—金属的结构与结晶汇总PPT学习教案

1、会计学1 金属的结构与结晶汇总金属的结构与结晶汇总 2 一、材料科学的重要地位 1材料的发展与人类社会的发展紧密联系 。人 类社会历史：石器时代、 铜器时代和铁器时 代。 2我国劳动人民在材料发展上曾取得辉煌成就。 3材料在现代科技中占有重要地位。 材料、信息和能源是现代科技三大支柱。 第1页/共64页 3 材料科学发展的里程碑：材料科学发展的里程碑： 1.1.燧石（燧石（神奇的石头）神奇的石头）这种容这种容 易制成工具的石头，开始了易制成工具的石头，开始了 制陶业的发展。制陶业的发展。 2.2.天然金与铜被用作工具与天然金与铜被用作工具与 武器，开始了人类金属的使武器，开始了人类金属的使 用

2、。用。 第2页/共64页 4 3.3.铜的熔炼和锤击改铜的熔炼和锤击改 变了铜的性能变了铜的性能- -材材 料开始发展。料开始发展。 4.4.最早的模铸件最早的模铸件- - 一个铜制杖头。一个铜制杖头。 第3页/共64页 5 6.6.青铜的使用青铜的使用制制 造合金。青铜：造合金。青铜： 第一种合金第一种合金 5.5.这张埃及古墓壁画是这张埃及古墓壁画是 人类冶金业的最早纪人类冶金业的最早纪 录之一。录之一。 7.铁的发现铁的发现 这是最早制造这是最早制造 的铁制车轮的铁制车轮 第4页/共64页 6 Henry Bessemer 炼铁的需要促使了鼓炼铁的需要促使了鼓 风机与熔炉的发明风机与熔炉

3、的发明 8.廉价的冶铁业廉价的冶铁业 9.9.电化学方法冶炼电化学方法冶炼 铝铝- -使铝成为一种使铝成为一种 常用金属。使钢铁常用金属。使钢铁 制品性能大大改观制品性能大大改观 而成本也降低不少而成本也降低不少 。 第5页/共64页 7 11.高温合金的高温合金的 发展，掺镍合发展，掺镍合 金促进了喷气金促进了喷气 发动机的发展发动机的发展 10.尼龙的发明尼龙的发明 尼龙的商业发展是高尼龙的商业发展是高 分子材料发展的关键分子材料发展的关键 时期时期 第6页/共64页 8 制作越来越小的硅芯片制作越来越小的硅芯片 12.半导体材料的发展半导体材料的发展 13.高温超导体，高温高温超导体，高

4、温 超导的革命时代。超导的革命时代。 第7页/共64页 9 第8页/共64页 10 基础 保证 关键 扩展 课程总特点：课程总特点：内容多，涉及面广，前后关联内容多，涉及面广，前后关联 性强，概念性、理解性、结论性、记忆性内容性强，概念性、理解性、结论性、记忆性内容 多，数学推理较少。多，数学推理较少。 第9页/共64页 11 第10页/共64页 12 根据材料的本性或其结合键的性质，工程材料可以分为 金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料等四大类 。 第11页/共64页 13 陶瓷是金属元素(或亚金属如硅等)的化合物，可以认为 是各种无机非金属材料无机非金属材料的统称。 金属原子与异种原子

5、化合时形成很强的离子键离子键，同时也 存在有一定成分的共价键共价键，但仍以离子键为主。 陶瓷的硬度很高，化学稳定性好，可以制造各种耐蚀、 耐热用具，在一些特殊的情况下也可用作为结构材料。 但是由于离子键、共价键对周围原子（或离子）有选择 性或方向性,在受外力作用而发生相对移动时结合键就会 破坏，所以一般陶瓷材料脆性脆性都很大。 第12页/共64页 14 主要组分是有机高分子化合物。高分子化合物每个分主要组分是有机高分子化合物。高分子化合物每个分 子可含有几千、几万甚至几十万个原子，分子量在子可含有几千、几万甚至几十万个原子，分子量在5000 以上。以上。 大分子内的原子之间由很强的大分子内的原

6、子之间由很强的共价键共价键结合，而大分子结合，而大分子 与大分子之间的结合力为与大分子之间的结合力为范德华力和氢键范德华力和氢键。 由于大分子链很长，大分子之间的接触面比较大，特由于大分子链很长，大分子之间的接触面比较大，特 别当分子链缠结在一起时，大分子之间可以产生较大的别当分子链缠结在一起时，大分子之间可以产生较大的 结合力，所以：结合力，所以： 高分子材料具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐高分子材料具有较高的强度，良好的塑性，较强的耐 腐蚀性能，很好的绝缘性，以及较低的密度等优良性能腐蚀性能，很好的绝缘性，以及较低的密度等优良性能 ，在工程上是发展最快的一类新型结构材料。，在工程上是发

7、展最快的一类新型结构材料。 胶粘剂 第13页/共64页 15 复合材料通常分为树脂基复合材料、金复合材料通常分为树脂基复合材料、金 属基复合材料和陶瓷基复合材料三大类。属基复合材料和陶瓷基复合材料三大类。 如果选择适合的组分材料及复合工艺，可以得如果选择适合的组分材料及复合工艺，可以得 到在强度、刚度和耐蚀性等方面比单纯的金属到在强度、刚度和耐蚀性等方面比单纯的金属 、陶瓷和聚合物都优越的材料，复合材料具有、陶瓷和聚合物都优越的材料，复合材料具有 广阔的发展前景广阔的发展前景 第14页/共64页 16 第一节第一节 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 第二节第二节 实际金属中的晶体缺陷实际金属中

8、的晶体缺陷 第三节扩散第三节扩散 第四节第四节 金属的结晶与铸锭金属的结晶与铸锭 第15页/共64页 17 一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构 晶体：原子（离子或分子）在三维空间中晶体：原子（离子或分子）在三维空间中 有规则地周期性重复排列构成的物质称为晶体有规则地周期性重复排列构成的物质称为晶体 。如：金属材料、冰糖、。如：金属材料、冰糖、NaCl。 单晶体：原子排列趋向于一致的晶体。如：单晶体：原子排列趋向于一致的晶体。如：SiSi、GeGe单晶单晶 。 多晶体：由位向不同的单晶体组成的合金。如：金属材料。多晶体：由位向不同的单晶体组成的合金。如：金属材料。 非晶体：组成物质的微粒无

9、规则排列。如：玻璃、松香。非晶体：组成物质的微粒无规则排列。如：玻璃、松香。 图图1-1 单晶体单晶体 （一）晶体与非晶体（一）晶体与非晶体 A B C 单晶体与多晶体单晶体与多晶体 第16页/共64页 18 （二）（二） 晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞与晶格参数晶体结构、空间点阵、晶格、晶胞与晶格参数 第17页/共64页 19 空间点阵空间点阵特点特点（有规则、周期性、重复排列）有规则、周期性、重复排列） 1）空间规则排列点的阵列，无限；）空间规则排列点的阵列，无限； 2）点阵中的每一点具有相同的周围环境。）点阵中的每一点具有相同的周围环境。 3）原子、离子等物质质点抽象为一些几何点，这）原

10、子、离子等物质质点抽象为一些几何点，这 些点称为些点称为“结点结点”、 “格点格点”或或“阵点阵点”（实际为物（实际为物 质质点的平衡中心的位置）。质质点的平衡中心的位置）。 图图11 空间点阵模型空间点阵模型 图图1-2晶格示意图晶格示意图 晶格晶格：假设通过原子假设通过原子 的中心划出许多空间直的中心划出许多空间直 线，这些直线连接起来线，这些直线连接起来 就形成了就形成了“空间（空间（几何几何 ）格架格架”，这种假想格，这种假想格 架称为架称为“晶格晶格”。 第18页/共64页 20 图图13 描述晶胞六要素描述晶胞六要素 晶胞晶胞：能够反应晶格特征的最小几何单元。：能够反应晶格特征的最

11、小几何单元。 晶格参数晶格参数包括：晶格常数包括：晶格常数 a、b、c（棱边）（棱边） 棱间夹角棱间夹角a a、b b、g g 晶胞晶胞在三维空间周期性重复排列在三维空间周期性重复排列 晶格晶格 空间点阵空间点阵直线直线 晶体结构晶体结构总结总结规律的共性规律的共性 晶体结构的实际种类有晶体结构的实际种类有多，而空间点阵的种类多，而空间点阵的种类 有限有限。 第19页/共64页 根据晶胞的对称性，及6个晶格参数的可能的组合，可将 金属的晶体结构总结为7大晶系，14种布拉菲点阵. 第20页/共64页 22 第21页/共64页 23 第22页/共64页 24 Orthorhombic 第23页/共

12、64页 25 第24页/共64页 26 第25页/共64页 27 第26页/共64页 28 第27页/共64页 29 1.面心立方晶格（face-centered cubic)简称（FCC或A1） 图图14 FCC晶格模型晶格模型 第28页/共64页 1）结构特点 立方体的8个顶点个各有一个原子， 6个面的面心各有一个原子。 gFe、Au、Ag、Cu、Ni、Pb等 4 2 面面 心心 立立 方方 晶晶 格格 2）晶格参数）晶格参数 a =b =c =1a 90 3）原子半径）原子半径 ：通常指晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之：通常指晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之 间平衡距离的一半，或

13、晶胞中相距最近的两个原子间距离间平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距离 的一半。的一半。 4） 晶胞原子数：一个晶胞中所含的原子数晶胞原子数：一个晶胞中所含的原子数 目。目。 n81861/2=4 fcc晶胞中原子相距最近的方向是晶胞中原子相距最近的方向是面对角线面对角线，因此，因此 R a 第29页/共64页 31 致密度：单胞中原子体积与 单胞体积之比 3 3 4 2 3 4 4 a a 图图15 FCC晶格配位数晶格配位数 致密度和配位数是描述金属原子排列紧密程度的致密度和配位数是描述金属原子排列紧密程度的 物理量，致密度和配位数子越大，原子排列的越物理量，致密度和配位数子越大

14、，原子排列的越 紧密。紧密。 配位数：配位数：单胞中与任一原子相距最近邻单胞中与任一原子相距最近邻 且等距离的原子个数。所以，且等距离的原子个数。所以，CN 12 K=74 第30页/共64页 32 1）结构特点：八个顶点各有一个原 子，立方体的体心有一个原子。 Fe、Cr、W、Mo等30种。 2）晶格常数：a =b =c =1a 90o 图图1-6体心立方的晶体结构体心立方的晶体结构 a 4 3 3 3 4 3 3 4 2 a a 68 CN8 4）单胞中的原子个数）单胞中的原子个数 n8 1/8 1 2 2 体心立方晶格（体心立方晶格（BCC或或A2） 3）原子半径：）原子半径： ( 体对

15、角线方向）体对角线方向） R 5）K 第31页/共64页 33 ， 74. 0 4 3 6 3 4 6 3 8 , 2 1 3 acar caa r K 633. 1 3 8 第32页/共64页 34 由以上数据可知由以上数据可知：FCC，hcp为最紧密排列，为最紧密排列，BCC为次紧密排列为次紧密排列 。 a 4 2 a 4 3 第33页/共64页 35 （1）在晶向中任选一阵点为原点，三 个基矢为坐标轴OX 、OY、OZ。 （2）选取距原点O最近的一点P，以 一个a为度量单位，求出P点坐标 值（x,y,z） （3）将坐标值乘以最小公倍数，将其 化简成最小的整数放入uvw内 (不加逗号） 例

16、如：OA晶向指数为110，OX晶向 指数为100，OY晶向指数为 010 , OZ指数为001；XO指数为 00，ZA指数为终点坐标减始 点坐标, 故晶向指数为11 。 1 A X Y Z O 图图17 晶向指数的标志晶向指数的标志 三三 、 立立 方方 晶晶 系系 晶晶 向向 指指 数数 与与 晶晶 面面 指指 数数 （一）（一） 晶向指数：表示某晶向的空间几晶向指数：表示某晶向的空间几 何方位。用何方位。用uvw表示。表示。 晶面：通过晶体中原子中心的平面。晶面：通过晶体中原子中心的平面。 晶向：通过原子中心的直线为原子列，原子列代表的方向为晶向晶向：通过原子中心的直线为原子列，原子列代表

17、的方向为晶向 。 1. 立方晶系晶向指数的标志方法立方晶系晶向指数的标志方法 1 第34页/共64页 1 11 1 1 1 11 1 1 1 11 第35页/共64页 （1）选择不在要表示的晶面上的晶格中的任一结点为空间坐标系 的坐标原点O，以过该点的三条基矢为坐标轴OX、OY、OZ。 （关键：晶面与坐标原点不能有 交点） （2）以单位基矢为度量单位求出该晶面与坐标轴的截距（m n p） （3）取截距的倒数（1/m ，1/n，1/p），化为最小整数放入（h k l）内 图图18 晶面指数的标志晶面指数的标志 第36页/共64页 38 （1）一个晶面指数实际代表一组原子排列相同的相互平行）一个晶

18、面指数实际代表一组原子排列相同的相互平行 的晶面。的晶面。 将晶面指数各乘以将晶面指数各乘以-1 ，表示同一晶面如（，表示同一晶面如（111）与（）与（ ） （2）晶面空间方位不同但）晶面空间方位不同但原子排列规律相同原子排列规律相同属于同一晶面属于同一晶面 族，用族，用hkl表示。如：表示。如： 1 0 0 晶 面 族 包 括 （晶 面 族 包 括 （ 1 0 0 ） + （ 0 1 0 ） + （ 0 0 1 ） 。） 。 110晶面族包括（晶面族包括（110）+(101)+(011)+( 10)+( 01)+(01 ) 111晶面族包括（晶面族包括（111）+（ 11 ）+ （1 1）+

19、 （11 ）4组组 11 1 1 1 1 1 1 1 （三）、立方晶系晶向与晶面的关系（三）、立方晶系晶向与晶面的关系 1指数相同的晶向与晶面相互垂直，如：（指数相同的晶向与晶面相互垂直，如：（111)111。 2晶向与晶面相互平行时满足晶向与晶面相互平行时满足hu+kv+lw0，如，如 (111） 10 1 第37页/共64页 39 图图111 单晶体的各向异单晶体的各向异 性性 1、单晶体的、单晶体的各向异性各向异性：单晶体各个方向的单晶体各个方向的 机性、物性、化学性能等不同。机性、物性、化学性能等不同。 如：如：BCC结构的结构的111方向的弹性模量方向的弹性模量 E111290000

20、MPa，E100135000MPa， 而多晶体的而多晶体的E210000MPa。 3、多晶体的、多晶体的伪各向同性伪各向同性：多晶体沿各个方向的性能相近多晶体沿各个方向的性能相近。 原因是：原因是：单晶体的各个方向原子排列规律不同。多晶体是由大单晶体的各个方向原子排列规律不同。多晶体是由大 量位向不同的晶粒和亚晶粒组成。量位向不同的晶粒和亚晶粒组成。 2、非晶体的、非晶体的各向同性各向同性：非：非晶体沿各个晶体沿各个 方向的性能完全相同方向的性能完全相同。 第38页/共64页 40 1. FCC结构的最密排晶面与最密排晶向为结构的最密排晶面与最密排晶向为111与与2. BCC结构的最密排晶面与

21、最密排晶向为结构的最密排晶面与最密排晶向为110与与 体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度 第39页/共64页 aa 1 2 1 2 aa 7 . 0 2 2 1 2 aa 15. 1 3 1 2 1 2 aa 1 2 1 2 aa 2 2 1 2 1 2 aa 58. 0 3 2 1 2 第40页/共64页 42 (111) (001) 111 第41页/共64页 43 由于结晶或变形使金属原子脱离由于结晶或变形使金属原子脱离 开平衡位置跑到间隙位置或晶体开平衡位置跑到间隙位置或晶体 的外表面，在晶体内部便形成空的外表面，在晶体内部便形

22、成空 位和间隙原子。位和间隙原子。 图图112 晶体中的两种空位晶体中的两种空位 a)肖脱基空位肖脱基空位 b)弗兰克尔空位弗兰克尔空位 离开平衡位置的原子，有两种去处离开平衡位置的原子，有两种去处 ：一种可能是跑到表面，此时产生：一种可能是跑到表面，此时产生 的空位叫的空位叫肖脱基空位肖脱基空位，另一种可能，另一种可能 跑到点阵间隙中，形成跑到点阵间隙中，形成弗兰克尔空弗兰克尔空 位位。 在形成在形成弗兰克尔空位弗兰克尔空位时，伴随产生一个间隙原子。时，伴随产生一个间隙原子。 实际金属中常见的是实际金属中常见的是肖脱基空位肖脱基空位 第42页/共64页 44 第43页/共64页 45 位错：

23、由于变形或结晶，晶体的一部分相对晶体的另一部分相对滑移便位错：由于变形或结晶，晶体的一部分相对晶体的另一部分相对滑移便 产生位错。位错是变形部分与末变形部分的分界线。产生位错。位错是变形部分与末变形部分的分界线。 G H 第44页/共64页 第45页/共64页 47 第46页/共64页 实际螺旋位错在空间是一个螺旋状实际螺旋位错在空间是一个螺旋状 的晶格畸变管道，宽仅为几个原子的晶格畸变管道，宽仅为几个原子 间距，长则可穿透晶体。间距，长则可穿透晶体。 第47页/共64页 49 n 实际晶体中存在着大量的位错，一般以空间三维网状分布 网络中的各线段可以是刃型，螺型或混合型位错。 n晶体中位错数

24、目的多少一般用位错密度表示，= L/V，是 单位晶体中所包含的位错线总长度，单位为cm /cm3 。在退 火态金属中 106-108cm-2 ，而经冷形变后到1011 1012 cm-2。 第48页/共64页 50 1、晶界 ：位向不同的相邻晶粒之间的接触界面，属于面缺 陷。随相邻晶粒位向的不同，晶界宽度为510个原子间距。 晶界分小角度晶界和大角度晶界 。 图图115 1Cr17不锈钢中的多晶不锈钢中的多晶 体体 图图116 晶界原子排列示意图晶界原子排列示意图 第49页/共64页 51 图图117 小角度晶界示意图小角度晶界示意图 （对称倾侧晶界）（对称倾侧晶界） q/ 2 q/ 2 对称倾侧晶界：两对称倾侧晶界：两 晶粒位向差为晶粒位向差为q q， 是由一系列平行等是由一系列平行等 距的刃位错垂直排距的刃位错垂直排 列而组成的。列而组成的。 扭转晶界扭转晶界 第50页/共64页 52 晶粒越细，晶界面积越大，材料的强度、硬度晶粒越细，晶界面积越大，材料的强度、硬度 越高，塑性韧性越好。越高，塑性韧性越好。 3 3、晶粒与晶界对性能的影响、晶粒与晶界对性能的影响 第51页/共64页 53 第52页/共64页 54 第53页/共64页 55 RT Q eDD 0 第54页/共64页 56 第55页/共64页 57 第56页/共64页