第一章工程材料类型及金属的晶体结构

第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.1工程材料类型1.2晶体的概念1.2.1短程有序与长程有序1.2.2晶体结构的基本概念和类型1.2.3同素异构1.3晶体缺陷第一章工程材料类型及金属的晶体结构主要内容1.1工程材料类型工程材料是指具有一定性能，在特定条件下，能够承担某种功能，被用来制取零件和元件的材料。1.1.1分类⑴按使用功能分类：•结构材料（structuralmaterial）实现运动、传递运动，承担力、负荷为主（机械工程等）。•功能材料（functionalmaterial）理化功能为主，力性为辅（导电材料、磁盘、光纤等）。第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.1工程材料类型⑵按成分分类----四大类材料第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.1.2材料特征（characteristic）（1）金属材料（metals）►优点：兼有良好力学性能（较高强度、刚度、塑性、韧性）及某些理化性能（良好导电、导热性等）和较好的工艺性，价格便宜或适中。大量用作结构材料，部分用作功能材料。►缺点：地球上资源有限；高温及特殊环境中不能胜任。（2）陶瓷材料（无机非金属材料，金属与非金属的化合物如Al2O3、SiC）。►优点：优良理化性能（耐蚀、光、电、热学性能，绝缘性能等）及极好的耐高温特性，且原料来源广泛。主要用在特殊场合（特殊陶瓷）及日常（传统陶瓷）。►缺点：性脆、难加工，可靠性差。第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.1.2材料特征（3）高分子材料（高聚物，Polymer）►优点：较高弹性、耐磨性、绝缘性、抗腐蚀性、重量轻，加工性好，原料丰富。►缺点：强度低；不耐高温（≤300℃）；易老化易燃。（4）复合材料（Composites两种或多种材料复合而成）►优点：具有单一材料所不具备的优异性能；可按需要进行人为设计、制造。►缺点：目前性能高的价贵。第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.1.3原子间键合一、离子键：正离子与负离子静电吸引产生的化学结合力第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.1.3原子间键合二、共价键：原子间共用电子对产生的化学结合力第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.1.3原子间键合三、金属键：金属正离子与“自由电子气”静电吸引产生的化学结合力。第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.1.3原子间键合四、分子键：分子偶极间吸引力产生的化学结合力。第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.1.3原子间键合五、氢键：氢原子因正负电子中心偏移产生的静电吸引形成的化学结合力。第一章工程材料类型及金属的晶体结构氢原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥1.1.3原子间键合六、工程材料的键性金属材料：金属键（绝大部分）共价键（亚金属）陶瓷材料：离子键、共价键高分子材料：共价键、分子键第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.2.晶体概念1.2.1．短程有序与长程有序短程有序：原子在分子范围内按一定规律排列，而分子之间则随机无规律的连接在一起，这种结合方式称为短程有序。多数以共价键、范德华键结合的材料往往是短程有序。长程有序：原子在整个材料内部都按一定规律排列，则称为长程有序。原子长程有序，即构成了整个晶体。第一章工程材料类型及金属的晶体结构SiO2一个Si原子与4个O原子结合，而SiO2单元体间则随机连接。1.2.晶体概念1.2.1．短程有序与长程有序短程有序：第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.2.晶体概念1.2.2晶体结构的基本概念和类型晶体固态物质非晶体｛第一章工程材料类型及金属的晶体结构组成非晶体的原子或离子、分子呈无规则排列的固体。例如：松香、石蜡和玻璃组成晶体的原子或离子、分子呈规则、周期性重复排列的固体；例如：水晶、天然水晶石1.2.2晶体结构的基本概念和类型1．晶格（点阵）第一章工程材料类型及金属的晶体结构为了便于研究晶体中原子排列的情况，通常用一个小钢球代替一个原子，并把不停振动的原子当作在它平衡位置上静止不动，这样金属晶体结构就可用许多小钢球互相紧密接触的堆砌模型来表示（刚球模型）。1.2.2晶体结构的基本概念和类型1．晶格（点阵）•进一步简化原子堆砌模型：可将一个钢球原子视为一几何质点，用平行几何线条在三维空间通过原子中心使其相互连起来，这样就构成了一个几何格架。第一章工程材料类型及金属的晶体结构这种几何空间格架则称为晶格或晶体点阵。这种几何空间格架中的几何质点位置称为结点或阵点。1.2.2晶体结构的基本概念和类型2.晶胞晶胞是晶格中能代表原子排列的最小几何单元体，它是一个简单的多面体结构。G:\VIDEO\晶胞.AVI第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.2.2晶体结构的基本概念和类型3．晶格常数为研究晶胞的形状与大小，通常用晶胞的三个棱边长度a、b、c和棱边夹角α、β、γ六个参数表示，棱边长度a、b、c称为晶格常数，以nm（纳米）为单位，1nm=10-9m，以前用Å度量，1Å=0.1nm。图1-1晶格常数示意图第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.2.2晶体结构的基本概念和类型4．晶胞类型晶胞一共有14种类型，分属于7个晶系。实际晶体结构都可抽象的归属于14种晶胞中的一种，并用其描述其原子排列规律。14种晶胞类型是由布拉菲（Bravais）于1848年根据“每个阵点周围具有相同环境”的要求，利用数学方法推算出来的，而且只能有14种，因此也称为“布拉菲”空间点阵。第一章工程材料类型及金属的晶体结构思考题：实际晶体结构和布拉菲”空间点阵有何区别？1.2.2晶体结构的基本概念和类型5.常见的金属晶格类型工业上使用的金属虽然有几十种，但除少数金属具有复杂的晶体结构外，大多数金属均具有比较简单的晶体结构。最常见的晶体结构只有三种，即体心立方（bcc）面心立方（fcc）密排六方（hcp）前两种属于立方晶系，后一种属于六方晶系。第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.2.2晶体结构的基本概念和类型5.常见的金属晶格类型（一）体心立方结构(a)(b)(c)图1－2体心立方晶胞（a）钢球模型（b）质点模型（c）晶胞原子数第一章工程材料类型及金属的晶体结构5.常见的金属晶格类型（一）体心立方结构（1）点阵常数“a”点阵常数a通常应以纳米（nm）为单位。（2）晶胞中的原子数(1/8)×8+1=2（3）配位数和致密度（a）配位数►晶体结构中任一原子的最近邻，且等距离的原子数目，叫做该晶体结构的配位数。第一章工程材料类型及金属的晶体结构5.常见的金属晶格类型（一）体心立方结构（b）致密度致密度K等于晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比，即：68.0833424333arVnvKar可见，体心立方结构的金属晶体中，有68%的体积为原子所占据，其余32%为空隙体。Cr、Mo、W、V、Nb.第一章工程材料类型及金属的晶体结构►体心立方晶格可以看成是由两个简单立方晶格穿插而成。在每个体心立方晶胞中，无论是体心的原子，还是角上的原子，周围都有8个最近邻且等距离的原子，所以体心立方结构的配位数为8。5.常见的金属晶格类型（二）面心立方结构面心立方晶胞除了晶胞的8个角上各有一个原子外，在每个立方体面的中心还有一个原子，故称面心立方结构。第一章工程材料类型及金属的晶体结构(a)(b)(c)图1-5面心立方晶胞（a）钢球模型（b）质点模型（c）晶胞原子数5.常见的金属晶格类型（二）面心立方结构(Al、Cu、Ni、Au、Ag)（1）点阵常数a（2）晶胞中的原子数(1/8)×8+(1/2)×6=4（3）配位数和致密度（a）配位数12（b）致密度740623444233.arVnvKar第一章工程材料类型及金属的晶体结构5.常见的金属晶格类型（三）密排六方结构(Mg、Zn、-Co)第一章工程材料类型及金属的晶体结构(a)(b)(c)图1-6密排六方晶胞（a）钢球模型（b）质点模型（c）晶胞原子数5.常见的金属晶格类型（三）密排六方结构(Mg、Zn、-Co)（1）点阵常数正六边形边长a，晶胞高度c;理想轴比c/a=1.633（2）原子(1/6)×12+(1/2)×2+3=6（3）配位数和致密度（a）配位数12（b）致密度74.0633.12333462123aarKar第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.2.2晶体结构的基本概念和类型6．晶面指数与晶向指数第一章工程材料类型及金属的晶体结构6．晶面指数与晶向指数1)晶面指数（1）选定一个结点作为坐标原点，沿晶胞的三个棱边作x、y、z三个坐标轴，以晶胞边长（即晶格常数）作为晶轴长度的度量单位。特别应当注意，坐标原点应选在待定晶面之外。（2）求出特定晶面在三个坐标轴上的截距（如果晶面与某一坐标轴平行，则其截距为∞），设分别为m、n、p。（3）求出三个截距的倒数，并把它们化为最小的简单整数，即1/m、1/n、1/p化为h=E/m，k=E/n，l=E/p，E为最小公倍数。（4）将这组最小整数加上圆括号，并且不用标点分开各数，即得晶面指数（hkl）。★如果待定晶面在某一坐标轴上的截距为负值，则在相应指数上方加一负号。第一章工程材料类型及金属的晶体结构6．晶面指数与晶向指数1)晶面指数第一章工程材料类型及金属的晶体结构图1-7晶面指数的确定6．晶面指数与晶向指数1)晶面指数图1-7（a）中晶面a1b1c1d1及a2b2c2d2为互相平行的两个晶面，晶面指数都是（110）。由此可见，一个晶面指数表示的不是一个晶面，而是一组互相平行的晶面。图1-7（b）中晶面a1b1c1与a2b2c2也是互相平行的，如果分别选取0及0′为原点，则截距分别为1、1、-1及-1、-1、1，取倒数化为最小整数，它们的晶面指数分别为和。这两个晶面指数的数字相同而符号相反。由此可见，由于原点选取不同，得到数字相同而符号相反的两个晶面指数，表示的是同一组平行晶面。第一章工程材料类型及金属的晶体结构晶面族：在立方晶系中，由于原子的排列具有高度的对称性，往往存在有许多原子排列完全相同但在空间位向不同（即不平行）的晶面，这些晶面总称为晶面族。如｛110｝｛111｝6．晶面指数与晶向指数2)晶向指数(1)将坐标原点选在待定晶向的一个结点上，沿晶胞棱边作x、y、z三个坐标轴，以晶胞边长（即晶格常数）作为长度单位。(2)求出待定晶向上离原点最近的一个结点的坐标，将此坐标值化为最小整数，例如为u、v、w，再加上方括号，即得晶向指数[uvw]。如果晶向的某一坐标为负值，像晶面指数那样将负号放在相应的指数上方。第一章工程材料类型及金属的晶体结构6．晶面指数与晶向指数2)晶向指数►如x轴方向OA，其晶向指数由A点的坐标来确定，A点坐标为1、0、0，故其晶向指数为[100]。同理，y轴、z轴的晶向指数分别为[010]和[001]。►当确定DC的晶向指数时，将原点选在D点。[112][111]第一章工程材料类型及金属的晶体结构图1-8晶向指数的确定晶向族：原子排列情况相同在空间位向不同（即不平行）的晶向。如〈100〉1.2.3．同素异构多数金属在结晶后的晶格类型都保持不变，但有些金属（如铁、锡、锰等）的晶格类型，却因温度而异。一种金属能以几种晶格类型存在的性质，叫做同素异构性。68%74%68%第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.2.3．同素异构铁在同素异构转变时有体积变化。从原子的排列情况来看，面心立方晶格中铁原子排列得比较紧密，所以在质量相同的条件下，γ-Fe的体积比α-Fe要小。如将一块纯铁加热到912℃，即由α-Fe变为γ-Fe，这时体积要缩小；反之，将铁冷却转变为α-Fe时，体积会增大。这种体积的变化，有可能引起结构应力。铁的同素异构性质也影响到钢，钢在冷却时，γ-Fe同样转变为α-Fe。钢所以能够通过热处理以改变其性能，是与铁的同素异构转变有关的。第一章工程材料类型及金属的晶体结构1.3晶体缺陷金属晶粒，其内部原子的排列并不是那样理想的完全规则整齐，不存在任何缺陷，实际上存在着原子错排的各种缺陷。这种晶体结构的缺陷对金属的性能和组织转变等