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第二章材料的结构

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第二章 材料结构 第二章 材料的结构 第二章 材料 第二章 材料的 第二章材料的结构 第二章材料结构 第二章材料的
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**1 第二章 材料的结构 第二章 材料的结构 §1 电子结构 §2 原子的空间排列 §3 显微组织 材 料 的 结 构 **2 §2.1 金属的特征 §2.2 金属的晶体结构 §2.3 实际晶体中的缺陷 §2.4 合金的相结构 **3 与非金属相比,固态金属具有它独特的性能,如良 好的导电性、导热性、延展性(塑性变形能力) 和金属光泽。 这些是这些是 金属的特性么?能否据此来区分金属金属的特性么?能否据此来区分金属 与非金属呢?与非金属呢? 思考思考 §2.1 金属的特征 不是不是 **4 1. 有的非金属也可能表现出上述某些特性: 如:石墨能导电 金刚石导热 无机化合物的金属光泽; 2. 各种金属晶体之间,这些特征的差别也很大: 鈈、锰的导电能力比银、铜相差近百倍 锑、铬、钒等金属是一种“脆性”金属。 因此,只根据以上的一些特性来区分金属和非金属 是不够充分的。 3. 金属的特征:正的电阻温度系数 §2.1 金属的特征 **5 主要是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关 金属为何具有上述这些特性呢? §2.1 金属的特征 **6 金属材料 以金属键方式结合,从而使金属材料具有以下特征: u良好的导电、导热性: 自由电子定向运动(在电场作用下)导电、(在热场作用下)导热 。 u正的电阻温度系数: 金属正离子随温度的升高,振幅增大,阻碍自由电子的定向运动, 从而使电阻升高。 u不透明,有光泽: 自由电子容易吸收可见光,使金属不透明。自由电子吸收可见光后 由低能轨道跳到高能轨道,当其从高能轨道跳回低能轨道时,将吸收 的可见光能量辐射出来,产生金属光泽。 u具有延展性: 金属键没有方向性和饱和性,所以当金属的两部分发生相对位移时 ,其结合键不会被破坏,从而具有延展性。 §2.1 金属的特征 返回 **7 §2.2 金属的 晶体结构 1 1))晶体与非晶体晶体与非晶体 2 2))金属的晶体结构金属的晶体结构 3 3))晶面和晶向及其表示方法晶面和晶向及其表示方法 4 4))金属晶体的特点金属晶体的特点 **8 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—长程有序。 非晶体:原子无规则堆积,也称为 “过冷液体”—短程 有序。 晶体 金刚石、NaCl、冰 等。 液体 非晶体 蜂蜡、玻璃 等。 §2.2 金属的 晶体结构 **9 (1)有确定的熔点 熔点 晶体 非晶体 时间 温度 晶体和非晶体的熔化曲线 §2.2 金属的 晶体结构 **10 §2.2 金属的 晶体结构 a 原子堆垛模型b 空间点阵c 晶格 z x y    a b c d 晶胞 **11 §2.2 金属的 晶体结构 空间点阵 将晶体内部的原子(离子)或原子群(离子群)抽象为无 数点子按一定的方式在空间做有规则的周期性分布,这些几何点 子的总体称为空间点阵,这些点称为阵点或节点。 晶格 用一系列假想的平行直线将空间点阵的阵点联结起来,形 成的空间网络称为空间格子,也称晶格。 晶胞 为了研究空间点阵的排列特点,从点阵中取出一个反映点 阵特征的基本单元(通常是一个平行六面体)作为其组成单元, 这个平行六面体称为晶胞。 **12 §2.2 金属的 晶体结构 七大晶系,十四个空间点阵: 简单三斜 简单单斜底心单斜简单正交体心正交面心正交底心正交 简单六方简单菱方简单正方体心正方简单立方体心立方面心立方 **13 描述金属晶体结构的一些重要概念 晶胞原子数 一个晶胞内所含的原子数目。注意相邻晶胞的共有原子的 计算方法。 原子半径 晶胞中最近邻的两个原子之间(平衡)距离的一半。 配位数 晶格中和某一原子相邻的原子数目称为配位数 致密度 晶胞中原子本身所占的体积与晶胞体积之比 **14 §2.2 金属的 晶体结构 常见的金属晶体结构 工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构, 其中最典型的为以下三种: (1)体心立方晶格bcc (2)面心立方晶格fcc (3)密排六方晶格hcp **15 体心立方晶格 在立方晶胞的八个顶 角上各有一个原子, 在体中心有一个原子 ,每个原子与空间点 阵中的一个阵点相对 应。属于这种晶体结 构的纯金属有α- Fe, Cr, Mo, W,V等。 §2.2 金属的 晶体结构 **16 体心立方晶胞 晶格常数:a=b=c; ===90 晶胞原子数: 原子半径: 致密度:0.68 致密度=Va /Vc,其中 Vc:晶胞体积 Va:原子总体积 X Y Z a b c 2r 2r a a 2 §2.2 金属的 晶体结构 返回 **17 面心立方晶格 §2.2 金属的 晶体结构 属于这种晶体结构 的纯金属有: **18 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 §2.2 金属的 晶体结构 返回 **19 C(石墨)、Mg、Zn 等 晶格常数 底面边长a 底面间距c=1.633a 侧面间角120 侧面与底面夹角90 晶胞原子数:6 原子半径:a/2 致密度:0.74 密排六方晶格 §2.2 金属的 晶体结构 返回 **20 §2.2 金属的 晶体结构 配位数:8配位数:12配位数:12 **21 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 X Y Z a b c §2.2 金属的 晶体结构 **22 a.晶向指数的确定方法 1) 以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系,通过原点作平行于 所求晶向的直线。 2) 以相应的晶格常数为单 位,求出直线上任意一点的三个坐标值 。 3) 将所求坐标值 化为最简整数,并用方括号括起,即为所求的晶向指 数,例如[101]。 具体晶向指数如图所示,其形式为[uvw]。 立方晶系的晶面、晶向表示方法 §2.2 金属的 晶体结构 **23 b.晶面指数的确定方法 1) 选坐标,以晶格中某一原子为原点(注意不要把原点放在所 求的晶面上),以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴 。 2) 以相应的晶格常数为单 位,求出待定晶面在三个坐标轴 的截 距。 3) 求三个截距值的倒数。 4) 将所得数值化为最简单 的整数,并用圆括号括起,即为晶面 指数,如图所示,其形式为(hkl)。 §2.2 金属的 晶体结构 **24 注意:注意: 1) 每一个晶面指数(或晶向指数)泛指晶格中一系列与之相平行的 一组晶面(或晶向)。 2) 立方晶系中,凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。 3) 原子排列情况相同但空间位向不同的晶面(或晶向)统称为一 个晶面(或晶向)族。 §2.2 金属的 晶体结构 返回 **25 (2)各向异性 不同晶面或晶向上原子密度 不同引起性能不同的现象 X Y Z X Y Z 多晶体材料的伪等向性多晶体材料的伪等向性 §2.2 金属的 晶体结构 返回 **26 p 理想晶体:是指晶体中原子严格地成,完全规则和完整的排列,在每个晶 格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构 成理想的单晶体。 p 实际晶体:多晶体+晶体缺陷 p 晶体缺陷:是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域, 按其几何尺寸特征,可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。 晶粒(单晶体 ) §2.3 实际晶体中的缺陷 **27 一、 点缺陷 1. 点缺陷的概念 是晶体中在 X,Y,Z三维方向上尺寸都很小的晶 体缺陷。 2. 点缺陷的类型 主要有四类,即 空位;间隙原子(有同类和异类之 分);置换原子(有大小之分); 复合空位。 置换原子 空位 复合空位间隙原子 置换 原子 §2.3 实际晶体中的缺陷 **28 二、 线缺陷 线缺陷的概念:晶体中在一维方向上尺寸很大,而在另 外二维方向上的尺寸很小的晶体缺陷,它的主要形式是 位错。 位错是晶体中一列或若干列原子,发生某种有规律的错 排现象。 位错的类型:刃型位错 螺型位错 §2.3 实际晶体中的缺陷 **29 刃位错 刃位错 刃型位错示意图 §2.3 实际晶体中的缺陷 **30 螺型位错示意图 §2.3 实际晶体中的缺陷 **31 •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,其强度很高。 •但目前的技术,仅能制造出直径为几微米的晶 须,不能满足使用上的要求。而位错密度很高 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。 **32 三、 面缺陷 概念:是指晶体中在二维方向上尺寸很大,而在另一维方向上尺寸很 小的晶体缺陷。 类型:主要包括晶体的外表面、堆垛层错、晶界、亚晶界、孪晶界和 相界面等。 1. 晶界 晶界是多晶体中晶粒与晶粒之间晶界是多晶体中晶粒与晶粒之间 的交界面,由于各晶粒中原子排列方的交界面,由于各晶粒中原子排列方 式相同(如都是体心立方),只是晶式相同(如都是体心立方),只是晶 格位向不同,因此晶界实际上是不同格位向不同,因此晶界实际上是不同 位向晶粒之间的过渡层。该过渡层有位向晶粒之间的过渡层。该过渡层有 一定的厚度,为了同时适应两侧不同一定的厚度,为了同时适应两侧不同 位向晶粒的过渡,而使过渡层处的原位向晶粒的过渡,而使过渡层处的原 子总是不能规则排列,产生晶格畸变子总是不能规则排列,产生晶格畸变 ,所以它是晶体中的一种重要的面缺,所以它是晶体中的一种重要的面缺 陷。陷。 根据晶体中各晶粒之间的位向差θ不同,又 可将晶界分为大角度晶界(θ10°)和小 角度晶界(θ10°)两类。 §2.3 实际晶体中的缺陷 **33 对称倾側晶界 扭转晶界 §2.3 实际晶体中的缺陷 **34 2.亚晶界 亚晶界是亚晶粒与亚晶粒之间的晶界,位向 差θ一般为几十分到几度。大晶粒中的小晶 粒称为亚晶粒。亚晶界的两种特殊形式为对 称倾側晶界和扭转晶界。 亚晶界 §2.3 实际晶体中的缺陷 返回 **35 合金:由金属元素与其他元素(这些元素可以是金属元 素,也可以是非金属元素)组成的有金属特征的金属 材料。 思考思考 金属与非金属组成的是不是一定就是合金? Fe + CFe(C)合金(钢) Fe3C (化合物) §2.4 合金的相 **36 组元:组成合金独立的最基本单元。组元可以是元素 或是稳定化合物。 Fe(C)合金Fe、C组元 Fe、Fe3C组元 类比 鸡蛋水,蛋白质,脂肪,胆固醇 §2.4 合金的相 **37 相:具有相同结构,相同成分和性能(也可以是连续变化 的)并以界面相互分开的均匀组成部分,如液相、固相是 两个不同的相。 类类比 鸡蛋蛋白、蛋黄 工业纯铁单相铁素体 共析碳钢铁素体相、渗碳体相 普通陶瓷晶相、玻璃相、气相 §2.4 合金的相 **38 组织:用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图 像的统称(宏观组织、微观组织)。组织是影响 材料性能的重要因素。 相是组织的基本组成部分 相同的相,但当组成相的数量、大小、 形态和分布不同时,其组织也不同! 不同的相构成不同的组织! §2.4 合金的相 **39 固溶体:溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相 称为固溶体。 “固体溶液” ü 均一的、保持熔剂金属的晶体结构 ü 晶格常数发生一定变化 1. 晶体结构特点 §2.4 合金的相 **40 2. 固溶体的分类 ü 按溶质原子所占据的位置 置换固溶体:溶质原子一般为半径相差不大的原子 间隙固溶体:溶质原子半径小的非金属原子 (H、O、N、C、B) §2.4 合金的相 **41 Z X Y 间隙原子 间隙固溶体 置换固溶体 置换原子 Y X Z **42 ü 按固态溶解度分: 有限固溶体:间隙固溶体只能是有限固溶体 无限固溶体:无限固溶体只能是置换固溶体 形成无限固溶体的必备条件: 置换固溶体 组元点阵相同 原子尺寸相差不大 负电性相同 ü 按溶质原子在晶格中的分布状态分: 有序固溶体、无序固溶体 §2.4 合金的相 **43 3.固溶体的性能 固溶强化:固溶体的强度、硬度随溶质原子浓度升 高而明显增加,塑性、韧性稍有下降,这种现象称 为~~ 。 金属材料重要的强化方式之一,固溶体具有良好的 综合机械性能(强硬度、塑韧性的综合),一般作 为合金的基体相。 §2.4 合金的相 **44 正常晶格 大原子置换引起的晶格畸变 小原子置换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变 §2.4 合金的相 **45 金属间化合物:两组元形成合金时,当超过固溶体 的溶解极限时,形成的一种晶体结构不同于任一 组元的新相,称为金属间化合物,也称中间相。 ü 晶体结构不同于任一组元金属 ü 性能不同于任一组元金属 ü 一般具有较高的熔点、硬度,较大的脆性 1. 特点 ü 正常价化合物 ü 电子化合物 ü 间隙相和间隙化合物 2. 分类 §2.4 合金的相 返回 **46 §2.4 合金的相 合金相 固溶体 金属化合物 置换固溶体 间隙固溶体 正常价化合物 电子化合物 间隙化合物 **47 本章内容总结 金属的特征金属键 金属的晶体结构 晶体学基本概念 金属常见的三种晶体结构 晶面指数、晶向指数表示方法 晶体缺陷 合金的相结构 合金的基本概念 合金的基本相:固溶体和金属化合物 **48 第二章 材料的结构 • 金属的特性和金属键; • 金属晶体结构是决定性能的内在基本因素之一; • 实际晶体中晶体缺陷普遍存在,对金属的许多性质, 尤其是力学性能有着重大的影响; • 合金的相结构; **49 讲解知识点: 1.金属的晶体结构 2.晶体缺陷 3.合金的相结构
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