《工程材料晶体结构》ppt课件

1、工程资料及运用工程资料及运用多媒体教案ENGINEERING MATERIALS五邑大学机电工程学院第二章第二章第二章 资料的晶体构造 内容提要： 本章重点引见纯金属的晶体构造、晶体缺陷和合金的构造、金属资料的组织。 学习目的： 本章重点掌握金属的晶体构造、晶体缺陷和合金的构造。第一节第一节 晶体构造根本知识晶体构造根本知识 1.1. 晶格与晶胞晶格与晶胞 晶体构造晶体构造 晶体中原子晶体中原子( (离子或分子离子或分子) )规那规那么陈列的方式。么陈列的方式。为了表达空间原子陈列的几何规律，把粒子为了表达空间原子陈列的几何规律，把粒子( (原子或分子原子或分子) )在空间的平衡位置作为节点，

2、在空间的平衡位置作为节点，将节点用一系列假想的相互平行的直线衔接将节点用一系列假想的相互平行的直线衔接起来构成的几何空间格架称为称为晶格。起来构成的几何空间格架称为称为晶格。 晶胞：能反晶胞：能反映该晶格特征的映该晶格特征的最小组成单元。最小组成单元。三、晶系三、晶系二、晶格常数二、晶格常数 按点阵常数不按点阵常数不同对晶体的分类。同对晶体的分类。 7个晶系，个晶系，14种种晶胞。晶胞。 棱边长棱边长a a、b b、c c 棱边间夹角棱边间夹角、 a a、b b、c c 称为晶格常数。称为晶格常数。 金属的晶格常数普通为金属的晶格常数普通为: : 1 110-10 m10-10 m7 710-

3、10 m 10-10 m (0.1nm (0.1nm0.7nm) 0.7nm) 教师提示教师提示 不同元素组成的金属晶体因晶格不同元素组成的金属晶体因晶格方式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、方式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、化学和力学性能。金属的晶体构造可用化学和力学性能。金属的晶体构造可用X X射线射线构造分析技术进展测定。构造分析技术进展测定。同素异构性、同素异构晶体 三、纯金属的晶体构造 构造特点构造特点: :以金属键结合，失去外层电子的金属离子与以金属键结合，失去外层电子的金属离子与自在电子的吸引力。无方向性，对称性较高的密堆自在电子的吸引力。无方向性，对称性较高的密堆构造。

4、构造。常见构造：常见构造：体心立方体心立方 b.c.c Body-centered cubicb.c.c Body-centered cubic面心立方面心立方 f.c.c Face-centered cubicf.c.c Face-centered cubic密排六方密排六方 c.p.h Close-packed c.p.h Close-packed hexagonalhexagonal1. 1. 体心立方晶格体心立方晶格( (胞胞) ( BCC ) ( BCC 晶格晶格) )原子位置原子位置 立方体的八个顶角和体心立方体的八个顶角和体心 体心立方晶胞特征：体心立方晶胞特征： 1 1晶格常数

5、晶格常数 a=b=c, =90 a=b=c, =90 具有体心立方晶具有体心立方晶格的金属有钼格的金属有钼(Mo)(Mo)、钨钨(W)(W)、钒、钒(V)(V)、-铁铁(-Fe, 912 )(-Fe, 912 )等。等。 2. 面心立方晶格(胞) ( FCC 晶格)原子位置原子位置 立方体的八个顶角和每个侧面中心立方体的八个顶角和每个侧面中心 具有这种晶格具有这种晶格的金属有铝的金属有铝(Al)(Al)、铜铜(Cu)(Cu)、镍、镍(Ni)(Ni)、金金(Au)(Au)、银、银(Ag)(Ag)、- - 铁铁( -Fe, ( -Fe, 912 912 4 )4 )等。等。 面心立方晶胞的特征：面

6、心立方晶胞的特征： 1 1晶格常数晶格常数 a=b=c, =90 a=b=c, =903. 3. 密排六方晶格密排六方晶格( (胞胞) ) ( HCP ( HCP 晶格晶格) )原子位置原子位置 1212个顶角、上下底心和体个顶角、上下底心和体内内3 3处处 具有这种晶具有这种晶格的金属有镁格的金属有镁(Mg)(Mg)、镉、镉(Cd)(Cd)、锌锌(Zn)(Zn)、铍、铍(Be)(Be)等。等。abc， 90, 1202、晶胞中的原子数246 3原子半径 晶胞中相距最近的两个原子之间间隔的一半称为原子半径(r原子)。4、致密度与配位数致密度：原子体积与晶胞体积之比 6 6配位数配位数 配位数为

7、晶格中与任一个原子相距最近且间配位数为晶格中与任一个原子相距最近且间隔相等的原子数目。隔相等的原子数目。 配位数越大，原子陈列严密程度就越大。配位数越大，原子陈列严密程度就越大。 5 5空隙半径空隙半径 在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。 体心立方晶胞中有两种空隙：体心立方晶胞中有两种空隙： 四面体空隙半径四面体空隙半径:r:r四四=0.29r=0.29r原子原子 八面体空隙半径八面体空隙半径:r:r八八=0.15r=0.15r原子原子 四面体空隙半径四面体空隙半径八面体空隙半径八面体空隙半径教师提示教师提示 由于原子陈列严密程度不一由于原子陈

8、列严密程度不一样，当金属从面心立方晶格向体心立方样，当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时晶格转变时, , 体积会发生变化。体积会发生变化。 钢在淬火时因晶格转变发生体积变钢在淬火时因晶格转变发生体积变化。化。 不同晶体构造中原子陈列的方式不不同晶体构造中原子陈列的方式不同同, , 使它们的形变才干不同。使它们的形变才干不同。 第二节、晶体中的晶面和晶向 经过晶体中原子中心的平面叫做晶面；代表了晶体中原子列的方向。 经过原子中心的直线为原子列，代表的方向叫做晶向。 晶面用晶面指数表达。 晶向用晶向指数表达。晶向指数：表示晶向方位符号。晶面指数：表示晶面方位的符号。 以晶向以晶向DADA为例：

9、为例： 一一. . 立方晶系的晶向表示方法立方晶系的晶向表示方法 立方晶胞中的主要晶向立方晶胞中的主要晶向 晶向晶向OA OA ： 100 100 晶向晶向OB OB ： 110 110 晶向晶向OBOB ： 晶向指数普通标志为晶向指数普通标志为uvwuvw， 表示一组原子陈列一样的平行晶向。表示一组原子陈列一样的平行晶向。111111 假设两个晶向的全部指数数值一样而假设两个晶向的全部指数数值一样而符号相反符号相反, , 那么它们相互平行或为同一原那么它们相互平行或为同一原子列子列, , 但方向相反。但方向相反。 如如110110与与 。 假设只研讨原子陈列情况假设只研讨原子陈列情况, ,

10、那么晶向那么晶向110110与与 可用同一个指数可用同一个指数110110表示。表示。晶向族晶向族 原子陈列情况一样而在空间位向不原子陈列情况一样而在空间位向不同的晶向组成晶向族。同的晶向组成晶向族。 晶向族用尖括号表示晶向族用尖括号表示, , 即即。 如如: : = 100 + 010 + 001 = 100 + 010 + 001 在立方晶系中在立方晶系中, , 一个晶面指数与一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号一样时一个晶向指数数值和符号一样时, , 那那么该晶面与该晶向相互垂直。么该晶面与该晶向相互垂直。 如：如：(111)111(111)111。晶面与晶向相互垂直晶面与晶向相互垂直

11、二二. . 立方晶系的晶面表示方法立方晶系的晶面表示方法 以晶面以晶面ABBABBA A为例：为例： 晶面的截距可以为负数晶面的截距可以为负数, , 在指数上加负号在指数上加负号, , 如如 。 假设某个晶面假设某个晶面 的指数都乘以的指数都乘以-1,-1,得到晶面得到晶面 , , 那么晶面那么晶面 与与 属于一组平行晶面。属于一组平行晶面。立方晶胞中的主要晶面立方晶胞中的主要晶面 晶面指数的普通标志晶面指数的普通标志为为(hkl)(hkl)。实践表示一组原。实践表示一组原子陈列一样的平行晶面。子陈列一样的平行晶面。 晶面族：晶面族： 在立方晶系中在立方晶系中, , 原子陈列一样但在空间方原子

12、陈列一样但在空间方向不同的晶面组成晶面族。向不同的晶面组成晶面族。 晶面族用大括号表示晶面族用大括号表示, , 即即hklhkl。111 111 晶面族晶面族在立方晶胞中在立方晶胞中 组成组成111111晶面族：晶面族： 在立方晶系中在立方晶系中, , 一个晶面指数与一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号一样时一个晶向指数数值和符号一样时, , 那那么该晶面与该晶向相互垂直。么该晶面与该晶向相互垂直。 如：如：(111)111(111)111。晶面与晶向相互垂直晶面与晶向相互垂直 三三. . 晶向及晶面的原子密度晶向及晶面的原子密度 不同晶体构造中不同晶面、不同晶向不同晶体构造中不同晶面、不同晶

13、向上原子陈列密度不一样。上原子陈列密度不一样。 密排面：密排面： 原子密度最大的晶面。原子密度最大的晶面。 密排方向：原子密度最大的晶向。密排方向：原子密度最大的晶向。 在体心立方晶格中，在体心立方晶格中， 密排面为密排面为110110。 密排方向为密排方向为。 在面心立方晶格中在面心立方晶格中, , 密排面为密排面为111111。 密排方向为密排方向为。体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子陈列和密度体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子陈列和密度晶向晶向 指数指数 体心立方晶格体心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格晶向原子晶向原子 排列示意图排列示意图 晶向原子晶向原子密度密度( (原子数原子

14、数/ /长度长度) ) 晶向原子晶向原子 排列示意图排列示意图 晶向原子晶向原子密度密度( (原子数原子数/ /长度长度) ) 体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子陈列和密度体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子陈列和密度晶面晶面 指数指数 体心立方晶格体心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格晶面原子晶面原子 排列示意图排列示意图 晶面原子晶面原子密度密度( (原子数原子数/ /面积面积) ) 晶面原子晶面原子 排列示意图排列示意图 晶面原子晶面原子密度密度( (原子数原子数/ /面积面积) ) 100 100 110 110 111 111 三、金属晶体的特性 1. 金属晶体具有确定的熔点 纯金

15、属缓慢加热到一定温度, 固态金属熔化成为液态金属。熔化过程中温度不变。 熔化温度(T0)称为熔点。晶体和非晶体的熔化曲线晶体和非晶体的熔化曲线 非晶体资料在非晶体资料在加热时加热时, , 固态转变固态转变为液态时为液态时, , 温度变温度变化。化。 2. 2. 金属晶体具有各向异性金属晶体具有各向异性 在晶体中在晶体中, , 不同晶面和晶向上原子陈列不同晶面和晶向上原子陈列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不一样，因此金属晶体不同方向上的性小也不一样，因此金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的各向异性。能不同。这种性质叫做晶体的各向异性。 单晶体铁单晶体铁( (只含一个晶粒只含一个晶粒) )的弹性模量，的弹性模量， 方向上为方向上为2.902.90105 MPa, 105 MPa, 方向上只需方向上只需1.351.35105 MPa105 MPa。 单晶体铁在磁场中沿单晶体铁在磁场中沿方向磁化容方向磁化容易。制造变压器用的硅钢片的易。制造变压器用的硅钢片的方向应平方向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。行于导磁方向，以降低变压器的铁损。 锌在盐酸中溶解时，晶面的溶解速度的锌在盐酸中溶解时，晶面的溶解速度的次序从大到小是：次序从大到小是： 各向异性：晶体在不同的方