第二章材料的结构

1、l一、晶体结构的基本概念一、晶体结构的基本概念l二、金属的晶体结构二、金属的晶体结构l 1、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构l 2、实际金属的晶体结构、实际金属的晶体结构l 3、合金的晶体结构、合金的晶体结构l物质由原子组成。物质由原子组成。l原子的结合方式和排列原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。方式决定了物质的性能。l原子、离子、分原子、离子、分子之间的结合力子之间的结合力称为称为结合键结合键。l它们的具体组合它们的具体组合状态称为状态称为结构结构。C60金属键金属键金属的结构金属的结构晶态晶态非晶态非晶态SiO2的结构的结构l1、晶体与非晶体、晶体与非晶体l晶体晶体是指原子呈规则

2、排是指原子呈规则排列的固体。列的固体。常态下金属常态下金属主要以晶体形式存在。主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性晶体具有各向异性。l非晶体非晶体是指原子呈无序是指原子呈无序排列的固体。排列的固体。在一定条在一定条件下晶体和非晶体可互件下晶体和非晶体可互相转化。相转化。2、晶格与、晶格与晶胞晶胞l 晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成用假想的直线将原子中心连接起来所形成。的三维空间格的三维空间格架。架。直线的交直线的交点（原子中心）点（原子中心）称结点。称结点。由结由结点形成的空间点形成的空间点的阵列称点的阵列称空空间点阵间点阵。l 晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元

3、。能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。l 晶系：晶系：l根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。l90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。以上的金属具有立方晶系和六方晶系。l立方晶系：立方晶系：a=b=c， = = =90 l六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c， = =90 ， =120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜l 晶格常数：晶格常数：晶胞晶胞各边的尺寸各边的尺寸 a、b、c.l各棱间的夹角用各棱间的夹角用 、 、 表示。表示。l 原子半径：原子半径：晶胞中原子晶胞中原子密度最大方向上相邻原子密度最大方向上相邻原子间距

4、的一半。间距的一半。l 晶胞原子数：晶胞原子数：一个晶胞一个晶胞内所包含的原子数目。内所包含的原子数目。l 配位数配位数: 晶格中与任一原子晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目距离最近且相等的原子数目.l 致密度：致密度：晶胞中原子本身晶胞中原子本身所占的体积百分数。所占的体积百分数。3、立方晶系晶面、晶向表示方法、立方晶系晶面、晶向表示方法l晶体中各方位上的晶体中各方位上的原子面称原子面称晶面晶面。l各方向上的原子列各方向上的原子列称称晶向晶向。l晶面指数晶面指数l表示晶面的符号称表示晶面的符号称晶面指数晶面指数。l其确定步骤为：其确定步骤为：l 确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个

5、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。坐标轴上的截距。l 取三个截距值的倒数并按比例化为互质的整数取三个截距值的倒数并按比例化为互质的整数,加圆括弧，形式为加圆括弧，形式为（hkl）。l例一例一.求截距为求截距为 、1、 晶面的指数晶面的指数截距值取倒数为截距值取倒数为0、1、0，加圆括，加圆括弧得（弧得（010）l例二例二.求截距为求截距为2、3、 晶面的指数晶面的指数取倒数为取倒数为1/2、1/3、0, 化为互质整化为互质整数加圆括弧得（数加圆括弧得（320）l例三例三.画出（画出（112）晶面）晶面 取三指数的倒数取三指数的倒数1、1、1/2, 化成互化成互质整数为质整

6、数为2、2、1，即为，即为X、Y、Z三三坐标轴上的截距坐标轴上的截距l 晶向指数晶向指数l表示晶向的符号称表示晶向的符号称晶向指数晶向指数。其确定步骤为：其确定步骤为：l 确定原点，建确定原点，建立坐标系，过原立坐标系，过原点作所求晶向的点作所求晶向的平行线。平行线。l 求直线上任一求直线上任一点的坐标值并按点的坐标值并按比例化为互质整比例化为互质整数，加方括弧。数，加方括弧。形式为形式为uvw。l例一、例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为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。，求该直线的晶向指数。l将三坐标值化为最小整将三坐标值化为最小整数加方括弧得数加方括弧得2

7、34。l例二、例二、已知晶向指数为已知晶向指数为110, 画出该晶向。画出该晶向。l找出找出1、1、0坐标点，连坐标点，连接原点与该点的直线即接原点与该点的直线即所求晶向。所求晶向。110234l 晶面族与晶向族晶面族与晶向族l(hkl)与与uvw分别表示的是一组平行的晶向和晶面。分别表示的是一组平行的晶向和晶面。l指数虽然不同，但原子排列完全相同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称作晶向族晶向族或或晶面族晶面族。分别用分别用hkl和和表示。表示。l例如例如112、123立方晶系常见的晶面立方晶系常见的晶面为：为：)111()111()111()111(:111)11

8、0()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY 立立方方晶晶系系常常见见的的晶晶面面立方晶系常见的晶向立方晶系常见的晶向为：为：111111111111:111110011101011101110:110001010100:100 、立方晶系常见的晶向立方晶系常见的晶向立方晶系常见的晶向立方晶系常见的晶向111111111111XZY说明：说明： 在立方晶系中，指数在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相相同的晶面与晶向相互垂直互垂直。 遇到负指数，遇到负指数，“-”-”号放

9、在该指数的上方号放在该指数的上方。 晶向具有方向性，晶向具有方向性， 如如110与与110方方 向相反。向相反。XZY(221)221110110l1、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构l金属原子是通过正离子与自金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，由电子的相互作用而结合的，称为称为金属键金属键。l金属原子趋向于紧密排列。金属原子趋向于紧密排列。价电子云价电子云正离子正离子金属键示意图金属键示意图l具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。l常见纯金属的晶格类型有体心立方常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方、面心立方(fc

10、c)和密排六方和密排六方(hcp)晶格。晶格。 体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格的参数体心立方晶格的参数l体心立方晶格体心立方晶格原子个数：原子个数：2配位数：配位数： 8致密度：致密度：0.68常见金属：常见金属： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)ar43 原子半径：原子半径： 面面心心立立方方晶晶格格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格的参数面心立方晶格的参数 a42r ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：4配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属：

11、 -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常数：晶格常数：al面心立方晶格面心立方晶格 密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格的参数密排六方晶格的参数a21r ：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6配位数：配位数： 12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常数：晶格常数：底面边长底面边长 a 和高和高 c， c/a=1.633l密排六方晶格密排六方晶格l 三种常见晶格的密排面和密排方向三种常见晶格的密排面和密排方向密排密排面面数数量量密排方密排方向向数数量量体心立方体心立方晶格晶格11064面心立方面心立方晶格晶格11146

12、密排六方密排六方晶格晶格六方六方底面底面1底面对底面对角线角线3l单位面积晶面上单位面积晶面上的原子数称的原子数称晶面晶面原子密度原子密度。l单位长度晶向上单位长度晶向上的原子数称的原子数称晶向晶向原子密度原子密度。l原子密度最大的原子密度最大的晶面或晶向称晶面或晶向称密密排面排面或或密排方向密排方向。l三种常见晶格的密三种常见晶格的密排面和密排方向排面和密排方向六方底面六方底面底面对角线底面对角线密排六方晶格密排六方晶格面心立方晶格面心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格体心立方体心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面l变形金属晶粒尺寸约变形金属晶粒尺寸约11

13、00 m, 铸造金属可达几铸造金属可达几mm。纯铁组织纯铁组织晶粒示意图晶粒示意图l 单晶体与多晶体单晶体与多晶体l单晶体：单晶体：其内部晶格方位完其内部晶格方位完全一致的晶体。全一致的晶体。l晶粒：晶粒：实际使用的金属材料实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为些小晶体称为晶粒晶粒。l晶界：晶界：晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。l晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。l多晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图多

14、晶体示意图l 晶体缺陷晶体缺陷l晶格的不完整部晶格的不完整部位称位称晶体缺陷晶体缺陷。l实际金属中存在实际金属中存在着大量的晶体缺着大量的晶体缺陷，按形状可分陷，按形状可分三类三类, 即点、线即点、线、面缺陷。面缺陷。l 点缺陷点缺陷 l空间三维尺寸都空间三维尺寸都很小的缺陷。很小的缺陷。l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子la. 空位：空位：晶格中某些晶格中某些缺排原子的空结点。缺排原子的空结点。lb. 间隙原子：间隙原子：挤进晶挤进晶格间隙中的原子。格间隙中的原子。可可以是基体金属原子，以是基体金属原子，也可以是外来原子。也可以是外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙体心立方的四

15、面体和八面体间隙lc. 置换原子：置换原子：取代原来原子位置的外来原取代原来原子位置的外来原子称置换原子。子称置换原子。l点缺陷破坏了原子的平衡状点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称态，使晶格发生扭曲，称晶晶空位空位间隙原子间隙原子小置换原子小置换原子大置换原子大置换原子格畸变格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位和间隙原子空位和间隙原子引起的晶格畸变引起的晶格畸变l 线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错l位错：位错：晶格中一部分晶体相晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移，滑移

16、面上滑移区与未刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错滑移区的交界线称作滑移区的交界线称作位错位错。分。分刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错。刃型位错和刃型位错和螺型位错螺型位错刃位错的形成刃位错的形成l刃型位错：刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是余原子面的边缘就是刃型位错刃型位错。l半原子面在滑移面以上的称半原子面在滑移面以上的称正位错正位错，用，用“ ”表示。表示。l半原子面在滑移面以下的称半原子面在滑移面以下的称负位错负位错，用，用“ ”表示。

17、表示。l位错密度：位错密度：单位体积内所包单位体积内所包含的位错线总长度。含的位错线总长度。 = L/V(cm/cm3或或1/cm2)l金属的位错密度为金属的位错密度为1041012/cm2l位错对性能的影响位错对性能的影响：金属的金属的塑性变形主要由位错运动引塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。化金属的主要途径。l减少或增加位错密度都可以减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。提高金属的强度。金属晶须金属晶须退火态退火态(105-108/cm2) 加工硬化态加工硬化态(1011-1012/cm2) 透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合

18、金中的位错线( (黑线黑线) )电子显微镜下的位错观察电子显微镜下的位错观察l 面缺陷面缺陷l晶体中一维尺寸很小，另两维尺寸很大的缺陷称晶体中一维尺寸很小，另两维尺寸很大的缺陷称为面缺陷，主要包括晶界与亚晶界。为面缺陷，主要包括晶界与亚晶界。l晶界是不同位向晶粒的过度部位晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为，宽度为510个个原子间距，位向差一般为原子间距，位向差一般为2040。l亚晶粒亚晶粒是组成晶粒的尺寸是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小很小，位向差也很小(10 2 )的小晶块。的小晶块。l亚晶粒之间的交界面亚晶粒之间的交界面称称亚亚晶界晶界，可看作可看作位错壁位错壁。亚晶粒亚晶粒大角度和小

19、角度晶界大角度和小角度晶界位错壁位错壁l晶界的特点：晶界的特点：l 原子排列不规则原子排列不规则.l 熔点低熔点低。l 耐蚀性差耐蚀性差。l 易产生内吸附易产生内吸附， 外来原子易在晶界偏聚。外来原子易在晶界偏聚。l 阻碍位错运动阻碍位错运动，是强化部，是强化部位，因而实际使用的金属力位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。求获得细晶粒。l 是相变的优先形核部位是相变的优先形核部位. 显微组织的显示显微组织的显示l合金合金是指由两种或两种是指由两种或两种以上元素组成的具有金以上元素组成的具有金属特性的物质。属特性的物质。l组成合金的元素可以是组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金全部是金属，也

20、可是金属与非金属。属与非金属。l组成合金的元素相互作组成合金的元素相互作用可形成不同的用可形成不同的相相。Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜l所谓所谓相相是指金属或合金中凡是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀其它部分有界面分开的均匀组成部分。组成部分。l显微组织显微组织实质上是指在显微实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或镜下观察到的金属中各相或各晶粒的各晶粒的形态、数量、大小形态、数量、大小和和分布分布的组合。的组合。l固态合金中的相分为固态合金中的相分为固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物两类。两类。单相单相合金合金两相两相合金合金l 固溶体固溶体l合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固 相称相称固溶体固溶体。用用 、 、 表示。表示。l与固溶体晶体结构相同的元素与固溶体晶体结构相