工程材料第二章材料的結(jié)構(gòu)

1、王金星王金星材料科學(xué)與工程學(xué)院材料科學(xué)與工程學(xué)院郵箱：郵箱：電話：電話ngineering Materialshttp:/ 晶體晶體（Crystal）晶體是其內(nèi)部原子在三維空間呈規(guī)則排列的物質(zhì)。晶體是其內(nèi)部原子在三維空間呈規(guī)則排列的物質(zhì)。 例如例如 , , 所有的金屬、食鹽等。所有的金屬、食鹽等。 晶體的特點(diǎn)：晶體的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)有序；結(jié)構(gòu)有序； 各向異性；各向異性； 有固定的熔點(diǎn)。有固定的熔點(diǎn)。第二章材料的結(jié)構(gòu)各向異性各向異性：在測(cè)定材料的性能時(shí)，沿不同在測(cè)定材料的性能時(shí)，沿不同方向測(cè)定所得的結(jié)果各不相同，方向測(cè)定所得的結(jié)果各不相同，即各向異性。即各向異性。l 非晶體

2、非晶體（Non-crystal） 非晶體是其內(nèi)部原子排列無(wú)序的物質(zhì)。非晶體是其內(nèi)部原子排列無(wú)序的物質(zhì)。 例如例如, ,普通玻璃、松香等。普通玻璃、松香等。 非晶體的特點(diǎn)：非晶體的特點(diǎn)： 結(jié)構(gòu)無(wú)序；結(jié)構(gòu)無(wú)序； 各向同性；各向同性； 沒(méi)有固定的熔點(diǎn)；沒(méi)有固定的熔點(diǎn)； 熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率(導(dǎo)熱系數(shù)導(dǎo)熱系數(shù))和熱膨脹性??；和熱膨脹性小； 塑性變形大；塑性變形大； 組成的變化范圍大。組成的變化范圍大。各向同性：各向同性：在測(cè)定材料的性能時(shí)沿任何方在測(cè)定材料的性能時(shí)沿任何方向測(cè)定的結(jié)果都是一致的，不向測(cè)定的結(jié)果都是一致的，不因方向而異，即各向同性，或因方向而異，即各向同性，或稱等向性。稱等向性。第二章材料的結(jié)構(gòu)

3、第二章材料的結(jié)構(gòu)2.2.晶體學(xué)的基本知識(shí)晶體學(xué)的基本知識(shí)l 晶格晶格（Crystal Lattice）晶體結(jié)構(gòu)的描述：晶體結(jié)構(gòu)的描述：將晶體的原子看成是剛性小球；將晶體的原子看成是剛性小球；把原子抽象為幾何點(diǎn)；把原子抽象為幾何點(diǎn)；用假想的直線將幾何點(diǎn)連接起來(lái)。用假想的直線將幾何點(diǎn)連接起來(lái)。晶體模型晶體模型晶格：晶格：用以描述晶體中原子排列規(guī)律用以描述晶體中原子排列規(guī)律的空間幾何格架。的空間幾何格架。晶格晶格l 晶胞晶胞（Unit Cell）晶胞在三維空間平移，即可重構(gòu)晶格。晶胞在三維空間平移，即可重構(gòu)晶格。晶胞晶胞第二章材料的結(jié)構(gòu)晶格晶格晶胞：晶胞：組成晶格的最小幾何單元體。組成晶格的最小幾何

4、單元體。晶胞的表示方法晶胞的表示方法XYZcba a、 b、 c 晶格常數(shù)（點(diǎn)陣常數(shù)）晶格常數(shù)（點(diǎn)陣常數(shù)） 、 、 夾角夾角l 晶格常數(shù)晶格常數(shù)（Lattice Constant）第二章材料的結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：晶胞的幾何尺寸。晶胞的幾何尺寸。又稱為點(diǎn)陣常數(shù)。又稱為點(diǎn)陣常數(shù)。晶胞需要表示的有：形狀和大小、面、方向晶胞需要表示的有：形狀和大小、面、方向l 晶面與晶面指數(shù)晶面與晶面指數(shù)（1 1）晶面）晶面（Crystal Face）在晶格中由一系列原子所構(gòu)成的平面。在晶格中由一系列原子所構(gòu)成的平面。第二章材料的結(jié)構(gòu)晶格中由一些原子構(gòu)成的原子面晶格中由一些原子構(gòu)成的原子面（2）晶面指數(shù)）晶面指數(shù)

5、（Indices of Crystallographic Plane）為便于研究和表述給晶面規(guī)定的符號(hào)。為便于研究和表述給晶面規(guī)定的符號(hào)。 確定晶面指數(shù)的步驟：確定晶面指數(shù)的步驟：求截距求截距求出待定晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。求出待定晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。取倒數(shù)取倒數(shù)將三個(gè)截距之值變?yōu)榈箶?shù)。將三個(gè)截距之值變?yōu)榈箶?shù)。化簡(jiǎn)并加圓括號(hào)化簡(jiǎn)并加圓括號(hào)將三個(gè)倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)，并加上一圓括號(hào)。將三個(gè)倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)，并加上一圓括號(hào)。 晶面指數(shù)的一般形式：晶面指數(shù)的一般形式：（hkl）第二章材料的結(jié)構(gòu)第二章材料的結(jié)構(gòu)立方晶格中的三種重要晶面立方晶格中的三種重要晶面l 晶向與晶向指數(shù)晶向與晶向

6、指數(shù)（1 1）晶向）晶向（Crystal Direction）在晶格中，任意兩原子之間的連線所指的方向。在晶格中，任意兩原子之間的連線所指的方向。第二章材料的結(jié)構(gòu)晶格中由一些原子構(gòu)成的原子列晶格中由一些原子構(gòu)成的原子列（2）晶向指數(shù)）晶向指數(shù)（Indices of Crystallographic Direction）為便于研究和表述給晶向規(guī)定的符號(hào)。為便于研究和表述給晶向規(guī)定的符號(hào)。 確定晶向指數(shù)的步驟：確定晶向指數(shù)的步驟：引直線引直線通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)引一條直線，使其平行于待求的晶向。通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)引一條直線，使其平行于待求的晶向。求坐標(biāo)值求坐標(biāo)值求出所引直線上任意一點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)值。求出所引直線上

7、任意一點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)值?；?jiǎn)并加方括號(hào)化簡(jiǎn)并加方括號(hào)將三個(gè)坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)，并加上一方括號(hào)。將三個(gè)坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)，并加上一方括號(hào)。 晶向指數(shù)的一般形式：晶向指數(shù)的一般形式： uvw第二章材料的結(jié)構(gòu)第二章材料的結(jié)構(gòu)立方晶格中的一些重要晶向立方晶格中的一些重要晶向 關(guān)于晶面和晶向的幾點(diǎn)說(shuō)明：關(guān)于晶面和晶向的幾點(diǎn)說(shuō)明：u某一晶面指數(shù)并不僅代表某一具體的晶面，而是代表一某一晶面指數(shù)并不僅代表某一具體的晶面，而是代表一組相互平行的晶面。組相互平行的晶面。 所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指數(shù)。所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指數(shù)。u原子排列情況完全相同的所有晶面同屬于一個(gè)晶面族。原子

8、排列情況完全相同的所有晶面同屬于一個(gè)晶面族。 晶面族用晶面族用hkl表示。表示。u某一晶向指數(shù)并不僅代表某一具體的晶向，而是代表了某一晶向指數(shù)并不僅代表某一具體的晶向，而是代表了一族平行線的位向。一族平行線的位向。 所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指數(shù)。所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指數(shù)。u原子排列情況完全相同的所有晶向同屬于一個(gè)晶向族。原子排列情況完全相同的所有晶向同屬于一個(gè)晶向族。 晶向族用晶向族用uvw表示。表示。u在立方晶系中，相同指數(shù)的晶面和晶向相互垂直。在立方晶系中，相同指數(shù)的晶面和晶向相互垂直。第二章材料的結(jié)構(gòu)l 晶格結(jié)構(gòu)的表征晶格結(jié)構(gòu)的表征 晶格尺寸：晶格尺寸： 以晶格常

9、數(shù)表示。以晶格常數(shù)表示。 原子半徑（原子半徑（r r）：）： 代表原子的剛性小球的半徑。代表原子的剛性小球的半徑。 晶胞原子數(shù)（晶胞原子數(shù)（n n）：）： 晶胞內(nèi)的原子數(shù)目。晶胞內(nèi)的原子數(shù)目。 晶格中原子排列的緊密程度：晶格中原子排列的緊密程度： 配位數(shù)（配位數(shù)（Z）：）： 晶格中與任一原子等距且最近鄰的原子數(shù)目。晶格中與任一原子等距且最近鄰的原子數(shù)目。 致密度（致密度（K）：）： 晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比。晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比。第二章材料的結(jié)構(gòu)a體心立方晶格體心立方晶格第二節(jié)第二節(jié) 常見(jiàn)純金屬的晶格類型常見(jiàn)純金屬的晶格類型1.1.體心立方晶格體心立方晶格（bcc，body

10、-centered cubic lattice） l 晶格的特征晶格的特征體心立方晶體模型體心立方晶體模型具有具有bccbcc結(jié)構(gòu)的金屬：結(jié)構(gòu)的金屬： - -FeFe、NaNa、K K、CrCr、W W、MoMo、V V、NbNb、TaTa等。等。第二章材料的結(jié)構(gòu) bcc.swfl 晶格的基本參數(shù)晶格的基本參數(shù)原子半徑原子半徑晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù) n =1/88 + 1 = 2配位數(shù)配位數(shù) Z8致密度致密度 0.6868% aa2ar43VrnK/34333)4/3()3/4(2aa第二章材料的結(jié)構(gòu)a面心立方晶格面心立方晶格2.2.面心立方晶格面心立方晶格（fcc，face-centered

11、cubic lattice） l 晶格的特征晶格的特征面心立方晶體模型面心立方晶體模型具有具有fccfcc結(jié)構(gòu)的金屬：結(jié)構(gòu)的金屬： - -FeFe、CuCu、AlAl、NiNi、AuAu、AgAg、PtPt、PbPb等。等。第二章材料的結(jié)構(gòu) fcc.swfal 晶格的基本參數(shù)晶格的基本參數(shù)原子半徑原子半徑晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù) n =1/88 + 1/26 = 4配位數(shù)配位數(shù) Z =12致密度致密度 0.7474% ar42VrnK/34333)4/2()3/4(4aa第二章材料的結(jié)構(gòu)a2密排六方晶格密排六方晶格兩個(gè)簡(jiǎn)單六方晶格穿插兩個(gè)簡(jiǎn)單六方晶格穿插在一起構(gòu)成密排六方晶格在一起構(gòu)成密排六方晶格

12、3.3.密排六方晶格密排六方晶格（hcp，hexagonal close-packed lattice）l 晶格的特征晶格的特征密排六方晶體模型密排六方晶體模型ac具有具有hcphcp結(jié)構(gòu)的金屬：結(jié)構(gòu)的金屬： MgMg、ZnZn、CdCd、BeBe、 - -TiTi等。等。第二章材料的結(jié)構(gòu)c c / /a a 稱為密排六方晶格的軸比稱為密排六方晶格的軸比理想的理想的hcphcp晶格的軸比晶格的軸比c /a 1.633 hcp.swfl 晶格的基本參數(shù)晶格的基本參數(shù)原子半徑原子半徑晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù) n =1/612 + 1/22 + 3 = 6 配位數(shù)配位數(shù) Z =12致密度致密度 0.74

13、74%ar21VrnK/34333)2/1 () 3/4(6aa第二章材料的結(jié)構(gòu)晶粒晶粒晶界晶界多晶體結(jié)構(gòu)多晶體結(jié)構(gòu)第二章材料的結(jié)構(gòu)第三節(jié)第三節(jié) 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)單晶體：?jiǎn)蝹€(gè)晶粒單晶體：?jiǎn)蝹€(gè)晶粒多晶體：許多晶粒多晶體：許多晶粒晶粒晶粒=顆粒顆粒?空位空位間隙原子間隙原子置換原子置換原子晶體中的點(diǎn)缺陷晶體中的點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷對(duì)晶格規(guī)律性的影響點(diǎn)缺陷對(duì)晶格規(guī)律性的影響點(diǎn)缺陷的存在，破壞了原點(diǎn)缺陷的存在，破壞了原子的平衡，使晶格發(fā)生畸變。子的平衡，使晶格發(fā)生畸變。點(diǎn)缺陷對(duì)晶體性能的影響點(diǎn)缺陷對(duì)晶體性能的影響點(diǎn)缺陷的存在將提高材料點(diǎn)缺陷的存在將提高材料的硬度和強(qiáng)度，降低材料的的硬度和強(qiáng)

14、度，降低材料的塑性和韌性。塑性和韌性。2.12.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際晶體缺陷實(shí)際晶體缺陷：（：（1 1）點(diǎn)缺陷，（點(diǎn)缺陷，（2 2）線缺陷，（）線缺陷，（3 3）面缺陷）面缺陷（1 1）點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷E晶體中的線缺陷晶體中的線缺陷位錯(cuò)位錯(cuò)2.12.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)EF位錯(cuò)線位錯(cuò)線（2 2）線缺陷線缺陷位錯(cuò)對(duì)晶體強(qiáng)度的影響位錯(cuò)對(duì)晶體強(qiáng)度的影響2.12.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)位錯(cuò)對(duì)晶格規(guī)律性的影響位錯(cuò)對(duì)晶格規(guī)律性的影響在位錯(cuò)線附近，原子的在位錯(cuò)線附近，原子的錯(cuò)排使晶格發(fā)生畸變。錯(cuò)排使晶格發(fā)生畸變。位錯(cuò)對(duì)晶體性能的影響位錯(cuò)對(duì)晶體性能的影響位錯(cuò)的存在可降低

15、晶體位錯(cuò)的存在可降低晶體的強(qiáng)度。當(dāng)位錯(cuò)大量產(chǎn)生后，的強(qiáng)度。當(dāng)位錯(cuò)大量產(chǎn)生后，又可提高強(qiáng)度，同時(shí)使晶體又可提高強(qiáng)度，同時(shí)使晶體的塑性和韌性降低。的塑性和韌性降低。晶界晶界亞晶界亞晶界10 10 2.12.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶界等面缺陷對(duì)晶體性能的影響晶界等面缺陷對(duì)晶體性能的影響晶界等面缺陷能同時(shí)提高晶體的強(qiáng)度和塑性。晶界等面缺陷能同時(shí)提高晶體的強(qiáng)度和塑性。細(xì)化晶粒是改善金屬力學(xué)性能的有效手段。細(xì)化晶粒是改善金屬力學(xué)性能的有效手段。（3 3）面缺陷面缺陷重要概念重要概念l 合金合金 由兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬組成的具有金屬特征由兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬組成的

16、具有金屬特征的物質(zhì)。（純金屬的力學(xué)性能差）的物質(zhì)。（純金屬的力學(xué)性能差）l 組元組元 組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)（比如元素，少數(shù)情況化合物）。組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)（比如元素，少數(shù)情況化合物）。l 合金系合金系 由給定組元以不同的比例配制而成的一系列成分不同的合金，它由給定組元以不同的比例配制而成的一系列成分不同的合金，它們構(gòu)成一個(gè)合金系統(tǒng)，即合金系。們構(gòu)成一個(gè)合金系統(tǒng)，即合金系。l 相相 合金中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和同一性能，并以界面互相合金中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和同一性能，并以界面互相分開(kāi)的均勻的組成部分。分開(kāi)的均勻的組成部分。2.22.2合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)第

17、四節(jié)第四節(jié) 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)思考：思考： 相相 = = 晶粒晶粒? = ? = 顆粒顆粒? phase grain particle合金元素哪里去了？合金元素哪里去了？u 固溶體固溶體u金屬化合物金屬化合物2.22.2合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)置換固溶體置換固溶體間隙固溶體間隙固溶體l 固溶體：固溶體：組成合金的元素互相溶解，形成一種與某一元素的組成合金的元素互相溶解，形成一種與某一元素的晶體結(jié)構(gòu)相同，并包含有其它元素的合金固相。晶體結(jié)構(gòu)相同，并包含有其它元素的合金固相。l 固溶強(qiáng)化：通過(guò)溶入某種溶質(zhì)元素來(lái)形成固溶體而使金屬的固溶強(qiáng)化：通過(guò)溶入某種溶質(zhì)元素來(lái)形成固溶體而使金屬的強(qiáng)度、

18、硬度提高的現(xiàn)象。強(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象。固態(tài)的熔體固態(tài)的熔體!Cu (rCu=0.1276nm) Ni (rNi=0.1244nm) 溶質(zhì)原子Fe (rFe=0.1260nm) C (rC=0.0770nm) 間隙化合物間隙化合物Fe3C 的晶體結(jié)構(gòu)的晶體結(jié)構(gòu)2.22.2合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)l 金屬化合物：金屬化合物：合金組元間相互作用所形成的一種晶格類型及合金組元間相互作用所形成的一種晶格類型及性能均不同于任一組元的合金固相。性能均不同于任一組元的合金固相。兩類合金相兩類合金相固溶體和金屬化合物的比較固溶體和金屬化合物的比較晶體結(jié)構(gòu)：晶體結(jié)構(gòu)：l 固溶體的晶體結(jié)構(gòu)特征：固溶體的晶體結(jié)構(gòu)特征：與組元之一的溶劑的晶體結(jié)構(gòu)相同。與組元之一的溶劑的晶體結(jié)構(gòu)相同。l 金屬化合物的晶體結(jié)構(gòu)特征：金屬化合物的晶體結(jié)構(gòu)特征：與任一組元的晶體結(jié)構(gòu)都不相同，而是與任一組元的晶體結(jié)構(gòu)都不相同，而是一種新的結(jié)構(gòu)。一種新的結(jié)構(gòu)。性能：性能：l 固溶體的性能特點(diǎn)：固溶體的性能特點(diǎn)：強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性有所下降。強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性有所下降。l 金屬化合物的性能特點(diǎn)：金屬化合物的性能特點(diǎn)：強(qiáng)度、硬度提高，脆性較大。強(qiáng)度、硬度提高，脆性較大。在合金中的作用：在合金中的作用：l 固溶體通常作為合金的基體。固溶體通常作為合金的基體。