§2晶体结构

§2金属的晶体结构与结晶材料的性能取决于材料的化学成分和其内部微观的组织结构。物质有气态、固态、液态。由液态转变为固态的过程称为凝固。§2.1纯金属的典型晶体结构材料的结构是指材料原子的空间组合、分布与排列情况。三种物态：①固体---晶体和非晶体；②液体；③气体。§2.1.2晶体的基本知识原子（离子）的刚球模型原子中心位置固态物质晶体非晶体——规则排列——无规排列聚集分为原子（离子或分子）在三维空间有规则的周期性重复排列的物质称为晶体，如天然金刚石、水晶、氯化钠等。原子（离子或分子）在空间无规则排列的物质则称为非晶体，如松香、石腊、玻璃等。晶体金刚石、NaCl、冰等。液体非晶体：蜂蜡、玻璃等。一.晶体与非晶体1)熔点晶体：规则排列不规则排列突变—有确定的熔点非晶体：不规则排列不规则排列渐变—无确定的熔点2)各向异性晶体——各向异性非晶体——各向同性特点：许多物质的晶体与非晶体间在一定的条件下可以互相转变。如金属液体在高速冷却下可得到非晶态金属。有些物体是晶体与无定形体的混合物，例如某些塑料。单晶体铁弹性模量E的差异晶体非晶体晶体非晶体时间温度晶体和非晶体熔化曲线熔点固态液态液体1.空间点阵：把构成固体的基本质点看成空间的几何点，这些点的空间排列阵容即为空间点阵。2.晶格：用一些假想线条将点阵中的质点连结起来所构成的空间格架称为晶格。4.晶格常数：晶胞各边的尺寸a、b、c称晶格常数，其大小以表示；其棱边夹角用α、β、γ表示。03.晶胞：晶格中能够完全反映晶格特征的最小几何单元。二.晶格、晶胞和晶格常数5．晶系根据晶格常数和棱夹角关系对所有晶体分析，可把它们的空间点阵分为14种类型，14种点阵归属7种晶系。6．晶格尺寸和原子半径1）晶格尺寸晶格尺寸用晶格常数表示。立方晶格中a=b=c，用一个常数a表示即可。2)原子半径原子在某种晶格中的原子半径，等于晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子的中心之间距离的一半。XYZabc2raaar)4/3(2222)22()(rraaa22)4(3ra6．晶格尺寸和原子半径7．晶胞原子数8．配位数和致密度1）配位数晶格中与任一个原子最邻近、等距离的原子数目。2）致密度把原子看成刚性小球，原子所占体积与晶胞体积之比。指一个晶胞中所含的原子数目。图1—1为原子间的吸引力（吸引）和排斥力（排斥）及它们的合力（总）与原子距离的关系。合力（总）为零时，原子距离为a0吸引力（吸引）和排斥力（排斥）平衡，原子间相互作用的势能最小0，即原子间的结合能。§2.1.2金属的晶体结构一、金属的特性和金属键1、原子间的结合能若改变上述平衡都需要做功，引起能量的升高。物质的原子（离子或分子）之间通过某种相互作用，使原子稳定结合在一起的力称为结合键。结合键对物质的性能有极大影响。结合键的基本类型有离子键、共价键、金属键和分子键。金属离子与自由电子之间的相互作用，使许多金属离子互相结合在一起，这样形成的化学键即是金属键。金属键使固态金属具有优良的导电、导热性并能塑性变形。原子间通过共用电子对相互吸引所形成的化学键，例如金刚石、SiC等结构。2、原子结合键的类型1）金属键2）共价键阴阳离子间通过静电作用所形成的化学键。如NaCl晶体内Na+与Cl-之间的结合键。上述离子键、共价键和金属键的分子或晶体内部原子之间有强烈的吸引作用，结合键较强。4）分子键和氢键（1）分子键原子或分子由其内部电荷分布不均匀产生偶极矩而引起的短程静电引力形成的结合键，又称范德瓦尔斯键。（2）氢键氢原子与电负性很大的原子结合后，核外电子偏移，因而能和另一个电负性大原子半径小的原子产生静电引力而形成的结合键。键的能量约在10千卡/摩尔以下，键的能量比例大致如下：3）离子键范氏键：氢键：共价键=1：10：100。离子键结合能最高。3、工程材料的键性1）金属材料主要是金属键。周期表中过渡族及4A列的一些元素结合键为金属键和共价键混合型。一些金属间化合物则为金属键与离子键混合型，例如Fe5Zn21、Al9CO3等。2）陶瓷材料工程陶瓷以离子键和共价键为主要结合键。3）高分子材料高聚物分子链上主价键为共价键，分子间结合键（次价键）为范氏键。二.常见金属晶体的结构体心立方晶格面心立方晶格密排立方晶格1、体心立方晶格体心立方晶格中：①原子半径②原子数个；③配位数等于8；④致密度属这类晶格的金属有α-Fe、δ-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb等。68.034233arK21881ar)4/3(体心立方晶格的晶胞如图所示。XYZabc2raaar)4/3(2222)22()(rraaa22)4(3ra2、面心立方晶格面心立方晶格的晶胞如图所示。面心立方晶胞中：①原子半径为；②原子数为；③配位数为12；④致密度为0.74。属这类晶格的金属有：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Rh等。4621881ar423、密排六方晶格密排立方晶胞中：①晶格常数用a、c表示。理想密排时，两者比值c/a≈1.633；②原子数为；③原子半径；④配位数为12；⑤致密度为0.74。属这类晶格的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。632211261ar21三.配位数、致密度1）配位数晶格中与任一个原子最邻近、等距离的原子数目。2）致密度把原子看成刚性小球，原子所占体积与晶胞体积之比。1）晶面：晶体中各个方位的原子面。2）晶面指数：用来表示晶面位向的一组数字符号。确定晶面指数按下面三个步骤进行：通过原子中心的平面。四.金属晶体中（立方）的晶面和晶向的表示方法立方晶系的晶面表示方法xyzo求法：定原点—求截距—化最小整数—加（）—取倒数例：X轴坐标——1Y轴坐标——1Z轴坐标——1111()111晶面指数2.实际上表示所有相互平行的晶面（hkl)求法：定原点—求截距—化最小整数—加（）特点：1.直接表示任意晶面—取倒数例：X轴坐标——1Z轴坐标——∞11∞()110Y轴坐标——1晶面指数绘出晶面)211()433(和)433()211()413131-()211-1()4311-(取倒数化简定原点—求截距—化最小整数—加（）—取倒数1）晶向：晶体中，任意两个原子之间连线所指的方向。用晶向指数表示。2）确定晶向指数的方法如下：通过原子中心的直线所指的方向。立方晶系的晶向表示方法求法：定原点—建坐标—化最小整数—加[]—求坐标例：oxyzX轴坐标——1Y轴坐标——1Z轴坐标——1111[][111]晶向指数xyzo求法：定原点—建坐标—化最小整数—加[]—求坐标例：[111]X轴坐标——0Y轴坐标——0Z轴坐标——1001[][001]晶向指数[]求法：定原点—建坐标—化最小整数—加[]—求坐标例：[111]X轴坐标——1Y轴坐标——-1Z轴坐标——11-11[001]111]111[3.实际上表示所有相互平行、方向一致的晶向[uvw]特点：1.直接表示任意两点连线的方向2.只表示方向，不表示长短晶向指数xyzo[100]绘出[100]、晶向]101[]101[绘出[231]、晶向]123[31[231]]31132[[231][231]32晶向指数31绘出[100]、晶向]101[]101[]123[[231]]31132[[231]]3132-1[323132]123[绘出[231]、晶向]123[技巧：当晶向指数中有大于1的数时，外延晶胞，直接求点将指数化为分数[100]晶向指数课堂练习：请绘出下列晶向：请绘出下列晶面：[001][010][100][110][112]]011[(001)(010)(100)(110))011((112)]110[)110(2.一个晶向指数代表一系列相互平行、方向相同的晶向1.立方晶系，数字相同，仅正负号、数字排序不同的属同一晶向族3.一个晶向族代表一系列性质地位相同的晶向——加例：[111]]111[]111[]111[]111[]111[]111[]111[=111[100]]001[]010[]100[]001[]010[=100晶向族：晶向族与晶面族2.一个晶面指数代表一系列相互平行的晶面晶面族：1.对于立方晶系，数字相同，仅正负号、数字排序不同的属同一晶面族3.一个晶面族代表一系列性质地位相同的晶面——加｛｝例：(110))101()011()101()011()101()110()011(={110})011()110()110()101((111))111()111()111()111()111()111()111(={111}晶向指数与晶面指数的关系指数数字相同的晶向与晶面相互垂直——仅对于立方晶系而言例：[110]与(110)[100]与(100)[111]与(111)五.各向异性单晶体铁弹性模量E的差异§2.2实际金属的晶体结构§2.2.1单晶体与多晶体①位向不同的小晶体称为晶粒；②晶粒与晶粒之间的交界称为晶界。1）单晶体2）多晶体内部晶格位向完全一致，各自异性。单晶体示意图单晶体铁弹性模量E的差异一.点缺陷§2.2.2晶体缺陷晶体中的缺陷——原子排列偏离完整性的区域。点缺陷——在三个方向上尺寸都很小线缺陷——在二个方向上尺寸很小面缺陷——在一个方向上尺寸很小晶体中存在空位、间隙原子、置换原子都是晶格的点缺陷，它们会导致“晶格畸变”的现象，如图所示。局部点阵畸变原子热振动克服约束，迁移到新的位置空位、间隙原子部分原子获得足够高的能量形成引起点缺陷对晶体性能的影响附加电子散射——电阻↑间隙原子——体积膨胀1~2个原子体积空位——体积膨胀0.5个原子体积屈服强度↑对扩散、内耗、高温形变和热处理等过程有重要影响。点阵畸变常见的位错类型有刃型位错、螺型位错等。如图所示。二.线缺陷线缺陷就是晶格中的位错现象。刃位错形成畸变区多出（或少了）半排原子面用┻（或┳）表示刃位错正：上压下拉负：上拉下压称为┻负刃型位错主要为正应力特征类型螺型位错原子面部分错动一个原子间距螺位错不吻合过渡区形成畸变区纯剪切应力区形成称作有晶体图时与螺纹判断方法一致：——左手左螺，右手右螺位错正、负（左、右）的确定①位错也引起晶格畸变。金属强度与位错密度的关系是：位错的存在可降低理想晶体的强度，大量的位错又可使其强度提高。②生产中一般采用增加位错的办法提高材料的强度。金属强度与位错密度的关系②亚晶界：指亚晶粒之间形成的交界面。亚晶粒是由被称为镶嵌块的小晶粒组成的。三.面缺陷①晶界：指晶粒之间必然形成的交界面。晶界、亚晶界是晶体缺陷中的面缺陷。晶界特点1）晶界→畸变，晶界能→向低能量状态转化，晶粒长大、晶界变直→晶界面积减小2）阻碍位错运动→σb↑→细晶强化3）位错、空位等缺陷多→晶界扩散速度高4）晶界能量高、结构复杂→容易满足固态相变的条件→固态相变首先发生地5）化学稳定性差→晶界容易受腐蚀6）微量元素、杂质富集面缺陷能提高金属材料的强度,晶界越多，晶粒越细，金属的塑性变形能力越大，塑性越好。§2.3金属的结晶与同素异构转变金属材料的凝固是最典型的结晶。凝固与结晶凝固是指从液态经冷却逐渐变硬为固态的过程，固化后的物质为非晶体。结晶指具有固定的熔点和凝固点，凝固后形成晶体物质的过程。晶体液体结晶：液体→晶体凝固：液体→固体（晶体或非晶体）§2.3.1纯金属的结晶熔融液体的粘度和冷却速度影响到凝固后得到晶体还是非晶体。1）熔融液体的粘度粘度表征流体中发生相对运动的阻力。图3－1。dxdvsηf液体的粘度η极小时，原子的迁移能力极强，绝大多数能凝固为晶体。反之不利于结晶。例如玻璃、塑料等。凝固时的冷却速度愈大，降温快，特快的冷却速度，原子扩散受到制约，使形核困难，凝固后易得到非晶体。如金属冷却速度大于106℃/s时，可获得非晶态金属。xfs凝固状态的影响因素2）熔融液体的冷却速度冷却曲线tTT0Tn理论结晶温度开始结晶温度}T过冷度T=T0-Tn纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）一.结晶冷却曲线和过冷度①过冷度ΔT——理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之