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1、 工程材料与机械制造基础 讲课教师 石璞 第三章金属的晶体结构与结晶 内容 1晶体的基本知识 2金属的晶体结构 3合金的晶体结构 4实际金属的晶体结构 1晶体与非晶体 一 晶体与非晶体的区别 a 是否具有周期性 对称性 b 是否长程有序 c 是否有确定的熔点 d 是否各向异性 晶体 材料中的原子 离子 分子 在三维空间呈规则 周期性排列 非晶体 原子无规则堆积 也称为 过冷液体 二 晶格 晶胞和晶格常数 1 晶体结构晶体中原子 离子或分子 在空间的具体排列 2 阵点 结点 把原子 离子或分子 抽象为规则排列于空间的几何点 称为阵点或结点 晶体结构 原子 离子 的刚球模型 晶体结构 点阵 晶格
2、模型 3 点阵在空间的排列方式称为空间点阵 简称点阵 4 晶面点阵中的结点所构成的平面 5 晶向点阵中的结点所组成的直线 晶体结构 6 晶格把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格 7 晶胞构成晶格的最基本单元 由于晶体中原子排列的规律性 可以用晶胞来描述其排列特征 晶胞 8 晶格常数晶胞的棱边长度a b c和棱间夹角 是衡量晶胞大小和形状的六个参数 其中a b c称为晶格常数或点阵常数 其大小用A来表示 1A 10 8cm 若a b c 90 这种晶胞就称为简单立方晶胞 具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格 晶胞 X Y Z a b c 晶格常数a b c 9晶格的致
3、密度 是指其晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比 2金属晶体结构 一 金属的特性和金属键1 金属键 金属原子间的结合键 特点是电子公有化 电子云2 电子云 当金属原子结合成晶体时 价电子不再被束缚在各个原子上 而是在整个晶体内运动 从而形成电子云 导电 导热 高强度和塑性 紧密排列和对称 3 金属晶体 失去价电子的金属正离子与组成电子云的自由电子之间产生的静电引力使金属原子结合在一起 从而形成了金属晶体 二 常见金属的晶体结构类型 体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格 常见金属的晶体结构 90 1 体心立方晶格bcc 铬 Cr 钼 Mo 钨 W 钒 V 和 Fe 温度小于912
4、纯铁 体心立方晶胞 体心立方晶格最小单位 晶格常数 a b c 90 晶胞原子数 原子半径 致密度 0 68致密度 Va Vc 其中Vc 晶胞体积a3Va 原子总体积2 4 r3 3 X Y Z a b c 2r 2r a a 2 2 面心立方晶格fcc 铝 Al 铜 Cu 镍 Ni 铅 Pb 和 Fe等 温度在1394 912 纯铁 面心立方晶胞 晶格常数 a b c 90 晶胞原子数 原子半径 致密度 0 74 X Y Z a b c 密排方向 4 3 密排六方晶格hcp C 石墨 Mg Zn等 晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120 侧面与底面夹角90 晶胞原子数 6 原子半径 a
5、2 致密度 0 74 铍 Be 镁 Mg 锌 Zn 镉 Cd 2 金属晶体中的晶面和晶向 X Y Z a b c 晶面通过原子中心的平面 晶向通过原子中心的直线所指的方向 3 金属晶体的特性 1 有确定的熔点 熔点 晶体 非晶体 2 各向异性 X Y Z 三 晶面及晶向指数 在研究金属晶体结构的细节及其性能时 往往需要分析它们的各种晶面和晶向中原子分布的特点 这样有必要给各种晶面和晶向定出一定的符号 以表示出它们在晶体中的方向 从而便于分析 晶面和晶向的这种符号分别叫 晶面指数 和 晶向指数 晶向 各个方向上的原子列 晶面 原子面 一 晶面指数的确定 如图设晶格中 某一原子为原点 通过该点平行
6、于晶胞的三棱边作OX OY OZ三坐标轴 以晶格常数a b c分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位 求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距 将所得三截距之值变为倒数 再将这三个倒数按比例化为最小整数并加上一圆括号即为晶面指数 一般表示形式 hkl 晶面指数的确定 1 PBEQ面 在三坐标轴上的截距分别是1 2 1 截距倒数分别是 2 1 0 化为最小整数后的晶面指数 210 2 AGE面 截距1 1 1 倒数1 1 1 晶面指数 111 3 DBEG面 截距1 1 倒数1 1 0 晶面指数 110 4 DCFG面 截距1 倒数1 0 0 晶面指数 100 值得注意 晶面指数 并非仅指一晶格中的某
7、一个晶面 而是泛指该晶格中所有那些与其相平行的位向相同的晶面 在一种晶格中 如果某些晶面 虽然它们的位向不同 但原子排列相同 如 100 010 及 001 等 这时若不必要予以区别时 可把这些晶面统用 100 表示 即 hkl 这类符号系指某一确定位向的晶面指数 而 hkl 则可指所有那些位向不同而原子排晶面指数的确定列相同的晶面指数 二 晶向指数的确定 通过坐标原点引一直线 使其平行于所求的晶向 求出该直线上任意一点的三个坐标值 将三个坐标值按比例化为最小整数 加一方括号 即为所求的晶面指数 其一般形式 uvw 如 AB的晶向指数 过O作一平行直线OP 其上任一点的坐标 1 1 0 这样所
8、求AB的晶向指数即为 110 OB 本身过原点不必作平行线 其上任一点的坐标 111 其晶向指数 111 OC 其上任一点C的坐标 100 其晶相指数 100 同理 OD晶向指数 010 OA为 001 同样 100 代表方向相同的一组晶向 晶向指数的确定而则代表方向不同但原子排列相同的晶向 四 晶面和晶向原子密度 晶面 晶向 不同晶面或晶向上原子密度不同 引起性能不同的现象称谓各向异性 如体心立方晶格的铁晶体 在方向的E 290000MN m2 在方向E 135000MN m2 破裂 工业材料中 各向异性不明显 E 210000MN m2 3合金的晶体结构 一 合金的基本概念1 合金 由两种
9、或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质 2 组元 组成合金的独立的 最基本的单元叫做组元 组元可以是纯元素或稳定化合物 3 二元合金 由两个组元组成的合金称为二元合金 例如工程上常用的铁碳合金 铜镍合金 铝铜合金等 4 相 在金属或合金中 凡化学成分相同 晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相 用于描述金属或者合金中元素的结合方式 二 固态 合金的相结构 固态合金的相结构有两大类 固溶体和金属化合物 一 固溶体 固态溶液 固溶体 合金组元通过 溶解 形成一种成分和性能均匀的 且结构与组元之一相同的固相 溶剂 与固溶体晶格
10、相同的组元 一般在合金中含量较多 溶质 以原子状态分布在溶剂晶格中 一般含量较少 1 固溶体的分类 1 按溶质原子的位置分固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种 置换固溶体中溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子 间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中 置换固溶体 间隙固溶体 2 溶解度分固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种 若溶质可以任意比例溶入 即溶质溶解度可达100 则固溶体为无限固溶体 3 分布有序度分固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种 溶质原子有规则分布的为有序固溶体 无规则分布的为无序固溶体 2 固溶体的性能溶质原子溶入 晶格畸变 位错运动阻力上升 金属塑性变形困难 强度 硬
11、度升高 这种通过形成固溶体 使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化 固溶强化是金属强化的一种重要形式 在溶质含量适当时 可显著提高材料的强度和硬度 而塑性和韧性没有明显降低 纯铜的 b为220MPa 硬度为40HB 断面收缩率 为70 当加入1 镍形成单相固溶体后 强度升高到390MPa 硬度升高到70HB 而断面收缩率仍有50 所以固溶体的综合机械性能很好 常常作为结构合金的基体相 固溶体类型 固溶强化 形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象 正常晶格 晶格畸变 晶格畸变 小原子置换引起的晶格畸变 间隙原子引起的晶格畸变 二 金属化合物 溶剂A 溶质B C 例如 3Fe C Fe3C体心六方复
12、杂结构 金属化合物的结构特点 具有原子整数倍关系 3Fe C Fe3C体心六方复杂结构 8000 HB803 50 0 合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物 或称中间相 渗碳体 Fe3C 晶格结构示意图 金属化合物的主要性能 具有一定程度的金属性质 具有较高的熔点 硬度较高 脆性高 4实际金属晶体结构 一 单晶体与多晶体单晶体 一块晶体 其内部的晶格位向完全一致 称这块晶体为单晶体 单晶硅 单晶锗在一块很小的金属中也含着许多的小晶体 每个小晶体的内部 晶格位向都是均匀一致的 而各个小晶体之间 彼此的位向都不相同 这种小晶体的外形呈颗粒状 称为 晶粒 晶粒与
13、晶粒之间的界面称为 晶界 在晶界处 原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过度 总是不规则的 多晶体 实际上由多个晶粒组成的晶体结构称为 多晶体 对于单晶体 由于各个方向上原子排列不同 导致各个方向上的性能不同 即 各向异性 的特点 而多晶体对每个小晶粒具有 各向异性 的特点 而就多晶体的整体 由于各小晶粒的位向不同 表现的是各小晶粒的平均性能 不具备 各向异性 的特点 单晶体 多晶体 多晶体结构 晶粒晶界显微组织亚晶粒 晶粒 晶格 区域 方位差异 多晶体结构中 一般晶粒尺寸小 如钢铁材料晶粒尺寸一般为10 1 10 3mm左右 必须通过显微镜放大几十倍乃至几百倍以上才能观察到 在显微镜下不能直
14、接观察到这些小晶体的立体形态 而只能观察到所要研究的金属试样表面所截晶粒的平面图形 这种在显微镜下所观察到的金属材料各种类晶粒的显微形态 即晶粒的形状 大小 数量和分布等情况 称为显微组织或金相组织 简称组织 金属材料的组织决定了金属材料的性能 实验和理论都证实 金属的晶粒越细 金属材料在室温时的强度 硬度就越高 塑件和韧性也越好 显微组织 显微组织 不同放大倍数下金属的显微组织 显微组织 不同含碳量的显微组织 在金属中还存在着各种各样的晶格缺陷 按其几何形式的特点 分为如下三类 1 点缺陷原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小 晶体中的空位 间隙原子 杂质原子都是点缺陷 点缺陷示意图
15、二 实际晶体缺陷 如果间隙原子是其它元素就称为异类原子 杂质原子 空位 间隙原子 二 晶体缺陷 当晶格中某些原子由于某种原因 如热振动等 脱离其晶格结点而转移到晶格间隙这样就形成了点缺陷 点缺陷的存在会引起周围的晶格发生畸变 从而使材料的性能发生变化 如屈服强度提高和电阻增加等 二 晶体缺陷 2 线缺陷原子排列的不规则区在空间一个方向上的尺寸很大 而在其余两个方向上的尺寸很小 如 位错 位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成 滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线 由于晶体中局部滑移的方式不同 可形成不同类型的位错 位错理论是30年代发展起来的 为了解释金属的范性形变
16、塑性 为什么有的金属很软 而有的硬 对软金属 按照理论 若把金属键的键力求和 其合力远超过使金属产生形变的力 虽然最初位错慨念是为了说明机械强度提出的 但是后来人们发现 它影响着晶体的力学 电学 光学等方面的性能 并且直接关系到晶体的生长过程 几何学 量子 弹性 晶体学 物理化学 热力 统计 波动 晶体中通过位错运动而造成滑移的示意图 图为一种最简单的位错 刃型位错 因为相对滑移的结果 上半部分多出一半原子面 多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口 故称 刃型位错 线缺陷示意图 刃位错 刃位错 螺位错 实际晶体中存在大量的位错 一般用位错密度来表示位错的多少 位错密度 单位体积中位错线的总长度 或单位面积上位错线的根数 单位cm2位错线附近的原子偏离了平衡位置 使晶格发生了畸变 对晶体的性能有显著的影响 实验和理论研究表明 晶体的强度和位错密度有如图的对应关系 当晶体中位错密度很低时 晶体强度很高 相反在晶体中位错密度很高时 其强度也很高 位错密度很高易实现 如剧烈的冷加工可使密度大大提高 这为材料强度的提高提供途径 金属强度与位错密度的关系 3 面缺陷原子排列不规则的区域在空
