第一章金属的晶体结构.ppt

1、1,第一篇 金属材料基础,第一章 金属的晶体结构,2,第一节 金属,一、金属原子的结构特点 二、金属键 三、结合力与结合能,3,第二节 金属的晶体结构,一、晶体的特性 晶体是原子或离子成规则排列的物体 （内部质点在三维空间呈周期性重复排列） 固体的金属大多是晶体 非晶体 有机高聚物晶体 准晶 液晶,4,什么是晶体？ 晶体有哪些特性？ 晶体的结构类型 晶体空间的表示方法（晶格的晶面与晶向）,5,三、晶体的结构与空间点阵 基本概念 点阵 晶格参数 晶胞 空间点阵类型,6,NaCl 晶体结构,黄球表示钠离子(Na+) 绿球表示氯离子(Cl-) 在氯化钠晶体中，钠离子与氯离子通过离子键相结合 每个钠离

2、子与和它紧邻的6个氯离子相连 每个氯离子与和它紧邻的6个钠离子相连 钠离子和氯离子在三维空间上交替出现，并延长形成氯化钠晶体 氯化钠晶体中没有氯化钠分子，NaCl只是代表氯化钠晶体中钠离子的个数和氯离子的个数为1:1,7,晶体一些基本概念,8,9,10,11,四、晶面指数与晶向指数 在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。,12,晶格的晶面与晶向,晶面指数的标定： 设坐标，取截距 变倒数 化最小整数,13,14,晶格的晶面与晶向,晶向指数的标定： 设坐标 定做标值 化最小整数,15,重要的晶面与晶向,16,晶体在不同方向上的性能不同的特性-晶体的各向

3、异性。 这是由于晶面和晶向上的原子密度不同造成的。,17,晶体的各向异性,铁晶体弹性模量的各项异性： E = 290000 MN/M2 E = 135000 MN/M2 E 平均 = 210000 MN/M2 铁晶须的强度 金碟与HIFI,18,第三节 其它晶体材料简介,准晶 液晶 非晶,19,第三节 实际金属的晶体结构,20,21,金属的常见晶格类型-体心立方BCC (Body Centred Cubic),22,金属的常见晶格类型-面心立方FCC (Face Center Cubic),23,金属的常见晶格类型-密排六方CPH (Close Packed Hexagonal),24,基本概

4、念 配位数： 晶格中任意原子周围所紧邻的最近且等距离的原子数 致密度： 晶包中所包含的原子所占有的体积与该晶包体积之比,25,问题（1）,问题一：三种常见晶格的晶胞中，有多少个原子？ 三种常见晶格的晶胞中，原子半径与晶格常数有何关系？ 三种常见晶格的晶胞中，哪一种几个类型最致密？,26,典型晶包中的原子数,27,典型晶包中晶格常数与原子半径关系,28,29,固态合金中的相结构,基本概念 1. 合金 2. 相 3. 组织 4. 固溶体 5. 化合物,30,固溶体,分类-置换固溶体和间隙固溶体,31,影响固溶体结构形式和溶解度的因素,几何因素-造成晶格畸变,32,固溶体的性质,对力学性能的影响-

5、产生固溶强化 通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属强度、硬度升高的现象 原因：溶质原子的溶入，引起溶剂金属的晶格产生畸变，使得位错移动的阻力增大，故强度提高。,33,金属间化合物,正常价化合物 符合化合物原子价规律，成份固定，可用化学式表达 AB型-正常价化合物 Mg2Si, Mg2Sn, Mg2Pb 强金属性元素与非金属或类金属（，族） 具有很高的硬度和脆性,34,金属间化合物,电子化合物 服从电子浓度的规律，不服从原子价规律 电子化合物中组元的成份在一个范围中变化 大多数的电子化合物为无序分布 电子化合物为金属结合，有金属特性，熔点、硬度高，但塑性、韧性低。,35,金属间化合物,间隙化合

6、物 间隙相 (TiC、TiN、VC、WC) 非金属元素的原子与过渡族金属元素原子的直径之比小于0.59 该类化合物具有简单的结构 具有高的熔点和硬度 具有复杂结构的间隙化合物(Fe3C、Cr23C6) 非金属元素的原子与过渡族金属元素原子的直径之比大于0.59 该类化合物具有复杂的结构 具有高的熔点和硬度,36, 间隙化合物,37,晶体的缺陷,在实际应用的晶体材料中，原子的排列不可能像理想晶体那样规则和完整，总是不可避免地存在一些原子排列不规则，形成结构不完整性的区域，这就是晶体缺陷。 晶体缺陷对晶体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。 根据晶体缺陷的几何

7、特征，将它们分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类,38,一、点缺陷 1.空位 空位是指未被原子占据的晶格结点。空位产生后，其周围原子相互间的作用力失去平衡，因而它们朝空位方向稍有移动，形成一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区，即晶格畸变。 2.间隙原子和置换原子 主要存在于间隙固溶体和置换固溶体中。由于间隙原子和置换原子的存在, 使其周围邻近原子也将偏离其平衡位置，造成晶格畸变。,第二节 晶体的缺陷,39,40,点缺陷是一种热平衡缺陷，即在一定温度下有一平衡浓度。对于置换原子和异类的间隙原子来说，常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度。通过某些处理，例如高能粒子辐照、高温淬火及冷加工等，可使晶体中点缺陷

8、的浓度高于平衡浓度而处于过饱和状态。这种过饱和点缺陷是不稳定的，当温度升高而使原子获得较高的能量时，点缺陷的浓度便下降到平衡浓度。,41,二、线缺陷 1.刃型位错 设有一简单立方晶体，有一原子面在晶体内部中断，犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面一样，将刃口处的原子列(AD)称之为刃型位错。可见，位错线上部临近范围内原子受到压应力，下部临近范围内原子受到拉应力, 离位错线较远处原子排列恢复正常。刃型位错有正负之分，若额外半原子面位于晶体的上半部，则此处的位错线称为正刃型位错,反之，若额外半原子面位于晶体的下半部，则称为负刃型位错。 2. 螺型位错,42,刃型位错,

9、43,2. 螺型位错 设想在立方晶体右端施加一切应力，使右端上下两部分沿滑移面发生了一个原子间距的相对切变，于是就出现了已滑移区和未滑移区的边界BC，BC就是螺形位错线。从滑移面上下相邻两层晶面上原子排列的情况可以看出在aa的右侧，晶体的上下两部分相对错动了一个原子间距，但在aa和BC之间，则发现上下两层相邻原子发生了错排和不对齐的现象。这一地带称为过渡地带，此过渡地带的原子被扭曲成了螺旋型。如果从a开始，按顺时针方向依次连接此过渡地带的各原子，每旋转一周，原子面就沿滑移方向前进一个原子间距，犹如一个右旋螺纹一样。由于位错线附近的原子是按螺旋型排列的，所以这种位错叫做螺型位错。根据位错线附近呈

10、螺旋型排列的原子的旋转方向的不同，螺型位错可分为左螺型位错和右螺型位错两种。通常用拇指代表螺旋的前进方向,而以其余四指代表螺旋的旋转方向，凡符合右手法则的称为右螺型位错，符合左手法则的称为左螺型位错。,44,螺型位错,45,46,三、面缺陷 1.晶界 若材料的晶体结构和空间取向都相同则称该材料为单晶体。金属和合金通常都是多晶体。 多晶体由许多晶粒组成，每个晶粒可以看作一个小单晶体。 晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶粒间界，或简称晶界。 每个晶粒内的原子排列总体上是规整的，但还存在许多位向差极小的亚结构，称为亚晶粒。亚晶粒之间的界面叫亚晶界。 当相邻晶粒的位向差小于100时，称为小角度晶界；位向差大于100时，称为大角度晶界。 亚晶界属