CHAP2-1(材料的結(jié)構(gòu))detail課件

CHAP.2金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)

和二元合金相圖2.1材料的結(jié)構(gòu)物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。原子、離子、分子間的組合狀態(tài)稱為結(jié)構(gòu)。它們的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。C60原子（離子）的剛球模型原子中心位置一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)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(wú)序排列的固體。在一定條件下晶態(tài)和非晶態(tài)可互相轉(zhuǎn)化。2、晶格與晶胞⑴晶格：用假想的直線將原子中心連接起來(lái)所形成的三維空間格架。直線的交點(diǎn)（原子中心）稱結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)陣⑵晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。⑷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⑶晶格常數(shù)：晶胞個(gè)邊的尺寸

a、b、c。各棱間的夾角用

、

、

表示。⑸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。⑹晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。⑺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。⑻致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。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。⑴晶面指數(shù)表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：①

確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。②

取三個(gè)截距值的倒數(shù)并按比例化為最小整數(shù)，加圓括弧，形式為（hkl）。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(huà)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(biāo)軸上的截距⑵

晶向指數(shù)表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：①

確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，過(guò)原點(diǎn)作所求晶向的平行線。②求直線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)值并按比例化為最小整數(shù)，加方括弧。形式為[uvw]。例一、已知某過(guò)原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)為1、1.5、2，求該直線的晶向指數(shù)。將三坐標(biāo)值化為最小整數(shù)加方括弧得[234]。例二、已知晶向指數(shù)為[110],畫(huà)出該晶向。找出1、1、0坐標(biāo)點(diǎn),連接原點(diǎn)與該點(diǎn)的直線即所求晶向。[110][234]⑶

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<uvw>表示。例如{112}、{123}立方晶系常見(jiàn)的晶面為：{110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY立方晶系常見(jiàn)的晶面立方晶系常見(jiàn)的晶向?yàn)椋毫⒎骄党Ｒ?jiàn)的晶向<111>[111][111][111][111]XZY說(shuō)明：①

在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相互垂直。②遇到負(fù)指數(shù)，“-”號(hào)放在該指數(shù)的上方。--③晶向具有方向性，如[110]與[110]方向相反。XZY(221)[221][110][110]二、金屬的晶體結(jié)構(gòu)1、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬原子是通過(guò)正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為金屬鍵。金屬原子趨向于緊密排列。價(jià)電子云正離子金屬鍵示意圖具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。常見(jiàn)純金屬的晶格類型有體心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。⑴體心立方晶格

bcc

（Body-CenteredCubic）⑴

體心立方晶格體心立方晶格的參數(shù)體心立方晶格原子個(gè)數(shù)：2配位數(shù)：

8致密度：0.68常見(jiàn)金屬：

-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常數(shù)：a(a=b=c)原子半徑：⑵面心立方晶格

fcc

（Face-CenteredCubic）⑵面心立方晶格面心立方晶格的參數(shù)

a42r=：原子半徑原子個(gè)數(shù)：4配位數(shù)：

12致密度：0.74常見(jiàn)金屬：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常數(shù)：a面心立方晶格⑶密排六方晶格

hcp

（hexagonalclose-packed

）密排六方晶格的參數(shù)a21r=：原子半徑原子個(gè)數(shù)：6配位數(shù)：

12致密度：0.74常見(jiàn)金屬：

Mg、Zn、Be、Cd等晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)a和高c，

c/a=1.633密排六方晶格不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的現(xiàn)象，稱為各向異性。XYZXYZ⑷三種常見(jiàn)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(zhǎng)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。密排面數(shù)量密排方向數(shù)量體心立方晶格{110}6<111>4面心立方晶格{111}4<110>6密排六方晶格六方底面1底面對(duì)角線3三種常見(jiàn)晶格的密排面和密排方向六方底面底面對(duì)角線密排六方晶格面心立方晶格體心立方晶格體心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面面心立方晶格與密排六方晶格密排面的堆垛順序密排六方晶格的堆垛順序?yàn)锳BABAB…面心立方晶格的堆垛順序?yàn)锳BCABCABC…面心立方晶格的原子堆垛2、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)變形金屬晶粒尺寸約1~100m，鑄造金屬可達(dá)幾mm。純鐵組織晶粒示意圖⑴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(shí)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。多晶體示意圖晶界：晶粒之間的交界面。晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖沿晶斷口鉛錠宏觀組織⑵晶體缺陷晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即點(diǎn)、線、面缺陷。①點(diǎn)缺陷

空間三維尺寸都很小的缺陷。空位間隙原子置換原子a.

空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。b.

間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙中的原子?？梢允腔w金屬原子，也可以是外來(lái)原子。體心立方的四面體和八面體間隙c.

置換原子：

取代原來(lái)原子位置的外來(lái)原子稱置換原子。點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。置換原子引起的晶格畸變大置換原子小置換原子②線缺陷—晶體中的位錯(cuò)位錯(cuò)：晶格中一部分晶體相對(duì)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(cuò)

螺型位錯(cuò)滑移區(qū)的交界線稱作位錯(cuò)。分為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)刃位錯(cuò)的形成刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。半原子面在滑移面以上的稱正位錯(cuò)，用“┴”表示。半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯(cuò)，用“┬”表示。位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。

=S/V(cm/cm3或1/cm2)金屬的位錯(cuò)密度為104~1012/cm2位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。減少或增加位錯(cuò)密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。金屬晶須退火態(tài)(105-108/cm2)

加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2)

電子顯微鏡下的位錯(cuò)透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯(cuò)（白點(diǎn)為原子）電子顯微鏡下的位錯(cuò)觀察③面缺陷—晶界與亞晶界晶界是不同位向晶粒的過(guò)渡部位，寬度為5~10個(gè)原子間距，位向差一般為20~40°。亞晶粒大角度和小角度晶界位錯(cuò)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。亞晶界也可看作位錯(cuò)壁。晶界的特點(diǎn)：①

原子排列不規(guī)則②

熔點(diǎn)低③

耐蝕性差④

易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來(lái)原子易在晶界偏聚⑤是相變的優(yōu)先形核部位

⑥阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是強(qiáng)化部位，因而實(shí)際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒顯微組織的顯示3、合金的晶體結(jié)構(gòu)合金是指由兩種或兩種以上元素組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兩相合金黃銅所謂相是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開(kāi)的均勻組成部分。顯微組織實(shí)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。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⑴固溶體按溶質(zhì)原子所處位置分為置換固溶體和間隙固溶體。溶質(zhì)原子溶于溶劑晶格中而仍然保持溶劑晶格類型的合金相相稱固溶體。習(xí)慣以、、表示。固溶體是合金的重要組成相，實(shí)際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。Cu-Ni置換固溶體Fe-C間隙固溶體①

置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體。溶質(zhì)原子呈無(wú)序分布的稱無(wú)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②

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(guò)渡族元素。形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r質(zhì)/r劑<0.59。間隙固溶體都是無(wú)序固溶體。③固溶體的溶解度溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。溶解度有一定限度的固溶體稱有限固溶體。組成元素?zé)o限互溶的固溶體稱無(wú)限固溶體。組成元素原子半徑、電化學(xué)特性相近，晶格類型相同的置換固溶體，才有可能形成無(wú)限固溶體。間隙固溶體都是有限固溶體。Cu-Ni無(wú)限固溶體Cu-Zn有限固溶體固溶體化合物④

固溶體的性能隨溶質(zhì)含量增加,固溶體的強(qiáng)度、硬度增加,塑性、韌性下降—固溶強(qiáng)化。產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因是溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸變及對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用。與純金屬相比，固溶體的強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性低。但與化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。⑵金屬化合物合金組元形成了晶格類型與任一組元都不相同的新相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。鐵碳合金中的Fe3C當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金屬化合物也是合金的重要組成相。①正常價(jià)化合物—符合正常原子價(jià)規(guī)律。如Mg2Si②

電子化合物—符合電子濃度規(guī)律。如Cu3Sn。

電子濃度為價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)的比值。③間隙化合物—由過(guò)渡族元素與C、N、B、H等小原子半徑的非金屬元素組成。Al-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基軸承合金中的電子化合物a.間隙相：r非/r金

0.59時(shí)形成的具有簡(jiǎn)單晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物。如M4