第二章 材料的結(jié)構(gòu)

第2章

金屬的晶體結(jié)構(gòu)與缺陷一、結(jié)合鍵

——組成物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)（原子、分子或離子）間的相互作用力稱為結(jié)合鍵。結(jié)合鍵強(qiáng)鍵弱鍵：分子鍵離子鍵共價(jià)鍵金屬鍵1.離子鍵特征：

①無方向性②無飽和性性能：

①結(jié)合力大②硬度高、脆性大、強(qiáng)度高、熱膨脹系數(shù)小、離子晶體無色透明

NaCl離子鍵的形成過程——正、負(fù)離子靠靜電引力結(jié)合在一起而形成的結(jié)合鍵。2.共價(jià)鍵——由共用電子對(duì)產(chǎn)生的結(jié)合鍵。

特征：

①結(jié)合力很大②強(qiáng)度高、硬度高、脆性大、熔點(diǎn)沸點(diǎn)高共價(jià)鍵形成氯分子示意圖金剛石中的共價(jià)鍵水晶3.金屬鍵——金屬正離子與電子氣之間相互作用的結(jié)合方式。

①良好的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性②正的溫度系數(shù)③良好的強(qiáng)度及塑性④特有的金屬光澤特征：

4.分子鍵——一個(gè)分子的正電荷部位與另一個(gè)分子的負(fù)電荷部位間以微弱的靜電引力而結(jié)合在一起

。

①結(jié)合鍵能很低②熔點(diǎn)低、硬度低、絕緣（無自由電子）

特征：

干冰二、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

1.晶體——原子在其內(nèi)部沿三維空間呈周期性重復(fù)排列的一類物質(zhì)。

①原子排列有序；ABABABABABCABCABC②物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性；③有固定的熔點(diǎn)；④在一定的條件下有規(guī)則的幾何外形。

特征：

食鹽金剛石2.非晶體①結(jié)構(gòu)無序；②物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性；③沒有固定的熔點(diǎn)；④熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）和熱膨脹性??；⑤相同應(yīng)力下，非晶體的塑性形變大；⑥組成非晶體的化學(xué)成分變化大。

特征：

——原子在其內(nèi)部沿三維空間呈紊亂、無序排列。如玻璃、高分子材料晶體非晶體晶態(tài)金屬液體高速冷卻（>107℃/s）可得到非晶體；非晶態(tài)金屬加熱到一定溫度可轉(zhuǎn)變?yōu)榫B(tài)金屬玻璃經(jīng)高溫長時(shí)間加熱可形成晶體玻璃§1.2金屬的結(jié)構(gòu)

金屬材料純金屬合金重點(diǎn)章節(jié)1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1晶體的基本概念

（2）晶格——空間幾何格架

（1）空間點(diǎn)陣——一個(gè)由無數(shù)幾何點(diǎn)在三維空間規(guī)則排列而成的陣列

（3）晶胞——一個(gè)能夠完全反映晶體特征的最小幾何單元

晶格常數(shù)晶軸軸間角1.2典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方（bcc）thebody-centredcubicCr、Mo、V、W、α－Fe面心立方（fcc）theface-centredcubicAl、Cu、Ni、γ－Fe密排六方（hcp）theclose-packedhexagonalMg、Zn、Cd、Be幾個(gè)描述晶胞特征的指標(biāo)1晶胞原子數(shù)晶胞頂角處的原子同時(shí)為相鄰幾個(gè)晶胞所共有；面心的原子同時(shí)屬于兩個(gè)相鄰晶胞；晶胞體積內(nèi)的原子完全屬于該晶胞。bcc：n＝8×1/8＋1＝2fcc：n＝8×1/8＋6×1/2＝4hcp：n＝12×1/6＋2×1/2＋3＝6

2原子半徑

——晶胞中原子密度最大方向上相鄰兩原子間距離的一半。

3配位數(shù)

——晶格中任一原子周圍與其最臨近且等距離的原子數(shù)目。

4致密度

——

一個(gè)晶胞內(nèi)原子所占體積的百分?jǐn)?shù)。

bcc:fcc:hcp:體心立方

面心立方密排六方

晶格常數(shù)a=b=ca=b=ca=b≠cc/a=1.633軸間角α=β=γ=90°

α=β=γ=90°

α=β=90°γ=120°

原子半徑原子數(shù)246配位數(shù)81212致密度68%74%74%三種典型晶胞的參數(shù)對(duì)比1.3立方晶系的晶面、晶向表示方法晶向晶面1.3.1晶向指數(shù)[uvw]的確定方法①選定晶胞的某一陣點(diǎn)為原點(diǎn)，以晶胞的三條棱邊為坐標(biāo)軸，以棱邊的長度為單位長度；②若所求晶向未通過坐標(biāo)原點(diǎn)，則過原點(diǎn)作一平行于所求晶向的有向直線；③求出該有向直線上距原點(diǎn)最近的一個(gè)陣點(diǎn)的坐標(biāo)值；④將三個(gè)坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)，依次放入[]內(nèi)。

①三個(gè)數(shù)字之間沒有逗號(hào)，負(fù)號(hào)標(biāo)在數(shù)字上面；②某一晶向指數(shù)所表示的是一組相互平行的晶向。如方向相反，則指數(shù)數(shù)值相同，但符號(hào)相反；③某些晶體上的原子排列相同但空間位向不同，屬等同晶向，可歸并為一個(gè)晶向族，用<uvw>表示。

注意：Z[011]

XY[110][101]<110>晶向族ZXY[111]<111>晶向族1.3.2晶面指數(shù)（hkl）的確定方法①選不在所求晶面上的某一晶胞陣點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以三條棱邊為坐標(biāo)軸，以晶胞邊長為單位長度；②求出待定晶面在三坐標(biāo)軸上的截距，若晶面與某一軸平行，則認(rèn)為該晶面在該軸上的截距為無窮大，倒數(shù)為0。③取各軸截距的倒數(shù)，并化為最小整數(shù)，放入（）內(nèi)。ZXY（111）（110）（001）（1）所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指數(shù)；注意：（110）ZXYZXY（110）（011）（011）{110}晶面族X{111}晶面族ZY（111）（2）空間位向不同但原子排列相同的晶面歸并為一個(gè)晶面族{hkl}。難點(diǎn)一個(gè)晶面族到底表示那些面？{123}（123）（123）（123）（123）（132）（213）（231）（312）（321）（132）（213）（231）（312）（321）（132）（213）（231）（312）（321）（132）（213）（231）（312）（321）ZXY（111）（001）[001][111]（110）[110]（3）具有相同指數(shù)的晶面與晶向必定是互相垂直的。1.3.3晶面及晶向的原子密度晶面族體心立方晶格面心立方晶格晶面原子排列示意圖晶面原子密度晶面原子排列示意圖晶面原子密度{100}{110}{111}晶向族體心立方晶格面心立方晶格晶向原子排列示意圖晶向原子密度晶向原子排列示意圖晶向原子密度<100>

<110>

<111>

為什么晶體具有各向異性的特點(diǎn)？

●單晶體鐵(只含一個(gè)晶粒)的彈性模量，在<111>方向上為2.90×105MPa,而在<100>方向上只有1.35×105MPa。●體心立方晶格的金屬最易拉斷或劈裂的晶面(稱解理面)就是{100}面?！駟尉w鐵在磁場中沿<100>方向磁化，比沿<111>方向磁化容易。所以制造變壓器用的硅鋼片的<100>方向應(yīng)平行于導(dǎo)磁方向，以降低變壓器的鐵損?！皲\在鹽酸中溶解時(shí)，晶面的溶解速度的次序從大到小是：{1120}

、{1010}

、{0001}

。2.金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)與晶體缺陷

實(shí)際使用的金屬材料是由許多小晶體組成，各個(gè)小晶體稱為晶粒，晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。

實(shí)際金屬晶體中總是不可避免的存在一些原子排列偏離理想狀態(tài)的不完整區(qū)域，稱為晶體缺陷。它對(duì)金屬的性能有很大影響，尤其在力學(xué)方面。點(diǎn)缺陷面缺陷線缺陷缺陷的分類

點(diǎn)缺陷的存在，破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生了扭曲——晶格畸變。使密度發(fā)生變化，電阻率，屈服強(qiáng)度增加。

零維線缺陷

晶體中的一部分相對(duì)于另一部分發(fā)生一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。一維刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)的特點(diǎn)：①刃位錯(cuò)是在滑移面上局部滑移區(qū)的邊界②位錯(cuò)的方向與滑移方向垂直難點(diǎn)螺型位錯(cuò)難點(diǎn)螺型位錯(cuò)的特點(diǎn)：①螺位錯(cuò)是在滑移面上局部滑移區(qū)的邊界②位錯(cuò)的方向與滑移方向平行位錯(cuò)密度——單位體積中位錯(cuò)線的總長度

（單位為m－2）ΣL為位錯(cuò)線總長度（m）V為體積（m3）Si中的位錯(cuò)纏結(jié)Ni中的位錯(cuò)線二維1Cr17連鑄多晶Cu晶界——晶粒和晶粒之間的交界面。晶界的特征：晶界對(duì)位錯(cuò)起阻礙作用，使金屬的強(qiáng)度升高。晶界上的原子具有較高的動(dòng)能，原子的擴(kuò)散速度比在晶內(nèi)快的多。發(fā)生相變時(shí)，新相往往首先在母相的晶界上形核。能降低晶界能的合金元素，優(yōu)先富集于晶界。晶界容易被優(yōu)先腐蝕和氧化。不銹鋼中的位錯(cuò)塞積細(xì)晶強(qiáng)化晶界的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)⑴有一定的厚度,5～10個(gè)原子間距⑵兩晶粒的過渡區(qū)，位向差②亞晶界——亞晶粒之間的交界面。TiAl基合金中的亞晶界

亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖——刃型位錯(cuò)垂直排列的位錯(cuò)壁。二、合金的相結(jié)構(gòu)

組元——組成合金的最基本的獨(dú)立單元。組元A組元B組元C二元合金三元合金Al－Si－MgAl－Cu－Zn碳鋼，Al－Si，Al－Mg，Cu－Ni，Ti－Ni20CrMnTi是幾元合金？？？難點(diǎn)各種元素相合金組織

相是指合金中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，并以界面相互分開的、均勻的組成部分。

珠光體鐵素體滲碳體1.固溶體2.金屬間化合物——合金組元通過溶解形成一種成分及性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相，成為固溶體。像溶液一樣，有溶劑、溶質(zhì)之分。固溶體常用α、β、γ表示。1.固溶體1.1固溶體分類1.1.1按溶質(zhì)原子的位置

置換固溶體間隙固溶體1.1.2按溶解度

1.1.3按溶質(zhì)原子在固溶體內(nèi)分布是否有規(guī)律

有限固溶體

（Fe－C）無限固溶體

（Cu－Ni、Cr－Fe）

CuZnCu3AuCuAu無限固溶體中兩種元素置換示意圖無序固溶體有序固溶體

溶質(zhì)原子的溶入使晶格畸變?cè)黾?，增大了位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使塑性變形更加困難，從而提高了固溶體的強(qiáng)度與硬度，塑性和韌性略有降低。固溶體綜合機(jī)械性能很好,常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。固溶體與純金屬相比，物理性能有較大的變化,如電阻率上升,導(dǎo)電率下降。

●純銅的σb為220MPa,硬度為40HB,斷面收縮率ψ為70%。當(dāng)加入1%的鎳形成單相固溶體后,強(qiáng)度升高到390MPa,硬度升高到70HB,而斷面收縮率仍有50%。

固溶強(qiáng)化1.2固溶體的性能2.金屬間化合物——合金組元相互作用形成的晶格類型和特征完全不同于任一組元的新相即為金屬化合物。

中間相2.1中間相的特點(diǎn)與組元晶格類型完全不同，熔點(diǎn)高，硬度高，脆性大（如Fe3C）常用化學(xué)式表示，（如CuAl2Fe3CCuZnTi3AlMg2Si）金屬間化合物的存在，使合金硬度、耐磨性上升，塑性、韌性降低。

正常價(jià)化合物2.1中間相的分類符合一般化合物原子價(jià)規(guī)律；成分固定不變。一般有AB、A2B（AB2）、A3B2三種類型。特點(diǎn)是較高的硬度和脆性，如果彌散的分布于基體上，可以使合金強(qiáng)化。如Mg2Si、ZnS、SiCMg2SiAl9FeNiAl2CuMgAlCuNiAl9FeNiAl2CuMgMg2Si按照電子濃度形成的金屬化合物。主要以金屬鍵結(jié)合，具有明顯的金屬特性，導(dǎo)電。特點(diǎn)：熔點(diǎn)高，硬度高，塑性差，可做強(qiáng)化相。如Cu3Al、FeAl、NiAl、Cu5Al3、Cu31Si8

電子化合物間隙化合物——由過渡族金屬元素與C、N、H、B等小原子非金屬元素形成。金屬原子在正常結(jié)點(diǎn)，非金屬原子在間隙。

間隙相

——原子半徑之比小于0.59類型：M4XM2XMXMX2

如：Fe4NW2CVCVC2特點(diǎn)：可以提高鋼的強(qiáng)度，熱強(qiáng)性，紅硬性和耐磨性