【學習課件】第一章-材料的結構

1、第一章 材料的結構物質(zhì)由原子組成。原子的結合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。原子、離子、分子之間的結合力稱為結合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱為結構。C60編輯課件一、晶體結構的基本概念 金屬的結構晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結構1、晶體與非晶體晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。非晶體是指原子呈無序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉化。編輯課件2、晶格與晶胞 晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成。龍村人 龍村吧 茶館雜事 編輯課件 晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。編輯課件 晶系：根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。90%以上的金屬具有

2、立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，=90六方晶系：a1=a2=a3 c，=90，=120立方六方四方菱方正交單斜三斜 晶格常數(shù)：晶胞個邊的尺寸 a、b、c。各棱間的夾角用、表示。編輯課件 原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。 晶胞原子數(shù)：一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。 配位數(shù)：晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目。 致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分數(shù)。編輯課件3、立方晶系晶面、晶向表示方法晶體中各方位上的原子面稱晶面。各方向上的原子列稱晶向。晶面指數(shù)表示晶面的符號稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：編輯課件 確定原點，建立坐標系，求出所求晶面在三個坐標軸上的截距。龍村人

3、龍村吧 茶館雜事 編輯課件例一.求截距為、1、晶面的指數(shù) 截距值取倒數(shù)為0、1、0，加圓括弧得（010）例二.求截距為2、3、 晶面的指數(shù) 取倒數(shù)為1/2、1/3 、 0, 化為最小整數(shù)加圓括弧得（320）例三.畫出（112）晶面 取三指數(shù)的倒數(shù)1、1、1/2, 化成最小整數(shù)為2、2、1，即為X、Y、Z三坐標軸上的截距編輯課件 晶向指數(shù)表示晶面的符號稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：編輯課件 確定原點，建立坐標系，過原點作所求晶向的平行線。 求直線上任一點的坐標值并按比例化為最小整數(shù)，加方括弧。形式為uvw。編輯課件例一、已知某過原點晶向上一點的坐標為1、1.5、2，求該直線的晶向指數(shù)。將三坐標值化為

4、最小整數(shù)加方括弧得234。例二、已知晶向指數(shù)為110, 畫出該晶向。找出1、1、0坐標點,連接原點與該點的直線即所求晶向。110234編輯課件 晶面族與晶向族(hkl)與uvw分別表示的是一組平行的晶向和晶面。指數(shù)雖然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面稱作晶向族或晶面族。分別用hkl和表示。編輯課件立方晶系常見的晶面為：編輯課件110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY編輯課件立方晶系常見的晶向為：編輯課件111111111111XZY編輯課件說明： 在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相互垂直。 遇到負指數(shù)，“-”號放在該指數(shù)的上方。- 晶向具有方向性， 如11

5、0與110方 向相反。XZY(221)221110110編輯課件二、金屬的晶體結構1、純金屬的晶體結構金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結合的，稱為金屬鍵。金屬原子趨向于緊密排列。價電子云正離子金屬鍵示意圖具有良好的導熱性、導電性、延展性及金屬光澤。龍村人 龍村吧 茶館雜事 編輯課件 體心立方晶格編輯課件體心立方晶格編輯課件體心立方晶格的參數(shù)編輯課件體心立方晶格原子個數(shù)：2配位數(shù)： 8致密度：0.68龍村人 龍村吧 茶館雜事 晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑：編輯課件 面心立方晶格編輯課件面心立方晶格編輯課件面心立方晶格的參數(shù)編輯課件 a42r=：原子半徑原子個數(shù)：4配位數(shù)： 12致

6、密度：0.74常見金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常數(shù)：a面心立方晶格編輯課件 密排六方晶格編輯課件a21r=：原子半徑原子個數(shù)：6配位數(shù)： 12致密度：0.74龍村人 龍村吧 茶館雜事 晶格常數(shù)：底面邊長 a 和高 c， c/a=1.633密排六方晶格編輯課件 三種常見晶格的密排面和密排方向單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度。單位長度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。編輯課件三種常見晶格的密排面和密排方向六方底面底面對角線密排六方晶格面心立方晶格體心立方晶格編輯課件體心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面編輯課件2、實際

7、金屬的晶體結構變形金屬晶粒尺寸約1100m，鑄造金屬可達幾mm。純鐵組織晶粒示意圖 單晶體與多晶體單晶體：其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。多晶體：晶粒：實際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒。編輯課件晶界：晶粒之間的交界面。晶粒越細小，晶界面積越大。多晶體：由多晶粒組成的晶體結構。光學金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖編輯課件 晶體缺陷晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即點、線、面缺陷。編輯課件 點缺陷 空間三維尺寸都很小的缺陷?？瘴婚g隙原子置換原子編輯課件a. 空位：晶格中某些缺排原子的空結點。b. 間隙原子：擠

8、進晶格間隙中的原子?？梢允腔w金屬原子，也可以是外來原子。編輯課件c. 置換原子：取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶空位間隙原子小置換原子大置換原子格畸變。從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。編輯課件空位和間隙原子引起的晶格畸變龍村人 龍村吧 茶館雜事 編輯課件 線缺陷晶體中的位錯位錯：晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未刃型位錯 螺型位錯滑移區(qū)的交界線稱作位錯。分為刃型位錯和螺型位錯。編輯課件刃型位錯和螺型位錯刃位錯的形成編輯課件刃型位錯：當一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體

9、，這個多余原子面的邊緣就是刃型位錯。半原子面在滑移面以上的稱正位錯，用“ ”表示。半原子面在滑移面以下的稱負位錯，用“ ”表示。編輯課件位錯密度：單位體積內(nèi)所包含的位錯線總長度。 = L/V(cm/cm3或1/cm2)金屬的位錯密度為1041012/cm2位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯運動引起，因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度。金屬晶須退火態(tài)(105-108/cm2) 加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2) 編輯課件電子顯微鏡下的位錯透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯（白點為原子）編輯課件電子顯微鏡下的位錯觀察編輯

10、課件 面缺陷主要有：晶界與亞晶界晶界是不同位向晶粒的過渡部位，寬度為510個原子間距，位向差一般為2040。晶粒I晶粒II晶界編輯課件晶界的特點： 原子排列不規(guī)則。 熔點低。 耐蝕性差。 易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子易在晶界偏聚。 阻礙位錯運動，是強化部位，晶粒越細晶界總面積就越大，金屬的強度也越高，因而實際使用的金屬力求獲得細晶粒。 是相變的優(yōu)先形核部位 顯微組織的顯示編輯課件亞晶粒大角度和小角度晶界位錯壁亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2 )的小晶塊。亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界也可看作由刃型位錯垂直排列形成的位錯壁。編輯課件3、合金的晶體結構合金是指由兩種或兩種以上元素組

11、成的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金屬與非金屬。組成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu兩相合金黃銅編輯課件所謂相是指金屬或合金中凡成分相同、結構相同，并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。顯微組織實質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。根據(jù)結構特點不同，固態(tài)合金中的相分為固溶體和金屬化合物兩類。單相合金兩相合金編輯課件 固溶體合金中其結構與組成元素之一的晶體結構相同的固 相稱固溶體。習慣以、表示。與合金晶體結構相同的元素稱溶劑。其它元素稱溶質(zhì)。固溶體是合金的重要組成相，實際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。龍村人 龍村吧 茶館雜事 編輯課件 置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結點位置所形成的固溶體。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。黃銅置換固溶體組織編輯課件 間隙固溶體溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。形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C、N、B等，而溶劑元素一般是過渡族元素。形成間