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第二章 材料的结构第二章 材料的结构 Chapter 2 Structures of MaterialsChapter 2 Structures of Materials主要内容：l纯金属的晶体结构 l合金的晶体结构 l高分子聚合物的结构 l陶瓷材料的结构金刚石的晶体结构石墨的晶体结构第二章 材料的结构第一节 纯金属的晶体结构一、晶体的基本概念1.晶体与非晶体l 晶体（Crystal）晶体是其内部原子在三维空间呈规则排列的物质例如：所有的金属、食盐等晶体的特点：①结构有序；②各向异性；③有固定的熔点第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构各向异性（Anisotropy）：在测定材料的性能时，沿不同 方向测定所得的结果各不相同 ，即各向异性l 非晶体（Non-crystal）非晶体是其内部原子排列无序的物质例如：普通玻璃、松香等非晶体的特点：①结构无序；②各向同性；③没有固定的熔点；④热导率(导热系数)和热膨胀性小；⑤塑性变形大；⑥组成的变化范围大各向同性（Isotropy）：在测定材料的性能时沿任何方 向测定的结果都是一致的，不 因方向而异，即各向同性，或 称等向性第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构2.晶体学的基本知识 l 晶格（Crystal Lattice） 晶体结构的描述： ①将晶体的原子看成是刚性小球； ②把原子抽象为几何点； ③用假想的直线将几何点连接起来。

晶体模型晶格：用以描述晶体中原子排列规律 的空间几何格架晶格第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构l 晶胞（Unit Cell）晶胞在三维空间平移，即可重构晶格晶胞晶格晶胞：组成晶格的最小几何单元体第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构晶胞的表示方法XYZcb aa、 b、 c —晶格常数（点阵常数） 、 、 — 夹角 l 晶格常数（Lattice Constant）晶格常数：晶胞的几何尺寸 又称为点阵常数第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构l 晶面与晶面指数 （1）晶面（Crystallographic Plane）在晶格中由一系列原子所构成的平面，称为晶面晶格中由一些原子构成的原子面第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构（2）晶面指数（Indices of Crystallographic Plane）为便于研究和表述给晶面规定的符号确定晶面指数的步骤：①求截距求出待定晶面在三个坐标轴上的截距②取倒数将三个截距之值变为倒数③化简并加圆括号将三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号晶面指数的一般形式：（hkl）第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构立方晶格中的三种重要晶面第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构l 晶向与晶向指数（1）晶向（Crystallographic Direction）在晶格中，任意两原子之间的连线所指的方向，称为晶向。

晶格中由一些原子构成的原子列第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构（2）晶向指数（Indices of Crystallographic Direction）为便于研究和表述给晶向规定的符号确定晶向指数的步骤：①引直线通过坐标原点引一条直线，使其平行于待求的晶向②求坐标值求出所引直线上任意一点的三个坐标值③化简并加方括号将三个坐标值按比例化为最小整数，并加上一方括号晶向指数的一般形式：[uvw]第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构立方晶格中的一些重要晶向第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构关于晶面和晶向的几点说明：F某一晶面指数并不仅代表某一具体的晶面，而是代表一 组相互平行的晶面所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数F原子排列情况完全相同的所有晶面同属于一个晶面族晶面族用{hkl}表示F某一晶向指数并不仅代表某一具体的晶向，而是代表了 一族平行线的位向所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指数F原子排列情况完全相同的所有晶向同属于一个晶向族晶向族用＜uvw＞表示F在立方晶系中，相同指数的晶面和晶向相互垂直第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构l 晶格结构的表征晶格尺寸：以晶格常数表示。

原子半径（r）：代表原子的刚性小球的半径晶胞原子数（n）：晶胞内的原子数目晶格中原子排列的紧密程度：①配位数（Z）（Coordination Number）晶格中与任一原子等距且最近邻的原子数目②致密度（K）（堆积因子）（Packing Fact）晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构a体心立方晶格二、常见纯金属的晶格类型1.体心立方晶格（bcc，body-centered cubic lattice） l 晶格的特征体心立方晶体模型具有bcc结构的金属：-Fe、Na、K、Cr、W、Mo、V、Nb、Ta等第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构l 晶格的基本参数①原子半径②晶胞原子数n =1/8×8 + 1 = 2③配位数Z＝8④致密度 0.68＝68% a第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构a面心立方晶格2.面心立方晶格（fcc，face-centered cubic lattice） l 晶格的特征面心立方晶体模型具有fcc结构的金属：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag、Pt、Pb等第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构al 晶格的基本参数①原子半径②晶胞原子数n =1/8×8 + 1/2×6 = 4③配位数Z =12④致密度  0.74＝74% 第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构密排六方晶格两个简单六方晶格穿插 在一起构成密排六方晶格3.密排六方晶格（hcp，hexagonal close-packed lattice）l 晶格的特征密排六方晶体模型ac具有hcp结构的金属：Mg、Zn、Cd、Be、-Ti等。

c /a 称为密排六方晶格的轴比理想的hcp晶格的轴比c /a  1.633第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构l 晶格的基本参数①原子半径②晶胞原子数n =1/6×12 + 1/2×2 + 3 = 6 ③配位数Z =12④致密度  0.74＝74% 第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构1.单晶体与多晶体l 单晶体（Single Crystal）的特征 晶格排列方位完全一致 晶体具有各向异性例如：单晶硅、单晶锗等l 多晶体（Polycrystal）的特征 晶体由许多小单晶体组成，各单晶体的晶格排列位向不相同 晶体具有伪各向同性例如：常用的金属等第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构单晶体结构示意图多晶体结构示意图晶粒 （Grain）晶界 （Grain Boundary）第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构2.理想晶体与实际晶体l 理想晶体（Perfect Crystal）的概念原子排列规则、无任何缺陷的晶体，称为理想晶体或完整晶体l 实际晶体中的晶体缺陷在实际晶体（如实际应用的金属材料）中存在晶体缺陷。

3.晶体缺陷（Crystal Defect ）原子偏离规则排列的不完整性区域，称为晶体缺陷晶体缺陷不仅对金属及合金的性能有重大影响，而且还在扩散、相变、塑性变形和再结晶等过程中起重要作用晶体缺陷根据其几何形态特征，有点缺陷、线缺陷、面缺陷等类别第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构l 点缺陷（Point Defect）在三维空间各方向上尺寸都很小，亦称为零维缺陷点缺陷主要有空位、间隙原子、置换原子等空位（Vacancy）：晶格中某个原子脱离了平衡位置而形成的空结点间隙原子（Interstitial Atom）：晶格间隙中挤进的原子置换原子（Substitutional Atom）：外来的取代晶格正常阵点上的原子的异类原子第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构晶体中的点缺陷空位间隙原子置换原子第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构点缺陷对晶格规律性的影响：点缺陷的存在，破坏了原子的平衡，造成晶格局部产生畸变点缺陷对晶体性能的影响：点缺陷提高材料的电阻率、硬度和强度，降低材料的塑性和韧性，还使材料的密度发生变化空位使晶格局部收缩间隙原子使晶格局部膨胀 置换原子使晶格局部膨胀第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构l 线缺陷（Line Defect）在三维空间两个方向上尺寸很小，亦称为一维缺陷。

线缺陷主要是位错位错（Dislocation）：位错是晶体中一列或若干列原子发生有规律的错排现象产生位错的主要原因是晶体内部原子的局部滑移，根据局部滑移的方式不同，位错有刃型位错、螺型位错和由这两种位错混合组成的混合位错等类型第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构E晶体中的刃型位错位错线 （Dislocation Line）刃型位错（Edge Dislocation）：第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构多余半原子面 （Extra Plane)第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构正刃型位错和负刃型位错：刃型位错的符号：〝正〞－〝 〞，〝负〞－〝 〞第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构螺型位错（Screw Dislocation）：晶体中的螺型位错位错对晶体强度的影响位错对晶格规律性的影响：在位错线附近，原子的错排使晶格发生畸变第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构位错对晶体性能的影响：位错的存在可降低晶体的强度当位错大量产生后，又可提高晶体的强度，同时使晶体的塑性和韧性 降低注：注：位错密度指单位体积晶体中位错线的总长度第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构l 面缺陷（Planar Defect）在三维空间一个方向上尺寸很小，另外两个方向上尺寸较大。

面缺陷主要有晶界、亚晶界、孪晶界、相界、表面等晶界（Grain Boundary）：晶界是晶粒与晶粒之间的界面亚晶界（Sub-grain Boundary）：晶粒内部位向差很小(一般1～2°)的小角度晶界在晶粒内部，原子的排列并非完整，在一些局部区域，晶格的位向存在差异相对完整的部分称亚晶粒，亚晶粒之间的界面就是亚晶界相界（Phase Boundary）：相与相之间的界面 晶界示意图亚晶界示意图10 10 第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构不锈钢中的晶界第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构Cu-Ni 合金中的亚结构第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构晶界等面缺陷对晶格规律性的影响：晶界是不同位向晶粒之间的过渡层，原子排列较紊乱，处于无规则排列状态，或位于两种晶粒位向的折衷位置上晶界等面缺陷对晶体性能的影响：晶界等面缺陷能同时提高晶体的强度和塑性细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段第二节 合金的晶体结构重要概念：l 合金（Alloy）由两种或两种以上的金属，或金属与非金属组成的具有金属特征 的物质 l 组元（Component）组成合金最基本的、独立的物质。

组元可以是元素，也可以是稳定的化合物根据组元数，合金有单元合金、二元合金、三元合金、多元合金 l 合金系（Alloy System）由给定组元以不同的比例配制而成的一系列成分不同的合金，它们构成一个合金系统，即合金系第二章 材料的结构－§2.2 合金的晶体结构举例：举例：碳钢（Carbon Steel）：由铁（Fe）和碳（C）所组成的合金 Fe和C是合金的组元Fe、C含量不同的碳钢同属于铁碳合金系有Fe和C两个组元，属于二元合金黄铜（Brass）：由铜（Cu）和锌（Zn）所组成的合金Cu和Zn是合金的组元Cu、Zn含量不同的黄铜同属于铜锌合金系有Cu、Zn两个组元，属于二元合金。