《工程材料晶體結(jié)構(gòu)》ppt課件

1、工程資料及運用工程資料及運用多媒體教案ENGINEERING MATERIALS五邑大學(xué)機電工程學(xué)院第二章第二章第二章 資料的晶體構(gòu)造 內(nèi)容提要： 本章重點引見純金屬的晶體構(gòu)造、晶體缺陷和合金的構(gòu)造、金屬資料的組織。 學(xué)習(xí)目的： 本章重點掌握金屬的晶體構(gòu)造、晶體缺陷和合金的構(gòu)造。第一節(jié)第一節(jié) 晶體構(gòu)造根本知識晶體構(gòu)造根本知識 1.1. 晶格與晶胞晶格與晶胞 晶體構(gòu)造晶體構(gòu)造 晶體中原子晶體中原子( (離子或分子離子或分子) )規(guī)那規(guī)那么陳列的方式。么陳列的方式。為了表達空間原子陳列的幾何規(guī)律，把粒子為了表達空間原子陳列的幾何規(guī)律，把粒子( (原子或分子原子或分子) )在空間的平衡位置作為節(jié)點，

2、在空間的平衡位置作為節(jié)點，將節(jié)點用一系列假想的相互平行的直線銜接將節(jié)點用一系列假想的相互平行的直線銜接起來構(gòu)成的幾何空間格架稱為稱為晶格。起來構(gòu)成的幾何空間格架稱為稱為晶格。 晶胞：能反晶胞：能反映該晶格特征的映該晶格特征的最小組成單元。最小組成單元。三、晶系三、晶系二、晶格常數(shù)二、晶格常數(shù) 按點陣常數(shù)不按點陣常數(shù)不同對晶體的分類。同對晶體的分類。 7 7個晶系，個晶系，1414種種晶胞。晶胞。 棱邊長棱邊長a a、b b、c c 棱邊間夾角棱邊間夾角、 a a、b b、c c 稱為晶格常數(shù)。稱為晶格常數(shù)。 金屬的晶格常數(shù)普通為金屬的晶格常數(shù)普通為: : 1 110-10 m10-10 m7

3、710-10 m 10-10 m (0.1nm (0.1nm0.7nm) 0.7nm) 教師提示教師提示 不同元素組成的金屬晶體因晶格不同元素組成的金屬晶體因晶格方式及晶格常數(shù)的不同，表現(xiàn)出不同的物理、方式及晶格常數(shù)的不同，表現(xiàn)出不同的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。金屬的晶體構(gòu)造可用化學(xué)和力學(xué)性能。金屬的晶體構(gòu)造可用X X射線射線構(gòu)造分析技術(shù)進展測定。構(gòu)造分析技術(shù)進展測定。同素異構(gòu)性、同素異構(gòu)晶體 三、純金屬的晶體構(gòu)造 構(gòu)造特點構(gòu)造特點: :以金屬鍵結(jié)合，失去外層電子的金屬離子與以金屬鍵結(jié)合，失去外層電子的金屬離子與自在電子的吸引力。無方向性，對稱性較高的密堆自在電子的吸引力。無方向性，對稱性較高的密

4、堆構(gòu)造。構(gòu)造。常見構(gòu)造：常見構(gòu)造：體心立方體心立方 b.c.c Body-centered cubicb.c.c Body-centered cubic面心立方面心立方 f.c.c Face-centered cubicf.c.c Face-centered cubic密排六方密排六方 c.p.h Close-packed c.p.h Close-packed hexagonalhexagonal1. 1. 體心立方晶格體心立方晶格( (胞胞) ( BCC ) ( BCC 晶格晶格) )原子位置原子位置 立方體的八個頂角和體心立方體的八個頂角和體心 體心立方晶胞特征：體心立方晶胞特征： 1 1

5、晶格常數(shù)晶格常數(shù) a=b=c, =90 a=b=c, =90 具有體心立方晶具有體心立方晶格的金屬有鉬格的金屬有鉬(Mo)(Mo)、鎢鎢(W)(W)、釩、釩(V)(V)、-鐵鐵(-Fe, 912 )(-Fe, 912 )等。等。 2. 面心立方晶格(胞) ( FCC 晶格)原子位置原子位置 立方體的八個頂角和每個側(cè)面中心立方體的八個頂角和每個側(cè)面中心 具有這種晶格具有這種晶格的金屬有鋁的金屬有鋁(Al)(Al)、銅銅(Cu)(Cu)、鎳、鎳(Ni)(Ni)、金金(Au)(Au)、銀、銀(Ag)(Ag)、- - 鐵鐵( -Fe, ( -Fe, 912 912 4 )4 )等。等。 面心立方晶胞的

6、特征：面心立方晶胞的特征： 1 1晶格常數(shù)晶格常數(shù) a=b=c, =90 a=b=c, =903. 3. 密排六方晶格密排六方晶格( (胞胞) ) ( HCP ( HCP 晶格晶格) )原子位置原子位置 1212個頂角、上下底心和體個頂角、上下底心和體內(nèi)內(nèi)3 3處處 具有這種晶具有這種晶格的金屬有鎂格的金屬有鎂(Mg)(Mg)、鎘、鎘(Cd)(Cd)、鋅鋅(Zn)(Zn)、鈹、鈹(Be)(Be)等。等。abc， 90, 1202、晶胞中的原子數(shù)246 3原子半徑 晶胞中相距最近的兩個原子之間間隔的一半稱為原子半徑(r原子)。4、致密度與配位數(shù)致密度：原子體積與晶胞體積之比 6 6配位數(shù)配位數(shù)

7、配位數(shù)為晶格中與任一個原子相距最近且間配位數(shù)為晶格中與任一個原子相距最近且間隔相等的原子數(shù)目。隔相等的原子數(shù)目。 配位數(shù)越大，原子陳列嚴(yán)密程度就越大。配位數(shù)越大，原子陳列嚴(yán)密程度就越大。 5 5空隙半徑空隙半徑 在晶胞空隙中放入球的最大半徑稱為空隙半徑。在晶胞空隙中放入球的最大半徑稱為空隙半徑。 體心立方晶胞中有兩種空隙：體心立方晶胞中有兩種空隙： 四面體空隙半徑四面體空隙半徑:r:r四四=0.29r=0.29r原子原子 八面體空隙半徑八面體空隙半徑:r:r八八=0.15r=0.15r原子原子 四面體空隙半徑四面體空隙半徑八面體空隙半徑八面體空隙半徑教師提示教師提示 由于原子陳列嚴(yán)密程度不一由

8、于原子陳列嚴(yán)密程度不一樣，當(dāng)金屬從面心立方晶格向體心立方樣，當(dāng)金屬從面心立方晶格向體心立方晶格轉(zhuǎn)變時晶格轉(zhuǎn)變時, , 體積會發(fā)生變化。體積會發(fā)生變化。 鋼在淬火時因晶格轉(zhuǎn)變發(fā)生體積變鋼在淬火時因晶格轉(zhuǎn)變發(fā)生體積變化?；?。 不同晶體構(gòu)造中原子陳列的方式不不同晶體構(gòu)造中原子陳列的方式不同同, , 使它們的形變才干不同。使它們的形變才干不同。 第二節(jié)、晶體中的晶面和晶向 經(jīng)過晶體中原子中心的平面叫做晶面；代表了晶體中原子列的方向。 經(jīng)過原子中心的直線為原子列，代表的方向叫做晶向。 晶面用晶面指數(shù)表達。 晶向用晶向指數(shù)表達。晶向指數(shù)：表示晶向方位符號。晶面指數(shù)：表示晶面方位的符號。 以晶向以晶向DAD

9、A為例：為例： 一一. . 立方晶系的晶向表示方法立方晶系的晶向表示方法 立方晶胞中的主要晶向立方晶胞中的主要晶向 晶向晶向OA OA ： 100 100 晶向晶向OB OB ： 110 110 晶向晶向OBOB ： 晶向指數(shù)普通標(biāo)志為晶向指數(shù)普通標(biāo)志為uvwuvw， 表示一組原子陳列一樣的平行晶向。表示一組原子陳列一樣的平行晶向。111111 假設(shè)兩個晶向的全部指數(shù)數(shù)值一樣而假設(shè)兩個晶向的全部指數(shù)數(shù)值一樣而符號相反符號相反, , 那么它們相互平行或為同一原那么它們相互平行或為同一原子列子列, , 但方向相反。但方向相反。 如如110110與與 。 假設(shè)只研討原子陳列情況假設(shè)只研討原子陳列情況

10、, , 那么晶向那么晶向110110與與 可用同一個指數(shù)可用同一個指數(shù)110110表示。表示。晶向族晶向族 原子陳列情況一樣而在空間位向不原子陳列情況一樣而在空間位向不同的晶向組成晶向族。同的晶向組成晶向族。 晶向族用尖括號表示晶向族用尖括號表示, , 即即。 如如: : = 100 + 010 + 001 = 100 + 010 + 001 在立方晶系中在立方晶系中, , 一個晶面指數(shù)與一個晶面指數(shù)與一個晶向指數(shù)數(shù)值和符號一樣時一個晶向指數(shù)數(shù)值和符號一樣時, , 那那么該晶面與該晶向相互垂直。么該晶面與該晶向相互垂直。 如：如：(111)111(111)111。晶面與晶向相互垂直晶面與晶向相

11、互垂直 二二. . 立方晶系的晶面表示方法立方晶系的晶面表示方法 以晶面以晶面ABBABBA A為例：為例： 晶面的截距可以為負數(shù)晶面的截距可以為負數(shù), , 在指數(shù)上加負號在指數(shù)上加負號, , 如如 。 假設(shè)某個晶面假設(shè)某個晶面 的指數(shù)都乘以的指數(shù)都乘以-1,-1,得到晶面得到晶面 , , 那么晶面那么晶面 與與 屬于一組平行晶面。屬于一組平行晶面。立方晶胞中的主要晶面立方晶胞中的主要晶面 晶面指數(shù)的普通標(biāo)志晶面指數(shù)的普通標(biāo)志為為(hkl)(hkl)。實踐表示一組原。實踐表示一組原子陳列一樣的平行晶面。子陳列一樣的平行晶面。 晶面族：晶面族： 在立方晶系中在立方晶系中, , 原子陳列一樣但在空

12、間方原子陳列一樣但在空間方向不同的晶面組成晶面族。向不同的晶面組成晶面族。 晶面族用大括號表示晶面族用大括號表示, , 即即hklhkl。111 111 晶面族晶面族在立方晶胞中在立方晶胞中 組成組成111111晶面族：晶面族： 在立方晶系中在立方晶系中, , 一個晶面指數(shù)與一個晶面指數(shù)與一個晶向指數(shù)數(shù)值和符號一樣時一個晶向指數(shù)數(shù)值和符號一樣時, , 那那么該晶面與該晶向相互垂直。么該晶面與該晶向相互垂直。 如：如：(111)111(111)111。晶面與晶向相互垂直晶面與晶向相互垂直 三三. . 晶向及晶面的原子密度晶向及晶面的原子密度 不同晶體構(gòu)造中不同晶面、不同晶向不同晶體構(gòu)造中不同晶面

13、、不同晶向上原子陳列密度不一樣。上原子陳列密度不一樣。 密排面：密排面： 原子密度最大的晶面。原子密度最大的晶面。 密排方向：原子密度最大的晶向。密排方向：原子密度最大的晶向。 在體心立方晶格中，在體心立方晶格中， 密排面為密排面為110110。 密排方向為密排方向為。 在面心立方晶格中在面心立方晶格中, , 密排面為密排面為111111。 密排方向為密排方向為。體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子陳列和密度體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子陳列和密度晶向晶向 指數(shù)指數(shù) 體心立方晶格體心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格晶向原子晶向原子 排列示意圖排列示意圖 晶向原子晶向原子密度密度( (原

14、子數(shù)原子數(shù)/ /長度長度) ) 晶向原子晶向原子 排列示意圖排列示意圖 晶向原子晶向原子密度密度( (原子數(shù)原子數(shù)/ /長度長度) ) 體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子陳列和密度體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子陳列和密度晶面晶面 指數(shù)指數(shù) 體心立方晶格體心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格晶面原子晶面原子 排列示意圖排列示意圖 晶面原子晶面原子密度密度( (原子數(shù)原子數(shù)/ /面積面積) ) 晶面原子晶面原子 排列示意圖排列示意圖 晶面原子晶面原子密度密度( (原子數(shù)原子數(shù)/ /面積面積) ) 100 100 110 110 111 111 三、金屬晶體的特性 1. 金屬晶體具有確定的熔

15、點 純金屬緩慢加熱到一定溫度, 固態(tài)金屬熔化成為液態(tài)金屬。熔化過程中溫度不變。 熔化溫度(T0)稱為熔點。晶體和非晶體的熔化曲線晶體和非晶體的熔化曲線 非晶體資料在非晶體資料在加熱時加熱時, , 固態(tài)轉(zhuǎn)變固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時為液態(tài)時, , 溫度變溫度變化?；?。 2. 2. 金屬晶體具有各向異性金屬晶體具有各向異性 在晶體中在晶體中, , 不同晶面和晶向上原子陳列不同晶面和晶向上原子陳列的方式和密度不同，它們之間的結(jié)合力的大的方式和密度不同，它們之間的結(jié)合力的大小也不一樣，因此金屬晶體不同方向上的性小也不一樣，因此金屬晶體不同方向上的性能不同。這種性質(zhì)叫做晶體的各向異性。能不同。這種性質(zhì)叫做晶體的各向異性。 單晶體鐵單晶體鐵( (只含一個晶粒只含一個晶粒) )的彈性模量，的彈性模量， 方向上為方向上為2.902.90105 MPa, 105 MPa, 方向上只需方向上只需1.351.35105 MPa105 MPa。 單晶體鐵在磁場中沿單晶體鐵在磁場中沿方向磁化容方向磁化容易。制造變壓器用的硅鋼片的易。制造變壓器用的硅鋼片的方向應(yīng)平方向應(yīng)平行于導(dǎo)磁方向，以降低變壓器的鐵損。行于導(dǎo)磁方向，以降低變壓器的鐵損。 鋅在鹽酸中溶解時，晶面的溶解速度的鋅在鹽酸中溶解時，晶面的溶解速度的次序從大到小是：次序從大到小是： 各向異性：晶體在不同的