金属材料的结构PPT课件.ppt

与非金属相比 固态金属具有它独特的性能 如良好的导电性 导热性 延展性 塑性变形能力 和金属光泽 这些是金属的特性么 能否据此来区分金属与非金属呢 思考 1 2金属材料的晶体结构 否 一 金属的特性 2019 12 20 1 1 有的非金属也可能表现出上述某些特性 如 石墨能导电金刚石导热无机化合物具有金属光泽 2 各种金属晶体之间 这些特征的差别也很大 鈈 锰的导电能力比银 铜相差近百倍锑 铬 钒等金属是一种 脆性 金属 因此 只根据以上的一些特性来区分金属和非金属是不够充分的 3 金属的特征 正的电阻温度系数 2019 12 20 2 主要是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关 金属为何具有上述这些特性呢 金属键金属键是金属原子之间的结合键 它是大量金属原子结合成固体时 彼此失去最外层子电子 过渡族元素也失去少数次外层电子 成为正离子 而失去的外层电子穿梭于正离子之间 成为公有化的自由电子云或电子气 而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力 库仓引力 这种结合方式称为金属键 2019 12 20 3 金属材料以金属键方式结合 从而使金属材料具有以下特征 良好的导电 导热性 正的电阻温度系数 金属正离子随温度的升高 振幅增大 阻碍自由电子的定向运动 从而使电阻升高 不透明 有金属光泽 自由电子容易吸收可见光 使金属不透明 自由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道 当其从高能轨道跳回低能轨道时 将吸收的可见光能量辐射出来 产生金属光泽 具有延展性 金属键没有方向性和饱和性 所以当金属的两部分发生相对位移时 其结合键不会被破坏 从而具有延展性 返回 2019 12 20 4 尽管金属材料都具有相同的原子结合方式 但不同的金属材料性能还是各不相同 为什么呢 思考 物质的性能取决于原子的结合方式和排列方式两个方面 材料的性能除了与原子的结合方式有关 还取决于材料的内部结构 结构即为原子的排列方式和空间分布 2019 12 20 5 1 晶体与非晶体2 纯金属的晶体结构3 金属晶体中的晶面和晶向4 金属晶体的特点5 实际金属的晶体结构 二 金属的晶体结构 2019 12 20 6 晶体 原子 离子 分子 在三维空间呈规则 周期性排列 长程有序 非晶体 原子无规则堆积 无序排列 也称为 过冷液体 短程有序 一定条件下晶体和非晶体可互相转化 晶体常态金属 金刚石 NaCl 冰等 1 晶体与非晶体 2019 12 20 7 微晶 快速凝固的晶态金属或合金的颗粒尺寸要小得多 仅为微米纳米级尺度 高强度高硬度 准晶 具有与晶体相似的长程有序的原子排列 但不具备晶体的平移对称性即无周期性 可以说是介于晶体和非晶体之间 液晶 二维长程有序 一些有机化合物和高分子聚合物 在一定温度或浓度的溶液中 既具有液体的流动性 又具有晶体的各向异性 这就是液晶 扩充知识 返回 2019 12 20 8 a原子堆垛模型 b空间点阵 c晶格 a b c d晶胞 2 纯金属的晶体结构 2019 12 20 9 空间点阵将晶体内部的原子 离子 或原子群 离子群 抽象为无数点子按一定的方式在空间做有规则的周期性分布 这些几何点子的总体称为空间点阵 这些点称为阵点或节点 晶格用一系列假想的平行直线将空间点阵的阵点联结起来 形成的空间网络称为空间格子 也称晶格 晶胞为了研究空间点阵的排列特点 从点阵中取出一个反映点阵特征的基本单元 通常是一个平行六面体 作为其组成单元 这个平行六面体称为晶胞 晶体结构基本概念 晶格参数晶胞各棱边的尺寸a b c 各棱边间的夹角用 表示 2019 12 20 10 2019 12 20 11 晶体分为七大晶系 十四个空间点阵 简单三斜 简单单斜 底心单斜 简单正交 体心正交 面心正交 底心正交 简单六方 简单菱方 简单正方 体心正方 简单立方 体心立方 面心立方 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 2019 12 20 12 描述金属晶体结构的一些重要概念 晶胞原子数一个晶胞内所含的原子数目 注意相邻晶胞的共有原子的计算方法 原子半径晶胞中最近邻的两个原子之间 平衡 距离的一半 配位数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与晶胞体积之比 2019 12 20 13 常见的金属晶体结构 工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构 其中最典型的为以下三种 1 体心立方晶格bcc 2 面心立方晶格fcc 3 密排六方晶格hcp 2019 12 20 14 体心立方晶格 2019 12 20 15 体心立方晶格 2019 12 20 16 体心立方晶格的参数 2019 12 20 17 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 2019 12 20 18 面心立方晶格 2019 12 20 19 面心立方晶格 2019 12 20 20 面心立方晶格的参数 2019 12 20 21 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 2019 12 20 22 密排六方晶格 2019 12 20 23 密排六方晶格的参数 2019 12 20 24 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 2019 12 20 25 2019 12 20 26 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代表的方向 3 金属晶体中的晶面和晶向 金属的许多性能和金属中发生的许多现象都和晶体中特定的晶面和晶向有密切关系 2019 12 20 27 立方晶系晶面 晶向表示方法 晶面表示法晶面指数其确定步骤为 2019 12 20 28 确定原点 建立坐标系 求出所求晶面在三个坐标轴上的截距 取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数 加圆括弧 形式为 hkl 2019 12 20 29 例一 求截距为 1 晶面的指数截距值取倒数为0 1 0 加圆括弧得 010 例二 求截距为2 3 晶面的指数取倒数为1 2 1 3 0 化为最小整数加圆括弧得 320 例三 画出 112 晶面取三指数的倒数1 1 1 2 化成最小整数为2 2 1 即为X Y Z三坐标轴上的截距 2019 12 20 30 晶向表示法晶向指数 其确定步骤为 2019 12 20 31 以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系 通过原点作平行于所求晶向的直线 以相应的晶格常数为单位 求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数 加方括弧 形式为 uvw 2019 12 20 32 例一 已知某过原点晶向上一点的坐标为1 1 5 2 求该直线的晶向指数 将三坐标值化为最小整数加方括弧得 234 例二 已知晶向指数为 110 画出该晶向 找出1 1 0坐标点 连接原点与该点的直线即所求晶向 2019 12 20 33 说明 每一晶面指数 或晶向 泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面 晶向 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 2019 12 20 34 3 三种常见晶格的密排面和密排方向单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度 单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度 原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向 2019 12 20 35 2019 12 20 36 1 有确定的熔点 熔点 晶体 非晶体 4 金属晶体的特性 2019 12 20 37 2 各向异性 不同晶面或晶向原子排列的方式和密度不同引起性能不同的现象 X Y Z 返回 2019 12 20 38 例如 单晶铁的弹性模量在 111 方向上为2 9X105MPa 而在 100 方向上只有1 35X105MPa 体心立方晶格的金属最易拉断或劈裂的晶面为 100 面 多晶体材料的伪等向性 实际使用的金属材料大都是多晶体 内部由许许多多晶粒组成 每个晶粒在空间分布的位向不同 因而宏观上各个方向上的性能趋于相同 晶体的各向异性就显现不出来了 2019 12 20 39 5 实际金属的晶体结构 变形金属晶粒尺寸约1 100 m 铸造金属可达几mm 单晶体与多晶体单晶体 其内部晶格方位完全一致的晶体 多晶体晶粒 实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同 外形不规则的小晶体组成 这些小晶体称为晶粒 一般10 5 10 4m 2019 12 20 40 2019 12 20 41 晶界 晶粒之间的交界面 晶粒越细小 晶界面积越大 多晶体 由多晶粒组成的晶体结构 2019 12 20 42 晶体缺陷 理想晶体 是指晶体中原子严格地有规则和完整的排列 在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体 如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体 实际晶体 多晶体 晶体缺陷晶体缺陷 是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域 按其几何尺寸特征 可分为点缺陷 线缺陷和面缺陷三类 2019 12 20 43 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 2019 12 20 44 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 2019 12 20 45 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 从而强度 硬度提高 塑性 韧性下降 2019 12 20 46 空位和间隙原子引起的晶格畸变 2019 12 20 47 线缺陷 晶体中的位错位错 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 分刃型位错和螺型位错 2019 12 20 48 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 这种线缺陷称为刃型位错 多余半原子面的底边即为位错线 位错线周围引起晶格畸变 阻碍变形 2019 12 20 49 刃型位错 刃位错的形成 2019 12 20 50 螺型位错 如图所示晶体右边的上部原子相对于下部原子向后错动一个原子间距 即右边上部相对于下部晶面发生错动 若将错动区的原子用线连接起来 则具有螺旋型特征 螺型位错 2019 12 20 51 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104 1012 cm2位错对性能的影响 减少 晶须 或增加位错密度都可以提高金属的强度 金属材料的一种强化方式 冷塑性变形法 增加位错密度 2019 12 20 52 电子显微镜下的位错 2019 12 20 53 电子显微镜下的位错观察 2019 12 20 54 面缺陷 晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过渡层 该过渡层处的原子总是不能规则排列 产生晶格畸变 所以它是晶体中的一种重要的面缺陷 厚度为5 10个原子间距 位向差一般为20 40 2019 12 20 55 亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小 位向差也很小 10 2 的小晶块 10 8 10 6m 亚晶粒之间的交界面称亚晶界 亚晶界也可看作位错壁 位错规则排列形成 2019 12 20 56 晶界及亚晶界的特点 原子排列不规则 熔点低 耐蚀性差 易产生内吸附 外来原子易在晶界偏聚 阻碍位错运动 是强化部位 故实际使用时力求获得细晶粒 细晶强化 是相变的优先形核部位 显微组织的显示 2019 12 20 57 思考 纯金属的强度不高 耐热 耐蚀性能较差 如何改善 三 合金的晶体结构 2019 12 20 58 合金 由金属元素与其他元素 这些元素可以是金属元素 也可以是非金属元素 组成的有金属特征的金属材料 思考 金属与非金属组成的是不是一定就是合金 Fe C Fe C 合金 钢 Fe3C 化合物 基本概念 2019 12 20 59 2019 12 20 60 组元 组成合金独立的最基本单元 组元可以是元素或是稳定化合物 Fe C 合金 Fe C组元 Fe Fe3C组元 类比 鸡蛋 水 蛋白质 脂肪 胆固醇 2019 12 20 61 相 具有相同结构 相同成分和性能 也可以是连续变化的 并以界面相互分开的均匀组成部分 如液相 固相是两个不同的相 类比 鸡蛋 蛋白 蛋黄 工业纯铁 单相铁素体 共析碳钢 铁素体相 渗碳体相 普通陶瓷 晶相 玻璃相 气相 2019 12 20 62 单相合金 两相合金 2019 12 20 63 组织 用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌 金属中各相或各晶粒的形态 数量 大小和分布的组合 图像的统称 宏观组织 微观组织 组织是影响材料性能的重要因素 相是组织的基本组成部分 相同的相 但当组成相的数量 大小 形态和分布不同时 其组织也不同 不同的相构成不同的组织 2019 12 20 64 1 固溶体 溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相称为固溶体 实际合金多是单相固溶体或以固溶体为基的合金 固体溶液 均一的 保持熔剂金属的晶格类型晶格常数发生一定变化 1 晶体结构特点 合金中的相分固溶体和金属化合物两大类 形成固溶体时含量多的能够保持自己晶格类型的元素称溶剂 其它元素称溶质 2019 12 20 65 2 固溶体的分类 按溶质原子所占据的位置 置换固溶体 溶质原子一般为半径相差不大的原子间隙固溶体 溶质原子半径小的非金属原子 H O N C B 黄铜置换固溶体组织 一般规律为r质 r剂 0 59 2019 12 20 66 按固态溶解度分 有限固溶体 间隙固溶体只能是有限固溶体无限固溶体 无限固溶体只能是置换固溶体 形成无限固溶体的必备条件 晶格类型相同原子尺寸相差不大负电性 元素得到电子的能力 相同置换固溶体 2019 12 20 67 按溶质原子在晶格中的分布状态分 有序固溶体 无序固溶体 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体 呈有序分布的称有序固溶体 2019 12 20 68 随溶质增加 固溶体的强度 硬度增加 塑性 韧性略下降 固溶强化 产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用 点缺陷 与纯金属比强度 硬度高 塑性 韧性低 但与化合物比硬度要低得多