金属材料的任务一之活动2

1、2022-6-111任务一 金属及其结构与结晶金属及其结构与结晶金属的晶体结构建议：2课时学习活动2学习目的与要点：1、熟悉并掌握金属材料的结构与结晶、晶体与非晶体、晶格类型、晶体的缺陷的概念。2、能区别晶体与非晶体、晶体缺陷对金属材料性能的影响学习重点与难点：重点：金属材料的结构与结晶、晶体与非晶体、晶格类型、晶体的缺陷的概念难点：区别晶体与非晶体、晶体缺陷对金属材料性能的影响一、金属金属 金属键结合 具有正的电阻温度系数、导电性和导热性、延展性和金属光泽。 固体: 晶体和非晶体。 绝大多数金属与合金都是晶体。 晶体：原子在空间呈有规则的周期性重复排列。 金属原子间的键合特点：共有价电子电子

2、云键无方向性和饱和性 金属的特性和金属键；晶体与非晶体；金属的特性和金属键；晶体与非晶体； 金属晶体结构是决定性能的内在基本因素之一；金属晶体结构是决定性能的内在基本因素之一； 实际晶体中晶体缺陷普遍存在，对金属的许多性质，尤其实际晶体中晶体缺陷普遍存在，对金属的许多性质，尤其是力学性能有着重大的影响；是力学性能有着重大的影响； 纯金属结晶过程；纯金属结晶过程； 晶粒细化对提高金属材料力学性能的显著作用，凝固时细晶粒细化对提高金属材料力学性能的显著作用，凝固时细化晶粒的途径和方法。化晶粒的途径和方法。金属原子间的键合特点金属键共有价电子电子云键无方向性和饱和性二、晶体与非晶体 晶体与非晶体最本

3、质的区别在于：（1）晶体的原子、离子、分子等质点是规则规则排列排列，而非晶体中这些质点是无规则堆积在一起的。 天然晶体的外形对称性天然晶体的外形对称性。 （2）晶体具有明显、固定的熔点熔点。如铁的熔点为1538 ，铜的熔点为1083 。（3）晶体有各向异性。 金属是晶体，晶体学理论是是研究金属的内部结构。提问：你见过物质中，哪些是晶体，哪些是非晶体？下列物质中，哪些是晶体，哪些是非晶体？冰、玻璃、铜、松香、味精、橡胶、石蜡、白糖液体液体非晶体非晶体 蜂蜡、玻璃 等。晶体一些晶体的形状 三、晶体学简介1、晶体结构模型 理想晶体中，原子规则排列，原子在空间周期性地重复，每个原子具有相同的环境。 假

4、设：原子、离子等为固定不动的刚性小球；将原子、离子等抽象为几何的点。原子堆垛模型2、晶格、空间点阵、晶胞 空间点阵：几何点(原子)在空间排列的阵列。 晶 格：几何点(原子)排列的空间格架。 晶 胞：晶格中体积最小，对称性最高的平行六面体。是能代表原子排列形式特征的最小几何单元。晶格 a ab bc c zyxd 晶胞3、金属晶体典型结构布拉菲在1948年根据“每个阵点环境相同”的要求，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲点阵，分属7个晶系。晶系晶系轴(棱边)之间的夹角三斜晶系三斜晶系单斜晶系单斜晶系斜方晶系斜方晶系正方晶系正方晶系菱方晶系菱方晶系六方晶系六方晶系立方晶系立方晶系

5、三种典型晶体结构体心立方体心立方面心立方面心立方密排六方密排六方4、几个概念 原子半径原子半径：原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。 晶胞中所含原子数晶胞中所含原子数：晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。 配位数配位数：是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。 致致密度密度：是指晶胞中原子所占体积分数，即K = n v/ V 。式中，n为晶胞所含原子数、v为单个原子体积、V为晶胞体积。 晶胞中所含原子数晶胞中所含原子数 晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。 配位数配位数 是指在晶体

6、结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。致密度致密度 是指晶胞中原子所占体积分数，即是指晶胞中原子所占体积分数，即K = n v/ V K = n v/ V 。式中，。式中，n n为为晶胞所含原子数、晶胞所含原子数、vv为单个原子体积、为单个原子体积、V V为晶胞体积。为晶胞体积。 原子半径原子半径 原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。一半。 四、金属晶体典型结构1、体心立方晶格参数 Cr、V、Mo、W和-Fe等30 多种 2、面心立方晶格参数 Al、Cu、Ni和

7、-Fe等约20种 3、密排六方结构 金属有：Zn、Mg、Be、-Ti、-Co等想一想：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方立方晶格各由多少原子组成？各由几个原子？B A CDEFGHaaa2aAEFCa2a3a晶体结构特征分析： 1、点阵参数a=b=c =90 2、晶胞中原子数=1+81/8=2 3、原子半径 r = 3 /4 a 4、8 配位数越大，原子排列越紧密。 致密度=晶胞中所含原子占体积的总和/晶胞体积 = nV原子/V晶胞晶面及晶向的原子密度晶面及晶向的原子密度 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一上的原子排列方式和排

8、列紧密程度是不一样的。下页的两个表给出了体心立方晶格样的。下页的两个表给出了体心立方晶格和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上的和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上的原子排列方式和紧密程度。原子排列方式和紧密程度。金属中常见的三种晶体结构特征小结金属中常见的三种晶体结构特征小结结构类型晶胞原子数晶格常数原子半径配位数致密度体心立方体心立方 2 a3a/4 8 0.68面心立方面心立方 4 a2a/4 12 0.74密排六方密排六方 6 a，c a/2 12 0.74五、单晶体与多晶体单晶体：只由一个晶粒组成的晶体 单晶体的晶格排列方位完全一致，单晶体必须人工制作。如单晶体硅、单晶体锗多晶体：由很多大

9、小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶体组成。小晶体称为晶粒，晶粒间交界的地方称为晶界。 普通金属材料都是多晶体，虽然每个晶粒具有各向异性，但由于各个晶粒位向不同，加上晶界的作用，使得各晶粒的有向性互相抵消，因而整个多晶体呈现出无向性，即各向同性 结晶方位完全一致的晶体称为“单晶体”，如下图所示。单晶体在不同晶面和晶向的力学性能不同，这种现象称为“各向异性”。 实际金属晶体内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部晶格位向一致，而各小晶体之间晶格位向不同。小晶体称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界上原子排列是不规则的。这种由多晶粒构成的晶体结构称为“多晶体”，如下图所示，多晶

10、体呈现各向同性。 六、晶体的缺陷理想晶体：理想晶体：是指晶体中原子严格地成，完全规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体。实际晶体：实际晶体：多晶体+晶体缺陷晶体缺陷：晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域，按其几何尺寸特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。 原子的不规则排列产生晶体缺陷。晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用。难点、重点1、点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、异类原子等。点缺陷的类型：点缺陷的类型：（1）空位： 肖脱基空位离

11、位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。 弗兰克尔空位-离位原子进入晶体间隙。（2）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。 （3）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。2、线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。位错：两维尺寸很小，一维尺寸大的原子不规则排列 一列或若干列原子有规律的错排现象。1） 刃型位错：刃型位错：(1)有一额外半原子面；有一额外半原子面；(2)位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道。位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道。 2）螺型位错）螺型位错3）混合位错）混合位错位错密度和金属材料强度的关位错密度和金属材料强度的关系系(1)位错在晶体

12、中存在形态 位错网络，密度高时互相缠绕，形成位错缠结。(2)位错密度 单位体积包含的位错总长度= L / V 退火软化金属中=1010 1012 m - 2 冷变形金属中= 1015 1016 m - 2。(3)金属强度和位错的关系 金属铁须晶(直径1.6m)： 13400MPa， 退火工业纯铁： 300MPa， 强化处理合金钢： 2000MPa。300MPa 2000MPa13400MPa3、面缺陷： 两维尺寸很大两维尺寸很大,第三向尺寸很小第三向尺寸很小 类类型型 ： 晶体表面、晶界、亚晶界、层错、相界、晶界。晶体表面、晶界、亚晶界、层错、相界、晶界。 小小角度晶界角度晶界相邻晶粒的位向差小于相邻晶粒的位向差小于10的晶界。基本上由位错构的晶界。基本上由位错构成。成。 大角度晶界大角度晶界相邻晶粒的位向差大于相邻晶粒的位向差大于10的晶的晶 界。原子排列比较界。原子排列比较混乱，结构比较复杂。混乱，结构比较复杂。亚晶界：亚晶界： 晶晶粒内部位向差小于粒内部位向差小于 1 的亚结构，也称为亚晶粒，亚晶的亚结构，也称为亚晶粒，亚晶之间的界面，称为亚晶界。通常由位错构成。之间的界面，称为亚晶界。通常由位错构成。相界相界：不同结构的晶粒之间的界面：不同结构的晶粒之间的界面界面结构类型界面结构类型: 共格界面共格界面, 半共格半共