§2晶体结构.ppt

工程材料 西南大学工程技术学院 张建军主编 2金属的晶体结构与结晶 材料的性能取决于材料的化学成分和其内部微观的组织结构 物质有气态 固态 液态 由液态转变为固态的过程称为凝固 2 1纯金属的典型晶体结构 材料的结构是指材料原子的空间组合 分布与排列情况 三种物态 固体 晶体和非晶体 液体 气体 2 1 2晶体的基本知识 原子 离子 的刚球模型 固态物质 晶体 非晶体 规则排列 无规排列 原子 离子或分子 在三维空间有规则的周期性重复排列的物质称为晶体 如天然金刚石 水晶 氯化钠等 原子 离子或分子 在空间无规则排列的物质则称为非晶体 如松香 石腊 玻璃等 一 晶体与非晶体 1 熔点 2 各向异性 特点 许多物质的晶体与非晶体间在一定的条件下可以互相转变 如金属液体在高速冷却下可得到非晶态金属 有些物体是晶体与无定形体的混合物 例如某些塑料 单晶体铁弹性模量E的差异 晶体 非晶体 晶体 非晶体 时间 温度 晶体和非晶体熔化曲线 熔点 液体 1 空间点阵 把构成固体的基本质点看成空间的几何点 这些点的空间排列阵容即为空间点阵 2 晶格 用一些假想线条将点阵中的质点连结起来所构成的空间格架称为晶格 4 晶格常数 晶胞各边的尺寸a b c称晶格常数 其大小以表示 其棱边夹角用 表示 3 晶胞 晶格中能够完全反映晶格特征的最小几何单元 二 晶格 晶胞和晶格常数 5 晶系 根据晶格常数和棱夹角关系对所有晶体分析 可把它们的空间点阵分为14种类型 14种点阵归属7种晶系 6 晶格尺寸和原子半径1 晶格尺寸晶格尺寸用晶格常数表示 立方晶格中a b c 用一个常数a表示即可 2 原子半径原子在某种晶格中的原子半径 等于晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子的中心之间距离的一半 X Y Z a b c 2r 2r a a 6 晶格尺寸和原子半径 7 晶胞原子数 8 配位数和致密度1 配位数晶格中与任一个原子最邻近 等距离的原子数目 2 致密度把原子看成刚性小球 原子所占体积与晶胞体积之比 指一个晶胞中所含的原子数目 图1 1为原子间的吸引力 吸引 和排斥力 排斥 及它们的合力 总 与原子距离的关系 合力 总 为零时 原子距离为a0吸引力 吸引 和排斥力 排斥 平衡 原子间相互作用的势能最小 0 即原子间的结合能 2 1 2金属的晶体结构 一 金属的特性和金属键 1 原子间的结合能 若改变上述平衡都需要做功 引起能量的升高 物质的原子 离子或分子 之间通过某种相互作用 使原子稳定结合在一起的力称为结合键 结合键对物质的性能有极大影响 结合键的基本类型有离子键 共价键 金属键和分子键 金属离子与自由电子之间的相互作用 使许多金属离子互相结合在一起 这样形成的化学键即是金属键 金属键使固态金属具有优良的导电 导热性并能塑性变形 原子间通过共用电子对相互吸引所形成的化学键 例如金刚石 SiC等结构 2 原子结合键的类型 1 金属键 2 共价键 阴阳离子间通过静电作用所形成的化学键 如NaCl晶体内Na 与Cl 之间的结合键 上述离子键 共价键和金属键的分子或晶体内部原子之间有强烈的吸引作用 结合键较强 4 分子键和氢键 1 分子键原子或分子由其内部电荷分布不均匀产生偶极矩而引起的短程静电引力形成的结合键 又称范德瓦尔斯键 2 氢键氢原子与电负性很大的原子结合后 核外电子偏移 因而能和另一个电负性大原子半径小的原子产生静电引力而形成的结合键 键的能量约在10千卡 摩尔以下 键的能量比例大致如下 3 离子键 范氏键 氢键 共价键 1 10 100 离子键结合能最高 3 工程材料的键性 1 金属材料主要是金属键 周期表中过渡族及4A列的一些元素结合键为金属键和共价键混合型 一些金属间化合物则为金属键与离子键混合型 例如Fe5Zn21 Al9CO3等 2 陶瓷材料工程陶瓷以离子键和共价键为主要结合键 3 高分子材料高聚物分子链上主价键为共价键 分子间结合键 次价键 为范氏键 二 常见金属晶体的结构 体心立方晶格面心立方晶格密排立方晶格 1 体心立方晶格 体心立方晶格中 原子半径 原子数个 配位数等于8 致密度 属这类晶格的金属有 Fe Fe Cr Mo W V Nb等 体心立方晶格的晶胞如图所示 X Y Z a b c 2r 2r a a 2 面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞如图所示 面心立方晶胞中 原子半径为 原子数为 配位数为12 致密度为0 74 属这类晶格的金属有 Fe Ni Al Cu Pb Au Rh等 3 密排六方晶格 密排立方晶胞中 晶格常数用a c表示 理想密排时 两者比值c a 1 633 原子数为 原子半径 配位数为12 致密度为0 74 属这类晶格的金属有Mg Zn Be Cd等 三 配位数 致密度 1 配位数晶格中与任一个原子最邻近 等距离的原子数目 2 致密度把原子看成刚性小球 原子所占体积与晶胞体积之比 1 晶面 晶体中各个方位的原子面 2 晶面指数 用来表示晶面位向的一组数字符号 确定晶面指数按下面三个步骤进行 通过原子中心的平面 四 金属晶体中 立方 的晶面和晶向的表示方法 立方晶系的晶面表示方法 求法 定原点 求截距 化最小整数 加 取倒数 例 X轴坐标 1 Y轴坐标 1 Z轴坐标 1 111 晶面指数 2 实际上表示所有相互平行的晶面 hkl 求法 定原点 求截距 化最小整数 加 特点 1 直接表示任意晶面 取倒数 例 X轴坐标 1 Z轴坐标 110 Y轴坐标 1 晶面指数 绘出晶面 1 晶向 晶体中 任意两个原子之间连线所指的方向 用晶向指数表示 2 确定晶向指数的方法如下 通过原子中心的直线所指的方向 立方晶系的晶向表示方法 求法 定原点 建坐标 化最小整数 加 求坐标 例 o X轴坐标 1 Y轴坐标 1 Z轴坐标 1 111 晶向指数 求法 定原点 建坐标 化最小整数 加 求坐标 例 111 X轴坐标 0 Y轴坐标 0 Z轴坐标 1 001 晶向指数 求法 定原点 建坐标 化最小整数 加 求坐标 例 111 X轴坐标 1 Y轴坐标 1 Z轴坐标 1 001 3 实际上表示所有相互平行 方向一致的晶向 uvw 特点 1 直接表示任意两点连线的方向 2 只表示方向 不表示长短 晶向指数 绘出 100 晶向 绘出 231 晶向 231 晶向指数 绘出 100 晶向 231 绘出 231 晶向 技巧 当晶向指数中有大于1的数时 外延晶胞 直接求点 将指数化为分数 晶向指数 课堂练习 请绘出下列晶向 请绘出下列晶面 001 010 100 110 112 001 010 100 110 112 2 一个晶向指数代表一系列相互平行 方向相同的晶向 1 立方晶系 数字相同 仅正负号 数字排序不同的属同一晶向族 3 一个晶向族代表一系列性质地位相同的晶向 加 例 111 100 晶向族 晶向族与晶面族 2 一个晶面指数代表一系列相互平行的晶面 晶面族 1 对于立方晶系 数字相同 仅正负号 数字排序不同的属同一晶面族 3 一个晶面族代表一系列性质地位相同的晶面 加 例 110 110 111 晶向指数与晶面指数的关系 指数数字相同的晶向与晶面相互垂直 仅对于立方晶系而言 例 110 与 110 100 与 100 111 与 111 五 各向异性 单晶体铁弹性模量E的差异 2 2实际金属的晶体结构 2 2 1单晶体与多晶体 位向不同的小晶体称为晶粒 晶粒与晶粒之间的交界称为晶界 1 单晶体 2 多晶体 内部晶格位向完全一致 各自异性 单晶体示意图 单晶体铁弹性模量E的差异 一 点缺陷 2 2 2晶体缺陷 晶体中的缺陷 原子排列偏离完整性的区域 点缺陷 在三个方向上尺寸都很小线缺陷 在二个方向上尺寸很小面缺陷 在一个方向上尺寸很小 晶体中存在空位 间隙原子 置换原子都是晶格的点缺陷 它们会导致 晶格畸变 的现象 如图所示 局部点阵畸变 原子热振动 克服约束 迁移到新的位置 空位 间隙原子 点缺陷对晶体性能的影响 附加电子散射 电阻 间隙原子 体积膨胀1 2个原子体积空位 体积膨胀0 5个原子体积 屈服强度 对扩散 内耗 高温形变和热处理等过程有重要影响 常见的位错类型有刃型位错 螺型位错等 如图所示 二 线缺陷 线缺陷就是晶格中的位错现象 刃位错 多出 或少了 半排原子面 用 或 表示 刃位错 正 上压下拉负 上拉下压 主要为正应力 特征 类型 螺型位错 有晶体图时与螺纹判断方法一致 左手左螺 右手右螺 位错正 负 左 右 的确定 位错也引起晶格畸变 金属强度与位错密度的关系是 位错的存在可降低理想晶体的强度 大量的位错又可使其强度提高 生产中一般采用增加位错的办法提高材料的强度 金属强度与位错密度的关系 亚晶界 指亚晶粒之间形成的交界面 亚晶粒是由被称为镶嵌块的小晶粒组成的 三 面缺陷 晶界 指晶粒之间必然形成的交界面 晶界 亚晶界是晶体缺陷中的面缺陷 晶界特点 1 晶界 畸变 晶界能 向低能量状态转化 晶粒长大 晶界变直 晶界面积减小2 阻碍位错运动 b 细晶强化3 位错 空位等缺陷多 晶界扩散速度高4 晶界能量高 结构复杂 容易满足固态相变的条件 固态相变首先发生地5 化学稳定性差 晶界容易受腐蚀6 微量元素 杂质富集 面缺陷能提高金属材料的强度 晶界越多 晶粒越细 金属的塑性变形能力越大 塑性越好 2 3金属的结晶与同素异构转变 金属材料的凝固是最典型的结晶 凝固与结晶 凝固是指从液态经冷却逐渐变硬为固态的过程 固化后的物质为非晶体 结晶指具有固定的熔点和凝固点 凝固后形成晶体物质的过程 结晶 结晶 液体 晶体 凝固 液体 固体 晶体或非晶体 2 3 1纯金属的结晶 熔融液体的粘度和冷却速度影响到凝固后得到晶体还是非晶体 1 熔融液体的粘度 粘度表征流体中发生相对运动的阻力 图3 1 液体的粘度 极小时 原子的迁移能力极强 绝大多数能凝固为晶体 反之不利于结晶 例如玻璃 塑料等 凝固时的冷却速度愈大 降温快 特快的冷却速度 原子扩散受到制约 使形核困难 凝固后易得到非晶体 如金属冷却速度大于106 s时 可获得非晶态金属 x f s 凝固状态的影响因素 2 熔融液体的冷却速度 冷却曲线 T0 Tn 理论结晶温度 开始结晶温度 T 过冷度 T T0 Tn 纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度 克服界面能 一 结晶冷却曲线和过冷度 过冷度 T 理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之差 T T0 Tn 冷却速度越大过冷度越大 即实际结晶温度低于理论结晶温度 2 结晶时会放出结晶潜热 1 存在过冷现象 结晶时的现象 一 结晶冷却曲线和过冷度 形核途径有 A自发形核 晶核由液体中近程有序的原子集团形成 B非自发形核 异质形核 晶核依附固态物质表面形成 树枝状生长是最常见的长大方式 如图所示 1 形核 2 长大 形核过程是 孕育期 晶胚 晶核 两种长大方式 平面生长与树枝状生长 二 结晶过程 三 结晶的条件 物质中的自由能自动向外界释放出其多余的能量 温度低于T0 液体将结晶 温度高于T0 晶体将熔化 结晶时 还受结构条件影响 同一物质的液体和晶体 其自由能相同时的温度为理论结晶温度T0 存在短程有序现象 即液体中微小体积范围内存在着紧密接触规则排列的原子团 一瞬间又变成另外的原子团 在一定条件下形成长程有序 即晶体中大范围原子有序稳定排列 存在成分起伏现象 即固溶体合金的液体中微小体积范围内偏离液相平均成分现象 存在结构起伏现象 即液态金属中的原子集团此起彼伏地不断产生与消失的现象 此现象也称为相起伏 液体的结构不同于气体 有以下特点 2 3 2金属同素异构转变 同一种金属元素在不同条件下具有不同的晶体结构 当温度等外界条件变化时 晶格类型会发生转变 称为同素异构转变 纯铁具有同素异构转变 可以形成体心立方和面心立方两种晶格的同素异晶体 1 晶粒度晶粒度表示晶粒大小 由平面截面单位面积内所包含晶粒个数或晶粒平均直径来表示晶粒的大小来表示 其它金属也有各自的晶粒度标准 2 4晶粒大小的控制 2 4 1晶粒度的概念 YB27中对结构钢规定了八个级 2 影响晶粒度的因素 指单位时间单位体积内形成晶核的数目 晶粒大小取决于N和G 其比值N G越大 晶粒越小 1 形核率N 2 长大速度G 指单位时间内生长的长度 3 N G与 T的关系 2 4 2晶粒度的控制 2 变质处理在金属浇铸前向液态金属内加变质剂 形核剂 促进大量非自发形核 细化晶粒 3 振动 搅拌对即将凝固的金属进行振动或搅拌 一方面输入能量促使形核 另一方面使成长中的枝晶破碎 使晶核数目增加 细化晶粒 1 控制过冷度铸造浇铸时降低浇铸温度 用金属型 石墨型代替砂型等增加 T 变质剂的作