[工学]工程材料学

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1、第一章金属的晶体结构※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※第1次课本课的基本要求⒈了解金属的特性及结构特点，金属键,金属的晶体结构,晶体结构的基本知识。⒉掌握晶向及晶面指数，晶体的各向异性。重点：常见金属的晶体结构。难点：金属键讲课学时：2学时※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※※教参及教具1.崔忠圻，金属学与热处理，机械工业出版社，2000年。2.胡德林主编，金属学及热处理，西北工业大学出版社，1994年。3.刘毅，金属学与热处理，冶金工业出版社，1996年。我们知道金属材料的化学组成不同，其性能是不同的。然而，对于同一化

2、学组成的金属材料，通过不同的工艺方法改变材料内部的组织结构可以使其性能发生很大变化。因此，研究材料的内部结构对于掌握材料的性能变化规律更好地选择和使用工程材料具有重要的指导意义。1-1金属1、金属特性与金属键金属富有光泽，具有优良导电性、导热性和塑性。金属的这些特性是由金属原子的内部结构以及原子间的结合方式决定的。金属原子的构造特点是围绕原子核运动的最外层电子数很少，通常只有1～2个，很容易摆脱原子核的束缚而变成自由电子。原子失去电子后便成为正离子，正离子又按一定几何形式规则地排列起来，而脱离了原子束缚的那些价电子都以自由电子的形式在各离子间自由地运动，它们为整个金属所共有，这种共有化的自由

3、电子称为“自由电子云”。金属晶体就是依靠各正离子与共有的自由电子云间的相互引力而结合起来的，而离子与离子间及电子与电子间的斥力则与这种引力相平衡，使金属处于稳定的晶体状态。这些共有化的自由电子云和正离子以静电引力结合起来的方式称为金属键。（如图）如何用金属键来解释金属所具有特性呢？金属具有光泽是因为金属晶体中的自由电子能吸收可见光的能量并跳到较高能级，当它重新跳回到原来低能级时，就把所吸收的可见光的能量，以电磁波的形式辐射出来，宏观上就表现为金属光泽。金属中的自由电子在外电场作用下，会沿着电场方向作定向运动，形成电流，从而使金属具有优良的导电性。自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能，因而

4、使金属具有良好的导热性。当金属发生塑性变形（即晶体中原子发生相对位移）后，正离子与自由电子间仍能保持金属键的结合，使金属显示出良好的塑性，因而金属可以塑性变形而不破坏。1-2金属的晶体结构一、晶体结构的基本知识1、晶体的特性一切物质都是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不同，可将物质分为晶体和非晶体两大类。晶体就是内部原子呈规律排列的物质。天然金刚石、结晶盐、水晶以及固态下的金属都是晶体。非晶体就是内部原子无规则地排列的物质。松香、玻璃、沥青等即为非晶体。晶体与非晶体比较，除其内部原子呈规则排列外，还具有固定的熔点、规则的外形和各向异性。应当指出，晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化

5、。例如玻璃经高温长时间加热能变为晶态玻璃。2、晶体结构的基本概念1）晶格：为了便于理解和描述晶体中原子排列的情况，可以近似地把晶体中的原子看成是固定不动的刚性小球，晶体即是由这些小球按一定的规律在空间紧密地排列而成的（刚球模型），为了便于分析和描述晶体中原子的不同排列方式，有必要将原子抽象化，即把每个原子看成一个点。把这些点用假想线连接起来，构成一个空间格架，各原子“点”就处在格架的各个结点上，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，称为晶格，如图所示。2）晶胞：由于晶体中原子有规则排列且具有周期性的特点，为便于研究，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

6、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晶胞，如图所示。整个晶格就是由许多大小和形状完全相同的晶胞在空间重复堆砌而形成的。因此，晶胞的原子排列规律可完全反映出晶格中．原子的排列情况。3）晶格常数：晶胞中各棱边的长度a、b、c称为晶格常数，以埃（）为单位来度量。在晶体学中，通常以棱边长度a、b、c和棱面夹角α、β、γ来表示晶胞的形状和大小，如图所示。3、常见金属的晶体结构自然界中的晶体有成千上万种，它们的晶体结构各不相同。根据单位晶胞中上述六个参数（a、b、c、α、β、γ）将晶体进行分类，可将晶体划分成七种类型即七个晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。（1）体心立方晶格

7、（BCC）它的晶胞是一个立方体，在立方体的八个顶角和立方体的中心，各排列一个原子。属于这种晶格类型的金属有α－Fe、W、Mo、Cr、V等。（2）面心立方晶格（FCC）它的晶胞也是一个立方体，在立方体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一Fe、Al、Cu、Ni、Pb等。（3）密排六方晶格（HCP）它的晶胞是一个六方柱体，在柱体的每个顶角上，以及上、下底的中心各排列一个原子，在晶胞中