第一章 材料的结构与性能
第一节 金属材料的结构与组织
单元 1
单元 2
纯金属的晶体结构
合金的晶体结构及金属材料的组织
单元 3
第二节 金属材料的性能
金属材料的机械性能
单元 4 金属材料的工艺、物理和化学性能
素材库 习题库 目 录
单元 1
1.材料的结构与性能 1.1 金属材料的结构与组织
纯金属的晶体结构
晶体,材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则
的周期性排列的物体。如金刚石、水晶、金属等。
非晶体, 材料的原子（离子、分子）在三维空间无规
则排列的物体。如松香、石蜡、玻璃等
素材库 练习一 目 录
1.1.1 纯金属的晶体结构
晶体结构 — 晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式,
晶格 — 假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。
晶胞 — 能反映晶格特征的最小组成单元。
晶格常数 — 晶胞的三个棱边的长度 a,b,c
1.材料的结构与性能 1.1 金属材料的结构与组织
单元 1 (一 ) 常见的金属晶体结构
① 体心立方晶格 （ BCC— Body-Centered Cube）
素材库 练习一 目 录
有,钼（ Mo）、钨、钒、铬、铌,α-Fe等
② 面心立方晶格 （ FCC— Face-Centered Cube）
③ 密排六方晶胞 （ HCP — Hexagonal Close-Packed）
面心立方晶格金属有,铝、铜、镍、金、银,γ-Fe等 。
密排六方晶格金属有,镁、镉（ Cd）、锌、铍（ Be）等。
1.材料的结构与性能 1.1 金属材料的结构与组织
单元 1 (二 ) 金属晶体中的晶面和晶向
晶面 — 晶体学中，通过晶体中原子中心的平面称晶面。
晶向 — 晶体学中，通过晶体中原子中心的直线为原子
列，其所代表的方向叫晶向。
晶面 和 晶向 可分别用 晶面指数 和 晶向指数 来表达。
素材库 练习一 目 录
X
Y
Z (001)
(100)
(010)
（ 1）晶面和晶向的表示方法
① 立方晶系的晶面表示方法
举例,（ 100）, （ 110） （ 111）、（ 010） 等
晶面族, 原子排列完全相同但在空间位向不同。
如：｛ 111｝、｛ 100｝ ｛ 110｝等
② 立方晶系的晶向表示方法
举例, [111],[100],[110],[101] 等。
晶向族, 原子排列完全相同但在空间位向不同。
如, <100>
1.材料的结构与性能 1.1 金属材料的结构与组织
单元 1
X
Y
Z
[111]
[100]
[110]
[011]
[101]
素材库 练习一 目 录
立方晶系中如一个晶面指数和一个晶向指数数值和符号相
同时，则该晶面和该晶向互相垂直。
如, （ 111） ⊥ [111]
（ 2）密排面和密排方向
体心立方晶格中｛ 110｝为密排面,
<111>为密排方向。
面心立方晶格中｛ 111｝为密排面,
<110>为密排方向 。
（三）金属晶体的特性
① 金属有确定的熔点。
② 金属晶体有各向异性（单晶体）。
③ 晶体排列有规则的、周期的长程有序（纳米级）。
④ 具有规则的外形。
1.材料的结构与性能 1.1 金属材料的结构与组织
单元 1 （四）实际金属中的晶体缺陷
（ 1）点缺陷 — 三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。
① 空位
① 空位 ② 间隙原子 ③ 异类原子
② 间隙原子
③ 异类原子
素材库 练习一 目 录
（ 2）线缺陷 — 二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。
① 刃型位错 ② 螺型位错
① 刃型位错
（ 3）面缺陷 — 二维尺度很大而第
三维尺度很小的缺陷。
① 晶界 ② 亚晶界
晶界
1.材料的结构与性能 1.1 金属材料的结构与组织
单元 1 1.1.1 纯金属的晶体结构
（四）实际金属中的晶体缺陷
※ 金属晶体缺陷的影响？
点缺陷 --造成局部晶格畸变,使金属的电阻率 ;屈服强度增加,
密度发生变化。
线缺陷 --形成位错对金属的机械性能影响很大，位错极少时,
金属强度很高，位错密度越大，金属强度也会提高。
面缺陷 --晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高,
金属塑性变形的能力越大，塑性越好。
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第一节 金属材料的结构与组织
单元 1
单元 2
纯金属的晶体结构
合金的晶体结构及金属材料的组织
单元 3
第二节 金属材料的性能
金属材料的机械性能
单元 4 金属材料的工艺、物理和化学性能
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单元 1
1.材料的结构与性能 1.1 金属材料的结构与组织
纯金属的晶体结构
晶体,材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则
的周期性排列的物体。如金刚石、水晶、金属等。
非晶体, 材料的原子（离子、分子）在三维空间无规
则排列的物体。如松香、石蜡、玻璃等
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1.1.1 纯金属的晶体结构
晶体结构 — 晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式,
晶格 — 假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。
晶胞 — 能反映晶格特征的最小组成单元。
晶格常数 — 晶胞的三个棱边的长度 a,b,c
1.材料的结构与性能 1.1 金属材料的结构与组织
单元 1 (一 ) 常见的金属晶体结构
① 体心立方晶格 （ BCC— Body-Centered Cube）
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有,钼（ Mo）、钨、钒、铬、铌,α-Fe等
② 面心立方晶格 （ FCC— Face-Centered Cube）
③ 密排六方晶胞 （ HCP — Hexagonal Close-Packed）
面心立方晶格金属有,铝、铜、镍、金、银,γ-Fe等 。
密排六方晶格金属有,镁、镉（ Cd）、锌、铍（ Be）等。
1.材料的结构与性能 1.1 金属材料的结构与组织
单元 1 (二 ) 金属晶体中的晶面和晶向
晶面 — 晶体学中，通过晶体中原子中心的平面称晶面。
晶向 — 晶体学中，通过晶体中原子中心的直线为原子
列，其所代表的方向叫晶向。
晶面 和 晶向 可分别用 晶面指数 和 晶向指数 来表达。
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X
Y
Z (001)
(100)
(010)
（ 1）晶面和晶向的表示方法
① 立方晶系的晶面表示方法
举例,（ 100）, （ 110） （ 111）、（ 010） 等
晶面族, 原子排列完全相同但在空间位向不同。
如：｛ 111｝、｛ 100｝ ｛ 110｝等
② 立方晶系的晶向表示方法
举例, [111],[100],[110],[101] 等。
晶向族, 原子排列完全相同但在空间位向不同。
如, <100>
1.材料的结构与性能 1.1 金属材料的结构与组织
单元 1
X
Y
Z
[111]
[100]
[110]
[011]
[101]
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立方晶系中如一个晶面指数和一个晶向指数数值和符号相
同时，则该晶面和该晶向互相垂直。
如, （ 111） ⊥ [111]
（ 2）密排面和密排方向
体心立方晶格中｛ 110｝为密排面,
<111>为密排方向。
面心立方晶格中｛ 111｝为密排面,
<110>为密排方向 。
（三）金属晶体的特性
① 金属有确定的熔点。
② 金属晶体有各向异性（单晶体）。
③ 晶体排列有规则的、周期的长程有序（纳米级）。
④ 具有规则的外形。
1.材料的结构与性能 1.1 金属材料的结构与组织
单元 1 （四）实际金属中的晶体缺陷
（ 1）点缺陷 — 三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。
① 空位
① 空位 ② 间隙原子 ③ 异类原子
② 间隙原子
③ 异类原子
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（ 2）线缺陷 — 二维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。
① 刃型位错 ② 螺型位错
① 刃型位错
（ 3）面缺陷 — 二维尺度很大而第
三维尺度很小的缺陷。
① 晶界 ② 亚晶界
晶界
1.材料的结构与性能 1.1 金属材料的结构与组织
单元 1 1.1.1 纯金属的晶体结构
（四）实际金属中的晶体缺陷
※ 金属晶体缺陷的影响？
点缺陷 --造成局部晶格畸变,使金属的电阻率 ;屈服强度增加,
密度发生变化。
线缺陷 --形成位错对金属的机械性能影响很大，位错极少时,
金属强度很高，位错密度越大，金属强度也会提高。
面缺陷 --晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高,
金属塑性变形的能力越大，塑性越好。
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