工程材料学-2金属的晶体结构与结晶

工程材料学南京航空航天大学梁文萍第二章金属的晶体结构与结晶§2.1晶体学基础知识§2.2纯金属的典型晶体结构§2.3金属材料的实际晶体结构§2.4纯金属的结晶和铸锭组织学习重点：1.三种典型晶体结构的原子排列规则及其基本参数。2.实际晶体结构的点、线、面缺陷与性能的关系。3.结晶条件、结晶过程及细化晶粒的基本方法。学习难点：晶面指数与晶向指数的确定,结晶机理。学习要求和难点§2.1晶体学基础知识C60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。固体物质大多为晶体,其原子排列规则有序。§2.1晶体学基础知识2.1.1晶体与非晶体晶体：固态物质的一种聚集方式，原子（或分子、离子）在三维空间呈一定的规则周期性排列。非晶体：原子排列没有规律的固体物质。晶体非晶体原子排列长程有序随机排列有固定的熔点无固定的熔点物理、化学及机械性能的各向异性各向同性有特定的几何外形无定形晶体的特点：§2.1晶体学基础知识§2.1晶体学基础知识2.1.2晶体的表征——晶格与晶胞1.晶格：把粒子(原子或分子)在空间的平衡位置抽象为规则排列的几何点（结点），用一系列相互平行的直线将节点连接起来形成的空间格架称为晶格。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵§2.1晶体学基础知识2.晶胞：组成晶格的最基本的几何单元。晶胞的确定要满足以下原则：①能充分反映整个空间点阵的对称性，②具有尽可能多的直角，③体积要最小。——通常为角上有阵点的最小平行六面体。§2.1晶体学基础知识3.点阵常数：描述晶胞空间几何特征的数学参数，即平行六面体的三个棱边长a、b、c和及相互间夹角α、β、γ。§2.1晶体学基础知识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：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3c，==90，=120立方六方四方菱方正交单斜三斜§2.1晶体学基础知识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。§2.1晶体学基础知识2.1.3、立方晶系晶面、晶向表示方法晶面：晶体中过各原子中心所构成的不同方位的原子平面。晶向：空间点阵中任两结点的连线的方向，代表了晶体中原子列的方向。晶面指数与晶向指数（Miller指数）——在分析晶体特性时，常涉及晶体中某些特定的原子排列方向和原子平面，为了便于研究和阐述，用特定数学符号来表征。§2.1晶体学基础知识（1）建立坐标系结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位（原点在标定面以外，可以采用平移法）；（2）求出该晶面在三个坐标上的截距a1a2a3；（3）计算其倒数b1b2b3；（4）化成最小整数比h：k：l；（5）记为(hkl)，负号记在字母上方。1.晶面指数标定方法：§2.1晶体学基础知识举例：§2.1晶体学基础知识注意:晶面指数特征与与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面。§2.1晶体学基础知识晶面族：原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶面的集合。)111()111()111()111(:}111{)110()011()101()011()101()110(:}110{)001()010()100(:}100{、、、、、、、、、、§2.1晶体学基础知识（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY立方晶系常见的晶面§2.1晶体学基础知识2.晶向指数标定方法：（1）建立坐标系结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位；（2）求出晶向上任一点的坐标(x,y,z)；（3）化成最小的整数比u：v：w；（4）记为:[uvw]，负号记在字母上方。§2.1晶体学基础知识注意:1.晶向指数特征与原点位置无关；2.晶向具有方向性，如[110]与方向相反；3.每一指数对应一组平行的晶向。[110]XZY(221)[221][110][110]晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的各组晶向的集合。用尖括号uvw表示。§2.1晶体学基础知识]111[]111[]111[]111[:111]110[]011[]101[]011[]101[]110[:110]001[]010[]100[:100、、、、、、、、、、§2.1晶体学基础知识立方晶系常见的晶向：[111][111][111][111]XZY§2.2纯金属的典型晶体结构结构特点:以金属键结合，无方向性，对称性较高的密堆结构。90%以上的金属都属于三种典型的晶体结构：体心立方(bcc)面心立方(fcc)密排六方(hcp)§2.2纯金属的典型晶体结构2.2.1体心立方（Body-CenteredCubic,bcc)具有bcc结构的金属:β-Ti、V、Cr、α-Fe、β-Zr、Nb、Mo、Ta、W等。§2.2纯金属的典型晶体结构晶胞的原子数量：点阵常数：a原子半径：配位数：8致密度：68.04334233aaar4321818§2.2纯金属的典型晶体结构体心立方结构的晶格参数§2.2纯金属的典型晶体结构体心立方晶格中原子排列密度具有fcc结构的金属:γ-Fe、Al、β-Co、Ni、Cu、Ag、Au、Pt等。§2.2纯金属的典型晶体结构2.2.2面心立方（Face-CenteredCubic,fcc)§2.2纯金属的典型晶体结构§2.2纯金属的典型晶体结构晶胞的原子数量：点阵常数：a原子半径：配位数：12致密度：74.04234433aaar424216818面心立方结构的晶格参数§2.2纯金属的典型晶体结构面心立方晶格中原子排列密度§2.2纯金属的典型晶体结构2.2.3密排六方（HexagonalClose-packed,hcp)具有hcp结构的金属:α-Ti、α-Zr、Be、Mg、Zn等。2.2.3、六方晶系晶面、晶向表示方法六方晶系：晶胞是边长为a，高为c的六方棱柱体。四轴定向：晶面符号一般写为（hkil），指数的排列顺序依次与a1轴、a2轴、a3轴、c轴相对应，其中a1、a2、a3三轴间夹角为120o，c轴与它们垂直。它们之间的关系为：i=－（h＋k）。2.2.3、六方晶系晶面、晶向表示方法方法同立方晶系，(hkil)为在四个坐标轴的截距倒数的化简，自然可保证关系式h＋k＋i＝0。底面指数为(0001)。1、晶面指数：2.2.3、六方晶系晶面、晶向表示方法2、晶向指数：1.平移晶向(或坐标)，让原点为晶向上一点，取另一点的坐标，有:2.并满足p＋q＋r＝0；3.化成最小、整数比u：v：t：w4.放在方方括号[uvtw]，不加逗号，负号记在上方。§2.2纯金属的典型晶体结构§2.2纯金属的典型晶体结构密排六方结构的晶格参数晶胞的原子数量：点阵常数：a、c，原子半径：配位数：12致密度：74.038233234623aaaar21632126112633.138ac三种不同结构的晶格参数晶胞的原子数量点阵常数原子半径配位数致密度体心立方2a868%面心立方4a1274%密排六方6a、c1274%ar42ar43ar21§2.2纯金属的典型晶体结构体心立方、面心立方、密排六方晶格的原子密排面、密排晶向比较bｃcfｃchｃp§2.2纯金属的典型晶体结构体心立方晶格的密排面、密排晶向§2.2纯金属的典型晶体结构面心立方晶格的密排面、密排晶向§2.2纯金属的典型晶体结构密排六方晶格的密排面、密排晶向六方底面底面对角线§2.2纯金属的典型晶体结构思考问题：１．体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？２．面心立方、密排六方的致密度相同，原子堆积方式的主要差异是什么？§2.2纯金属的典型晶体结构１．体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？体心立方晶格为单斜晶系§2.2纯金属的典型晶体结构１．体心立方、面心立方为何不在前述七大晶系之内？面心立方晶格为菱方晶系§2.2纯金属的典型晶体结构２．面心立方、密排六方的致密度相同，原子堆积方式的主要差异是什么？密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB…面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABC…密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB…面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABC…§2.2纯金属的典型晶体结构面心立方晶格的原子堆垛{111}§2.2纯金属的典型晶体结构2.2.4多晶型金属——同素异构金属在固态下由于温度的改变而发生晶格改变的现象称为同素异构转变。铁的同素异构转变：FeFeFe纯铁的同素异构转变-Fe，fcc-Fe，bcc912C纯铁的冷却曲线Tt1538℃1394℃912℃}-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fccCoolingcurve770℃铁磁性§2.3金属材料的实际晶体结构2.3.1单晶体与多晶体单晶体：一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体。单晶体具有各向异性的特性。实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的金须和其他一些供研究用的材料。多晶体：实际应用的工程材料中，那怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为“多晶体”。§2.3金属材料的实际晶体结构工程上使用的材料绝大多数是多晶体。§2.3金属材料的实际晶体结构伪各向同性：多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。晶粒：多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫做“晶粒”。晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”，或简称“晶界”。§2.3金属材料的实际晶体结构纯铁内的晶粒与晶界晶粒的位向晶粒示意图沿晶断口铅锭宏观组织§2.3金属材料的实际晶体结构晶粒越细小，晶界面积越大。变形金属晶粒尺寸约1~100m，铸造金属可达几mm。§2.3金属材料的实际晶体结构2.3.2实际材料中晶体缺陷晶体缺陷：在每个晶粒的内部，并不象理想晶体那样，原子完全呈现周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。§2.3金属材料的实际晶体结构1、点缺陷(PointDefects)——三维空间上相当于原子尺寸大小的缺陷，包括空位、间隙原子及异类置换原子。§2.3金属材料的实际晶体结构空位：晶格中某些缺排原子的空结点。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。置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。§2.3金属材料的实际晶体结构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。点缺陷对材料性能的影响§2.3金属材料的实际晶体结构（1）提高材料的电阻定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热)。（2）加快原子的扩散迁移空位可作为原子运动的周转站。(3)使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。2、线缺陷(LineDefects)§2.3金属材料的实际晶体结构——在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的位错（Dislocation）。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。§2.3金属材料的实际晶体结构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。a.刃型位错(edgedislocation)刃位错的运动§2.3金属材料的实际晶体结构刃位错形成的动态说解§2.3金属材料的实际晶体结构b.螺型位错(screwdislocation)晶格中某晶面的上下