工程材料 第二章 材料的晶体结构.ppt

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1、第二章 材料的晶体结构晶体学基础知识立方晶系晶向与晶面纯金属常见的晶体结构材料的实际晶体结构第一节晶体基础知识1.1 晶体与非晶体一、非晶体粒子(原子、离子或分子)无规则的堆积。1.各向同性；2.粘度为其力学性能的基本参数，能保持自己形状的为固体，不能保持自己形状的为液体；3.随温度的升高粘度减小，在液体和固体之间没有明显的温度界限。特点：2 2二、晶体粒子(原子、离子或分子)在三维空间呈周期性的规则重复排列。1.各向异性：不同方向原子的排列方式不相同，因而其表现的性能也有差异2.固定的熔点：排列规律能保持时呈现固体，温度升高到某一特定值，排列方式的解体，原子成无规则堆积，这时大多呈现不能保持

2、自己形状的液体。三、部分晶体 常出现在高分子材料或复合材料中结晶度 其中晶体所占的比例 特点：特点：3 31.2 晶格与晶胞为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子(原子或分子)在空间的平衡位置作为结点，人为地将结点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为晶格。一、晶格4 4晶胞晶胞在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵，通常为小的平行六面体(晶胞)构成晶格的最基本单元。晶胞要顺序满足能充分反映整个空间点阵的对称性；具有尽可能多的直角；体积要最小。5 5晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角、等六个参数来描述。其中a、b、c为晶格常数。金属的晶格常数一般为0.1

3、nm0.7nm。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、化学和机械性能。金属的晶体结构可用x射线衍射(XRD)分析技术进行测定。1.3 晶格常数与晶系一、晶格常数6 6二、晶系原子数1原子数4原子数2原子数1原子数2原子数1原子数1原子数2原子数2原子数4原子数1原子数1原子数2原子数1布拉菲布拉菲(BravaisBravais)点阵点阵:7种简单晶胞(原子数为1)7种复杂晶胞(原子数为2以上)7种晶系：种晶系：7 7第二节立方晶系晶向与晶面2.1 晶向与晶向指数 通过若干原子中心(结点)连成的许多表示空间方位的直线称为晶向。晶向可用晶向指数来表达8 81.建立坐标

4、系结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位；2.在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)。(若平移晶向或坐标，让在第一点在原点则下一步更简单)；3.计算x2-x1：y2-y1：z2-z1；4.化成最小、整数比u：v：w；5.放在方括号uvw中，不加逗号，负号记在上方。9 9晶向OA：箭头座标：1,0,0箭尾座标：0,0,0箭头座标与箭尾座标之差：1-0，0-0，0-01，0，0晶向OA的晶向指数即为：1001010晶向OB：箭头座标：1,1,1箭尾座标：0,0,0箭头座标与箭尾座标之差：1-0，1-0，1-01，1，1晶向OB的晶向指数即为：1111111晶向EC：箭头座标：

5、0,0,1箭尾座标：1/2,1,0箭头座标与箭尾座标之差：0-1/2，0-1，1-0-1/2，-1，1化为最简整数：2(-1/2，-1，1)=-1,-2,2晶向EC的晶向指数即为：1212晶向指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶向。指数的绝对值相同，符号相反，则表示相互平行，方向相反的晶向。1313晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶向的集合。即晶向指数绝对值相同的各组晶向表示方法：用尖括号表示。可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。14142.2晶面与晶面指数晶面：空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面，代表了晶体中原子列的方向。晶面指数：表示

6、晶面方位的符号。1515建立坐标系结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位（原点在标定面以外，可以采用平移法）；晶面在三个坐标上的截距a1a2a3；计算其倒数b1b2b3；化成最小、整数比h：k：l；放在圆方括号(hkl)，不加逗号，负号记在上方。标定方法：标定方法：晶面指数特征：与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面。1616晶面族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶面的集合。表示方法：用花括号hkl表示。可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。1717晶向指数和晶面指数间的关系在立方结构的晶体中，当一晶向uvw位于或平行某一晶面(hkl)时，必须满足以下关系：h

7、u+kv+lw=0zyx(010)晶面101晶向(111)晶面111晶向当某一晶向和某一晶面垂直时，则其晶向指数和晶面指数完全相同。111垂直于(111)18182.3 原子密度晶向的原子密度：该晶向单位长度上的节点(原子)数。晶面的原子密度：该晶面单位面积上的节点(原子)数。晶面间距：指相邻两个平行晶面之间的距离。19192.4 纯金属的晶体结构常见结构：1.体心立方晶格(胞)(Body-centredcubiclatticeB.C.C.晶格)2.面心立方晶格(胞)(Face-centredcubiclatticeF.C.C.晶格)3.密排六方晶格(胞)(Close-packedhexago

8、nallatticeH.C.P.晶格)2020体心立方晶格的晶胞中，八个原子处于立方体的角上，一个原子处于立方体的中心，角上八个原子与中心原子紧靠。具有体心立方晶格的金属有钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、-铁(-Fe,912)等。(1)体心立方晶格(胞)(Body-centredcubiclatticeB.C.C.晶格)体心立方2121晶格常数：a=b=c,=90晶胞原子数：在体心立方晶胞中,每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8,而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为2个。体心立方晶胞特征：体心立方晶胞特征：22

9、22原子半径：晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半,或晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半称为原子半径(r原子)。体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线,所以原子半径与晶格常数a之间的关系为：2323致密度：晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数)。致密度越大,原子排列紧密程度越大。体心立方晶胞的致密度为：2424配位数：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。配位数越大,原子排列紧密程度就越大。体心立方晶格的配位数为8。2525体心立方中原子排列体心立方中原子排列在体心立方晶格中密排面为在体心立方晶格中密排面为110，密排方

10、向为，密排方向为26262.面心立方晶格(胞)(Face-centredcubiclatticeF.C.C.晶格)金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。具有这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、-铁(-Fe,9121394)等。2727晶格常数：a=b=c,=90面心立方晶胞的特征面心立方晶胞的特征：晶胞原子数(个)：原子半径：致密度：0.74(74%)2828配位数：122929面心立方中原子排列面心立方中原子排列在面心立方晶格中密排面为在面心立方晶格中密排面为111，密排方向为，密排方向为30303.密排六

11、方晶格(胞)(Close-packedhexagonallatticeH.C.P.晶格)十二个金属原子分布在六方体的十二个角上,在上下底面的中心各分布一个原子,上下底面之间均匀分布三个原子。具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等。3131密排六方晶胞的特征：晶格常数：用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表达,两相邻侧面之间的夹角为120,侧面与底面之间的夹角为90。晶胞原子数：原子半径：3232致密度：0.74(74%)配位数：123333第四节材料的实际晶体结构4.1 多晶体结构一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称

12、之为“单晶体”，实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的晶须和其他一些供研究用的材料单晶体3434多晶体多晶体实际应用的工程材料中，那怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为“多晶体”。1-晶粒，2-晶界3535晶粒：多晶体材料中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们叫做“晶粒”。1-晶粒，2-晶界晶界：晶粒与晶粒之间的分界面叫“晶粒间界”，或简称“晶界”。为了适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，在晶界处的原子排列总是不规则的。3636多晶体的组织与性能

13、：钢铁材料的晶粒尺寸10-210-1mm铁素体3737伪各向同性：多晶体材料中，尽管每个晶粒内部象单晶体那样呈现各向异性，每个晶粒在空间取向是随机分布，大量晶粒的综合作用，整个材料宏观上不出现各向异性，这个现象称为多晶体的伪各向同性。38384.2晶体中的缺陷晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象晶体学中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈现周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的影响。3939晶体缺陷的类型：根据晶

14、体缺陷的几何特征，可将它们分为三类(1)点缺陷：其特点是在空间三维方向的尺寸很小相当于原子数量级。如空位、间隙原子等。(2)线缺陷：其特点是在两个方向上的尺寸很小，另个方向上的尺寸很大。如各种类型的位错。(3)面缺陷：其特点是一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很大。如晶界、相界等。4040(1)空位在晶体晶格中,若某结点上没有原子,则这结点称为空位。空位附近的原子会偏离正常结点位置,造成晶格畸变。空位的存在有利于金属内部原子的迁移(即扩散)。1.点缺陷点缺陷4141(2)间隙原子位于晶格间隙之中的原子叫间隙原子。间隙原子会造成其附近晶格的很大畸变。4242任何纯金属中都或多或少会存在杂

15、质,即其它元素,这些原子称异类原子(或杂质原子)，它们会导致附近晶格的畸变。异类原子4343当异类原子与金属原子的半径接近时,则异类原子可能占据晶格的一些结点置换原子当异类原子的半径比金属原子的半径小得多,则异类原子位于晶格的空隙中间隙原子4444点缺陷对材料性能的影响原因：无论那种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。提高材料的电阻定向流动的电子在点缺陷处受到非平衡力(陷阱)，增加了阻力，加速运动提高局部温度(发热)。加快原子的扩散迁移空位可作为原子运动的周转站。形成其他晶体缺陷过饱和的空位可集中形成内部的空洞，集中一片的塌陷形成位错。改变材料的

16、力学性能空位移动到位错处可造成刃位错的攀移，间隙原子和异类原子的存在会增加位错的运动阻力。会使强度提高，塑性下降、效果：45452.线缺陷线缺陷指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。这就是位错(Dislocation),由晶体中原子平面的错动引起。位错有两种。一种是刃位错、另一种是螺旋位错。刃型位错在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面。这个多余的半原子面如同切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。这种线缺陷称刃型位错。4646正刃型位错与负刃型位错半原子面在上面的称正刃型位错,半原子面在下面的称负刃型位错。4747位错能够在金属的结晶、塑性变形和相变等过

17、程中形成。位错的形成位错密度晶体中位错的量可用位借线长度来表示。位错密度是指单位体积中位错线的总长度，即：式中：为位错密度,单位为m-2，L为位错线总长度,单位为m,V为体积,单位为m3。退火金属中位错密度一般为10101012m-2左右4848位错线附近的晶格有相应的畸变，有高于理想晶体的能量；位错线附近异类原子浓度高于平均水平；位错在晶体中可以发生移动，即可动性，是材料塑性变形基本方式之一；位错与异类原子的作用，位错之间的相互作用，对材料的力学性能有明显的影响。(详细内容到塑性变形一章再论述)位错对材料性能的影响4949不锈钢中的位错线50503.面缺陷面缺陷的形式：晶界亚晶界相界(两个不

18、同类型晶体的分界面)在三维空间的两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。1Cr17不锈钢的多晶体(1)晶界5151晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。晶界在空中呈网状；晶界上原子的排列规则性较差。5252亚晶界晶粒也不是完全理想的晶体，而是由许多位向相差很小的所谓亚晶粒组成的。晶粒内的亚晶粒又叫晶块(或镶嵌块)。亚晶粒之间的位向差只有几秒、几分，最多达12度。亚晶粒之间的边界叫亚晶界。亚晶界是位错规则排列的结构。例如，亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成。亚晶界是晶粒内的一种面缺陷。晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多,晶粒越细,金属的塑性变形能力越大,塑性越好。5353第二章学习的要求主要概念 晶格与晶胞，晶向族、晶面族，单晶体与多晶体，晶粒与晶界，点缺陷、线缺陷、面缺陷内容要求 1.立方晶胞中晶向指数与晶面指数表示方法。2.三种典型金属晶型的原子位置、单胞原子数、原子半径、致密度、配位数。5454作业：教材p412-52-82-115555