2.1 纯金属的晶体结构.ppt

第二章金属的结构与塑性变形 2 1金属的晶体结构重点 材料内部结构与性能的关系 难点 晶体学 晶体结构与缺陷 学习方法 应用原子间结合力和位错理论解释材料的性能 一 原子的结合键1 显著影响材料的电 磁 光和热性能 2 决定材料的类型 二 原子的空间排列作用 显著影响材料的力学性能 三 显微组织作用 显著影响材料的力学性能 2 1 1晶体结构的基本概念 原子排列可分为 无序排列 短程有序和长程有序 晶体与非晶体 一 非晶体1 定义 若构成材料的原子在三维空间呈无序或短程有序排列 则称此材料为非晶态材料 2 特点结构无序 各向同性 无固定熔点 热导率和热膨胀性小 塑性变形大 组成的变化范围大 3 典型材料 大多数聚合物 二 晶体 1 定义原子呈长程有序排列的物质 2 晶体的特点结构有序 各向异性 有固定的熔点 3 典型材料 金属 许多陶瓷和部分高分子材料 三 晶体结构 1 晶体结构是指构成晶体的原子在三维空间具体的规律排列方式 2 晶格将晶体的原子几何化成一点 用一系列平行直线连接起来 构成一空间格架叫晶格 3 晶胞从晶格中取出一个能保持点阵几何特征的基本单元叫晶胞 14种布拉菲点阵 可用点阵参数来描述晶胞的尺寸和形状 各边长度 a b c 各边之间夹角 四 金属的典型晶体结构 最典型 最常见的晶体结构有三种类型 体心立方结构 面心立方结构 密排六方结构 1 体心立方结构 bcc 具有这种晶体结构的金属有Cr V Mo W和 Fe等30多种 2 面心立方结构 fcc 具有这种晶体结构的金属有Al Cu Ni和 Fe等约20种 3 密排六方结构 hcp 具有这种晶体结构的金属有Mg Zn Cd Be等20多种 五 晶面与晶向1 晶面 晶体中由一系列原子所组成的平面 2 晶向 原子在空间排列的方向称为晶向 3 晶向指数 4 晶面指数 晶面密度的计算 晶向密度的计算 六 各向异性 由于晶格中相应晶面和晶向原子的排列的情况不同 导致其机械性能及相应的其它性能有很大的差异 例1 硅钢片 100 方向易磁化 111 方向难磁化 例2 Fe铁 E 111 284000MN m2E 100 132000MN m2 七 多晶型 当外部的温度和压强改变时 金属由一种晶体结构向另一种晶体结构转变 称之为多晶型转变 又称为同素异构转变 Fe Mn Ti Co等具有两种或几种晶体结构 即具有多晶型性 例如 铁 Fe Fe Fe 当发生多晶型转变时 材料的许多性能如密度 塑性 强度 磁性 导电性等将发生突变 多晶型转变对于材料能否通过热处理来改变其性能具有重要的意义 结束 2 1 4实际晶体结构与晶体缺陷重点 固溶强化 加工硬化和细晶强化 难点 晶体缺陷与性能的关系学习方法 应用位错理论解释强化机制 一 单晶体各向异性 单晶体金刚石刀具 二 多晶体 各向同性例 Fe的E 210000MN m2 三 晶粒 10 1 10 2mm 晶界 100 200 亚晶粒 亚晶界 10 20 四 晶体缺陷 一 定义原子排列的不规则性和不完整性意义 对材料的性能有很大影响 特别是对塑性变形 扩散 相变和强度等起着决定性作用 二 分类根据晶体缺陷的大小可分为三类 点缺陷线缺陷面缺陷 1 点缺陷1 定义是在空间三维方向上的尺寸都很小 约为几个原子间距 又称零维缺陷 2 分类空位 间隙原子和置换原子 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 c 置换原子取代原来原子位置的外来原子称置换原子 3 晶格畸变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 4 对材料行为的影响 1 促使原子扩散 热处理的理论基础 2 材料的电阻明显增加 3 材料强度提高 固溶强化 但脆性显著增加 2 线缺陷 位错 理论剪切屈服强度 m 实际剪切屈服强度 n 例 铜单晶体 m 3000MPa而 n 1 10MPa 滑移现象 电子显微镜下的位错 电子显微镜下的位错观察 1 定义指晶体中的原子发生了有规律的错排现象 2 特征一排或几排原子发生错排 在一维方向上很大 直径为3 5个原子间距 3 分类 刃型位错 螺型位错 4 位错的产生与密度产生 结晶 冷却 各种热处理 冷加工等过程中产生 密度 体积密度 m cm3 与面积密度 根 cm2 晶须 10m cm3 5 位错的作用是一种极为重要的晶体缺陷 对金属强度 塑性变形 扩散和相变等有显著影响 促使塑性变形 促使原子扩散 材料的电阻明显增加 材料的强度提高 位错强化或加工硬化 但脆性显著增加 机制 位错密度升高 导致位错缠结和钉轧 对滑移的阻力增加 使塑性变形抗力显著升高 金属的强度与位错密度的关系 优点缺点 3 面缺陷 晶界 1 定义是指空间取向 位向 不同的相邻的晶粒之间的交界面 显微组织的显示 孪晶界 2 晶界特性 构起结伏 成分起伏 能量起伏 1 内吸附异类原子 杂质 向晶界偏聚 例如 P Sb Sn在晶界的富集将导致钢的强度下降 脆性增加 2 晶界上原子的扩散速度比晶粒内部快得多 3 常温下 晶界对位错运动起阻碍作用 因此 金属材料的晶粒越细 则单位体积晶界面积越多 其强度 硬度越高 细晶强化 4 晶界比晶内更易氧化和优先腐蚀 5 由于晶界具有较高能量且原子