金属学与造船材料

金属学与造船材料第1页/共65页第1章金属和合金的晶体结构§1.1金属原子间的键合特点§1.2金属晶体典型结构§1.3合金相结构§1.4金属晶体缺陷第2页/共65页什么是金属？金属是具有正的电阻温度系数的物质,电阻随温度的升高而增加，而非金属的电阻温度系数为负值。金属是具有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和金属光泽第3页/共65页结构原子结构原子的空间排列显微组织原子核外电子的排布方式显著影响材料的电、磁、光和热性能，还影响到原子彼此结合的方式，从而决定材料的类型

金属原子的结构特点第4页/共65页原子结构理论原子原子核质子(10-8cm,1836倍)(10-8cm)(10-12cm)中子(10-8cm,1838倍)

电子

(10-13cm)

(9.1х10-28g)

原子是由质子和中子组成的原子核以及核外电子构成的。原子的体积很小，原子核的直径更小，原子的质量主要集中在原子核内。金属原子的结构特点第5页/共65页金属原子的结构特点其最外层的电子数很少，一般为1～2个，不超过3个。价电子金属原子的结构特点第6页/共65页晶态和非晶态。晶体结构显著影响材料的力学性能。结构原子结构原子的空间排列显微组织金属原子的结构特点第7页/共65页晶粒的大小、合金相的种类、数量和分布等参数。结构原子结构原子的空间排列显微组织第8页/共65页第9页/共65页第10页/共65页§1.1金属原子间的键合特点金属键离子键共价键得失价电子→正负离子→①高熔点、高硬度、低塑②良好的电绝缘体等第11页/共65页§1.1金属原子间的键合特点金属键离子键共价键共有电子对→键有饱和性→①高熔点、高硬度、低塑性②电绝缘体等第12页/共65页§1.1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性能特点：

1)良好的导电性及导热性；

2)正的电阻温度系数；

3)良好的强度及塑性；

4)特有的金属光泽。第13页/共65页离子键

共价键金属键结构特点

方向性不明显，配位数大

方向性明显，配位数小，密度小

无方向性，配位数大，密度大

力学性能

强度高，劈裂性良好，硬度大

强度高，硬度大

有各种强度，有塑性

热力性质

熔点高，膨胀系数小，熔体中有离子存在

熔点高，膨胀系数小，熔体中有的含有分子

有各种熔点，导热性好，液态的温度范围宽

电学性质

绝缘体，熔体为导体

绝缘体，熔体为非导体

导电体（自由电子）

光学性质

与各构成离子的性质相同，对红外线的吸收强，多是无色或浅色透明的

折射率大，同气体的吸收光谱很不同

不透明，有金属光泽

§1.1金属原子间的键合特点结合键的特性第14页/共65页问题：金属原子为什么趋于规则排列？第15页/共65页§1.1金属原子间的键合特点结合力与结合能d0：原子的平衡位置，结合能最低。dc：最大结合力位置，对应着金属的理论抗拉强度。第16页/共65页§1.1金属原子间的键合特点结合力与结合能原子间必须保持一定的平衡距离，这是固态金属中的原子趋于规则排列的重要原因。第17页/共65页§1.2金属晶体典型结构第18页/共65页材料的原子排列非晶态原子排列短程有序或无序§1.2金属晶体典型结构非晶体的特点是：①结构无序；②物理性质表现为各向同性；③没有固定的熔点；④热导率（导热系数）和膨胀性小；第19页/共65页§1.2金属晶体典型结构第20页/共65页晶体基元在三维空间呈规律性排列长程有序单个的原子、离子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。晶体的主要特点是：①结构有序；②物理性质表现为各向异性；③有固定的熔点；④在一定条件下有规则的几何外形。§1.2金属晶体典型结构第21页/共65页空间点阵是一个几何概念，它由一维、二维或三维规则排列的阵点组成。§1.2金属晶体典型结构第22页/共65页刚球模型→用刚球代表空间排列的原子晶格→刚球抽象为质点，构成空间格架晶胞→保持点阵几何特征的基本单元§1.2金属晶体典型结构第23页/共65页布拉菲在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。§1.2金属晶体典型结构第24页/共65页晶系

轴(棱边)之间的夹角三斜晶系单斜晶系斜方晶系正方晶系菱方晶系六方晶系立方晶系§1.2金属晶体典型结构第25页/共65页晶体结构构成晶体的基元在三维空间的具体的排列方式=空间点阵+基元§1.2金属晶体典型结构第26页/共65页晶胞中所含原子数

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

是指晶胞中原子所占体积分数，即K=nv′/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。

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。

§1.2金属晶体典型结构第27页/共65页三种典型晶体结构体心立方面心立方密排六方第28页/共65页体心立方晶格参数Cr、V、Mo、W和α-Fe等30多种§1.2金属晶体典型结构第29页/共65页体心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构原子数8×1/8+1=2第30页/共65页体心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构原子半径第31页/共65页体心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构配位数=8第32页/共65页§1.2金属晶体典型结构致密度：第33页/共65页面心立方晶格参数Al、Cu、Ni和γ-Fe等约20种§1.2金属晶体典型结构第34页/共65页面心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构原子数8×1/8+6×1/2=4第35页/共65页面心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构原子半径第36页/共65页配位数=12面心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构第37页/共65页§1.2金属晶体典型结构第38页/共65页密排六方晶格参数Mg、Zn、Cd、Be、α-Ti等20多种§1.2金属晶体典型结构第39页/共65页密排六方晶格参数§1.2金属晶体典型结构原子数12×1/6+2×1/2+3=6第40页/共65页密排六方晶格参数§1.2金属晶体典型结构原子半径r=a/2第41页/共65页§1.2金属晶体典型结构第42页/共65页密排六方晶格参数§1.2金属晶体典型结构致密度：配位数=12第43页/共65页面心立方晶格和密排六方的原子堆垛方式为什么面心立方和密排六方具有相同的致密度，相同的配位数？第44页/共65页第45页/共65页§1.2金属晶体典型结构密排六方结构的原子堆垛方式第46页/共65页§1.2金属晶体典型结构面心立方结构的原子堆垛方式第47页/共65页体心立方结构的原子堆垛方式§1.2金属晶体典型结构第48页/共65页面心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构第49页/共65页体心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构第50页/共65页晶面及晶向的原子密度

不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排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。§1.2金属晶体典型结构第51页/共65页第52页/共65页第53页/共65页晶向和晶面在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。

xYZ第54页/共65页晶向指数1.2材料的原子排列晶向指数的确定方法①建立以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系。②定出该晶向上任两点的坐标。③用末点坐标减去始点坐标。④将相减后所得结果约成互质整数，加一方括号。§1.2金属晶体典型结构xYZ第55页/共65页晶面及晶面指数晶面指数的确定方法①在以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系中取该晶面在各坐标轴上的截距。②取截距的倒数。③将倒数约成互质整数，加一圆括号。§1.2金属晶体典型结构xYZ第56页/共65页六方晶系§1.2金属晶体典型结构xYZ第57页/共65页各向异性金属的性能和金属晶体的取向有关各向异性是由于在不同方向上的原子紧密程度不同所致，意味着原子之间的距离不同，则导致原子间结合力不同。晶体区别于非晶体的一个重要标志。第58页/共65页多晶型转变1.2金属的典型晶体结构当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为多晶型转变，又称为同素异构转变第59页/共65页第60页/共65页第61页/共65页第62