《工程材料》第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1、工程材料機械制造基礎(chǔ) - 第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu) Crystal Structure of Metal晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識實際金屬的體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷第一節(jié) 晶體結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識一.晶體與非晶體的基本概念1.晶體 ( crystal ) 的基本概念: 物體內(nèi)部的原子 ( 或分子 ) 在三維 空間中 , 按一定規(guī)律作周期性排列的固 體。 晶體物質(zhì)所具有的性質(zhì): 固定的熔 點; 各向異性等。 例如 , 所有的金屬、 食鹽等。2.非晶體 ( non- crystal )的基本概念: 物體內(nèi)部的原子呈散亂分布,其物理和力學(xué)性能各向同性。例如,普通玻璃、松香等。金屬的結(jié)構(gòu)晶 態(tài)非晶態(tài)S

2、iO2的結(jié)構(gòu)非晶態(tài)晶態(tài)二.晶體學(xué)(crystallography)的基本知識1.晶格(crystal lattice): 用以描述晶體中 原子排列規(guī)律的空間點陣格架。2.晶胞 ( unit cell ):能完全反映晶格特 征的最小幾何單元。3.晶格常數(shù) ( lattice constant ) :cXZYOba4.晶系與布拉菲點陣 1855年,法國學(xué)者布拉維(Bravais)用數(shù)學(xué)方法證明了空間點陣共有且只 能有十四種,并歸納為七個晶系:4.晶系與布拉菲點陣 1855年,法國學(xué)者布拉維(Bravais)用數(shù)學(xué)方法證明了空間點陣共有且只 能有十四種,并歸納為七個晶系: 1). 三斜晶系 a =

3、b = c , = = = 90; 2). 單斜晶系 a = b = c , = = 90 = ; 3). 正交晶系 a = b = c , = = = 90 ; 4). 六方晶系 a = b = c , = 90,=120; 5). 菱方晶系 a = b = c , = = = 90; 6). 正方晶系 a = b = c , = = = 90; 7). 立方晶系 a = b = c , = = = 90;布拉菲空間點陣晶胞5.晶面(crystal face): 在晶格中由一系 列原子所構(gòu)成的平面稱為晶面。6.晶面指數(shù)(indices of crystallographic plane):用

4、密勒(Miller)指數(shù)對晶格中 某一晶面進行標(biāo)定。使用方法: 設(shè)置坐標(biāo);求截距;取倒數(shù)。7.晶向(crystal direction): 在晶格中,任 意兩原子之間的連線所指的方向。8.晶向指數(shù): 用密勒(Miller)指數(shù)對晶格 中某一原子排列在空間的位向進行標(biāo) 定。使用方法:設(shè)置坐標(biāo);求截距;取最小整數(shù)。三.常見的三種晶體結(jié)構(gòu) 1.體心立方晶格 ( body-center cubic lattice )*晶胞中的原子數(shù): n= 8 181= 2個*晶胞的特征參數(shù):a = b = c , = = = 90 ;*原子的體積: v = 4R33*致密度:K= nV原子V晶體= 0.68 = 6

5、8 %*配位數(shù) ( N ) 是指晶格中與任一原子處于相 等距離并相距最近的原子數(shù)目。*原子的半徑: R = 3 a4N= 8 ( 原子間的最近距離d=3 a2 )屬于體心立方晶格的金屬有:鈉 ( Na ) ; 鉀 ( K ) ; 鉻 ( Cr ) ;鉬 ( Mo ) ; 鎢 ( W ) ; 釩 ( V ) ;鉭 ( Ta ) ; 鈮 ( Nb ) ; -鐵 ( -Fe ) 等 。2.面心立方晶格 ( face-center cubic lattice )*晶胞中的原子數(shù): n=81/8+61/2= 4個*晶胞的特征參數(shù):a = b = c , = = = 90 ;*原子的體積: v = 4R3

6、3*致密度:K= nV原子V晶體= 0.74 = 74 %*配位數(shù) ( N ) 是指晶格中與任一原子處于相 等距離并相距最近的原子數(shù)目。*原子的半徑: R = 2 a4N=12 ( 原子間的最近距離d=2 a2 )屬于面心立方晶格的金屬有:金 ( Au ) ; 銀 ( Ag ) ; 銅 ( Cu ) ;鋁 ( Al ) ; 鎳 ( Ni ) ; 鉑 ( Pt ) ;鉛 ( Pb ) ; -鐵 ( -Fe ) 等。3.密排六方晶格 ( c/a = 1.633 ) ( close-packed hexagonal lattice )*晶胞中的原子數(shù): n=121/6+21/2+3 =6個*晶胞的特

7、征參數(shù):*原子的體積: v = 4R33*致密度:K= nV原子V晶體= 0.74 = 74 %*配位數(shù) ( N ) 是指晶格中與任一原子處于相 等距離并相距最近的原子數(shù)目。*原子的半徑: R = a / 2 N= 12 ( 原子間的最近距離d = a )a = b = c, = = 90, = 120;屬于密排六方晶格的金屬有:鎂 ( Mg ) ; 鋅 ( Zn ) ; 鎘 ( Cd ) ; 鈦 ( Ti ) ; 鈹 ( Be ) 等 。四.純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與特性1.金屬鍵-金屬原子間的結(jié)合鍵。2.金屬鍵的基本特點是電子公有化。3.電子氣-當(dāng)金屬原子結(jié)合成晶體時,價電子不再被束縛在各個原子上

8、,而是在整個晶體內(nèi)運動,從而形成電子氣。4.金屬晶體-失去價電子的金屬正離子與組成電子氣的自由電子之間產(chǎn)生的靜電引力使金屬原子結(jié)合在一起,從而形成了金屬晶體。 第二節(jié) 實際金屬的體結(jié)構(gòu) 與晶體缺陷一.單晶體與多晶體的基本概念 1.單晶體( single crystal )的特征: * 晶體由一個晶格排列方位完全一 致的晶粒組成。 * 晶體具有各向異性( aeolotropy )。 例如:單晶硅、單晶鍺等。 單晶體結(jié)構(gòu)示意圖 2.多晶體( polycrystal )的特征 *晶體是由許多顆晶格排列方位不 相同的晶粒組成。 *晶體具有各向同性( isotropy )。 例如: 常用的金屬等。 多晶

9、體結(jié)構(gòu)示意圖二. 晶體缺陷( crystal defect )點缺陷線缺陷面缺陷1.點缺陷( point defect )空位( vacancy )間隙原子( gap atom )置換原子( substitutional atom ) 點缺陷示意圖間隙原子晶格空位置換原子 2. 線缺陷( line defect ) -位錯( dislocation ) 螺旋型位錯( screw dislocation )刃型位錯( blade dislocation ) 螺旋型位錯示意圖 刃型位錯示意圖 刃型位錯示意圖正刃型位錯負(fù)刃型位錯3.面缺陷( surface-defect )晶界( grain boundary ) : 晶粒與晶粒之間的界面。亞晶界( sub-boundary ) : 相鄰晶粒位向很小(一般12)的小角度晶界。 晶界與亞晶界結(jié)構(gòu)示意