2-材料的结构-机械.ppt

第二章材料的结构 物质由原子组成 原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能 原子 离子 分子之间的结合力称为结合键 不同类型的原子之间产生不同性质的结合键 C60 离子键 Al2O3 共价键 SiC 金属键 大多金属 分子键 CO2 H2 C60 C60 石墨 金刚石 C的同素异形体 一 晶体结构的基本概念 1 晶体与非晶体晶体 是指原子在三维空间中有规则的周期性重复排列的固体称为晶体 常态下金属主要以晶体形式存在 晶体具有固定熔点和各向异性 非晶体 指原子呈无序排列的固体 在一定条件下晶体和非晶体可互相转化 如晶体金属液态急冷成非晶态金属 2 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 原子中心 称结点 由结点形成的空间点的阵列称空间点阵 晶胞 能反映晶格的原子排列规律的最小几何单元 晶系 根据晶胞参数不同 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 晶格常数 晶胞的几何特征用棱边的长度a b c 各棱间的夹角用 表示 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 如体心立方晶格原子半径 晶胞原子数 一个晶胞内所包含的原子数目 如体心立方晶格原子数 1 1 8 8 2 致密度 晶胞中原子本身所占的体积百分数 致密度K nV1 V 其中V为原子体积 V为晶胞的体积如体心立方晶胞致密度为0 68 二 金属的晶体结构 1 纯金属的晶体结构金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的 称为金属键 金属原子趋向于紧密排列 具有良好的导热性 导电性 延展性及金属光泽 常见纯金属的晶格类型有体心立方 bcc 面心立方 fcc 和密排六方 hcp 晶格 体心立方晶格 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 面心立方晶格 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 密排六方晶格 密排六方晶格的参数 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 三种常见晶格的密排面和密排方向 2 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 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 晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷 实际金属中或多或少都存在着晶体缺陷 按形状可分三类 即点 线 面缺陷 点缺陷空间三维尺寸都很小的缺陷 相当于原子尺寸 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 可以是自间隙原子 也可以是杂质间隙原子 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 从而使强度 硬度提高 塑性 韧性下降 空位和间隙原子引起的晶格畸变 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 位错对性能的影响 金属的塑性变形主要由位错运动引起 因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径 减少或增加位错密度都可以提高金属的强度 电子显微镜下的位错 电子显微镜下的位错观察 面缺陷 晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位 宽度为5 10个原子间距 位向差一般为30 40 亚晶粒 实际晶粒也不是完全理想的晶体 而是由许多位向相差很小的亚晶粒组成 位向差一般小于 1 2 亚晶粒之间的交界面称亚晶界 亚晶界实际上由一系列的刃型位错构成 故细化晶粒也能显著提