晶体结构、相结构.ppt

第二章 工程材料结构,不同的金属材料具有不同的性能，同种材料，在不同的状态下其性能差别也很大，这种现象与其内部的微观结构密切相关。,第一节 金属的结构,金属材料是指以金属键结合并具有金属特征的一类物质，包括 纯金属及合金。,纯金属是指具有正电阻温度系数及金属特征的一类物质。,合金是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属元素经熔炼、 烧结或其它方法组合而成，具有金属特征的一类物质。 例：钢铁铁碳合金、黄铜铜锌合金,一、纯金属的晶体结构,1、晶体的基本概念,（1）晶体：内部原子有规律排列的物质。如固态金属及合金等。 特点：结构有序、各向异性、有固定的熔点 非晶体：内部原子没有规律的排列，如玻璃、松香等。 特点：结构无序、各向同性、没有固定的熔点,一切固态物质可分为晶体与非晶体两大类。,晶 体,非晶体,简单立方体结构示意图,（2）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（原子中心）称结点。,（3）晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。,（4）晶格常数：晶胞各边的尺寸 a、b、c。 各棱间的夹角用、 表示。,（5）晶粒：晶体中晶格方位相同的区域。在一个晶粒内，由于 各个方向上原子排列的状况不同，呈现出各向异性。 实际金属由多晶体构成，因而呈现出各向同性。,（6）原子半径：晶胞中原子密度最大方向相邻原子间距的一半。,（7）晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。,（8）配位数：晶格中与任一原子最近且等距的原子数目。,（9）致密度：晶胞中所包含的原子本身所占有的体积与该晶胞 体积之比。,原子半径,晶胞原子数,nv,K=,V,2、常用金属的晶格及其主要参数,（1）体心立方晶格（bcc晶格）,1）原子排列特征：立方体，八个顶点各有一个原子，中心一个原子。 2）晶格常数：a=b=c，=90 3）原子半径：r= a,3,4,4）原子数：8 （1/8）12 5）配位数：8 6）致密度：K0.6868% 7）常用金属：Fe、Cr、W、Mo、V、Nb 等,模 型,晶 胞,原子数,体心立方晶格的参数,（2）面心立方晶格（fcc晶格 ）,1）原子排列特征：立方体，八个顶点和六个面各有一个原子。 2）晶格常数：a=b=c，=90 3）原子半径：r= a,2,4,4）原子数：8 （1/8）6 （1/2）4 5）配位数：12 6）致密度：K0.7474% 7）常用金属：Fe、Cu、Al、Ni、Pb、Au、Ag等,模 型,晶 胞,原子数,面心立方晶格的参数,（3）密排六方晶格 （hcp晶格）,1）原子排列特征：正六面柱体，上下层顶角和面心各一个，中间层3个。 2）晶格常数：a=bc，=90=120 3）原子半径：r= a,1,2,4）原子数：12（1/6）2（1/2）36 5）配位数：12 6）致密度：K0.7474% 7）常用金属：Mg、Cd、Zn、Be等,模 型,晶 胞,原子数,12,密排六方晶格的参数,常见晶格类型,原子排列,晶胞,晶面与晶向,体心立方,面心立方,密排六方,金属的三种典型晶格类型比较：,面心立方晶格和密排六方晶格中原子排列紧密程度完全 一致，K=0.74，是原子在空间排列最紧密的两种形式。,体心立方晶格中排列的紧密程度要差些，K=0.68。,面心立方晶格的Fe向体心立方晶格的Fe转变 时将伴随着体积膨胀。,3、晶面与晶向的表示方法,晶面：由一系列原子所组成的平面。 晶向：任意两个原子之间的连线所指的方向。,不同晶面和不同晶向上原子排列的状态是不同的。为了便于表示各种晶面和晶向，用统一的晶面指数和晶向指数来表示，国际上通用的是密勒（Miller）指数。 在金属中，许多性能现象与特定的晶面和晶向关系很大。,体心立方晶格,晶面,晶向,（1）晶向指数的确定方法,1）选定晶胞中的任一结点为坐标原点，并以该点连接的三条棱边作为 坐标轴，即ox、oy、oz（反向为负）。 2）以晶格常数为单位,求出该直线上任意一点的三个坐标值。 3）将所求坐标值化为最简单整数， 并加方括号，即为所求的晶向 指数，晶向指数的一般形式写 成uvw，,（2）晶面指数的确定方法,1）选定晶胞中的任一结点为坐标系原点，以与该点连接的三条棱边 为坐标轴，即ox、oy、oz（反向为负值）。 2）以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个坐标轴上的截距。 3）求出三个截距的倒数并化为最小整数。 4）将三个整数加圆括号，即为所求的晶面指数。其形式为（hkl）。,A,B,C,立方晶系的（100）（110）（111）晶面,（100）,（110）,（111）,（3）晶面及晶向的原子密度,不同晶体结构中的不同晶面、不同晶向上的原子排列方式 和排列紧密程式度是不一样的。,体心立方晶格中，密排面为110，密排方向为111。 面心立方晶格中，密排面为111，密排方向为110。,体心立方晶格,面心立方晶格,晶面族：110,晶向族：111,（4）晶体的各向异性,在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列方式和密度不同，原 子间结合力大小也不同，因而金属晶体不同方向上性能不同， 这种性质叫做晶体的各向异性。,晶体的各向异性不仅在物理、化学和力学性能上有所表现，而 且在其他诸多方面都有所表现。,单晶体,多晶体,工业上所用的金属材料 为多晶体，多晶体由多 个单晶体组成，在性能 上呈各向同性的特点。,4、金属的实际结构与晶体缺陷,晶体缺陷按缺陷几何特征分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷。,（1）点缺陷,空位 置换原子 间隙原子,点缺陷的存在，使晶格发生了扭曲 晶格畸变，造成强度增加。,点缺陷是指在三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷， 包括空位、置换原子、间隙原子等。,（2）线缺陷,线缺陷是指二维尺度很小，而另一维尺度相对很大的缺陷。,线缺陷的主要形式是位错。 位错是指晶体中的一部分晶体相对于另一部分晶体发生原子有规律 错排的现象。,位错的形式有两种：刃型位错、螺型位错。,1）刃型位错,其特征是在某一晶面的一侧多出一个原子面。多余原子面的底部即为位错线。,位错线,刃型位错示意图,其特征相当于从一个面AB切至另一个面CD，然后两边沿切开面作综合平移一个或几个原子距离。,2）螺型位错,位错在金属的结晶、塑性变形和相变过程中形成。 位错密度用单位体积中位错线的总长来表示。 位错的存在极大地影响金属的力学性能。,螺型位错示意图,（3）面缺陷,面缺陷是指二维尺度很大，而在另一维尺度很小的缺陷。 金属晶体中的面缺陷通常是：晶界和亚晶界。,相邻晶粒的晶格位向不同，存在一个晶格位向的过渡区。过渡区内原子排列不规则，晶粒发生畸变并存在较多位错。在实际金属中，晶界处常存在一些低熔点的杂质原子。,1）晶界,晶界：晶粒与晶粒之间的接触面。,晶粒：晶格位向基本相同、外形不规则且呈颗粒状的小晶体。,2）亚晶界,亚晶界：晶粒内亚晶粒之间的界面。,晶粒不是完全理想的晶体，而是由许多位向差很小的亚晶粒组成,晶界与亚晶界处原子排列不规则，对位错运动起阻碍作用，使金属的强度提高。,晶粒越细，金属的晶界面积越大，其强度就越高，塑性越好。,细化晶粒是同时提高金属强度和塑性的有效途经。,亚晶粒：在晶粒内相互间晶体学位向差很小(23)的小晶块。,5、纯金属的结晶,金属的结晶过程是原子从无序排列的液态转变为有序排列的固态 的过程。纯金属的结晶过程是在恒温情况(平衡条件）下进行的。,温度,时间,纯金属的冷却曲线,理论冷却曲线,实际冷却曲线,T0,T1,T,T:,T0：,T1：,理论结晶温度,过冷度,实际结晶温度,结晶时放出的结晶潜热 补偿了冷却时向外散失的 热量，故冷却曲线上出现 了一水平线,液态,固态,A,B,纯金属的结晶过程,液态金属结晶： 形成晶核 晶核长大,形成晶核,晶核长大,形成晶粒,（1）晶核的形成,1）自发形核：依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部 自发形成结晶核心。,需要很大的过冷度，如：纯铜结晶T=236,)非自发形核：晶核依附金属液体中未溶的固态杂质表面 而形成晶核，所需的过冷度很小。,晶核长大的实质就是原子 由液体向固体表面的转移。,（2）晶核的长大,固相原子,液相原子,大多数晶核长大是以树枝状长大的，首先在晶核的棱角处以较大的速度迅速生成晶体的主干，称为一次晶轴，并不断分枝发展形成二次晶轴，再在二次晶轴的垂直方向形成三次晶轴，如此不断的形成，即构成了树枝状晶体（枝晶）。,晶核一旦形成就将迅速长大。,树枝状晶体示意图,树枝状晶体显微组织,（3）金属结晶后的晶粒大小,金属结晶后晶粒愈细，强度、硬度越高，塑性、韧性越好。,结晶后的晶粒大小主要取决于形核率N 和晶核长大速度G，凡能促进形核率，抑制长大速率的因素，都能细化晶粒。,过冷度对N 和G 的影响,细化晶粒的方法：,1）增加过冷度 2）进行变质处理 3）附加振动,二、合金的相结构,基本概念,两个组元组成的合金称为二元合金，三个组元组成的合金称为三元合金。合金的名称按其最主要的组元的名称命名，如铜合金、铝合金等。也可以按主要合金元素的名称命名，如铁碳合金、铜锌合金等。,（1）合金：以一种金属元素为基础，加入另一种或几种金属或非 金属元素组成的具有金属特性的物质。,（2）组元：组成合金的基本单元。 合金中的组元可以是金属元素和非金属元素，也可以 是稳定化合物。,（3）相：合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态， 并以界面互相分开的、均匀的组成部分。,显微组织示意图,（4）显微组织：在显微镜下观察到的金 属中各相或各晶粒的形态、数量、 大小和分布的组合。,固态合金中的相分为固溶体 和金属化合物两类。,单相合金,两相合金,1、固溶体,合金在固态下，组元间能互相溶解而形成的均匀相 溶剂：与固溶体晶格类型相同的组元。 溶质：晶格消失的组元。,溶剂A + 溶质B = C,例如: （Fe） + C = F (铁素体) 体心立方 六方立方 体心立方,固溶体中的溶质的含量为固溶体的浓度。在一定温度、压力 条件下，溶质在固溶体中的极限浓度称为固溶体的溶解度。 根据溶解度不同，可分为有限固溶体和无限固溶体。,以一种金属元素为基础，其它合金元素的原子溶入基础元素的 晶格中所形成的结构。,通常将基础元素作为溶剂，溶入元素作为溶质，溶质原子溶入 溶剂原子即为固溶体。所以，固溶体结构的一个重要特征是保 持溶剂的晶格类型。,通常固溶体用、等符号表示。,特点：,根据溶质原子在溶剂晶格中所占的位置不同，又可以分为 置换固溶体和间隙固溶体。,置换固溶体,间隙固溶体,（1）固溶体分类,当溶质原子与溶剂原子的大小相近且晶格类型相同时，则容易 形成置换固溶体。置换固溶体可以是有限固溶体和无限固溶体。,1）置换固溶体,溶质原子置换了溶剂原子存在于溶剂晶格的结点上。,当溶质原子比溶剂原子尺寸小时，溶剂原子处于溶剂晶格的 间隙中而形成的固溶体，间隙固溶体只能是有限固溶体。,2）间隙固溶体,间隙原子的位置,置换原子的位置,例：黄铜（Cu+Zn） 白铜（Cu+Ni）,例：钢铁材料（Fe+C）,（2）固溶体的性能,1）固溶体中由于溶质原子的存在，使晶格发生畸变，增大了位错 运动的阻力，使塑性变形困难，从而提高了强度和硬度。,2）固溶体的强度和硬度都要比纯金属高，但塑性和韧性变化不 大。这种由于溶质原子进入溶剂中使得金属材料的强度和硬 度上升的现象称为固溶强化。固溶强化是提高合金力学性能 的重要途经之一。,晶格畸变现象,2、金属化合物,合金中的两组元相互作用而形成的一种新相，它的晶体结构、性能、熔点与两组元都不同，并具有金属特征，这种相称为金属 化合物。,如：3Fe + C Fe3C,Fe3C的晶体结构,金属化合物分类： 正常价化合物 电子化合物 间隙化合物,（1）正常价化合物,（2）电子化合物,正常价化合物是指符合化合物原子价规律的金属化合物。 它们具有严格的化合比，成分固定不变，可用化学式表示。 金属中常见的有：Mg2Si、Cu2Se、ZnS、AlP等。 这类化合物性能的特点是硬度高、脆性大。,电子化合物是指符合一定价电子浓度规律组成的化合物。 金属中常见的有：Cu-Zn、Cu-Si、Cu-Al等。 电子化合物主要以金属键结合，具有明显的金属特性。 它们的熔点和硬度都较高，塑性较差，是有色金属中的 重要强化相。,间隙化合物是指过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。根据其结构特点，可分为间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。,（3）间隙化合物,当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，将形成具 有简单晶格结构的简单化合物。 间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度， 非常稳定。 间隙相分布均匀，能有效地提高钢的强度、 热强性、红硬性、耐磨性，是高合金钢和 硬质合金的重要组成相。,1）间隙相：,间隙相VC的晶体结构,当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，将形成具 有复杂晶格结构的间