第二章 金属的晶体结构.ppt

第二章材料的结构,物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。原子的结合方式原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。原子的排列方式就是指物质内部原子在空间的分布及排列规律。,第一节晶体结构的基本概念,一、晶体与非晶体晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。,雪花晶体,石蜡、橡胶,二、晶格与晶胞,1、晶格用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。,2、晶胞能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。3、晶格常数晶胞三个棱边的尺寸a、b、c。各棱间的夹角用、、表示。4、晶系根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系abc，90六方晶系a1a2a3c，90，120,晶系与布拉菲点阵（CrystalSystemandBravaisLattice）七个晶系，14个布拉菲点阵,,,底心单斜,简单三斜,简单单斜,底心正交,简单正交,面心正交,体心正交,简单菱方,简单六方,简单四方,体心四方,简单立方,体心立方,面心立方,5、原子半径晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。6、晶胞原子数一个晶胞内所包含的原子数目。7、配位数晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。8、致密度晶胞中原子本身所占的体积百分数。,三、晶向指数和晶面指数（MillerIndicesofCrystallographicDirectionandPlanes）1．阵点坐标,,,求法1）确定坐标系2）过坐标原点，作直线与待求晶向平行；3）在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（x，y，z），若某一坐标值为负，则在其上加一负号。4）将此值化成最小整数u，v，w并加以方括号[uvw]即是。（代表一组互相平行，方向一致的晶向）,2.晶向指数（Orientationindex）,,,,,求法1）在所求晶面外取晶胞的某一顶点为原点o，三棱边为三坐标轴x，y，z2）以棱边长a为单位，量出待定晶面在三个坐标轴上的截距。若某一截距为负，则在其上加一负号。3）取截距之倒数，并化为最小整数h，k，l并加以圆括号（hkl）即是。,3.晶面指数（IndicesofCrystallographicPlane）,第三节金属的结构,一、金属的晶态结构常见纯金属的晶格类型有体心立方bcc、面心立方fcc和密排六方hcp晶格。,1、体心立方晶格,体心立方晶格,原子个数2配位数8致密度0.68常见金属-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等,晶格常数aabc,原子半径,2、面心立方晶格,原子个数4配位数12致密度0.74常见金属-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等,晶格常数a,面心立方晶格,3、密排六方晶格,原子个数6配位数12致密度0.74常见金属Mg、Zn、Be、Cd等,晶格常数底面边长a和高c，c/a1.633,密排六方晶格,二、实际金属的晶体结构,1、单晶体与多晶体单晶体其内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体晶粒实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。,晶界晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。多晶体由多晶粒组成的晶体结构。,2、晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按几何特征可分三类，即点、线、面缺陷。（1）点缺陷空间三维尺寸都很小的缺陷。,a.空位晶格中某些缺排原子的空结点。b.间隙原子挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。c.置换原子取代原来原子位置的外来原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。,（2）线缺陷晶体中的位错位错晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移,区的交界线称作位错。分为刃型位错和螺型位错。,刃型位错当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“┴”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“┬”表示。,aHRTEMmicrographoftensileausteniteFe-30wt.Nialloywith40percentageelongationandbFourierfilteredofthepartmarkedbythewhiteframe[1],[1]WeiLi,etal.,J.AlloyCompd.,2009,474,546-550,aHRTEMmicrographofnanocrystallineFe-30wt.NialloyafterSMATfor60minandbFourierfilteredofthepartmarkedbythewhiteframe[1],[1]WeiLi,etal.,J.AlloyCompd.,2009,474,546-550,位错密度单位体积内所包含的位错线总长度。S/Vcm/cm3或1/cm2金属的位错密度为104-1012/cm2位错对性能的影响金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。,金属强度与位错密度的关系,（3）面缺陷晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5－10个原子间距，位向差一般为20－40。,亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。,晶界的特点①原子排列不规则。②熔点低。③耐蚀性差。④易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。⑤阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。,显微组织的显示,