【学习课件】第一章-材料的结构

1、第一章 材料的结构物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称为结构。C60编辑课件一、晶体结构的基本概念 金属的结构晶态非晶态SiO2的结构1、晶体与非晶体晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。编辑课件2、晶格与晶胞 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成。龙村人 龙村吧 茶馆杂事 编辑课件 晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。编辑课件 晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有

2、立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，=90六方晶系：a1=a2=a3 c，=90，=120立方六方四方菱方正交单斜三斜 晶格常数：晶胞个边的尺寸 a、b、c。各棱间的夹角用、表示。编辑课件 原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。 晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。 配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。 致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。编辑课件3、立方晶系晶面、晶向表示方法晶体中各方位上的原子面称晶面。各方向上的原子列称晶向。晶面指数表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：编辑课件 确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。龙村人

3、龙村吧 茶馆杂事 编辑课件例一.求截距为、1、晶面的指数 截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（010）例二.求截距为2、3、 晶面的指数 取倒数为1/2、1/3 、 0, 化为最小整数加圆括弧得（320）例三.画出（112）晶面 取三指数的倒数1、1、1/2, 化成最小整数为2、2、1，即为X、Y、Z三坐标轴上的截距编辑课件 晶向指数表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：编辑课件 确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。 求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为uvw。编辑课件例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线的晶向指数。将三坐标值化为

4、最小整数加方括弧得234。例二、已知晶向指数为110, 画出该晶向。找出1、1、0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。110234编辑课件 晶面族与晶向族(hkl)与uvw分别表示的是一组平行的晶向和晶面。指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用hkl和表示。编辑课件立方晶系常见的晶面为：编辑课件110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY编辑课件立方晶系常见的晶向为：编辑课件111111111111XZY编辑课件说明： 在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。 遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。- 晶向具有方向性， 如11

5、0与110方 向相反。XZY(221)221110110编辑课件二、金属的晶体结构1、纯金属的晶体结构金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。金属原子趋向于紧密排列。价电子云正离子金属键示意图具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。龙村人 龙村吧 茶馆杂事 编辑课件 体心立方晶格编辑课件体心立方晶格编辑课件体心立方晶格的参数编辑课件体心立方晶格原子个数：2配位数： 8致密度：0.68龙村人 龙村吧 茶馆杂事 晶格常数：a(a=b=c)原子半径：编辑课件 面心立方晶格编辑课件面心立方晶格编辑课件面心立方晶格的参数编辑课件 a42r=：原子半径原子个数：4配位数： 12致

6、密度：0.74常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常数：a面心立方晶格编辑课件 密排六方晶格编辑课件a21r=：原子半径原子个数：6配位数： 12致密度：0.74龙村人 龙村吧 茶馆杂事 晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633密排六方晶格编辑课件 三种常见晶格的密排面和密排方向单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。编辑课件三种常见晶格的密排面和密排方向六方底面底面对角线密排六方晶格面心立方晶格体心立方晶格编辑课件体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面编辑课件2、实际

7、金属的晶体结构变形金属晶粒尺寸约1100m，铸造金属可达几mm。纯铁组织晶粒示意图 单晶体与多晶体单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体：晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。编辑课件晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图编辑课件 晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。编辑课件 点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷。空位间隙原子置换原子编辑课件a. 空位：晶格中某些缺排原子的空结点。b. 间隙原子：挤

8、进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。编辑课件c. 置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶空位间隙原子小置换原子大置换原子格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。编辑课件空位和间隙原子引起的晶格畸变龙村人 龙村吧 茶馆杂事 编辑课件 线缺陷晶体中的位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未刃型位错 螺型位错滑移区的交界线称作位错。分为刃型位错和螺型位错。编辑课件刃型位错和螺型位错刃位错的形成编辑课件刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体

9、，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ ”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ ”表示。编辑课件位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。 = L/V(cm/cm3或1/cm2)金属的位错密度为1041012/cm2位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。金属晶须退火态(105-108/cm2) 加工硬化态(1011-1012/cm2) 编辑课件电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）编辑课件电子显微镜下的位错观察编辑

10、课件 面缺陷主要有：晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过渡部位，宽度为510个原子间距，位向差一般为2040。晶粒I晶粒II晶界编辑课件晶界的特点： 原子排列不规则。 熔点低。 耐蚀性差。 易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。 阻碍位错运动，是强化部位，晶粒越细晶界总面积就越大，金属的强度也越高，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。 是相变的优先形核部位 显微组织的显示编辑课件亚晶粒大角度和小角度晶界位错壁亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2 )的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作由刃型位错垂直排列形成的位错壁。编辑课件3、合金的晶体结构合金是指由两种或两种以上元素组

11、成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu两相合金黄铜编辑课件所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。根据结构特点不同，固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。单相合金两相合金编辑课件 固溶体合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固 相称固溶体。习惯以、表示。与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。龙村人 龙村吧 茶馆杂事 编辑课件 置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。黄铜置换固溶体组织编辑课件 间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金 属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。形成间