【學(xué)習(xí)課件】第一章-材料的結(jié)構(gòu)

1、第一章 材料的結(jié)構(gòu)物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)。C60編輯課件一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念 金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)1、晶體與非晶體晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。非晶體是指原子呈無(wú)序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。編輯課件2、晶格與晶胞 晶格：用假想的直線將原子中心連接起來(lái)所形成。龍村人 龍村吧 茶館雜事 編輯課件 晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。編輯課件 晶系：根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。90%以上的金屬具有

2、立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，=90六方晶系：a1=a2=a3 c，=90，=120立方六方四方菱方正交單斜三斜 晶格常數(shù)：晶胞個(gè)邊的尺寸 a、b、c。各棱間的夾角用、表示。編輯課件 原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。 晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。 配位數(shù)：晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目。 致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。編輯課件3、立方晶系晶面、晶向表示方法晶體中各方位上的原子面稱晶面。各方向上的原子列稱晶向。晶面指數(shù)表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：編輯課件 確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。龍村人

3、龍村吧 茶館雜事 編輯課件例一.求截距為、1、晶面的指數(shù) 截距值取倒數(shù)為0、1、0，加圓括弧得（010）例二.求截距為2、3、 晶面的指數(shù) 取倒數(shù)為1/2、1/3 、 0, 化為最小整數(shù)加圓括弧得（320）例三.畫出（112）晶面 取三指數(shù)的倒數(shù)1、1、1/2, 化成最小整數(shù)為2、2、1，即為X、Y、Z三坐標(biāo)軸上的截距編輯課件 晶向指數(shù)表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：編輯課件 確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，過(guò)原點(diǎn)作所求晶向的平行線。 求直線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)值并按比例化為最小整數(shù)，加方括弧。形式為uvw。編輯課件例一、已知某過(guò)原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)為1、1.5、2，求該直線的晶向指數(shù)。將三坐標(biāo)值化為

4、最小整數(shù)加方括弧得234。例二、已知晶向指數(shù)為110, 畫出該晶向。找出1、1、0坐標(biāo)點(diǎn),連接原點(diǎn)與該點(diǎn)的直線即所求晶向。110234編輯課件 晶面族與晶向族(hkl)與uvw分別表示的是一組平行的晶向和晶面。指數(shù)雖然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面稱作晶向族或晶面族。分別用hkl和表示。編輯課件立方晶系常見(jiàn)的晶面為：編輯課件110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY編輯課件立方晶系常見(jiàn)的晶向?yàn)椋壕庉嬚n件111111111111XZY編輯課件說(shuō)明： 在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相互垂直。 遇到負(fù)指數(shù)，“-”號(hào)放在該指數(shù)的上方。- 晶向具有方向性， 如11

5、0與110方 向相反。XZY(221)221110110編輯課件二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬原子是通過(guò)正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為金屬鍵。金屬原子趨向于緊密排列。價(jià)電子云正離子金屬鍵示意圖具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。龍村人 龍村吧 茶館雜事 編輯課件 體心立方晶格編輯課件體心立方晶格編輯課件體心立方晶格的參數(shù)編輯課件體心立方晶格原子個(gè)數(shù)：2配位數(shù)： 8致密度：0.68龍村人 龍村吧 茶館雜事 晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑：編輯課件 面心立方晶格編輯課件面心立方晶格編輯課件面心立方晶格的參數(shù)編輯課件 a42r=：原子半徑原子個(gè)數(shù)：4配位數(shù)： 12致

6、密度：0.74常見(jiàn)金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常數(shù)：a面心立方晶格編輯課件 密排六方晶格編輯課件a21r=：原子半徑原子個(gè)數(shù)：6配位數(shù)： 12致密度：0.74龍村人 龍村吧 茶館雜事 晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng) a 和高 c， c/a=1.633密排六方晶格編輯課件 三種常見(jiàn)晶格的密排面和密排方向單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度。單位長(zhǎng)度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。編輯課件三種常見(jiàn)晶格的密排面和密排方向六方底面底面對(duì)角線密排六方晶格面心立方晶格體心立方晶格編輯課件體心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面編輯課件2、實(shí)際

7、金屬的晶體結(jié)構(gòu)變形金屬晶粒尺寸約1100m，鑄造金屬可達(dá)幾mm。純鐵組織晶粒示意圖 單晶體與多晶體單晶體：其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。多晶體：晶粒：實(shí)際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒。編輯課件晶界：晶粒之間的交界面。晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。多晶體：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多晶體示意圖編輯課件 晶體缺陷晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即點(diǎn)、線、面缺陷。編輯課件 點(diǎn)缺陷 空間三維尺寸都很小的缺陷?？瘴婚g隙原子置換原子編輯課件a. 空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。b. 間隙原子：擠

8、進(jìn)晶格間隙中的原子。可以是基體金屬原子，也可以是外來(lái)原子。編輯課件c. 置換原子：取代原來(lái)原子位置的外來(lái)原子稱置換原子。點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶空位間隙原子小置換原子大置換原子格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。編輯課件空位和間隙原子引起的晶格畸變龍村人 龍村吧 茶館雜事 編輯課件 線缺陷晶體中的位錯(cuò)位錯(cuò)：晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)滑移區(qū)的交界線稱作位錯(cuò)。分為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。編輯課件刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)刃位錯(cuò)的形成編輯課件刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體

9、，這個(gè)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。半原子面在滑移面以上的稱正位錯(cuò)，用“ ”表示。半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯(cuò)，用“ ”表示。編輯課件位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。 = L/V(cm/cm3或1/cm2)金屬的位錯(cuò)密度為1041012/cm2位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。減少或增加位錯(cuò)密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。金屬晶須退火態(tài)(105-108/cm2) 加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2) 編輯課件電子顯微鏡下的位錯(cuò)透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯(cuò)（白點(diǎn)為原子）編輯課件電子顯微鏡下的位錯(cuò)觀察編輯

10、課件 面缺陷主要有：晶界與亞晶界晶界是不同位向晶粒的過(guò)渡部位，寬度為510個(gè)原子間距，位向差一般為2040。晶粒I晶粒II晶界編輯課件晶界的特點(diǎn)： 原子排列不規(guī)則。 熔點(diǎn)低。 耐蝕性差。 易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來(lái)原子易在晶界偏聚。 阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是強(qiáng)化部位，晶粒越細(xì)晶界總面積就越大，金屬的強(qiáng)度也越高，因而實(shí)際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。 是相變的優(yōu)先形核部位 顯微組織的顯示編輯課件亞晶粒大角度和小角度晶界位錯(cuò)壁亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2 )的小晶塊。亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界也可看作由刃型位錯(cuò)垂直排列形成的位錯(cuò)壁。編輯課件3、合金的晶體結(jié)構(gòu)合金是指由兩種或兩種以上元素組

11、成的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金屬與非金屬。組成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu兩相合金黃銅編輯課件所謂相是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開(kāi)的均勻組成部分。顯微組織實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，固態(tài)合金中的相分為固溶體和金屬化合物兩類。單相合金兩相合金編輯課件 固溶體合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固 相稱固溶體。習(xí)慣以、表示。與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶劑。其它元素稱溶質(zhì)。固溶體是合金的重要組成相，實(shí)際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。龍村人 龍村吧 茶館雜事 編輯課件 置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體。溶質(zhì)原子呈無(wú)序分布的稱無(wú)序固溶體，呈有序分布的稱有序固溶體。黃銅置換固溶體組織編輯課件 間隙固溶體溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金 屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般是過(guò)渡族元素。形成間