第02章___材料的結(jié)構(gòu) ppt課件

1、l物質(zhì)由原子組成。原子物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和陳列方式的結(jié)合方式和陳列方式?jīng)Q議了物質(zhì)的性能。決議了物質(zhì)的性能。l原子、離子、分子之間原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。它們的詳細(xì)組合形狀稱它們的詳細(xì)組合形狀稱為構(gòu)造。為構(gòu)造。C60金屬的構(gòu)造金屬的構(gòu)造晶態(tài)晶態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的構(gòu)造的構(gòu)造l1、晶體與非晶體、晶體與非晶體l晶體是指原子呈規(guī)那么陳列的固體。常態(tài)下金屬晶體是指原子呈規(guī)那么陳列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體方式存在。晶體具有各向異性。主要以晶體方式存在。晶體具有各向異性。l非晶體是指原子呈無序陳列的固體。在一定條件非晶體是指原子呈無序陳列的固體。在一定條

2、件下晶體和非晶體可相互轉(zhuǎn)化。下晶體和非晶體可相互轉(zhuǎn)化。 1晶體有整齊、規(guī)那么的幾何外形。 2晶體具有各向異性。一種性質(zhì)在晶體的不同方向上它的大小有差別，這叫做各向異性。晶體的力學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、熱和電的傳導(dǎo)性質(zhì)都表現(xiàn)出各向異性。例如，石墨晶體在平行于石墨層方向上比垂直于石墨層方向上導(dǎo)電率大一萬倍；云母片沿某一平面的方向容易撕成薄片等。這是由于在晶體內(nèi)不同方向上微粒陳列的周期長(zhǎng)短不同，而微粒間間隔 的長(zhǎng)短又直接影響它們相互作用力的大小和性質(zhì)。非晶體由于微粒的陳列是混亂的，表現(xiàn)為各向同性。l3在一定壓力下，晶體有固定的熔點(diǎn)，非晶體沒有固定的熔點(diǎn)，只需一段軟化溫度范圍。這是由于晶體的每一個(gè)晶胞都是等

3、同的，都在同一溫度下被微粒的熱運(yùn)動(dòng)所瓦解。在非晶體中，微粒間的作用力有的大有的小，極不均一，所以沒有固定的熔點(diǎn)。l單晶體和多晶體l1.單晶體：原子從一個(gè)中心按同一方向進(jìn)展陳列生長(zhǎng)而成的晶體。天然晶體：金剛石、水晶l2. 多晶體：由許多不同方位的小晶體組成。l 晶格：用假想的直線將原子中心銜接起來所構(gòu)成。晶格：用假想的直線將原子中心銜接起來所構(gòu)成。的三維空間的三維空間格架。直線格架。直線的交點(diǎn)原的交點(diǎn)原子中心稱子中心稱結(jié)點(diǎn)。由結(jié)結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的空點(diǎn)構(gòu)成的空間點(diǎn)的陣列間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)陣稱空間點(diǎn)陣l 晶胞：能代表晶格原子陳列規(guī)律的最小幾何單元。晶胞：能代表晶格原子陳列規(guī)律的最小幾何單元。l 晶系

4、：晶系：l根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。l90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。l立方晶系：立方晶系：a=b=c，=90l六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c，=90，=120立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交單斜單斜三斜三斜l 晶格常數(shù)：晶晶格常數(shù)：晶胞個(gè)邊的尺寸胞個(gè)邊的尺寸 a、b、c。l各棱間的夾角用各棱間的夾角用、表示。表示。l 原子半徑：晶胞中原原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。原子間距的一半。l 晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目

5、。胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。l 配位數(shù)：晶格中與任配位數(shù)：晶格中與任一原子間隔一原子間隔 最近且相等最近且相等的原子數(shù)目。的原子數(shù)目。l 致密度：晶胞中原子致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。l晶體中各方位上的晶體中各方位上的原子面稱晶面。原子面稱晶面。l各方向上的原子列各方向上的原子列稱晶向。稱晶向。l晶面指數(shù)晶面指數(shù)l表示晶面的符號(hào)稱表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。晶面指數(shù)。l其確定步驟為：其確定步驟為：l 確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個(gè)坐確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。標(biāo)軸上的截距。l 取三個(gè)截距值的倒數(shù)并按比例化為最小整數(shù)，加取三個(gè)截距

6、值的倒數(shù)并按比例化為最小整數(shù)，加圓括弧，方式為圓括弧，方式為hkl。l例一例一.求截距為求截距為、1、晶面的晶面的指數(shù)指數(shù) 截距值取截距值取倒數(shù)為倒數(shù)為0、1、0，加圓括弧得，加圓括弧得010l例二例二.求截距為求截距為2、3、 晶面的晶面的指數(shù)指數(shù) 取倒數(shù)為取倒數(shù)為1/2、1/3 、 0, 化為最小整數(shù)加圓括弧化為最小整數(shù)加圓括弧得得320l例三例三.畫出畫出112晶面晶面 取三指數(shù)的倒數(shù)取三指數(shù)的倒數(shù)1、1、1/2, 化成化成最小整數(shù)為最小整數(shù)為2、2、1，即為，即為X、Y、Z三坐標(biāo)軸上的截距三坐標(biāo)軸上的截距l(xiāng) 晶向指數(shù)晶向指數(shù)l表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：表示晶面的符號(hào)稱晶面

7、指數(shù)。其確定步驟為：l 確定原點(diǎn)，建確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，過原立坐標(biāo)系，過原點(diǎn)作所求晶向的點(diǎn)作所求晶向的平行線。平行線。l 求直線上任一求直線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)值并按點(diǎn)的坐標(biāo)值并按比例化為最小整比例化為最小整數(shù)，加方括弧。數(shù)，加方括弧。方式為方式為uvw。l例一、知某過原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)為例一、知某過原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)為1、1.5、2，求該直線的晶向指數(shù)。求該直線的晶向指數(shù)。l將三坐標(biāo)值化為最小整數(shù)加方括弧得將三坐標(biāo)值化為最小整數(shù)加方括弧得234。l例二、知晶向指數(shù)例二、知晶向指數(shù)為為110, 畫出該晶畫出該晶向。向。l找出找出1、1、0坐標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn),銜接原點(diǎn)與該點(diǎn)的銜接原點(diǎn)與該點(diǎn)的直線即所求

8、晶向。直線即所求晶向。110234l例如例如112、123)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、110110101101011011XZY 立立方方晶晶系系常常見見的的晶晶面面111111111111:111110011101011101110:110001010100:100 、 立立方方晶晶系系常常見見的的晶晶向向111111111111XZY闡明：闡明： 在立方晶系中，指數(shù)在立方晶系中，指數(shù)一樣的晶面與晶向相一樣的晶面與晶向相互垂直?；ゴ怪?。 遇到負(fù)指數(shù)，遇到負(fù)指數(shù)，“

9、- -號(hào)放在該指數(shù)的上方。號(hào)放在該指數(shù)的上方。 晶向具有方向性，晶向具有方向性， 如如110與與110方方 向相反。向相反。XZY(221)221110110l1、純金屬的晶體構(gòu)造、純金屬的晶體構(gòu)造l金屬原子是經(jīng)過正離子與自金屬原子是經(jīng)過正離子與自在電子的相互作用而結(jié)合的，在電子的相互作用而結(jié)合的，稱為金屬鍵。稱為金屬鍵。l金屬原子趨向于嚴(yán)密陳列。金屬原子趨向于嚴(yán)密陳列。價(jià)電子云價(jià)電子云正離子正離子金屬鍵表示圖金屬鍵表示圖l具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。l常見純金屬的晶格類型有體心立方常見純金屬的晶格類型有體心立方(bcc)、面心立方、

10、面心立方(fcc)和密排六方和密排六方(hcp)晶格。晶格。l體心立方晶格體心立方晶格原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：2配位數(shù)：配位數(shù)： 8致密度：致密度：0.68常見金屬：常見金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a(a=b=c)ar43 原子半徑：原子半徑： a42r ：原子半徑原子半徑原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：4配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74常見金屬：常見金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：al面心立方晶格面心立方晶格a21r ：原子半徑原子半徑原子個(gè)數(shù)：原子個(gè)數(shù)：6配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74常見金屬：常見金屬：

11、Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng) a 和高和高 c， c/a=1.633l密排六方晶格密排六方晶格l 三種常見晶格的密排面和密排方向三種常見晶格的密排面和密排方向l單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度。單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度。l單位長(zhǎng)度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度。單位長(zhǎng)度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度。l原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。密排面密排面數(shù)量數(shù)量密排方向密排方向數(shù)量數(shù)量體心立方晶格體心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1底面對(duì)

12、角線底面對(duì)角線3l三種常見晶格的密三種常見晶格的密排面和密排方向排面和密排方向六方底面六方底面底面對(duì)角線底面對(duì)角線密排六方晶格密排六方晶格面心立方晶格面心立方晶格體心立方晶格體心立方晶格體心立方體心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面l面心立方晶格與密排六方晶格密排面的堆垛順序面心立方晶格與密排六方晶格密排面的堆垛順序l密排六方晶格的堆垛順序?yàn)槊芘帕骄Ц竦亩讯忭樞驗(yàn)锳BABABl面心立方晶格的堆垛順序?yàn)槊嫘牧⒎骄Ц竦亩讯忭樞驗(yàn)锳BCABCABCl面心立方晶格的原子堆垛面心立方晶格的原子堆垛l變形金屬晶粒尺寸約變形金屬晶粒尺寸約1100m，鑄造金屬可達(dá)幾，鑄

13、造金屬可達(dá)幾mm。純鐵組織純鐵組織晶粒表示圖晶粒表示圖l 單晶體與多晶體單晶體與多晶體l單晶體：其內(nèi)部晶格方位完單晶體：其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。全一致的晶體。l多晶體：多晶體：l晶粒：實(shí)踐運(yùn)用的金屬資料晶粒：實(shí)踐運(yùn)用的金屬資料是由許多彼此方位不同、外是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)那么的小晶體組成，形不規(guī)那么的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒。這些小晶體稱為晶粒。鉛錠宏觀組織鉛錠宏觀組織光學(xué)金相顯示的純鐵晶界光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體表示圖多晶體表示圖l 晶體缺陷晶體缺陷l晶格的不完好部晶格的不完好部位稱晶體缺陷。位稱晶體缺陷。l實(shí)踐金屬中存在實(shí)踐金屬中存在著大量的晶體缺著大量的晶體缺陷，

14、按外形可分陷，按外形可分三類，即點(diǎn)、線、三類，即點(diǎn)、線、面缺陷。面缺陷。l 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 l空間三維尺寸都空間三維尺寸都很小的缺陷。很小的缺陷。l空位空位l間隙原子間隙原子l置換原子置換原子la. 空位：晶格中某些空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。lb. 間隙原子：擠進(jìn)晶間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙中的原子?？筛耖g隙中的原子?？梢允腔w金屬原子，以是基體金屬原子，也可以是外來原子。也可以是外來原子。體心立方的四面體和八面體間隙體心立方的四面體和八面體間隙lc. 置換原子：置換原子：取代原來原子位置的外來原取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。子稱置換原子。l點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡形

15、點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡形狀，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶狀，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶空位空位間隙原子間隙原子大置換原子大置換原子小置換原子小置換原子格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。l 線缺陷線缺陷晶體中的位錯(cuò)晶體中的位錯(cuò)l位錯(cuò)：晶格中一部分晶體相位錯(cuò)：晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生部分對(duì)于另一部分晶體發(fā)生部分滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移，滑移面上滑移區(qū)與未刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)滑移區(qū)的交界限稱作位錯(cuò)。分為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。滑移區(qū)的交界限稱作位錯(cuò)。分為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。刃位錯(cuò)的構(gòu)成刃位錯(cuò)的構(gòu)成l刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完好晶體某晶面

16、以上的某處多出刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完好晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。l半原子面在滑移面以上的稱正位錯(cuò)，用半原子面在滑移面以上的稱正位錯(cuò)，用“ 表示。表示。l半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯(cuò)，用半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯(cuò)，用“ 表示。表示。l位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)l金屬的位錯(cuò)密度為金屬的位錯(cuò)密度為1041012/cm2l位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的位錯(cuò)對(duì)性能的影響

17、：金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，因此妨礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)起，因此妨礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。化金屬的主要途徑。l減少或添加位錯(cuò)密度都可以減少或添加位錯(cuò)密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。提高金屬的強(qiáng)度。金屬晶須金屬晶須退火態(tài)退火態(tài)(105-108/cm2) 加工硬化態(tài)加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2) 透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線黑線)l 面缺陷面缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界l晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為510個(gè)原個(gè)原子間距，位向差普通為子間距，位向差普通為2040。亞晶粒亞晶粒大角度和小角度晶

18、界大角度和小角度晶界位錯(cuò)壁位錯(cuò)壁l亞晶粒是組成晶粒的尺寸很亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小小，位向差也很小(10 2 )的小晶塊。的小晶塊。l亞晶粒之間的交界面稱亞晶亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界也可看作位錯(cuò)壁。界。亞晶界也可看作位錯(cuò)壁。l晶界的特點(diǎn)：晶界的特點(diǎn)：l 原子陳列不規(guī)那么。原子陳列不規(guī)那么。l 熔點(diǎn)低。熔點(diǎn)低。l 耐蝕性差。耐蝕性差。l 易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子易在晶界偏聚。子易在晶界偏聚。l 妨礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是強(qiáng)化妨礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是強(qiáng)化部位，因此實(shí)踐運(yùn)用的金部位，因此實(shí)踐運(yùn)用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。屬力求獲得細(xì)晶粒。l 是相變的優(yōu)先形核部位是相變的優(yōu)先形核

19、部位 顯微組織的顯示顯微組織的顯示l合金是指由兩種或兩種合金是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。屬特性的物質(zhì)。l組成合金的元素可以是組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金全部是金屬，也可是金屬與非金屬。屬與非金屬。l組成合金的元素相互作組成合金的元素相互作用可構(gòu)成不同的相。用可構(gòu)成不同的相。Al-Cu兩相合金兩相合金黃銅黃銅l所謂相是指金屬或合金中凡所謂相是指金屬或合金中凡成分一樣、構(gòu)造一樣，并與成分一樣、構(gòu)造一樣，并與其它部分有界面分開的均勻其它部分有界面分開的均勻組成部分。組成部分。l顯微組織本質(zhì)上是指在顯微顯微組織本質(zhì)上是指在顯微鏡下察看到的金屬中各相

20、或鏡下察看到的金屬中各相或各晶粒的形狀、數(shù)量、大小各晶粒的形狀、數(shù)量、大小和分布的組合。和分布的組合。l固態(tài)合金中的相分為固溶體固態(tài)合金中的相分為固溶體和金屬化合物兩類。和金屬化合物兩類。單相單相合金合金兩相兩相合金合金l 固溶體固溶體l合金中其構(gòu)造與組成元素之一的晶體構(gòu)造一樣的固合金中其構(gòu)造與組成元素之一的晶體構(gòu)造一樣的固 相稱固溶體。習(xí)慣以相稱固溶體。習(xí)慣以、表示。表示。與合金晶體構(gòu)造一樣的元素稱溶劑。與合金晶體構(gòu)造一樣的元素稱溶劑。其它元素稱溶質(zhì)。其它元素稱溶質(zhì)。固溶體是合金的重要組成相，實(shí)踐固溶體是合金的重要組成相，實(shí)踐合金多是單相固溶體合金或以固合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的

21、合金。溶體為基的合金。按溶質(zhì)原子所處位置分為置換固溶按溶質(zhì)原子所處位置分為置換固溶體和間隙固溶體。體和間隙固溶體。Cu-Ni置換固溶體置換固溶體Fe-C間隙固溶體間隙固溶體l 置換固溶體置換固溶體l溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所構(gòu)成的固溶溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所構(gòu)成的固溶體。體。l溶質(zhì)原子呈無序分布的稱無序固溶體，呈有序分布溶質(zhì)原子呈無序分布的稱無序固溶體，呈有序分布的稱有序固溶體。的稱有序固溶體。黃銅置換固溶體組織黃銅置換固溶體組織l 間隙固溶體間隙固溶體l溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所構(gòu)成的固溶體。溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所構(gòu)成的固溶體。l構(gòu)成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的

22、非金構(gòu)成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金 屬元素，如屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素普通等，而溶劑元素普通是過渡族元素。是過渡族元素。構(gòu)成間隙固溶體的普通構(gòu)成間隙固溶體的普通規(guī)律為規(guī)律為r質(zhì)質(zhì)/r劑劑0.59。間隙固溶體都是無序固間隙固溶體都是無序固溶體。溶體。l 固溶體的溶解度固溶體的溶解度l溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。l溶解度有一定限制的固溶體稱有溶解度有一定限制的固溶體稱有限固溶體。限固溶體。l組成元素?zé)o限互溶的固溶體稱無組成元素?zé)o限互溶的固溶體稱無限固溶體。限固溶體。l組成元素原子半徑、電化學(xué)特性組成元素原子半徑、電化學(xué)特性相近，晶格類型一樣的置換固溶相近，晶格類型一樣的置換固溶體，才有能夠構(gòu)成無限固溶體。體，才有能夠構(gòu)成無限固溶體。 l間隙固溶體都是有限固溶體。間隙固溶體都是有限固溶體。Cu-Ni無限固溶體無限固溶體Cu-Zn有限固溶體有限固溶體固溶體固溶體化合物化合物l 固溶體的性能固溶體的性能l隨溶質(zhì)含量添加隨溶質(zhì)含量添加, 固溶體固溶體的強(qiáng)度、硬度添加的強(qiáng)度、硬度添加, 塑性、塑性、韌性下降韌性下降固