第2章材料的结构精选PPT.ppt

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1、第2章 材料的结构第1页，此课件共22页哦1、晶体和非晶体、晶体和非晶体1）晶体晶体：原子在空间按一定几何规律周期性排列的有序结构，具：原子在空间按一定几何规律周期性排列的有序结构，具有固定熔点和各向异性。有固定熔点和各向异性。2）非晶体：内部原子无序排列，结构无序、各向同性、没有固）非晶体：内部原子无序排列，结构无序、各向同性、没有固定熔点、导热率和热膨胀小、塑性大、组成的变化很大。定熔点、导热率和热膨胀小、塑性大、组成的变化很大。3）相互转化：凝固方式）相互转化：凝固方式一、晶体结构的基本概念一、晶体结构的基本概念第三章第三章材料的结构材料的结构第2页，此课件共22页哦晶格：将每个原子视为

2、质点，用假想直线将各原子的振动中心连接起来构成空间晶格：将每个原子视为质点，用假想直线将各原子的振动中心连接起来构成空间格架。这种用以描述原子在晶体中排列形式的空间格架称为晶格。格架。这种用以描述原子在晶体中排列形式的空间格架称为晶格。晶胞：晶格中最简单、最基本、最典型的空间几何体称为晶胞晶胞：晶格中最简单、最基本、最典型的空间几何体称为晶胞,它代表着晶它代表着晶格的结构形式。整个晶格就是由许多个大小、形状和位向相同的晶胞重复堆集格的结构形式。整个晶格就是由许多个大小、形状和位向相同的晶胞重复堆集而成的。而成的。2、晶格和晶胞晶格和晶胞：第三章第三章材料的结构材料的结构第3页，此课件共22页哦

3、晶格参数：晶胞的棱边长度晶格参数：晶胞的棱边长度a、b、c和棱边夹角和棱边夹角、（轴间夹角）。（轴间夹角）。晶格常数：晶胞中各棱边的长度，以埃晶格常数：晶胞中各棱边的长度，以埃(A)为单位，为单位，1A=10-10mm。通常数值在。通常数值在2.55.0A之间。之间。简单立方晶格简单立方晶格各种金属元素的主要差别就在于晶格类型和晶格参数的不同。各种金属元素的主要差别就在于晶格类型和晶格参数的不同。第三章第三章材料的结构材料的结构第4页，此课件共22页哦3、晶面和晶向：、晶面和晶向：晶面：晶体中各种方位上的原子面叫做晶面，晶面：晶体中各种方位上的原子面叫做晶面，晶向：各种方向上的原子列叫做晶向。

4、晶向：各种方向上的原子列叫做晶向。金属的许多性能都和晶体中的特定晶面和晶向有密切联金属的许多性能都和晶体中的特定晶面和晶向有密切联系，为了便于研究和表述不同晶面和晶向上原子排列情况系，为了便于研究和表述不同晶面和晶向上原子排列情况与特征，有必要给各种晶面和晶向规定一定的符号，这种与特征，有必要给各种晶面和晶向规定一定的符号，这种符号分别叫做符号分别叫做“晶向指数晶向指数”和和“晶面指数晶面指数”。第三章第三章材料的结构材料的结构第5页，此课件共22页哦（1）晶面指数晶面指数确定晶面指数的步骤如下：确定晶面指数的步骤如下：（1）设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作）设晶格中某一原

5、子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三坐标轴，以晶格常数三坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的度量单分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距。位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距。（2）将所得三截距之值变为倒数。）将所得三截距之值变为倒数。（3）再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为）再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为晶面指数，一般表示为（晶面指数，一般表示为（hkl）。）。在图在图2-7所示的立方晶格中，（所示的立方晶格中，（100）、（）、（110）、（）、（111）三种晶面最重

6、要。）三种晶面最重要。应该注意的是，某一晶面指数并不只代表某一具体晶面，而是代表一组应该注意的是，某一晶面指数并不只代表某一具体晶面，而是代表一组相互相互平行的晶面，即所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。另外，平行的晶面，即所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。另外，在同一种晶格中，有些晶面虽然在空间的位向不同，但其原子的排列情在同一种晶格中，有些晶面虽然在空间的位向不同，但其原子的排列情况完全相同，这些晶面均况完全相同，这些晶面均属于一个晶面族，其晶面指数用大括号属于一个晶面族，其晶面指数用大括号hkl表表示示第6页，此课件共22页哦（2）晶向指数）晶向指数确定晶向指数的步骤如下：确定

7、晶向指数的步骤如下：（1）通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向。）通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向。（2）求出该直线上任意一点的三个坐标值。）求出该直线上任意一点的三个坐标值。（3）将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶）将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶面指数，其一般形式为面指数，其一般形式为uvw。在图在图2-8所示的立方晶格中，所示的立方晶格中，100、110、111三种晶向最重三种晶向最重要。应该指出，晶向指数所表示的不仅仅是一条直线的位向，而是一族平要。应该指出，晶向指数所表示的不仅仅是一条直线的位向，而是一族平行线的行线的位向

8、。即所有相互平行的晶向，都具有相同的晶向指数。另外，位向。即所有相互平行的晶向，都具有相同的晶向指数。另外，原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族，以原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族，以uvw表示。表示。第7页，此课件共22页哦晶面指数的例子晶面指数的例子第三章第三章材料的结构材料的结构第8页，此课件共22页哦晶向指数的例子第三章第三章材料的结构材料的结构第9页，此课件共22页哦二、三种典型金属晶体晶格结构：体心立方、面心立方和密排六方二、三种典型金属晶体晶格结构：体心立方、面心立方和密排六方晶格晶格由于每个角上原子均由于每个角上原子均为其他相邻为其他相邻8个晶胞共有，个

9、晶胞共有，所以其实际原子数为所以其实际原子数为2。-Fe CrFe Cr等。等。晶格的致密度晶格的致密度：晶胞中原子所占有的体积与：晶胞中原子所占有的体积与晶胞体积的比值。晶胞体积的比值。体心立方晶格的致密度：体心立方晶格的致密度：0.681、体心立方晶格、体心立方晶格BBC（Body-CenteredCubicCrystalStructure）第三章第三章材料的结构材料的结构第10页，此课件共22页哦实际实际4 4个原子，个原子，-Fe ,Cu-Fe ,Cu，AlAl等等致密度为致密度为0.74或或74%2、面心立方晶格、面心立方晶格FCC（face-centeredcubic）第三章第三章

10、材料的结构材料的结构第11页，此课件共22页哦3密排六方晶格密排六方晶格HCP(HexagonaClose-PackedCrytalStructure)实际实际6个，个，Mg,Zn等等致密度为致密度为0.74或或74%。第三章第三章材料的结构材料的结构第12页，此课件共22页哦三、实际金属的结构：三、实际金属的结构：1、单晶体和多晶体：金属内部的晶格位向完全一致，称为单晶体（人工方法）反之为多晶体、单晶体和多晶体：金属内部的晶格位向完全一致，称为单晶体（人工方法）反之为多晶体晶粒与晶界：多晶体内外形呈多面体的小晶体称为晶粒；晶粒之间的界面为晶界。晶粒与晶界：多晶体内外形呈多面体的小晶体称为晶粒

11、；晶粒之间的界面为晶界。第三章第三章材料的结构材料的结构第13页，此课件共22页哦2、晶体缺陷：各种原因破坏了原子间的平衡，使晶格发生扭曲，称为、晶体缺陷：各种原因破坏了原子间的平衡，使晶格发生扭曲，称为晶格畸变，使其性能改变。晶格畸变，使其性能改变。1)点缺陷点缺陷：空间三个方向尺寸上的微小缺陷，如晶格空位、间隙：空间三个方向尺寸上的微小缺陷，如晶格空位、间隙原子和置换原子。原子和置换原子。（提高了硬度、强度，降低塑性、韧性）（提高了硬度、强度，降低塑性、韧性）2）线缺陷线缺陷：晶体中最普通的线缺陷就是位错，它是在晶体中某处有：晶体中最普通的线缺陷就是位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原子

12、发生了有规律的错排现象。一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以形成不同类型的位错。这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以形成不同类型的位错。第三章第三章材料的结构材料的结构第14页，此课件共22页哦通常把单位体积中所包含通常把单位体积中所包含的位错线总长度称为位错密度。的位错线总长度称为位错密度。一般退火态金属的位错密度约为一般退火态金属的位错密度约为105108cm/cm3；冷变形后的金属可达；冷变形后的金属可达1012cm/cm3。位错的存在对金属的强度有着重要的影响，。位错的存在对金属的强度有

13、着重要的影响，第三章第三章材料的结构材料的结构第15页，此课件共22页哦3）面缺陷面缺陷：晶格中其他：晶格中其他2个方向尺寸很大，如晶界和亚晶界。个方向尺寸很大，如晶界和亚晶界。大于大于1015的晶界称为大角度晶界，亚晶界是小角度晶界，其结构可以看成是位错的规的晶界称为大角度晶界，亚晶界是小角度晶界，其结构可以看成是位错的规则排列。则排列。亚晶界：晶粒位向相差很小亚晶界：晶粒位向相差很小2030的小晶粒称为亚晶粒，其界面即为的小晶粒称为亚晶粒，其界面即为。晶界与晶内性能晶界与晶内性能对比？对比？第三章第三章材料的结构材料的结构第16页，此课件共22页哦四、合金的相结构四、合金的相结构基本概念：

14、基本概念：合金：合金：是指两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性是指两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。的物质。（合金具有比纯金属高得多的强度、硬度、耐磨性等机械性能，是工程上使用得最多的金属材料，如机器中常用的合金具有比纯金属高得多的强度、硬度、耐磨性等机械性能，是工程上使用得最多的金属材料，如机器中常用的黄铜是铜和锌的合金；钢是铁和碳的合金；焊锡是锡和铅的合金。）黄铜是铜和锌的合金；钢是铁和碳的合金；焊锡是锡和铅的合金。）相：相：凡是化学成分相同、晶体结构相同，与其它部分有明显分界的均匀组成部分。凡是化学成分相同、晶体结构相

15、同，与其它部分有明显分界的均匀组成部分。合金中有两类基本的相结构，固溶体和金属间化合物。合金中有两类基本的相结构，固溶体和金属间化合物。组元：组元：组成合金最简单的、最基本的、能够独立存在的元素称为组元，简称元。组成合金最简单的、最基本的、能够独立存在的元素称为组元，简称元。组元一般是指元素，但有时稳定的化合物也可以作为组元，如组元一般是指元素，但有时稳定的化合物也可以作为组元，如Fe3C、Al2O3、CaO等。合金按组元的数目可分为二元合金、三元合金及多元合金。等。合金按组元的数目可分为二元合金、三元合金及多元合金。第17页，此课件共22页哦1、固溶体、固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均

16、匀的，且结构与组元之组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体一相同的固相称为固溶体A（B）。）。A：溶剂：溶剂B：溶质：溶质合金系：合金系：由两个或两个以上组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，这一系由两个或两个以上组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，这一系列合金构成一个合金系统，简称合金系。例如黄铜是由铜和锌组成的二元合金列合金构成一个合金系统，简称合金系。例如黄铜是由铜和锌组成的二元合金系。系。组织：组织：由单相或多相组成的具有一定形态的聚合物，纯金属的组织是由一个相组成的，合金的组由单相或多相组成的具有一定形态的聚合物，纯金属的组织是由一个相组

17、成的，合金的组织可以是一个相或多个相组成。织可以是一个相或多个相组成。第五章第五章二元合金二元合金第18页，此课件共22页哦固溶体的分类固溶体的分类溶质原子的溶质原子的位置位置 置换固溶体置换固溶体 晶格类型相同晶格类型相同,原子半径相差不大原子半径相差不大,电化学性质相近电化学性质相近间隙固溶体间隙固溶体 原子半径较小原子半径较小 溶解度溶解度 有限固溶体有限固溶体溶解度有限（间隙）溶解度有限（间隙）无限固溶体无限固溶体 溶解度无限（置换）溶解度无限（置换）分布有序度分布有序度 有序固溶体有序固溶体 无序固溶体无序固溶体 置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体第五章第五章二元合金二元合金第

18、19页，此课件共22页哦固溶强化固溶强化由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸度而造成材料硬度升由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低的现象。高，塑性和韧性没有明显降低的现象。溶溶质质原原子子溶溶入入晶晶格格畸畸变变位位错错远远动动阻阻力力上上升升金金属属塑塑性性变变形形困困难难强度、硬度升高。强度、硬度升高。第五章第五章二元合金二元合金第20页，此课件共22页哦2、金属间化合物（中间相）、金属间化合物（中间相）金属间化合物是合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，金属间化合物是合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化

19、合物一中间相。而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物一中间相。一般可用分子式大致表示其组成一般可用分子式大致表示其组成。Fe3C称为渗碳体。熔点、硬度高、脆性大。（强化相）熔点、硬度高、脆性大。（强化相）机械混合物机械混合物当组成合金的各组元在固态下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定当组成合金的各组元在固态下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比例以混合方式存在着，形成各组元晶体的机械混合物。的重量比例以混合方式存在着，形成各组元晶体的机械混合物。组成机械混合物的物质可能是纯组元、固溶体或者是化合物各自的混合物，也可以是它组成机械混合物的物质可能是纯组元、固溶体或者是化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。们之间的混合物。绝大多数工业用合金都是混合物，它们的性能决定于组成混合物各部分的绝大多数工业用合金都是混合物，它们的性能决定于组成混合物各部分的性能，以及它们的形态、大小和分布。性能，以及它们的形态、大小和分布。第五章第五章二元合金二元合金第21页，此课件共22页哦单一固溶体强度、硬度较低单一化合物硬而脆机械混合物不是一种单一相第五章第五章二元合金二元合金总结：总结：1、晶体的表述、晶体的表述2、晶格的类型、晶格的类型3、金属的缺陷、金属的缺陷4、相结构及其特性、相结构及其特性第22页，此课件共22页哦