金屬材料的任務(wù)一之活動(dòng)2

1、2022-4-121任務(wù)一 金屬及其結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬及其結(jié)構(gòu)與結(jié)晶金屬的晶體結(jié)構(gòu)建議：2課時(shí)學(xué)習(xí)活動(dòng)2學(xué)習(xí)目的與要點(diǎn)：1、熟悉并掌握金屬材料的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶、晶體與非晶體、晶格類型、晶體的缺陷的概念。2、能區(qū)別晶體與非晶體、晶體缺陷對(duì)金屬材料性能的影響學(xué)習(xí)重點(diǎn)與難點(diǎn)：重點(diǎn)：金屬材料的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶、晶體與非晶體、晶格類型、晶體的缺陷的概念難點(diǎn)：區(qū)別晶體與非晶體、晶體缺陷對(duì)金屬材料性能的影響一、金屬金屬 金屬鍵結(jié)合 具有正的電阻溫度系數(shù)、導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤。 固體: 晶體和非晶體。 絕大多數(shù)金屬與合金都是晶體。 晶體：原子在空間呈有規(guī)則的周期性重復(fù)排列。 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)：共有價(jià)電子電子

2、云鍵無(wú)方向性和飽和性 金屬的特性和金屬鍵；晶體與非晶體；金屬的特性和金屬鍵；晶體與非晶體； 金屬晶體結(jié)構(gòu)是決定性能的內(nèi)在基本因素之一；金屬晶體結(jié)構(gòu)是決定性能的內(nèi)在基本因素之一； 實(shí)際晶體中晶體缺陷普遍存在，對(duì)金屬的許多性質(zhì)，尤其實(shí)際晶體中晶體缺陷普遍存在，對(duì)金屬的許多性質(zhì)，尤其是力學(xué)性能有著重大的影響；是力學(xué)性能有著重大的影響； 純金屬結(jié)晶過(guò)程；純金屬結(jié)晶過(guò)程； 晶粒細(xì)化對(duì)提高金屬材料力學(xué)性能的顯著作用，凝固時(shí)細(xì)晶粒細(xì)化對(duì)提高金屬材料力學(xué)性能的顯著作用，凝固時(shí)細(xì)化晶粒的途徑和方法?；Я５耐緩胶头椒ā＝饘僭娱g的鍵合特點(diǎn)金屬鍵共有價(jià)電子電子云鍵無(wú)方向性和飽和性二、晶體與非晶體 晶體與非晶體最本

3、質(zhì)的區(qū)別在于：（1）晶體的原子、離子、分子等質(zhì)點(diǎn)是規(guī)則規(guī)則排列排列，而非晶體中這些質(zhì)點(diǎn)是無(wú)規(guī)則堆積在一起的。 天然晶體的外形對(duì)稱性天然晶體的外形對(duì)稱性。 （2）晶體具有明顯、固定的熔點(diǎn)熔點(diǎn)。如鐵的熔點(diǎn)為1538 ，銅的熔點(diǎn)為1083 。（3）晶體有各向異性。 金屬是晶體，晶體學(xué)理論是是研究金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)。提問(wèn)：你見(jiàn)過(guò)物質(zhì)中，哪些是晶體，哪些是非晶體？下列物質(zhì)中，哪些是晶體，哪些是非晶體？冰、玻璃、銅、松香、味精、橡膠、石蠟、白糖液體液體非晶體非晶體 蜂蠟、玻璃 等。晶體一些晶體的形狀 三、晶體學(xué)簡(jiǎn)介1、晶體結(jié)構(gòu)模型 理想晶體中，原子規(guī)則排列，原子在空間周期性地重復(fù)，每個(gè)原子具有相同的環(huán)境。 假

4、設(shè)：原子、離子等為固定不動(dòng)的剛性小球；將原子、離子等抽象為幾何的點(diǎn)。原子堆垛模型2、晶格、空間點(diǎn)陣、晶胞 空間點(diǎn)陣：幾何點(diǎn)(原子)在空間排列的陣列。 晶 格：幾何點(diǎn)(原子)排列的空間格架。 晶 胞：晶格中體積最小，對(duì)稱性最高的平行六面體。是能代表原子排列形式特征的最小幾何單元。晶格 a ab bc c zyxd 晶胞3、金屬晶體典型結(jié)構(gòu)布拉菲在1948年根據(jù)“每個(gè)陣點(diǎn)環(huán)境相同”的要求，用數(shù)學(xué)分析法證明晶體的空間點(diǎn)陣只有14種，稱為布拉菲點(diǎn)陣，分屬7個(gè)晶系。晶系晶系軸(棱邊)之間的夾角三斜晶系三斜晶系單斜晶系單斜晶系斜方晶系斜方晶系正方晶系正方晶系菱方晶系菱方晶系六方晶系六方晶系立方晶系立方晶系

5、三種典型晶體結(jié)構(gòu)體心立方體心立方面心立方面心立方密排六方密排六方4、幾個(gè)概念 原子半徑原子半徑：原子半徑是指晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的一半。 晶胞中所含原子數(shù)晶胞中所含原子數(shù)：晶胞中所含原子數(shù)是指一個(gè)晶胞內(nèi)真正包含的原子數(shù)目。 配位數(shù)配位數(shù)：是指在晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù)。 致致密度密度：是指晶胞中原子所占體積分?jǐn)?shù)，即K = n v/ V 。式中，n為晶胞所含原子數(shù)、v為單個(gè)原子體積、V為晶胞體積。 晶胞中所含原子數(shù)晶胞中所含原子數(shù) 晶胞中所含原子數(shù)是指一個(gè)晶胞內(nèi)真正包含的原子數(shù)目。晶胞中所含原子數(shù)是指一個(gè)晶胞內(nèi)真正包含的原子數(shù)目。 配位數(shù)配位數(shù) 是指在晶體

6、結(jié)構(gòu)中，與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù)。是指在晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù)。致密度致密度 是指晶胞中原子所占體積分?jǐn)?shù)，即是指晶胞中原子所占體積分?jǐn)?shù)，即K = n v/ V K = n v/ V 。式中，。式中，n n為為晶胞所含原子數(shù)、晶胞所含原子數(shù)、vv為單個(gè)原子體積、為單個(gè)原子體積、V V為晶胞體積。為晶胞體積。 原子半徑原子半徑 原子半徑是指晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的原子半徑是指晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的一半。一半。 四、金屬晶體典型結(jié)構(gòu)1、體心立方晶格參數(shù) Cr、V、Mo、W和-Fe等30 多種 2、面心立方晶格參數(shù) Al、Cu、Ni和

7、-Fe等約20種 3、密排六方結(jié)構(gòu) 金屬有：Zn、Mg、Be、-Ti、-Co等想一想：體心立方晶格、面心立方晶格、密排六方立方晶格各由多少原子組成？各由幾個(gè)原子？B A CDEFGHaaa2aAEFCa2a3a晶體結(jié)構(gòu)特征分析： 1、點(diǎn)陣參數(shù)a=b=c =90 2、晶胞中原子數(shù)=1+81/8=2 3、原子半徑 r = 3 /4 a 4、8 配位數(shù)越大，原子排列越緊密。 致密度=晶胞中所含原子占體積的總和/晶胞體積 = nV原子/V晶胞晶面及晶向的原子密度晶面及晶向的原子密度 不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列緊密程度是不一上的原子排列方式和排

8、列緊密程度是不一樣的。下頁(yè)的兩個(gè)表給出了體心立方晶格樣的。下頁(yè)的兩個(gè)表給出了體心立方晶格和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上的和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上的原子排列方式和緊密程度。原子排列方式和緊密程度。金屬中常見(jiàn)的三種晶體結(jié)構(gòu)特征小結(jié)金屬中常見(jiàn)的三種晶體結(jié)構(gòu)特征小結(jié)結(jié)構(gòu)類型晶胞原子數(shù)晶格常數(shù)原子半徑配位數(shù)致密度體心立方體心立方 2 a3a/4 8 0.68面心立方面心立方 4 a2a/4 12 0.74密排六方密排六方 6 a，c a/2 12 0.74五、單晶體與多晶體單晶體：只由一個(gè)晶粒組成的晶體 單晶體的晶格排列方位完全一致，單晶體必須人工制作。如單晶體硅、單晶體鍺多晶體：由很多大

9、小、外形和晶格排列方向均不相同的小晶體組成。小晶體稱為晶粒，晶粒間交界的地方稱為晶界。 普通金屬材料都是多晶體，雖然每個(gè)晶粒具有各向異性，但由于各個(gè)晶粒位向不同，加上晶界的作用，使得各晶粒的有向性互相抵消，因而整個(gè)多晶體呈現(xiàn)出無(wú)向性，即各向同性 結(jié)晶方位完全一致的晶體稱為“單晶體”，如下圖所示。單晶體在不同晶面和晶向的力學(xué)性能不同，這種現(xiàn)象稱為“各向異性”。 實(shí)際金屬晶體內(nèi)部包含了許多顆粒狀的小晶體，每個(gè)小晶體內(nèi)部晶格位向一致，而各小晶體之間晶格位向不同。小晶體稱為“晶粒”，晶粒與晶粒之間的界面稱為“晶界”。在晶界上原子排列是不規(guī)則的。這種由多晶粒構(gòu)成的晶體結(jié)構(gòu)稱為“多晶體”，如下圖所示，多晶

10、體呈現(xiàn)各向同性。 六、晶體的缺陷理想晶體：理想晶體：是指晶體中原子嚴(yán)格地成，完全規(guī)則和完整的排列，在每個(gè)晶格結(jié)點(diǎn)上都有原子排列而成的晶體。如理想晶胞在三維空間重復(fù)堆砌就構(gòu)成理想的單晶體。實(shí)際晶體：實(shí)際晶體：多晶體+晶體缺陷晶體缺陷：晶體缺陷：是晶體內(nèi)部存在的一些原子排列不規(guī)則和不完整的微觀區(qū)域，按其幾何尺寸特征，可分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷三類。 原子的不規(guī)則排列產(chǎn)生晶體缺陷。晶體缺陷在材料組織控制（如擴(kuò)散、相變）和性能控制（如材料強(qiáng)化）中具有重要作用。難點(diǎn)、重點(diǎn)1、點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、間隙原子、異類原子等。點(diǎn)缺陷的類型：點(diǎn)缺陷的類型：（1）空位： 肖脫基空位離

11、位原子進(jìn)入其它空位或遷移至晶界或表面。 弗蘭克爾空位-離位原子進(jìn)入晶體間隙。（2）間隙原子：位于晶體點(diǎn)陣間隙的原子。 （3）置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。2、線缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很小，而另一個(gè)方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯(cuò)。位錯(cuò)：兩維尺寸很小，一維尺寸大的原子不規(guī)則排列 一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。1） 刃型位錯(cuò)：刃型位錯(cuò)：(1)有一額外半原子面；有一額外半原子面；(2)位錯(cuò)線是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)晶格畸變管道。位錯(cuò)線是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)晶格畸變管道。 2）螺型位錯(cuò)）螺型位錯(cuò)3）混合位錯(cuò)）混合位錯(cuò)位錯(cuò)密度和金屬材料強(qiáng)度的關(guān)位錯(cuò)密度和金屬材料強(qiáng)度的關(guān)系系(1)位錯(cuò)在晶體

12、中存在形態(tài) 位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，密度高時(shí)互相纏繞，形成位錯(cuò)纏結(jié)。(2)位錯(cuò)密度 單位體積包含的位錯(cuò)總長(zhǎng)度= L / V 退火軟化金屬中=1010 1012 m - 2 冷變形金屬中= 1015 1016 m - 2。(3)金屬?gòu)?qiáng)度和位錯(cuò)的關(guān)系 金屬鐵須晶(直徑1.6m)： 13400MPa， 退火工業(yè)純鐵： 300MPa， 強(qiáng)化處理合金鋼： 2000MPa。300MPa 2000MPa13400MPa3、面缺陷： 兩維尺寸很大兩維尺寸很大,第三向尺寸很小第三向尺寸很小 類類型型 ： 晶體表面、晶界、亞晶界、層錯(cuò)、相界、晶界。晶體表面、晶界、亞晶界、層錯(cuò)、相界、晶界。 小小角度晶界角度晶界相鄰晶粒的位向差小于相鄰晶粒的位向差小于10的晶界?；旧嫌晌诲e(cuò)構(gòu)的晶界?；旧嫌晌诲e(cuò)構(gòu)成。成。 大角度晶界大角度晶界相鄰晶粒的位向差大于相鄰晶粒的位向差大于10的晶的晶 界。原子排列比較界。原子排列比較混亂，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜?；靵y，結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。亞晶界：亞晶界： 晶晶粒內(nèi)部位向差小于粒內(nèi)部位向差小于 1 的亞結(jié)構(gòu)，也稱為亞晶粒，亞晶的亞結(jié)構(gòu)，也稱為亞晶粒，亞晶之間的界面，稱為亞晶界。通常由位錯(cuò)構(gòu)成。之間的界面，稱為亞晶界。通常由位錯(cuò)構(gòu)成。相界相界：不同結(jié)構(gòu)的晶粒之間的界面：不同結(jié)構(gòu)的晶粒之間的界面界面結(jié)構(gòu)類型界面結(jié)構(gòu)類型: 共格界面共格界面, 半共格半共