晶格常數(shù)課件

固體材料的性能主要取決于其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)及加工工藝過程。所謂結(jié)構(gòu)就是指物質(zhì)內(nèi)部原子在空間的分布及排列規(guī)律。金屬晶體結(jié)構(gòu)是決定性能的內(nèi)在基本因素之一。第二章材料的結(jié)構(gòu)§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論§2.2晶體缺陷理論固體材料的性能主要取決于其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)及加工工1§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論一、晶體與非晶體二、晶體結(jié)構(gòu)§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論一、晶體與非晶體2液體-->固體（晶體或非晶體）--

凝固液體-->晶體--結(jié)晶

晶體液體結(jié)晶§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論一、晶體與非晶體液體-->固體（晶體或非晶體）--凝固液體-->3§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論一、晶體與非晶體晶體：原子在三維空間中有規(guī)則地周期性重復(fù)排列的物質(zhì)。非晶體：原子在其內(nèi)部沿三維空間呈紊亂、無序排列的一類物質(zhì)。也稱為“過冷液體”—短程有序。

晶體的特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)有序；②物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性；③有固定熔點(diǎn)；④一定條件下有規(guī)則的幾何外形。

晶體和非晶體在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)化。玻璃經(jīng)高溫長時(shí)間加熱能變成晶態(tài)玻璃；而通常是晶態(tài)的金屬若從液態(tài)急冷也可獲得非晶態(tài)金屬?！?.1晶體結(jié)構(gòu)理論一、晶體與非晶體晶體：原子在三維空間4二、晶體結(jié)構(gòu)（一）晶體學(xué)基本概念（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論二、晶體結(jié)構(gòu)（一）晶體學(xué)基本概念§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論5晶格、晶胞和晶格常數(shù)——這些為晶體結(jié)構(gòu)的抽象描述（原子的堆垛模型）空間規(guī)則排列的原子→剛球模型→晶格（剛球抽象為晶格結(jié)點(diǎn)，構(gòu)成空間格架）→晶胞（具有周期性最小組成單元）→晶格常數(shù)（晶胞的棱邊長度a、b、c）（一）晶體學(xué)基本概念§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論晶格、晶胞和晶格常數(shù)——這些為晶體結(jié)構(gòu)的抽象描述（原子的堆垛6晶胞原子數(shù)

一個(gè)晶胞內(nèi)所含的原子數(shù)目。注意相鄰晶胞的共有原子的計(jì)算方法。原子半徑晶胞中最近鄰的兩個(gè)原子之間（平衡）距離的一半。致密度晶胞中原子本身所占的體積與晶胞體積之比。（一）晶體學(xué)基本概念§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論晶胞原子數(shù)原子半徑致密度（一）晶體學(xué)基本概念§2.1晶體7§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.體心立方晶格（bcc晶格）2.面心立方晶格（fcc晶格）3.密排六方晶格（hcp晶格）§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.體心立8（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.體心立方晶格（bcc晶格）

常見bcc晶格的金屬有：a=b=c===90°8×1/8+1=2-Fe、Cr、Mo、W、V等30多種金屬§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論晶格常數(shù)：原子半徑：晶胞原子數(shù)：致密度：K=nV1/V=68%（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.體心立方晶格（bcc晶格）常92.面心立方晶格（fcc晶格）

常見fcc晶格的金屬有：a=b=c===90°8×1/8+6×1/2=4-Fe、Cu、Ni、Al、Ag等20多種金屬§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)：原子半徑：晶胞原子數(shù)：致密度：K=nV1/V=74%鋼的A狀態(tài)、A不銹鋼、耐磨鋼的晶格也是fcc2.面心立方晶格（fcc晶格）常見fcc晶格的金屬有10

3.密排六方晶格（hcp晶格）

常見hcp晶格的金屬有：a=b≠c

c/a=1.633==90°=120°r=a/2Zn、Mg、Be、Cd等金屬§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)：原子半徑：晶胞原子數(shù)：6致密度：K=nV1/V=74%3.密排六方晶格（hcp晶格）常見hcp晶格的金屬11§2.2晶體缺陷理論維納斯“斷臂”之美更深入人心晶體缺陷賦予材料豐富內(nèi)容實(shí)際晶體中晶體缺陷普遍存在，對金屬的許多性質(zhì)，尤其是力學(xué)性能有著重大的影響?！?.2晶體缺陷理論維納斯“斷臂”之美更深入人心晶體12理想晶體：是指晶體中原子嚴(yán)格地成，完全規(guī)則和完整的排列，在每個(gè)晶格結(jié)點(diǎn)上都有原子排列而成的晶體。如理想晶胞在三維空間重復(fù)堆砌就構(gòu)成理想的單晶體。實(shí)際晶體：多晶體+晶體缺陷晶體缺陷：是晶體內(nèi)部存在的一些原子排列不規(guī)則和不完整的微觀區(qū)域。晶體缺陷的相對數(shù)量很小，僅是局部偏離，金屬的晶體性質(zhì)不會因此而改變?！?.2晶體缺陷理論單晶體多晶體理想晶體：是指晶體中原子嚴(yán)格地成，完全規(guī)則和完整的排列，在每13實(shí)際晶體中存在的晶體缺陷，按幾何特征可分為以下3種：

（1）點(diǎn)缺陷

（2）線缺陷

（3）面缺陷

三種缺陷不是靜止不變的，溫度、工藝條件改變可以使其改變，以致產(chǎn)生、發(fā)展、運(yùn)動和交互。§2.2晶體缺陷理論實(shí)際晶體中存在的晶體缺陷，按幾何特征可分為以下314§2.2晶體缺陷理論點(diǎn)缺陷是指在三維尺度上都很小而不超過幾個(gè)原子直徑的缺陷。點(diǎn)缺陷示意圖（1）空位（2）間隙原子（3）置換原子

點(diǎn)缺陷均會造成晶格畸變,影響金屬性能,如使屈服強(qiáng)度升高、電阻增大、體積膨脹等。一、點(diǎn)缺陷§2.2晶體缺陷理論點(diǎn)缺陷是指在三維尺度上都很小而不超過幾15

線缺陷:二維尺度很小而另一維尺度很大的缺陷。包括各種類型的位錯(cuò)。

位錯(cuò)：是指晶體中一部分晶體相對另一部分晶體發(fā)生了一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。圖為刃型位錯(cuò)。位錯(cuò)密度用ρ表示?！?.2晶體缺陷理論二、線缺陷位錯(cuò)對金屬材料的力學(xué)性能、擴(kuò)散及相變等過程均有重要的影響。

如果金屬中不含位錯(cuò)，即為理想晶體，其強(qiáng)度極高；而實(shí)際金屬晶體中由于位錯(cuò)的存在，其實(shí)際強(qiáng)度值比理論值降低了2-3個(gè)數(shù)量級。透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線)（50,000X）線缺陷:二維尺度很小而另一維尺度很大的缺陷。包括各16位錯(cuò)密度：單位體積中位錯(cuò)線的總長度,或單位面積上位錯(cuò)線的根數(shù),單位cm-2。位錯(cuò)線附近的原子偏離了平衡位置,使晶格發(fā)生了畸變,對晶體的性能有顯著的影響。晶體的強(qiáng)度和位錯(cuò)密度有如圖的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)晶體中位錯(cuò)密度很低時(shí),晶體強(qiáng)度很高；當(dāng)在晶體中位錯(cuò)密度很高時(shí),其強(qiáng)度很高。但目前的技術(shù),僅能制造出直徑為幾微米的晶須,不能滿足使用上的要求。而位錯(cuò)密度很高易實(shí)現(xiàn),如劇烈的冷加工可使密度大大提高,這為材料強(qiáng)度的提高提供途徑。二、線缺陷§2.2晶體缺陷理論位錯(cuò)密度：單位體積中位錯(cuò)線的總長度,或單位面積上位錯(cuò)線的17§2.2晶體缺陷理論二、線缺陷刃型位錯(cuò)的運(yùn)動flash§2.2晶體缺陷理論二、線缺陷刃型位錯(cuò)的運(yùn)動flash18二、線缺陷§2.2晶體缺陷理論螺型位錯(cuò)二、線缺陷§2.2晶體缺陷理論螺型位錯(cuò)19

面缺陷:二維尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金屬晶體中的面缺陷主要有晶界和亞晶界。

§2.2晶體缺陷理論

由于晶界上原子排列脫離平衡位置，晶格畸變程度較大，所以其能量比晶粒內(nèi)部的高，從而也就有一系列不同晶粒內(nèi)部的特性。三、面缺陷面缺陷:二維尺度很大而另一尺度很小的缺陷?！?20§2.2晶體缺陷理論三、面缺陷晶粒亞晶粒晶?！?.2晶體缺陷理論三、面缺陷晶粒亞晶粒晶粒21晶界的特性及作用：（1）晶界比晶粒本身容易被腐蝕和氧化，熔點(diǎn)較低，原子沿晶界擴(kuò)散快。（2）常溫下晶界對金屬的塑性變形起阻礙作用，即金屬材料晶粒越細(xì)，晶界越多，其常溫強(qiáng)度就越高。（3）鋼在熱處理時(shí)，奧氏體晶粒會隨加熱溫度的升高而長大，因此要嚴(yán)格控制加熱溫度。（4）鋼中第二相在加熱時(shí)也會產(chǎn)生球化，如高碳鋼鍛造后進(jìn)行球化退火，以使第二相即碳化物球化。但加熱溫度過高、保溫時(shí)間過長，則球化物會自發(fā)長大、聚集，對性能不利。§2.2晶體缺陷理論三、面缺陷

納米材料晶粒非常小，晶界缺陷異常多。當(dāng)晶粒5nm時(shí)，處于晶界原子的體積分?jǐn)?shù)為50％，即一半的體積是晶界。

晶界的特性及作用：§2.2晶體缺陷理論三、面缺陷22固體材料的性能主要取決于其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)及加工工藝過程。所謂結(jié)構(gòu)就是指物質(zhì)內(nèi)部原子在空間的分布及排列規(guī)律。金屬晶體結(jié)構(gòu)是決定性能的內(nèi)在基本因素之一。第二章材料的結(jié)構(gòu)§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論§2.2晶體缺陷理論固體材料的性能主要取決于其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)及加工工23§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論一、晶體與非晶體二、晶體結(jié)構(gòu)§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論一、晶體與非晶體24液體-->固體（晶體或非晶體）--

凝固液體-->晶體--結(jié)晶

晶體液體結(jié)晶§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論一、晶體與非晶體液體-->固體（晶體或非晶體）--凝固液體-->25§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論一、晶體與非晶體晶體：原子在三維空間中有規(guī)則地周期性重復(fù)排列的物質(zhì)。非晶體：原子在其內(nèi)部沿三維空間呈紊亂、無序排列的一類物質(zhì)。也稱為“過冷液體”—短程有序。

晶體的特點(diǎn)：①結(jié)構(gòu)有序；②物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性；③有固定熔點(diǎn)；④一定條件下有規(guī)則的幾何外形。

晶體和非晶體在一定條件下可以互相轉(zhuǎn)化。玻璃經(jīng)高溫長時(shí)間加熱能變成晶態(tài)玻璃；而通常是晶態(tài)的金屬若從液態(tài)急冷也可獲得非晶態(tài)金屬?！?.1晶體結(jié)構(gòu)理論一、晶體與非晶體晶體：原子在三維空間26二、晶體結(jié)構(gòu)（一）晶體學(xué)基本概念（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論二、晶體結(jié)構(gòu)（一）晶體學(xué)基本概念§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論27晶格、晶胞和晶格常數(shù)——這些為晶體結(jié)構(gòu)的抽象描述（原子的堆垛模型）空間規(guī)則排列的原子→剛球模型→晶格（剛球抽象為晶格結(jié)點(diǎn)，構(gòu)成空間格架）→晶胞（具有周期性最小組成單元）→晶格常數(shù)（晶胞的棱邊長度a、b、c）（一）晶體學(xué)基本概念§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論晶格、晶胞和晶格常數(shù)——這些為晶體結(jié)構(gòu)的抽象描述（原子的堆垛28晶胞原子數(shù)

一個(gè)晶胞內(nèi)所含的原子數(shù)目。注意相鄰晶胞的共有原子的計(jì)算方法。原子半徑晶胞中最近鄰的兩個(gè)原子之間（平衡）距離的一半。致密度晶胞中原子本身所占的體積與晶胞體積之比。（一）晶體學(xué)基本概念§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論晶胞原子數(shù)原子半徑致密度（一）晶體學(xué)基本概念§2.1晶體29§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.體心立方晶格（bcc晶格）2.面心立方晶格（fcc晶格）3.密排六方晶格（hcp晶格）§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.體心立30（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.體心立方晶格（bcc晶格）

常見bcc晶格的金屬有：a=b=c===90°8×1/8+1=2-Fe、Cr、Mo、W、V等30多種金屬§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論晶格常數(shù)：原子半徑：晶胞原子數(shù)：致密度：K=nV1/V=68%（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.體心立方晶格（bcc晶格）常312.面心立方晶格（fcc晶格）

常見fcc晶格的金屬有：a=b=c===90°8×1/8+6×1/2=4-Fe、Cu、Ni、Al、Ag等20多種金屬§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)：原子半徑：晶胞原子數(shù)：致密度：K=nV1/V=74%鋼的A狀態(tài)、A不銹鋼、耐磨鋼的晶格也是fcc2.面心立方晶格（fcc晶格）常見fcc晶格的金屬有32

3.密排六方晶格（hcp晶格）

常見hcp晶格的金屬有：a=b≠c

c/a=1.633==90°=120°r=a/2Zn、Mg、Be、Cd等金屬§2.1晶體結(jié)構(gòu)理論（二）典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶格常數(shù)：原子半徑：晶胞原子數(shù)：6致密度：K=nV1/V=74%3.密排六方晶格（hcp晶格）常見hcp晶格的金屬33§2.2晶體缺陷理論維納斯“斷臂”之美更深入人心晶體缺陷賦予材料豐富內(nèi)容實(shí)際晶體中晶體缺陷普遍存在，對金屬的許多性質(zhì)，尤其是力學(xué)性能有著重大的影響?！?.2晶體缺陷理論維納斯“斷臂”之美更深入人心晶體34理想晶體：是指晶體中原子嚴(yán)格地成，完全規(guī)則和完整的排列，在每個(gè)晶格結(jié)點(diǎn)上都有原子排列而成的晶體。如理想晶胞在三維空間重復(fù)堆砌就構(gòu)成理想的單晶體。實(shí)際晶體：多晶體+晶體缺陷晶體缺陷：是晶體內(nèi)部存在的一些原子排列不規(guī)則和不完整的微觀區(qū)域。晶體缺陷的相對數(shù)量很小，僅是局部偏離，金屬的晶體性質(zhì)不會因此而改變。§2.2晶體缺陷理論單晶體多晶體理想晶體：是指晶體中原子嚴(yán)格地成，完全規(guī)則和完整的排列，在每35實(shí)際晶體中存在的晶體缺陷，按幾何特征可分為以下3種：

（1）點(diǎn)缺陷

（2）線缺陷

（3）面缺陷

三種缺陷不是靜止不變的，溫度、工藝條件改變可以使其改變，以致產(chǎn)生、發(fā)展、運(yùn)動和交互?！?.2晶體缺陷理論實(shí)際晶體中存在的晶體缺陷，按幾何特征可分為以下336§2.2晶體缺陷理論點(diǎn)缺陷是指在三維尺度上都很小而不超過幾個(gè)原子直徑的缺陷。點(diǎn)缺陷示意圖（1）空位（2）間隙原子（3）置換原子

點(diǎn)缺陷均會造成晶格畸變,影響金屬性能,如使屈服強(qiáng)度升高、電阻增大、體積膨脹等。一、點(diǎn)缺陷§2.2晶體缺陷理論點(diǎn)缺陷是指在三維尺度上都很小而不超過幾37

線缺陷:二維尺度很小而另一維尺度很大的缺陷。包括各種類型的位錯(cuò)。

位錯(cuò)：是指晶體中一部分晶體相對另一部分晶體發(fā)生了一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。圖為刃型位錯(cuò)。位錯(cuò)密度用ρ表示?！?.2晶體缺陷理論二、線缺陷位錯(cuò)對金屬材料的力學(xué)性能、擴(kuò)散及相變等過程均有重要的影響。

如果金屬中不含位錯(cuò)，即為理想晶體，其強(qiáng)度極高；而實(shí)際金屬晶體中由于位錯(cuò)的存在，其實(shí)際強(qiáng)度值比理論值降低了2-3個(gè)數(shù)量級。透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線)（50,000X）線缺陷:二維尺度很小而另一維尺度很大的缺陷。包括各38位錯(cuò)密度：單位體積中位錯(cuò)線的總長度,或單位面積上位錯(cuò)線的根數(shù),單位cm-2。位錯(cuò)線附近的原子偏離了平衡位置,使晶格發(fā)生了畸變,對晶體的性能有顯著的影響。晶體的強(qiáng)度和位錯(cuò)密度有如圖的對應(yīng)關(guān)系。當(dāng)晶體中位錯(cuò)密度很低時(shí),晶體強(qiáng)度很高；當(dāng)在晶體中位錯(cuò)密度很高時(shí),其強(qiáng)度很高。但目前的技術(shù),僅能制造出直徑為幾微米的晶須,不能滿足使用上的要求。而位錯(cuò)密度很高易實(shí)現(xiàn),如劇烈的冷加工可使密度大大提高,這為材料強(qiáng)度