机械工程材料 第二章金属的晶体结构课件

《机械工程材料 第二章金属的晶体结构课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程材料 第二章金属的晶体结构课件（79页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、第二章 材料的结构,物质由原子组成，原子的结合方式 和排列方式决定了物质的性质。,物质的聚集状态有三种,气态,液态,固态,第一节 材料的结合方式,一、化学键,组成物质的质点（原子、分子或离子） 之间的相互联系-化学键,离子键,共价键,金属键,氢键,分子键,正负离子通过静电引力互相吸引，当引力与 离子间的斥力相等时形成稳定的离子键,通过共用电子对而形成的结合键成为共价键,金属离子通过正离子和自由电子之间的引力而互相结合，这种结合键称为金属键,一个分子的带正电部分会吸引另一个分子的 带负电部分，这种结合力称为分子键,氢键,二、结合键的性能特点,三、工程材料的键性,四、晶体与非晶体,晶体是指原子呈规

2、则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。,非晶体材料的特点,1 各向同性 2 没有固定的熔点 3 导热率和热膨胀系数小 4 塑性变形大,如普通玻璃、石蜡、松香等,第二节 金属的晶体结构,一、晶体的基本概念 组成物质的原子或原子集团在三维空间周期性排列,晶格与晶胞,晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（即原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。 晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元.,晶系： 根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。 90%以上的金属具有立

3、方晶系和六方晶系。 立方晶系：a=b=c，=90 六方晶系：a1=a2=a3 c, =90, =120,晶格常数： 晶胞每个边的尺寸 a、b、c。 各棱间的夹角用、表示。,晶系,晶系 点阵 棱边长度及夹角关系 立方 简单立方 a=b=c =90 体心立方 面心立方 四方 简单四方 a=b c =90 体心立方 菱方 简单菱方 a=b=c =90 六方 简单六方 a1=a2=a3c = 90 =120 正交 简单正交 abc =90 底心正交 体心正交 面心正交 单斜 简单单斜 abc =90 底心单斜 三斜 简单三斜 abc 90,1 简单三斜 简单单斜 底心单斜 简单正交 底心正交 体心正交

4、 面心正交 简单六方 简单菱方 简单四方 体心四方 12 简单立方 13 体心立方 14 面心立方,晶胞尺寸和原子半径,晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之间距离的一半 原子半径 与晶体结构有关 -同一元素在不 同结构中原子半 径不同！,晶胞原子数,配位数和致密度,配位数-晶格中 与任一原子处于相 等距离并相距最近 的原子数目,致密度-晶胞中原 子本身所占的体积 的百分数,二、常见金属的晶格类型,体心立方晶格 (BCC bcc bcc),原子个数：2 配位数： 8 致密度：0.68 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等,晶格常数：a(a=b=c),原子半径：,计算体心立方晶格金属的致密

5、度,总原子体积 2 x (4/3)r3 - = - 晶胞体积 a3,原子半径：,原子个数：4 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等,面心立方晶格 (FCC, fcc, fcc) 晶格常数：a,原子个数：6 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： Mg、Zn、 Be、Cd等,晶格常数：底面边长 a 和高 c， c/a=1.633,密排六方晶格 (HCP hcp hcp),课堂练习,写出三个表征材料力学性能的指标，并说明它们的意义。,晶体-组成物质的原子或原子团在三维空间周期性地排列 晶格，晶胞， 面心立方，体心立方，密排六方: 配位数,晶胞中原

6、子数, 致密度.,三、立方晶系晶面、晶向表示方法,晶体中各方位上的原子面称晶面 各方向上的原子列称晶向 1、晶面指数 表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为： 确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。 取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。,例一、求截距为1,晶面的指数。 截距值取倒数为1,0,0，加圆括弧得（100）,例二、求截距为1，2，3晶面的指数。 取倒数为1，1/2，1/3，化为最小整数加圆括弧得(632) 例三、画出（112）晶面。,取三指数的倒数1，1，1/2， 化成最小整数为2,2,1，即为X，Y，Z三坐标轴上的截距。,2、晶向指数

7、 表示晶向的符号称晶向指数。其步骤为： 确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶 向的平行线。, 求直线上任一 点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为uvw。,例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1，1.5，2，求该直线的晶向指数。 将三坐标值化为最小整数加方括弧得234。,例二、已知晶向指数为110，画出该晶向。 找出1，1，0坐标点，连 接原点与该点的直线即 所求晶向。,3、晶面族与晶向族 (hkl)与uvw分别表示的是一组平行的晶向和晶面。 指数虽然不同，但原子排列完全相同（晶体学上等效），而且相互不平行的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用hkl和表示。,立方晶系常见的晶面为：,

8、110,立方晶系常见的晶向为：,111,说明： 在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。 遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。,221,110,4、密排面和密排方向（bcc fcc） 单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。 单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。 原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。,面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序 密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB 面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABC,四、实际金属的晶体结构 上面介绍的是理想晶体（单晶体且没有缺陷）的结构及描述方法,变形金属晶粒尺寸约1-100m，铸造金属可达几mm。,1、多晶体 单晶体：其

9、内部晶格方位完全一致的晶体。 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。 晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。,晶界：晶粒之间的交界面。 晶粒越细小，晶界面积越大。 2、晶体缺陷 晶格的不完整部位称晶体缺陷。 实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按几何形态可分三类，即点、线、面缺陷。, 点缺陷 空位、间隙原子、置换原子 空位：晶格中某些缺排原子的空结点。, 间隙原子：挤进晶格间隙中的原子称间隙原子。间隙原子可以是基体金属原子，也可以是外来原子。, 置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶,格畸变。

10、从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。, 线缺陷晶体中的位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。有刃型位错和螺型位错两种类型。,刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。 半原子面在滑移面以上的称正位错，用“”表示。 半原子面在滑移面以下的称负位错，用“”表示。,刃型位错, 面缺陷晶界与亚晶界 晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为510个原子间距，位向差一般为2040。,亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小（10 -2 )的小晶块。 亚晶粒之间的交界面称亚晶

11、界。亚晶界也可看作位错壁。,孪晶,晶界的特点： 原子排列不规则。 熔点低。 耐蚀性差。 易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。 阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。(位错塞积) 是相变的优先形核部位。,五、合金的晶体结构,合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。 组成合金的元素可以全部是金属，也可是金属与非金属。 组成合金的元素相互作用可形成不同的相。,Al-Cu两相合金,黄铜,所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。 显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。 固态合金中

12、的相分为固溶体和金属化合物两类。,晶面族，晶向族 点缺陷：空位，间隙原子，置换原子 线缺陷：刃位错，螺位错 面缺陷：晶界，亚晶界，相界 合金，相，固溶体，金属间化合物,1、固溶体 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相,称固溶体。习惯以、表示。 与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。 固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。 按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。, 置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。,黄铜置换固溶体组织, 间隙固溶体 溶质原子嵌入

13、溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金,属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。 形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂0.59。 间隙固溶体都是无序固溶体。, 固溶体的溶解度 溶质原子在固溶体中的极限浓度。 溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。 组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。 组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。 间隙固溶体都是有限固溶体。, 固溶体的性能 随溶质含量增加, 固溶体的强度、硬度增加, 塑性、韧性下降固溶强化。 产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。,

14、与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。,2、金属化合物 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。,铁碳合金中的Fe3C,当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。 金属化合物也是合金的重要组成相。, 正常价化合物符合正常原子价规律。如Mg2Si。 间隙化合物由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。, 电子化合物结构符合电子浓度规律。如Cu3Sn。 电子浓度为价电子数与原子数的比值。,间隙化合物分为：,

15、间隙相-简单晶格的间隙化合物-非金属原 子半径与金属原子半径的比值小于0.59, 间隙相：r非/r金0.59时形 成的具有简单晶格结构的间隙化合物。如 M4X (Fe4N)、 M2X (Fe2N、 W2C)、 MX (TiC、VC、TiN)等。 间隙相具有金属特征和极高 的硬度及熔点，非常稳定。 部分碳化物和所有氮化物属于 间隙相。, 具有复杂结构的间隙化合物 当r非/r金0.59时形成复杂结构间隙化合物。 如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。 化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。,宏观相,灰铸铁-微观相,第三节 陶瓷和聚

16、合物的结构特点,工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展，出现了许多性能优良的新型陶瓷。,陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。,一、陶瓷材料的特点,1、陶瓷材料的相组成特点 陶瓷材料通常由三种不同的相组成，即晶相(1)、玻璃相(2)和气相(3)气孔。,（1）晶相是陶瓷材料中主要的组成相，决定 陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。 大多数陶瓷材料是由离子键构成的离子 晶体或共价键构成的共价晶体。 硅酸盐是普通陶瓷的主要成分，其晶体的主 体硅氧四面体（SiO4)； 氧化物、炭化物、氮化物、硼化物等化合物晶体。,（2）玻璃相是非晶态结构的低熔点固体，其作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。 但其强度低、绝缘性及稳定性差，工业陶瓷中玻璃相的数量一般控制