工程材料学-第2章-材料的结构-zcs

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原子的原子的结合方式结合方式和和排排列方式列方式决定了物质的决定了物质的性能。性能。l原子、离子、分子之原子、离子、分子之间的结合力称为间的结合力称为结合结合键键。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排是指原子呈规

2、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。l2、晶格与晶胞、晶格与晶胞l将晶体中在三维空间有将晶体中在三维空间有序排列的原子视为质点，序排列的原子视为质点，用假想的直线将质点连用假想的直线将质点连接起来所形成的接起来所形成的三维几三维几何格架何格架称为称为晶格。晶格。l晶格中各线的交点晶格中各线的交点称为称为阵点。阵点。晶格晶格l晶胞晶胞l从晶格中取一个从晶格中取一个最小最小的立体的

3、立体单元（最小的单元（最小的平行六面体平行六面体）称为称为晶胞。晶胞。l晶胞选取原则：晶胞选取原则：l（1 1）能充分反映整个空间能充分反映整个空间点阵的点阵的对称性。对称性。l（2 2）晶胞内晶胞内棱、角相等棱、角相等的的数目最多，且具有尽可能多数目最多，且具有尽可能多的的直角直角；l（3 3）体积最小。）体积最小。晶胞晶胞l（1）晶格常数）晶格常数l用来描述晶胞用来描述晶胞大小和形状大小和形状的参数的参数称为称为晶格常数。晶格常数。包括：包括：晶胞各边晶胞各边的长度的长度 a、b、c；各棱的夹角；各棱的夹角 、 、 。l（2）晶系）晶系l根据晶格常数的特点将晶体结构根据晶格常数的特点将晶体

4、结构划分为划分为7个晶系个晶系。l90%以上的金属具有立方晶系和以上的金属具有立方晶系和六方晶系。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 晶格常数晶格常数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（3）原子半径：）原子半径：晶胞中原子密晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的度最大方向上相邻原子间距的一半。一半。l（4）晶胞原子数：）晶胞原子数：一个晶胞内一个晶胞内所包含的原子数目。所包含的原子数目。l（5）配位数）配位数: 晶格中与任一原晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目子距离最

5、近且相等的原子数目.l（6）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。l3、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晶体中各方位上的原子面称晶体中各方位上的原子面称晶面。晶面。 l标定方法：标定方法：l1、建立坐标系：、建立坐标系：以一个原子为中心，以一个原子为中心，以三棱边为坐标轴；以三棱边为坐标轴；l2、求出待标定晶面在三个坐标轴上的求出待标定晶面在三个坐标轴上的截距，如截距，如a、b、c。l3、计算其倒数；计算其倒数；l4、化成化成最小、整数最小、整数比比 h：k：l;l5、放在圆括号中（放在圆括号中（hkl），不加逗号。），不加逗号

6、。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, 化为最小整化为最小整数加圆括弧得（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, 化成最化成最小整数为小整数为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（010）（320）（112）l3、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各方向上的原子列称各方向上的原子列称晶向。晶

7、向。 l标定方法：标定方法：l1、建立坐标系：、建立坐标系：以一个原子为中心，以一个原子为中心，以三棱边为坐标轴；以三棱边为坐标轴；l2、在晶向上任取两点，坐标为：（在晶向上任取两点，坐标为：（a1，b1，c1）（）（a2，b2，c2）；）；l3、计算（计算（ a2 a1）：（）：（ b2 b1）：）：（ c2 c1 ） ；l4、化成化成最小、整数最小、整数比比 u：v：w;l5、放在方括号中放在方括号中uvw，不加逗号。，不加逗号。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将三坐标值

8、化为最小整数加方括弧得整数加方括弧得234.l例二、例二、已知晶向指数已知晶向指数为为110, 画出该晶向。画出该晶向。l找出（找出（1，1，0）坐标）坐标点点,连接原点与该点的连接原点与该点的直线即所求晶向。直线即所求晶向。110234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，“- -”号号放在该指数的上方。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

9、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(fcc)和密排六方和密排六方(hcp)晶格。晶格。三种典型的金属晶体晶胞三种典型的金属晶体晶胞 属于此类结构的金属有：碱金属、难溶金属（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等 属于此类结构的金属的有：Al、贵重金属、-F

10、e、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥氏体不锈钢等。 属于此类结构的金属有： Mg、Zn、 a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。体心立方晶胞体心立方晶胞bcc面心立方晶胞面心立方晶胞fcc密排六方晶胞密排六方晶胞hcpl体心立方晶格体心立方晶格 BCC Body-centered Cubic常见金属：常见金属： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等原子位置原子位置：立方体的八个顶角和晶胞：立方体的八个顶角和晶胞中心各一个原子中心各一个原子晶格特征晶格特征：a=b=c，=90常见金属：常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等l面心立方晶格面心立方晶格 FCC Face-ce

11、ntered Cubic原子位置原子位置：立方体的八个顶角和每个：立方体的八个顶角和每个侧面中心各一个原子侧面中心各一个原子晶格特征晶格特征：a=b=c，=90常见金属：常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等等l密排六方晶格密排六方晶格 HCP Hexagonal Close-packed原子位置原子位置：12个顶角、上下底心个顶角、上下底心各一个原子，晶胞内各一个原子，晶胞内3个原子。个原子。晶格特征晶格特征：a=bc，=90，=120 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l单位面积晶面上的原子数称单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度晶面原子密度。l单位长度晶向上

12、的原子数称单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度晶向原子密度。l原子密度最大的晶面或晶向称原子密度最大的晶面或晶向称密排面密排面或或密排方向密排方向。密排面密排面数量数量密排方向密排方向数量数量体心立方晶格体心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1底面对角线底面对角线3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1100 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

13、内部晶格方位完全一致的晶体。全一致的晶体。l多晶体：多晶体：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。铅锭宏观组织铅锭宏观组织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晶体示意图l通常原子排列的密排面和密排方向上强度高。例如通常原子排列的密排面和密排方向上强度高。例如-Fe（BCC）在）在111方向上的强度远大于方向上的强度

14、远大于100方向上的强度。方向上的强度。l多晶体：各向同性多晶体：各向同性l多晶体材料中，尽管每个晶粒内部像单晶体那样呈现各向多晶体材料中，尽管每个晶粒内部像单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间的取向是随机分布，大量晶粒的综异性，每个晶粒在空间的取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性。合作用，整个材料宏观上不出现各向异性。l正常的晶体对称性遭到破正常的晶体对称性遭到破坏，或者晶格的不完整部坏，或者晶格的不完整部位称位称晶体缺陷晶体缺陷。l实际金属中存在着大量的实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三晶体缺陷，按形状可分三类类, 即即点、线点、线、面缺陷面缺陷。l

15、空间三维尺寸都很小，原子尺度的空间三维尺寸都很小，原子尺度的晶晶体缺陷体缺陷。l点缺陷的类型：点缺陷的类型：l空位：空位：在晶格结点位置应有原子的地在晶格结点位置应有原子的地方空缺，这种缺陷称为空位方空缺，这种缺陷称为空位l间隙原子：间隙原子：晶格的非结点位置是晶格晶格的非结点位置是晶格的间隙，填充在间隙位置的原子称为的间隙，填充在间隙位置的原子称为间隙原子。它可以是间隙原子。它可以是同类原子，也可同类原子，也可以是异类原子。以是异类原子。l置换原子置换原子：在一种类型的原子组成的：在一种类型的原子组成的晶格中，晶格中，不同种类不同种类的原子占据原有的的原子占据原有的原子位置。原子位置。l点缺

16、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，称晶晶格畸变格畸变。从而使强度、硬。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降度提高，塑性、韧性下降空位空位间隙原子间隙原子大置换原子大置换原子小置换原子小置换原子l线缺陷线缺陷l在三维空间的一个方向上尺寸很大，另外两个方向上尺寸在三维空间的一个方向上尺寸很大，另外两个方向上尺寸很小的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错很小的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错（Dislocation）l位错：位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未移，滑

17、移面上滑移区与未滑移区的交界线称作滑移区的交界线称作位错位错。分为。分为刃型位错、螺型位错刃型位错、螺型位错和和混合位错混合位错.刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错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，这出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是个多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“ ”表表示示.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“ ”表表示示.l位错密度：位错密度：单位体积内

18、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。 = S/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金中的位错线( (黑线黑线) )l面缺

19、陷面缺陷l在三维空间的两个方向上尺寸很大，另外一个方向上尺寸很小的晶体在三维空间的两个方向上尺寸很大，另外一个方向上尺寸很小的晶体缺陷。包括：晶界、相界、亚晶界和层错。缺陷。包括：晶界、相界、亚晶界和层错。l晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位是不同位向晶粒的过度部位，宽度为，宽度为510个原子间距，位向差一个原子间距，位向差一般为般为2040。l亚晶粒亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小是组成晶粒的尺寸很小，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称亚晶粒之间的交界面称亚晶界亚晶界，可看作可看作位错壁位错壁。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

20、。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，外来原子易在晶界偏聚。子易在晶界偏聚。l 阻碍位错运动阻碍位错运动，是强化，是强化部位，因而实际使用的金部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。属力求获得细晶粒。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

21、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

22、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与固溶体晶体结构相同的元素称素称溶剂溶剂。其它元素称。其它元素称溶质溶质. .l固溶体是合金的重要组成相固溶体是合金的重要组成相, ,实际合金多是单相固溶体合实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。金或以固溶体为基的合金。l按溶质原子所处位置分为按溶质原子所处位置分为置置换固溶体换固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-C间隙固溶体间隙固溶体l 置换固溶体置换固溶体l溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体体.l溶质原子呈无

23、序分布的称溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，无序固溶体，呈有序分布呈有序分布的称的称有序固溶体。有序固溶体。黄铜置换固溶体组织黄铜置换固溶体组织l 间隙固溶体间隙固溶体l溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。l形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如如C、N、B等，而溶剂元素一般是过等，而溶剂元素一般是过渡族元素。渡族元素。l形成间隙固溶体的一般规律为形成间隙固溶体的一般规律为r剂剂/r质质0.59。l间隙固溶体都是无序固溶体。间隙固溶体都是无序固溶体。马氏体马氏体l 固溶体的溶解度固溶

24、体的溶解度l溶质原子在固溶体中极限浓度溶质原子在固溶体中极限浓度.l溶解度有一定限度的固溶体称溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体有限固溶体。组成元素无限互组成元素无限互溶的固溶体称溶的固溶体称无限固溶体无限固溶体。l组成元素原子半径、电化学性组成元素原子半径、电化学性相近，晶格类型相同的置换固相近，晶格类型相同的置换固溶体，才可能形成无限固溶体溶体，才可能形成无限固溶体. l间隙固溶体都是有限固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体。Cu-Ni无限固溶体无限固溶体Cu-Zn有限固溶体有限固溶体固溶体固溶体化合物化合物l 固溶体的性能固溶体的性能l随溶质含量增加随溶质含量增加, 固溶体的固溶体的强度、硬度增加强度、硬度增加, 塑性、韧塑性、韧性下降性下降固溶强化固溶强化。l产生固溶强化的原因是溶质产生固溶强化的原因是溶质 原