材料科学基础 第一章 原子排列(1)ppt课件

1、第一章 工程资料中的原子陈列本章要点1认识资料的类别，金属、聚合物和陶瓷及其分类的根底，复习原子构造的特性2建立单位晶胞的概念，了解原子陈列和堆积3熟习常见晶体中原子的规那么陈列方式4掌握晶向、晶面指数的标定方法5认识晶体缺陷的根本类型、根本特征、根本性质第一章资料的种类 黑色金属 钢：碳钢、合金钢、特殊性能钢等 金属资料 铸铁：灰铸铁、球墨铸铁、可锻铸铁、蠕墨铸铁等 有色金属 铜及其合金：纯铜、黄铜、青铜、白铜 铝 及 其合金：纯铝、形变铝合金、铸造铝合金 其 它：轴承合金、镁合金、钛合金、镍合金 纤维：天然纤维、合成纤维 高分子资料 橡胶：通用橡胶、特种橡胶 塑料：通用塑料、工程塑料、特种

2、塑料、粘胶剂 工程资料 水泥 玻璃 无机非金属资料 耐火资料 陶 瓷 ： 传统陶瓷、特种陶瓷 树脂基 颗粒加强 复合资料 金属基 纤维加强 陶瓷基 晶须加强 编 织 构造加强 新型资料与功能资料第一章第一节原子结合方式第一章 工程资料中的原子陈列硅外表原子陈列 碳外表原子陈列 18h第一章 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning第一节 原子的结合方式1 原子构造原子构造第一章第一节原子结合方式 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning第一节 原子的结合方式2 原子结合键原子结合键 1离子键

3、与离子晶体离子键与离子晶体 正电性元素和负电性元素接触时，前者失去最外层电子成为正正电性元素和负电性元素接触时，前者失去最外层电子成为正离子，而后者得到电子成为满壳层负离子，正离子和负离子静电吸离子，而后者得到电子成为满壳层负离子，正离子和负离子静电吸引和排斥构成稳定的离子键。引和排斥构成稳定的离子键。原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷。离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷。第一章第一节原子结合方式 2003 Brooks/Cole Publishing /

4、 Thomson Learning 第一节 原子的结合方式2共价键与原子晶体共价键与原子晶体两个相邻原子共用一对电子，构成稳定的共价键。两个相邻原子共用一对电子，构成稳定的共价键。原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高金刚石、熔点高、脆性原子晶体：强度高、硬度高金刚石、熔点高、脆性大、导电性差。大、导电性差。第一章第一节原子结合方式 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learni

5、ng第一节 原子的结合方式3金属键与金属晶体金属键与金属晶体 金属元素失去最外层电子，构成正离子，电子围绕金属元素失去最外层电子，构成正离子，电子围绕正离子构成自在电子云，依托正离子与构成电子气的自正离子构成自在电子云，依托正离子与构成电子气的自在电子之间的静电引力而使诸原子结合到一同的方式构在电子之间的静电引力而使诸原子结合到一同的方式构成金属键成金属键.原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如金属。金属。第一章第一节原子结合方式

6、 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning第一节 原子的结合方式4分子键与分子晶体分子键与分子晶体大分子中带正电的部分与另一分子带负电的部分构成教大分子中带正电的部分与另一分子带负电的部分构成教弱的静电吸引力，构成分子键弱的静电吸引力，构成分子键.原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。性。分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子资料。分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子资料。第一章第一节原子结合方

7、式 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 第一节 原子的结合方式4分子键与分子晶体分子键与分子晶体氢键：离子结合氢键：离子结合X-H-Y氢键结合，有方向性，氢键结合，有方向性，如如O-HO第一章第一节原子结合方式 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 第一节 原子的结合方式3 结合键分类结合键分类1一次键一次键 化学键：金属键、共价键、离子键。化学键：金属键、共价键、离子键。2二次键二次键 物理键：分子键和氢键。物理键：分子键和氢键。4 原子的陈列方式原子的陈列方式1晶体：原子在三维

8、空间内的周期性规那么陈列。晶体：原子在三维空间内的周期性规那么陈列。长程有序，各向异性。长程有序，各向异性。2非晶体：非晶体：不规那么陈列。长不规那么陈列。长程无序，各向同性。程无序，各向同性。第一章第一节原子结合方式第二节 原子的规那么陈列一 晶体学根底1 空间点阵与晶体构造1空间点阵：由几何点做周期性的规那么陈列所构成的三维阵列。 特征：a 原子的理想陈列；b 有14种。其中：阵点空间点阵中的点。它是纯粹的几何点，各点周围环境一样。晶格描画晶体中原子陈列规律的空间格架。晶胞空间点阵中最小的几何单元。2晶体构造：原子、离子或原子团按照空间点阵的实践陈列。 特征：a 能够存在部分缺陷； b 可

9、有无限多种。第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列2 晶胞晶胞 1晶胞：构成空间点阵的最根本单元。晶胞：构成空间点阵的最根本单元。2选取原那么：选取原那么：a 可以充分反映空间点阵的对称性；可以充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；相等的棱和角的数目最多；c 具有尽能够多的直角；具有尽能够多的直角；d 体积最小。体积最小。3外形和大小外形和大小有三个棱边的长度有三个棱边的长度a,b,c及其夹角及其夹角,表示。表示。4晶胞中点的位置表示坐标法。晶胞中点的位置表示坐标法。第一章第二节原子规那么陈列Smith W F. Foundations of Materials S

10、cience and Engineering. McGRAW.HILL.3/E第二节 原子的规那么陈列3 布拉菲点阵布拉菲点阵 14种点阵分属种点阵分属7个晶系。个晶系。 第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列4 晶向指数与晶面指数晶向指数与晶面指数晶向：空间点阵中各阵点列的方向。晶向：空间点阵中各阵点列的方向。晶面：经过空间点阵中恣意一组阵点的平面。晶面：经过空间点阵中恣意一组阵点的平面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列第一章第二节原子规那么陈列2h 1晶向指数的标定uvw第二节 原子的规那么陈

11、列阐明：阐明： a 指数意义：代表相互平行、方向一致的一切晶向。指数意义：代表相互平行、方向一致的一切晶向。 b 负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。 c 晶向族：晶体中原子陈列情况一样但空间位向不同的一组晶向。晶向族：晶体中原子陈列情况一样但空间位向不同的一组晶向。用用表示，数字一样，但陈列顺序不同或正负号不同的晶向属表示，数字一样，但陈列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。于同一晶向族。第二节原子规那么陈列第一章第二节 原子的规那么陈列2晶面指数的标定晶面指数的标定第一章第二节原子规那么陈列hkl第二节 原子的规那么陈列 2晶面指数

12、的标定 第一章第二节原子规那么陈列(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 例：标定以下A,B,C面的指数。例题1.2.1：确定图112所示各晶面的晶面指数例题1.2.2：在立方晶系中，画出421晶面第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列第二节 原子的规那么陈列阐明：阐明： a 指数意义：代表一组平行的晶面；指数意义：代表一组平行的晶面； b 0的意义：面与对应的轴平行；的意义：面与对应的轴平行； c 平行晶面：指数一样，或数字一样但正负号相反；平行晶面：指数一样，或数字一样但正负号相反； d 晶面族：晶体中具有一样条件原

13、子陈列和晶面间距完全一晶面族：晶体中具有一样条件原子陈列和晶面间距完全一样，空间位向不同的各组晶面。用样，空间位向不同的各组晶面。用hkl表示。表示。 e 假设晶面与晶向同面，那么假设晶面与晶向同面，那么hu+kv+lw=0; f 假设晶面与晶向垂直，那么假设晶面与晶向垂直，那么u=h, k=v, w=l。 平移坐标原点：为了标定方便。平移坐标原点：为了标定方便。第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列 3六方系晶向指数和晶面指数 a 六方系指数标定的特殊性：四轴坐标系等价晶面不具有等价指数。 b 晶面指数的标定 标法与立方系一样(四个截距)；用四个数字(hkil)表示；i=-(h+

14、k)。 第一章第二节原子规那么陈列(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 第二节 原子的规那么陈列 3六方系晶向指数和晶面指数 c 晶向指数的标定 标法与立方系一样(四个坐标)；用四个数字(uvtw)表示；t=-(u+w)。 依次平移法：适宜于知指数画晶向末点。 坐标换算法：UVWuvtw u=(2U-V)/3, v=(2V-U)/3, t=-(U+V)/3, w=W。第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列 3六方系晶向指数和晶面指数六方系晶向指数和晶面指数 第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列 4晶带 a

15、 晶带：平行于某一晶向直线一切晶面的组合。 晶带轴 晶带面 b 性质：晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面/晶带轴； hu+kv+lw=0 c 晶带定律 凡满足上式的晶面都属于以uvw为晶带轴的晶带。推论：a 由两晶面(h1k1l1) (h2k2l2)求其晶带轴uvw：u=k1l2-k2l1; v=l1h2-l2h1; w=h1k2-h2k1。 b 由两晶向u1v1w1u2v2w2求其决议的晶面(hkl)。h=v1w1-v2w2; k=w1u2-w2u1; l=u1v2-u2v1。第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列 5晶面间距a ：一组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的间隔。b

16、计算公式简单立方： d=a/(h2+k2+l2)1/2留意：只适用于简单晶胞；对于面心立方hkl不全为偶、奇数、体心立方h+k+l=奇数时，d(hkl)=d/2。第一章第二节原子规那么陈列低指数晶面的面间距较大；低指数晶面的面间距较大；晶面间距越大晶面间距越大,该面上原子陈列越严密该面上原子陈列越严密;原子线密度最大的晶向上面间距最大。原子线密度最大的晶向上面间距最大。第二节 原子的规那么陈列二 典型晶体构造及其几何特征 1三种常见晶体构造 面心立方A1, FCC体心立方A2, BCC密排六方A3, HCP第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列二 典型晶体构造及其几何特征 1三种常

17、见晶体构造 晶胞原子数 fcc,bcc,hcp 4；2；6点阵常数 afcc=2/2r； abcc=4/3r/3； ahcp=2r。第一章第二节原子规那么陈列Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E第二节 原子的规那么陈列二 典型晶体构造及其几何特征 1三种常见晶体构造 配位数 12；8；12致密度 0.74；0.68； 0.74配位数CN：晶体构造中任一原子周围最近且等间隔的原子数。致密度K：晶体构造中原子体积占总体积的百分数。K=nv/V。第一章第二节原子规那么陈列4hSmith

18、 W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E第二节 原子的规那么陈列二 典型晶体构造及其几何特征 1三种常见晶体构造 堆垛方式 Fcc:ABCABC. Bcc:ABABAB. Hcp:ABABAB.第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列二 典型晶体构造及其几何特征 1三种常见晶体构造 第一章第二节原子规那么陈列A层B层C层 面心立方构造的原子堆垛方式 密排六方的原子堆垛方式 A层B层C层 面心立方晶胞原子堆垛方式 密排六方晶胞原子堆垛方式第二节 原子的规那么陈列第一章第二节原子规那么陈

19、列第二节 原子的规那么陈列二 典型晶体构造及其几何特征 1三种常见晶体构造 第一章第二节原子规那么陈列Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E第二节 原子的规那么陈列二 典型晶体构造及其几何特征 1 三种常见晶体构造 原子线密度(最大的方向)密排方向 原子面密度(最大的面 )密排面第一章第二节原子规那么陈列Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E第二节 原子的规那么陈列第一

20、章第二节原子规那么陈列案例讨论：工程上大量运用低碳钢渗碳件，试分析资料的渗碳行为与哪些要素有关?晶格常数? 构造类型? 致密度?.?Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E第二节 原子的规那么陈列二 典型晶体构造及其几何特征 面心立方构造 体心立方构造 密派六方构造构造间隙 正四面体正八面体 四面体扁八面体 四面体正八面体个数 8 4 12 6 12 6rB/rA 0.225 0.414 0.29 0.15 0.225 0.414间隙半径rB：间隙中所能包容的最大圆球半径。第一章第二

21、节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列二 典型晶体构造及其几何特征 2 离 子晶体的构造 (1) 离 子晶体的主要特点 硬度高、脆性大； 熔点高，热膨胀系数小； 绝缘； 无色透明。 第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列二 典型晶体构造及其几何特征 2 离 子晶体的构造 (2)离子晶体的构造规那么 离子堆积:负离子堆积成骨架, 正离子位于负离子配位多面体间隙中. 鲍林第一规那么负离子配位多面体规那么 在离子晶体中，正离子周围构成一个负离子配位多面体，正负离子间的平衡间隔取决于正负离子半径之和，正离子的配位数取决于正负离子的半径比。

22、 第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列二 典型晶体构造及其几何特征 2 离 子晶体的构造 2离 子晶体的构造规那么 负离子配位多面体: 在离子晶体构造中，与某一 个正离子成配位关系而邻接 的各个负离子中心线所构成 的多面体。 第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列二 典型晶体构造及其几何特征 2 离 子晶体的构造 (2) 常见离 子晶体的构造 第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列二 典型晶体构造及其几何特征 3 共价晶体的构造 1饱和性：一个原子的共价键数为8-N。 2方向性：各键之间有确定的方位 配位数

23、小，构造稳定 第一章第二节原子规那么陈列第二节 原子的规那么陈列三 多晶型性 元素的晶体构造随外界条件的变化而发生转变的性质。 如：Fe(-).第一章第二节原子规那么陈列Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E第二节 原子的规那么陈列三 多晶型性例: 计算-铁转变为-铁时的体积变化。 1假定转变前后铁原子半径不变。 2R2=0.97R1。第一章第二节原子规那么陈列Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering.

24、McGRAW.HILL.3/E第二节 原子的规那么陈列四 影响原子半径的要素1温度与应力。2结合键的影响。3配位数的影响 高配位构造向低配位构造转变时，体积膨胀，原子半径减小减缓体积变化。)4核外电子分布的影响一周期内，随核外电子数添加至填满，原子半径减小至一最小值。)第一章第二节原子规那么陈列6h习题作图表示立方晶系中的(123),(012),(421)晶面和102,211,346晶向。分别计算面心立方构造与体心立方构造的100，110和111晶面族的面间距，并指出面间距最大的晶面设两种构造的点阵常数均为a。分别计算fcc和bcc中的100，110，111晶面族的原子面密度和，晶向族的原子线

25、密度，并指出两种构造的差别。提示：晶面原子密度为单位面积中的原子数；晶向原子密度为单位长度上的原子数在六方晶系中画出以下常见晶向0001,2110,1010,1120,1210等。第三节 原子的不规那么陈列第一章第三节原子不规那么陈列案例讨论：工程上大量运用形变加工的方法改善金属资料的强度及其它性能，从资料晶体构造的角度想象其中的原理。第三节 原子的不规那么陈列维纳斯维纳斯“无臂之美更深化人心无臂之美更深化人心 晶体缺陷赋予资料丰富内容晶体缺陷赋予资料丰富内容第一章第三节原子不规那么陈列第三节 原子的不规那么陈列 原子的不规那么陈列产生晶体缺陷。晶体缺陷在资料组织控制如分散、相变和性能控制如资

26、料强化中具有重要作用。晶体缺陷：实践晶体中与理想点阵构造发生偏向的区域。点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、异类原子等。线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、外表等。第一章第三节原子不规那么陈列第三节 原子的不规那么陈列一一 点缺陷点缺陷1 点缺陷的类型点缺陷的类型1空位：空位：肖脱基空位离位原子进入其它空位或迁移至晶界或外表。肖脱基空位离位原子进入其它空位或迁移至晶界或外表。弗兰克尔空位离位原子进入晶体间隙。弗兰克尔空位离位原子进入晶体间隙。2间隙原子：位于

27、晶体点阵间隙的原子。间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。3置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。第一章第三节原子不规那么陈列第三节 原子的不规那么陈列一一 点缺陷点缺陷第一章第三节原子不规那么陈列(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning第三节 原子的不规那么陈列一一 点缺陷点缺陷第一章第三节原子不规那么陈列第三节 原子的不规那么陈列一一 点缺陷点缺陷2 点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度 1点缺陷是热力学平衡的缺陷在一定温度下，点缺陷是热力学平衡的缺陷在一定温度下，晶体中总是存在着一定数量的点缺陷空位

28、，这时体系晶体中总是存在着一定数量的点缺陷空位，这时体系的能量最低具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学的能量最低具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。缘由：晶体中构成点缺陷时，体系内能的上更为稳定。缘由：晶体中构成点缺陷时，体系内能的添加将使自在能升高，但体系熵值也添加了，这一要素又添加将使自在能升高，但体系熵值也添加了，这一要素又使自在能降低。其结果是在使自在能降低。其结果是在G-n曲线上出现了最低值，对曲线上出现了最低值，对应的应的n值即为平衡空位数。值即为平衡空位数。 2点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度 C=Aexp(-Ev/kT)第一章第三节原子不规那么陈列第三节 原子的

29、不规那么陈列一一 点缺陷点缺陷3 3 点缺陷的产生及其运动点缺陷的产生及其运动1 1点缺陷的产生点缺陷的产生平衡点缺陷：热振动中的才干起伏。平衡点缺陷：热振动中的才干起伏。过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。2 2点缺陷的运动点缺陷的运动迁移、复合浓度降低；聚集浓度升高塌陷迁移、复合浓度降低；聚集浓度升高塌陷第一章第三节原子不规那么陈列第三节 原子的不规那么陈列一一 点缺陷点缺陷4 4 点缺陷与资料行为点缺陷与资料行为 1 1构造变化：晶格畸变如空位引起晶格收缩，间构造变化：晶格畸变如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置

30、换原子可引起收缩或膨胀。隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀。 2 2性能变化：物理性能如电阻率增大，密度减性能变化：物理性能如电阻率增大，密度减小。小。 力学性能屈服强度提高。力学性能屈服强度提高。 第一章第三节原子不规那么陈列第三节 原子的不规那么陈列二 线缺陷位错dislocation 位错：晶体中某处一列或假设干列原子有规律的错排。意义：对资料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决议性的作用，对资料的分散、相变过程有较大影响。位错的提出：1926年，弗兰克尔发现实际晶体模型刚性切变强度与实测临界切应力的宏大差别24个数量级。 1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。 1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。 1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。 1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制