第二章材料的結(jié)構(gòu)

1、l一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念l二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)l 1、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)l 2、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)l 3、合金的晶體結(jié)構(gòu)、合金的晶體結(jié)構(gòu)l物質(zhì)由原子組成。物質(zhì)由原子組成。l原子的結(jié)合方式和排列原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。l原子、離子、分原子、離子、分子之間的結(jié)合力子之間的結(jié)合力稱為稱為結(jié)合鍵結(jié)合鍵。l它們的具體組合它們的具體組合狀態(tài)稱為狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。C60金屬鍵金屬鍵金屬的結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)晶態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)l1、晶體與非晶體、晶體與非晶體l晶體晶體是指原子呈規(guī)則

2、排是指原子呈規(guī)則排列的固體。列的固體。常態(tài)下金屬常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性晶體具有各向異性。l非晶體非晶體是指原子呈無序是指原子呈無序排列的固體。排列的固體。在一定條在一定條件下晶體和非晶體可互件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。相轉(zhuǎn)化。l 晶格：晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成用假想的直線將原子中心連接起來所形成。的三維空間格的三維空間格架。架。直線的交直線的交點（原子中心）點（原子中心）稱結(jié)點。稱結(jié)點。由結(jié)由結(jié)點形成的空間點形成的空間點的陣列稱點的陣列稱空空間點陣間點陣。l 晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。能代表晶格原子排列規(guī)律的

3、最小幾何單元。l 晶系：晶系：l根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。l90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。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 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交單斜單斜三斜三斜l 晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：晶胞晶胞個邊的尺寸個邊的尺寸 a、b、c.l各棱間的夾角用各棱間的夾角用 、 、 表示。表示。l 原子半徑：原子半徑：晶胞中原子晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。間距的一半。l 晶

4、胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：一個晶胞一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。內(nèi)所包含的原子數(shù)目。l 配位數(shù)配位數(shù): 晶格中與任一原子晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目距離最近且相等的原子數(shù)目.l 致密度：致密度：晶胞中原子本身晶胞中原子本身所占的體積百分數(shù)。所占的體積百分數(shù)。l晶體中各方位上的晶體中各方位上的原子面稱原子面稱晶面晶面。l各方向上的原子列各方向上的原子列稱稱晶向晶向。l晶面指數(shù)晶面指數(shù)l表示晶面的符號稱表示晶面的符號稱晶面指數(shù)晶面指數(shù)。l其確定步驟為：其確定步驟為：l 確定原點，建立坐標系，求出所求晶面在三個確定原點，建立坐標系，求出所求晶面在三個坐標軸上的截距。坐標軸上的截距。l 取三個截

5、距值的倒數(shù)并按比例化為互質(zhì)的整數(shù)取三個截距值的倒數(shù)并按比例化為互質(zhì)的整數(shù),加圓括弧，形式為加圓括弧，形式為（hkl）。l例一例一.求截距為求截距為 、1、 晶面的指數(shù)晶面的指數(shù)截距值取倒數(shù)為截距值取倒數(shù)為0、1、0，加圓括，加圓括弧得（弧得（010）l例二例二.求截距為求截距為2、3、 晶面的指數(shù)晶面的指數(shù)取倒數(shù)為取倒數(shù)為1/2、1/3、0, 化為互質(zhì)整化為互質(zhì)整數(shù)加圓括弧得（數(shù)加圓括弧得（320）l例三例三.畫出（畫出（112）晶面）晶面 取三指數(shù)的倒數(shù)取三指數(shù)的倒數(shù)1、1、1/2, 化成互化成互質(zhì)整數(shù)為質(zhì)整數(shù)為2、2、1，即為，即為X、Y、Z三三坐標軸上的截距坐標軸上的截距l(xiāng) 晶向指數(shù)晶向

6、指數(shù)l表示晶向的符號稱表示晶向的符號稱晶向指數(shù)晶向指數(shù)。其確定步驟為：其確定步驟為：l 確定原點，建確定原點，建立坐標系，過原立坐標系，過原點作所求晶向的點作所求晶向的平行線。平行線。l 求直線上任一求直線上任一點的坐標值并按點的坐標值并按比例化為互質(zhì)整比例化為互質(zhì)整數(shù)，加方括弧。數(shù)，加方括弧。形式為形式為uvw。l例一、例一、已知某過原點晶向上一點的坐標為已知某過原點晶向上一點的坐標為1、1.5、2，求該直線的晶向指數(shù)。，求該直線的晶向指數(shù)。l將三坐標值化為最小整將三坐標值化為最小整數(shù)加方括弧得數(shù)加方括弧得234。l例二、例二、已知晶向指數(shù)為已知晶向指數(shù)為110, 畫出該晶向。畫出該晶向。l

7、找出找出1、1、0坐標點，連坐標點，連接原點與該點的直線即接原點與該點的直線即所求晶向。所求晶向。110234l 晶面族與晶向族晶面族與晶向族l(hkl)與與uvw分別表示的是一組平行的晶向和晶面。分別表示的是一組平行的晶向和晶面。l指數(shù)雖然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面指數(shù)雖然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面稱作稱作晶向族晶向族或或晶面族晶面族。分別用分別用hkl和和表示。表示。l例如例如112、123)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、（110）（110）（1

8、01）（101）（011）（011）XZY 立立方方晶晶系系常常見見的的晶晶面面111111111111:111110011101011101110:110001010100:100 、立方晶系常見的晶向立方晶系常見的晶向立方晶系常見的晶向立方晶系常見的晶向111111111111XZY說明：說明： 在立方晶系中，指數(shù)在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相相同的晶面與晶向相互垂直互垂直。 遇到負指數(shù)，遇到負指數(shù)，“-”-”號放在該指數(shù)的上方。號放在該指數(shù)的上方。 晶向具有方向性，晶向具有方向性， 如如110與與110方方 向相反。向相反。XZY(221)221110110l1、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、

9、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)l金屬原子是通過正離子與自金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為稱為金屬鍵金屬鍵。l金屬原子趨向于緊密排列。金屬原子趨向于緊密排列。價電子云價電子云正離子正離子金屬鍵示意圖金屬鍵示意圖l具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。l常見純金屬的晶格類型有體心立方常見純金屬的晶格類型有體心立方(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。l體心立方晶格體心立方晶格原子個數(shù)：原子個數(shù)：2配位數(shù)：配位數(shù)： 8致密度：致密度：0.68常見金屬：常見金屬： -Fe、C

10、r、W、Mo、V、Nb等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a(a=b=c)ar43 原子半徑：原子半徑： a42r ：原子半徑原子半徑原子個數(shù)：原子個數(shù)：4配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74常見金屬：常見金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：al面心立方晶格面心立方晶格a21r ：原子半徑原子半徑原子個數(shù)：原子個數(shù)：6配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74常見金屬：常見金屬： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：底面邊長底面邊長 a 和高和高 c， c/a=1.633l密排六方晶格密排六方晶格l 三種常見晶格的密排面和密排方向三種常見晶格的密排

11、面和密排方向密排密排面面數(shù)數(shù)量量密排方密排方向向數(shù)數(shù)量量體心立方體心立方晶格晶格11064面心立方面心立方晶格晶格11146密排六方密排六方晶格晶格六方六方底面底面1底面對底面對角線角線3l單位面積晶面上單位面積晶面上的原子數(shù)稱的原子數(shù)稱晶面晶面原子密度原子密度。l單位長度晶向上單位長度晶向上的原子數(shù)稱的原子數(shù)稱晶向晶向原子密度原子密度。l原子密度最大的原子密度最大的晶面或晶向稱晶面或晶向稱密密排面排面或或密排方向密排方向。l三種常見晶格的密三種常見晶格的密排面和密排方向排面和密排方向六方底面六方底面底面對角線底面對角線密排六方晶格密排六方晶格面心立方晶格面心立方晶格體心立方晶格體心立方晶格體

12、心立方體心立方(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面心立方晶格與密排六方晶格密排面的堆垛順序面心立方晶格與密排六方晶格密排面的堆垛順序l密排六方晶格密排六方晶格的堆垛順序為的堆垛順序為ABABABl面心立方晶格面心立方晶格的堆垛順序為的堆垛順序為ABCABCABCl面心立方晶格的原子堆垛面心立方晶格的原子堆垛l變形金屬晶粒尺寸約變形金屬晶粒尺寸約1100 m, 鑄造金屬可達幾鑄造金屬可達幾mm。純鐵組織純鐵組織晶粒示意圖晶粒示意圖l 單晶體與多晶體單晶體與多晶體l單晶體：單晶體：其內(nèi)部晶格方位完其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。全一致的晶體。l多晶體：多晶體：l晶

13、粒：晶粒：實際使用的金屬材料實際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為些小晶體稱為晶粒晶粒。鉛錠宏觀組織鉛錠宏觀組織Nb-Hf-W plate with an electron beam weldl晶界：晶界：晶粒之間的交界面。晶粒之間的交界面。l晶粒越細小，晶界面積越大。晶粒越細小，晶界面積越大。l多晶體：多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。光學(xué)金相顯示的純鐵晶界光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖多晶體示意圖l 晶體缺陷晶體缺陷l晶格的不完整部晶格的不完整部位稱位稱晶體缺陷晶體缺陷。l實際

14、金屬中存在實際金屬中存在著大量的晶體缺著大量的晶體缺陷，按形狀可分陷，按形狀可分三類三類, 即點、線即點、線、面缺陷。面缺陷。l 點缺陷點缺陷 l空間三維尺寸都空間三維尺寸都很小的缺陷。很小的缺陷。l空位空位l間隙原子間隙原子l置換原子置換原子la. 空位：空位：晶格中某些晶格中某些缺排原子的空結(jié)點。缺排原子的空結(jié)點。lb. 間隙原子：間隙原子：擠進晶擠進晶格間隙中的原子。格間隙中的原子。可可以是基體金屬原子，以是基體金屬原子，也可以是外來原子。也可以是外來原子。體心立方的四面體和八面體間隙體心立方的四面體和八面體間隙lc. 置換原子：置換原子：取代原來原子位置的外來原取代原來原子位置的外來原

15、子稱置換原子。子稱置換原子。l點缺陷破壞了原子的平衡狀點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶晶空位空位間隙原子間隙原子大置換原子大置換原子小置換原子小置換原子格畸變格畸變。從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。l 線缺陷線缺陷晶體中的位錯晶體中的位錯l位錯：位錯：晶格中一部分晶體相晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移，滑移面上滑移區(qū)與未刃型位錯刃型位錯 螺型位錯螺型位錯滑移區(qū)的交界線稱作滑移區(qū)的交界線稱作位錯位錯。分。分刃型位錯刃型位錯和和螺型位錯螺型位錯。刃位錯的形

16、成刃位錯的形成l刃型位錯：刃型位錯：當(dāng)一個完整晶體某晶面以上的某處多出當(dāng)一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是余原子面的邊緣就是刃型位錯刃型位錯。l半原子面在滑移面以上的稱半原子面在滑移面以上的稱正位錯正位錯，用，用“ ”表示。表示。l半原子面在滑移面以下的稱半原子面在滑移面以下的稱負位錯負位錯，用，用“ ”表示。表示。l位錯密度：位錯密度：單位體積內(nèi)所包單位體積內(nèi)所包含的位錯線總長度。含的位錯線總長度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)l金屬的位錯密度為金屬的位錯密度為1041012/

17、cm2l位錯對性能的影響位錯對性能的影響：金屬的金屬的塑性變形主要由位錯運動引塑性變形主要由位錯運動引起，因此阻礙位錯運動是強起，因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑?；饘俚闹饕緩?。l減少或增加位錯密度都可以減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度。提高金屬的強度。金屬晶須金屬晶須退火態(tài)退火態(tài)(105-108/cm2) 加工硬化態(tài)加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2) 透射電鏡下鈦合金中的位錯線透射電鏡下鈦合金中的位錯線( (黑線黑線) )l 面缺陷面缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界l晶界是不同位向晶粒的過度部位晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為，寬度為510個個原子間距，位向差一般為原子間

18、距，位向差一般為2040。l亞晶粒亞晶粒是組成晶粒的尺寸是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小很小，位向差也很小(10 2 )的小晶塊。的小晶塊。l亞晶粒之間的交界面稱亞晶粒之間的交界面稱亞亞晶界晶界，可看作可看作位錯壁位錯壁。亞晶粒亞晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位錯壁位錯壁l晶界的特點：晶界的特點：l 原子排列不規(guī)則原子排列不規(guī)則.l 熔點低熔點低。l 耐蝕性差耐蝕性差。l 易產(chǎn)生內(nèi)吸附易產(chǎn)生內(nèi)吸附， 外來原子易在晶界偏聚。外來原子易在晶界偏聚。l 阻礙位錯運動阻礙位錯運動，是強化部，是強化部位，因而實際使用的金屬力位，因而實際使用的金屬力求獲得細晶粒。求獲得細晶粒。l 是相變的優(yōu)先

19、形核部位是相變的優(yōu)先形核部位. 顯微組織的顯示顯微組織的顯示l合金合金是指由兩種或兩種是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。屬特性的物質(zhì)。l組成合金的元素可以是組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金全部是金屬，也可是金屬與非金屬。屬與非金屬。l組成合金的元素相互作組成合金的元素相互作用可形成不同的用可形成不同的相相。Al-Cu兩相合金兩相合金黃銅黃銅l所謂所謂相相是指金屬或合金中凡是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開的均勻其它部分有界面分開的均勻組成部分。組成部分。l顯微組織顯微組織實質(zhì)上是指在顯微實質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小形態(tài)、數(shù)量、大小和和分布分布的組合。的組合。l固態(tài)合金中的相分為固態(tài)合金中的相分為固溶體固溶體和和金屬化合物金屬化合物兩類。兩類。單相單相合金合金兩相兩相合金合金l 固溶體固溶體l合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固 相稱相稱固溶體固溶體。用用 、 、 表示。表示。l與固溶體晶體結(jié)構(gòu)相同的元素與固溶體晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱稱溶劑溶劑。其它