武汉理工大学工程材料第2章

工程材料机械制造基础-Ⅰ第二章金属的晶体结构机电工程学院金工学部王志海第二章金属的晶体结构CrystalStructureofMetal晶体结构的基础知识实际金属的体结构与晶体缺陷第一节晶体结构的基础知识一.晶体与非晶体的基本概念1.晶体(crystal)的基本概念:物体内部的原子(或分子)在三维空间中,按一定规律作周期性排列的固体。晶体物质所具有的性质:固定的熔点;各向异性等。例如,所有的金属、食盐等。2.非晶体(non-crystal)的基本概念:物体内部的原子呈散乱分布,其物理和力学性能各向同性。例如,普通玻璃、松香等。金属的结构晶态非晶态SiO2的结构非晶态晶态二.晶体学(crystallography)的基本知识1.晶格(crystallattice):用以描述晶体中原子排列规律的空间点阵格架。2.晶胞(unitcell):能完全反映晶格特征的最小几何单元。3.晶格常数(latticeconstant):cXZYOαβγb4.晶系与布拉菲点阵1855年,法国学者布拉维(Bravais)用数学方法证明了空间点阵共有且只能有十四种,并归纳为七个晶系:4.晶系与布拉菲点阵1855年,法国学者布拉维(Bravais)用数学方法证明了空间点阵共有且只能有十四种,并归纳为七个晶系:1).三斜晶系a=b=c,α=β=γ=90°;2).单斜晶系a=b=c,α=γ=90°=β;3).正交晶系a=b=c,α=β=γ=90°;4).六方晶系a=b=c,α=β=90°,γ=120°;5).菱方晶系a=b=c,α=β=γ=90°;6).正方晶系a=b=c,α=β=γ=90°;7).立方晶系a=b=c,α=β=γ=90°;布拉菲空间点阵晶胞5.晶面(crystalface):在晶格中由一系列原子所构成的平面称为晶面。6.晶面指数(indicesofcrystallographicplane):用密勒(Miller)指数对晶格中某一晶面进行标定。使用方法:设置坐标;求截距;取倒数。7.晶向(crystaldirection):在晶格中,任意两原子之间的连线所指的方向。8.晶向指数:用密勒(Miller)指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行标定。使用方法:设置坐标;求截距;取最小整数。三.常见的三种晶体结构1.体心立方晶格(body-centercubiclattice)*晶胞中的原子数:n=8×1／8＋1=2个*晶胞的特征参数:a=b=c,α=β=γ=90°;*原子的体积:v=4πR3／3*致密度:K=nV原子／V晶体=0.68=68%*配位数(N)是指晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目。*原子的半径:R=√3×a／4N=8(原子间的最近距离d=√3×a／2)属于体心立方晶格的金属有:钠(Na);钾(K);铬(Cr);钼(Mo);钨(W);钒(V);钽(Ta);铌(Nb);α-铁(α-Fe)等。2.面心立方晶格(face-centercubiclattice)*晶胞中的原子数:n=8×1/8+6×1/2=4个*晶胞的特征参数:a=b=c,α=β=γ=90°;*原子的体积:v=4πR3／3*致密度:K=nV原子／V晶体=0.74=74%*配位数(N)是指晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目。*原子的半径:R=√2×a／4N=12(原子间的最近距离d=√2×a／2)属于面心立方晶格的金属有:金(Au);银(Ag);铜(Cu);铝(Al);镍(Ni);铂(Pt);铅(Pb);γ-铁(γ-Fe)等。3.密排六方晶格(c/a=1.633)(close-packedhexagonallattice)*晶胞中的原子数:n=12×1/6+2×1/2+3=6个*晶胞的特征参数:*原子的体积:v=4πR3／3*致密度:K=nV原子／V晶体=0.74=74%*配位数(N)是指晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目。*原子的半径:R=a/2N=12(原子间的最近距离d=a)a=b=c,α=β=90°,γ=120°;属于密排六方晶格的金属有:镁(Mg);锌(Zn);镉(Cd);α–钛(α–Ti);铍(Be)等。四.纯金属的晶体结构与特性1.金属键---金属原子间的结合键。2.金属键的基本特点是电子公有化。3.电子气---当金属原子结合成晶体时,价电子不再被束缚在各个原子上,而是在整个晶体内运动,从而形成电子气。4.金属晶体---失去价电子的金属正离子与组成电子气的自由电子之间产生的静电引力使金属原子结合在一起,从而形成了金属晶体。第二节实际金属的体结构与晶体缺陷一.单晶体与多晶体的基本概念1.单晶体(singlecrystal)的特征:*晶体由一个晶格排列方位完全一致的晶粒组成。*晶体具有各向异性(aeolotropy)。例如:单晶硅、单晶锗等。单晶体结构示意图2.多晶体(polycrystal)的特征*晶体是由许多颗晶格排列方位不相同的晶粒组成。*晶体具有各向同性(isotropy)。例如:常用的金属等。多晶体结构示意图二.晶体缺陷(crystaldefect)点缺陷线缺陷面缺陷1.点缺陷(pointdefect)空位(vacancy)间隙原子(gapatom)置换原子(substitutionalatom)点缺陷示意图间隙原子晶格空位置换原子2.线缺陷(linedefect)----位错(dislocation)螺旋型位错(screwdislocation)刃型位错(bladedislocation)螺旋型位错示意图刃型位错示意图刃型位错示意图正刃型位错负刃型位错3.面缺陷(surface-defect)晶界(grainboundary):晶粒与晶粒之间的界面。亚晶界(sub-boundary):相邻晶粒位向很小(一般1～2°)的小角度晶界。晶界与亚晶界结构示意图大角度晶界---晶界小角度晶界---亚晶界晶界与亚晶界结构示意图大角度晶界---晶界小角度晶界---亚晶界晶界与亚晶界结构示意图大角度晶界---晶界小角度晶界---亚晶界Cu-Ni合金中的亚结构三.晶体缺陷对金属性能的影响原子的扩散金属的强化固态的相变本章的作业P181.3.欢迎进入第三章学习内容