第一章1.2.3金属的结构和结晶

1 机械工程材料 工学院 主讲人 杨拓宇 2 1 1金属的特征1 2金属的晶体结构1 3实际金属中的晶体缺陷1 4金属晶体的基本概念1 5形核和长大1 6晶粒大小的控制 第1章金属的结构和结晶 3 1 正的电阻温度系数 温度升高电阻升高 2 金属键 依靠电子云强烈的静电引力结合起来 金属正离子始终沉浸在电子云中 保持金属键的结合 所以金属能变形不断裂 1 1金属的特征 4 一 晶体与非晶体二 纯金属的晶体结构三 晶面和晶向四 金属晶体的各向异性 1 2金属的晶体结构 5 晶体 材料中的原子 分子 按一定的几何规律作周期性地排列 非晶体 非晶体中原子 分子 则是无规则的堆积在一起 一 晶体与非晶体 6 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 直线的交点称结点由结点形成的空间点的阵列称空间点阵 反应点阵特征的基本单元叫晶胞 7 晶胞 X Y Z a b c 晶格常数a b c 晶胞棱边长度叫晶格常数 8 3 晶系 布喇菲点阵 用数学方法证明 根据晶格常数不同 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 9 几个重要参数前提 假设原子为刚性球1 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 2 晶胞原子数 一个晶胞内所包含的原子数目 3 配位数及致密度 配位数 是指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百分数 10 二 纯金属的晶体结构 1 体心立方晶格bcc 2 面心立方晶格fcc 3 密排六方晶格hcp 11 1 体心立方晶格bcc Fe W V Mo等 12 体心立方晶格的参数 13 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 14 2 面心立方晶格fcc Fe Cu Ni Al Au Ag等 15 面心立方晶格的参数 16 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 17 3 密排六方晶格 18 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 19 三金属晶体中的晶面和晶向的表示 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指的方向 20 晶面 晶向表示方法 晶面指数表示晶面的符号称晶面指数 其确定步骤为 21 1 选坐标 以晶格中某一原子为原点 以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴 2 以相应的晶格常数为单位 求出待定晶面在三个轴上的截距 3 求三个截距的倒数 4 将所得数值化为最小整数 加圆括弧 形式为 hkl 22 1 确定原点 建立坐标系 过原点作所求晶向的平行线 2 求直线上任一点的坐标值 3 按比例化为最小整数 加方括弧 形式为 uvw 2 晶向指数表示晶向的符号称晶向指数 其确定步骤为 23 晶面族与晶向族 hkl 与 uvw 分别表示的是一组平行的晶向和晶面 指数虽然不同 但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族 分别用 hkl 和表示 24 说明 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 25 四 金属晶体的各向异性 不同晶面或晶向上原子密度不同导致性能不同的现象 X Y Z 26 实际金属晶体结构与理想结构的偏离 单晶体 内部晶格位向完全一致的晶体 理想晶体 如单晶Si半导体 多晶体 由许多位向不同的晶粒构成的晶体 27 晶体缺陷 晶格的不完整部位称晶体缺陷 一 点缺陷 空位 间隙原子 异类原子二 线缺陷 位错三 面缺陷 晶界与亚晶界 1 3实际金属中的晶体缺陷 28 29 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 30 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 31 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 使强度 硬度提高 塑性 韧性下降 32 空位和间隙原子引起的晶格畸变 33 二 线缺陷线缺陷 晶体中的位错 刃位错 刃位错 34 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 可分为刃型位错和螺型位错 35 刃型位错和螺型位错 刃位错的形成 36 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 37 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 38 螺位错 39 三 面缺陷 4