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工程材料 金属基础理论 金属的晶体结构 固体的分类 按原子 或分子 的聚集状态分为晶体和非晶体 可以互相转换 晶体的特点 基本质点在空间规则排列 具有规则的外形 具有一定熔点 各向异性 工程材料 金属基础理论 金属的结构特征及金属键 金属原子最外层电子数少 与原子核结合力弱 摆脱原子核束缚成为自由电子 原子失去价电子变成正离子 并且按照一定的几何形式规则排列 在各自位置做轻微振动 电子在其间自由运动 形成电子云 工程材料 金属基础理论 金属晶体依靠正离子与自由电子之间的引力被牢固地结合起来 离子 电子之间的这种力相平衡 从而是金属处于稳定 该种结合方式称为金属键 金属键对性能的影响 具有良好的导电性 导热性 正的电阻温度系数 不透明 塑性好和较高的强度 工程材料 金属基础理论 其他类型的结合键 共价键是一种强吸引力的结合键 两个原子接近时借共用电子对所产生的力而结合 离子键由正负电荷相互吸引造成 与正离子相邻的是负离子 与负离子相邻的是正离子 分子键靠原子各自内部电子分布不均匀产生较弱的静电引力形成 氢键是C H O H或N H键端部暴露的质子是没有电子屏蔽的 所以 这个正电荷可以吸引相邻分子的价电子而形成 工程材料 金属基础理论 晶体的基本概念 为了研究晶体中原 分子的排列情况 将其抽象为几何点 并用直线连接起来形成的三维空间格架称为晶格 交点称为结点 组成晶格的最小几何单元称为晶胞 晶胞各边的尺寸a b c称为晶格常数 其大小通常以埃为计量单位 晶胞各边之间的相互夹角分别以 表示 工程材料 金属基础理论 简单立方晶体 a 晶体结构 b 晶格 c 晶胞 工程材料 金属基础理论 为了描述晶格中原子排列的紧密程度 通常采用配位数和致密度 K 来表示 配位数是指晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目 致密度是指晶胞中原子本身所占的体积百分数 即晶胞中所包含的原子体积与晶胞体积 V 的比值 即K nU V 晶胞中包含原子数 每个原子体积 晶胞体积 工程材料 金属基础理论 体心立方晶胞 a 模型 b 晶胞 c 晶胞原子数 晶格常数a b c 90 在体心立方晶胞中 原子位于立方体的八个顶角和中心 配位数8 K 0 68 属于这类晶格的金属有 Fe Cr V W Mo Nb等 工程材料 金属基础理论 面心立方晶胞 a 模型 b 晶胞 c 晶胞原子数 在面心立方晶胞中 原子位于立方体的八个顶角和六个面的中心 配位数12 K 0 74 属于这类晶格的金属有 Fe Al Cu Ni Au Ag Pb等 工程材料 金属基础理论 密排六方晶胞 a 模型 b 晶胞 c 晶胞原子数 它是一个正六面柱体 在晶胞的12个角上各有一个原子 上底面和下底面的中心各有一个原子 上下底面的中间有三个原子 配位数12 K 0 74 属于这类晶格的金属有Mg Zn Be Cd等 工程材料 金属基础理论 晶面指数与晶向指数 晶体中原子排列的规律性 可以从晶面和晶向上反映出来 晶体中各种方位上的原子面叫做晶面 各种方向上的原子列叫做晶向 金属的许多性能都和晶体中的特定晶面和晶向有密切联系 为了便于研究和表述不同晶面和晶向上原子排列情况与特征 有必要给各种晶面和晶向规定一定的符号 这种符号分别叫做 晶向指数 和 晶面指数 工程材料 金属基础理论 确定晶面指数的步骤如下 1 设晶格中某一原子为原点 通过该点平行于晶胞的三棱边作OX OY OZ三坐标轴 以晶格常数a b c分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位 求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距 2 将所得三截距之值变为倒数 3 再将这三个倒数按比例化为最小整数 并加上一圆括号 即为晶面指数 一般表示为 hkl 工程材料 金属基础理论 立方晶格中 100 110 111 三种晶面最重要 应该注意的是 某一晶面指数并不只代表某一具体晶面 而是代表一组相互平行的晶面 即所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数 另外 在同一种晶格中 有些晶面虽然在空间的位向不同 但其原子的排列情况完全相同 这些晶面均属于一个晶面族 其晶面指数用大括号 hkl 表示 工程材料 金属基础理论 确定晶向指数的步骤如下 1 通过坐标原点引一直线 使其平行于所求的晶向 2 求出该直线上任意一点的三个坐标值 3 将三个坐标值按比例化为最小整数 加一方括号 即为所求的晶面指数 其一般形式为 uvw 工程材料 金属基础理论 立方晶格中 100 110 111 三种晶向最重要 应该指出 晶向指数所表示的不仅仅是一条直线的位向 而是一族平行线的位向 即所有相互平行的晶向 都具有相同的晶向指数 另外 原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族 以 uvw 表示 工程材料 金属基础理论 体心立方晶格中几个主要晶面和晶向 工程材料 金属基础理论 由于同一晶格中不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同 因而晶体在不同方向上表现的性能有所不同 即所谓晶体的 各向异性 工程材料 金属基础理论 实际金属的晶体结构 在实际金属中 不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域 这就是晶体缺陷 一般说来 金属中这些偏离其规定位置的原子数很少 从总体来看 其结构还是接近完整的 但是这些晶体缺陷不但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扮演重要角色 工程材料 金属基础理论 1 点缺陷 在三维方向上的尺寸都很小 比如 空位 间隙原子 原子脱离结点 形成空位 进入晶格 间隙原子 在空位与间隙原子附近的平衡力场被破坏 使周围的原子偏离原来位置 造成晶格的局部弹性畸变 称为晶格 畸变 工程材料 金属基础理论 2 线缺陷 位错 一列或若干列原子发生有规律的错排现象 刃型位错 EF为位错线 ABCD面上方的原子受到压应力 下方则受到拉应力 工程材料 金属基础理论 螺型位错 工程材料 金属基础理论 位错密度 单位体积中所包含的位错线总长度 位错密度与金属强度的关系 工程材料 金属基础理论 3 面缺陷 晶界 晶粒与晶粒之间的界面 晶粒之间的过渡层 相邻晶粒之间位向差为20 40 其特点为 晶界上晶格畸变大 规则性差 位错 杂质原子多 能量高 常温硬度 强度高 高温低 容易被腐蚀 原子扩散速度快 工程材料 金属基础理论 亚晶界 晶粒内部也不是理想晶体 而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成 称为亚晶粒 尺寸为10 4 10 6cm 亚晶粒的交界称为亚晶界 晶粒大小一定 亚结构越细 强度越高 工程材料 金属基础理论 晶界过渡和亚结