金属的晶体结构(1课时.ppt

第二章 金属的晶体结构（P11）,第一节 纯金属的晶体结构 第二节 合金的晶体结构,根据原子在物质内部的排列方式，可将固态物质分为两大类： 1）晶体内部原子呈规则排列的物质。如固态金属；2）非晶体内部原子无规则排列的物质。如松香、玻璃等。 金属的晶体结构：是指金属材料内部的原子的排列规律。它决定着材料的显微组织特性和材料的宏观性能。,第一节 纯金属的晶体结构 （P13）,金属键：金属原子间的结合 键称为金属键。（带负电的自 由电子与带正电的的金属正离 子之间产生静电吸引力，使金 属原子结合在一起，这就是金 属键结合的本质。 金属特性： 良好的导电性和导热性； 强度高，具有塑性； 有金属光泽，但不透明； 有固定熔点；各向异性。,金属键模型图,一、晶体结构的基本知识 （一）基本概念（P13）,1、晶格：用于描 述原子在晶体中 排列规律的三维 空间几何点阵。 （把原子看成是 一个几何质点， 把原子之间的相 互联系与作用假 想为几何直线）,一、晶体结构的基本知识 （一）基本概念（P13）,1、晶胞：晶格中能 够代表晶格特征的 最小几何单元。 2、晶格参数：晶体 学中用来描述晶胞 大小与形状的几何 参数。包括晶胞的 三个棱边长度a、b、 c和三个棱边夹角、 、。 3、晶格常数：决定 晶胞大小的三个棱长 a、b、c。,（二）金属中常见的晶格 1、体心立方晶格BCC（P14）,晶格参数 a=b=c；=90；立方体八个角上各有一个原子，体心处有一个原子。每个晶胞中原子数为2=1/88+1。 属于体心 立方晶格 的常用金 属：铬、 钨、钼、 钒、铁、 钛、铌 等。,2、面心立方晶格FCC（P14）,晶格参数：a=b=c；=90；晶胞的八个角上各有一个原子，立方体六个面的面心各有一个原子。每个晶胞中原子数为4=1/88+1/26 属于面心立方晶格的常用金属：铁、铝、铜、镍等。,3、密排立方晶格HCP（P14）,晶格参数：a=bc；=90、=120；每个晶胞中原子数为：6=1/612+1/22+3。 属于密排六方晶格的常用金属：镁、锌、铍、钛、镉等。,（三）晶格的致密度（P14）,致密度=原子所占的总体积晶胞的体积 体心立方晶格的致密度=0.68 面心立方晶格的致密度=0.74 密排六方晶格的致密度=0.74,（四）晶面指数与晶向指数 （P16）,晶面：晶体中由物质质点所组成的平面。 晶向：由物质质点所决定的直线。 每一组平行的晶面和晶向都可用一组数字来标定其位向。这组数字分别称为晶面指数和晶向指数。 晶面指数的确定：晶面与三个坐标轴截距的倒数取最小整数，用圆括号表示。如（111）、（112）。 晶向指数的确定：通过坐标原点直线上某一点的坐标，用方括号表示。如111,立方晶系常见的晶面为：,立方晶系常见的晶向为：,3、晶面族与晶向族（P16）,晶面族：晶面指数中各个数字相同但是符号不同或排列顺序不同的所有晶面。这些晶面上的原子排列规律相同，具有相同的原子密度和性质。如110=（110）+（101）+（011）+（101）+（110）+（011） 晶向族：原子排列密度完全相同的晶向。如=111+111+111+111,110,111,（五）晶体的各向异性 （P17）,在晶体中，由于各个晶面和晶向上原子排列密度不同，使原子间的相互作用力也不相同。因此在同一单晶体内不同晶面和晶向上的性能也是不同的。这种现象称为晶体的各向异性。,（五）晶体的各向异性（P17）,晶体分单晶体和多晶体 单晶体：晶体内各处晶格位向一致的晶体。 多晶体：晶体内晶格位向不相同的晶体。 实际金属是多晶体,（五）晶体的各向异性 多晶体结构（P17）,二、纯金属的实际晶体结构 （一）晶粒与亚晶粒 （P17）,晶粒金属晶体中，晶格位向基本一致，并有边界与邻区分开的区域。（P18图28） 晶界晶粒之间原子排列不规则的区域。 实际金属晶粒大小除取决于金属种类外，主要取决于结晶条件和热处理工艺。 亚晶粒晶粒内部晶格位向差小于2、3的更小的晶块。 亚晶界亚晶粒间的过渡区。,（二）晶体中的晶体缺陷 （P18）,晶体缺陷：是指晶体中原子排列不规则的区域。 根据晶体缺陷的几何特点和对原子排列不规则性的影响范围可分为三大类： 1、点缺陷 2、线缺陷 3、面缺陷,1、点缺陷（P18）,以一个点为中心，在它周围造成原子排列不规则，产生晶格畸变和内应力的缺陷。点缺陷类型主要有三种： （1）间隙原子 （2）晶格空位 （3）置换原子 在晶格的结点处 出现原子直径不 同的异类原子的 晶体缺陷,置换原子示意图,1、点缺陷（P18）,间隙原子：在晶格的间隙处出现多余原子的晶体缺陷。 晶格空位：在晶格的结点处出现缺少原子的晶体缺陷。,2、线缺陷（P19）,主要是指各种形式的位错。 位错：是指晶体中某一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。 位错密度： 单位体积内 位错线的长 度，（cm-2）,位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。 = S/V(cm/cm3或1/cm2) 金属的位错密度为1041012/cm2 位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。 减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。,3、面缺陷（P19）,主要是指晶界和亚晶界。它是由于受到其两侧的不同晶格位向的晶粒或亚晶粒的影响而使原子呈不规则排列。,第二节 合金的晶体结构 一、基本概念（P20）,合金：是指由一种金属元素与另外一种或多种金属或非金属元素，通过熔炼或烧结等方法所形成的具有金属性质的新金属材料。如：碳素钢（铁、碳）；黄铜（铜、锌）；铅青铜（铜、锌、铅） 组元：组成合金的最基本的、能独立存在的物质。组成合金的各个化学元素及稳定的化合物都 是组元。合金中有几种组元就称之为几元合金。碳素钢是二元合金，铅青铜是三元合金。,第二节 合金的晶体结构 一、基本概念,合金系：是指具有相同组元，而成分比例不同的一系列合金。如各种碳素钢。 相：是指在合金中，凡是化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分隔开来的一个均匀区域。在一个相中可以有多个晶粒，但是一个晶粒中只能是同一个相。 合金中有两类基本的相结构，固溶体和金属化合物。,第二节 合金的晶体结构 一、基本概念,显微组织：是指在显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小和分布。它可以看作是由各个相组成的。 组织可以是单相，也可以是多相 合金的显微组织可以看作是由各个相所组成的，这些相称为合金组织的相组成物；也可以看作是基本组织所组成的，这些基本组织称为合金组织的组织组成物。合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。*热处理*,二、合金的相结构（P20）,合金的晶体结构：是指合金中各个相的晶体结构，简称相结构。 合金的相结构通常分为两大类： （一）固溶体 （二）金属化合物,（一）固溶体（P20）,固溶体：合金结晶成固态时，溶质原子分布在溶剂晶格中形成的一种与溶剂有相同晶格的相。 固溶体与溶剂具有相同晶体结构。 固溶体的类型：1、间隙固溶体 ；2、置换固溶体,1、间隙固溶体（P21）,间隙固溶体： 溶质原子分布于溶剂的晶格 间隙中所形 成的固溶体。 都是有限固 溶体，也是 无序固溶体。,2、置换固溶体 (P21),置换固溶体：溶质原子代替溶剂原子占据着溶剂晶格结点位置而形成的固溶体。 置换固溶体可 以是有限固溶 体也可以是无 限固溶体。,A：溶剂； B：溶质,a)无序固溶体 b)有序固溶体,2、置换固溶体(P21),有限固溶体:固溶体的溶解度是有限的。 无限固溶体：固溶体的溶解度是无限的。（组成固溶体的两种元素随比例不同可以互为溶质或溶剂。） 形成无限固溶体的必要条件： 是溶剂与溶质的晶体结构相同。 间隙固溶体都是有限固溶体,2、置换固溶体 (P21),无序固溶体:溶质原子的分布是无序的。 有序固溶体:溶质原子的分布是有序的。 固溶体的有序化:无序固溶体向有序固溶体的转变过程。 硬度和脆性增加，塑性下降。,4、影响溶解度的主要因素 （P22）,溶解度:溶质在固溶体中的极限浓度称为溶质在固溶体中的溶解度。 影响溶解度的主要因素: 1)温度 2)原子直径因素 3)晶体结构因素 （铁素体，奥氏体）,5、固溶体的性能（P22）,固溶强化：溶入溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象。固溶强化是金属材料的一种重要的强化途径。 固溶体的性能：一般来说，固溶体是一个硬度不高、塑性较好的一个相。,（二）金属化合物（中间相）（P23）,在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除了形成固溶体外，还将出现新相。 这个新相可能是一种新的固溶体，也可能是一种化合物。如：Fe3C、FeS。 金属化合物:具有金属性质的化合物。（其晶体结构不同于任一组元）,金属化合物的性能（P23）,金属化合物性能:一般都具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。 金属化合物若以细小的粒状均匀分布在固溶体相的基体上会使合金的强度、硬度进一步提高，这种现象称为第二相弥散强化。 在合金中，金属化合物的多少、形态、大小、分布等对合金的性能有不同的影响。,金属化合物的种类（P23）,1、正常价化合物:这类化合物符合正常的原 子价规律，成分固定并有严格分子式的 金属化合物。 2、电子化合物:这类化合物不遵守原子价规 律而服从电子浓度规律。其晶体结构主 要取决于电子浓度。,金属化合物的种类（P23）,3、间隙化合物:间隙化合物一般是由原子半径较大的过渡族金属元素和原子半径较小的非金属元素组成的化合物。(非金属元素有规则的嵌入金属元素晶格的间隙中） a)当非金属原子直径与金属原子直径比值小于0.59时，形成简单晶格的间隙化合物，称间隙相. b)当非金属原子直径与金属原子直径比值大