第1章金属材料的晶体结构

机械工程材料,大连海洋大学精品课程,授课教师：潘颖授课时间：2013年05月14日,2,目录,第4篇材料的应用,3,第1篇金属材料的结构与性能,第2章金属材料的性能,第1章金属材料的晶体结构,3,4,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。,金属的结构,（a）晶态,（b）非晶态,SiO2的结构,5,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,以金属键结合为主良好的导电性、导热性、延展性和金属光泽用量最大、应用最广泛,正离子,电子云,6,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,1.晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。2.晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。,晶格和晶胞示意图,7,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,3.晶格常数：晶胞个边的尺寸a、b、c。各棱间的夹角用、表示。*晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。,90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。,8,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等。,9,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等,10,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等,11,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,1.原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。2.晶胞中原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。3.配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。4.致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。,12,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,三种典型金属晶格的相关数据,13,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,晶面：晶体中通过一系列原子中心所构成的平面。晶向：通过两个以上原子中心的直线，可代表某一原子列在晶格空间的位向。表示晶面的符号称晶面指数。表示晶向的符号称晶向指数。,14,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,1.晶面指数：确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。,15,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,1.晶面指数：例一求截距为、1、晶面的指数截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（010）例二求截距为2、3、晶面的指数取倒数为1/2、1/3、0,化为最小整数加圆括弧得（320）例三画出（112）晶面取三指数的倒数1、1、1/2,化成最小整数为2、2、1，即为X、Y、Z三坐标轴上的截距,16,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,2.晶向指数：确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为uvw。,17,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,18,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,例一已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线的晶向指数。将三坐标值化为最小整数加方括弧得234。,例二已知晶向指数为110,画出该晶向。找出1、1、0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。,19,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,*晶面族与晶向族:(hkl)与uvw分别表示的是一组平行的晶向和晶面。指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用hkl和表示。,(111),其它的(111)晶面,20,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,*立方晶系常见的晶面为：,21,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,*立方晶系常见的晶向为：,22,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,221,110,说明：在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。晶向具有方向性，如110与110方向相反。,23,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,3.密排面和密排方向：,单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。,24,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,3.密排面和密排方向：,25,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,4.晶体的各向异性：,同一晶格不同晶面不同晶向原子排列疏密不同,原子结合力不同,不同晶面和晶向显示不同的性能,力学性能物理性能化学性能表现各向异性,26,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体：晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。,纯铁组织,晶粒示意图,27,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,28,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。,29,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,晶体缺陷：晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。,30,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,点缺陷空间三维尺寸都很小的缺陷。,空位间隙原子置换原子,31,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,a.空位：晶格中某些缺排原子的空结点。b.间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。,体心立方的四面体和八面体间隙,32,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,c.置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。*晶格畸变：点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,空位,间隙原子,小置换原子,大置换原子,33,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,线缺陷位错晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律错排的现象。分为刃型位错和螺型位错。,刃型位错,螺型位错,34,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“”表示。,刃位错,35,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,螺型位错：上下两部分原子排列沿晶面发生错动，错位区的原子用线连接起来，表现出螺旋特征，这种线缺陷称为螺型位错。,36,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。=L/V位错密度，m-2；L位错线总长度，m；V体积,m-2。位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。,37,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,面缺陷晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，位向差一般为2040。,38,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,亚晶界是一系列刃型位错组成的小角度晶界。,39,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,1.合金由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。,Al-Cu两相合金,黄铜,40,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,2.组元：组成合金的最基本的独立物质；组元是纯元素或稳定的化合物；组元数目为二元、三元或多元。3.合金系：给定组元，按照不同比例配制出一系列成分不同的合金。4.相：是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。,合金的组织是合金中各种相的结合体。,41,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,1.固溶体（1）固溶体的定义及分类合金组元在液态时相互溶解，在固态时仍能互相溶解而形成一种成分和性能均匀且结构与组元之一相同的固相；与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质；按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。,42,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。有限固溶体无限固溶体,Cu-Ni置换固溶体,43,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,间隙固溶体：溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂0.59。间隙固溶体都是有限固溶体。,Fe-C间隙固溶体,44,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,（2）固溶体的性能：随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降固溶强化。原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。,与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。,45,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,2.金属化合物：合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成；提高强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。,铁碳合金中的Fe3C,46,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结构,第1章金属材料的晶体结构,正常价化合物符合正常原子价规律。如Mg2Si。电子化合物符合电子浓度规律。如Cu3Sn。电子浓度为价电子数与原子数的比值。间隙化合物由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。,Al-Mg-Si合金中的Mg2Si,Pb基轴承合金中的电子化合物,47,章节内容:1.1纯金属的晶体结构1.2实际金属的晶体结构与晶体缺陷1.3合金的相结