金属与合金的晶体结构.ppt

第二章金属与合金的晶体结构 第一节金属的晶体结构第二节合金的晶体结构第三节金属的实际晶体结构 第一节金属的晶体结构 一 晶体与非晶体1 晶体凡原子按一定规律排列的固态物质 称为晶体 如 金刚石 石墨和一切固态金属及其合金 1 原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列 2 有固定的熔点如铁的熔点1538 铜的熔点1083 3 晶体的性能随着原子的排列方位而改变 即单晶体具有各向异性 2 非晶体及其特性 如 塑料 玻璃 沥青 内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体 与晶体相反 没有固定的熔点 表现出各向同性 晶体与非晶体在一定条件下可互相转化 原子 离子 的刚球模型 二 晶体结构的基本知识1 晶格假设原子为刚性小球 利用假想的几何线条连接起来构成一个空间格架 这种抽象的 用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架就叫晶格 晶格中的每个点称为结点 晶格中各种不同方位的原子面称为晶面 2 晶胞组成晶格的最基本几何单元称为晶胞 实际上整个晶格就是由许多大小 形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的 3 晶格常数晶胞的各棱边长为a b c和棱边夹角 其中 棱边长度称为晶格常数 X Y Z a b c 晶格常数a b c 三 金属特性和金属键1 金属特性在化学中 金属的特性表现在它与非金属元素发生化学反应并失去价电子 在工程技术中 金属特性表现在他具有金属光泽 一定塑性 良好的导电性与导热性以及正的电阻温度系数良好的导电性 导热性 塑性 具有金属光泽 不透明 正的电阻温度系数 这主要是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关 2 金属键金属晶体就是依靠各正离子与共有化自由电子间相互吸引而结合的方式称为金属键 金属键模型示意图 金属特性的金属键理论解释 1 因为金属是金属键结合而成的 自由电子在一定电位差下运动 就构成金属良好的导电性 2 而这种运动又为金属所独有 同时已能传递热能 所以金属具有良好的导热性 3 当金属原子相对位移时 正离子和自由电子仍然保持结合 因而金属可变形而不破坏 具有塑性 4 金属中的自由电子容易吸收可见光而被激发到较高的能级 当他跳回原来能级时把吸收的可见光又重新辐射出来 因而金属不透明 有光泽 5 金属中正离子是以某一固定位置为中心作热振动 对自由电子的流动有阻碍作用 就是金属具有电阻的原因 6 随着温度的升高 正离子振动的振幅要加大 对自由电子通过的阻碍作用也加大 因而金属的电阻是随温度升高而增大 即具有正的电阻温度系数 1 体心立方晶格bcc Fe W V Mo等 四 常见金属晶格类型 体心立方晶胞 晶格常数 a b c 90 晶胞原子数 2 原子半径 致密度 0 68致密度 Va Vc 其中Vc 晶胞体积a3Va 原子总体积2 4 r3 3 X Y Z a b c 2r 2r a a 2 面心立方晶格fcc Fe Cu Ni Al Au Ag等 面心立方晶胞 晶格常数 a b c 90 晶胞原子数 4 原子半径 致密度 0 74 X Y Z a b c 密排方向 3 密排六方晶格hcp C 石墨 Mg Zn等 晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120 侧面与底面夹角90 晶胞原子数 6 原子半径 a 2 致密度 0 74 五 晶体结构致密度 致密度 是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比 1 体心立方的致密度 2 面心立方与密排六方的致密度计算同体心立方 均为0 74 在晶体中 致密度越大 原子排列就越紧密 所以 当铁在冷却时 由于晶格致密度较大 0 74 的面心立方晶格r Fe转变为晶格致密度较小 0 68 的体心立方晶格 Fe 就会发生体积膨胀而引起应力和变形 六 金属晶体中的晶面和晶向 X Y Z a b c 在金属晶体中各原子组成的平面 称为晶面 通过两个以上原子中心连线直线所指方向称为晶向 立方晶格中不同方向的晶面与晶面指数 具有一定晶格类型金属 在晶体的各个晶面与晶向上原子排列紧密程度是不同的 原子间相互作用也就不同 因而使晶体在不同方向上性能就有差异 这就是金属晶体具有各向异性的原因 立方晶格中不同晶向与晶向指数 第二节合金的晶体结构 一 合金的基本概念合金 两种或两种以上的金属或金属与非金属元素熔合而成 并具有金属特性的物质 组元 组成合金的最基本的 独立的物质 例如 元素 稳定化合物 如 Fe C合金中 Fe C均为组元 相 是指合金中成分 结构均相同的组成部分 相与相之间有明显的界面 合金中有两类基本相 固溶体和化合物二 合金的相结构1 固溶体合金在固态下 组元间仍能互相溶解而形成的均匀相 称为固溶体 形成固溶体后 晶格保持不变的组元称溶剂 晶格消失的组元称溶质 固溶体的晶格类型与溶剂组元相同 如 Fe C 固溶体 1 固溶体的分类1 置换固溶体 若溶质原子代替一部分溶剂原子而占据溶剂中的某些结点位置 称为置换固溶体 2 间隙固溶体 溶质原子在溶剂晶格中并不占据晶格结点的位置 而是在结点间的空隙中 这种形式的固溶体称为间隙固溶体 固溶体分类 2 固溶体的性能 由于溶质原子的溶入 使固溶体的晶格发生畸变 变形抗力增大 使金属的强度硬度升高的现象称为固溶强化 当溶质的质量分数适当时 固溶体不仅有着较纯金属高的强度和硬度 而且有着好的塑性和韧性 固溶强化形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象 正常晶格 晶格畸变 晶格畸变 小原子置换引起的晶格畸变 间隙原子引起的晶格畸变 2 金属化合物金属化合物是合金组元间发生相互作用而生成的一种新相 其晶格类型和性能不同于其中任一组元 因此性能也不同于组元 1 金属化合物的分类1 正常价化合物 这类金属化合物通常由金属元素与周期表中第IV V 族的元素组成的 例如MgS MnS Mg2Si等 其分子式符合原子价规律 并且成分是固定不变的 2 电子化合物 这类金属化合物是按一定电子浓度组成的具有一定晶格类型的化合物 电子浓度C为化合物中的价电子数与原子数之间的比值 即 C电 价电子数 原子数3 间隙化合物 间隙化合物一般是由原子直径较大的过渡族金属元素 Fe Cr Mo W V等 与原子直径较小的非金属元素 H C N B等 组成 间隙化合物桑中分为两类 一类是具有简单晶格形式的间隙化合物 如VC WC TIC等 另一类是具有复杂结构的间隙化合物 如Fe3C Cr23C6 Cr7C3 Fe4W2C等 VC的晶体结构 Fe3C的晶体结构 Fe3C是铁碳合金中的一种重要间隙化合物 其碳原子与铁原子的半径之比为0 63 2 金属化合物的性能金属化合物的熔点一般较高 具有较高硬度 但脆性较大 当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时 将使合金的强度 硬度及耐磨性明显提高 这一现象称为弥散强化 因此 金属化合物在合金中作为强化相存在 它是许多合金钢 有色金属和硬质合金的重要组成相 第三节金属的实际晶体结构 一 单晶体与多晶体单晶体 晶体内部的晶格方位完全一致 这晶体称为单晶体 如单晶Si半导体 多晶体 这种实际上由许多晶粒组成的晶体称为多晶体 其中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒 通常称为晶粒 晶粒与晶粒之间的界面称为晶界 二 晶体的缺陷 晶体中原子完全为规则排列时 称为理想晶体 实际上 金属由于多种原因的影响 内部总是存在着大量缺陷 根据晶体缺陷的几何特点 常分为 点缺陷 空位 间隙原子 异类原子线缺陷 位错面缺陷 晶界与亚晶界 1 点缺陷 点缺陷是指长 宽 高尺寸都很小的缺陷 常见的点缺陷是空位和间隙原子 如果间隙原子是其它元素就称为 异类原子 杂质原子 空位 间隙原子 置换原子 在空位和间隙原子附近 由于原子间作用力的平衡被破坏 使周围原子发生靠拢或撑开 因此 发生晶格畸变 使金属的强度提高 塑性下降 正刃位错 负刃位错 2 线缺陷 刃型位错线缺陷是在空间的一个方向上尺寸很大 其余两个方向上尺寸很小的缺陷 晶体中的线缺陷通常是指各种类型的位错 位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象 3 面缺陷 面缺陷是在两个方向的尺寸很大 第三个方向的尺寸很小而呈面状的缺陷 这类缺陷主要指晶界与亚晶界 1 晶界晶界处实际上是原子排列逐渐从一种位向过渡到另一种位向的过渡层 晶粒越细小 晶界越多 它对塑性变形的阻碍作用就越大 金属的强度 硬度也就越高 亚晶界 2 亚晶界亚晶界实际上是由一系列刃型位错所组成的小角度晶界 亚晶界作用与晶界相似 对金属强度也有着重要影响 亚晶界越多 强度也越高