工程材料及成形工艺 第3版 课件 3章 材料的结构

第3章材料的结构《工程材料及成形工艺》机械工业出版社3.1晶体的结构3.2实际金属的晶体结构3.3非金属材料的结构

金刚石石墨石墨烯金刚石很硬，可切割玻璃石墨很软，铅笔内芯金刚石、石墨、石墨烯均由碳原子组成，它们性能为什么差异很大？材料性能与结构有关吗？引例3.1.1原子间的结合键宏观性能由原子本身性能和微观结构决定。微观结构是指原子结合方式和原子的空间排列方式。各种材料都是由不同元素的原子、离子或分子结合而成，彼此之间存在某种约束力使其牢固结合在一起，这种约束力称为结合键。3.1晶体的结构结合键

主价键结合力强次价键

结合力弱金属键共价键离子键分子键氢键金属原子的外层电子数少(一般为1-2个，最多不超过4个）外层电子与原子核结合力弱，容易脱离原子核而成为自由电子。失去层外电子的原子核变成带电正离子。1金属键由金属正离子与电子云之间相互作用所构成的结合键，称为金属键。

金属键与金属特性的关系金属键特性

金属特性①加电场，电子定向加速运动加热场，离子、自由电子热振动良好的导电性良好的导热性②自由电子能吸收并辐射大部分投射到其表面的光能不透明，具有金属光泽较高的强度③金属键合力强，没有方向性，对原子没有选择性，原子移动不破坏键良好的塑性④加热时，正离子振动增强，电子运动受阻，电阻增加有正的电阻温度系数2离子键金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子，这样，正负离子依靠它们之间的静电引力结合而形成的结合键叫离子键。在一起。如：大部分盐类（NaCl）、金属氧化物（MgO、Al2O3）、钢中非金属夹杂物。离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此，其熔点和硬度均较高，具有高的高温强度和耐磨性。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，它们多数是良好的绝缘体。但在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，呈现离子导电性。热膨胀系数小；脆性大。天然NaCl

得失电子能力相近的原子相互靠近时，其原子间不会有电子转移，而是相邻原子均提供电子形成共用电子对，使原子最外层电子达到稳定状态。这种依靠共用电子对形成的结合键称为共价键。如金刚石、硅、碳化硅等。3共价键共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、强度高、硬脆等特点。由于束缚在相邻原子间的“共用电子对”不能自由地运动，共价键结合形成的材料一般是绝缘体，其导电能力差。例如：金刚石中每个碳原子有四个价电子，这些价电子与邻近原子共用，形成共价键，结合而成的稳定的三维点阵，使金刚石具有很高硬度和熔点（3570℃）。金刚石4分子键由于范德瓦尔斯引力很弱，所以分子晶体的结合力很小，熔点很低，硬度也很低。依靠分子内部电子分布不均匀产生较弱的静电引力结合起来的键叫做分子键，也称为范德华健，是最弱的一种结合键（约为共价键的1/10）。例如：石墨是靠分子键结合，硬度很低。塑料也是靠分子键结合，强度较低。5结合力与结合能当大量原子结合成固体时，为使晶体具有最低的能量，以保持其稳定状态，原子之间也必须保持一定的平衡距离，这就是固态金属中的原子趋于规则排列的原因。当原子间以离子键或共价键结合时，原子达不到紧密排列状态，这是由于这些结合方式对周围的原子数有一定的限制之故。双原子作用模型3.1.2晶体结构

1晶体与非晶体晶体①结构排列有序，许多天然晶体具有规则的几何外形；②晶体具有各向异性；③具有固定熔点。液、固状态转变时是突变的。在三维空间中原子作有规则、周期性排列的物质称为晶体，如食盐、冬天的雪花、金属和合金等都是晶体。非晶体晶体非晶体石英晶体结构玻璃非晶体结构橡胶沥青松香内部原子无规则的堆垛在一起，三维方向呈无序排列的物质称为非晶体，如玻璃、松香等。①结构排列无序，没有规则形状；②各向同性；③没有固定熔点。固液转变是渐变的，固态逐渐变软，最终成为具有显著流动性的液态。

2晶体结构基础知识为便于研究晶体中原子或分子的排列情况，通常把原子抽象为一个个刚球，并用许多假想的直线连接起来，这样得到的三维空间几何框架称为晶格；晶格中各连线的交点称为结点，或阵点。组成晶格的最小几何单元称为晶胞。晶胞各边的尺寸a、b、c称为晶格常数，晶胞各边之间的相互夹角分别以α、β、γ表示。晶胞中原子所占体积与晶胞总体积之比叫晶胞致密度。反映原子在晶胞中排列的紧密程度。晶体中原子排列示意图k=n·v/V总共有7大晶系，14种空间点阵Cu、Al、Ag、Ni3.1.33种常见的金属晶体结构Zn、Mg、

a-Ti

正方体，各顶点有一原子，每个面的正中央有一原子。

正方体，各顶点有一原子，正中间有一原子。密排六方晶格

面心立方晶格体心立方晶格

正六棱柱，上下顶面为正六边形，各顶点和顶面中心有一原子。中间一层有三个原子。Cr、W、Mo、a-Fe晶胞晶胞原子数与原子半径致密度与配位数1晶向指数3.1.4晶向指数与晶面指数〖例1〗计算图（a）中的AB的晶向指数。解：①选晶胞的三条棱边建立X、Y、Z坐标轴，以晶格常数abc为坐标轴的度量单位。从坐标轴的原点O引一条有向直线OC，平行于待定晶向AB；②在所引的有向直线上任取一点C（为方便起见，通常取距原点最近的阵点），求出该点C在三坐标轴的坐标值,C(1/2,1/2,1)。③将三个坐标值按比例化简为最小简单整数，并加上方括号，表示为［uvw］=[112]，即为所求的晶向指数。整数之间不用标点分开。如果u、v、w中有某一数为负，则将负号用上划线的形式标注于该数之上。AB的晶向指数为[112]。我们把任何两个或多个原子所在直线所指的方向，称为晶向。2晶面指数把晶格中一系列原子所在的平面，称为晶面。〖例2〗计算图（a）中ABC的晶面指数。解：①在晶格中任选不在ABC上有一点作为空间坐标系的原点，以晶格的三条棱边为坐标轴OX、OY、OZ；②以晶格常数a、b、c分别为OX、OY、OZ轴上的长度度量单位，求出欲定晶面ABC在此三个轴上的截距1，2，1；③分别取此三个截距的倒数1,1/2,1；④将三个截距的倒数按比例化简为三个最小整数2,1,2；⑤把化简后的三个整数写在圆括号内（hkl）,即(212)，整数之间不用标点分开。如果h、k、l中有某一数为负，则将负号用上划线的形式标注于该数上。答：ABC的晶面指数为（212）。练习1求图（a）（b）中所示的立方晶系的晶向指数和晶面指数。练习2参考图（c），思考一下指数相同的晶向指数与晶面指数之间有什么关系？原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族，以尖括号〈uvw〉表示。在同一种晶体结构中，有些晶面虽然在空间的位向不同，但其原子排列情况完全相同，这些晶面均属于同一个晶面族，其指数用大括号｛hkl｝表示。3.1.5晶体的各向异性下图为3种常见的晶格的密排面及密排方向，回答问题：③对每一种晶格，写出其密排面的晶面指数，写出其密排方向的晶向指数。体心立方面心立方密排六方

由于不同晶向和不同晶面上的原子密度不同，所以在不同方向上，晶体具有不同的性能，这种现象称为各向异性。例如，体心立方晶格的α－Fe单晶体，在〈111〉方向上，E=284GPa，而在〈100〉方向，E=132GPa。观察右图，回答问题：①不同晶向上的原子紧密程度是否相同？②不同晶面上的原子密集程度是否相同？晶体缺陷点缺陷线缺陷面缺陷若整个晶体完全是晶胞规则重复排列的，这种晶体为理想晶体。实际晶体中，由于各因素的影响，总会存在一些不完整、原子排列偏离理想状态的区域，这些区域称为晶体缺陷。按缺陷在空间的几何形状和尺寸不同，缺陷分为：3.2实际金属的晶体结构

点缺陷是指在三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。点缺陷分为：空位，间隙原子，置换原子。1点缺陷点缺陷，会造成晶格畸变，这将对金属的性能产生影响，如使屈服强度升高，电阻增大，体积膨胀等。此外，点缺陷的存在，将加速金属中原子的扩散过程。导致晶格畸变强度↑，硬度↑，塑性↓点缺陷自由电子运动受阻导电性↓点缺陷对材料性能影响空位：未被占据的原子位置；间隙原子：间隙原子可以是晶体中正常原子离位产生，也可以是外来杂质原子；置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。

2

线缺陷线缺陷是晶体内部呈线状分布的晶体缺陷，即在某一方向上的尺寸很大，而另两方向上的尺寸很小的缺陷。线缺陷——各种类型的位错。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滑移区的交界线称作位错。最基本的位错是刃型位错和螺型位错。

刃型位错螺型位错

刃型位错的模型如图所示。设有一简单立方体，某一原子面在晶体内部中断，这个原子平面中断处的边缘就是一个刃型位错。

刃型位错形成过程示意图

刃型位错

刃型位错的特征：①刃型位错有一额外半原子面。②位错线周围晶格畸变，在一定范围内存在应力。刃型位错线附近一侧原子受压应力，另一侧原子受拉应力。③刃型位错线与晶体滑移方向垂直，即位错线运动的方向垂直于位错线。1）刃型位错2）螺型位错螺型位错的模型如图所示。螺型位错的特征：①没有额外的半原子面，但位错线附近原子呈螺旋形排列。②螺型位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，只有切应变，其应力场呈轴对称分布。③螺型位错线与晶体滑移方向平行，运动方向与位错线垂直。螺型位错

混合位错

3）混合位错

在实际晶体中，位错线一般是刃型和螺旋型的混合类型，是弯曲的，具有各种各样的形状，称为混合型位错。4）位错的运动在外力作用下位错在某一平面上沿着某一方向移动，直到运动到晶体表面，使得位错消失，最终形成一个台阶，台阶的大小为一个原子间距，这是一种微观的变形量。当在晶体中有许多位错进行相同的运动后，就产生了宏观的变形量，使晶体发生塑性变形。位错运动是塑性变形的主要形式，可利用它来生产零件。刃型位错的运动螺型位错的运动①理想晶体没有位错等晶格缺陷，强度很高。②目前能够制备的几乎不含有位错的小晶体（晶须——直径0.05~2um长2~10mm）具有极高的强度，达13400MPa。③退火金属中位错密度一般为0.01~1/μm2

，强度最低。少量位错的存在使晶体强度大大下降。金属强度与位错密度的关系5）位错密度穿过单位截面积的位错线数目，单位1/m2，可通过测量单位面积的位错线露头数求得，也可用单位体积中的位错线总长度表示。④利用冷塑性变形等方法使金属的位错密度大大提高，可达103~104/μm2。高密度位错使位错之间相互制约，位错运动的阻力增加，也可以提高金属的强度。3面缺陷面缺陷是指二维尺寸很大，而另一维尺寸很小的缺陷。晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的边界。亚晶界：多晶体每个晶粒内的原子排列并不十分整齐，其中会出现位向差很小的（通常小于1°）亚结构，在亚结构之间具有亚晶界。相界：具有不同晶体结构的两相之间的分界面。晶界的特点①原子排列不规则。②熔点低。③耐蚀性差。④易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。⑤阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。⑥是相变的优先形核部位。一般来说，金属的晶粒越细，单位体积金属中的晶界和亚晶界面积越大，金属的强度便越高，这就是金属的细晶强化。此外，晶界同样对金属的塑性变形、相变和扩散等过程有重要的影响。多晶体性能特点在多晶体的金属中，每个晶粒相当于一个单晶体，具有各向异性，但各个晶粒在整块金属内的空间位向是任意的，整个多晶体各方向上的性能则是大量位向各不相同的晶粒性能的均值。因此，整块金属在各个方向上的性能是均匀一致的，称为“伪各向同性”。一块晶体内原子完全规则排列，位向完全一致，属理想状态。如单晶硅，单晶叶片。一块晶体由许多位向不同的微小晶体组成，这个小晶体称为晶粒。晶粒内晶体位向完全一致。相邻晶粒间晶体位向不同。相界具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界。晶体表面晶体表面是指晶体与真空或各种外部介质，如