工程材料學-第2章-材料的結構-zcs

1、l一、晶體結構的基本概念一、晶體結構的基本概念l二、金屬的晶體結構二、金屬的晶體結構l 1、純金屬的晶體結構、純金屬的晶體結構l 2、實際金屬的晶體結構、實際金屬的晶體結構l 3、合金的晶體結構、合金的晶體結構l物質由原子組成。物質由原子組成。l原子的原子的結合方式結合方式和和排排列方式列方式決定了物質的決定了物質的性能。性能。l原子、離子、分子之原子、離子、分子之間的結合力稱為間的結合力稱為結合結合鍵鍵。它們的具體組合它們的具體組合狀態(tài)稱為狀態(tài)稱為結構結構。C60金屬的結構金屬的結構晶態(tài)晶態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結構的結構l1、晶體與非晶體、晶體與非晶體l晶體晶體是指原子呈規(guī)則排是指原子呈規(guī)

2、則排列的固體。列的固體。常態(tài)下金屬常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性晶體具有各向異性。l非晶體非晶體是指原子呈無序是指原子呈無序排列的固體。排列的固體。在一定條在一定條件下晶體和非晶體可互件下晶體和非晶體可互相轉化。相轉化。l2、晶格與晶胞、晶格與晶胞l將晶體中在三維空間有將晶體中在三維空間有序排列的原子視為質點，序排列的原子視為質點，用假想的直線將質點連用假想的直線將質點連接起來所形成的接起來所形成的三維幾三維幾何格架何格架稱為稱為晶格。晶格。l晶格中各線的交點晶格中各線的交點稱為稱為陣點。陣點。晶格晶格l晶胞晶胞l從晶格中取一個從晶格中取一個最小最小的立體的

3、立體單元（最小的單元（最小的平行六面體平行六面體）稱為稱為晶胞。晶胞。l晶胞選取原則：晶胞選取原則：l（1 1）能充分反映整個空間能充分反映整個空間點陣的點陣的對稱性。對稱性。l（2 2）晶胞內晶胞內棱、角相等棱、角相等的的數(shù)目最多，且具有盡可能多數(shù)目最多，且具有盡可能多的的直角直角；l（3 3）體積最小。）體積最小。晶胞晶胞l（1）晶格常數(shù)）晶格常數(shù)l用來描述晶胞用來描述晶胞大小和形狀大小和形狀的參數(shù)的參數(shù)稱為稱為晶格常數(shù)。晶格常數(shù)。包括：包括：晶胞各邊晶胞各邊的長度的長度 a、b、c；各棱的夾角；各棱的夾角 、 、 。l（2）晶系）晶系l根據(jù)晶格常數(shù)的特點將晶體結構根據(jù)晶格常數(shù)的特點將晶體

4、結構劃分為劃分為7個晶系個晶系。l90%以上的金屬具有立方晶系和以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。六方晶系。l立方晶系：立方晶系：a=b=c， = = =90 l六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c， = =90 ， =120 晶格常數(shù)晶格常數(shù)立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交單斜單斜三斜三斜l（3）原子半徑：）原子半徑：晶胞中原子密晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的度最大方向上相鄰原子間距的一半。一半。l（4）晶胞原子數(shù)：）晶胞原子數(shù)：一個晶胞內一個晶胞內所包含的原子數(shù)目。所包含的原子數(shù)目。l（5）配位數(shù)）配位數(shù): 晶格中與任一原晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目子距離最

5、近且相等的原子數(shù)目.l（6）致密度：）致密度：晶胞中原子本身晶胞中原子本身所占的體積百分數(shù)。所占的體積百分數(shù)。l3、立方晶系晶面、晶向表示方法立方晶系晶面、晶向表示方法l晶體中各方位上的原子面稱晶體中各方位上的原子面稱晶面。晶面。 l標定方法：標定方法：l1、建立坐標系：、建立坐標系：以一個原子為中心，以一個原子為中心，以三棱邊為坐標軸；以三棱邊為坐標軸；l2、求出待標定晶面在三個坐標軸上的求出待標定晶面在三個坐標軸上的截距，如截距，如a、b、c。l3、計算其倒數(shù)；計算其倒數(shù)；l4、化成化成最小、整數(shù)最小、整數(shù)比比 h：k：l;l5、放在圓括號中（放在圓括號中（hkl），不加逗號。），不加逗號

6、。l例一例一.求截距為求截距為、1、 晶面的指數(shù)晶面的指數(shù)截距值取倒數(shù)為截距值取倒數(shù)為0、1、0，加圓括，加圓括弧得（弧得（010）l例二例二.求截距為求截距為2、3、 晶面的指數(shù)晶面的指數(shù)取倒數(shù)為取倒數(shù)為1/2、1/3、0, 化為最小整化為最小整數(shù)加圓括弧得（數(shù)加圓括弧得（320）l例三例三.畫出（畫出（112）晶面）晶面 取三指數(shù)的倒數(shù)取三指數(shù)的倒數(shù)1、1、1/2, 化成最化成最小整數(shù)為小整數(shù)為2、2、1，即為，即為X、Y、Z三三坐標軸上的截距坐標軸上的截距（010）（320）（112）l3、立方晶系晶面、晶向表示方法立方晶系晶面、晶向表示方法l各方向上的原子列稱各方向上的原子列稱晶向。晶

7、向。 l標定方法：標定方法：l1、建立坐標系：、建立坐標系：以一個原子為中心，以一個原子為中心，以三棱邊為坐標軸；以三棱邊為坐標軸；l2、在晶向上任取兩點，坐標為：（在晶向上任取兩點，坐標為：（a1，b1，c1）（）（a2，b2，c2）；）；l3、計算（計算（ a2 a1）：（）：（ b2 b1）：）：（ c2 c1 ） ；l4、化成化成最小、整數(shù)最小、整數(shù)比比 u：v：w;l5、放在方括號中放在方括號中uvw，不加逗號。，不加逗號。l例一、例一、已知某過原點晶向上一點的坐標為已知某過原點晶向上一點的坐標為1、1.5、2，求該直線的晶向指數(shù)。，求該直線的晶向指數(shù)。l將三坐標值化為最小將三坐標值

8、化為最小整數(shù)加方括弧得整數(shù)加方括弧得234.l例二、例二、已知晶向指數(shù)已知晶向指數(shù)為為110, 畫出該晶向。畫出該晶向。l找出（找出（1，1，0）坐標）坐標點點,連接原點與該點的連接原點與該點的直線即所求晶向。直線即所求晶向。110234說明：說明： 在立方晶系中，指數(shù)在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相相同的晶面與晶向相互垂直互垂直。 遇到負指數(shù)，遇到負指數(shù)，“- -”號號放在該指數(shù)的上方。放在該指數(shù)的上方。 晶向具有方向性，晶向具有方向性， 如如110與與110方方 向相反。向相反。XZY(221)221110110l1、純金屬的晶體結構、純金屬的晶體結構l金屬原子是通過正離子與自金屬原子

9、是通過正離子與自由電子的相互作用而結合的，由電子的相互作用而結合的，稱為稱為金屬鍵金屬鍵。l金屬原子趨向于緊密排列。金屬原子趨向于緊密排列。價電子云價電子云正離子正離子金屬鍵示意圖金屬鍵示意圖l具有良好的導熱性、導電性、延展性及金屬光澤。具有良好的導熱性、導電性、延展性及金屬光澤。l常見純金屬的晶格類型有體心立方常見純金屬的晶格類型有體心立方(bcc)、面心立方、面心立方(fcc)和密排六方和密排六方(hcp)晶格。晶格。三種典型的金屬晶體晶胞三種典型的金屬晶體晶胞 屬于此類結構的金屬有：堿金屬、難溶金屬（V、Nb、Ta、Cr、Mo、W）a-Fe等 屬于此類結構的金屬的有：Al、貴重金屬、-F

10、e、Ni、Pb、Pd、Pt以及奧氏體不銹鋼等。 屬于此類結構的金屬有： Mg、Zn、 a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Hf、a-Co等。體心立方晶胞體心立方晶胞bcc面心立方晶胞面心立方晶胞fcc密排六方晶胞密排六方晶胞hcpl體心立方晶格體心立方晶格 BCC Body-centered Cubic常見金屬：常見金屬： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等原子位置原子位置：立方體的八個頂角和晶胞：立方體的八個頂角和晶胞中心各一個原子中心各一個原子晶格特征晶格特征：a=b=c，=90常見金屬：常見金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等l面心立方晶格面心立方晶格 FCC Face-ce

11、ntered Cubic原子位置原子位置：立方體的八個頂角和每個：立方體的八個頂角和每個側面中心各一個原子側面中心各一個原子晶格特征晶格特征：a=b=c，=90常見金屬：常見金屬： Mg、Zn、 Be、Cd等等l密排六方晶格密排六方晶格 HCP Hexagonal Close-packed原子位置原子位置：12個頂角、上下底心個頂角、上下底心各一個原子，晶胞內各一個原子，晶胞內3個原子。個原子。晶格特征晶格特征：a=bc，=90，=120 l 三種常見晶格的密排面和密排方向三種常見晶格的密排面和密排方向l單位面積晶面上的原子數(shù)稱單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度晶面原子密度。l單位長度晶向上

12、的原子數(shù)稱單位長度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度晶向原子密度。l原子密度最大的晶面或晶向稱原子密度最大的晶面或晶向稱密排面密排面或或密排方向密排方向。密排面密排面數(shù)量數(shù)量密排方向密排方向數(shù)量數(shù)量體心立方晶格體心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1底面對角線底面對角線3體心立方體心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面l變形金屬晶粒尺寸約變形金屬晶粒尺寸約1100 m, 鑄造金屬可達幾鑄造金屬可達幾mm.純鐵組織純鐵組織晶粒示意圖晶粒示意圖l 單晶體與多晶體單晶體與多晶體l單晶體：單晶體：其內部晶格方位完其

13、內部晶格方位完全一致的晶體。全一致的晶體。l多晶體：多晶體：l晶粒：晶粒：實際使用的金屬材料實際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為些小晶體稱為晶粒晶粒。鉛錠宏觀組織鉛錠宏觀組織l晶粒越細小，晶界面積越大。晶粒越細小，晶界面積越大。l多晶體：多晶體：由多晶粒組成的晶體結構。由多晶粒組成的晶體結構。光學金相顯示的純鐵晶界光學金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖多晶體示意圖l通常原子排列的密排面和密排方向上強度高。例如通常原子排列的密排面和密排方向上強度高。例如-Fe（BCC）在）在111方向上的強度遠大于方向上的強度

14、遠大于100方向上的強度。方向上的強度。l多晶體：各向同性多晶體：各向同性l多晶體材料中，盡管每個晶粒內部像單晶體那樣呈現(xiàn)各向多晶體材料中，盡管每個晶粒內部像單晶體那樣呈現(xiàn)各向異性，每個晶粒在空間的取向是隨機分布，大量晶粒的綜異性，每個晶粒在空間的取向是隨機分布，大量晶粒的綜合作用，整個材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性。合作用，整個材料宏觀上不出現(xiàn)各向異性。l正常的晶體對稱性遭到破正常的晶體對稱性遭到破壞，或者晶格的不完整部壞，或者晶格的不完整部位稱位稱晶體缺陷晶體缺陷。l實際金屬中存在著大量的實際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三晶體缺陷，按形狀可分三類類, 即即點、線點、線、面缺陷面缺陷。l

15、空間三維尺寸都很小，原子尺度的空間三維尺寸都很小，原子尺度的晶晶體缺陷體缺陷。l點缺陷的類型：點缺陷的類型：l空位：空位：在晶格結點位置應有原子的地在晶格結點位置應有原子的地方空缺，這種缺陷稱為空位方空缺，這種缺陷稱為空位l間隙原子：間隙原子：晶格的非結點位置是晶格晶格的非結點位置是晶格的間隙，填充在間隙位置的原子稱為的間隙，填充在間隙位置的原子稱為間隙原子。它可以是間隙原子。它可以是同類原子，也可同類原子，也可以是異類原子。以是異類原子。l置換原子置換原子：在一種類型的原子組成的：在一種類型的原子組成的晶格中，晶格中，不同種類不同種類的原子占據(jù)原有的的原子占據(jù)原有的原子位置。原子位置。l點缺

16、陷破壞了原子的平衡狀點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶晶格畸變格畸變。從而使強度、硬。從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降度提高，塑性、韌性下降空位空位間隙原子間隙原子大置換原子大置換原子小置換原子小置換原子l線缺陷線缺陷l在三維空間的一個方向上尺寸很大，另外兩個方向上尺寸在三維空間的一個方向上尺寸很大，另外兩個方向上尺寸很小的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯很小的晶體缺陷。其具體形式就是晶體中的位錯（Dislocation）l位錯：位錯：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未移，滑

17、移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作滑移區(qū)的交界線稱作位錯位錯。分為。分為刃型位錯、螺型位錯刃型位錯、螺型位錯和和混合位錯混合位錯.刃型位錯刃型位錯 螺型位錯螺型位錯l刃型位錯：刃型位錯：當一個完整晶體某晶面以上的某處多當一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是個多余原子面的邊緣就是刃型位錯刃型位錯。l半原子面在滑移面以上的稱半原子面在滑移面以上的稱正位錯正位錯，用，用“ ”表表示示.l半原子面在滑移面以下的稱半原子面在滑移面以下的稱負位錯負位錯，用，用“ ”表表示示.l位錯密度：位錯密度：單位體積內

18、所包單位體積內所包含的位錯線總長度。含的位錯線總長度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)l金屬的位錯密度為金屬的位錯密度為1041012/cm2l位錯對性能的影響位錯對性能的影響：金屬的金屬的塑性變形主要由位錯運動引塑性變形主要由位錯運動引起，因此阻礙位錯運動是強起，因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑?；饘俚闹饕緩?。l減少或增加位錯密度都可以減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度。提高金屬的強度。金屬晶須金屬晶須退火態(tài)退火態(tài)(105-108/cm2) 加工硬化態(tài)加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2) 透射電鏡下鈦合金中的位錯線透射電鏡下鈦合金中的位錯線( (黑線黑線) )l面缺

19、陷面缺陷l在三維空間的兩個方向上尺寸很大，另外一個方向上尺寸很小的晶體在三維空間的兩個方向上尺寸很大，另外一個方向上尺寸很小的晶體缺陷。包括：晶界、相界、亞晶界和層錯。缺陷。包括：晶界、相界、亞晶界和層錯。l晶界晶界是不同位向晶粒的過度部位是不同位向晶粒的過度部位，寬度為，寬度為510個原子間距，位向差一個原子間距，位向差一般為般為2040。l亞晶粒亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2 )的小晶塊。的小晶塊。l亞晶粒之間的交界面稱亞晶粒之間的交界面稱亞晶界亞晶界，可看作可看作位錯壁位錯壁。l晶界的特點：晶界的特點：l 原子排列不規(guī)則原子排列不規(guī)則

20、。l 熔點低熔點低。l 耐蝕性差耐蝕性差。l 易產生內吸附易產生內吸附，外來原，外來原子易在晶界偏聚。子易在晶界偏聚。l 阻礙位錯運動阻礙位錯運動，是強化，是強化部位，因而實際使用的金部位，因而實際使用的金屬力求獲得細晶粒。屬力求獲得細晶粒。l 是相變的優(yōu)先形核部位是相變的優(yōu)先形核部位. 顯微組織的顯示顯微組織的顯示l合金合金是指由兩種或兩種是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金以上元素組成的具有金屬特性的物質。屬特性的物質。l組成合金的元素可以是組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金全部是金屬，也可是金屬與非金屬。屬與非金屬。l組成合金的元素相互作組成合金的元素相互作用可形成不同的用可形成不

21、同的相相。Al-Cu兩相合金兩相合金黃銅黃銅l所謂所謂相相是指金屬或合金中凡是指金屬或合金中凡成分相同、結構相同，并與成分相同、結構相同，并與其它部分有界面分開的均勻其它部分有界面分開的均勻組成部分。組成部分。l顯微組織顯微組織實質上是指在顯微實質上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小形態(tài)、數(shù)量、大小和和分布分布的組合。的組合。l固態(tài)合金中的相分為固態(tài)合金中的相分為固溶體固溶體和和金屬化合物金屬化合物兩類。兩類。單相單相合金合金兩相兩相合金合金l 固溶體固溶體l合金中其結構與組成元素之一的晶體結構相同的固合金中其結構與組成元素之一的晶體結構

22、相同的固 相稱相稱固溶體固溶體。用用 、 、 表示表示. .l與固溶體晶體結構相同的元與固溶體晶體結構相同的元素稱素稱溶劑溶劑。其它元素稱。其它元素稱溶質溶質. .l固溶體是合金的重要組成相固溶體是合金的重要組成相, ,實際合金多是單相固溶體合實際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。金或以固溶體為基的合金。l按溶質原子所處位置分為按溶質原子所處位置分為置置換固溶體換固溶體和和間隙固溶體間隙固溶體。Cu-Ni置換固溶體置換固溶體Fe-C間隙固溶體間隙固溶體l 置換固溶體置換固溶體l溶質原子占據(jù)溶劑晶格某些結點位置所形成的固溶溶質原子占據(jù)溶劑晶格某些結點位置所形成的固溶體體.l溶質原子呈無

23、序分布的稱溶質原子呈無序分布的稱無序固溶體，無序固溶體，呈有序分布呈有序分布的稱的稱有序固溶體。有序固溶體。黃銅置換固溶體組織黃銅置換固溶體組織l 間隙固溶體間隙固溶體l溶質原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。溶質原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。l形成間隙固溶體的溶質元素是原子半徑較小的非金屬元素，形成間隙固溶體的溶質元素是原子半徑較小的非金屬元素，如如C、N、B等，而溶劑元素一般是過等，而溶劑元素一般是過渡族元素。渡族元素。l形成間隙固溶體的一般規(guī)律為形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r劑劑/r質質0.59。l間隙固溶體都是無序固溶體。間隙固溶體都是無序固溶體。馬氏體馬氏體l 固溶體的溶解度固溶

24、體的溶解度l溶質原子在固溶體中極限濃度溶質原子在固溶體中極限濃度.l溶解度有一定限度的固溶體稱溶解度有一定限度的固溶體稱有限固溶體有限固溶體。組成元素無限互組成元素無限互溶的固溶體稱溶的固溶體稱無限固溶體無限固溶體。l組成元素原子半徑、電化學性組成元素原子半徑、電化學性相近，晶格類型相同的置換固相近，晶格類型相同的置換固溶體，才可能形成無限固溶體溶體，才可能形成無限固溶體. l間隙固溶體都是有限固溶體。間隙固溶體都是有限固溶體。Cu-Ni無限固溶體無限固溶體Cu-Zn有限固溶體有限固溶體固溶體固溶體化合物化合物l 固溶體的性能固溶體的性能l隨溶質含量增加隨溶質含量增加, 固溶體的固溶體的強度、硬度增加強度、硬度增加, 塑性、韌塑性、韌性下降性下降固溶強化固溶強化。l產生固溶強化的原因是溶質產生固溶強化的原因是溶質 原