第二章 金属材料
上节回顾
原子间的键合
离子键 共价键 金属键 范德瓦尔斯键 氢键
晶体学基础
空间点阵 晶胞 晶系 布拉菲点阵 空间点阵与晶体结构
2.2.3 纯金属的晶体结构
金属晶体中的结合键为金属键，由 于金属键无饱和性、无方向性，所 以大多数金属晶体都是具有紧密排 列、对称性高的简单晶体结构。
1. 三种典型的金属晶体结构
纯铁加热时的膨胀曲线
2.3 晶体结构的缺陷
晶体在定义上有序是完美无缺的，但实际晶体 中存在各式各样的缺陷（原子水平的，有的则是较 大尺寸）。 原子水平的缺陷对聚合物材料没有什么影响，但 对金属或陶瓷的性质和性能就会有很大影响。缺陷的 影响既有正面的也有负面的，利用和控制晶体中的缺 陷，可以对材料进行增强，提高材料的流动加工性。 有时甚至可以人为引入一些缺陷，赋予材料更高的导 电性、更强的磁性等。所以“缺陷”并不一定是贬义 的，它有许多值得利用的价值。
（2）点阵常数与原子半径的关系
点阵常数：晶胞的棱边长度（a,b,c）
不同金属可以有相同的点阵类型，但却具有 各不相同的点阵常数，且随温度不同而变化
面心立方结构（a=b=c ）
体心立方结构（a=b=c ）
密排六方结构（a=b≠c ）
点阵常数用a和c来表示， 轴比：c/a=1.633，a=2r（原子看做等径钢球） 轴比：c/a≠1.633，（a2/3+c2/4）1/3=2r
1. 金属形变基础
加工硬化或冷变形强化 断裂
塑性形变 （均匀的） 弹性形变
应力-应变曲线
1. 塑性形变对金属材料组织和性能的影响
（1）冷形变金属的组织
金属材料经塑性形变后，组织结构会发生明显 的变化。除了每个晶粒内部出现大量的滑移带 或孪晶带外，还会出现新的亚晶，各种结构缺 陷（如位错、空位、间隙原子、层错）的浓度 也升高。随着形变量的增加，原来的等轴晶粒 将逐渐沿其变形方向伸长。当形变量很大时， 晶界变得模糊不清，晶粒以难以分辨并沿材料 流变伸展的方向呈现纤维状，称为纤维组织。 这种纤维组织沿其形变方向强度、硬度增加， 横向则不然，出现了性能的各向异性。
点缺陷：其特征是在三维空间的各个方向上
尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺 度，故称为零维缺陷，如：空穴、间隙原子、 杂质或溶质原子等
线缺陷：其特征是在三维两个方向上尺寸都
很小，另外一个方向上的尺度相对很长，故也 称一维缺陷，如：位错
面缺陷：其特征是在三维空间一个方向上尺
寸很小，另外两个方向上的尺寸很大，故称为 二维缺陷，如：晶界、相界等
体心立方结构 （BCC） 面心立方结构（FCC） 密排六方结构 （HCP）
面心立方（FCC或A1）的晶胞与刚球模型
Al、Cu、Au、Ag、Pt、Pb、γ-Fe
体心立方（BCC或A2）晶胞与刚球模型
W、V、β-Ti、α-Fe、K
六方密堆积结构(hcp或A3)
Mg、Zn、Cd、Ag、α-Be、α-Ti、
1. 点缺陷
材料在加工过程中得到能量产生空穴，或人为 导入杂质，或人为制造合金时就会产生各类点 缺陷，正常的晶体位置缺少原子就称为空穴。 材料在结晶过程中，加热时或受到辐射作用时 都会产生空穴。室温下空穴数目很少，但随着 温度升高而增多。
当有外来原子占据正常晶格点中间的间隙位置 时，就构成间隙缺陷。虽然间隙原子比晶格上 的原子小得多，但仍比间隙尺寸要大。结果使 周围的原子受到挤压而变形。间隙原子有时是 杂质，有时是人为导入的。如将碳原子导入铁 的晶格以形成钢。这种间隙缺陷一旦引入，数 目就是固定的，不会因温度变化而改变。
3种典型的金属单晶体的应力-应变曲线
铝单晶与多晶体的应力-应变曲线比较（室温）
课堂作业
1. 试述原子间的键合方式，并举例说明。
2. 空间点阵的概念？空间点阵和晶体结构的关系？
3. 纯金属的晶体结构有哪些？并分析他们的特征
4. 金属晶体结构的缺陷？
5. 描述金属材料的形变过程。
（2）冷形变金属的加工硬化
Ⅱ线性硬化阶段： 位错密度增加， 其它滑移系统被 激活，形成压杆 位错，阻碍位错 的继续运动，从 而产生大的硬化 效应 Ⅰ易滑移阶段： 加工硬化主要来 自位错的增殖所 引起的内应力 单晶体加工硬化3阶段示意图
Ⅲ抛物线型硬化 阶段：滑移线变 粗成滑移带，新 增加的应变几乎 全部集中在这些 滑移带内，且滑 移带碎花。
（3）配位数和致密度 定量地表示原子排列的紧密程度
配位数：晶体结构中任一原子周围最近邻且等 距离的原 晶胞中原子体积与晶胞体积之比值。
K=nv/V
（4）晶体结构中的间隙 面心立方晶体结构的间隙
体心立方晶体结构的间隙
密排六方晶体结构的间隙
2. 金属的多晶型性
螺旋位错
3. 面缺陷
晶粒的边界与相的边界构成面缺陷。晶粒生长时 相遇的面就是晶粒的边界。尽管晶体的结构相同， 但原子平面的取向可以不同，所以在晶体界面上的 原子可能不属于任何一方。
(a) 小角晶粒边界 (b) 双层边界
2.4 金属材料的形变
1. 金属形变基础
2. 塑性形变对金属材料组织和性能的影响
点缺陷 (a)空穴；(b)间隙原子；(c)小取代原子；(d)大取代原子； (e)Frenkel缺陷；(f)Schttky缺陷
2. 线缺陷
线缺陷就是晶体中的位错。按严格的几何意义，位 错是直径约5个原子的柱状缺陷，在晶体中以各种 方向延伸，不一定是直线。位错在金属材料中大量 存在，在自然生长的金属单晶中，每单位平方厘米 的面积就有106个位错穿过。
（1）晶胞中的原子数 （2）点阵常数与原子半径的关系 （3）配位数和致密度 （4）晶体结构中的间隙
（1）晶胞中的原子数
顶点占1/8
棱占1/4
面心占1/2
体心占1
面心立方结构：
n=8×1/8+6×1/2=4
体心立方结构：
n=8×1/8+1=3
密排六方结构：
n=12×1/6+2×1/2+3=6