第一章工程材料類型及金屬的晶體結(jié)構(gòu)ppt課件

1、第 一 章工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造. 1.1 工程資料類型 1.2 晶體的概念 1.2.1 短程有序與長(zhǎng)程有序 1.2.2 晶體構(gòu)造的根本概念和類型 1.2.3 同素異構(gòu) 1.3 晶體缺陷 第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造主 要 內(nèi) 容.1.1 工程資料類型 工程資料是指具有一定性能，在特定條件下，可以承當(dāng)某種功能，被用來制取零件和元件的資料。1.1.1 分類 按運(yùn)用功能分類： 構(gòu)造資料structural material 實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)、傳送運(yùn)動(dòng)，承當(dāng)力、負(fù)荷為主機(jī)械工程等。 功能資料functional material 理化功能為主，力性為輔導(dǎo)電資料、磁盤、光纖等。 第一章 工程資料

2、類型及金屬的晶體構(gòu)造.1.1 工程資料類型 按成分分類-四大類資料第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造. 1.1.2 資料特征characteristic 1金屬資料metals 優(yōu)點(diǎn)：兼有良好力學(xué)性能較高強(qiáng)度、剛度、塑性、韌性及某些理化性能良好導(dǎo)電、導(dǎo)熱性等和較好的工藝性，價(jià)錢廉價(jià)或適中。大量用作構(gòu)造資料，部分用作功能資料。 缺陷：地球上資源有限；高溫及特殊環(huán)境中不能勝任。 2陶瓷資料無機(jī)非金屬資料，金屬與非金屬的化合物如 Al2O3、SiC。 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)良理化性能耐蝕、光、電、熱學(xué)性能，絕緣性能等及極好的耐高溫特性，且原料來源廣泛。主要用在特殊場(chǎng)所特殊陶瓷及日常傳統(tǒng)陶瓷。 缺陷：性脆、難加工

3、，可靠性差。第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1.1.2 資料特征3高分子資料高聚物，Polymer 優(yōu)點(diǎn)：較高彈性、耐磨性、絕緣性、抗腐蝕性、分量 輕，加工性好，原料豐富。 缺陷：強(qiáng)度低；不耐高溫300；易老化易燃。 4復(fù)合資料Composites兩種或多種資料復(fù)合而成 優(yōu)點(diǎn)：具有單一資料所不具備的優(yōu)良性能；可按需求 進(jìn)展人為設(shè)計(jì)、制造。 缺陷：目前性能高的價(jià)貴。第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造. 1. 1. 3 原子間鍵合一、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 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1. 1. 3 原子間鍵合二、共價(jià)鍵：原子間共用電子對(duì)產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合力第一

4、章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1.1. 3 原子間鍵合三、金屬鍵：金屬正離子與“自在電子氣靜電吸引產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合力。第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1.1. 3 原子間鍵合四、分子鍵：分子偶極間吸引力產(chǎn)生的化學(xué)結(jié)合力。第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1. 1.3 原子間鍵合五、氫鍵：氫原子因正負(fù)電子中心偏移產(chǎn)生的靜電吸引 構(gòu)成的化學(xué)結(jié)合力。 第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造氫原子中獨(dú)一的電子被其它原子所共有共價(jià)鍵結(jié)合，裸露原子核 將與近鄰分子的負(fù)端相互吸引氫橋.1. 1.3 原子間鍵合六、工程資料的鍵性 金屬資料：金屬鍵絕大部分 共價(jià)鍵亞金屬 陶瓷資料：離子鍵、共價(jià)鍵 高分

5、子資料：共價(jià)鍵、分子鍵第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1.2.晶體概念1.2.1短程有序與長(zhǎng)程有序短程有序：原子在分子范圍內(nèi)按一定規(guī)律陳列，而分子之間那么隨機(jī)無規(guī)律的銜接在一同，這種結(jié)合方式稱為短程有序。多數(shù)以共價(jià)鍵、范德華鍵結(jié)合的資料往往是短程有序。 長(zhǎng)程有序：原子在整個(gè)資料內(nèi)部都按一定規(guī)律陳列，那么稱為長(zhǎng)程有序。原子長(zhǎng)程有序，即構(gòu)成了整個(gè)晶體。第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造SiO2一個(gè)Si原子與4個(gè)O原子結(jié)合，而SiO2單元體間那么隨機(jī)銜接。.1.2.晶體概念1.2.1短程有序與長(zhǎng)程有序短程有序：第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1.2.晶體概念 1.2.2 晶體構(gòu)造的根本

6、概念和類型 晶 體 固態(tài)物質(zhì) 非晶體第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造組成非晶體的原子或離子、分子呈無規(guī)那么陳列的固體。例如：松香、石蠟和玻璃組成晶體的原子或離子、分子呈規(guī)那么、周期性反復(fù)陳列的固體；例如：水晶、天然水晶石.1.2.2 晶體構(gòu)造的根本概念和類型 1晶格點(diǎn)陣第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造 為了便于研討晶體中原子陳列的情況，通常用一個(gè)小鋼球替代一個(gè)原子，并把不停振動(dòng)的原子當(dāng)作在它平衡位置上靜止不動(dòng)，這樣金屬晶體構(gòu)培育可用許多小鋼球相互嚴(yán)密接觸的堆砌模型來表示剛球模型。.1.2.2 晶體構(gòu)造的根本概念和類型 1晶格點(diǎn)陣 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)，

7、用平行幾何線條在三維空間經(jīng)過原子中心使其相互連起來，這樣就構(gòu)成了一個(gè)幾何格架。第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造 這種幾何空間格架那么稱為晶格或晶體點(diǎn)陣。 這種幾何空間格架中的幾何質(zhì)點(diǎn)位置稱為結(jié)點(diǎn)或陣點(diǎn)。.1.2.2 晶體構(gòu)造的根本概念和類型 2. 晶胞 晶胞是晶格中能代表原子陳列的最小幾何單元體，它是一個(gè)簡(jiǎn)單的多面體構(gòu)造。G:VIDEO晶胞.AVI第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造. 1.2.2 晶體構(gòu)造的根本概念和類型 3晶格常數(shù) 為研討晶胞的外形與大小，通常用晶胞的三個(gè)棱邊長(zhǎng)度a、b、c和棱邊夾角、六個(gè)參數(shù)表示，棱邊長(zhǎng)度a、b、c稱為晶格常數(shù)，以nm納米為單位，1nm =10-9 m

8、，以前用度量，1=0.1nm。圖1-1 晶格常數(shù)表示圖第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造. 1.2.2 晶體構(gòu)造的根本概念和類型 4晶胞類型晶胞一共有14種類型，分屬于7個(gè)晶系。實(shí)踐晶體構(gòu)造都可籠統(tǒng)的歸屬于14種晶胞中的一種，并用其描畫其原子陳列規(guī)律。14種晶胞類型是由布拉菲Bravais于1848年根據(jù)“每個(gè)陣點(diǎn)周圍具有一樣環(huán)境的要求，利用數(shù)學(xué)方法推算出來的，而且只能有14種，因此也稱為“布拉菲空間點(diǎn)陣。第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造思索題：實(shí)踐晶體構(gòu)造和布 拉菲空間點(diǎn)陣有何區(qū)別？.1.2.2 晶體構(gòu)造的根本概念和類型 5.常見的金屬晶格類型 工業(yè)上運(yùn)用的金屬雖然有幾十種，但除少數(shù)金

9、屬具有復(fù)雜的晶體構(gòu)造外，大多數(shù)金屬均具有比較簡(jiǎn)單的晶體構(gòu)造。最常見的晶體構(gòu)造只需三種，即 體心立方 bcc 面心立方 fcc 密排六方 hcp 前兩種屬于立方晶系，后一種屬于六方晶系。第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1.2.2 晶體構(gòu)造的根本概念和類型 5.常見的金屬晶格類型 一體心立方構(gòu)造 (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 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造. 5.常見的金屬晶格類型 一體心立方構(gòu)造 1點(diǎn)陣常數(shù) “a 點(diǎn)陣常數(shù)a通常應(yīng)以納米nm為單位。 2晶胞中的原子數(shù) (1/8)8 + 1 = 2 3配位數(shù)和致密度 a配位數(shù) 晶體構(gòu)造中任一原子的最近

10、鄰，且等間隔的原子數(shù)目， 叫做該晶體構(gòu)造的配位數(shù)。 第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.5.常見的金屬晶格類型 一體心立方構(gòu)造b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： 可見，體心立方構(gòu)造的金屬晶體中，有68%的體積為原子所占據(jù)，其他32%為空隙體。Cr、Mo、W、V、Nb.第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造 體心立方晶格可以看成是由兩個(gè)簡(jiǎn)單立方晶格交叉而成。在每個(gè)體心立方晶胞中，無論是體心的原子，還是角上的原子，周圍都有8個(gè)最近鄰且等間隔的原子，所以體心立方構(gòu)造的配位數(shù)為8。. 5.常見的金屬晶格類型 二面心立方構(gòu)造 面心立方晶胞除了晶胞的8個(gè)角上各有一個(gè)原子外，

11、在每個(gè)立方面子的中心還有一個(gè)原子，故稱面心立方構(gòu)造。第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造 (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.常見的金屬晶格類型 二面心立方構(gòu)造(Al、Cu、Ni、Au、Ag) 1點(diǎn)陣常數(shù) a 2晶胞中的原子數(shù) (1/8)8 + (1/2) 6 = 4 3配位數(shù)和致密度 a配位數(shù) 12 b致密度第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.5.常見的金屬晶格類型 三密排六方構(gòu)造 (Mg、Zn、-Co)第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造 (b) (c)圖1-6 密排六方晶胞a鋼球模型b質(zhì)點(diǎn)模型c晶胞原子數(shù). 5.常見的金屬晶格類型 三密排六方構(gòu)造

12、 (Mg、Zn、-Co) 1點(diǎn)陣常數(shù) 正六邊形邊長(zhǎng)a ，晶胞高度 c ; 理想軸比c/a=1.633 2原子 (1/6)12 + (1/2) 2+3 = 6 3配位數(shù)和致密度 a配位數(shù) 12 b致密度第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1.2.2 晶體構(gòu)造的根本概念和類型 6晶面指數(shù)與晶向指數(shù)第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.6晶面指數(shù)與晶向指數(shù) 1)晶面指數(shù)1選定一個(gè)結(jié)點(diǎn)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。 特別該當(dāng)留意，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)軸上的截距假設(shè)晶面與某一坐標(biāo)軸平行，那么其截距為，

13、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將這組最小整數(shù)加上圓括號(hào)，并且不用標(biāo)點(diǎn)分開各數(shù)，即得晶面指數(shù)hkl。 假設(shè)待定晶面在某一坐標(biāo)軸上的截距為負(fù)值，那么在相應(yīng)指數(shù)上方加一負(fù)號(hào)。第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.6晶面指數(shù)與晶向指數(shù) 1)晶面指數(shù)第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造圖1-7 晶面指數(shù)確實(shí)定.6晶面指數(shù)與晶向指數(shù) 1)晶面指數(shù)圖1-7a中晶面a1b1c1d1及a2b2c2d2為相互平行的兩個(gè)晶面，晶面指數(shù)都是110。由此可見，一個(gè)晶面指數(shù)表示的不是一個(gè)晶面，而是一組

14、相互平行的晶面。圖1-7b中晶面a1b1c1與a2b2c2也是相互平行的，假設(shè)分別選取0及0為原點(diǎn)，那么截距分別為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)晶面指數(shù)的數(shù)字一樣而符號(hào)相反。由此可見，由于原點(diǎn)選取不同，得到數(shù)字一樣而符號(hào)相反的兩個(gè)晶面指數(shù)，表示的是同一組平行晶面。第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.6晶面指數(shù)與晶向指數(shù) 2)晶向指數(shù)(1)將坐標(biāo)原點(diǎn)選在待定晶向的一個(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

15、號(hào)，即得晶向指數(shù)uvw。假設(shè)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 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.6晶面指數(shù)與晶向指數(shù) 2)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點(diǎn)。112111第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造圖1-8 晶向指數(shù)確實(shí)定晶向族 ：原子陳列情況一樣在空間位向不同即不平行的晶向。如100 .1.2.3同素異構(gòu) 多數(shù)金屬在結(jié)晶后的晶格類型都堅(jiān)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

16、屬能以幾種晶格類型存在的性質(zhì)，叫做同素異構(gòu)性。68%74%68%第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1.2.3同素異構(gòu)鐵在同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)有體積變化。從原子的陳列情況來看，面心立方晶格中鐵原子陳列得比較嚴(yán)密，所以在質(zhì)量一樣的條件下，-Fe的體積比-Fe要小。如將一塊純鐵加熱到912，即由-Fe變?yōu)?Fe ，這時(shí)體積要減少；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，有能夠引起構(gòu)造應(yīng)力。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 。鋼所以可以經(jīng)過熱處置以改動(dòng)其性能，是與鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變有關(guān)的。第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造. 1.3 晶體缺陷 金屬晶粒，

17、其內(nèi)部原子的陳列并不是那樣理想的完全規(guī)那么整齊，不存在任何缺陷，實(shí)踐上存在著原子錯(cuò)排的各種缺陷。這種晶體構(gòu)造的缺陷對(duì)金屬的性能和組織轉(zhuǎn)變等均有很大影響，因此有必要了解和注重這些缺陷。 一、點(diǎn)缺陷 二、線缺陷 三、面缺陷第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1.3 晶體缺陷 1.3.1點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷是空間三維方向上尺寸都很小的一種缺陷。第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1.3 晶體缺陷 1.3.1點(diǎn)缺陷第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1.3 晶體缺陷 1.3.1點(diǎn)缺陷晶體中空位或間隙原子的挪動(dòng)是原子進(jìn)展分散的一種主要方式；固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化；畸變引起性能變化如電阻添加、屈服強(qiáng)度添加等。第

18、一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1.3 晶體缺陷 1.3.2 線缺陷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。分為刃型及螺型兩種位錯(cuò)。 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)空間模型刃型位錯(cuò)平面模型第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1.3 晶體缺陷 1.3.2 線缺陷 刃型位錯(cuò) 上圖是晶體中刃型位錯(cuò)表示圖。從圖中可以看到ABCD晶面以上沿EF處多插入了一層原子面，它好似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，原子間距添加，遭到拉應(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)幾千萬個(gè)原子間距，故刃型位錯(cuò)是一種線缺陷。第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1.3.2 線缺陷 螺型位錯(cuò)以下圖是螺型位錯(cuò)表示圖第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造.1.3.2 線缺陷晶體資料塑性變形的微觀機(jī)制：位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。位錯(cuò)強(qiáng)化：隨位錯(cuò)密度的添加，資料的強(qiáng)度添加，同時(shí)塑 性降低。原 因：位錯(cuò)纏繞，妨礙位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)。第一章 工程資料類型及金屬的晶體構(gòu)造. 1.3.3 面缺