金屬的晶體結(jié)構(gòu)(1課時.ppt

第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)（P11）,第一節(jié) 純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 第二節(jié) 合金的晶體結(jié)構(gòu),根據(jù)原子在物質(zhì)內(nèi)部的排列方式，可將固態(tài)物質(zhì)分為兩大類： 1）晶體內(nèi)部原子呈規(guī)則排列的物質(zhì)。如固態(tài)金屬；2）非晶體內(nèi)部原子無規(guī)則排列的物質(zhì)。如松香、玻璃等。 金屬的晶體結(jié)構(gòu)：是指金屬材料內(nèi)部的原子的排列規(guī)律。它決定著材料的顯微組織特性和材料的宏觀性能。,第一節(jié) 純金屬的晶體結(jié)構(gòu) （P13）,金屬鍵：金屬原子間的結(jié)合 鍵稱為金屬鍵。（帶負(fù)電的自 由電子與帶正電的的金屬正離 子之間產(chǎn)生靜電吸引力，使金 屬原子結(jié)合在一起，這就是金 屬鍵結(jié)合的本質(zhì)。 金屬特性： 良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性； 強(qiáng)度高，具有塑性； 有金屬光澤，但不透明； 有固定熔點(diǎn)；各向異性。,金屬鍵模型圖,一、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識 （一）基本概念（P13）,1、晶格：用于描 述原子在晶體中 排列規(guī)律的三維 空間幾何點(diǎn)陣。 （把原子看成是 一個幾何質(zhì)點(diǎn)， 把原子之間的相 互聯(lián)系與作用假 想為幾何直線）,一、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識 （一）基本概念（P13）,1、晶胞：晶格中能 夠代表晶格特征的 最小幾何單元。 2、晶格參數(shù)：晶體 學(xué)中用來描述晶胞 大小與形狀的幾何 參數(shù)。包括晶胞的 三個棱邊長度a、b、 c和三個棱邊夾角、 、。 3、晶格常數(shù)：決定 晶胞大小的三個棱長 a、b、c。,（二）金屬中常見的晶格 1、體心立方晶格BCC（P14）,晶格參數(shù) a=b=c；=90；立方體八個角上各有一個原子，體心處有一個原子。每個晶胞中原子數(shù)為2=1/88+1。 屬于體心 立方晶格 的常用金 屬：鉻、 鎢、鉬、 釩、鐵、 鈦、鈮 等。,2、面心立方晶格FCC（P14）,晶格參數(shù)：a=b=c；=90；晶胞的八個角上各有一個原子，立方體六個面的面心各有一個原子。每個晶胞中原子數(shù)為4=1/88+1/26 屬于面心立方晶格的常用金屬：鐵、鋁、銅、鎳等。,3、密排立方晶格HCP（P14）,晶格參數(shù)：a=bc；=90、=120；每個晶胞中原子數(shù)為：6=1/612+1/22+3。 屬于密排六方晶格的常用金屬：鎂、鋅、鈹、鈦、鎘等。,（三）晶格的致密度（P14）,致密度=原子所占的總體積晶胞的體積 體心立方晶格的致密度=0.68 面心立方晶格的致密度=0.74 密排六方晶格的致密度=0.74,（四）晶面指數(shù)與晶向指數(shù) （P16）,晶面：晶體中由物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)所組成的平面。 晶向：由物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)所決定的直線。 每一組平行的晶面和晶向都可用一組數(shù)字來標(biāo)定其位向。這組數(shù)字分別稱為晶面指數(shù)和晶向指數(shù)。 晶面指數(shù)的確定：晶面與三個坐標(biāo)軸截距的倒數(shù)取最小整數(shù)，用圓括號表示。如（111）、（112）。 晶向指數(shù)的確定：通過坐標(biāo)原點(diǎn)直線上某一點(diǎn)的坐標(biāo)，用方括號表示。如111,立方晶系常見的晶面為：,立方晶系常見的晶向?yàn)椋?3、晶面族與晶向族（P16）,晶面族：晶面指數(shù)中各個數(shù)字相同但是符號不同或排列順序不同的所有晶面。這些晶面上的原子排列規(guī)律相同，具有相同的原子密度和性質(zhì)。如110=（110）+（101）+（011）+（101）+（110）+（011） 晶向族：原子排列密度完全相同的晶向。如=111+111+111+111,110,111,（五）晶體的各向異性 （P17）,在晶體中，由于各個晶面和晶向上原子排列密度不同，使原子間的相互作用力也不相同。因此在同一單晶體內(nèi)不同晶面和晶向上的性能也是不同的。這種現(xiàn)象稱為晶體的各向異性。,（五）晶體的各向異性（P17）,晶體分單晶體和多晶體 單晶體：晶體內(nèi)各處晶格位向一致的晶體。 多晶體：晶體內(nèi)晶格位向不相同的晶體。 實(shí)際金屬是多晶體,（五）晶體的各向異性 多晶體結(jié)構(gòu)（P17）,二、純金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) （一）晶粒與亞晶粒 （P17）,晶粒金屬晶體中，晶格位向基本一致，并有邊界與鄰區(qū)分開的區(qū)域。（P18圖28） 晶界晶粒之間原子排列不規(guī)則的區(qū)域。 實(shí)際金屬晶粒大小除取決于金屬種類外，主要取決于結(jié)晶條件和熱處理工藝。 亞晶粒晶粒內(nèi)部晶格位向差小于2、3的更小的晶塊。 亞晶界亞晶粒間的過渡區(qū)。,（二）晶體中的晶體缺陷 （P18）,晶體缺陷：是指晶體中原子排列不規(guī)則的區(qū)域。 根據(jù)晶體缺陷的幾何特點(diǎn)和對原子排列不規(guī)則性的影響范圍可分為三大類： 1、點(diǎn)缺陷 2、線缺陷 3、面缺陷,1、點(diǎn)缺陷（P18）,以一個點(diǎn)為中心，在它周圍造成原子排列不規(guī)則，產(chǎn)生晶格畸變和內(nèi)應(yīng)力的缺陷。點(diǎn)缺陷類型主要有三種： （1）間隙原子 （2）晶格空位 （3）置換原子 在晶格的結(jié)點(diǎn)處 出現(xiàn)原子直徑不 同的異類原子的 晶體缺陷,置換原子示意圖,1、點(diǎn)缺陷（P18）,間隙原子：在晶格的間隙處出現(xiàn)多余原子的晶體缺陷。 晶格空位：在晶格的結(jié)點(diǎn)處出現(xiàn)缺少原子的晶體缺陷。,2、線缺陷（P19）,主要是指各種形式的位錯。 位錯：是指晶體中某一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。 位錯密度： 單位體積內(nèi) 位錯線的長 度，（cm-2）,位錯密度：單位體積內(nèi)所包含的位錯線總長度。 = S/V(cm/cm3或1/cm2) 金屬的位錯密度為1041012/cm2 位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯運(yùn)動引起，因此阻礙位錯運(yùn)動是強(qiáng)化金屬的主要途徑。 減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。,3、面缺陷（P19）,主要是指晶界和亞晶界。它是由于受到其兩側(cè)的不同晶格位向的晶粒或亞晶粒的影響而使原子呈不規(guī)則排列。,第二節(jié) 合金的晶體結(jié)構(gòu) 一、基本概念（P20）,合金：是指由一種金屬元素與另外一種或多種金屬或非金屬元素，通過熔煉或燒結(jié)等方法所形成的具有金屬性質(zhì)的新金屬材料。如：碳素鋼（鐵、碳）；黃銅（銅、鋅）；鉛青銅（銅、鋅、鉛） 組元：組成合金的最基本的、能獨(dú)立存在的物質(zhì)。組成合金的各個化學(xué)元素及穩(wěn)定的化合物都 是組元。合金中有幾種組元就稱之為幾元合金。碳素鋼是二元合金，鉛青銅是三元合金。,第二節(jié) 合金的晶體結(jié)構(gòu) 一、基本概念,合金系：是指具有相同組元，而成分比例不同的一系列合金。如各種碳素鋼。 相：是指在合金中，凡是化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其它部分分隔開來的一個均勻區(qū)域。在一個相中可以有多個晶粒，但是一個晶粒中只能是同一個相。 合金中有兩類基本的相結(jié)構(gòu)，固溶體和金屬化合物。,第二節(jié) 合金的晶體結(jié)構(gòu) 一、基本概念,顯微組織：是指在顯微鏡下看到的相和晶粒的形態(tài)、大小和分布。它可以看作是由各個相組成的。 組織可以是單相，也可以是多相 合金的顯微組織可以看作是由各個相所組成的，這些相稱為合金組織的相組成物；也可以看作是基本組織所組成的，這些基本組織稱為合金組織的組織組成物。合金的力學(xué)性能不僅取決于它的化學(xué)成分，更取決于它的顯微組織。*熱處理*,二、合金的相結(jié)構(gòu)（P20）,合金的晶體結(jié)構(gòu)：是指合金中各個相的晶體結(jié)構(gòu)，簡稱相結(jié)構(gòu)。 合金的相結(jié)構(gòu)通常分為兩大類： （一）固溶體 （二）金屬化合物,（一）固溶體（P20）,固溶體：合金結(jié)晶成固態(tài)時，溶質(zhì)原子分布在溶劑晶格中形成的一種與溶劑有相同晶格的相。 固溶體與溶劑具有相同晶體結(jié)構(gòu)。 固溶體的類型：1、間隙固溶體 ；2、置換固溶體,1、間隙固溶體（P21）,間隙固溶體： 溶質(zhì)原子分布于溶劑的晶格 間隙中所形 成的固溶體。 都是有限固 溶體，也是 無序固溶體。,2、置換固溶體 (P21),置換固溶體：溶質(zhì)原子代替溶劑原子占據(jù)著溶劑晶格結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體。 置換固溶體可 以是有限固溶 體也可以是無 限固溶體。,A：溶劑； B：溶質(zhì),a)無序固溶體 b)有序固溶體,2、置換固溶體(P21),有限固溶體:固溶體的溶解度是有限的。 無限固溶體：固溶體的溶解度是無限的。（組成固溶體的兩種元素隨比例不同可以互為溶質(zhì)或溶劑。） 形成無限固溶體的必要條件： 是溶劑與溶質(zhì)的晶體結(jié)構(gòu)相同。 間隙固溶體都是有限固溶體,2、置換固溶體 (P21),無序固溶體:溶質(zhì)原子的分布是無序的。 有序固溶體:溶質(zhì)原子的分布是有序的。 固溶體的有序化:無序固溶體向有序固溶體的轉(zhuǎn)變過程。 硬度和脆性增加，塑性下降。,4、影響溶解度的主要因素 （P22）,溶解度:溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度稱為溶質(zhì)在固溶體中的溶解度。 影響溶解度的主要因素: 1)溫度 2)原子直徑因素 3)晶體結(jié)構(gòu)因素 （鐵素體，奧氏體）,5、固溶體的性能（P22）,固溶強(qiáng)化：溶入溶質(zhì)元素形成固溶體而使金屬的強(qiáng)度、硬度升高的現(xiàn)象。固溶強(qiáng)化是金屬材料的一種重要的強(qiáng)化途徑。 固溶體的性能：一般來說，固溶體是一個硬度不高、塑性較好的一個相。,（二）金屬化合物（中間相）（P23）,在合金中，當(dāng)溶質(zhì)含量超過固溶體的溶解度時，除了形成固溶體外，還將出現(xiàn)新相。 這個新相可能是一種新的固溶體，也可能是一種化合物。如：Fe3C、FeS。 金屬化合物:具有金屬性質(zhì)的化合物。（其晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組元）,金屬化合物的性能（P23）,金屬化合物性能:一般都具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，硬而脆。 金屬化合物若以細(xì)小的粒狀均勻分布在固溶體相的基體上會使合金的強(qiáng)度、硬度進(jìn)一步提高，這種現(xiàn)象稱為第二相彌散強(qiáng)化。 在合金中，金屬化合物的多少、形態(tài)、大小、分布等對合金的性能有不同的影響。,金屬化合物的種類（P23）,1、正常價化合物:這類化合物符合正常的原 子價規(guī)律，成分固定并有嚴(yán)格分子式的 金屬化合物。 2、電子化合物:這類化合物不遵守原子價規(guī) 律而服從電子濃度規(guī)律。其晶體結(jié)構(gòu)主 要取決于電子濃度。,金屬化合物的種類（P23）,3、間隙化合物:間隙化合物一般是由原子半徑較大的過渡族金屬元素和原子半徑較小的非金屬元素組成的化合物。(非金屬元素有規(guī)則的嵌入金屬元素晶格的間隙中） a)當(dāng)非金屬原子直徑與金屬原子直徑比值小于0.59時，形成簡單晶格的間隙化合物，稱間隙相. b)當(dāng)非金屬原子直徑與金屬原子直徑比值大