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工程材料晶体结构你现在浏览的是第一页，共31页第二二章 材料的晶体结构 内容提要：本章重点介绍纯金属的晶体结构、晶体缺陷本章重点介绍纯金属的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构、金属材料的组织。和合金的结构、金属材料的组织。学习目标：本章重点掌握金属的晶体结构、晶体缺陷和合本章重点掌握金属的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构。金的结构。你现在浏览的是第二页，共31页第一节第一节 晶体结构基本知识晶体结构基本知识1.1.晶格与晶胞晶格与晶胞 晶体结构晶体结构 晶体中原子晶体中原子(离子或分子离子或分子)规则排列的方式。规则排列的方式。为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子(原子或分子原子或分子)在空间的平衡位置作为节点，将节点用一系列假想的相互在空间的平衡位置作为节点，将节点用一系列假想的相互平行的直线连接起来形成的几何空间格架称为称为平行的直线连接起来形成的几何空间格架称为称为晶格晶格。晶胞：晶胞：能反能反映该晶格特征的映该晶格特征的最小组成单元。最小组成单元。你现在浏览的是第三页，共31页三、晶系三、晶系二、晶格常数二、晶格常数 按点阵常数不同按点阵常数不同对晶体的分类。对晶体的分类。7个晶系，14种晶胞。棱边长棱边长a a、b b、c c 棱边间夹角棱边间夹角、a a、b b、c c 称为称为晶格常数晶格常数。金属的晶格常数一般为金属的晶格常数一般为:110 110-10-10 m m710710-10-10 m m (0.1nm (0.1nm0.7nm)0.7nm)你现在浏览的是第四页，共31页老师提示老师提示 不同元素组成的金属晶体因晶格形不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、化学和力学性能。金属的晶体结构可用化学和力学性能。金属的晶体结构可用X X射线射线结构分析技术进行测定。结构分析技术进行测定。同素异构性、同素异构晶体你现在浏览的是第五页，共31页三、纯金属的晶体结构结构特点结构特点:以金属键结合，失去外层电子的金属离子与以金属键结合，失去外层电子的金属离子与自由电子的吸引力。无方向性，对称性较高的密堆自由电子的吸引力。无方向性，对称性较高的密堆结构。结构。常见结构常见结构：体心立方体心立方 b.c.c b.c.c Body-centeredcubic面心立方面心立方 f.c.c f.c.c Face-centeredcubic密排六方密排六方 c.p.h c.p.h Close-packedhexagonal你现在浏览的是第六页，共31页1.1.体心立方晶格体心立方晶格(胞胞)(BCC)(BCC 晶格晶格)原子位置原子位置 立方体的八个顶角和体心立方体的八个顶角和体心 体心立方晶胞特征：体心立方晶胞特征：（1 1）晶格常数）晶格常数 a a=b b=c,c,=90 =90 具有体心立方晶格具有体心立方晶格的金属有钼的金属有钼(Mo)(Mo)、钨、钨(W)(W)、钒、钒(V)(V)、-铁铁(-Fe,912)(-Fe,912)等。等。你现在浏览的是第七页，共31页 2.2.面心立方晶格面心立方晶格(胞胞)(FCC)(FCC 晶格晶格)原子位置原子位置 立方体的八个顶角和每个侧面中心立方体的八个顶角和每个侧面中心 具有这种晶格的具有这种晶格的金属有铝金属有铝(Al)(Al)、铜、铜(Cu)(Cu)、镍、镍(Ni)(Ni)、金、金(Au)(Au)、银、银(Ag)(Ag)、-铁铁(-Fe,912(-Fe,912 1394)1394)等。等。面心立方晶胞的特征：面心立方晶胞的特征：（1 1）晶格常数）晶格常数 a a=b b=c,c,=90=90你现在浏览的是第八页，共31页3.3.密排六方晶格密排六方晶格(胞胞)()(HCP HCP 晶格晶格)原子位置原子位置 12 12个顶角、上下底心和体内个顶角、上下底心和体内3 3处处 具有这种晶格具有这种晶格的金属有镁的金属有镁(Mg)(Mg)、镉镉(Cd)(Cd)、锌、锌(Zn)(Zn)、铍铍(Be)(Be)等。等。abc，90,120你现在浏览的是第九页，共31页2、晶胞中的原子数246你现在浏览的是第十页，共31页（3 3）原子半径）原子半径 晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半称为原子半径晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半称为原子半径(r r原子原子)。你现在浏览的是第十一页，共31页4、致密度与配位数致密度：原子体积与晶胞体积之比你现在浏览的是第十二页，共31页 （6 6）配位数）配位数 配位数为晶格中与任一个原子相距最近且距配位数为晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目。离相等的原子数目。配位数越大，原子排列紧密程度就越大。配位数越大，原子排列紧密程度就越大。你现在浏览的是第十三页，共31页 （5 5）空隙半径）空隙半径 在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。体心立方晶胞中有两种空隙：体心立方晶胞中有两种空隙：四面体空隙半径四面体空隙半径:r r四四=0.290.29r r原子原子 八面体空隙半径八面体空隙半径:r r八八=0.150.15r r原子原子 四面体空隙半径四面体空隙半径八面体空隙半径八面体空隙半径你现在浏览的是第十四页，共31页老师提示老师提示 由于原子排列紧密程度不一样，由于原子排列紧密程度不一样，当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时时,体积会发生变化。体积会发生变化。钢在淬火时因晶格转变发生体积变化。钢在淬火时因晶格转变发生体积变化。不同晶体结构中原子排列的方式不同不同晶体结构中原子排列的方式不同,使它们的形变能力不同。使它们的形变能力不同。你现在浏览的是第十五页，共31页 第二节、晶体中的晶面和晶向 通过晶体中原子中心的平面叫做通过晶体中原子中心的平面叫做晶面晶面；代表了晶体中原子列的方向。代表了晶体中原子列的方向。通过原子中心的直线为原子列，代表的方向通过原子中心的直线为原子列，代表的方向叫做叫做晶向晶向。晶面用晶面指数表达。晶面用晶面指数表达。晶向用晶向指数表达。晶向用晶向指数表达。晶向指数晶向指数：表示晶向方位符号。：表示晶向方位符号。晶面指数晶面指数：表示晶面方位的符号。：表示晶面方位的符号。你现在浏览的是第十六页，共31页 以晶向以晶向DADA为例：为例：一一.立方晶系的晶向表示方法立方晶系的晶向表示方法你现在浏览的是第十七页，共31页立方晶胞中的主要晶向立方晶胞中的主要晶向 晶向晶向OA OA：100 100 晶向晶向OB OB：110 110 晶向晶向OBOB ：晶向指数一般标记为晶向指数一般标记为 uvwuvw，表示一组原子排列相同的平行晶向。表示一组原子排列相同的平行晶向。111111你现在浏览的是第十八页，共31页 若两个晶向的全部指数数值相同而符号相若两个晶向的全部指数数值相同而符号相反反,则它们相互平行或为同一原子列则它们相互平行或为同一原子列,但方向但方向相反。相反。如如110110与与 。若只研究原子排列情况若只研究原子排列情况,则晶向则晶向110110与与 可用同一个指数可用同一个指数110110表示。表示。你现在浏览的是第十九页，共31页晶向族晶向族 原子排列情况相同而在空间位向不同原子排列情况相同而在空间位向不同的晶向组成晶向族。的晶向组成晶向族。晶向族用尖括号表示晶向族用尖括号表示,即即 。如如:=100+010+001 =100+010+001你现在浏览的是第二十页，共31页 在立方晶系中在立方晶系中,一个晶面指数与一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时一个晶向指数数值和符号相同时,则则该晶面与该晶向互相垂直。该晶面与该晶向互相垂直。如：如：(111)111(111)111。晶面与晶向互相垂直晶面与晶向互相垂直你现在浏览的是第二十一页，共31页 二二.立方晶系的晶面表示方法立方晶系的晶面表示方法 以晶面以晶面ABBABBA A为例：为例：你现在浏览的是第二十二页，共31页 晶面的截距可以为负数晶面的截距可以为负数,在指数上加负号在指数上加负号,如如 。若某个晶面若某个晶面 的指数都乘以的指数都乘以-1,-1,得到晶面得到晶面 ,则晶面则晶面 与与 属于一组平行晶面。属于一组平行晶面。立方晶胞中的主要晶面立方晶胞中的主要晶面 晶面指数的一般标记为晶面指数的一般标记为(hklhkl)。实际表示一组原子。实际表示一组原子排列相同的平行晶面。排列相同的平行晶面。你现在浏览的是第二十三页，共31页 晶面族：晶面族：在立方晶系中在立方晶系中,原子排列相同但在空间方原子排列相同但在空间方向不同的晶面组成晶面族。向不同的晶面组成晶面族。晶面族用大括号表示晶面族用大括号表示,即即 hklhkl。111 111 晶面族晶面族在立方晶胞中在立方晶胞中 组成组成111111晶面族：晶面族：你现在浏览的是第二十四页，共31页 在立方晶系中在立方晶系中,一个晶面指数与一个一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时晶向指数数值和符号相同时,则该晶面与则该晶面与该晶向互相垂直。该晶向互相垂直。如：如：(111)111(111)111。晶面与晶向互相垂直晶面与晶向互相垂直你现在浏览的是第二十五页，共31页 三三.晶向及晶面的原子密度晶向及晶面的原子密度 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上原子排列密度不一样。原子排列密度不一样。密排面：密排面：原子密度最大的晶面。原子密度最大的晶面。密排方向：密排方向：原子密度最大的晶向。原子密度最大的晶向。在体心立方晶格中，在体心立方晶格中，密排面为密排面为110110。密排方向为密排方向为。在面心立方晶格中在面心立方晶格中,密排面为密排面为111111。密排方向为密排方向为。你现在浏览的是第二十六页，共31页体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度晶向晶向 指数指数 体心立方晶格体心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格晶向原子晶向原子 排列示意图排列示意图 晶向原子晶向原子密度密度(原子数原子数/长度长度)晶向原子晶向原子 排列示意图排列示意图 晶向原子晶向原子密度密度(原子数原子数/长度长度)你现在浏览的是第二十七页，共31页体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度晶面晶面 指数指数 体心立方晶格体心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格晶面原子晶面原子 排列示意图排列示意图 晶面原子晶面原子密度密度(原子数原子数/面积面积)晶面原子晶面原子 排列示意图排列示意图 晶面原子晶面原子密度密度(原子数原子数/面积面积)100 100 110 110 111 111 你现在浏览的是第二十八页，共31页 三、金属晶体的特性 1.1.金属晶体具有确定的熔点金属晶体具有确定的熔点 纯金属缓慢加热到一定温度纯金属缓慢加热到一定温度,固态金属熔化固态金属熔化成为液态金属。熔化过程中温度不变。成为液态金属。熔化过程中温度不变。熔化温度熔化温度(T T0 0)称为称为熔点熔点。晶体和非晶体的熔化曲线晶体和非晶体的熔化曲线 非晶体材料在非晶体材料在加热时加热时,固态转变固态转变为液态时为液态时,温度变温度变化。化。你现在浏览的是第二十九页，共31页 2.2.金属晶体具有各向异性金属晶体具有各向异性 在晶体中在晶体中,不同晶面和晶向上原子排列的不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同。不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的这种性质叫做晶体的各向异性各向异性。单晶体铁单晶体铁(只含一个晶粒只含一个晶粒)的弹性模量，的弹性模量，方向上为方向上为2.90102.90105 5 MPa,MPa,方向上只有方向上只有1.35101.35105 5 MPaMPa。单晶体铁在磁场中沿单晶体铁在磁场中沿方向磁化容易。方向磁化容易。制造变压器用的硅钢片的制造变压器用的硅钢片的方向应平行于导方向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。磁方向，以降低变压器的铁损。锌在盐酸中溶解时，晶面的溶解速度的锌在盐酸中溶解时，晶面的溶解速度的次序从大到小是：次序从大到小是：你现在浏览的是第三十页，共31页 各向异性：各向异性：晶体晶体在不同的方向上的力学、物在不同的方向上的力学、物理和化学等性能不一样。理和化学等性能不一样。各向同性：各向同性：非晶体非晶体在各个方向上性能完全在各个方向上性能完全相同，这种性质叫非晶体的相同，这种性质叫非晶体的各向同性各向同性。实际使用的金属实际使用的金属,内部有许多晶粒组成，内部有许多晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，在宏观上沿每个晶粒在空间分布的位向不同，在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同，晶体的各向异性各个方向上的性能趋于相同，晶体的各向异性显示不出来。显示不出来。你现在浏览的是第三十一页，共31页