ch3-1Crystalstructure

1、结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 对材料内部结构的认识水平：对材料内部结构的认识水平：宏观、微观。广义的讲，它括了成分、相、组织、结构等概念材料的结构表明材料的组元及其排列和运动方式。结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页 第一章第一章 绪论绪论What? “材料组织与结构材料组织与结构”结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJ

2、TU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 3.1 金属的晶体结构和组织金属的晶体结构和组织(crystallography)一、理想晶体一、理想晶体 1晶体与非晶体晶体与非晶体 晶体材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。非晶体材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。(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)、是否各向异性区区 别别结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 2 2晶体结

3、构的描述晶体结构的描述 .理想晶体实际晶体的理想化p三维空间无限延续，无边界p严格按周期性规划排列。是完整的、无缺陷p原子在其平衡位置静止不动晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 空 间 规 则 排 列 的 原 子原 子 刚 球刚 球 模 型 晶 格晶 格(crystal lattice)（刚球抽象为晶格晶格结点结点，构成空间空间格架格架）晶胞晶胞( unit cell )（具有周期性最小

4、组成单元，or能完全反映晶格特征的最小几何单元)。. 理想晶体的晶体学抽象结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 3 3晶胞的描述晶胞的描述 晶体学参数：a,b,c,晶格常数：a,b,c七个晶系：七个晶系：晶系轴(棱边)之间的夹角三斜晶系 单斜晶系 斜方晶系 正方晶系 菱方晶系 六方晶系 正方晶系 晶格常数晶格常数 ( lattice constant ) cXZYOba布拉菲空间点阵晶胞布拉菲空间点阵晶胞结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,

5、SWJTU教程首页晶向晶向(crystal direction):(crystal direction): 在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向。晶向指数晶向指数: : 用密勒(Miller)指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。 n确定方法确定方法:n设置坐标;n求投影坐标;n取最小整数。 晶向簇晶面晶面(crystal face): (crystal face): 在晶格中由一系列原子所构成在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。的平面称为晶面。晶面指数晶面指数(indices of crystallographic plane):用密勒用密勒(Miller)指数对晶格中指数

6、对晶格中 某一晶面进行某一晶面进行标定。标定。n确定方法确定方法: n设置坐标;n求截距;n取倒数。 晶面簇结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 4三种典型的金属晶体晶胞三种典型的金属晶体晶胞(图图) 属于此类结构的金属有：碱金属、难溶金属（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： Mg、Zn、 a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。体心立方晶胞体心立方晶胞

7、bcc面心立方晶胞面心立方晶胞fcc密排六方晶胞密排六方晶胞hcp结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 晶胞原子数：是指在一个晶胞中所含的原子数目。1+81/8=2 原子半径：是指晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子间平衡距离的一半，或晶胞中相距最近的两个原子间距的一半。体心立方晶胞：r= (a) 1/3/4配位数：是指晶格中与任一原子最邻近且等距离的原子数目。8致密度：是指晶胞中原子本身所占有的体积百分数，也称密排系数。致密度=晶胞中原子所占有的体积/晶胞的体积100%。68%结束放映

8、下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 1、体心立方晶胞、体心立方晶胞BCC Body-Centered Cube 晶胞 晶体学参数 原子半径 晶胞原子数 配位数 致密度 BCC a=b=c,a=b=g=90o 2 8 68% 结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 2、面心立方晶胞、面心立方晶胞FCC Face-Centered Cube晶胞 晶体学参数 原子半径 晶胞原子数 配位数 致密度

9、 FCC a=b=c,a=b=g=90o 4 12 74% 结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 3、密排六方晶胞、密排六方晶胞HCP Hexagonal Close-Packed 晶胞 晶体学参数 原子半径 晶胞原子数 配位数 致密度 HCP a=bc,c/a=1.633, a=b=90o,g =120o a/2 6 12 74% 结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 BCC、F

10、CC、HCP晶胞的重要参数晶胞的重要参数 晶胞 晶体学参数 原子半径 晶胞原子数 配位数 致密度 BCC a=b=c,a=b=g=90o 2 8 68% FCC a=b=c,a=b=g=90o 4 12 74% HCP a=bc,c/a=1.633, a=b=90o,g =120o a/2 6 12 74% 结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 密排面与密排方向密排面与密排方向 110, (111) 111,(110) 底面底面, 底面上任底面上任 意相邻原子的连线意相邻原子的连线结束放

11、映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 二实际晶体二实际晶体 理想晶体+晶体缺陷实际晶体 实际晶体单晶体和多晶体单晶体：单晶体：内部晶格位向完全一致各自异性多晶体：多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成各自同性 1晶体缺陷晶体缺陷( crystal defect ) ： 实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分 。 a、 点缺陷 b、 线缺陷（位错） c、 面缺陷 结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Mater

12、ials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 a、 点缺陷点缺陷( point defect ) 晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化 u空位空位( vacancy ) ： 晶格结点处无原子 u置换原子置换原子( gap atom ) ： 晶格结点处为其它原子占据 u间隙原子间隙原子( substitutional atom ) ： 原子占据晶格间隙 间隙原子、置换原子示意图间隙原子、置换原子示意图 结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章

13、 工程材料的结构工程材料的结构 晶格畸变晶格畸变置换原子引起的晶格畸变空位引起的晶格畸变结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 B B、 线缺陷线缺陷( line defect ) 位错位错( dislocation ) ： 二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排 u刃型位错刃型位错( screw dislocation ) u螺型位错螺型位错 ( blade dislocation )结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第

14、三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 c、 面缺陷面缺陷( surface-defect ) 一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域 晶界晶界( grain boundary ) :晶粒与晶粒之间的界面。亚晶界亚晶界( sub-boundary ):相邻晶粒位向很小(一般12)的小角度晶界。表面表面（surface）等等 区域：区域：大角度晶界大角度晶界-晶晶界界小角度晶界小角度晶界-亚晶界亚晶界 Cu-Ni 合金中的亚结构合金中的亚结构结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 3.

15、2 合金的晶体结构和组织一、合金相结构一、合金相结构 相：相： 凡是化学成分相同化学成分相同、晶体结构相同晶体结构相同，与其它部分有明显分界明显分界的均匀组成部分均匀组成部分。 合金中有两类基本的相结构，固溶体和金属间化合物。1 1、固溶体、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n 溶剂溶剂A + 溶质溶质B = Cn bcc fcc bcc例如例如: Fe + C = F ( 铁素体铁素体 ) 体心体心 六方六方 体心体心 铁素体的晶体结构铁素体的晶体结构结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Mater

16、ials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 固溶体的分类固溶体的分类 溶质原子的位置 置换固溶体 晶格类型相同,原子半径相差不大,电化学性质相近间隙固溶体 原子半径较小 溶解度 有限固溶体无限固溶体 分布有序度 有序固溶体 无序固溶体 结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 固溶强化 由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。溶质原子溶入溶质原子溶入晶格畸变晶格畸变位错运动阻力上升位错运动阻力上升金属塑金属塑性变形困

17、难性变形困难强度、硬度升高。强度、硬度升高。结束放映下一页上一页 本章首页 Engineering Materials MAT,SWJTU教程首页第三章第三章 工程材料的结构工程材料的结构 2 2、金属间化合物、金属间化合物( intermetallic compound ) 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一中间相。溶剂溶剂A + 溶质溶质B = C bcc fcc cph 例如例如: 3Fe + C = Fe3C 体心体心 六方六方 复杂结复杂结构构v金属化合物的结构特点金属化合物的结构特点具有原子整数倍关系具有原子整数倍关

18、系 渗碳体渗碳体( Fe3C )晶格结构示意图晶格结构示意图 3Fe + C = Fe3C 体心体心 六方六方 复杂结构复杂结构 8000%HB 80 3 50% 0%n具有一定程度的金属性质。具有一定程度的金属性质。n具有较高的熔点。具有较高的熔点。n硬度较高。硬度较高。n脆性高。脆性高。金属化合物的主要性能金属化合物的主要性能3. 机械混合物机械混合物( mechanical impurity )v机械混合物的结构特点机械混合物的结构特点 具有重量百分比的关系具有重量百分比的关系 溶剂溶剂A + 溶质溶质B = C bcc fcc bcc + fcc例如例如 88.5F + 11.5Fe3C =