材料成型金属学第一章 金属的晶体结构.ppt

思考 1 什么是金属 2 金属原子是如何结合到一起的 3 为什么不同原子的金属性能不同 4 为什么同种原子的金属有时性能也不同 5 金属的内部组织结构是什么样子 第一章金属的晶体结构 1 1金属金属 具有正的电阻温度系数的物质 非金属 具有负的电阻温度系数的物质 金属原子的结构特点 孤立的自由原子 带正电的原子核 带负电的核外电子核外电子 内层电子 外层电子价电子 最外层的电子金属原子的结构特点 外层 4个价电子 正电性元素 非金属原子的结构特点 外层4 7个价电子 负电性元素 过渡族金属原子的结构特点 化合价可变 二 金属键离子键 氯化钠共价键 金刚石金属键 电子云 三 结合力与结合能 原子间结合力 原子间吸引力 排斥力do 平衡点 吸引力 排斥力 结合力 0 dc 最大结合力 理论抗拉强度 原子间结合能 原子间吸引能 排斥能do 结合能最低 原子的势能最低 最稳定 EAB 原子间结合能 当大量原子结合成固体时 为使固态金属具有最低的能量 以保持其稳定状态 大量原子间必须保持一定的平衡距离 是固态金属的原子趋于规则排列的重要原因 1 2金属的晶体结构晶体 在三维空间作有规律的周期性排列的物质 非晶体 内部原子是散乱分布的 在一定条件下 晶体和非晶体可以互相转换 一 晶体的特性有一定熔点 各向异性 二 晶格与晶胞阵点 结点 原子 离子 分子 原子群 分子群 抽象的几何点 空间点阵 晶格 用直线将阵点连接起来 构成一个描述晶体中原子排列规律的三维空间格架 晶胞 晶格中能够完全反映晶格特征的最小的几何单元 晶格常数 点阵常数 晶胞的棱边长度 X Y Z轴为a b c 轴夹角 晶胞的棱边夹角 Y Z Z X X Y为 三 三种典型的金属晶体结构 一 体心立方晶格 BCC bodycenteredcubic 结构特点原子半径原子数 1 1 8x8 2配位数 8 与任一原子等距离 最近邻的原子总数 致密度 0 68 K nV1 V 二 面心立方晶格 FCC facecenteredcubic 结构特点 原子半径原子数 1 8x8 1 2x6 4配位数 3x4 12致密度 0 74 三 密排六方晶格 HCP hexagonalclose packed 结构特点原子半径 a 2原子数 1 6x12 x2 3 6配位数 6 2x3 12致密度 0 74c a 1 633 四 晶体中的原子堆垛方式和间隙密排面 晶体中 原子间最紧密排列的平面 密排六方晶格 底面 面心立方晶格 111 体心立方晶格 110 次密排面 1 晶体中的原子堆垛方式体心立方晶格 ABABAB面心立方晶格 ABCABCABC密排六方晶格 ABABAB 2 晶体中的间隙体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格 四 晶向指数和晶面指数晶向 uvw 晶体中 任意两个原子之间的连线所指的方向 晶面 hkl 晶体中 由一系列原子所组成的平面 1 晶向指数确定方法 晶向族 原子排列相同但是空间位向不同的所有晶向 某一晶体中 一个晶向表示一组平行的原子分布相同的直线 若两个晶向数字和顺序相同 但是符号 正负号 相反表示直线方向相反 2 晶面指数确定方法晶面族 hkl 在同一晶体结构中 虽然空间位向不同 但是其原子排列的情况完全相同的所有晶面 某一晶体中 一个晶面表示一组平行的原子分布相同的平面 若两个晶面数字和顺序相同 但是符号 正负号 相反表示两组晶面平行 3 六方晶系的晶向指数和晶面指数 晶向 uvtw t u v 晶面 hkil i h k 4 晶向指数和晶面指数的关系 五 晶体的各向异性 原因 原子在不同晶向上的紧密程度不同 多晶体伪等向性 六 多晶型性多晶型转变 同素异构转变 立方结构的晶体中 当晶向 uvw 平行 位于 晶面 hkl 时 满足 hu kv lw 0当晶向 uvw 垂直晶面 hkl 时 满足 h u k v l w 1 3实际金属的晶体结构晶体缺陷 一些原子偏离规则排列的不完整区域 晶体缺陷类型 点缺陷 面缺陷 线缺陷 一 点缺陷 一 空位形成 运动 消失 作用 扩散晶体畸变 二 间隙原子 三 置换原子 二 线缺陷 位错刃型位错 螺型位错 一 刃型位错位错线分类 正 负 刃型位错形成 切应力滑移面应力场 刃型位错与间隙 置换 原子的相互作用 刃型位错的特征 1 刃型位错有一个额外的半原子面 2 位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变的管道 有正应变 也有切应变 对于正刃型位错 滑移面上的晶格受压应力 滑移面下的晶格受拉应力 3 位错线与晶体滑移的方向相垂直 既位错运动方向垂直于位错线 二 螺型位错形成 切应力分类 左 右 螺型位错右 左 手法则 拇指代表螺旋的前进方向 其余四指代表螺旋的旋转方向 螺型位错的位错线平行于晶体滑移方向 螺型位错特征 1 螺型位错没有额外半原子面 2 螺型位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道 只有切应变 无正应变 3 位错线与滑移方向平行 位错线运动的方向与位错线垂直 三 柏氏失量概念 一个表示位错性质 晶格畸变的大小和方向的矢量 确定方法 三个步骤 柏氏失量确定位错类型 位错线方向 习惯正向 由里向外 由左向右 由下向上 刃位错确定方法 如图螺位错确定方法 柏氏失量与位错方向相同的为右螺型位错 相反者为左螺型 柏氏失量重要特性 判断位错类型 位错线与柏氏失量垂直是刃位错 位错线与柏氏失量平行是螺位错 表示位错区晶格畸变总量的大小 表示晶体滑移的方向和大小 一个位错的柏氏失量是恒定的 与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关 刃型位错线与柏氏失量垂直 它们构成的滑移面只有一个 螺型位错线与柏氏失量平行 它们构成的滑移面无限个 混合型位错 当柏氏矢量和位错线交成任意角度时 则位错是刃型和螺型位错的混合型 四 位错密度 L VV 晶体体积 L 晶体中位错线的总长度 单位 m 2 三 面缺陷 一 晶体表面 指金属同外部介质相接触的界面 表面能 表面层产生晶格畸变 使其能量升高 单位面积上升高的能量叫比表面能 简称表面能 影响表面能的因素 外部介质 裸露面原子密度 晶体表面的曲率等 二 晶界 晶体结构相同但位向不同的晶粒间的界面 大角度晶界 位向差大于10度 小角度晶界 位向差小于10度 三 亚晶界 每个晶粒内 存在位向很小的亚