述。 三、判断题： 1．固溶体具有与溶剂金属相同的晶体结构。（√） 2．因为单晶体是各向异性的，所以实际应用的金属材料在各个方向上的性能也是不相同的。（×） 3．金属多晶体是由许多位向相同的单晶体组成的。（×） 4．因为面心立方晶格的配位数大于体心立方晶格的配位数，所以面心立方晶格比体心立方晶格更致密。（√） 5．在立方晶系中，原子密度最大的晶面间的距离也最大。（√） 6．金属理想晶体的强度比实际晶体的强度稍强一些。（×） 7．晶体缺陷的共同之处是它们都能引起晶格畸变。（√） 四、选择题： 1．组成合金中最基本的，能够独立存在的物质称为：（b） a．相；b．组元；c．合金。 2．正的电阻温度系数的含义是：（b） a．随温度升高导电性增大；b．随温度降低电阻降低；c．随温度增高电阻减小。 3．晶体中的位错属于：（c） a．体缺陷；b．面缺陷；c．线缺陷；d．点缺陷。 4．亚晶界是由：（b） a．点缺陷堆积而成；b．位错垂直排列成位错墙而构成；c．晶界间的相互作用构成。5．在面心立方晶格中，原子密度最大的晶向是：（b） a．<100>；b．<110>；c．<111>。 6．在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是：（b） a．｛100｝；b．｛110｝；c．｛111｝。 第三讲实际金属的晶体结构 第三节实际金属的晶体结构 一、主要内容： 晶体缺陷的概念，研究晶体缺陷的意义，晶体缺陷的种类 点缺陷的概念、种类，点缺陷产生的原因，晶格畸变的概念，间隙原子，置换原子，晶格空位， 线缺陷的概念，线缺陷的种类，刃型位错、螺型位错的特征，正刃型位错、负刃型位错，左螺型位错、右螺型位错，混合型位错，位错周围的应力场，位错周围的晶格畸变，柏氏矢量的概念，柏氏矢量的确定、表示方法，用柏氏矢量判断位错的类型，位错密度，位错在晶体中的特性。 面缺陷的种类，晶体表面，晶界，小角度晶界，大角度晶界，亚晶界，堆垛层错，相界，晶界的特性。 二、要点： 缺陷的概念及缺陷的种类。 三、方法说明; 晶体内部的缺陷确实存在，晶体内部的缺陷对金属的性能有很大的影响甚至起着决定性的作用。应该了解晶界与相界的区别，晶界的特性。 重点概念：是晶格畸变，间隙原子，置换原子，位错，亚结构。 难点：是螺型位错，用模型讲述会更清楚。 授课内容： 一、点缺陷 点缺陷的类型及特点： 金属晶体中常见的点缺陷有：空位、间隙原子、置换原子等。 晶体中位于晶格结点上的原子并非静止不动的，而是以其平衡位置为中心作热运动。当某一瞬间，某个原子具有足够大的能量，克服周围原子对它的制约，跳出其所在的位置，使晶格中形成空结点，称空位。挤入间隙的原子叫间隙原子； 占据在原来晶格结点的异类原子叫置换原子。 1、空位 空位是一种热平衡缺陷,即在一定温度下,空位有一定的平衡浓度。空位在晶体中的位置不是固定不变的,而是不断运动变化的。空位是由原子脱离其平衡位置而形成的，脱离平衡位置的原子大致有三个去处： (1)迁移到晶体表面上,这样所产生的空位叫肖脱基空位； (2)迁移到晶格的间隙中,这样所形成的空位叫弗兰克尔空位； (3)迁移到其他空位处,这样虽然不产生新的空位,但可以使空位变换位置。 晶格畸变：由于空位的存在。其周围原子失去了一个近邻原子而使相互间的作用失去平衡，因而它们朝空位方向稍有移动，偏离其平衡位置，就会在空位周围出现一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，叫晶格畸变。 2、间隙原子 处于晶格间隙中的原子即为间隙原子。在形成弗兰克尔空位的同时,也形成一个间隙原子，另外溶质原子挤入溶剂的晶格间隙中后，也称为间隙原子,他们都会造成严重的晶体畸变。间隙原子也是一种热平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度，对于异类间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。 3、置换原子第一章+金属的晶体结构作业+答案
33 实际金属的晶体结构 一、多晶体结构和亚结构
金属与合金的晶体结构
常见的金属晶体结构
第一章__金属的晶体结构习题答案
第一章 金属的晶体结构
纯金属与合金的晶体结构
第二章金属及合金相的晶体结构
第一章 金属的晶体结构习题答案
7第七章合金与相图
常见的金属晶体结构
金属的晶体结构
(完整版)材料科学基础习题库第一章-晶体结构
金属学及热处理习题参考答案(1-9章)
实际金属的晶体结构
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