第一章工程材料类型及金属的晶体结构ppt课件

1、第 一 章工程资料类型及金属的晶体构造. 1.1 工程资料类型 1.2 晶体的概念 1.2.1 短程有序与长程有序 1.2.2 晶体构造的根本概念和类型 1.2.3 同素异构 1.3 晶体缺陷 第一章 工程资料类型及金属的晶体构造主 要 内 容.1.1 工程资料类型 工程资料是指具有一定性能，在特定条件下，可以承当某种功能，被用来制取零件和元件的资料。1.1.1 分类 按运用功能分类： 构造资料structural material 实现运动、传送运动，承当力、负荷为主机械工程等。 功能资料functional material 理化功能为主，力性为辅导电资料、磁盘、光纤等。 第一章 工程资料

2、类型及金属的晶体构造.1.1 工程资料类型 按成分分类-四大类资料第一章 工程资料类型及金属的晶体构造. 1.1.2 资料特征characteristic 1金属资料metals 优点：兼有良好力学性能较高强度、刚度、塑性、韧性及某些理化性能良好导电、导热性等和较好的工艺性，价钱廉价或适中。大量用作构造资料，部分用作功能资料。 缺陷：地球上资源有限；高温及特殊环境中不能胜任。 2陶瓷资料无机非金属资料，金属与非金属的化合物如 Al2O3、SiC。 优点：优良理化性能耐蚀、光、电、热学性能，绝缘性能等及极好的耐高温特性，且原料来源广泛。主要用在特殊场所特殊陶瓷及日常传统陶瓷。 缺陷：性脆、难加工

3、，可靠性差。第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.1.1.2 资料特征3高分子资料高聚物，Polymer 优点：较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、分量 轻，加工性好，原料丰富。 缺陷：强度低；不耐高温300；易老化易燃。 4复合资料Composites两种或多种资料复合而成 优点：具有单一资料所不具备的优良性能；可按需求 进展人为设计、制造。 缺陷：目前性能高的价贵。第一章 工程资料类型及金属的晶体构造. 1. 1. 3 原子间键合一、离子键：正离子与负离子静电吸引产生的化学结合力第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.1. 1. 3 原子间键合二、共价键：原子间共用电子对产生的化学结合力第一

4、章 工程资料类型及金属的晶体构造.1.1. 3 原子间键合三、金属键：金属正离子与“自在电子气静电吸引产生的化学结合力。第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.1.1. 3 原子间键合四、分子键：分子偶极间吸引力产生的化学结合力。第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.1. 1.3 原子间键合五、氢键：氢原子因正负电子中心偏移产生的静电吸引 构成的化学结合力。 第一章 工程资料类型及金属的晶体构造氢原子中独一的电子被其它原子所共有共价键结合，裸露原子核 将与近邻分子的负端相互吸引氢桥.1. 1.3 原子间键合六、工程资料的键性 金属资料：金属键绝大部分 共价键亚金属 陶瓷资料：离子键、共价键 高分

5、子资料：共价键、分子键第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.1.2.晶体概念1.2.1短程有序与长程有序短程有序：原子在分子范围内按一定规律陈列，而分子之间那么随机无规律的衔接在一同，这种结合方式称为短程有序。多数以共价键、范德华键结合的资料往往是短程有序。 长程有序：原子在整个资料内部都按一定规律陈列，那么称为长程有序。原子长程有序，即构成了整个晶体。第一章 工程资料类型及金属的晶体构造SiO2一个Si原子与4个O原子结合，而SiO2单元体间那么随机衔接。.1.2.晶体概念1.2.1短程有序与长程有序短程有序：第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.1.2.晶体概念 1.2.2 晶体构造的根本

6、概念和类型 晶 体 固态物质 非晶体第一章 工程资料类型及金属的晶体构造组成非晶体的原子或离子、分子呈无规那么陈列的固体。例如：松香、石蜡和玻璃组成晶体的原子或离子、分子呈规那么、周期性反复陈列的固体；例如：水晶、天然水晶石.1.2.2 晶体构造的根本概念和类型 1晶格点阵第一章 工程资料类型及金属的晶体构造 为了便于研讨晶体中原子陈列的情况，通常用一个小钢球替代一个原子，并把不停振动的原子当作在它平衡位置上静止不动，这样金属晶体构培育可用许多小钢球相互严密接触的堆砌模型来表示刚球模型。.1.2.2 晶体构造的根本概念和类型 1晶格点阵 进一步简化原子堆砌模型：可将一个钢球原子视为一几何质点，

7、用平行几何线条在三维空间经过原子中心使其相互连起来，这样就构成了一个几何格架。第一章 工程资料类型及金属的晶体构造 这种几何空间格架那么称为晶格或晶体点阵。 这种几何空间格架中的几何质点位置称为结点或阵点。.1.2.2 晶体构造的根本概念和类型 2. 晶胞 晶胞是晶格中能代表原子陈列的最小几何单元体，它是一个简单的多面体构造。G:VIDEO晶胞.AVI第一章 工程资料类型及金属的晶体构造. 1.2.2 晶体构造的根本概念和类型 3晶格常数 为研讨晶胞的外形与大小，通常用晶胞的三个棱边长度a、b、c和棱边夹角、六个参数表示，棱边长度a、b、c称为晶格常数，以nm纳米为单位，1nm =10-9 m

8、，以前用度量，1=0.1nm。图1-1 晶格常数表示图第一章 工程资料类型及金属的晶体构造. 1.2.2 晶体构造的根本概念和类型 4晶胞类型晶胞一共有14种类型，分属于7个晶系。实践晶体构造都可笼统的归属于14种晶胞中的一种，并用其描画其原子陈列规律。14种晶胞类型是由布拉菲Bravais于1848年根据“每个阵点周围具有一样环境的要求，利用数学方法推算出来的，而且只能有14种，因此也称为“布拉菲空间点阵。第一章 工程资料类型及金属的晶体构造思索题：实践晶体构造和布 拉菲空间点阵有何区别？.1.2.2 晶体构造的根本概念和类型 5.常见的金属晶格类型 工业上运用的金属虽然有几十种，但除少数金

9、属具有复杂的晶体构造外，大多数金属均具有比较简单的晶体构造。最常见的晶体构造只需三种，即 体心立方 bcc 面心立方 fcc 密排六方 hcp 前两种属于立方晶系，后一种属于六方晶系。第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.1.2.2 晶体构造的根本概念和类型 5.常见的金属晶格类型 一体心立方构造 (b) (c)图12 体心立方晶胞a钢球模型b质点模型c晶胞原子数第一章 工程资料类型及金属的晶体构造. 5.常见的金属晶格类型 一体心立方构造 1点阵常数 “a 点阵常数a通常应以纳米nm为单位。 2晶胞中的原子数 (1/8)8 + 1 = 2 3配位数和致密度 a配位数 晶体构造中任一原子的最近

10、邻，且等间隔的原子数目， 叫做该晶体构造的配位数。 第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.5.常见的金属晶格类型 一体心立方构造b致密度 致密度 K 等于晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比， 即： 可见，体心立方构造的金属晶体中，有68%的体积为原子所占据，其他32%为空隙体。Cr、Mo、W、V、Nb.第一章 工程资料类型及金属的晶体构造 体心立方晶格可以看成是由两个简单立方晶格交叉而成。在每个体心立方晶胞中，无论是体心的原子，还是角上的原子，周围都有8个最近邻且等间隔的原子，所以体心立方构造的配位数为8。. 5.常见的金属晶格类型 二面心立方构造 面心立方晶胞除了晶胞的8个角上各有一个原子外，

11、在每个立方面子的中心还有一个原子，故称面心立方构造。第一章 工程资料类型及金属的晶体构造 (b) (c)图1-5 面心立方晶胞a钢球模型b质点模型c晶胞原子数. 5.常见的金属晶格类型 二面心立方构造(Al、Cu、Ni、Au、Ag) 1点阵常数 a 2晶胞中的原子数 (1/8)8 + (1/2) 6 = 4 3配位数和致密度 a配位数 12 b致密度第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.5.常见的金属晶格类型 三密排六方构造 (Mg、Zn、-Co)第一章 工程资料类型及金属的晶体构造 (b) (c)图1-6 密排六方晶胞a钢球模型b质点模型c晶胞原子数. 5.常见的金属晶格类型 三密排六方构造

12、 (Mg、Zn、-Co) 1点阵常数 正六边形边长a ，晶胞高度 c ; 理想轴比c/a=1.633 2原子 (1/6)12 + (1/2) 2+3 = 6 3配位数和致密度 a配位数 12 b致密度第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.1.2.2 晶体构造的根本概念和类型 6晶面指数与晶向指数第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.6晶面指数与晶向指数 1)晶面指数1选定一个结点作为坐标原点，沿晶胞的 三个棱边作x、y、z三个坐标轴，以晶胞边长即晶格常数作为晶轴长度的度量单位。 特别该当留意，坐标原点应选在待定晶面之外。2求出特定晶面在三个坐标轴上的截距假设晶面与某一坐标轴平行，那么其截距为，

13、设分别为m、n、p。3求出三个截距的倒数，并把它们化为最小的简单整数，即1/m、1/n、1/p化为h=E/m，k=E/n，l=E/p，E为最小公倍数。4将这组最小整数加上圆括号，并且不用标点分开各数，即得晶面指数hkl。 假设待定晶面在某一坐标轴上的截距为负值，那么在相应指数上方加一负号。第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.6晶面指数与晶向指数 1)晶面指数第一章 工程资料类型及金属的晶体构造图1-7 晶面指数确实定.6晶面指数与晶向指数 1)晶面指数图1-7a中晶面a1b1c1d1及a2b2c2d2为相互平行的两个晶面，晶面指数都是110。由此可见，一个晶面指数表示的不是一个晶面，而是一组

14、相互平行的晶面。图1-7b中晶面a1b1c1与a2b2c2也是相互平行的，假设分别选取0及0为原点，那么截距分别为1、1、-1及-1、-1、1，取倒数化为最小整数，它们的晶面指数分别为 和 。这两个晶面指数的数字一样而符号相反。由此可见，由于原点选取不同，得到数字一样而符号相反的两个晶面指数，表示的是同一组平行晶面。第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.6晶面指数与晶向指数 2)晶向指数(1)将坐标原点选在待定晶向的一个结点上，沿晶胞棱边作x、y、z三个坐标轴，以晶胞边长即晶格常数作为长度单位。(2)求出待定晶向上离原点最近的一个结点的坐标，将此坐标值化为最小整数，例如为u、v、w，再加上方括

15、号，即得晶向指数uvw。假设晶向的某一坐标为负值，像晶面指数那样将负号放在相应的指数上方。第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.6晶面指数与晶向指数 2)晶向指数 如x轴方向OA，其晶向指数由A点的坐标来确定，A点坐标为1、0、0，故其晶向指数为100。同理，y轴、z轴的晶向指数分别为010和001。 当确定DC的晶向指数时，将原点选在D点。112111第一章 工程资料类型及金属的晶体构造图1-8 晶向指数确实定晶向族 ：原子陈列情况一样在空间位向不同即不平行的晶向。如100 .1.2.3同素异构 多数金属在结晶后的晶格类型都坚持不变，但有些金属如铁、锡、锰等的晶格类型，却因温度而异。 一种金

16、属能以几种晶格类型存在的性质，叫做同素异构性。68%74%68%第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.1.2.3同素异构铁在同素异构转变时有体积变化。从原子的陈列情况来看，面心立方晶格中铁原子陈列得比较严密，所以在质量一样的条件下，-Fe的体积比-Fe要小。如将一块纯铁加热到912，即由-Fe变为-Fe ，这时体积要减少；反之，将铁冷却转变为-Fe时，体积会增大。这种体积的变化，有能够引起构造应力。铁的同素异构性质也影响到钢，钢在冷却时， -Fe同样转变为-Fe 。钢所以可以经过热处置以改动其性能，是与铁的同素异构转变有关的。第一章 工程资料类型及金属的晶体构造. 1.3 晶体缺陷 金属晶粒，

17、其内部原子的陈列并不是那样理想的完全规那么整齐，不存在任何缺陷，实践上存在着原子错排的各种缺陷。这种晶体构造的缺陷对金属的性能和组织转变等均有很大影响，因此有必要了解和注重这些缺陷。 一、点缺陷 二、线缺陷 三、面缺陷第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.1.3 晶体缺陷 1.3.1点缺陷点缺陷是空间三维方向上尺寸都很小的一种缺陷。第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.1.3 晶体缺陷 1.3.1点缺陷第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.1.3 晶体缺陷 1.3.1点缺陷晶体中空位或间隙原子的挪动是原子进展分散的一种主要方式；固溶强化、弥散强化；畸变引起性能变化如电阻添加、屈服强度添加等。第

18、一章 工程资料类型及金属的晶体构造.1.3 晶体缺陷 1.3.2 线缺陷线缺陷是在空间的一个方向上尺寸很大，其它两个方向上尺寸很小的一种缺陷。分为刃型及螺型两种位错。 刃型位错刃型位错空间模型刃型位错平面模型第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.1.3 晶体缺陷 1.3.2 线缺陷 刃型位错 上图是晶体中刃型位错表示图。从图中可以看到ABCD晶面以上沿EF处多插入了一层原子面，它好似一把刀刃那样切入晶体中，使上下层原子不能对准，把这种原子错排叫做刃型位错。EF线称为刃型位错线。在位错线附近区域晶格发生了较大的弹性畸变，如图中虚线所示。在多了一层原子面的上部晶体中，原子被挤紧，原子间距减小，受压应力；相反在少了一层原子面的下部晶体中，原子被拉开，原子间距添加，遭到拉应力。位错线附近虚线圆的半径很小，仅几个原子间距，而位错线可长达几千万个原子间距，故刃型位错是一种线缺陷。第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.1.3.2 线缺陷 螺型位错以下图是螺型位错表示图第一章 工程资料类型及金属的晶体构造.1.3.2 线缺陷晶体资料塑性变形的微观机制：位错的运动。位错强化：随位错密度的添加，资料的强度添加，同时塑 性降低。原 因：位错缠绕，妨碍位错的运动。第一章 工程资料类型及金属的晶体构造. 1.3.3 面缺