工程材料21_金属材料的结构与组织(同济-王国华)

复习：工程材料金属材料高分子材料陶瓷材料复合材料离子键共价键化学键金属键分子键物理键结合键：简单→复杂单一性能→综合性能结构材料→功能材料单一材料→复合材料第一章材料的结构与性能贯穿全课程的“纲”核心关系材料的结构、性能、加工和使用状况称为材料科学与工程的四要素第一章材料的结构与性能What?“组织结构”第二章金属的晶体结构与结晶2.1金属的晶体结构2.2实际金属的组织结构2.3金属的结晶第一章材料的结构与性能主要内容：三种典型的晶体结构晶面指数、晶向指数的确定晶体缺陷§2.1金属的晶体结构第一章材料的结构与性能晶体与非晶体晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的周期性排列。如金刚石、水晶、氯化钠等。非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则排列，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。如玻璃、松香、石腊等。(a)、是否具有周期性、对称性(b)、是否长程有序(c)、是否有确定的熔点(d)、是否各向异性区别第一章材料的结构与性能1．理想晶体及其描述理想晶体——实际晶体的理想化三维空间无限延续，无边界严格按周期性规则排列完整的，无缺陷的原子在其平衡位置静止不动晶体结构:晶体中原子（离子、分子）的排列方式一、纯金属的晶体结构第一章材料的结构与性能晶体学抽象：空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小组成单元）第一章材料的结构与性能空间点阵第一章材料的结构与性能2．晶胞的描述七个晶系：a=b=c,α=β=γ=90°立方晶系a=b≠c,α=β=90°,γ=120六方晶系a=b=c,α=β=γ≠90°菱方晶系a≠b≠c,α=β=γ=90°正方晶系a≠b≠c,α=β=γ≠90°斜方晶系a≠b≠c,α=γ=90°≠β单斜晶系a≠b≠c,α≠β≠γ三斜晶系轴(棱边)之间的夹角晶系晶体学参数：三条棱边长a,b,c；三条棱边之间的夹角α,β,γ晶格常数：a,b,c（1×10-10m~7×10-10m）第一章材料的结构与性能简单立方体心立方面心立方简单六方第一章材料的结构与性能3．三种典型的纯金属晶体晶胞属于此类结构的金属有：碱金属、难溶金属（V、Nb、Cr、Mo、W）、a-Fe等属于此类结构的金属的有：Al、Cu、Au、Ag、γ-Fe、Ni、Pb以及奥氏体不锈钢等。属于此类结构的金属有：Mg、Zn、a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Co等。体心立方晶胞bcc(Body-centeredcubic)面心立方晶胞fcc(Face-centeredcubic)密排六方晶胞hcp(hexagonalclose-packed)第一章材料的结构与性能(1)体心立方晶胞BCC——Body-CenteredCubic晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度BCCa=b=c,α=β=γ=90°2868%a43刚球模型晶胞原子数晶格模型第一章材料的结构与性能1)晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90°4)配位数：晶格中与任一原子最近邻且等距离的原子数目。2)晶胞原子数：3)原子半径：晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子间平衡距离的一半5)致密度：晶胞中原子本身所占有的体积百分数，即密排系数%6843342331aavnvk体心立方晶胞的特征：21881ar438第一章材料的结构与性能在晶胞空隙中放入刚性球的最大半径（它等于顶点原子到空隙中心的距离减去原子半径）。体心立方晶胞中有两种空隙，一种是四面体空隙，另一种为八面体空隙。原子四0.29r0.126aa43a45r原子八0.15r0.067aa43a21r空隙半径第一章材料的结构与性能(2)面心立方晶胞FCC-----Face-CenteredCubic晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度FCCa=b=c,α=β=γ=90°41274%a42刚球模型晶胞原子数晶格模型第一章材料的结构与性能面心立方晶胞的特征：1)晶格常数：a=b=c,α=β=γ=90°4)配位数：2)晶胞原子数：3)原子半径：5)致密度：%7442344331aavnvk4621881ar4212第一章材料的结构与性能原子四0.225r0.06aa42a43r原子八0.414r0.146aa42a21r空隙半径第一章材料的结构与性能（3）密排六方晶胞HCP----HexagonalClose-Packed晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度HCPa=b≠c,c/a=1.633α=β=90°γ=120°a/261274%刚球模型晶胞原子数晶格模型第一章材料的结构与性能原子四0.225r0.112aa21a46r原子八0.414r0.207aa21a22r空隙半径第一章材料的结构与性能第一章材料的结构与性能BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度空隙半径BCCa=b=c,α=β=γ=90o2868%r四＝0.29r原子r八＝0.15r原子FCCa=b=c,α=β=γ=90o41274%r四＝0.225r原子r八＝0.414r原子HCPa=b≠c,c/a=1.633,α=β=90o,γ=120oa/261274%r四＝0.225r原子r八＝0.414r原子第一章材料的结构与性能4.金属晶体中的晶面和晶向晶面：在晶体学中，通过晶体中原子中心的平面晶向：通过原子中心的直线所指的方向XYabcXYZabc第一章材料的结构与性能（1）立方晶系的晶面表示方法第一章材料的结构与性能①确定欲定晶面外的原点，建立坐标系，写出欲定晶面在三个坐标轴上的截距。②取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。立方晶系晶面指数的标定第一章材料的结构与性能例一.画出截距为、1、晶面的指数截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（010）例二.画出（112）晶面取三指数的倒数1、1、1/2,化成最小整数为2、2、1，即为X、Y、Z三坐标轴上的截距第一章材料的结构与性能相互平行的晶面晶面指数相同（或指数相同符号相反）(hkl)表示的是一组平行的晶面晶面族：原子排列情况相同而空间位向不同（不平行）的晶面｛111｝立方晶胞中主要晶面(100)(111)(īīī)(110)第一章材料的结构与性能立方晶系常见的晶面为：)111()111()111()111(:}111{)110()011()101()011()101()110(:}110{)001()010()100(:}100{、、、、、、、、、、任意交换指数的位置和改变符号,都是该族的范围第一章材料的结构与性能{110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY)111()111()111()111(:}111{)110()011()101()011()101()110(:}110{)001()010()100(:}100{、、、、、、、、、、第一章材料的结构与性能立方晶系常见的晶面第一章材料的结构与性能晶向指数确定的步骤B'XYZoAB1）确定坐标系（例：xyz）；2）过坐标原点，作直线与待求晶向平行（例：引OB’//AB）;3）在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（x，y，z）（例：B’点坐标为-1,1,0）；4）将此值化成最小整数:uvw，并加以方括号[uvw]即是（例：AB晶向指数为[Ī10]）。（代表一组互相平行，方向一致的晶向）（2）立方晶系的晶向表示方法第一章材料的结构与性能①确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。②求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为[uvw]。立方晶系晶向指数的标定第一章材料的结构与性能例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，画出该晶向。将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。例二、已知晶向指数为[110],画出该晶向。找出1、1、0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。[110][234]第一章材料的结构与性能相互平行的晶向晶向指数相同（或指数相同符号相反）[uvw]表示的是一组平行的晶向晶向族：原子排列情况相同而空间位向不同（不平行）的晶向uvwxzy[100]立方晶胞中主要晶向[010][001][111][110][ī10]第一章材料的结构与性能立方晶系常见的晶向为：]111[]111[]111[]111[:111]110[]011[]101[]011[]101[]110[:110]001[]010[]100[:100、、、、、、、、、、第一章材料的结构与性能立方晶系常见的晶向第一章材料的结构与性能111[111][111][111][111]XZY]111[]111[]111[]111[:111]110[]011[]101[]011[]101[]110[:110]001[]010[]100[:100、、、、、、、、、、第一章材料的结构与性能注意：立方晶系中，晶向指数与晶面指数数值和符号相同时，该晶面与晶向垂直，例：（111）⊥[111]遇到负指数，“-”号放在该指数的上方同一直线相反两个方向的晶向指数符号相反如[110]与[110]方向相反。第一章材料的结构与性能(3)六方晶格的晶向指数和晶面指数(hkil),i=-(h+k)[uvtw],t=-(u+v)四轴坐标系：a1，a2，a3，c120°120°a1ca2a3第一章材料的结构与性能BCC中，密排面为｛110｝；密排方向为111FCC中，密排面为｛111｝；密排方向为110(4)密排面与密排方向原子密度最大的晶向原子密度最大的晶面第一章材料的结构与性能第一章材料的结构与性能第一章材料的结构与性能密排面数量密排方向数量体心立方晶格{110}61114面心立方晶格{111}41106密排六方晶格六方底面1底面对角线3密排面和密排方向第一章材料的结构与性能三种常见晶格的密排面和密排方向六方底面底面对角线密排六方晶格面心立方晶格体心立方晶格第一章材料的结构与性能体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面第一章材料的结构与性能5.晶体的特性（1）有确定的熔点熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线第一章材料的结构与性能不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象晶体具有各向异性的原因，是由于在不同晶向上的原子紧密程度不同所致。原子的紧密程度不同，意味着原子之间的距离不同，则导致原子间结合力不同，从而使晶体在不同晶向上的物理、化学和机械性能不同。实际金属不表现各向异性(多晶体)（2）各向异性作业：辅助教材P6，1、3、41.标出图1-1中给定的晶面与晶向。OCOBODDOBBOOCODCCAADDAA；；；；；；；；第一章材料的结构与性能3、常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？α-Fe、γ-Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种晶体结构？4、画出体心立方、面心立方中原子最密的晶面和晶向、写出它们的晶面和晶向指数并求出单位面积及单位长度上的原子数。选作题：2.作图表示立方晶系中的(110)、（112）、（234）（132）晶面和[111]、[132]、[210]、[121]晶向。山东大学博士学位论文TESAW电弧特性及熔滴过渡研究Thankyou！