第二章材料的结构

1、1第二章 材料的结构第二章 材料的结构1 电子结构电子结构2 原子的空间排列原子的空间排列3 显微组织显微组织 材材料料的的结结构构22.1 金属的特征金属的特征 2.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 2.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷 2.4 合金的相结构合金的相结构 3与非金属相比，固态金属具有它独特的性能，如良与非金属相比，固态金属具有它独特的性能，如良好的导电性、导热性、延展性（塑性变形能力）好的导电性、导热性、延展性（塑性变形能力）和金属光泽。和金属光泽。2.1 金属的特征金属的特征41. 1. 有的非金属也可能表现出上述某些特性有的非金属也可能表现出上述某些特性：如：石墨能导

2、电 金刚石导热 无机化合物的金属光泽；2. 2. 各种金属晶体之间，这些特征的差别也很大各种金属晶体之间，这些特征的差别也很大：鈈、锰的导电能力比银、铜相差近百倍锑、铬、钒等金属是一种“脆性”金属。 因此，只根据以上的一些特性来区分金属和非金属是不够充分的。 3. 3. 金属的特征：金属的特征：正的电阻温度系数正的电阻温度系数2.1 金属的特征金属的特征5主要是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关金属为何具有上述这些特性呢？金属为何具有上述这些特性呢？金属键金属键金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金属原子结合成固体时，彼此失去最外层子电子（过渡族元素也失去少数次外层电子），成为正离

3、子，而失去的外层电子穿梭于正离子之间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力（库仓引力），这种结合方式称为金属键。2.1 金属的特征金属的特征6金属材料金属材料 以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征：u良好的导电、导热性： 自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作用下）导热。u正的电阻温度系数： 金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自由电子的定向运动，从而使电阻升高。u不透明，有光泽： 自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见光能量辐射出来，产生金属光泽。

4、u具有延展性： 金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发生相对位移时，其结合键不会被破坏，从而具有延展性。 2.1 金属的特征金属的特征返回返回72.2 2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构8 晶体：晶体：材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列长程有序。 非晶体：非晶体：原子无规则堆积，也称为 “过冷液体”短程有序。晶体晶体金刚石、NaCl、冰 等。液体液体非晶体非晶体 蜂蜡、玻璃 等。2.2 2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构9（1 1）有确定的熔点）有确定的熔点熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线2.2 2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构102.2

5、2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构a 原子堆垛模型b 空间点阵c 晶格zxy a ab bc cd 晶胞112.2 2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构空间点阵空间点阵 将晶体内部的原子（离子）或原子群（离子群）抽象为无数点子按一定的方式在空间做有规则的周期性分布，这些几何点子的总体称为空间点阵，这些点称为阵点或节点。晶格晶格 用一系列假想的平行直线将空间点阵的阵点联结起来，形成的空间网络称为空间格子，也称晶格。晶胞晶胞 为了研究空间点阵的排列特点，从点阵中取出一个反映点阵特征的基本单元（通常是一个平行六面体）作为其组成单元，这个平行六面体称为晶胞。122.2 2.2 金属的金属的 晶体

6、结构晶体结构七大晶系，十四个空间点阵：七大晶系，十四个空间点阵：简单三斜简单单斜底心单斜简单正交体心正交面心正交底心正交简单六方简单菱方简单正方体心正方简单立方体心立方面心立方13描述金属晶体结构的一些重要概念描述金属晶体结构的一些重要概念晶胞原子数晶胞原子数 一个晶胞内所含的原子数目。注意相邻晶胞的共有原子的计算方法。原子半径原子半径 晶胞中最近邻的两个原子之间（平衡）距离的一半。配位数配位数 晶格中和某一原子相邻的原子数目称为配位数致密度致密度 晶胞中原子本身所占的体积与晶胞体积之比142.2 2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构常见的金属晶体结构常见的金属晶体结构工业上常用的金属绝大多

7、数具有比较简单的晶体结构，工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构，其中最典型的为以下三种：其中最典型的为以下三种： （1 1）体心立方晶格体心立方晶格bccbcc （2 2）面心立方晶格面心立方晶格fccfcc （3 3）密排六方晶格密排六方晶格hcphcp15体心立方晶格体心立方晶格在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子，在体中心有一个原子，每个原子与空间点阵中的一个阵点相对应。属于这种晶体结构的纯金属有- Fe, Cr, Mo, W,V等。 2.2 2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构16体心立方体心立方晶胞晶胞晶格常数：a=b=c； =90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.68致密

8、度=Va /Vc，其中Vc:晶胞体积Va:原子总体积XYZabc2 2r r2 2r raa22.2 2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构返回返回68. 04334233aaK17面心立方晶格面心立方晶格2.2 2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构属于这种晶体结构的纯金属有：18面心立方面心立方晶胞晶胞晶格常数：a=b=c； =90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.74XYZabc密排方向42.2 2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构返回返回74. 04234433aaK19C（石墨）、Mg、Zn 等晶格常数晶格常数 底面边长a 底面间距c=1.633a 侧面间角120 侧面与底面夹角9

9、0晶胞原子数：6原子半径：a/2致密度：0.74密排六方晶格密排六方晶格2.2 2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构返回返回202.2 2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构配位数：8配位数：12配位数：1221XYZabc晶面晶面通过原子中心的平面晶向晶向通过原子中心的直线所指的方向XYZabc2.2 2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构22 a.a.晶向指数的确定方法晶向指数的确定方法 1) 以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系，通过原点作平行于所求晶向的直线。 2) 以相应的晶格常数为单位，求出直线上任意一点的三个坐标值。 3) 将所求坐标值化为最简整数，并用方括号括起，即为所求

10、的晶向指数，例如101。 具体晶向指数如图所示，其形式为uvw。立方晶系的晶面、晶向表示方法立方晶系的晶面、晶向表示方法 2.2 2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构23 b.b.晶面指数的确定方法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，如图所示，其形式为（hkl）。 2.2 2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构24 1) 每一个晶面指数(或晶向

11、指数)泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。 2) 立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。 3) 原子排列情况相同但空间位向不同的晶面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。 2.2 2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构返回返回25（2 2）各向异性）各向异性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象XYZXYZ2.2 2.2 金属的金属的 晶体结构晶体结构返回返回26p 理想晶体：理想晶体：是指晶体中原子严格地成，完全规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体。p 实际晶体：实际晶体：多晶体+晶体缺陷p

12、晶体缺陷：晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域，按其几何尺寸特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。晶粒（单晶体）晶粒（单晶体）2.3 2.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷27一、一、 点缺陷点缺陷1. 1. 点缺陷的概念点缺陷的概念 是晶体中在X,Y,Z三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷。2. 2. 点缺陷的类型点缺陷的类型 主要有四类，即空位；间隙原子（有同类和异类之分）；置换原子（有大小之分）；复合空位。 置换原子空位复合空位间隙原子置换原子2.3 2.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷28二、二、 线缺陷线缺陷线缺陷的概念线缺陷的概念: :晶体中在一维方向上

13、尺寸很大，而在另外二维方向上的尺寸很小的晶体缺陷，它的主要形式是位错。位错位错是晶体中一列或若干列原子，发生某种有规律的错排现象。 位错的类型位错的类型: :刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错2.3 2.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷29刃位错 刃位错 刃型位错示意图2.3 2.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷30螺型位错示意图2.3 2.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷31位错密度位错密度 ：单位体积中位错线的总长度, 或单位面积上位错线的根数,单位cm2位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶格发生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。实验和理论研究表明:晶体的强度和位错密度有如图的

14、对应关系,当晶体中位错密度很低时,晶体强度很高；相反在晶体中位错密度很高时,其强度很高。但目前的技术,仅能制造出直径为几微米的晶须,不能满足使用上的要求。而位错密度很高易实现,如剧烈的冷加工可使密度大大提高,这为材料强度的提高提供途径。32三、三、 面缺陷面缺陷概念：概念：是指晶体中在二维方向上尺寸很大，而在另一维方向上尺寸很小的晶体缺陷。类型：类型：主要包括晶体的外表面、堆垛层错、晶界、亚晶界、孪晶界和相界面等。1. 1. 晶界晶界根据晶体中各晶粒之间的位向差不同，又可将晶界分为大角度晶界（10）和小角度晶界（10）两类。2.3 2.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷33对称倾側晶界对称倾

15、側晶界扭转晶界扭转晶界2.3 2.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷342.2.亚晶界亚晶界 亚晶界亚晶界是亚晶粒与亚晶粒之间的晶界，位向差一般为几十分到几度。大晶粒中的小晶粒称为亚晶粒。亚晶界的两种特殊形式为对称倾側晶界和扭转晶界。亚晶界亚晶界2.3 2.3 实际晶体中的缺陷实际晶体中的缺陷返回返回35合金：合金：由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元素，也可以是非金属元素）组成的有金属特征金属特征的金属材料。金属与非金属组成的是不是一定就是合金？金属与非金属组成的是不是一定就是合金？Fe + CFe(C)合金（钢）Fe3C (化合物）2.4 2.4 合金的相合金的相36组元：组元：组

16、成合金独立的最基本单元。组元可以是元素元素或是稳定化合物稳定化合物。Fe(C)合金Fe、C组元Fe、Fe3C组元类比鸡蛋鸡蛋水，蛋白质，脂肪，胆固醇水，蛋白质，脂肪，胆固醇2.4 2.4 合金的相合金的相37相：相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相。 类比类比鸡蛋鸡蛋蛋白、蛋黄工业纯铁单相铁素体共析碳钢铁素体相、渗碳体相普通陶瓷晶相、玻璃相、气相2.4 2.4 合金的相合金的相38组织：组织：用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像的统称（宏观组织、微观组织）。组织是影响材料性能的重要因素。相是组织的基本组成部分相同的相

17、，但当组成相的数量、大小、形态和分布不同时，其组织也不同！不同的相构成不同的组织！2.4 2.4 合金的相合金的相39固溶体：固溶体：溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相称为固溶体固溶体。“固体溶液固体溶液” 均一的、保持熔剂金属的晶体结构 晶格常数发生一定变化1. 1. 晶体结构特点晶体结构特点2.4 2.4 合金的相合金的相402. 2. 固溶体的分类固溶体的分类 按溶质原子所占据的位置按溶质原子所占据的位置置换固溶体置换固溶体：溶质原子一般为半径相差不大的原子间隙固溶体间隙固溶体：溶质原子半径小的非金属原子 （H、O、N、C、B）2.4 2.4 合金的相合金的相41ZXY间隙原子间隙原子间

18、隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体置换原子置换原子YXZ42 按固态溶解度分：按固态溶解度分：有限固溶体有限固溶体：间隙固溶体只能是有限固溶体无限固溶体无限固溶体：无限固溶体只能是置换固溶体形成无限固溶体的必备条件：形成无限固溶体的必备条件： 置换固溶体 组元点阵相同 原子尺寸相差不大 负电性相同 按溶质原子在晶格中的分布状态分：按溶质原子在晶格中的分布状态分： 有序固溶体、无序固溶体2.4 2.4 合金的相合金的相433.3.固溶体的性能固溶体的性能固溶强化：固溶强化：固溶体的强度、硬度随溶质原子浓度升高而明显增加，塑性、韧性稍有下降，这种现象称为 。金属材料重要的强化强化方式之一，固溶体具有良好的综合机械性能（强硬度、塑韧性的综合），一般作为合金的基体相基体相。2.4 2.4 合金的相合金的相44正常晶格正常晶格大原子置换引起的晶格畸变大原子置换引起的晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变2.4 2.4 合金的相合金的相45金属间化合物：金属间化合物：两组元形成合金时，当超过固溶体的溶解极限时，形成的一种晶体结构不同于任一组元的新相，称为金属间化合物