第二章晶体结构.ppt

工程材料与热加工基础,TheFundamentalsofEngineeringMaterials&HeatProcessing,第一节结合键（BindingBond）,一、结合力与结合能双原子模型：,第二章材料的微观结构,二、结合键离子键,共价键,金属键,分子键和氢键,三、材料的键性金属材料金属材料的结合键主要是金属键。金属特性：导电性、导热性好；正电阻温度系数；好的延展性；金属光泽等。陶瓷村料陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物，其结合键主要是离子键和共价键，大多数是离子键。高分子材料高分子材料的结合键是共价键、氢键和分子键。,第二节金属的晶体结构与结晶,金属的性能是由其组织结构决定的，其中结构指的就是晶体结构。金属的晶体结构就是其内部原子的排列方式，因为金属是晶体，所以称为晶体结构。,1、晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。长程有序，各向异性。2、非晶体：原子在三维空间内不规则排列。长程无序，各向同性。3、在自然界中除少数物质（如普通玻璃、松香、石蜡等）是非晶体外，绝大多数都是晶体，如金属、合金、硅酸盐，大多数无机化合物和有机化合物，甚至植物纤维都是晶体。,一、晶体与非晶体,区别：(a)是否具有周期性、对称性(b)是否长程有序(c)是否有确定的熔点(d)是否各向异性,晶体与非晶体的转变,晶体与非晶体在一定条件下可以相互转变玻璃经长时间加热能变为晶态玻璃；金属从高温液态急冷，可变为非晶态金属,Be2O3晶体与Be2O3玻璃的内部结构,晶体结构是描述晶体中原子（离子、分子）的排列方式。,理想晶体的晶体学抽象:,空间规则排列的原子刚球模型晶格（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,原子处于晶格结点）晶胞（能代表晶格原子排列规律的最小几何单元）,二、晶体结构基础知识,Na+,NaCl晶体结构示意图,Cl-,晶胞：空间点阵中能代表原子排列规律的最小的几何单元称之为晶胞，是构成空间点阵的最基本单元。选取原则：能够充分反映空间点阵的对称性；相等的棱和角的数目最多；具有尽可能多的直角；体积最小。,描述晶胞的六个晶体学参数：三个棱边的长度，称为晶格常数：a、b、c及其夹角：、,根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系，七种晶系共包含14种布拉菲格子,三、三种典型的金属晶体晶胞,体心立方晶胞bcc,面心立方晶胞fcc,密排六方晶胞hcp,属于此类结构的金属有：碱金属、难熔金属（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等,属于此类结构的金属的有：Al、贵重金属、-Fe、Ni、Pb、Pd、Pt以及奥氏体不锈钢等,属于此类结构的金属有：a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co、Mg、Zn等,原子半径:原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。,晶胞中所含原子数:晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。,配位数:配位数是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。致密度:致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数，即K=nv/V。式中，n为晶胞所含原子数、v为单个原子体积、V为晶胞体积。,体心立方晶格(BCC),原子个数：2配位数：8致密度：0.68,晶格常数：a(a=b=c),原子半径：,原子个数：4配位数：12致密度：0.74,晶格常数：a,面心立方晶格(FCC),原子个数：6配位数：12致密度：0.74,晶格常数：底面边长a和高c，c/a=1.633,密排六方晶格(HCP),四、晶面指数和晶向指数的标定,晶面指数的确定方法：1)选坐标，以晶格中某一原子为原点（注意不要把原点放在所求的晶面上），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坐标轴的截距。3)求三个截距值的倒数。4)将所得数值化为最简单的整数，并用圆括号括起，即为晶面指数，其形式为（hkl）。,说明：晶面指数（hkl）不是指一个晶面，而是代表一组相互平行的晶面；0的意义：面与对应的轴平行；如果有截距为负值，应将负号记在相应的指数上面。当两个晶面指数的数字和顺序完全相同而符号相反时，则这两个晶面相互平行。,。,晶向指数的确定方法确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为uvw。,说明：a指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。b负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。,立方晶格中的一些重要晶向,在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。,晶面族与晶向族(hkl)与uvw分别表示的是一组平行的晶面和晶向。,那些指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶面和晶向称作晶面族或晶向族。分别用hkl和表示。,立方晶系常见的晶面为：,立方晶系常见的晶向为：,五、晶面及晶向的原子密度不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的。下页的两个表给出了体心立方晶格和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上的原子排列方式和紧密程度。,体心立方晶格中：原子密度最大的晶面族为110，称密排面；原子密度最大的晶向族是111，称密排方向。面心立方晶格中：密排面为111；密排方向为110。,六、晶体缺陷单晶体与多晶体晶体中原子排列规律相同，晶格位向一致的晶体，称为单晶体。通常使用的金属都是由很多小晶体组成的，这些外形不规则的颗粒状小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。,Rockcandy,SinglecrystalSi,单晶体具有各向异性，而多晶体则具有各向同性。,点缺陷点缺陷是指在晶体空间中相当于原子尺寸的一种缺陷。晶体的点缺陷主要包括三种形式：晶体空位、间隙原子和置换原子。,线缺陷线缺陷是指一维缺陷。晶体中最普通的线缺陷就是位错。位错是晶格中的某处有一列或若干列原子发生了某些有规律的错排现象。最简单、最基本的类型：刃型位错和螺型位错。,刃型位错,（a)立体模型（b）平面图刃型位错示意图,晶体局部滑移造成的刃型位错,螺型位错,螺型位错示意图,面缺陷主要是晶粒边界和亚晶界。晶界晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于晶界上的原子排列不规则，脱离平衡位置，所以晶界具有较高的能量，使其具有一系列不同于晶粒内部的特征。亚晶界实验表明，在实际金属的一个晶粒内部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小晶块。这些小晶块称为亚结构。亚结构之间的界面称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列的位错所组成。,晶界的特点：原子排列不规则。熔点低。耐蚀性差。易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。是相变的优先形核部位。,第三节合金的相结构,合金：由两种或以上金属元素或金属与非金属组成的具有金属特性的物质。组元：组成合金的独立的最基本的单元（一般是一种元素或一种稳定的化合物）。相：具有相同化学成分、相同晶体结构和相同的物理或化学性能，并与该合金系统其它部分有明显分界的均匀组成部分。组织：用金相显微镜观察到的材料的微观形貌。,按照合金中组元原子的存在方式，合金可分为两类基本的相结构：固溶体和金属间化合物。一、固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A（B）。A：溶剂B：溶质。,固溶体的分类,固溶强化由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变，以及对位错的钉扎作用，阻碍了位错的运动，而造成材料强度、硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。,溶质原子溶入晶格畸变位错远动阻力上升金属塑性变形困难强度、硬度升高。,二、金属间化合物金属间化合物是合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物-中间相。中间相分为正常价化合物、电子化合物和间隙化合物三种。两组元有一定比例，可用化学式AmBn表示。特点：熔点、硬度高、脆性大。适用于第二相质点强化或弥散强化。,间隙相：具有简单晶格结构的间隙化合物。如：M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)等。,间隙化合物：,具有复杂结构的间隙化合物间隙化合物主要是过渡族元素和碳原子所形成的碳化物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其中Fe3C称渗碳体，是钢中重要强化相，具有复杂