第二章材料的結(jié)構(gòu)

1、1第二章 材料的結(jié)構(gòu)第二章 材料的結(jié)構(gòu)1 電子結(jié)構(gòu)電子結(jié)構(gòu)2 原子的空間排列原子的空間排列3 顯微組織顯微組織 材材料料的的結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)22.1 金屬的特征金屬的特征 2.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 2.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷 2.4 合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 3與非金屬相比，固態(tài)金屬具有它獨(dú)特的性能，如良與非金屬相比，固態(tài)金屬具有它獨(dú)特的性能，如良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性（塑性變形能力）好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性（塑性變形能力）和金屬光澤。和金屬光澤。2.1 金屬的特征金屬的特征41. 1. 有的非金屬也可能表現(xiàn)出上述某些特性有的非金屬也可能表現(xiàn)出上述某些特性：如：石墨能導(dǎo)

2、電 金剛石導(dǎo)熱 無機(jī)化合物的金屬光澤；2. 2. 各種金屬晶體之間，這些特征的差別也很大各種金屬晶體之間，這些特征的差別也很大：鈈、錳的導(dǎo)電能力比銀、銅相差近百倍銻、鉻、釩等金屬是一種“脆性”金屬。 因此，只根據(jù)以上的一些特性來區(qū)分金屬和非金屬是不夠充分的。 3. 3. 金屬的特征：金屬的特征：正的電阻溫度系數(shù)正的電阻溫度系數(shù)2.1 金屬的特征金屬的特征5主要是與金屬原子的內(nèi)部結(jié)構(gòu)以及原子間的結(jié)合方式有關(guān)金屬為何具有上述這些特性呢？金屬為何具有上述這些特性呢？金屬鍵金屬鍵金屬鍵是金屬原子之間的結(jié)合鍵，它是大量金屬原子結(jié)合成固體時，彼此失去最外層子電子（過渡族元素也失去少數(shù)次外層電子），成為正離

3、子，而失去的外層電子穿梭于正離子之間，成為公有化的自由電子云或電子氣，而金屬正離子與自由電子云之間的強(qiáng)烈靜電吸引力（庫倉引力），這種結(jié)合方式稱為金屬鍵。2.1 金屬的特征金屬的特征6金屬材料金屬材料 以金屬鍵方式結(jié)合，從而使金屬材料具有以下特征：u良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性： 自由電子定向運(yùn)動（在電場作用下）導(dǎo)電、（在熱場作用下）導(dǎo)熱。u正的電阻溫度系數(shù)： 金屬正離子隨溫度的升高，振幅增大，阻礙自由電子的定向運(yùn)動，從而使電阻升高。u不透明，有光澤： 自由電子容易吸收可見光，使金屬不透明。自由電子吸收可見光后由低能軌道跳到高能軌道，當(dāng)其從高能軌道跳回低能軌道時，將吸收的可見光能量輻射出來，產(chǎn)生金屬光澤。

4、u具有延展性： 金屬鍵沒有方向性和飽和性，所以當(dāng)金屬的兩部分發(fā)生相對位移時，其結(jié)合鍵不會被破壞，從而具有延展性。 2.1 金屬的特征金屬的特征返回返回72.2 2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)8 晶體：晶體：材料中的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期性排列長程有序。 非晶體：非晶體：原子無規(guī)則堆積，也稱為 “過冷液體”短程有序。晶體晶體金剛石、NaCl、冰 等。液體液體非晶體非晶體 蜂蠟、玻璃 等。2.2 2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)9（1 1）有確定的熔點(diǎn)）有確定的熔點(diǎn)熔點(diǎn)晶體非晶體時間溫度晶體和非晶體的熔化曲線2.2 2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)102.2

5、2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)a 原子堆垛模型b 空間點(diǎn)陣c 晶格zxy a ab bc cd 晶胞112.2 2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣 將晶體內(nèi)部的原子（離子）或原子群（離子群）抽象為無數(shù)點(diǎn)子按一定的方式在空間做有規(guī)則的周期性分布，這些幾何點(diǎn)子的總體稱為空間點(diǎn)陣，這些點(diǎn)稱為陣點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)。晶格晶格 用一系列假想的平行直線將空間點(diǎn)陣的陣點(diǎn)聯(lián)結(jié)起來，形成的空間網(wǎng)絡(luò)稱為空間格子，也稱晶格。晶胞晶胞 為了研究空間點(diǎn)陣的排列特點(diǎn)，從點(diǎn)陣中取出一個反映點(diǎn)陣特征的基本單元（通常是一個平行六面體）作為其組成單元，這個平行六面體稱為晶胞。122.2 2.2 金屬的金屬的 晶體

6、結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)七大晶系，十四個空間點(diǎn)陣：七大晶系，十四個空間點(diǎn)陣：簡單三斜簡單單斜底心單斜簡單正交體心正交面心正交底心正交簡單六方簡單菱方簡單正方體心正方簡單立方體心立方面心立方13描述金屬晶體結(jié)構(gòu)的一些重要概念描述金屬晶體結(jié)構(gòu)的一些重要概念晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù) 一個晶胞內(nèi)所含的原子數(shù)目。注意相鄰晶胞的共有原子的計(jì)算方法。原子半徑原子半徑 晶胞中最近鄰的兩個原子之間（平衡）距離的一半。配位數(shù)配位數(shù) 晶格中和某一原子相鄰的原子數(shù)目稱為配位數(shù)致密度致密度 晶胞中原子本身所占的體積與晶胞體積之比142.2 2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)工業(yè)上常用的金屬絕大多

7、數(shù)具有比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)，工業(yè)上常用的金屬絕大多數(shù)具有比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)，其中最典型的為以下三種：其中最典型的為以下三種： （1 1）體心立方晶格體心立方晶格bccbcc （2 2）面心立方晶格面心立方晶格fccfcc （3 3）密排六方晶格密排六方晶格hcphcp15體心立方晶格體心立方晶格在立方晶胞的八個頂角上各有一個原子，在體中心有一個原子，每個原子與空間點(diǎn)陣中的一個陣點(diǎn)相對應(yīng)。屬于這種晶體結(jié)構(gòu)的純金屬有- Fe, Cr, Mo, W,V等。 2.2 2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)16體心立方體心立方晶胞晶胞晶格常數(shù)：a=b=c； =90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.68致密

8、度=Va /Vc，其中Vc:晶胞體積Va:原子總體積XYZabc2 2r r2 2r raa22.2 2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)返回返回68. 04334233aaK17面心立方晶格面心立方晶格2.2 2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)屬于這種晶體結(jié)構(gòu)的純金屬有：18面心立方面心立方晶胞晶胞晶格常數(shù)：a=b=c； =90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.74XYZabc密排方向42.2 2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)返回返回74. 04234433aaK19C（石墨）、Mg、Zn 等晶格常數(shù)晶格常數(shù) 底面邊長a 底面間距c=1.633a 側(cè)面間角120 側(cè)面與底面夾角9

9、0晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0.74密排六方晶格密排六方晶格2.2 2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)返回返回202.2 2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)配位數(shù)：8配位數(shù)：12配位數(shù)：1221XYZabc晶面晶面通過原子中心的平面晶向晶向通過原子中心的直線所指的方向XYZabc2.2 2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)22 a.a.晶向指數(shù)的確定方法晶向指數(shù)的確定方法 1) 以晶胞中的某原子為原點(diǎn)確定三維晶軸坐標(biāo)系，通過原點(diǎn)作平行于所求晶向的直線。 2) 以相應(yīng)的晶格常數(shù)為單位，求出直線上任意一點(diǎn)的三個坐標(biāo)值。 3) 將所求坐標(biāo)值化為最簡整數(shù)，并用方括號括起，即為所求

10、的晶向指數(shù)，例如101。 具體晶向指數(shù)如圖所示，其形式為uvw。立方晶系的晶面、晶向表示方法立方晶系的晶面、晶向表示方法 2.2 2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)23 b.b.晶面指數(shù)的確定方法晶面指數(shù)的確定方法 1) 選坐標(biāo)，以晶格中某一原子為原點(diǎn)（注意不要把原點(diǎn)放在所求的晶面上），以晶胞的三個棱邊作為三維坐標(biāo)的坐標(biāo)軸。 2) 以相應(yīng)的晶格常數(shù)為單位，求出待定晶面在三個坐標(biāo)軸的截距。 3) 求三個截距值的倒數(shù)。 4) 將所得數(shù)值化為最簡單的整數(shù)，并用圓括號括起，即為晶面指數(shù)，如圖所示，其形式為（hkl）。 2.2 2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)24 1) 每一個晶面指數(shù)(或晶向

11、指數(shù))泛指晶格中一系列與之相平行的一組晶面（或晶向）。 2) 立方晶系中，凡是指數(shù)相同的晶面與晶向是相互垂直的。 3) 原子排列情況相同但空間位向不同的晶面（或晶向）統(tǒng)稱為一個晶面（或晶向）族。 2.2 2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)返回返回25（2 2）各向異性）各向異性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的現(xiàn)象XYZXYZ2.2 2.2 金屬的金屬的 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)返回返回26p 理想晶體：理想晶體：是指晶體中原子嚴(yán)格地成，完全規(guī)則和完整的排列，在每個晶格結(jié)點(diǎn)上都有原子排列而成的晶體。如理想晶胞在三維空間重復(fù)堆砌就構(gòu)成理想的單晶體。p 實(shí)際晶體：實(shí)際晶體：多晶體+晶體缺陷p

12、晶體缺陷：晶體缺陷：是晶體內(nèi)部存在的一些原子排列不規(guī)則和不完整的微觀區(qū)域，按其幾何尺寸特征，可分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三類。晶粒（單晶體）晶粒（單晶體）2.3 2.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷27一、一、 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷1. 1. 點(diǎn)缺陷的概念點(diǎn)缺陷的概念 是晶體中在X,Y,Z三維方向上尺寸都很小的晶體缺陷。2. 2. 點(diǎn)缺陷的類型點(diǎn)缺陷的類型 主要有四類，即空位；間隙原子（有同類和異類之分）；置換原子（有大小之分）；復(fù)合空位。 置換原子空位復(fù)合空位間隙原子置換原子2.3 2.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷28二、二、 線缺陷線缺陷線缺陷的概念線缺陷的概念: :晶體中在一維方向上

13、尺寸很大，而在另外二維方向上的尺寸很小的晶體缺陷，它的主要形式是位錯。位錯位錯是晶體中一列或若干列原子，發(fā)生某種有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。 位錯的類型位錯的類型: :刃型位錯刃型位錯 螺型位錯螺型位錯2.3 2.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷29刃位錯 刃位錯 刃型位錯示意圖2.3 2.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷30螺型位錯示意圖2.3 2.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷31位錯密度位錯密度 ：單位體積中位錯線的總長度, 或單位面積上位錯線的根數(shù),單位cm2位錯線附近的原子偏離了平衡位置,使晶格發(fā)生了畸變,對晶體的性能有顯著的影響。實(shí)驗(yàn)和理論研究表明:晶體的強(qiáng)度和位錯密度有如圖的

14、對應(yīng)關(guān)系,當(dāng)晶體中位錯密度很低時,晶體強(qiáng)度很高；相反在晶體中位錯密度很高時,其強(qiáng)度很高。但目前的技術(shù),僅能制造出直徑為幾微米的晶須,不能滿足使用上的要求。而位錯密度很高易實(shí)現(xiàn),如劇烈的冷加工可使密度大大提高,這為材料強(qiáng)度的提高提供途徑。32三、三、 面缺陷面缺陷概念：概念：是指晶體中在二維方向上尺寸很大，而在另一維方向上尺寸很小的晶體缺陷。類型：類型：主要包括晶體的外表面、堆垛層錯、晶界、亞晶界、孿晶界和相界面等。1. 1. 晶界晶界根據(jù)晶體中各晶粒之間的位向差不同，又可將晶界分為大角度晶界（10）和小角度晶界（10）兩類。2.3 2.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷33對稱傾側(cè)晶界對稱傾

15、側(cè)晶界扭轉(zhuǎn)晶界扭轉(zhuǎn)晶界2.3 2.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷342.2.亞晶界亞晶界 亞晶界亞晶界是亞晶粒與亞晶粒之間的晶界，位向差一般為幾十分到幾度。大晶粒中的小晶粒稱為亞晶粒。亞晶界的兩種特殊形式為對稱傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。亞晶界亞晶界2.3 2.3 實(shí)際晶體中的缺陷實(shí)際晶體中的缺陷返回返回35合金：合金：由金屬元素與其他元素（這些元素可以是金屬元素，也可以是非金屬元素）組成的有金屬特征金屬特征的金屬材料。金屬與非金屬組成的是不是一定就是合金？金屬與非金屬組成的是不是一定就是合金？Fe + CFe(C)合金（鋼）Fe3C (化合物）2.4 2.4 合金的相合金的相36組元：組元：組

16、成合金獨(dú)立的最基本單元。組元可以是元素元素或是穩(wěn)定化合物穩(wěn)定化合物。Fe(C)合金Fe、C組元Fe、Fe3C組元類比雞蛋雞蛋水，蛋白質(zhì)，脂肪，膽固醇水，蛋白質(zhì)，脂肪，膽固醇2.4 2.4 合金的相合金的相37相：相：具有相同結(jié)構(gòu)，相同成分和性能（也可以是連續(xù)變化的）并以界面相互分開的均勻組成部分，如液相、固相是兩個不同的相。 類比類比雞蛋雞蛋蛋白、蛋黃工業(yè)純鐵單相鐵素體共析碳鋼鐵素體相、滲碳體相普通陶瓷晶相、玻璃相、氣相2.4 2.4 合金的相合金的相38組織：組織：用肉眼或顯微鏡觀察到的材料內(nèi)部形貌圖像的統(tǒng)稱（宏觀組織、微觀組織）。組織是影響材料性能的重要因素。相是組織的基本組成部分相同的相

17、，但當(dāng)組成相的數(shù)量、大小、形態(tài)和分布不同時，其組織也不同！不同的相構(gòu)成不同的組織！2.4 2.4 合金的相合金的相39固溶體：固溶體：溶質(zhì)原子溶入金屬熔劑中形成的合金相稱為固溶體固溶體?！肮腆w溶液固體溶液” 均一的、保持熔劑金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶格常數(shù)發(fā)生一定變化1. 1. 晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)2.4 2.4 合金的相合金的相402. 2. 固溶體的分類固溶體的分類 按溶質(zhì)原子所占據(jù)的位置按溶質(zhì)原子所占據(jù)的位置置換固溶體置換固溶體：溶質(zhì)原子一般為半徑相差不大的原子間隙固溶體間隙固溶體：溶質(zhì)原子半徑小的非金屬原子 （H、O、N、C、B）2.4 2.4 合金的相合金的相41ZXY間隙原子間隙原子間

18、隙固溶體間隙固溶體置換固溶體置換固溶體置換原子置換原子YXZ42 按固態(tài)溶解度分：按固態(tài)溶解度分：有限固溶體有限固溶體：間隙固溶體只能是有限固溶體無限固溶體無限固溶體：無限固溶體只能是置換固溶體形成無限固溶體的必備條件：形成無限固溶體的必備條件： 置換固溶體 組元點(diǎn)陣相同 原子尺寸相差不大 負(fù)電性相同 按溶質(zhì)原子在晶格中的分布狀態(tài)分：按溶質(zhì)原子在晶格中的分布狀態(tài)分： 有序固溶體、無序固溶體2.4 2.4 合金的相合金的相433.3.固溶體的性能固溶體的性能固溶強(qiáng)化：固溶強(qiáng)化：固溶體的強(qiáng)度、硬度隨溶質(zhì)原子濃度升高而明顯增加，塑性、韌性稍有下降，這種現(xiàn)象稱為 。金屬材料重要的強(qiáng)化強(qiáng)化方式之一，固溶體具有良好的綜合機(jī)械性能（強(qiáng)硬度、塑韌性的綜合），一般作為合金的基體相基體相。2.4 2.4 合金的相合金的相44正常晶格正常晶格大原子置換引起的晶格畸變大原子置換引起的晶格畸變小原子置換引起的晶格畸變小原子置換引起的晶格畸變間隙原子引起的晶格畸變間隙原子引起的晶格畸變2.4 2.4 合金的相合金的相45金屬間化合物：金屬間化合物：兩組元形成合金時，當(dāng)超過固溶體的溶解極限時，形成的一種晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元的新相，稱為金屬間化合物