第一章-第一节非晶体和晶体结构课件

第一章第一章 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶 第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构第二节第二节 晶体缺陷晶体缺陷第三节第三节 金属的结晶与铸锭金属的结晶与铸锭第一节第一节 金属的晶体结构金属的晶体结构一、原子的结合键及其特性原子的结合键及其特性二、非晶体结构二、非晶体结构三、晶体结构基本概念三、晶体结构基本概念四、晶面指数和晶向指数四、晶面指数和晶向指数五、三种常见的晶体结构五、三种常见的晶体结构六、三种典型晶格的致密度与配位数六、三种典型晶格的致密度与配位数七、单晶体的各向异性与多晶体的伪各向同性七、单晶体的各向异性与多晶体的伪各向同性 结合键可分为结合键可分为化学键化学键和和物理键物理键两大类。化学键两大类。化学键即主价键，它包括金属键、离子键和共价键；物理即主价键，它包括金属键、离子键和共价键；物理键即次价键，也称范德华力。此外，还有一种称为键即次价键，也称范德华力。此外，还有一种称为氢键，其性质介于化学键和范德华力之间。氢键，其性质介于化学键和范德华力之间。一、原子的结合键及其一、原子的结合键及其特性特性（一）金属键（一）金属键 由由金金属属正正离离子子与与电电子子气气之之间间相相互互作作用用而而结结合合的的方方式式称称为为金金属属键键，如图所示。如图所示。4、加热时，正离子振动增强，、加热时，正离子振动增强，电子运动受阻，电阻增加电子运动受阻，电阻增加金属键特性金属键特性 金属特性金属特性1、加电场，电子定向加速运动、加电场，电子定向加速运动 加热场，离子、自由电子热振动加热场，离子、自由电子热振动良好的导电性良好的导电性2、自由电子能吸收并辐射大、自由电子能吸收并辐射大部分投射到其表面的光能部分投射到其表面的光能 良好的导热性良好的导热性不透明，有不透明，有 金属光泽金属光泽较高的强度较高的强度3、金属键合力强、金属键合力强 键没有方向性，键没有方向性，对原子没有选择性，原子可不破对原子没有选择性，原子可不破坏键而移动坏键而移动良好的塑性良好的塑性有正的电阻有正的电阻 温度系数温度系数金属键与金属的特性金属键与金属的特性（二）离子键（二）离子键 这种结合的实质是金属原子将自己最外层的价电子这种结合的实质是金属原子将自己最外层的价电子给予给予非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而非金非金属原子，使自己成为带正电的正离子，而非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子，这样属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子，这样，正负离子依靠它们之间的，正负离子依靠它们之间的静电引力静电引力结合在一起。结合在一起。具有的性能：具有的性能：一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此，其因此，其熔点和硬度均较高熔点和硬度均较高，具有，具有高的高温强度和耐高的高温强度和耐磨性磨性。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们多数是良好的因此，它们多数是良好的绝缘体绝缘体。但当处在高温熔融。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。呈现离子导电性。（三）共价键（三）共价键 共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子间通过间通过共用电子对共用电子对而形成的化学键。而形成的化学键。具有的性能：具有的性能：共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构结构稳定、熔点高、质硬脆稳定、熔点高、质硬脆等特点。由于束缚在相邻原等特点。由于束缚在相邻原子间的子间的“共用电子对共用电子对”不能自由地运动，共价键结不能自由地运动，共价键结合形成的材料一般是合形成的材料一般是绝缘体绝缘体，其导电能力差。，其导电能力差。（四）分子键（四）分子键 分子型物质能由气态转变为液态，由液态转变为分子型物质能由气态转变为液态，由液态转变为固态，这说明分子间存在着相互作用力，这种作用固态，这说明分子间存在着相互作用力，这种作用力称为力称为分子间力或范德华力分子间力或范德华力。范德华力是存在于分。范德华力是存在于分子间的一种吸引力，它比化学键弱得多。子间的一种吸引力，它比化学键弱得多。一般来说，某物质的范德华力越大，则它的熔点、一般来说，某物质的范德华力越大，则它的熔点、沸点就越高。对于组成和结构相似的物质，范德华沸点就越高。对于组成和结构相似的物质，范德华力一般随着相对分子质量的增大而增强。力一般随着相对分子质量的增大而增强。（五）氢键（五）氢键 氢键是一种特殊的氢键是一种特殊的分子间作用力分子间作用力。它是由氢原子。它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子 O，F，N等，相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，等，相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，又称氢桥。氢键具有饱和性和方向性。又称氢桥。氢键具有饱和性和方向性。氢键可以存在于分子内或分子间。氢键在高分子材氢键可以存在于分子内或分子间。氢键在高分子材料中特别重要，纤维素、尼龙和蛋白质等分子有很料中特别重要，纤维素、尼龙和蛋白质等分子有很强的氢键，并显示出非常特殊的结晶结构和性能。强的氢键，并显示出非常特殊的结晶结构和性能。二、非晶体结构二、非晶体结构 非晶体指原子（离子或分子）在空间无规则排列的非晶体指原子（离子或分子）在空间无规则排列的固体。固体。（一）非晶态金属（一）非晶态金属 金属及合金极易结晶，传统的金属材料都以晶态形金属及合金极易结晶，传统的金属材料都以晶态形式出现。但如将某些金属熔体，以式出现。但如将某些金属熔体，以极快的速率急剧冷极快的速率急剧冷却却，例如每秒钟冷却温度大于，例如每秒钟冷却温度大于100100万度，则可得到一万度，则可得到一种崭新的材料。由于冷却极快，高温下液态时原子的种崭新的材料。由于冷却极快，高温下液态时原子的无序状态，被迅速无序状态，被迅速“冻结冻结”而形成无定形的固体，这而形成无定形的固体，这称为非晶态金属；因其内部结构与玻璃相似，故又称称为非晶态金属；因其内部结构与玻璃相似，故又称金属玻璃金属玻璃。（二）非晶态高分子（二）非晶态高分子 高分子是长链结构，这个长链是曲曲折折的蜷高分子是长链结构，这个长链是曲曲折折的蜷曲形。有规则的蜷曲曲形。有规则的蜷曲(折叠折叠)形成晶态，无规则的蜷形成晶态，无规则的蜷曲形成非晶态；高分子的分子与分子堆砌在一起。曲形成非晶态；高分子的分子与分子堆砌在一起。有规则的堆砌形成规整的晶态排列；无规则的堆砌有规则的堆砌形成规整的晶态排列；无规则的堆砌形成非晶态。形成非晶态。（a）晶态）晶态 （b）部分晶态）部分晶态 （c）非晶态）非晶态（三）非晶态陶瓷（玻璃相）（三）非晶态陶瓷（玻璃相）玻璃材料为经熔融、冷却、固化，具有无规则结玻璃材料为经熔融、冷却、固化，具有无规则结构的非晶态无机物，原子排列近似液体，近程有序，构的非晶态无机物，原子排列近似液体，近程有序，形状又象固体那样保持一定的形状。形状又象固体那样保持一定的形状。玻璃相多为无规玻璃相多为无规则网络的硅酸盐结构，但其排列是无序的，因此整个则网络的硅酸盐结构，但其排列是无序的，因此整个玻璃相是一个不存在对称性及周期性的体系。下图是玻璃相是一个不存在对称性及周期性的体系。下图是石英（石英（SiO2）晶体与石英玻璃（）晶体与石英玻璃（SiO2）结构对比。）结构对比。（a）石英晶体）石英晶体 （b）石英玻璃）石英玻璃三、晶体结构基本概念三、晶体结构基本概念（一）晶体和非晶体（一）晶体和非晶体晶体晶体非晶体非晶体内部的原子（离子或内部的原子（离子或分子）呈有序、有规分子）呈有序、有规则排列的固态物质。则排列的固态物质。内部的原子（离子或内部的原子（离子或分子）呈无序、无规分子）呈无序、无规则排列的固态物质。则排列的固态物质。定义定义特性特性有固定的熔点，具有有固定的熔点，具有各向异性。各向异性。没有固定的熔点，具没有固定的熔点，具有各向同性。有各向同性。晶胞晶胞晶格晶格-晶胞晶胞晶体晶体-晶格晶格晶格晶格（点阵结构）（点阵结构）是指描述晶体排列规律的空间格架。是指描述晶体排列规律的空间格架。阵点（结点）阵点（结点）为了研究原子在空间排列的规律性，将为了研究原子在空间排列的规律性，将 构成晶体的实际质点（原子、离子或分子）抽象成纯粹的几构成晶体的实际质点（原子、离子或分子）抽象成纯粹的几何点，称之为阵点。何点，称之为阵点。晶胞晶胞从晶格中取出一个最能代表原子排列特征从晶格中取出一个最能代表原子排列特征 的最基本的几何单元。的最基本的几何单元。晶格常数晶格常数晶胞各棱边的尺寸。晶胞各棱边的尺寸。棱间夹角棱间夹角晶胞各棱边的夹角。晶胞各棱边的夹角。（二）晶体结构的基本概念（二）晶体结构的基本概念四、晶面指数和晶向指数四、晶面指数和晶向指数（一）晶面指数及确定方法（一）晶面指数及确定方法 晶体学中，通过晶体中原子中心的平面称为晶体学中，通过晶体中原子中心的平面称为晶面晶面。任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为称为晶向晶向。表示晶面的符号称为表示晶面的符号称为晶面指数晶面指数；表示晶向的符号称为表示晶向的符号称为晶向指数晶向指数。1）建立坐标系，如图。（原点不能在待定晶面上）建立坐标系，如图。（原点不能在待定晶面上）2）求待定晶面在三个）求待定晶面在三个 坐标轴上的截距。坐标轴上的截距。1、3）取三个截距的倒数）取三个截距的倒数 1、0、04）化为最小整数，）化为最小整数，加圆括号，（加圆括号，（100）例如：求下列晶面的晶面指数例如：求下列晶面的晶面指数(a=b=c)ZYXcba（100）即：即：建坐标建坐标求截距求截距取倒数取倒数化整数化整数加（）加（）注意：注意：晶面组：晶面组：（hklhkl）指原子排列规律相同，相）指原子排列规律相同，相 互平行的互平行的一组一组晶面晶面晶面族：晶面族：hklhkl指原子排列规律相同，但互指原子排列规律相同，但互 不平行的不平行的一族一族晶面晶面110指指(110)、(101)、(011)、(110)、(101)、(011)(110)(110)(011)d)c)b)a)练习：求出下面晶面的晶面指数(111)(120)(110)(112)（二）晶向指数及确定方法（二）晶向指数及确定方法建坐标系建坐标系做直线做直线求坐标值求坐标值化整数化整数加加 晶向指数确定方法晶向指数确定方法1）建立坐标系，晶格常数分别作为相应三个坐标轴）建立坐标系，晶格常数分别作为相应三个坐标轴的长度单位；的长度单位；2）过坐标原点做平行）过坐标原点做平行 于待定晶向的直线；于待定晶向的直线；3）求出直线上任意一点）求出直线上任意一点的坐标值。的坐标值。1、1、2/3；4）将三个坐标值按比例）将三个坐标值按比例 化为最小整数，加方化为最小整数，加方 括号，括号，332。ZYXcba例如：求下列晶向的晶向指数例如：求下列晶向的晶向指数(a=b=c)33223c注意：注意：晶向组：晶向组：uvwuvw指原子排列规律相同，相互平行的指原子排列规律相同，相互平行的 所有晶向。所有晶向。晶向族：晶向族：uvwuvw指原子排列规律相同，但互不平指原子排列规律相同，但互不平 行的所有晶向。行的所有晶向。ZYX110110110指指110、101、011、110、101、011、101晶向组：晶向组：uvwuvw指原子排列规律相同，相互平行的指原子排列规律相同，相互平行的 所有晶向。所有晶向。晶向族：晶向族：uvwuvw指原子排列规律相同，但互不平指原子排列规律相同，但互不平 行的所有晶向。行的所有晶向。晶面组：晶面组：（hklhkl）指原子排列规律相同，相）指原子排列规律相同，相 互平行的互平行的一组一组晶面晶面晶面族：晶面族：hklhkl指原子排列规律相同，但互指原子排列规律相同，但互 不平行的不平行的一族一族晶面晶面组和族的区别组和族的区别五、三种常见的晶体结构五、三种常见的晶体结构 晶体中的晶体结构通常分为晶体中的晶体结构通常分为7 7个晶系，个晶系，1414种晶种晶格。绝大多数金属的晶体结构为格。绝大多数金属的晶体结构为体心立方、面心体心立方、面心立方和密排六方立方和密排六方三种紧密而简单的结构。三种紧密而简单的结构。（一）体心立方晶格（一）体心立方晶格（bccbcc）晶胞特征：晶胞特征：晶胞是一个立方体，原子分布在立方体晶胞是一个立方体，原子分布在立方体 的八个结点和立方体的中心处。的八个结点和立方体的中心处。体心立方结构体心立方结构常见金属：常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V等等晶胞晶胞模型模型 晶胞原子数晶胞原子数（二）面心立方晶格（二）面心立方晶格（fccfcc）晶胞特征：晶胞特征：晶胞是一个晶胞是一个立方体，每个顶角上均有一立方体，每个顶角上均有一 个原子，每个面的中心均有一个原子。个原子，每个面的中心均有一个原子。面心立方结构面心立方结构常见金属常见金属：-Fe-Fe、AuAu、AgAg、AlAl、CuCu、PbPb、NiNi等。等。晶胞晶胞模型模型 晶胞原子数晶胞原子数（三）密排六方晶格（三）密排六方晶格（hpchpc）晶胞特征：晶胞特征：晶胞是一个正六方棱柱，原子分布在正六晶胞是一个正六方棱柱，原子分布在正六 方柱体的十二个结点和上、下底面的中心方柱体的十二个结点和上、下底面的中心 处，另外三个原子排列在上、下底面之间。处，另外三个原子排列在上、下底面之间。密排六方结构密排六方结构常见金属：常见金属：MgMg、ZnZn、BeBe、CdCd、-Ti等。等。晶胞晶胞模型模型 晶胞原子数晶胞原子数面心立方晶格和密排六方晶格原子堆垛方式的比较面心立方晶格和密排六方晶格原子堆垛方式的比较面心立方晶格原子堆垛方式面心立方晶格原子堆垛方式六、三种典型晶格的致密度与配位数六、三种典型晶格的致密度与配位数 晶体中原子排列的紧密程度与晶体结构类型晶体中原子排列的紧密程度与晶体结构类型有关，通常用致密度和配位数来表示。有关，通常用致密度和配位数来表示。致密度致密度是指晶胞中所包含的原子所占有的体是指晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。积与该晶胞体积之比。配位数配位数是指晶格中与任一原子最临近且等距是指晶格中与任一原子最临近且等距离的原子数。离的原子数。晶格的致密度高，配位数也大。晶格的致密度高，配位数也大。不同类型晶格的晶体中，原子排列紧密程度不同，不同类型晶格的晶体中，原子排列紧密程度不同，所以具有不同的比容（单位质量物质所占的体积）。所以具有不同的比容（单位质量物质所占的体积）。金属的晶格类型发生转变时，会带来体积的膨胀或金属的晶格类型发生转变时，会带来体积的膨胀或收缩，如果这种体积变化受到约束，金属内部将产收缩，如果这种体积变化受到约束，金属内部将产生内应力，引起工件的变形或开裂。生内应力，引起工件的变形或开裂。三种晶格的原子排列说明三种晶格的原子排列说明晶格晶格类型类型每个晶胞每个晶胞中原子数中原子数原子原子半径半径致密度致密度配位数配位数原子密原子密排方向排方向原子原子密排面密排面体心体心立方立方268%8110面心面心立方立方474%12111密排密排六方六方674%120001七、单晶体的各向异性与多晶体的伪各向同性七、单晶体的各向异性与多晶体的伪各向同性 当晶体内部的原子都按同一规律同一位向排列，当晶体内部的原子都按同一规律同一位向排列，即晶格位向完全一致时，此晶体称为即晶格位向完全一致时，此晶体称为单晶体单晶体。实际实际使用的金属材料单晶体很少，基本上都是由许多位使用的金属材料单晶体很少，基本上都是由许多位向不同的单晶体所组成的向不同的单晶体所组成的多晶体多晶体。单晶体（单晶体（a）、多晶体示意图（）、多晶体示意图（b）（a）（b）晶粒晶粒外形不规则的颗粒外形不规则的颗粒状的小晶体。状的小晶体。晶界晶界晶粒与晶粒之间晶粒与晶粒之间的界面，简称晶界。的界面，简称晶界。在单晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不在单晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，原子间的结合力就不同，因而晶体在不同同，原子间的结合力就不同，因而晶体在不同方向上的性能各异，即晶体的方向上的性能各异，即晶体的各向异性各向异性。原因：原因：由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同不同原子间结合力不同原子间结合力不同不同方向上的性能不同方向上的性能（力学性能、物理性能、化学性能等）不同（力学性能、物理性能、化学性能等）不同晶晶体的体的各向异性各向异性材料的各向异性材料的各向异性应用：应用：铁的单晶体在磁场中沿铁的单晶体在磁场中沿方向的方向的磁化磁化比沿比沿方向方向容易容易，所以，制造，所以，制造变压器器铁心的硅心的硅钢片的片的晶向晶向应平行于平行于导磁方向磁方向，降低，降低变压器的器的铁损。在多晶体中，每个晶粒相当于一个单晶体，具有各在多晶体中，每个晶粒相当于一个单晶体，具有各向异性，但各个晶粒在整块金属内的空间向异性，但各个晶粒在整块金属内的空间位向位向是任意是任意的，整个晶体各个方向上的性能则是大量位向各不相的，整个晶体各个方向上的性能则是大量位向各不相同的晶粒性能的均值。因此，性能是均匀一致的，称同的晶粒性能的均值。因此，性能是均匀一致的，称为为“伪各向同性伪各向同性”。各向异性的利用各向异性的利用取向取向择优取向取向织构构 织构的构的简介简介在金属凝固、塑性在金属凝固、塑性变形、再形、再结晶晶过程中，晶程中，晶粒取向会粒取向会择优分布，形成分布，形成织构。构。p经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量pStudyConstantly,AndYouWillKnowEverything.TheMoreYouKnow,TheMorePowerfulYouWillBe写在最后Thank You在别人的演说中思考，在自己的故事里成长Thinking In Other PeopleS Speeches，Growing Up In Your Own Story讲师：XXXXXX XX年XX月XX日