材料结构学习.pptx

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1、第二章第二章 材料的结构材料的结构物质由原子组成。原物质由原子组成。原子的结合方式和排列子的结合方式和排列方式决定了物质的性方式决定了物质的性能。能。原子、离子、分子之原子、离子、分子之间的结合力称为间的结合力称为结合结合键键。它们的具体组合。它们的具体组合状态称为状态称为结构结构。C60第1页/共66页一、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1、晶体与非晶体、晶体与非晶体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。非晶

2、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。第2页/共66页问题探讨1、如何知道一种材料是晶体还是非晶体？2、下面那些是晶体：水、冰、常温的汞、不锈钢、食盐、混凝土、玻璃、大米、塑料、木材3、液晶显示器用的液晶是晶体还是非晶体？第3页/共66页2 2、晶格与晶胞、晶格与晶胞、晶格与晶胞、晶格与晶胞 晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形用假想的直线将原子中心连接起来所形成成。的三维空间的三维空间格架。格架。直线直线的交点（原的交点（原子中心）称子中心）称结点。结点。由结由结点形成的空点形成的空间点的

3、阵列间点的阵列称称空间点阵空间点阵第4页/共66页 晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。元。第5页/共66页 晶系：晶系：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。90%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。立方晶系：立方晶系：a=b=c，=90 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。第6页/共66

4、页 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。第7页/共66页二、金属的晶体结构二、金属的晶体结构1、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构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。金属

5、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常见纯金属的晶格类型有体心立方常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方、面心立方(fcc)和密排六方和密排六方(hcp)晶格。晶格。第8页/共66页 体体心心立立方方晶晶格格第9页/共66页体心立方晶格体心立方晶格第10页/共66页体心立方晶格的参数体心立方晶格的参数第11页/共66页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常见金属：常见金属：-Fe、

6、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子半径：第12页/共66页 面面心心立立方方晶晶格格第13页/共66页面心立方晶格面心立方晶格第14页/共66页面心立方晶格的参数面心立方晶格的参数第15页/共66页 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：a面心立方晶格面心立方晶格第16页/共66页 密排六方晶格密排六方晶格第17页/共66页密排六方晶格的参数密排六方晶格的参数第18页/共66页a21r=：原子半径原子半径原子个数：原

7、子个数：6配位数：配位数：12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等等晶格常数：晶格常数：底面边长底面边长 a 和高和高 c，c/a=1.633密排六方晶格密排六方晶格第19页/共66页第20页/共66页体心立方体心立方(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第21页/共66页面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序密排六方晶格密排六方晶格的堆垛顺序为的堆垛顺序为ABABAB面心立方晶格面心立方晶格的堆垛顺序为的堆垛顺序为ABCABCABC第22页/共66页面心立方晶格的原子堆垛面心立方晶格的

8、原子堆垛第23页/共66页本次课内容回顾概念:晶体,非晶体,晶胞,晶格金属晶体结构:面心立方,体心立方,密排六方第24页/共66页作业(1)预习理解:单晶体、多晶体，晶体缺陷种类下次课回答下面问题:晶体缺陷有多少种?第25页/共66页本次课的目的(第2周星期四3-4节)理解：单晶体、多晶体，晶体缺陷的概念，及解释常用金属材料 第26页/共66页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 单晶体与多晶体单晶体与多晶体单晶体：单晶体：其内部晶格方位完其内部晶格方位完全一致的晶

9、体。全一致的晶体。多晶体：多晶体：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，这些小晶体称为些小晶体称为晶粒晶粒。第27页/共66页第28页/共66页问题讨论如何确定一种材料是单晶体还是多晶体？对于铁来说，单晶体容易生锈还是多晶体容易生锈？第29页/共66页沿晶断口沿晶断口沿晶断口沿晶断口铅锭宏观组织铅锭宏观组织第30页/共66页晶界：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。晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。多晶体：多晶体：由多晶

10、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第31页/共66页 晶体缺陷晶体缺陷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。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。第32页/共66页为什么要知道晶体缺陷动物的身体缺陷影响动物的器官功能.晶体缺陷影响着材料的性能第33页/共66页 点缺陷点缺陷 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置换原子置换原子第34页/共66页a.空位：空位：晶格中

11、某些晶格中某些缺排原子的空结点。缺排原子的空结点。b.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。体心立方的四面体和八面体间隙体心立方的四面体和八面体间隙第35页/共66页c.置换原子：置换原子：取代原来原子位置的外来取代原来原子位置的外来原子称置换原子。原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，状态，使晶格发生扭曲，称称晶晶空位空位间隙原子间隙原子大置换原子大置换原子小置换原子小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

12、，塑性、韧性下降。第36页/共66页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第37页/共66页 线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错位错：位错：晶格中一部分晶体晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移局部滑移，滑移面上滑移区与未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滑移区的交界线称作位错位错。分为。分为刃型位错刃型位错和和螺型位错螺型位错。第38页/共66页刃型位错和螺型位刃型位错和螺型位错错刃位错的形成刃位错的形成第39页/共66页刃型位错：刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多当一个完整晶体某晶面以上的某处多

13、出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是个多余原子面的边缘就是刃型位错刃型位错。半原子面在滑移面以上的称半原子面在滑移面以上的称正位错正位错，用，用“”表表示。示。半原子面在滑移面以下的称半原子面在滑移面以下的称负位错负位错，用，用“”表表示。示。第40页/共66页位错密度：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。=S/V(cm/cm3或或1/cm2)金属的位错密度为金属的位错密度为1041012/cm2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

14、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。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)第41页/共66页电子显微镜下的位错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）第42页/共66页电子显微镜下的位错观察电子显微镜下的位错观察第43

15、页/共66页 面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为，宽度为510个原子间距，位向差一般为个原子间距，位向差一般为2040。第44页/共66页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亚晶粒亚晶粒是组成晶粒的尺寸很是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小小，位向差也很小(10 2 )的小晶块。的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶粒之间的交界面称亚晶亚晶界界。亚晶界也可看作亚晶界也可看作位错壁位错壁。第45页/共66页晶界的特点：晶界的特点：原子排列不规则原子排列不规则。熔点低熔点低。耐蚀性差耐蚀性差。易产生内吸附易产生内吸

16、附，外来原，外来原子易在晶界偏聚。子易在晶界偏聚。阻碍位错运动阻碍位错运动，是强化，是强化部位，因而实际使用的金部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。属力求获得细晶粒。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第46页/共66页本次课内容回顾什么是单晶体、多晶体，晶体缺陷有那几种第47页/共66页作业预习下节课内容：合金的晶体结构下次课回答下面问题:何谓相何谓固溶体何谓金属化合物 第48页/共66页本次课的目的(第3周星期二3-4节)理解概念：相、固溶体、金属化合物概念之间的区别 第49页/共66页3、合金的晶体结构、合金的晶体结构合金合金是指由两种或两种是指由两

17、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。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。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用可形成不同的相相。Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜第50页/共66页所谓所谓相相是指金属或合金中是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。的均匀组成部分。显微组织显微组织实质上是指在显实质上是指在显微镜下观察到的金属中各微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的相或各晶粒的形态、数量、形态、

18、数量、大小和分布大小和分布的组合。的组合。固态合金中的相分为固态合金中的相分为固溶固溶体体和和金属化合物金属化合物两类。两类。单相单相合金合金两相两相合金合金第51页/共66页 固溶体固溶体合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固固 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溶剂剂。其它元素称。其它元素称溶质溶质。l固溶体是合金的重要组成相固溶体是合金的重要组成相，实，实际合金多是单相固溶体合金或以际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。固溶体为基的合金。l按溶质原子所处位置分为按

19、溶质原子所处位置分为置换固置换固溶体溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-C间隙固溶体间隙固溶体第52页/共66页问题探讨1、混凝土是固溶体吗？2、硫酸铵水溶液冷却成冰块是不是固溶体？第53页/共66页 置换固溶体置换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溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。体。溶质原子呈无序分布的称溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，无序固溶体，呈有序分布呈有序分布的称的称有序固溶体。有序固溶体。黄铜置换固溶体组织黄铜置换固溶体组织第54页/共66页 间隙固溶体间隙固溶体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

20、晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金金 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时形成复杂时形成复杂时形成复杂时形成复杂结构间隙化合物。结构间隙化合物。结构间隙化合物。结构间隙化合物。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。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

21、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第61页/共66页合金中的相对电镀时的影响关键是导电性:+-ER21B图图0-1 电镀装置示意图电镀装置示意图E直直流流电电源源，R可可变变电电阻阻，1阳阳极极，2阴极，阴极，B电镀槽电镀槽第62页/共66页合金中的相对电镀的影响关键是导电性:1.金属固溶体:2.金属化合物正常价化合物正常价化合物Mg2Si电子化合物电子化合物Cu3Sn间隙相：间隙相：TiC,Fe4N、Fe3C第63页/共66页本次课内容回顾何谓相何谓固溶体何谓金属化合物第64页/共66页作业预习第三章第一节下次课回答如下问题:(1)结晶的基本过程(2)什么是过冷度(3)什么是同素异构转变 第65页/共66页感谢您的观看。第66页/共66页