西工大工程材料第一章工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1、第第 一一 章章工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1.1 1.1 工程材料類型工程材料類型 1.2 1.2 晶體的概念晶體的概念 1.2.1 1.2.1 短程有序與長(zhǎng)程有序短程有序與長(zhǎng)程有序 1.2.2 1.2.2 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型 1.2.3 1.2.3 同素異構(gòu)同素異構(gòu) 1.3 1.3 晶體缺陷晶體缺陷 第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)主主 要要 內(nèi)內(nèi) 容容1.11.1 工程材料類型工程材料類型 工程材料是指具有一定性能，在特定條件下，能夠承工程材料是指具有一定性能，在特定條件下，能夠承擔(dān)某種功能，被用來(lái)制取零件和元件的材料

2、。擔(dān)某種功能，被用來(lái)制取零件和元件的材料。1.1.1 分類分類 按使用功能分類：按使用功能分類： 結(jié)構(gòu)材料（結(jié)構(gòu)材料（structural materialstructural material） 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、傳遞運(yùn)動(dòng)，承擔(dān)力、負(fù)荷為主（機(jī)械工程等）。實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、傳遞運(yùn)動(dòng)，承擔(dān)力、負(fù)荷為主（機(jī)械工程等）。 功能材料（功能材料（functional materialfunctional material） 理化功能為主，力性為輔（導(dǎo)電材料、磁盤、光纖等）。理化功能為主，力性為輔（導(dǎo)電材料、磁盤、光纖等）。 第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.11.1 工程材料類

3、型工程材料類型第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1.1.2 1.1.2 材料特征（材料特征（characteristiccharacteristic）（1 1）金屬材料（）金屬材料（metalsmetals） 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：兼有良好力學(xué)性能（較高強(qiáng)度、剛度、塑性、韌性）及某：兼有良好力學(xué)性能（較高強(qiáng)度、剛度、塑性、韌性）及某些理化性能（良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性等）和較好的工藝性，價(jià)格便宜或適些理化性能（良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性等）和較好的工藝性，價(jià)格便宜或適中。大量用作結(jié)構(gòu)材料，部分用作功能材料。中。大量用作結(jié)構(gòu)材料，部分用作功能材料。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：地球上資源有限；高溫及特殊環(huán)

4、境中不能勝任。：地球上資源有限；高溫及特殊環(huán)境中不能勝任。 （2 2）陶瓷材料（無(wú)機(jī)非金屬材料，金屬與非金屬的化合物如）陶瓷材料（無(wú)機(jī)非金屬材料，金屬與非金屬的化合物如 Al2O3、SiC）。）。 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良理化性能（耐蝕、光、電、熱學(xué)性能，絕緣性能等）：優(yōu)良理化性能（耐蝕、光、電、熱學(xué)性能，絕緣性能等）及極好的耐高溫特性，且原料來(lái)源廣泛。主要用在特殊場(chǎng)合（特殊陶及極好的耐高溫特性，且原料來(lái)源廣泛。主要用在特殊場(chǎng)合（特殊陶瓷）及日常（傳統(tǒng)陶瓷）。瓷）及日常（傳統(tǒng)陶瓷）。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：性脆、難加工，可靠性差。：性脆、難加工，可靠性差。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬

5、的晶體結(jié)構(gòu)1.1.2 1.1.2 材料特征材料特征（3 3）高分子材料（高聚物，）高分子材料（高聚物，PolymerPolymer） 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：較高彈性、耐磨性、絕緣性、抗腐蝕性、重量：較高彈性、耐磨性、絕緣性、抗腐蝕性、重量 輕，加工性好，原料豐富。輕，加工性好，原料豐富。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：強(qiáng)度低；不耐高溫（：強(qiáng)度低；不耐高溫（300300）；易老化易燃。）；易老化易燃。 （4 4）復(fù)合材料（）復(fù)合材料（CompositesComposites兩種或多種材料復(fù)合而成）兩種或多種材料復(fù)合而成） 優(yōu)點(diǎn)優(yōu)點(diǎn)：具有單一材料所不具備的優(yōu)異性能；可按需要：具有單一材料所不具備的優(yōu)異性能；可按需要 進(jìn)行人為設(shè)計(jì)

6、、制造。進(jìn)行人為設(shè)計(jì)、制造。 缺點(diǎn)缺點(diǎn)：目前性能高的價(jià)貴。：目前性能高的價(jià)貴。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1. 1. 3 原子間鍵合原子間鍵合一、離子鍵離子鍵：正離子與負(fù)離子靜電吸引產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合力第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)1. 1. 3 原子間鍵合原子間鍵合二、二、共價(jià)鍵：共價(jià)鍵：原子間共用電子對(duì)產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合力原子間共用電子對(duì)產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合力第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1. 3 原子間鍵合原子間鍵合三、三、金屬鍵：金屬鍵：金屬正離子與金屬正離子與“自由電子氣

7、自由電子氣”靜電吸靜電吸引產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合力。引產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合力。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1. 3 原子間鍵合原子間鍵合四、四、分子鍵：分子鍵：分子偶極間吸引力產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合力。分子偶極間吸引力產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合力。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)1. 1.3 原子間鍵合原子間鍵合五、五、氫鍵：氫鍵：氫原子因正負(fù)電子中心偏移產(chǎn)生的靜電吸引氫原子因正負(fù)電子中心偏移產(chǎn)生的靜電吸引 形成的化學(xué)結(jié)合力。形成的化學(xué)結(jié)合力。 第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)氫原子中唯一的電子被其它原子所

8、共有（共價(jià)鍵結(jié)合），裸露氫原子中唯一的電子被其它原子所共有（共價(jià)鍵結(jié)合），裸露原子核原子核 將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引氫橋氫橋1. 1.3 原子間鍵合原子間鍵合六、工程材料的鍵性六、工程材料的鍵性 金屬材料：金屬鍵（絕大部分）金屬材料：金屬鍵（絕大部分） 共價(jià)鍵（亞金屬）共價(jià)鍵（亞金屬） 陶瓷材料：離子鍵、共價(jià)鍵陶瓷材料：離子鍵、共價(jià)鍵 高分子材料：共價(jià)鍵、分子鍵高分子材料：共價(jià)鍵、分子鍵第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2.晶體概念晶體概念1.2.1短程有序與長(zhǎng)程有序短程有序與長(zhǎng)程有序l短程有序短程有序：原子在分子范圍內(nèi)按一定

9、規(guī)律排列，而分：原子在分子范圍內(nèi)按一定規(guī)律排列，而分子之間則隨機(jī)無(wú)規(guī)律的連接在一起，這種結(jié)合方式稱子之間則隨機(jī)無(wú)規(guī)律的連接在一起，這種結(jié)合方式稱為為短程有序短程有序。多數(shù)以共價(jià)鍵、范德華鍵結(jié)合的材料往。多數(shù)以共價(jià)鍵、范德華鍵結(jié)合的材料往往是短程有序。往是短程有序。 l長(zhǎng)程有序長(zhǎng)程有序：原子在整個(gè)材料內(nèi)部都按一定規(guī)律排列，：原子在整個(gè)材料內(nèi)部都按一定規(guī)律排列，則稱為長(zhǎng)程有序。原子長(zhǎng)程有序，即構(gòu)成了整個(gè)晶體。則稱為長(zhǎng)程有序。原子長(zhǎng)程有序，即構(gòu)成了整個(gè)晶體。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)SiO2一個(gè)一個(gè)Si原子與原子與4個(gè)個(gè)O原子原子結(jié)合，而結(jié)合，而SiO2單

10、元體間則隨單元體間則隨機(jī)連接機(jī)連接。1.2.晶體概念晶體概念1.2.1短程有序與長(zhǎng)程有序短程有序與長(zhǎng)程有序l短程有序短程有序：第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2.晶體概念晶體概念 1.2.2 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型 晶晶 體體 固態(tài)物質(zhì)固態(tài)物質(zhì) 非晶體非晶體第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)組成非晶體的原子或離子、分子呈無(wú)規(guī)則排列組成非晶體的原子或離子、分子呈無(wú)規(guī)則排列的固體。例如：松香、石蠟和玻璃的固體。例如：松香、石蠟和玻璃組成晶體的原子或離子、分子呈規(guī)則、周期性組成晶體的原子或離子、分

11、子呈規(guī)則、周期性重復(fù)排列的固體；例如：水晶、天然水晶石重復(fù)排列的固體；例如：水晶、天然水晶石1.2.2 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型 1 1晶格（點(diǎn)陣）晶格（點(diǎn)陣）第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu) 為了便于研究晶體中原為了便于研究晶體中原子排列的情況，通常用一個(gè)子排列的情況，通常用一個(gè)小鋼球代替一個(gè)原子，并把小鋼球代替一個(gè)原子，并把不停振動(dòng)的原子當(dāng)作在它平不停振動(dòng)的原子當(dāng)作在它平衡位置上靜止不動(dòng)，這樣金衡位置上靜止不動(dòng)，這樣金屬晶體結(jié)構(gòu)就可用許多小鋼屬晶體結(jié)構(gòu)就可用許多小鋼球互相緊密接觸的堆砌模型球互相緊密接觸的堆砌模型來(lái)表示（剛球模型

12、）。來(lái)表示（剛球模型）。1.2.2 1.2.2 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型 1 1晶格（點(diǎn)陣）晶格（點(diǎn)陣） 進(jìn)一步簡(jiǎn)化原子堆砌模型：可將一個(gè)進(jìn)一步簡(jiǎn)化原子堆砌模型：可將一個(gè)鋼球原子視為一幾何質(zhì)點(diǎn)，用平行幾鋼球原子視為一幾何質(zhì)點(diǎn)，用平行幾何線條在三維空間通過(guò)原子中心使其何線條在三維空間通過(guò)原子中心使其相互連起來(lái)，這樣就構(gòu)成了一個(gè)幾何相互連起來(lái)，這樣就構(gòu)成了一個(gè)幾何格架。格架。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu) 這種幾何空間格架則稱為晶格或晶這種幾何空間格架則稱為晶格或晶體點(diǎn)陣。體點(diǎn)陣。 這種幾何空間格架中的幾何質(zhì)點(diǎn)位這種幾何空間格架中的幾

13、何質(zhì)點(diǎn)位置稱為結(jié)點(diǎn)或陣點(diǎn)。置稱為結(jié)點(diǎn)或陣點(diǎn)。1.2.2 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型 2. 晶胞晶胞 晶胞是晶格中能代表原子排列的最小幾何單元體，它晶胞是晶格中能代表原子排列的最小幾何單元體，它是一個(gè)簡(jiǎn)單的多面體結(jié)構(gòu)。是一個(gè)簡(jiǎn)單的多面體結(jié)構(gòu)。G:VIDEO晶胞晶胞.AVI第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1.2.2 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型 3 3晶格常數(shù)晶格常數(shù) 為研究晶胞的形狀與大小，為研究晶胞的形狀與大小，通常用晶胞的三個(gè)棱邊長(zhǎng)度通常用晶胞的三個(gè)棱邊長(zhǎng)度a a、b b、c c和棱邊夾角和棱邊夾角、六六個(gè)參數(shù)

14、表示，棱邊長(zhǎng)度個(gè)參數(shù)表示，棱邊長(zhǎng)度a a、b b、c c稱為晶格常數(shù)，以稱為晶格常數(shù)，以nmnm（納米）（納米）為單位，為單位，1nm =101nm =10-9 -9 m m，以前用，以前用度量，度量，1 1=0.1nm=0.1nm。圖1-1 晶格常數(shù)示意圖第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1.2.2 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型 4 4晶胞類型晶胞類型l晶胞一共有晶胞一共有14種類型，分屬于種類型，分屬于7個(gè)晶系。個(gè)晶系。l實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)都可抽象的歸屬于實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)都可抽象的歸屬于14種晶胞中的一種，并種晶胞中的一種，并用其描述其原子排

15、列規(guī)律。用其描述其原子排列規(guī)律。14種晶胞類型是由布拉菲種晶胞類型是由布拉菲（Bravais）于）于1848年根據(jù)年根據(jù)“每個(gè)陣點(diǎn)周圍具有相同環(huán)每個(gè)陣點(diǎn)周圍具有相同環(huán)境境”的要求，利用數(shù)學(xué)方法推算出來(lái)的，而且只能有的要求，利用數(shù)學(xué)方法推算出來(lái)的，而且只能有14種，因此也稱為種，因此也稱為“布拉菲布拉菲”空間點(diǎn)陣。空間點(diǎn)陣。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)思考題：實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)和布思考題：實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)和布 拉菲拉菲”空間點(diǎn)陣有何區(qū)別？空間點(diǎn)陣有何區(qū)別？1.2.2 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型 5.5.常見(jiàn)的金屬晶格類型常見(jiàn)的金屬晶格類型 工

16、業(yè)上使用的金屬雖然有幾十種，但除少數(shù)金工業(yè)上使用的金屬雖然有幾十種，但除少數(shù)金屬具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外，大多數(shù)金屬均具有比較屬具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外，大多數(shù)金屬均具有比較簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)。最常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)只有三種，即簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)。最常見(jiàn)的晶體結(jié)構(gòu)只有三種，即 體心立方體心立方 （bcc） 面心立方面心立方 （fcc） 密排六方密排六方 （hcp） 前兩種屬于立方晶系，后一種屬于六方晶系。前兩種屬于立方晶系，后一種屬于六方晶系。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2.2 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型 5.5.常見(jiàn)的金屬晶格類型常見(jiàn)的金屬晶格類

17、型 （一）體心立方結(jié)構(gòu)（一）體心立方結(jié)構(gòu)(a) (b) (c)圖12 體心立方晶胞（a）鋼球模型（b）質(zhì)點(diǎn)模型（c）晶胞原子數(shù)第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu) 5. 5.常見(jiàn)的金屬晶格類型常見(jiàn)的金屬晶格類型 （一）體心立方結(jié)構(gòu)（一）體心立方結(jié)構(gòu) （1 1）點(diǎn)陣常數(shù)）點(diǎn)陣常數(shù) “a” 點(diǎn)陣常數(shù)點(diǎn)陣常數(shù)a a通常應(yīng)以納米（通常應(yīng)以納米（nmnm）為單位。）為單位。 （2 2）晶胞中的原子數(shù)）晶胞中的原子數(shù) (1/8)8 + 1 = 2 （3 3）配位數(shù)和致密度）配位數(shù)和致密度 （a a）配位數(shù)）配位數(shù) 晶體結(jié)構(gòu)中任一原子的最近鄰，且等距離的原子數(shù)目， 叫做該晶

18、體結(jié)構(gòu)的配位數(shù)。 第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)5.5.常見(jiàn)的金屬晶格類型常見(jiàn)的金屬晶格類型 （一）體心立方結(jié)構(gòu)（一）體心立方結(jié)構(gòu)（b b）致密度）致密度 致密度 K 等于晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比， 即：68.0833424333arVnvKar 可見(jiàn)，體心立方結(jié)構(gòu)的金屬晶體中，有68%68%的體積為原子所占據(jù)，其余32%為空隙體。Cr、Mo、W、V、Nb.第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu) 體心立方晶格可以看成是由兩個(gè)簡(jiǎn)單立方晶格穿插而成。在每個(gè)體心立方晶胞中，無(wú)論是體心的原子，還是角上的原子，周圍都有8個(gè)最

19、近鄰且等距離的原子，所以體心立方結(jié)構(gòu)的配位數(shù)為8。 5. 5.常見(jiàn)的金屬晶格類型常見(jiàn)的金屬晶格類型 （二）面心立方結(jié)構(gòu)（二）面心立方結(jié)構(gòu) 面心立方晶胞除了晶胞的面心立方晶胞除了晶胞的8 8個(gè)角上各有一個(gè)原子外，個(gè)角上各有一個(gè)原子外，在每個(gè)立方體面的中心還有一個(gè)原子，故稱面心立方在每個(gè)立方體面的中心還有一個(gè)原子，故稱面心立方結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)(a) (b) (c)圖1-5 面心立方晶胞（a）鋼球模型（b）質(zhì)點(diǎn)模型（c）晶胞原子數(shù) 5. 5.常見(jiàn)的金屬晶格類型常見(jiàn)的金屬晶格類型 （二）面心立方結(jié)構(gòu)（二）面心立方結(jié)構(gòu)(Al、Cu、Ni、

20、Au、Ag) （1 1）點(diǎn)陣常數(shù)）點(diǎn)陣常數(shù) a （2 2）晶胞中的原子數(shù)）晶胞中的原子數(shù) (1/8)8 + (1/2) 6 = 4 （3 3）配位數(shù)和致密度）配位數(shù)和致密度 （a a）配位數(shù)）配位數(shù) 12 （b b）致密度）致密度740623444233. arVnvKar第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)5.5.常見(jiàn)的金屬晶格類型常見(jiàn)的金屬晶格類型 （三）密排六方結(jié)構(gòu)（三）密排六方結(jié)構(gòu) (Mg、Zn、 -Co)第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)(a) (b) (c)圖1-6 密排六方晶胞（a）鋼球模型（b）質(zhì)點(diǎn)模型（c）

21、晶胞原子數(shù) 5. 5.常見(jiàn)的金屬晶格類型常見(jiàn)的金屬晶格類型 （三）密排六方結(jié)構(gòu)（三）密排六方結(jié)構(gòu) (Mg、Zn、 -Co) （1 1）點(diǎn)陣常數(shù)）點(diǎn)陣常數(shù) 正六邊形邊長(zhǎng)正六邊形邊長(zhǎng)a ，晶胞高度，晶胞高度 c ; 理想軸比理想軸比c/a=1.633 （2）原子原子 (1/6)12 + (1/2) 2+3 = 6 （3 3）配位數(shù)和致密度）配位數(shù)和致密度 （a a）配位數(shù)）配位數(shù) 12 （b b）致密度）致密度74.0633.12333462123aarKar第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2.2 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型晶體結(jié)構(gòu)的基本概念和類型 6 6晶

22、面指數(shù)與晶向指數(shù)晶面指數(shù)與晶向指數(shù)第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)6 6晶面指數(shù)與晶向指數(shù)晶面指數(shù)與晶向指數(shù) 1)晶面指數(shù)（1）選定一個(gè)作為坐標(biāo)原點(diǎn)，沿晶胞的 三個(gè)棱邊作x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸，以晶胞邊長(zhǎng)（即晶格常數(shù)）作為晶軸長(zhǎng)度的度量單位。 特別應(yīng)當(dāng)注意，坐標(biāo)原點(diǎn)應(yīng)選在待定晶面之外特別應(yīng)當(dāng)注意，坐標(biāo)原點(diǎn)應(yīng)選在待定晶面之外。（2）求出特定晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距（如果晶面與某一坐標(biāo)軸平行，則其截距為），設(shè)分別為m、n、p。（3）求出三個(gè)截距的倒數(shù)，并把它們化為最小的簡(jiǎn)單整數(shù)，即1/m、1/n、1/p化為h=E/m，k=E/n，l=E/p，E為最小公倍數(shù)。（4

23、）將這組最小整數(shù)加上圓括號(hào)，并且不用標(biāo)點(diǎn)分開(kāi)各數(shù)，即得晶面指數(shù)（hkl）。）。 如果待定晶面在某一坐標(biāo)軸上的截距為，則在相應(yīng)指數(shù)上方加一負(fù)號(hào)。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)6 6晶面指數(shù)與晶向指數(shù)晶面指數(shù)與晶向指數(shù) 1)晶面指數(shù)第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)圖圖1-7 晶面指數(shù)的確定晶面指數(shù)的確定6 6晶面指數(shù)與晶向指數(shù)晶面指數(shù)與晶向指數(shù) 1)晶面指數(shù)l圖1-7（a）中晶面a1b1c1d1及a2b2c2d2為互相平行的兩個(gè)晶面，晶面指數(shù)都是（110）。由此可見(jiàn)，圖1-7（b）中晶面a1b1c1與a2b2c2也是互相

24、平行的，如果分別選取0及0為原點(diǎn)，則截距分別為1、1、-1及-1、-1、1，取倒數(shù)化為最小整數(shù)，它們的晶面指數(shù)分別為 和 。這兩個(gè)兩個(gè)晶面指數(shù)的數(shù)字相同而符號(hào)相反。由此可見(jiàn)，第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)在立方晶系中，由于原子的排列具有高度的對(duì)稱性，往往存在立方晶系中，由于原子的排列具有高度的對(duì)稱性，往往存在有許多原子排列完全相同但在空間位向不同（即不平行）的晶面，在有許多原子排列完全相同但在空間位向不同（即不平行）的晶面，這些晶面總稱為晶面族。這些晶面總稱為晶面族。6 6晶面指數(shù)與晶向指數(shù)晶面指數(shù)與晶向指數(shù) 2)2)晶向指數(shù)晶向指數(shù)(1)將坐標(biāo)原點(diǎn)選在

25、待定晶向的一個(gè)結(jié)點(diǎn)上，沿晶胞棱邊作x、y、z三個(gè)坐標(biāo)軸，以晶胞邊長(zhǎng)（即晶格常數(shù)）作為長(zhǎng)度單位。(2)求出待定晶向上離原點(diǎn)最近的一個(gè)結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)，將此坐標(biāo)值化為最小整數(shù)，例如為u、v、w，再加上方括號(hào)，即得晶向指數(shù)uvw。如果晶向的某一坐標(biāo)為負(fù)值，像晶面指數(shù)那樣將負(fù)號(hào)放在相應(yīng)的指數(shù)上方。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)6 6晶面指數(shù)與晶向指數(shù)晶面指數(shù)與晶向指數(shù) 2)2)晶向指數(shù)晶向指數(shù) 如x軸方向OA，其晶向指數(shù)由A點(diǎn)的坐標(biāo)來(lái)確定，A點(diǎn)坐標(biāo)為1、0、0，故其晶向指數(shù)為100。同理，y軸、z軸的晶向指數(shù)分別為010和001。 當(dāng)確定DC的晶向指數(shù)時(shí)，將原點(diǎn)選在D

26、點(diǎn)。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)圖圖1-8 晶向指數(shù)的確定晶向指數(shù)的確定晶向族晶向族 ：原子排列情況相同在空間位向不同：原子排列情況相同在空間位向不同（即不平行）的晶向。如（即不平行）的晶向。如100 多數(shù)金屬在結(jié)晶后的晶格類型都保持不變，但有些金屬（如鐵、錫、錳等）的晶格類型，卻因溫度而異。 一種金屬能以幾種晶格類型存在的性質(zhì)，叫做同素異構(gòu)性。68%68%74%74%68%68%第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)l鐵在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)有體積變化。從原子的排列情況來(lái)看，面心立方晶格中鐵原子排列得比較緊密，所以在質(zhì)量相同

27、的條件下，-Fe的體積比的體積比-Fe要小要小。l如將一塊純鐵加熱到912，即由-Fe變?yōu)?Fe ，這時(shí)體積要縮小；反之，將鐵冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe時(shí)，體積會(huì)增大。這種體積的變化，有可能引起結(jié)構(gòu)應(yīng)力結(jié)構(gòu)應(yīng)力。l鐵的同素異構(gòu)性質(zhì)也影響到鋼，鋼在冷卻時(shí)， -Fe同樣轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe 。鋼所以能夠通過(guò)熱處理以改變其性能通過(guò)熱處理以改變其性能，是與鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變有關(guān)的。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1.3 晶體缺陷晶體缺陷 金屬晶粒，其內(nèi)部原子的排列并不是那樣理想的完全規(guī)則整齊，不存在任何缺陷，實(shí)際上存在著原子錯(cuò)排的各種缺陷。這種晶體結(jié)構(gòu)的缺陷對(duì)金屬的性能和組織轉(zhuǎn)變等

28、均有很大影響，因此有必要了解和重視這些缺陷。 第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.3 晶體缺陷l點(diǎn)缺陷是空間三點(diǎn)缺陷是空間三維方向上尺寸都維方向上尺寸都很小的一種缺陷。很小的一種缺陷。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.3 晶體缺陷第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.3 晶體缺陷l晶體中空位或間隙原子的移動(dòng)是原子進(jìn)行擴(kuò)散的一種晶體中空位或間隙原子的移動(dòng)是原子進(jìn)行擴(kuò)散的一種主要方式；主要方式；l固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化；固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化；l畸變引起性能變化（畸變引起性能變化（如電阻增加、

29、屈服強(qiáng)度增加等如電阻增加、屈服強(qiáng)度增加等）。）。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.3 晶體缺陷l線缺陷是在空間的一個(gè)方向上尺寸很大，其它兩個(gè)方向上線缺陷是在空間的一個(gè)方向上尺寸很大，其它兩個(gè)方向上尺寸很小的一種缺陷。分為尺寸很小的一種缺陷。分為刃型及螺型刃型及螺型兩種位錯(cuò)。兩種位錯(cuò)。 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)空間模型刃型位錯(cuò)空間模型刃型位錯(cuò)平面模型刃型位錯(cuò)平面模型第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.3 晶體缺陷 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) 上圖是晶體中刃型位錯(cuò)示意圖。從圖中可以看到ABCD晶面以上沿EF處多插入了一層原子面，它

30、好像一把刀刃那樣切入晶體中，使上下層原子不能對(duì)準(zhǔn)，把這種原子錯(cuò)排叫做刃型位錯(cuò)。EF線稱為刃型位錯(cuò)線。在位錯(cuò)線附近區(qū)域晶格發(fā)生了較大的彈性畸變，如圖中虛線所示。在多了一層原子面的上部晶體中，原子被擠緊，原子間距減小，受壓應(yīng)力；相反在少了一層原子面的下部晶體中，原子被拉開(kāi)，原子間距增加，受到拉應(yīng)力。位錯(cuò)線附近虛線圓的半徑很小，僅幾個(gè)原子間距，而位錯(cuò)線可長(zhǎng)達(dá)幾千萬(wàn)個(gè)原子間距，故刃型位錯(cuò)是一種線缺陷。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu) 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)l下圖是螺型位錯(cuò)示意圖下圖是螺型位錯(cuò)示意圖第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)l晶體材料塑性變形的微觀機(jī)制：晶體材料塑性變形的微觀機(jī)制：位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。l位錯(cuò)強(qiáng)化位錯(cuò)強(qiáng)化：隨位錯(cuò)密度的增加，材料的強(qiáng)度增加，同時(shí)塑：隨位錯(cuò)密度的增加，材料的強(qiáng)度增加，同時(shí)塑 性降低。性降低。l原原 因因：位錯(cuò)纏繞，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。：位錯(cuò)纏繞，阻礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。第一章第一章 工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)工程材料類型及