金属晶体及晶体结构能带理论

9-1金属的晶体结构金属的晶体结构 一、晶体的基本概念一、晶体的基本概念 在自然界中除了一些少数的在自然界中除了一些少数的物质（如普通玻璃、松香等）物质（如普通玻璃、松香等）以外，包括金属在内的绝大以外，包括金属在内的绝大多数固体都是晶体多数固体都是晶体1晶体晶体 所谓晶体是指其原子（离子所谓晶体是指其原子（离子或分子）在空间呈规则排列或分子）在空间呈规则排列的物体。的物体。9-1-1晶体的基本概念晶体的基本概念2晶体结构晶体结构 晶体中原子（离子或分子）在空间的具晶体中原子（离子或分子）在空间的具体排列。体排列。3阵点（结点）阵点（结点）把原子（离子或分子）抽象为规则排列把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点。于空间的几何点，称为阵点或结点。4 阵点（或结点）阵点（或结点）在空间的排列方式称为空间点阵（简称在空间的排列方式称为空间点阵（简称点阵）点阵）5晶面晶面 点阵中的结点所构成的平面。点阵中的结点所构成的平面。6晶向晶向 点阵中的结点所组成的直线。点阵中的结点所组成的直线。9-1-2晶体的基本概念晶体的基本概念7晶格晶格 把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。起来构成空间格子称为晶格。8晶胞晶胞 构成晶格的最基本单元。构成晶格的最基本单元。由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征。来描述其排列特征。9晶格常数晶格常数 晶胞的棱边长度晶胞的棱边长度a、b、c和棱间夹角和棱间夹角、是衡量晶胞大小和形状的六个参数，其中是衡量晶胞大小和形状的六个参数，其中a、b、c称为晶格常数或点阵常数。称为晶格常数或点阵常数。其大小用其大小用A来表示（来表示（1A=10-8cm）若若a=b=c，=90这种晶胞就称为简单立这种晶胞就称为简单立方晶胞。具有简单立方晶胞的晶格叫做简单方晶胞。具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。立方晶格。9-1-3常见金属的晶体结构类型常见金属的晶体结构类型 在金属元素中，在金属元素中，常见的金属晶体结构类型有下面三常见的金属晶体结构类型有下面三种晶体结构类型。种晶体结构类型。（一）体心立方晶格（一）体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并且在立体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并且在立方体的体中心还有一个原子方体的体中心还有一个原子 晶格常数晶格常数a=b=c，通常只用，通常只用a表示，（见图表示，（见图1-2）。）。这种晶胞在其立方体的对角线方向上原子是紧密接触排列着这种晶胞在其立方体的对角线方向上原子是紧密接触排列着的。故其对角线长度的。故其对角线长度 a方向上所分布的原子数目为方向上所分布的原子数目为2，这样，这样可计算出其原子半径可计算出其原子半径：在这种晶胞中，因每个顶点上的原子是同时属于周围八个晶在这种晶胞中，因每个顶点上的原子是同时属于周围八个晶胞所共有。胞所共有。实际上每个体心立方晶胞中仅含有：实际上每个体心立方晶胞中仅含有：个原子。个原子。321881ar439-1-4常见金属的晶体结构类型常见金属的晶体结构类型 晶格的致密度：是指其晶胞中所包含的原子所占有的晶格的致密度：是指其晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。用体积与该晶胞体积之比。用“K”表示。表示。体心立方晶格的致密度：体心立方晶格的致密度：即晶格中有即晶格中有68%的体积被原子占有，其余为空隙。的体积被原子占有，其余为空隙。属于这种体心立方晶格的金属有属于这种体心立方晶格的金属有Fe(912,-Fe)、Cr、Mo、W、V等。等。68.04334233aaK9-1-5常见金属的晶体结构类型常见金属的晶体结构类型图图1-2 体心立方晶格体心立方晶格 图图1-3 面心立方晶格面心立方晶格9-2 Fe-Fe3C 合金相图 600SP4.01.02.03.0FeQ2004005.06.0 6.69Fe3C14001000800G1200EA1600CDFK温 度LL+L+Fe3C+Fe3CA+Fe3C+LeLe+Fe3CLeP+Fe3CP+Fe3C+LeFe3C+Le+PP+4912A31148(2.11)(4.3)LeH1394（0.77）0.02B(0.09)L+(0.53)9-2-1型铁碳合金结晶过程图 WC%211483A+Fe3C+Ld13.0P+Fe3C+Ld35GA+Fe3C2.110.77Fe2.01.0PQ200400P+Fe3CF+PF+APF600800453443S 温 度L+A214001394+A12001000E912A1538216001A11495H1B2J34L+4.36.04.0 5.06.69Ld322LdC11LD1227FKFe3CFe3C+LdLd+Fe3CL+Fe3C9-2-2典型铁碳合金结晶过程分析 1含碳0.01%的工业纯铁 2.含碳0.77%的共析钢（合金）3.含碳0.40%的亚共析钢（合金）4含碳1.2%的过共析钢（合金）5含碳4.3%的共晶白口铁：（合金）6含碳3.0%的亚共晶白口铁：（合金）7含碳5.0%的过共晶白口铁（合金）9-2-3含碳0.01%的工业纯铁 9-2-4 0.77%共析钢结晶过程 9-2-5亚共析钢结晶过程 9-2-6%C的过共析钢的结晶过程 9-2-7铁碳合金组织特征图(a)0.01%C铁素体500(c).0.77%C珠光体 500(b)0.45%C铁素体+珠光体 500d).1.2%C 铁素体+二次渗碳体 5009-2-8 共晶白口铁的结晶过程 9-3热加工相关概念 热加工：将金属加热到再结晶温度以上一热加工：将金属加热到再结晶温度以上一定温度进行压力加工。定温度进行压力加工。在热加工中将同时发生加工硬化和再结晶在热加工中将同时发生加工硬化和再结晶软化两个过程。软化两个过程。再结晶温度是热加工与冷加工的分界线，再结晶温度是热加工与冷加工的分界线，高于再结晶温度的压力加工是热加工，高于再结晶温度的压力加工是热加工，低于再结晶温度的压力加工是冷加工。低于再结晶温度的压力加工是冷加工。9-3-1热加工对钢的组织和性能影响 有利影响：有利影响：(1)通过热加工，可使铸态金属中的气孔通过热加工，可使铸态金属中的气孔焊合，从而使其致密度得以提高；焊合，从而使其致密度得以提高；(2)通过热加工，可使铸态金属中的枝晶通过热加工，可使铸态金属中的枝晶和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，机械和柱状晶破碎，从而使晶粒细化，机械性能提高；性能提高；(3)通过热加工，可使铸态金属中的枝晶通过热加工，可使铸态金属中的枝晶偏析和非金属夹杂分布发生改变可提高偏析和非金属夹杂分布发生改变可提高零件使用寿命。零件使用寿命。9-3-2热加工对钢的组织和性能影响 不利影响不利影响 加工的温度过高，晶粒粗大；加工的温度过高，晶粒粗大；若温度过低，引起加工硬化、残余内应若温度过低，引起加工硬化、残余内应力等；力等；形成带状组织使性能变坏。形成带状组织使性能变坏。9-4碳钢的分类 按含碳量分类低碳钢中碳钢高碳钢 按质量分类 普通碳素钢优质碳素钢高级优质碳素钢 按用途分类 碳素结构钢 碳素工具钢 9-4-1碳钢牌号和用途 普通碳素结构钢 优质碳素结构钢 碳素工具钢 9-4-2普通碳素结构钢牌号和用途 Q+数字 表示牌号,Q235表示屈服点是235MPa,Q235-AF,表示屈服点为235的A级沸腾钢。制成薄板、钢筋、焊接钢管等，用于桥梁、建筑等钢结构，也可制造普通的铆钉、螺钉、螺母、垫圈、地脚螺栓、轴套、销轴等等 9-4-3优质碳素结构钢牌号和用途 两位数字表示钢材中的平均含碳量的万分数的数字,20钢表示平均含碳量为0.20%,15Mn：表示钢材中的含锰量比较高。08、08F、10、10F钢，塑性、韧性好，具有优良的冷成型性能和焊接性能，常冷轧成薄板，用于制作仪表外壳、汽车和拖拉机上的冷冲压件，如汽车车身，拖拉机驾驶室等；15、20、25钢用于制作尺寸较小、负荷较轻、表面要求耐磨、心部强度要求不高的渗碳零件，如活塞钢、样板等；30、35、40、45、50钢经热处理（淬火+高温回火）后具有良好的综合机械性能，即具有较高的强度和较高的塑性、韧性，用于制作轴类零件；55、60、65钢热处理（淬火+高温回火）后具有高的弹性极限，常用作弹簧。9-4-4碳素工具钢牌号和用途 数字表示钢材中平均含碳量千分数的数值,T10A表示平均含碳量为1.0%,A表示高级优质钢 碳素工具钢用于制造各种量具、刃具、模具等。碳素工具钢经热处理（淬火+低温回火）后具有高硬度，用于制造尺寸较小要求耐磨性的量具、刃具、模具等。9-5铸铁的石墨化过程 石墨的晶体结构 铸铁的石墨化过程 根据石墨化程度不同铸铁的分类 9-5-1石墨的晶体结构 石墨为稳定相，具有特殊的简单六方晶格，其底面原子呈六方网格排列，原子间距小（1.4210-10m），结合力很强；而底面之间的间距较大（3.0410-10m），结合力较弱。所以石墨的强度、硬度和塑性都很差。9-5-2Fe-G相图 对铁碳合金的结晶过程来说，实际上存在两种相图，即Fe3C-Fe和Fe-G相图，铁碳合金结晶条件不同可以全部或部分地按照其中的一种或另一种相图进行结晶 1.06002004001400温 度1000800120016000.77+Fe3C（实线）+Fe3C（虚线）5.04.03.02.0C6.696.0Fe3C+Fe3C（实线）+Fe3C（虚线）4.062.112.0830.68114811544.3L9-5-3铸铁的石墨化过程铸铁的石墨化过程 铸铁组织中石墨的形成叫叫“石墨化”过程。第一阶段 共晶石墨 第二阶段 二次石墨 第三阶段 共析石墨 9-5-4冷却速度的影响 冷却速度愈慢，即过冷度愈小，愈有利于按照Fe-G相图进行结晶，对石墨化愈有利，反之冷却速度愈快，过冷度增大，不利于铁和碳原子的长距离扩散，愈有利于按Fe-Fe3C相图进行结晶，不利于石墨化的进行。生产中铸铁冷却速度可由铸件的壁厚来调态，综合了铸铁化学成分和冷却速度对铸铁组织的影响，可见，碳硅含量增加，壁厚增加易得到灰口组织，石墨化愈完全；反之，碳硅含量减少，壁厚愈小，愈易得到白口组织，石墨化过程越不易进行。9-5-5可锻铸铁 它是将铁水先浇注成白口铸铁件，然后经石墨化退火而得到石墨呈团絮状形态的一种铸铁，其强度较灰铸铁高，塑性比灰铸铁好，且有一定的塑性变形能力，因此又被称为展性铸铁韧性铸铁，其可锻铸铁也是由此而得名，实际上也是不能经过锻造加工的，只是因为其较灰铸铁有一定的韧性，才称为可锻铸铁。9-5-6球墨铸铁 球墨铸铁是在浇注前往铁水中加入一定量的球化剂（Mg、Ce及其他烯土）进行球化处理，并加入少量的孕育剂（硅铁或硅钙合金）以促进石墨化，浇注后得到球状石墨的铸铁。组织（F、F+P、P）+G球状。由于石墨呈球状，对基体的割裂作用最小，应力集中小，其基体的强度能够得到充分的发挥，因此球墨铸铁既具有灰铸铁的优点如良好的铸造性、耐磨性、可切削加工性及低的缺口敏感性，又有可与钢化的机械性能，即有较高的抗拉强度及良好的塑性与韧性，还可通过合金化和热处理来进一步提高它的性能，在所有的铸铁中机械性能最好，但其韧性仍比钢差，可部分替代钢，某些合金钢。和可锻铸铁，用于制造载荷较大，受力复杂的重要零件，如：汽车、拖拉机、或煤油机乃至火车的曲轴凸轮轴、机床中的主轴，轧钢机的轧辊等。9-6有色金属及合金 一、铝及铝合金一、铝及铝合金 二、铜及铜合金二、铜及铜合金 三、轴承合金三、轴承合金 四、钛及钛合金四、钛及钛合金的的性能特点9-6-19-6-1铝及铝合金的性能特点铝及铝合金的性能特点（1）优良的物理性能 （2）抗大气腐蚀性能好 （3）加工性能好，比强度高 9-6-2优良的物理性能 密度小，熔点低，导电性、导热性好，磁化率低纯铝的密度2.72g/cm3，仅为铁的1/3，熔点为660.4，导电性仅次于Cu、Au、Ag。铝合金的密度也很小，熔点更低，但导电、导热性不如纯铝、铝及铝合金的磁化率极低，属于非铁磁材料。9-6-3抗大气腐蚀性能好 铝和氧的化学亲和力大，在大气中，铝和铝合金表面会很快形成一层致密的氧化膜，防止内部继续氧化。但在碱和盐的水溶液中，氧化膜易破坏，因此不能用铝及铝合金制作的容器盛放盐和碱溶液。9-6-4加工性能好，比强度高 纯铝为面心立方晶格，无同素异构转变，具有较高的塑性（=3050%，=80%），易于压力加工成型，并有良好的低温性能，纯铝的强度低，n=70Mpa，虽经冷变形强化，强度可提高到150250 Mpa，但也不能直接用于制作受力的结构件，而铝合金通过冷成型和热处理，其抗拉强度可达到500600 Mpa，相当于低合金钢的强度，比强度高，成为飞机的主要结构材料。9-6-59-6-5铝及铝合金的分类及用途铝及铝合金的分类及用途 纯铝 铝合金 9-6-6纯铝 按纯度分为高纯铝、工业高纯铝、工业纯铝三类 高纯铝：99.996%99.93%用于科研，代号L04L01；工业高纯铝：99.9%99.85%用于作Al合金原料、铝箱，代号L0、L00；工业纯铝：99.0%98.0%作管、线、棒、代号L1L6，数字大。9-6-7铝合金 变形铝合金防锈铝硬铝超硬铝锻铝 铸造铝合金 Al-Si系Al-Cu系Al-Mg系Al-Zn 9-6-8铝合金牌号 铝合金的牌号表示方法：Al+主要合金元素符号+主要合金元素平均含量，若为铸造铝合金前面加“Z”，如ZAlSi12表示平均硅含量为12%的铸造铝合金。按国家标准规定，防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝代号分别用“LF”、“LY”、“LC”、“LD”等字母及一组顺序号表示，如LF5、LY1、LC4、LD5等，而铸造铝合金的代号用“ZL”两个字母和三个数字表示，如ZL102，ZL203,ZL302等 9-6-99-6-9铜及铜合金铜及铜合金 1.1.铜及铜合金的性能特点铜及铜合金的性能特点 2.2.铜及铜合金的分类及用途铜及铜合金的分类及用途9-6-109-6-10铜及铜合金的性能特点铜及铜合金的性能特点 优异的物理、化学性能 导电、导热性、抗蚀、抗磁能力高 良好的加工性能 塑性好；铸造性好 某些特殊机械性能 优良的减摩性和耐磨性，高的弹性极限和疲劳极限 9-6-119-6-11铜及铜合金的分类及用铜及铜合金的分类及用途途 纯铜 铜合金黄铜青铜白铜9-6-129-6-12铜及铜合金的分类及牌铜及铜合金的分类及牌号号 纯铜纯铜(紫铜紫铜)T1、T2、T3、Tu1，Tu2 铜合金铜合金 黄铜黄铜 普通黄铜普通黄铜 H H 表示含铜表示含铜62%,62%,其余为其余为ZnZn的黄铜的黄铜 特殊黄铜特殊黄铜 HPb59-1HPb59-1表示表示59%Cu59%Cu、1%Pb1%Pb。余量为。余量为ZnZn的铅黄的铅黄铜铜 青铜青铜 锡青铜锡青铜 QSn6.5-0.4,QSn6.5-0.4,表示表示6.5Sn6.5Sn及及0.4%P0.4%P的锡的锡-磷青铜磷青铜 特殊青铜特殊青铜白铜白铜 BMn3-12,BMn3-12,是含是含3%Ni3%Ni及及12%Mn12%Mn的锰白铜的锰白铜9-6-13纯铜 我国工业有三个牌号：即一号铜（99.95%Cu）、二号铜（99.90%Cu），三号铜（99.7%Cu），其代号分另为T1、T2、T3。此外，纯铜除工业纯铜外，还有一类叫无氧铜，其含氧量极低，不大于0.003%，其代号有Tu1，Tu2，“u”是“无”汉语拼音字首。纯铜退火状态，强度低，塑性好（b=250270Mpa，=3545%），经冷加工变形后强度升高，而塑性急剧降低（b=400500Mpa，=13%）。不能用作受力的结构材料，工业纯铜主要用导电、导热，兼有抗腐蚀性的器材，如电线、电缆、电器开关等，无氧铜主要作真空器件。9-6-14铜合金 纯铜强度低，虽然冷加工变形可提高其强度，但塑性显著降低，不能制作受力的结构件。为了满足制作结构件的要求，在铜中加入合金元素，通过固溶强化，时效强化及过剩相强化等途径提高合金的强度，获得高强度的铜合金。常用的合金元素：Zn、Al、Sn、Mn、Ni、Fe、Be、Ti、Cr、Zr等。铜合金按其化学成分可分为黄铜、青铜、白铜三大类。9-6-15黄铜 黄铜是以Zn为主要合金元素的铜合金，具有良好的机械性能，易加工成型，对大气、海水有相当好的抗蚀能力，是应用最广的重要有色金属材料。黄铜按其所含合金元素的种类可分为普通黄铜和特殊黄铜两类；按生产方式可分为压力加工黄铜和铸造黄铜两类。