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1、第二章 金属的晶体结构 P11 w 第一节 纯金属的晶体结构 w 第二节 合金的晶体结构 根据原子在物质内部的排列方式 可将固态 物质分为两大类 1 晶体 内部原子呈规则排 列的物质 如固态金属 2 非晶体 内部原子无 规则排列的物质 如松香 玻璃等 金属的晶体结构 是指金属材料内部的原子 的排列规律 它决定着材料的显微组织特性和材料 的宏观性能 第一节 纯金属的晶体结构 P13 w 金属键 金属原子间的结合 键称为金属键 带负电的自 由电子与带正电的的金属正离 子之间产生静电吸引力 使金 属原子结合在一起 这就是金 属键结合的本质 w 金属特性 良好的导电性和 导热性 强度高 具有塑性 有固
2、定熔点 各向异性 金属键模型图 一 晶体结构的基本知识 一 基本概念 P13 1 晶格 用于 描 述原子在晶体 中 排列规律的三 维 空间几何点阵 把原子看成 是 一个几何质点 把原子之间的 相 互联系与作用 假 想为几何直线 一 晶体结构的基本知识 一 基本概念 P13 1 晶胞 晶格中能 够代表晶格特征的 最小几何单元 2 晶格参数 晶体 学中用来描述晶胞 大小与形状的几何 参数 包括晶胞的 三个棱边长度a b c和三个棱边夹角 3 晶格常数 决定 晶胞大小的三个棱长 a b c 二 金属中常见的晶格 1 体心立方晶格 P14 w 晶格参数 a b c 90 立方体八个角上 各有一个原子
3、体心处有一个原子 每个晶胞中原子 数为2 1 8 8 1 w 属于体心 立方晶格 的常用金 属 铬 钨 钼 钒 铁 钛 铌 等 2 面心立方晶格 P14 w 晶格参数 a b c 90 晶胞的八个角上 各有一个原子 立方体六个面的面心各有一个原子 每个晶胞中原子数为4 1 8 8 1 2 6 w 属于面心立方晶格的常用金属 铁 铝 铜 镍等 3 密排立方晶格 P14 w 晶格参数 a b c 90 120 每个晶 胞中原子数为 6 1 6 12 1 2 2 3 w 属于密排六方晶格的常用金属 镁 锌 铍 钛 镉等 三 晶格的致密度 P14 w 致密度 原子所占的总体积 晶胞的体积 w 体心立方
4、晶格的致密度 0 68 w 面心立方晶格的致密度 0 74 w 密排六方晶格的致密度 0 74 四 晶面指数与晶向指数 P16 w 晶面 晶体中由物质质点所组成的平面 w 晶向 由物质质点所决定的直线 w 每一组平行的晶面和晶向都可用一组数字来标定其位 向 这组数字分别称为晶面指数和晶向指数 w 晶面指数的确定 晶面与三个坐标轴截距的倒数取最 小整数 用圆括号表示 如 111 112 w 晶向指数的确定 通过坐标原点直线上某一点的坐标 用方括号表示 如 111 3 晶面族与晶向族 P16 w 晶面族 晶面指数中各个数字相同但是符号不 同或排列顺序不同的所有晶面 这些晶面上的 原子排列规律相同
5、具有相同的原子密度和性 质 如 110 110 101 011 101 110 011 w 晶向族 原子排列密度完全相同的晶向 如 111 111 111 111 五 晶体的各向异性 P17 在晶体中 由于各个晶面和晶向上原子排列密度 不同 使原子间的相互作用力也不相同 因此在同一 单晶体内不同晶面和晶向上的性能也是不同的 这种 现象称为晶体的各向异性 五 晶体的各向异性 P17 w 晶体分单晶体和多晶体 单晶体 晶体内各处晶格位向一致的晶体 多晶体 晶体内晶格位向不相同的晶体 w 实际金属是多晶体 五 晶体的各向异性 多晶体结构 P17 二 纯金属的实际晶体结构 一 晶粒与亚晶粒 P17 w
6、 晶粒 金属晶体中 晶格位向基本一致 并 有边界与邻区分开的区域 P18图2 8 w 晶界 晶粒之间原子排列不规则的区域 w 实际金属晶粒大小除取决于金属种类外 主要 取决于结晶条件和热处理工艺 w 亚晶粒 晶粒内部晶格位向差小于2 3 的更小的晶块 w 亚晶界 亚晶粒间的过渡区 二 晶体中的晶体缺陷 P18 w 晶体缺陷 是指晶体中原子排列不规则的区域 w 根据晶体缺陷的几何特点和对原子排列不规则 性的影响范围可分为三大类 1 点缺陷 2 线缺陷 3 面缺陷 1 点缺陷 P18 w 以一个点为中心 在它周围造成原子排列不规则 产 生晶格畸变和内应力的缺陷 点缺陷类型主要有三种 1 间隙原子
7、2 晶格空位 3 置换原子 在晶格的结点处 出现原子直径不 同的异类原子的 晶体缺陷 置换原子示意图 1 点缺陷 P18 间隙原子 在晶 格的间隙处出现多 余原子的晶体缺陷 晶格空位 在晶 格的结点处出现缺 少原子的晶体缺陷 2 线缺陷 P19 w 主要是指各种形式的位错 w 位错 是指晶体中某一列或若干列原子发生了 有规律的错排现象 w 位错密度 单位体积内 位错线的长 度 cm 2 3 面缺陷 P19 主要是指晶界和亚晶界 它是由于受到其两侧的不 同晶格位向的晶粒或亚晶粒的影响而使原子呈不规则 排列 第二节 合金的晶体结构 一 基本概念 P20 w 合金 是指由一种金属元素与另外一种或多种
8、 金属或非金属元素 通过熔炼或烧结等方法所 形成的具有金属性质的新金属材料 如 碳素 钢 铁 碳 黄铜 铜 锌 铅青铜 铜 锌 铅 w 组元 组成合金的最基本的 能独立存在的物 质 组成合金的各个化学元素及稳定的化合物 都 是组元 合金中有几种组元就称之为几元 合金 碳素钢是二元合金 铅青铜是三元合金 第二节 合金的晶体结构 一 基本概念 w 合金系 是指具有相同组元 而成分比例不同 的一系列合金 如各种碳素钢 w 相 是指在合金中 凡是化学成分相同 晶体 结构相同并有界面与其它部分分隔开来的一个 均匀区域 在一个相中可以有多个晶粒 但是 一个晶粒中只能是同一个相 w 合金中有两类基本的相结构
9、 固溶体和金属化 合物 第二节 合金的晶体结构 一 基本概念 w 显微组织 是指在显微镜下看到的相和晶粒的 形态 大小和分布 它可以看作是由各个相组 成的 w 合金的显微组织可以看作是由各个相所组成的 这些相称为合金组织的相组成物 也可以看 作是基本组织所组成的 这些基本组织称为合 金组织的组织组成物 合金的力学性能不仅取 决于它的化学成分 更取决于它的显微组织 二 合金的相结构 P20 w 合金的晶体结构 是指合金中各个相的 晶体结构 简称相结构 w 合金的相结构通常分为两大类 一 固溶体 二 金属化合物 一 固溶体 P20 w 固溶体 合金结晶成固态时 溶质原子分布在 溶剂晶格中形成的一种
10、与溶剂有相同晶格的相 w 固溶体与溶剂具有相同晶体结构 w 固溶体的类型 1 间隙固溶体 2 置换固 溶体 1 间隙固溶体 P21 间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂的晶格 间隙中所形 成的固溶体 都是有限固 溶体 也是 无序固溶体 2 置换固溶体 P21 w 置换固溶体 溶质原子代替溶剂原子占 据着溶剂晶格结点位置而形成的固溶体 w 置换固溶体可 以是有限固溶 体也可以是无 限固溶体 A 溶剂 B 溶质 a 无序固溶体 b 有序固溶体 2 置换固溶体 P21 w 有限固溶体 固溶体的溶解度是有限的 w 无限固溶体 固溶体的溶解度是无限的 组 成固溶体的两种元素随比例不同可以互为溶质 或溶剂 w
11、形成无限固溶体的必要条件 是溶剂与溶质的晶体结构相同 2 置换固溶体 P21 w 无序固溶体 溶质原子的分布是无序的 w 有序固溶体 溶质原子的分布是有序的 w 固溶体的有序化 无序固溶体向有序固溶 体的转变过程 硬度和脆性增加 塑性 下降 4 影响溶解度的主要因素 P22 w 溶解度 溶质在固溶体中的极限浓度称为 溶质在固溶体中的溶解度 w 影响溶解度的主要因素 1 温度 2 原子直径因素 3 晶体结构因素 5 固溶体的性能 P22 w 固溶强化 溶入溶质元素形成固溶体而 使金属的强度 硬度升高的现象 固溶 强化是金属材料的一种重要的强化途径 w 固溶体的性能 一般来说 固溶体是一 个硬度不
12、高 塑性较好的一个相 二 金属化合物 中间相 P23 w 在合金中 当溶质含量超过固溶体的溶解度时 除了形成固溶体外 还将出现新相 w 这个新相可能是一种新的固溶体 也可能是一 种化合物 如 Fe3C FeS w 金属化合物 具有金属性质的化合物 其晶 体结构不同于任一组元 金属化合物的性能 P23 w 金属化合物性能 一般都具有复杂的晶格结构 熔点高 硬而脆 w 金属化合物若以细小的粒状均匀分布在固溶体 相的基体上会使合金的强度 硬度进一步提高 这种现象称为第二相弥散强化 w 在合金中 金属化合物的多少 形态 大小 分布等对合金的性能有不同的影响 金属化合物的种类 P23 1 正常价化合物
13、这类化合物符合正常的 原 子价规律 成分固定并有严格分子式 的 金属化合物 2 电子化合物 这类化合物不遵守原子价 规 律而服从电子浓度规律 其晶体结构 主 要取决于电子浓度 金属化合物的种类 P23 3 间隙化合物 间隙化合物一般是由原子半径较 大的过渡族金属元素和原子半径较小的非金属 元素组成的化合物 非金属元素有规则的嵌 入金属元素晶格的间隙中 a 当非金属原子直径与金属原子直径比值小于 0 59时 形成简单晶格的间隙化合物 称间隙 相 b 当非金属原子直径与金属原子直径比值大于 0 59时 则不能产生间隙相 而形成复杂结构 的间隙化合物 间隙相 复杂结构的间隙化合物 间隙固溶体的区别 1 晶体结构 间隙固溶体的晶体结构与溶剂相同 而间隙相和复杂结构的间隙化合物的晶体结 构不同于任一组元 间隙相具有简单的晶体结 构 2 性能 间隙固溶体硬度低 塑性好 通常作为 基体使用 间隙相和复杂结构的间隙化合物都 具有高熔点 高硬度 尤其是间隙相 通常 作为弥散强化相 作业 P25 第1题 第3题 第8题
