材料的结构课件

第一章 材料的结构n物质由原子组成。原子物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式的结合方式和排列方式决定了物质的性能。决定了物质的性能。n原子、离子、分子之间原子、离子、分子之间的结合力称为的结合力称为结合键结合键。它们的具体组合状态称它们的具体组合状态称为为结构结构。C60材料的结构一、晶体结构的基本概念一、晶体结构的基本概念 金属的结构金属的结构晶态晶态非晶态非晶态SiO2的结构的结构n1、晶体与非晶体、晶体与非晶体n晶体晶体是指原子呈规则排列的固体。是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主常态下金属主要以晶体形式存在。要以晶体形式存在。晶体具有各向异性晶体具有各向异性。n非晶体非晶体是指原子呈无序排列的固体。是指原子呈无序排列的固体。在一定条件在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。下晶体和非晶体可互相转化。材料的结构2、晶格与晶胞、晶格与晶胞n 晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成。用假想的直线将原子中心连接起来所形成。龙村人龙村人 龙村吧龙村吧 茶馆杂事茶馆杂事 材料的结构n 晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。材料的结构n 晶系：晶系：n根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。n90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。以上的金属具有立方晶系和六方晶系。n立方晶系：立方晶系：a=b=c，=90 n六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c，=90，=120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜l 晶格常数：晶格常数：晶晶胞个边的尺寸胞个边的尺寸 a、b、c。l各棱间的夹角用各棱间的夹角用、表示。表示。材料的结构n 原子半径：原子半径：晶胞中原晶胞中原子密度最大方向上相邻子密度最大方向上相邻原子间距的一半。原子间距的一半。l 晶胞原子数：晶胞原子数：一个晶一个晶胞内所包含的原子数目。胞内所包含的原子数目。l 配位数：配位数：晶格中与任晶格中与任一原子距离最近且相等一原子距离最近且相等的原子数目。的原子数目。l 致密度：致密度：晶胞中原子晶胞中原子本身所占的体积百分数。本身所占的体积百分数。材料的结构3、立方晶系晶面、晶向表示方法、立方晶系晶面、晶向表示方法n晶体中各方位上的晶体中各方位上的原子面称原子面称晶面。晶面。n各方向上的原子列各方向上的原子列称称晶向。晶向。n晶面指数晶面指数n表示晶面的符号称表示晶面的符号称晶面指数晶面指数。n其确定步骤为：其确定步骤为：材料的结构n 确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。三个坐标轴上的截距。n龙村人龙村人 龙村吧龙村吧 茶馆杂事茶馆杂事 材料的结构n例一例一.求截距为求截距为、1、晶面的指晶面的指数数 截距值取倒数为截距值取倒数为0、1、0，加圆括，加圆括弧得（弧得（010）n例二例二.求截距为求截距为2、3、晶面的指晶面的指数数 取倒数为取倒数为1/2、1/3、0,化为最小化为最小整数加圆括弧得（整数加圆括弧得（320）n例三例三.画出（画出（112）晶面）晶面 取三指数的倒数取三指数的倒数1、1、1/2,化成最化成最小整数为小整数为2、2、1，即为，即为X、Y、Z三三坐标轴上的截距坐标轴上的截距材料的结构n 晶向指数晶向指数n表示晶面的符号称晶面指数。表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：其确定步骤为：材料的结构n 确定原点，建确定原点，建立坐标系，过原立坐标系，过原点作所求晶向的点作所求晶向的平行线。平行线。n 求直线上任一求直线上任一点的坐标值并按点的坐标值并按比例化为最小整比例化为最小整数，加方括弧。数，加方括弧。形式为形式为uvw。材料的结构n例一、例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，求该直线的晶向指数。，求该直线的晶向指数。n将三坐标值化为最小整数加方括弧得将三坐标值化为最小整数加方括弧得234。l例二、例二、已知晶向指已知晶向指数为数为110,画出该画出该晶向。晶向。l找出找出1、1、0坐标点坐标点,连接原点与该点的连接原点与该点的直线即所求晶向。直线即所求晶向。110234材料的结构n n 晶面族与晶向族晶面族与晶向族晶面族与晶向族晶面族与晶向族n(hkl)与与uvw分别表示的是一组平行的晶向和晶面分别表示的是一组平行的晶向和晶面。n指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作称作晶向族晶向族或或晶面族晶面族。分别用分别用hkl和和表示。表示。材料的结构立方晶系常见的晶面为：立方晶系常见的晶面为：材料的结构110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY材料的结构立方晶系常见的晶向为：立方晶系常见的晶向为：材料的结构111111111111XZY材料的结构说明：说明：在立方晶系中，指在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向数相同的晶面与晶向相互垂直。相互垂直。遇到负指数，遇到负指数，“-”“-”号放在该指数的上方。号放在该指数的上方。-晶向具有方向性，晶向具有方向性，如如110与与110方方 向相反。向相反。XZY(221)221110110材料的结构二、金属的晶体结构二、金属的晶体结构n1、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构n金属原子是通过正离子与自金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，由电子的相互作用而结合的，称为称为金属键金属键。n金属原子趋向于紧密排列。金属原子趋向于紧密排列。价电子云价电子云正离子正离子金属键示意图金属键示意图l具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。l龙村人龙村人 龙村吧龙村吧 茶馆杂事茶馆杂事 材料的结构 体体心心立立方方晶晶格格材料的结构体心立方晶格体心立方晶格材料的结构体心立方晶格的参数体心立方晶格的参数材料的结构n体心立方晶格体心立方晶格原子个数：原子个数：2配位数：配位数：8致密度：致密度：0.68龙村人龙村人 龙村吧龙村吧 茶馆杂事茶馆杂事 晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子半径：材料的结构 面面心心立立方方晶晶格格材料的结构面心立方晶格面心立方晶格材料的结构面心立方晶格的参数面心立方晶格的参数材料的结构 a42r=：原子半径原子半径原子个数：原子个数：4配位数：配位数：12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常数：晶格常数：an面心立方晶格面心立方晶格材料的结构 密排六方晶格密排六方晶格材料的结构a21r=：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6配位数：配位数：12致密度：致密度：0.74龙村人龙村人 龙村吧龙村吧 茶馆杂事茶馆杂事 晶格常数：晶格常数：底面边长底面边长 a 和高和高 c，c/a=1.633n密排六方晶格密排六方晶格材料的结构n 三种常见晶格的密排面和密排方向三种常见晶格的密排面和密排方向n单位面积晶面上的原子数称单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度晶面原子密度。n单位长度晶向上的原子数称单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度晶向原子密度。n原子密度最大的晶面或晶向称原子密度最大的晶面或晶向称密排面密排面或或密排方向密排方向。密排面密排面数量数量密排方向密排方向数量数量体心立方晶格体心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格六方底面六方底面1底面对角线底面对角线3材料的结构n三种常见晶格的密三种常见晶格的密排面和密排方向排面和密排方向六方底面六方底面底面对角线底面对角线密密排排六六方方晶晶格格面面心心立立方方晶晶格格体体心心立立方方晶晶格格材料的结构体心立方体心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面材料的结构2、实际金属的晶体结构、实际金属的晶体结构l变形金属晶粒尺寸约变形金属晶粒尺寸约1100 m，铸造金属可达几铸造金属可达几mm。纯铁组织纯铁组织晶晶粒粒示示意意图图n 单晶体与多晶体单晶体与多晶体n单晶体：单晶体：其内部晶格方位完其内部晶格方位完全一致的晶体。全一致的晶体。n多晶体：多晶体：n晶粒：晶粒：实际使用的金属材料实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。些小晶体称为晶粒。材料的结构n n晶界：晶界：晶界：晶界：晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。n晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。n多晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图多晶体示意图材料的结构n 晶体缺陷晶体缺陷n晶格的不完整部晶格的不完整部位称位称晶体缺陷晶体缺陷。n实际金属中存在实际金属中存在着大量的晶体缺着大量的晶体缺陷，按形状可分陷，按形状可分三类，即点、线、三类，即点、线、面缺陷。面缺陷。材料的结构n 点缺陷点缺陷 n空间三维尺寸都空间三维尺寸都很小的缺陷。很小的缺陷。l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子材料的结构na.空位：空位：晶格中某些晶格中某些缺排原子的空结点。缺排原子的空结点。nb.间隙原子：间隙原子：挤进晶挤进晶格间隙中的原子。格间隙中的原子。可可以是基体金属原子，以是基体金属原子，也可以是外来原子也可以是外来原子。材料的结构nc.置换原子：置换原子：取代原来原子位置的外来原取代原来原子位置的外来原子称置换原子。子称置换原子。n点缺陷破坏了原子的平衡状点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称态，使晶格发生扭曲，称晶晶空位空位间隙原子间隙原子小置换原子小置换原子大置换原子大置换原子格畸变格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。材料的结构空位和间隙原子引起的晶格畸变空位和间隙原子引起的晶格畸变龙村人龙村人 龙村吧龙村吧 茶馆杂事茶馆杂事 材料的结构n 线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错n位错：位错：晶格中一部分晶体相晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部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，滑移面上滑移区与未刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错滑移区的交界线称作位错。分为刃型位错和螺型位错。滑移区的交界线称作位错。分为刃型位错和螺型位错。材料的结构刃型位错和螺型位错刃型位错和螺型位错刃位错的形成刃位错的形成材料的结构n刃型位错：刃型位错：当当一个完整晶体某晶面以上的某处多出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余原子面的边缘就是刃型位错。刃型位错。n半原子面在滑移面以上的称正位错，用半原子面在滑移面以上的称正位错，用“”表表示。示。n半原子面在滑移面以下的称负位错，用半原子面在滑移面以下的称负位错，用“”表表示。示。材料的结构n位错密度：位错密度：单位体积内所包单位体积内所包含的位错线总长度。含的位错线总长度。=L/V(cm/cm3或或1/cm2)n金属的位错密度为金属的位错密度为1041012/cm2n位错对性能的影响位错对性能的影响：金属的金属的塑性变形主要由位错运动引塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。化金属的主要途径。n减少或增加位错密度都可以减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。提高金属的强度。金属晶须金属晶须退火态退火态(105-108/cm2)加工硬化态加工硬化态(1011-1012/cm2)材料的结构电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线(黑线黑线)高分辨率电镜下的刃位错高分辨率电镜下的刃位错高分辨率电镜下的刃位错高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）（白点为原子）（白点为原子）（白点为原子）材料的结构电子显微镜下的位错观察材料的结构n 面缺陷面缺陷n主要有：晶界与亚晶界主要有：晶界与亚晶界n晶界是不同位向晶粒的过渡部位，宽度为晶界是不同位向晶粒的过渡部位，宽度为510个原子间距，个原子间距，位向差一般为位向差一般为2040。晶粒I晶粒II晶界材料的结构n晶界的特点：晶界的特点：n 原子排列不规则。原子排列不规则。n 熔点低。熔点低。n 耐蚀性差。耐蚀性差。n 易产生内吸附，外来原子易易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。在晶界偏聚。n 阻碍位错运动，是强化部位，阻碍位错运动，是强化部位，晶粒越细晶界总面积就越大，晶粒越细晶界总面积就越大，金属的强度也越高，因而实际金属的强度也越高，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。使用的金属力求获得细晶粒。n 是相变的优先形核部位是相变的优先形核部位 显微组织的显示显微组织的显示材料的结构亚晶粒亚晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位位错错壁壁n亚晶粒亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小向差也很小(10 2 )的小晶块。的小晶块。n亚晶粒之间的交界面称亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚亚晶界。亚晶界也可看作由刃型位错垂直排列晶界也可看作由刃型位错垂直排列形成的形成的位错壁位错壁。材料的结构3、合金的晶体结构、合金的晶体结构n合金合金是指由两种或两种是指由两种或两种以上元素组成的具有金以上元素组成的具有金属特性的物质。属特性的物质。n组成合金的元素可以是组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金全部是金属，也可是金属与非金属。属与非金属。n组成合金的元素相互作组成合金的元素相互作用可形成不同的相。用可形成不同的相。Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜材料的结构n所谓所谓相相是指金属或合金中凡成分是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。有界面分开的均匀组成部分。n显微组织显微组织实质上是指在显微镜下实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。形态、数量、大小和分布的组合。n根据结构特点不同，固态合金中根据结构特点不同，固态合金中的相分为的相分为固溶体和金属化合物固溶体和金属化合物两两类。类。单相单相合金合金两相两相合金合金材料的结构n 固溶体固溶体n合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固 相称相称固溶体固溶体。习惯以习惯以、表示。表示。l与合金晶体结构相同的元素称与合金晶体结构相同的元素称溶剂溶剂。其它元。其它元素称素称溶质溶质。l固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。l龙村人龙村人 龙村吧龙村吧 茶馆杂事茶馆杂事 材料的结构n 置换固溶体置换固溶体n溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。n溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。称有序固溶体。黄铜置换固溶体组织黄铜置换固溶体组织材料的结构n 间隙固溶体间隙固溶体n溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。n形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金 属元素，如属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般等，而溶剂元素一般是过渡族元素。是过渡族元素。l形成间隙固溶体的一形成间隙固溶体的一般规律为般规律为r质质/r剂剂0.590.59时形成复杂结时形成复杂结时形成复杂结时形成复杂结构间隙化合物。构间隙化合物。构间隙化合物。构间隙化合物。n如如FeB、Fe3C、Cr23C6等。等。Fe3C称称渗碳体，渗碳体，是钢中重要是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格组成相，具有复杂斜方晶格。n化合物也可溶入其它元素原化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固子，形成以化合物为基的固溶体。溶体。Fe3C的晶格的晶格高温合金中的高温合金中的Cr23C6材料的结构n本文源于n秋水伊人旗舰店 秋水伊人官方网站 n熙世界女装 熙世界官方旗舰店 n龙村人 龙村吧 茶馆杂事 n 材料的结构