工程材料晶體結(jié)構(gòu)

工程材料晶體結(jié)構(gòu)第一頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日第二章材料的晶體結(jié)構(gòu)

內(nèi)容提要：

本章重點(diǎn)介紹純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和合金的結(jié)構(gòu)、金屬材料的組織。

學(xué)習(xí)目標(biāo)：

本章重點(diǎn)掌握金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和合金的結(jié)構(gòu)。第二頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日第一節(jié)

晶體結(jié)構(gòu)基本知識(shí)

1.

晶格與晶胞

晶體結(jié)構(gòu)晶體中原子(離子或分子)規(guī)則排列的方式。為了表達(dá)空間原子排列的幾何規(guī)律，把粒子(原子或分子)在空間的平衡位置作為節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)用一系列假想的相互平行的直線連接起來(lái)形成的幾何空間格架稱為稱為晶格。晶胞：能反映該晶格特征的最小組成單元。第三頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日三、晶系二、晶格常數(shù)按點(diǎn)陣常數(shù)不同對(duì)晶體的分類。7個(gè)晶系，14種晶胞。棱邊長(zhǎng)a、b、c棱邊間夾角α、β、γa、b、c稱為晶格常數(shù)。

金屬的晶格常數(shù)一般為:

1×10-10m～7×10-10m

(0.1nm～0.7nm)

第四頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日老師提示

不同元素組成的金屬晶體因晶格形式及晶格常數(shù)的不同，表現(xiàn)出不同的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。金屬的晶體結(jié)構(gòu)可用X射線結(jié)構(gòu)分析技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。同素異構(gòu)性、同素異構(gòu)晶體第五頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

三、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

結(jié)構(gòu)特點(diǎn):以金屬鍵結(jié)合，失去外層電子的金屬離子與自由電子的吸引力。無(wú)方向性，對(duì)稱性較高的密堆結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)結(jié)構(gòu)：體心立方b.c.cBody-centeredcubic面心立方f.c.cFace-centeredcubic密排六方c.p.hClose-packedhexagonal第六頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日1.體心立方晶格(胞)(BCC晶格)原子位置立方體的八個(gè)頂角和體心體心立方晶胞特征：

（1）晶格常數(shù)

a=b=c,α=β=γ=90°具有體心立方晶格的金屬有鉬(Mo)、鎢(W)、釩(V)、α-鐵(α-Fe,<912℃)等。第七頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

2.面心立方晶格(胞)(FCC晶格)原子位置立方體的八個(gè)頂角和每個(gè)側(cè)面中心具有這種晶格的金屬有鋁(Al)、銅(Cu)、鎳(Ni)、金(Au)、銀(Ag)、γ-鐵(γ-Fe,912℃～1394℃)等。面心立方晶胞的特征：（1）晶格常數(shù)

a=b=c,α=β=γ=90°第八頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日3.密排六方晶格(胞)(HCP晶格)原子位置12個(gè)頂角、上下底心和體內(nèi)3處

具有這種晶格的金屬有鎂(Mg)、鎘(Cd)、鋅(Zn)、鈹(Be)等。a＝b≠c，α＝β＝90°,γ＝120°第九頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日2、晶胞中的原子數(shù)246第十頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

（3）原子半徑晶胞中相距最近的兩個(gè)原子之間距離的一半稱為原子半徑(r原子)。第十一頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日4、致密度與配位數(shù)致密度：原子體積與晶胞體積之比第十二頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日（6）配位數(shù)

配位數(shù)為晶格中與任一個(gè)原子相距最近且距離相等的原子數(shù)目。配位數(shù)越大，原子排列緊密程度就越大。

第十三頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日（5）空隙半徑

在晶胞空隙中放入球的最大半徑稱為空隙半徑。體心立方晶胞中有兩種空隙：

●四面體空隙半徑:r四=0.29r原子

●八面體空隙半徑:r八=0.15r原子

四面體空隙半徑八面體空隙半徑第十四頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日老師提示

由于原子排列緊密程度不一樣，當(dāng)金屬?gòu)拿嫘牧⒎骄Ц裣蝮w心立方晶格轉(zhuǎn)變時(shí),體積會(huì)發(fā)生變化。鋼在淬火時(shí)因晶格轉(zhuǎn)變發(fā)生體積變化。不同晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的方式不同,使它們的形變能力不同。

第十五頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日第二節(jié)、晶體中的晶面和晶向

通過(guò)晶體中原子中心的平面叫做晶面；代表了晶體中原子列的方向。

通過(guò)原子中心的直線為原子列，代表的方向叫做晶向。晶面用晶面指數(shù)表達(dá)。

晶向用晶向指數(shù)表達(dá)。晶向指數(shù)：表示晶向方位符號(hào)。晶面指數(shù)：表示晶面方位的符號(hào)。第十六頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日以晶向DA為例：一.立方晶系的晶向表示方法

第十七頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日立方晶胞中的主要晶向晶向OA：[100]晶向OB：[110]晶向OB’

：晶向指數(shù)一般標(biāo)記為[uvw]，表示一組原子排列相同的平行晶向。[111]第十八頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日若兩個(gè)晶向的全部指數(shù)數(shù)值相同而符號(hào)相反,則它們相互平行或?yàn)橥辉恿?但方向相反。如[110]與。若只研究原子排列情況,則晶向[110]與可用同一個(gè)指數(shù)[110]表示。第十九頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日晶向族原子排列情況相同而在空間位向不同的晶向組成晶向族。晶向族用尖括號(hào)表示,即<uvw>。如:<100>=[100]+[010]+[001]第二十頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日在立方晶系中,一個(gè)晶面指數(shù)與一個(gè)晶向指數(shù)數(shù)值和符號(hào)相同時(shí),則該晶面與該晶向互相垂直。如：(111)⊥[111]。晶面與晶向互相垂直第二十一頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日二.立方晶系的晶面表示方法

以晶面ABB’A’為例：第二十二頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

晶面的截距可以為負(fù)數(shù),在指數(shù)上加負(fù)號(hào),如。若某個(gè)晶面的指數(shù)都乘以-1,得到晶面,則晶面與屬于一組平行晶面。立方晶胞中的主要晶面

晶面指數(shù)的一般標(biāo)記為(hkl)。實(shí)際表示一組原子排列相同的平行晶面。第二十三頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日

晶面族：

在立方晶系中,原子排列相同但在空間方向不同的晶面組成晶面族。晶面族用大括號(hào)表示,即{hkl}。{111}晶面族在立方晶胞中

組成{111}晶面族：第二十四頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日在立方晶系中,一個(gè)晶面指數(shù)與一個(gè)晶向指數(shù)數(shù)值和符號(hào)相同時(shí),則該晶面與該晶向互相垂直。如：(111)⊥[111]。晶面與晶向互相垂直第二十五頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日三.晶向及晶面的原子密度

不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上原子排列密度不一樣。

密排面：原子密度最大的晶面。

密排方向：原子密度最大的晶向。

●在體心立方晶格中，密排面為{110}。

密排方向?yàn)?lt;111>。

●在面心立方晶格中,密排面為{111}。密排方向?yàn)?lt;110>。第二十六頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度晶向

指數(shù)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(原子數(shù)/長(zhǎng)度)晶向原子排列示意圖晶向原子密度(原子數(shù)/長(zhǎng)度)<100>

<110><111>第二十七頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度晶面

指數(shù)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(原子數(shù)/面積)晶面原子排列示意圖晶面原子密度(原子數(shù)/面積){100}{110}

{111}第二十八頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日三、金屬晶體的特性

1.金屬晶體具有確定的熔點(diǎn)

純金屬緩慢加熱到一定溫度,固態(tài)金屬熔化成為液態(tài)金屬。熔化過(guò)程中溫度不變。熔化溫度(T0)稱為熔點(diǎn)。晶體和非晶體的熔化曲線非晶體材料在加熱時(shí),固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí),溫度變化。第二十九頁(yè)，共三十一頁(yè)，2022年，8月28日2.金屬晶體具有各向異性

在晶體中,不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它們之間的結(jié)合力的大小也不相同，因而金屬晶體不同方向上的性能不同。這種性質(zhì)叫做晶體的各向異性?！駟尉w鐵(只含一個(gè)晶粒)的彈性模量，<111>方向上為2.90×105MPa,<100>方向上只有1.35×105MPa。

●單晶體鐵在磁場(chǎng)中沿<100>方向磁化容易。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。

●鋅在鹽酸中溶解時(shí)