金属学第一章2

第一章材料的结构重点与难点：在晶体结构中，最常见的面心立方结构（fcc）、体心立方结构（bcc）、密排六方结构（hcp）、金刚石型结构及氯化钠型结构。

内容提要：在所有固溶体中，原子是由键结合在一起。

这些键提供了固体的强度和有关电和热的性质。

例如，强键导致高熔点、高弹性系数、较短的原子间距及较低的热膨胀系数。

由于原子间的结合键不同，我们经常将材料分为金属、聚合物和陶瓷3类。

在结晶固体中，材料的许多性能都与其内部原子排列有关。

因此，必须了解晶体的特征及其描述方法。

根据参考轴间夹角和阵点的周期性，可将晶体分为7种晶系，14种晶胞。

本章重点介绍了在晶体结构中，最常见的面心立方结构（fcc）、体心立方结构（bcc）、密排六方结构（hcp）、金刚石型结构及氯化钠型结构。

务必熟悉晶向、晶面的概念及其表示方法（指数），因为这些指数被用来建立晶体结构和材料性质及行为间的关系。

在工程实际中得到广泛应用的是合金。

合金是由金属和其它一种或多种元素通过化学键合而成的材料。

它与纯金属不同，在一定的外界条件下，具有一定成分的合金其内部不同区域称为相。

合金的组织就是由不同的相组成。

在其它工程材料中也有类似情形。

尽管各种材料的组织有多种多样，但构成这些组织的相却仅有数种。

本章的重点就是介绍这些相的结构类型、形成规律及性能特点，以便认识组织，进而控制和改进材料的性能。

学习时应抓住典型例子，以便掌握重要相的结构中原子排列特点、异类原子间结合的基本规律。

按照结构特点，可以把固体中的相大致分为五类。

固溶体及金属化合物这两类相是金属材料中的主要组成相。

它们是由金属元素与金属元素、金属元素与非金属元素间相互作用而形成。

固溶体的特点是保持了溶剂组元的点阵类型不变。

根据溶质原子的分布，固溶体可分为置换固溶体及间隙固溶体。

一般来说，固溶体都有一定的成分范围。

化合物则既不是溶剂的点阵，也不是溶质的点阵，而是构成了一个新的点阵。

虽然化合物通常可以用一个化学式（如AxBy）表示，但有许多化合物，特别是金属与金属间形成的化合物往往或多或少由一定的成分范围。

第一章金属学基本原理金属学是研究金属和合金的成分、组织、性能及其变化规律的一门科学。

学习金属学基础知识，重点在于掌握组织、组织的形成及其变化规律等方面的基本概念和基本原理，因为这是物理金相实验工借以了解各种金属材料的成分、热处理、组织与性能之间关系的基础。

本章的主要内容是：金属及合金的结构和结晶方面的基础知识；合金的基本组织及状态图；有关铁—碳平衡图的一些基本知识。

第一节纯金属的结构与结晶一、纯金属的晶体结构金属晶体是由原子在空间严格按照一定的规律周期性重复排列所构成的，这是把晶格中的原子排列看成是绝对完整的。

其实这是一种完全理想化的晶体结构，因此被称为理想晶体。

但在实际金属晶体中，原子的排列不可能这样规则和完整。

在晶体内部，由于种种原因，在局部区域或局部地带内原子的规则排列往往受到干扰和破坏，形成了各种形式的晶体缺陷。

因此，实际晶体是以结构的规则排列为主，兼有不规则排列，这就是实际金属晶体结构的特点。

金属晶体中缺陷的种类较多，根据晶体缺陷的几何形态特征，可以将它们分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。

点缺陷：是指长、宽、高的尺寸都很小（相当于原子的尺寸）的缺陷，包括空位、间隙原子、杂质或溶质原子以及由它们组合而成的复合点缺陷。

线缺陷：是在两个方向上（晶体的某一个平面上）的尺寸很小，第三个方向的尺寸相对很大的缺陷，是指各类位错。

其中较简单的有刃型位错和螺型位错。

面缺陷：是在两个方向上尺寸很大，而第三个方向上尺寸很小的缺陷。

有晶界、亚结构、相界、孪晶界和堆垛层错等。

1.空位和间隙原子金属晶体中的原子应处在晶格的结点上。

但在实际金属晶体结构中，并非每个结点都有原子占据，而在某些应该占据原子而实际空缺的结点位置称为空位。

见图1－1。

晶格内部除了原子占有绝大部分体积外，还有空隙存在，其中某些尺寸较大的空间有可能被原子挤入，这种占据晶格空隙的原子称为间隙原子，见图1－1。

在空位和间隙原子的附近，由于原子间作用力的平衡被破坏，使其周围的其他原子发生靠拢（如空位附近的原子）或撑开（如间隙原子附近的原子）的现象，这种变化称为晶格畸变，见图1－2。

金属学名词解释金属学名词解释第一章：金属的晶体结构金属：具有正的电阻温度系数的物质，其电阻岁温度的升高而增加。

晶体：原子在三维空间作有规则的周期性排列的物质。

它具有一定的熔点并且各向异性。

晶体结构：晶体中原子在三维空间有规则的周期性的具体排列方式。

阵点：为了清楚地表明原子在空间排列的规律性，常常将构成晶体的原子（或原子群）忽略，而将其抽象为纯粹的几何点，称之为阵点空间点阵：由阵点有规则的周期性重复排列所形成的三维空间阵列。

晶格：将阵点用直线连接起来形成的空间格子。

晶胞：能够反映晶格特征的最小几何单元。

晶面：在晶体中，由一系列原子所组成的平面称之为~ 晶向：在晶体中，任意两个原子之间的连线所指的方向。

多晶体：凡是由两颗以上晶粒所组成的晶体能量起伏：对于一个原子来说，这一瞬间能量可能高些，另一瞬间反而可可能低些的现象刃型位错：1.有一额外半原子面，2 位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，既有正应变又有切应变，3位错线与晶体滑移方向相垂直，位错线运动方向垂直于位错线。

4，柏氏矢量与位错线垂直。

螺型位错：1没有额外半原子面，2位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，只有切应变，而无正应变，3位错线与晶体滑移方向相平行，位错线运动方向垂直于位错线。

4，柏氏矢量与位错线平行。

晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面。

亚晶界：由直径为10-100μm的晶块组成，彼此间存在极小的位相差（通常<2°）这些晶块之间的内界面称为亚晶粒间接，简称~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，是通常发生于面心立方金属的一种面缺陷。

相界：具有不同晶体结构的两相之间的分界面。

有共格，半共格，非共格三种。

第二章：纯金属的结晶结晶：金属由液态转变为固态的过程称谓凝固，由于凝固后的固态金属通常是晶体，所以又将这一转变过程称谓~过冷度：金属的理论结晶温度Tm与实际结晶温度Tn之差，金属不同，则过冷度大小不同，金属的纯度越高，则过冷度越大，当以上两因素确定后，过冷度的大小主要取决于冷却速度，冷却速度越大，则过冷度越大，实际结晶温度越低，反之，冷却速度越慢，则过冷度越小，实际结晶温度越接近于理论结晶温度。

第一章：金属与合金的晶体结构【金属键】金属正离子与自由电子之间相互作用构成的金属原子间的结合力称为“金属键”。

【晶体结构】指晶体中原子（离子、分子或原子集团）在三维空间中有规律的周期性的重复排列方式【空间点阵】指阵点有规律的周期性的重复排列所形成的空间几何图形【晶格】人为的将阵点用直线连接起来形成的空间格子【晶胞】能够完全反应晶格特征的最小几何单元【配位数】指晶体结构中与任一原子最近邻、等距离的原子数目【晶向族】指同一晶体结构中，原子排列相同但空间位向不同的所有晶向【晶面族】指同一晶体结构中，原子排列完全相同但空间位向不同的晶面【共带面】平行于或相交于同一直线的一组晶面【晶体的各向异性】指沿晶体的不同方向，原子排列的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致的晶体在不同方向上的物理化学性质不同，称为“晶体的各向异性”。

【伪等向性】指一般情况下整个晶体不显示各向异性称为“伪等向性”。

【多晶型转变】（又称同素异构转变）指外部条件改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变。

【合金】由两种或以上的金属，或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。

【组元】组成合金最基本的、独立的的物质【合金相】（又称相）指合金中结构相同、成分性能均一并以界面相互分开的组成部分。

【置换固溶体】指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体【间隙固溶体】当溶质原子比较小时，能够进入溶剂晶格的间隙位置内，这样形成的固溶体称为“间隙固溶体”。

【有限固溶体】指一定限度内溶解但超过这一限度便不再溶解的固溶体。

【无限固溶体】指溶质能以任意比例融入溶剂的固溶体【有序固溶体】指溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布的固溶体【一次固溶体】以纯金属为基的固溶体。

【二次固溶体】（中间相）以化合物为基的固溶体。

【固溶强化】指固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，而塑性、韧性下降，这种现象称为“固溶强化”。

一：大纲分析：北京科技大学2009年攻读硕士学位《金属学》复习大纲（适用专业：材料加工工程、材料学、材料科学与工程、材料物理与化学）一、金属与合金的晶体结构1.原子间的键合1)金属键, 2)离子键, 3)共价键2．晶体学基础1）空间点阵， 2）晶系及布喇菲点阵， 3）晶向指数与晶面指数3．金属的晶体结构1）典型的金属晶体结构，2）原子的堆垛方式，3）晶体结构中的间隙，4）晶体缺陷4．合金相结构1）置换固溶体，2）间隙固溶体，3）影响固溶体溶解度的主要因素4）中间相5．晶体缺陷1）点缺陷, 2)晶体缺陷的基本类型和特征, 3)面缺陷二、金属与合金的凝固1．金属凝固的热力学条件2．形核1）均匀形核，2）非均匀形核3．晶体生长1）液-固界面的微观结构，2）金属与合金凝固时的生长形态，3）成分过冷4．凝固宏观组织与缺陷三、金属与合金中的扩散1．扩散机制2．扩散第一定律3．扩散第二定律4．影响扩散的主要因素四、二元相图1．合金的相平衡条件2．相律3．相图的热力学基础4．二元相图的类型与分析五、金属与合金的塑性变形1．单晶体的塑性变形1）滑移，2）临界分切应力,3）孪生，4）纽折2．多晶体的塑性变形1）多晶体塑性变形的特点，2）晶界的影响，3.塑性变形对组织与性能的影响1）屈服现象,2)应力-应变曲线及加工硬化现象,3)形变织构等六、回复和再结晶1．回复和再结晶的基本概念2．冷变形金属在加热过程中的组织与性能变化3．再结晶动力学4．影响再结晶的主要因素5．晶粒正常长大和二次再结晶七、铁碳相图与铁碳合金1．铁碳相图2．铁碳合金3．铁碳合金在缓慢冷却时组织转变八、固态相变1．固态相变的基本特点2．固态相变的分类3．扩散型相变1）合金脱溶，2）共析转变，3）调幅分解4．非扩散型相变参考书：1.金属学（修订版）, 宋维锡主编, 冶金工业出版社，1998；2.材料科学基础, 余永宁主编, 高等教育出出版社，2006；3.材料科学基础（第二版）, 胡赓祥等主编, 高等教育出出版社，2006；4.任何高等学校材料科学与工程专业《金属学》或《材料科学基础》教学参考书。

《金属学与热处理》上课重点第一章．金属的晶体结构①【阵点】为了清楚的表明原子在空间排列的规律性，常常将构晶体的原子（活原子群）忽略，而将其抽象为纯粹的几何点，称之为阵点②【晶格】将阵点用直线连接起来形成空间格子，称之为晶格③【晶胞】从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元，来分析晶体中原子排列的规律性，这个最小的几何单元称之为晶胞④三种典型晶体结构参数，以及其原子半径、晶胞的推导晶体结构晶胞数配位数致密度面心立方晶体结构体心立方晶体结构密排六方晶体结构4261280.740.680.7412体心立方：设晶胞的点阵常数为a，则立方体对角线长度为√3 ，等于4个原子半径，所以体心立方晶胞中的原子半径r=√3 / 4；致密度：面心立方：每个角上的原子为8 个晶胞所有，每个晶胞实际占有该原子的1/8，其面对角线长度为√2，等于4 个原子半径，所以体心立方晶胞中的原子半径r=√2/ 4；致密度：密排六方：对于典型密排六方金属，其原子半径为1/2，致密度：⑤三种常见金属结构的滑移系（要求可以画出阴影）⑥晶面、晶向、晶面族、晶向族的概念【晶面、晶向、晶面族、晶向族】有一系列原子组成的平面称为晶面，任意两个原子之间的连线所指方向称为晶向；原子排列情况相同但空间位向不同的所有晶向称之为晶向族；原子排列完全相同但在空间位向不同（即不平行）的晶面，这些晶面总称为晶面族晶向指数求法：从坐标轴原点引一有向直线平行于待定晶向→在直线上取一点，求出其X、Z 三轴坐标→将三个坐标值按比例化为最小简单数→加[uvw]；Ps：a.一个晶向族代表一系列性质地位相同的晶向；b．原子排序相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族；以<uvw>表示；晶面指数求法：定原点→求截距→取倒数→化最小整数→加（uvw）Ps：a.晶面指数代表一组互相平行的晶面，即所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数；b．在同一种晶体结构中，有些晶面虽然在空间的位向不同，但其原子排列情况完全相同，这些晶面均属于一个晶面族，以{hkl}表示；若某一晶向[uvw]与某一晶面（hkl）互相垂直时，则晶向指数和晶面指数必须完全相等，即u=h，v=k，w=l；若相互平行，则必须满足：hu+vk+lw=0.⑦什么是晶体？晶体的三种缺陷及其分类？【晶体】晶体（crystal）是有明确衍射图案的固体，其原子或分子在空间按一定规律周期重复地排列【单晶体】内部晶格位向完全一致的晶体（亦称理想晶体）（1）点缺陷：在某一温度，总有一些原子具有足够高的能量，以克服周围原子对他的约束，脱离原来的平衡位置迁移导别处，于是在原位置上出现了空结点，这就是空位；例如：空位、间隙以及置换原子（2）线缺陷：它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象，使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，发声有规律的错动；例如：刃型位错（位错线与柏氏矢量垂直）、螺型位错（位错线与柏氏矢量平行）（3）面缺陷：晶体的面缺陷包括晶体的外表面和内表面两种，内表面包括：晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛晶界和相界。

第一章金属的晶体结构1、除化学成分外，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。

2、将阵点用直线连接起来形成空间格子，称之为晶格。

3、晶胞中原子排列的紧密程度通常用两个参数来表征：配位数、致密度。

4、原子所占体积与晶胞体积之比称为致密度。

5、体心立方结构有两种间隙：一种是八面体间隙，另一种是四面体间隙。

6、在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。

7、晶体的点缺陷有三种：空位、间隙原子和置换原子。

8、塑性变形时，由于局部区域的晶体发生滑移即可形成位错。

9、刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直，螺型位错的柏氏矢量与其位错线相平行。

10、把单位体积中所包含的位错线的总长度称为位错密度。

11、晶体的面缺陷包括晶体的外表面和内界面两类。

12、晶体的内界面缺陷有：晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。

13、金属：是具有正的电阻温度系数的物质，其电阻随温度的升高而增加。

14、晶体：原子在三维空间作有规则的周期性排列的物质称为晶体。

15、晶体结构：是指晶体中原子在三维空间有规律的周期性的具体排列方式。

16、点阵：能清楚地表明原子在空间排列规律性的原子的几何点，称之为点阵。

17、晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小的几何单元，称为晶胞。

用来分析晶体中原子排列的规律性。

18、配位数：是指晶体结构中与任一个原子最邻近、等距离的原子数目。

19、螺型位错：设想在立方晶体右端施加一切应力，使右端上下两部分沿滑移面发生了一个原子间距的相对切边，这种晶体缺陷就是螺型位错。

20、表面能：由于在表面层产生了晶格畸变，其能量就要升高，这种单位面积上升高的能量称为比表面能，简称表面能。

21、什么是晶体？晶体有何特性？答：晶体：原子在三维空间作有规则的周期性排列的物质称为晶体。

1）晶体具有一定的熔点。

在熔点以上，晶体变为液体，处于非晶体状；在熔点以下，液体又变为晶体。

2）晶体的另一个特点是在不同的方向上测量其性能，表现出或大或小的差异，称为各向异性或异向性。