第一章工程材料类型及金属的晶体结构

1、第第 一一 章章工程材料类型及金属的晶体结构 1.1 1.1 工程材料类型工程材料类型 1.2 1.2 晶体的概念晶体的概念 1.2.1 1.2.1 短程有序与长程有序短程有序与长程有序 1.2.2 1.2.2 晶体结构的基本概念和类型晶体结构的基本概念和类型 1.2.3 1.2.3 同素异构同素异构 1.3 1.3 晶体缺陷晶体缺陷 第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构主主 要要 内内 容容1.11.1 工程材料类型工程材料类型 工程材料是指具有一定性能，在特定条件下，能够承工程材料是指具有一定性能，在特定条件下，能够承担某种功能，被用来制取零件和元件的材料

2、。担某种功能，被用来制取零件和元件的材料。1.1.1 分类分类 按使用功能分类：按使用功能分类： 结构材料（结构材料（structural materialstructural material） 实现运动、传递运动，承担力、负荷为主（机械工程等）。实现运动、传递运动，承担力、负荷为主（机械工程等）。 功能材料（功能材料（functional materialfunctional material） 理化功能为主，力性为辅（导电材料、磁盘、光纤等）。理化功能为主，力性为辅（导电材料、磁盘、光纤等）。 第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构1.11.1 工程材料类

3、型工程材料类型第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构 1.1.2 1.1.2 材料特征（材料特征（characteristiccharacteristic）（1 1）金属材料（）金属材料（metalsmetals） 优点优点：兼有良好力学性能（较高强度、刚度、塑性、韧性）及某：兼有良好力学性能（较高强度、刚度、塑性、韧性）及某些理化性能（良好导电、导热性等）和较好的工艺性，价格便宜或适些理化性能（良好导电、导热性等）和较好的工艺性，价格便宜或适中。大量用作结构材料，部分用作功能材料。中。大量用作结构材料，部分用作功能材料。 缺点缺点：地球上资源有限；高温及特殊环

4、境中不能胜任。：地球上资源有限；高温及特殊环境中不能胜任。 （2 2）陶瓷材料（无机非金属材料，金属与非金属的化合物如）陶瓷材料（无机非金属材料，金属与非金属的化合物如 Al2O3、SiC）。）。 优点优点：优良理化性能（耐蚀、光、电、热学性能，绝缘性能等）：优良理化性能（耐蚀、光、电、热学性能，绝缘性能等）及极好的耐高温特性，且原料来源广泛。主要用在特殊场合（特殊陶及极好的耐高温特性，且原料来源广泛。主要用在特殊场合（特殊陶瓷）及日常（传统陶瓷）。瓷）及日常（传统陶瓷）。 缺点缺点：性脆、难加工，可靠性差。：性脆、难加工，可靠性差。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属

5、的晶体结构1.1.2 1.1.2 材料特征材料特征（3 3）高分子材料（高聚物，）高分子材料（高聚物，PolymerPolymer） 优点优点：较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、重量：较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、重量 轻，加工性好，原料丰富。轻，加工性好，原料丰富。 缺点缺点：强度低；不耐高温（：强度低；不耐高温（300300）；易老化易燃。）；易老化易燃。 （4 4）复合材料（）复合材料（CompositesComposites两种或多种材料复合而成）两种或多种材料复合而成） 优点优点：具有单一材料所不具备的优异性能；可按需要：具有单一材料所不具备的优异性能；可按需要 进行人为设计

6、、制造。进行人为设计、制造。 缺点缺点：目前性能高的价贵。：目前性能高的价贵。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构 1. 1. 3 原子间键合原子间键合一、离子键离子键：正离子与负离子静电吸引产生的化学结合力第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构1. 1. 3 原子间键合原子间键合二、二、共价键：共价键：原子间共用电子对产生的化学结合力原子间共用电子对产生的化学结合力第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构1.1. 3 原子间键合原子间键合三、三、金属键：金属键：金属正离子与金属正离子与“自由电子气

7、自由电子气”静电吸静电吸引产生的化学结合力。引产生的化学结合力。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构1.1. 3 原子间键合原子间键合四、四、分子键：分子键：分子偶极间吸引力产生的化学结合力。分子偶极间吸引力产生的化学结合力。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构1. 1.3 原子间键合原子间键合五、五、氢键：氢键：氢原子因正负电子中心偏移产生的静电吸引氢原子因正负电子中心偏移产生的静电吸引 形成的化学结合力。形成的化学结合力。 第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构氢原子中唯一的电子被其它原子所

8、共有（共价键结合），裸露氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核原子核 将与近邻分子的负端相互吸引将与近邻分子的负端相互吸引氢桥氢桥1. 1.3 原子间键合原子间键合六、工程材料的键性六、工程材料的键性 金属材料：金属键（绝大部分）金属材料：金属键（绝大部分） 共价键（亚金属）共价键（亚金属） 陶瓷材料：离子键、共价键陶瓷材料：离子键、共价键 高分子材料：共价键、分子键高分子材料：共价键、分子键第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构1.2.晶体概念晶体概念1.2.1短程有序与长程有序短程有序与长程有序l短程有序短程有序：原子在分子范围内按一定

9、规律排列，而分：原子在分子范围内按一定规律排列，而分子之间则随机无规律的连接在一起，这种结合方式称子之间则随机无规律的连接在一起，这种结合方式称为为短程有序短程有序。多数以共价键、范德华键结合的材料往。多数以共价键、范德华键结合的材料往往是短程有序。往是短程有序。 l长程有序长程有序：原子在整个材料内部都按一定规律排列，：原子在整个材料内部都按一定规律排列，则称为长程有序。原子长程有序，即构成了整个晶体。则称为长程有序。原子长程有序，即构成了整个晶体。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构SiO2一个一个Si原子与原子与4个个O原子原子结合，而结合，而SiO2单

10、元体间则随单元体间则随机连接机连接。1.2.晶体概念晶体概念1.2.1短程有序与长程有序短程有序与长程有序l短程有序短程有序：第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构1.2.晶体概念晶体概念 1.2.2 晶体结构的基本概念和类型晶体结构的基本概念和类型 晶晶 体体 固态物质固态物质 非晶体非晶体第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构组成非晶体的原子或离子、分子呈无规则排列组成非晶体的原子或离子、分子呈无规则排列的固体。例如：松香、石蜡和玻璃的固体。例如：松香、石蜡和玻璃组成晶体的原子或离子、分子呈规则、周期性组成晶体的原子或离子、分

11、子呈规则、周期性重复排列的固体；例如：水晶、天然水晶石重复排列的固体；例如：水晶、天然水晶石1.2.2 晶体结构的基本概念和类型晶体结构的基本概念和类型 1 1晶格（点阵）晶格（点阵）第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构 为了便于研究晶体中原为了便于研究晶体中原子排列的情况，通常用一个子排列的情况，通常用一个小钢球代替一个原子，并把小钢球代替一个原子，并把不停振动的原子当作在它平不停振动的原子当作在它平衡位置上静止不动，这样金衡位置上静止不动，这样金属晶体结构就可用许多小钢属晶体结构就可用许多小钢球互相紧密接触的堆砌模型球互相紧密接触的堆砌模型来表示（刚球模型

12、）。来表示（刚球模型）。1.2.2 1.2.2 晶体结构的基本概念和类型晶体结构的基本概念和类型 1 1晶格（点阵）晶格（点阵） 进一步简化原子堆砌模型：可将一个进一步简化原子堆砌模型：可将一个钢球原子视为一几何质点，用平行几钢球原子视为一几何质点，用平行几何线条在三维空间通过原子中心使其何线条在三维空间通过原子中心使其相互连起来，这样就构成了一个几何相互连起来，这样就构成了一个几何格架。格架。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构 这种几何空间格架则称为晶格或晶这种几何空间格架则称为晶格或晶体点阵。体点阵。 这种几何空间格架中的几何质点位这种几何空间格架中的几

13、何质点位置称为结点或阵点。置称为结点或阵点。1.2.2 晶体结构的基本概念和类型晶体结构的基本概念和类型 2. 晶胞晶胞 晶胞是晶格中能代表原子排列的最小几何单元体，它晶胞是晶格中能代表原子排列的最小几何单元体，它是一个简单的多面体结构。是一个简单的多面体结构。G:VIDEO晶胞晶胞.AVI第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构 1.2.2 晶体结构的基本概念和类型晶体结构的基本概念和类型 3 3晶格常数晶格常数 为研究晶胞的形状与大小，为研究晶胞的形状与大小，通常用晶胞的三个棱边长度通常用晶胞的三个棱边长度a a、b b、c c和棱边夹角和棱边夹角、六六个参数

14、表示，棱边长度个参数表示，棱边长度a a、b b、c c称为晶格常数，以称为晶格常数，以nmnm（纳米）（纳米）为单位，为单位，1nm =101nm =10-9 -9 m m，以前用，以前用度量，度量，1 1=0.1nm=0.1nm。图1-1 晶格常数示意图第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构 1.2.2 晶体结构的基本概念和类型晶体结构的基本概念和类型 4 4晶胞类型晶胞类型l晶胞一共有晶胞一共有14种类型，分属于种类型，分属于7个晶系。个晶系。l实际晶体结构都可抽象的归属于实际晶体结构都可抽象的归属于14种晶胞中的一种，并种晶胞中的一种，并用其描述其原子排

15、列规律。用其描述其原子排列规律。14种晶胞类型是由布拉菲种晶胞类型是由布拉菲（Bravais）于）于1848年根据年根据“每个阵点周围具有相同环每个阵点周围具有相同环境境”的要求，利用数学方法推算出来的，而且只能有的要求，利用数学方法推算出来的，而且只能有14种，因此也称为种，因此也称为“布拉菲布拉菲”空间点阵。空间点阵。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构思考题：实际晶体结构和布思考题：实际晶体结构和布 拉菲拉菲”空间点阵有何区别？空间点阵有何区别？1.2.2 晶体结构的基本概念和类型晶体结构的基本概念和类型 5.5.常见的金属晶格类型常见的金属晶格类型 工

16、业上使用的金属虽然有几十种，但除少数金工业上使用的金属虽然有几十种，但除少数金属具有复杂的晶体结构外，大多数金属均具有比较属具有复杂的晶体结构外，大多数金属均具有比较简单的晶体结构。最常见的晶体结构只有三种，即简单的晶体结构。最常见的晶体结构只有三种，即 体心立方体心立方 （bcc） 面心立方面心立方 （fcc） 密排六方密排六方 （hcp） 前两种属于立方晶系，后一种属于六方晶系。前两种属于立方晶系，后一种属于六方晶系。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构1.2.2 晶体结构的基本概念和类型晶体结构的基本概念和类型 5.5.常见的金属晶格类型常见的金属晶格类

17、型 （一）体心立方结构（一）体心立方结构(a) (b) (c)图12 体心立方晶胞（a）钢球模型（b）质点模型（c）晶胞原子数第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构 5. 5.常见的金属晶格类型常见的金属晶格类型 （一）体心立方结构（一）体心立方结构 （1 1）点阵常数）点阵常数 “a” 点阵常数点阵常数a a通常应以纳米（通常应以纳米（nmnm）为单位。）为单位。 （2 2）晶胞中的原子数）晶胞中的原子数 (1/8)8 + 1 = 2 （3 3）配位数和致密度）配位数和致密度 （a a）配位数）配位数 晶体结构中任一原子的最近邻，且等距离的原子数目， 叫做该晶

18、体结构的配位数。 第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构5.5.常见的金属晶格类型常见的金属晶格类型 （一）体心立方结构（一）体心立方结构（b b）致密度）致密度 致密度 K 等于晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比， 即：68.0833424333arVnvKar 可见，体心立方结构的金属晶体中，有68%68%的体积为原子所占据，其余32%为空隙体。Cr、Mo、W、V、Nb.第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构 体心立方晶格可以看成是由两个简单立方晶格穿插而成。在每个体心立方晶胞中，无论是体心的原子，还是角上的原子，周围都有8个最

19、近邻且等距离的原子，所以体心立方结构的配位数为8。 5. 5.常见的金属晶格类型常见的金属晶格类型 （二）面心立方结构（二）面心立方结构 面心立方晶胞除了晶胞的面心立方晶胞除了晶胞的8 8个角上各有一个原子外，个角上各有一个原子外，在每个立方体面的中心还有一个原子，故称面心立方在每个立方体面的中心还有一个原子，故称面心立方结构。结构。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构(a) (b) (c)图1-5 面心立方晶胞（a）钢球模型（b）质点模型（c）晶胞原子数 5. 5.常见的金属晶格类型常见的金属晶格类型 （二）面心立方结构（二）面心立方结构(Al、Cu、Ni、

20、Au、Ag) （1 1）点阵常数）点阵常数 a （2 2）晶胞中的原子数）晶胞中的原子数 (1/8)8 + (1/2) 6 = 4 （3 3）配位数和致密度）配位数和致密度 （a a）配位数）配位数 12 （b b）致密度）致密度740623444233. arVnvKar第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构5.5.常见的金属晶格类型常见的金属晶格类型 （三）密排六方结构（三）密排六方结构 (Mg、Zn、 -Co)第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构(a) (b) (c)图1-6 密排六方晶胞（a）钢球模型（b）质点模型（c）

21、晶胞原子数 5. 5.常见的金属晶格类型常见的金属晶格类型 （三）密排六方结构（三）密排六方结构 (Mg、Zn、 -Co) （1 1）点阵常数）点阵常数 正六边形边长正六边形边长a ，晶胞高度，晶胞高度 c ; 理想轴比理想轴比c/a=1.633 （2）原子原子 (1/6)12 + (1/2) 2+3 = 6 （3 3）配位数和致密度）配位数和致密度 （a a）配位数）配位数 12 （b b）致密度）致密度74.0633.12333462123aarKar第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构1.2.2 晶体结构的基本概念和类型晶体结构的基本概念和类型 6 6晶

22、面指数与晶向指数晶面指数与晶向指数第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构6 6晶面指数与晶向指数晶面指数与晶向指数 1)晶面指数（1）选定一个作为坐标原点，沿晶胞的 三个棱边作x、y、z三个坐标轴，以晶胞边长（即晶格常数）作为晶轴长度的度量单位。 特别应当注意，坐标原点应选在待定晶面之外特别应当注意，坐标原点应选在待定晶面之外。（2）求出特定晶面在三个坐标轴上的截距（如果晶面与某一坐标轴平行，则其截距为），设分别为m、n、p。（3）求出三个截距的倒数，并把它们化为最小的简单整数，即1/m、1/n、1/p化为h=E/m，k=E/n，l=E/p，E为最小公倍数。（4

23、）将这组最小整数加上圆括号，并且不用标点分开各数，即得晶面指数（hkl）。）。 如果待定晶面在某一坐标轴上的截距为，则在相应指数上方加一负号。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构6 6晶面指数与晶向指数晶面指数与晶向指数 1)晶面指数第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构图图1-7 晶面指数的确定晶面指数的确定6 6晶面指数与晶向指数晶面指数与晶向指数 1)晶面指数l图1-7（a）中晶面a1b1c1d1及a2b2c2d2为互相平行的两个晶面，晶面指数都是（110）。由此可见，图1-7（b）中晶面a1b1c1与a2b2c2也是互相

24、平行的，如果分别选取0及0为原点，则截距分别为1、1、-1及-1、-1、1，取倒数化为最小整数，它们的晶面指数分别为 和 。这两个两个晶面指数的数字相同而符号相反。由此可见，第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构在立方晶系中，由于原子的排列具有高度的对称性，往往存在立方晶系中，由于原子的排列具有高度的对称性，往往存在有许多原子排列完全相同但在空间位向不同（即不平行）的晶面，在有许多原子排列完全相同但在空间位向不同（即不平行）的晶面，这些晶面总称为晶面族。这些晶面总称为晶面族。6 6晶面指数与晶向指数晶面指数与晶向指数 2)2)晶向指数晶向指数(1)将坐标原点选在

25、待定晶向的一个结点上，沿晶胞棱边作x、y、z三个坐标轴，以晶胞边长（即晶格常数）作为长度单位。(2)求出待定晶向上离原点最近的一个结点的坐标，将此坐标值化为最小整数，例如为u、v、w，再加上方括号，即得晶向指数uvw。如果晶向的某一坐标为负值，像晶面指数那样将负号放在相应的指数上方。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构6 6晶面指数与晶向指数晶面指数与晶向指数 2)2)晶向指数晶向指数 如x轴方向OA，其晶向指数由A点的坐标来确定，A点坐标为1、0、0，故其晶向指数为100。同理，y轴、z轴的晶向指数分别为010和001。 当确定DC的晶向指数时，将原点选在D

26、点。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构图图1-8 晶向指数的确定晶向指数的确定晶向族晶向族 ：原子排列情况相同在空间位向不同：原子排列情况相同在空间位向不同（即不平行）的晶向。如（即不平行）的晶向。如100 多数金属在结晶后的晶格类型都保持不变，但有些金属（如铁、锡、锰等）的晶格类型，却因温度而异。 一种金属能以几种晶格类型存在的性质，叫做同素异构性。68%68%74%74%68%68%第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构l铁在同素异构转变时有体积变化。从原子的排列情况来看，面心立方晶格中铁原子排列得比较紧密，所以在质量相同

27、的条件下，-Fe的体积比的体积比-Fe要小要小。l如将一块纯铁加热到912，即由-Fe变为-Fe ，这时体积要缩小；反之，将铁冷却转变为-Fe时，体积会增大。这种体积的变化，有可能引起结构应力结构应力。l铁的同素异构性质也影响到钢，钢在冷却时， -Fe同样转变为-Fe 。钢所以能够通过热处理以改变其性能通过热处理以改变其性能，是与铁的同素异构转变有关的。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构 1.3 晶体缺陷晶体缺陷 金属晶粒，其内部原子的排列并不是那样理想的完全规则整齐，不存在任何缺陷，实际上存在着原子错排的各种缺陷。这种晶体结构的缺陷对金属的性能和组织转变等

28、均有很大影响，因此有必要了解和重视这些缺陷。 第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构1.3 晶体缺陷l点缺陷是空间三点缺陷是空间三维方向上尺寸都维方向上尺寸都很小的一种缺陷。很小的一种缺陷。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构1.3 晶体缺陷第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构1.3 晶体缺陷l晶体中空位或间隙原子的移动是原子进行扩散的一种晶体中空位或间隙原子的移动是原子进行扩散的一种主要方式；主要方式；l固溶强化、弥散强化；固溶强化、弥散强化；l畸变引起性能变化（畸变引起性能变化（如电阻增加、

29、屈服强度增加等如电阻增加、屈服强度增加等）。）。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构1.3 晶体缺陷l线缺陷是在空间的一个方向上尺寸很大，其它两个方向上线缺陷是在空间的一个方向上尺寸很大，其它两个方向上尺寸很小的一种缺陷。分为尺寸很小的一种缺陷。分为刃型及螺型刃型及螺型两种位错。两种位错。 刃型位错刃型位错刃型位错空间模型刃型位错空间模型刃型位错平面模型刃型位错平面模型第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构1.3 晶体缺陷 刃型位错刃型位错 上图是晶体中刃型位错示意图。从图中可以看到ABCD晶面以上沿EF处多插入了一层原子面，它

30、好像一把刀刃那样切入晶体中，使上下层原子不能对准，把这种原子错排叫做刃型位错。EF线称为刃型位错线。在位错线附近区域晶格发生了较大的弹性畸变，如图中虚线所示。在多了一层原子面的上部晶体中，原子被挤紧，原子间距减小，受压应力；相反在少了一层原子面的下部晶体中，原子被拉开，原子间距增加，受到拉应力。位错线附近虚线圆的半径很小，仅几个原子间距，而位错线可长达几千万个原子间距，故刃型位错是一种线缺陷。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构 螺型位错螺型位错l下图是螺型位错示意图下图是螺型位错示意图第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及金属的晶体结构l晶体材料塑性变形的微观机制：晶体材料塑性变形的微观机制：位错的运动。位错的运动。l位错强化位错强化：随位错密度的增加，材料的强度增加，同时塑：随位错密度的增加，材料的强度增加，同时塑 性降低。性降低。l原原 因因：位错缠绕，阻碍位错的运动。：位错缠绕，阻碍位错的运动。第一章第一章 工程材料类型及金属的晶体结构工程材料类型及