机械工程料—金属的结构和结晶.ppt

机 械 工 程 材 料,工学院,主讲人：杨拓宇,1.1 金属的特征 1.2 金属的晶体结构 1.3 实际金属中的晶体缺陷 1.4 金属晶体的基本概念 1.5 形核和长大 1.6 晶粒大小的控制,第1章 金属的结构和结晶,1、正的电阻温度系数：温度升高电阻升高。 2、金属键： 依靠电子云强烈的静电引力结合起来。 金属正离子始终沉浸在电子 云中，保持金属键的结合； 所以金属能变形不断裂,1.1 金属的特征,一晶体与非晶体 二纯金属的晶体结构 三晶面 和 晶向 四金属晶体的各向异性,1.2 金属的晶体结构,晶体 材料中的原子（分子）按一定的几何规律作周期性地排列 。,非晶体 非晶体中原子（分子）则是无规则的堆积在一起.,一、晶体与非晶体,晶格与晶胞, 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的,三维空间格架。 直线的交点称结点 由结点形成的空间点的阵列称空间点阵： 反应点阵特征的基本单元叫晶胞,晶胞,x,y,z,a,b,c,晶格常数 a，b，c,晶胞棱边长度叫 晶格常数,（3）晶系：(布喇菲点阵,用数学方法证明) 根据晶格常数不同，将晶体分为七种晶系。 90%以上的金属具有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,几个重要参数 前提：假设原子为刚性球 1、原子半径：晶胞中原子密 度最大方向上相邻原子间距 的一半。,2、晶胞原子数：一个晶胞内 所包含的原子数目。 3、配位数及致密度： 配位数：是指晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。 致密度：晶胞中原子本身所占 的体积百分数。,二、纯金属的晶体结构,（1）体心立方晶格bcc （2）面心立方晶格fcc （3）密排六方晶格hcp,（1）体心立方晶格 bcc,-fe、w、v、mo 等,体心立方晶格的参数,体心立方晶格,原子个数：2 配位数： 8 致密度：0.68 常见金属：-fe、cr、w、mo、v、nb等,晶格常数：a(a=b=c),原子半径：,（2）面心立方晶格 fcc,-fe、cu、ni、al、au、ag 等,面心立方晶格的参数,原子个数：4 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： -fe、ni、al、cu、pb、au等,晶格常数：a,面心立方晶格,（3）密排六方晶格,原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： mg、zn、 be、cd等,晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633,密排六方晶格,三 金属晶体中的晶面和晶向的表示,x,y,z,a,b,c,晶面 通过原子中心的平面,晶向 通过原子中心的直线 所指的方向,晶面、晶向表示方法,晶面指数 表示晶面的符号称晶面指数。 其确定步骤为：,(1) 选坐标，以晶格中某一原子为原点，以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。 (2) 以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个轴上的截距。 (3) 求三个截距的倒数。 (4) 将所得数值化为最小整数，加圆括弧，形式为(hkl)。,(1) 确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。 (2) 求直线上任一点的坐标值。 (3) 按比例化为最小整数,加方括弧。形式为uvw。,2. 晶向指数 表示晶向的符号称晶向指数。其确定步骤为：, 晶面族与晶向族 (hkl)与uvw分别表示的是一组平行的晶向和晶面。 指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面 称作晶向族或晶面族。分别用hkl和表示。,说明： 在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。 遇到负指数，“-”号 放在该指数的上方。,221,110,四、金属晶体的各向异性,不同晶面或晶向上原子密度不同导致性能不同的现象,x,y,z,实际金属晶体结构与理想结构的偏离,单晶体：内部晶格位向完全一致 的晶体（理想晶体）。如单晶si半导体。 多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。,晶体缺陷：晶格的不完整部位称晶体缺陷。 一、点缺陷：空位、间隙原子、异类原子 二、线缺陷：位错 三、面缺陷：晶界与亚晶界,1.3 实际金属中的晶体缺陷, 点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷。,空位 间隙原子 置换原子,a. 空位：晶格中某些缺排原子的空结点。 b. 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。,c. 置换原子： 取代原来原子位置的外来原子称置换原子。 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶,格畸变。 使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,空位和间隙原子引起的晶格畸变,二、线缺陷 线缺陷晶体中的位错,刃位错,刃位错,位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。,可分为刃型位错和螺型位错。,刃型位错和螺型位错,刃位错的形成,刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ”表示。 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ”表示。,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,螺位错,三