工程材料21_金属材料的结构与组织(同济-王国华).ppt

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1、复习：复习：工程材料工程材料金属材料金属材料高分子材料高分子材料陶瓷材料陶瓷材料复合材料复合材料 离子键离子键 共价键共价键 化学键化学键 金属键金属键 分子键分子键 物理键物理键 结合键：结合键：简单简单复杂复杂单一性能单一性能综合性能综合性能结构材料结构材料功能材料功能材料单一材料单一材料复合材料复合材料第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能贯穿全课程的贯穿全课程的“纲纲”核心关系核心关系材料的材料的结构、性能结构、性能、加工和使用状况称为材料科学与工程的、加工和使用状况称为材料科学与工程的四要素四要素第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能What?“组织结构组织结构”第二

2、章第二章 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶2.1 2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构2.2 2.2 实际金属的组织结构实际金属的组织结构2.3 2.3 金属的结晶金属的结晶第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能主要内容：主要内容：v 三种典型的晶体结构三种典型的晶体结构v 晶面指数、晶向指数的确定晶面指数、晶向指数的确定v 晶体缺陷晶体缺陷2.1 金属的晶体结构金属的晶体结构第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能 晶体与非晶体晶体与非晶体 晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的规则的 周期性排列周期性排列。如金刚石、

3、水晶、氯化钠等。如金刚石、水晶、氯化钠等。非晶体：材料的原子（离子、分子）非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则排列无规则排列，和液，和液 体相似，亦称为体相似，亦称为“过冷液体过冷液体”或或“无定形体无定形体”。如。如 玻璃、松香、石腊等。玻璃、松香、石腊等。(a)、是否具有周期性、对称性是否具有周期性、对称性(b)、是否长程有序是否长程有序(c)、是否有确定的熔点是否有确定的熔点(d)、是否各向异性是否各向异性区区 别别第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能1 1理想晶体及其描述理想晶体及其描述 理想晶体理想晶体实际晶体的理想化实际晶体的理想化l三维空间无限延续，无边界三维空间无限

4、延续，无边界l 严格按周期性规则排列严格按周期性规则排列l 完整的，无缺陷的完整的，无缺陷的l原子在其平衡位置静止不动原子在其平衡位置静止不动晶体结构晶体结构:晶体中原子（离子、分子）的排列方式晶体中原子（离子、分子）的排列方式一、纯金属的晶体结构一、纯金属的晶体结构 第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能晶体学抽象：晶体学抽象：空空间间规规则则排排列列的的原原子子刚刚球球模模型型晶晶格格（刚刚球球抽抽象象为为晶晶格格结结点点，构构成成空空间间格格架架）晶晶胞胞（具具有有周周期期性性最最小小组组成成单元）单元）第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能空间点阵空间点阵第一章第一章

5、材料的结构与性能材料的结构与性能2 2晶胞的描述晶胞的描述 七个晶系：七个晶系：a=b=c,a=b=c,=90=90立方晶系立方晶系a=bc,=a=bc,=90,90,=120=120六方晶系六方晶系a=b=c,a=b=c,=9090菱方晶系菱方晶系abc,=abc,=9090正方晶系正方晶系abc,abc,=9090斜方晶系斜方晶系abc,abc,=9090单斜晶系单斜晶系abc,abc,三斜晶系三斜晶系轴轴(棱边棱边)之间的夹角之间的夹角晶系晶系晶体学参数：晶体学参数：三条棱边长三条棱边长a,b,c；三条棱边之间的夹角三条棱边之间的夹角,晶格常数：晶格常数：a,b,c（110-10m710

6、-10m）第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能简单立方体心立方面心立方简单六方第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能3三种典型的纯金属晶体晶胞三种典型的纯金属晶体晶胞 属于此类结构的金属属于此类结构的金属有：碱金属、难溶金有：碱金属、难溶金属（属（V、Nb、Cr、Mo、W）、）、a-Fe等等属于此类结构的金属的属于此类结构的金属的有：有：Al、Cu、Au、Ag、-Fe、Ni、Pb以及奥以及奥氏体不锈钢等。氏体不锈钢等。属于此类结构的金属属于此类结构的金属有：有：Mg、Zn、a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Co等。等。体心立方晶胞体心立方晶胞bcc(Body-centered

7、 cubic)面心立方晶胞面心立方晶胞fcc(Face-centered cubic)密排六方晶胞密排六方晶胞hcp(hexagonal close-packed)第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能(1)(1)体心立方晶胞体心立方晶胞BCC Body-Centered Cubic BCC Body-Centered Cubic 晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度BCCa=b=c,=902868%刚球模型刚球模型晶胞原子数晶胞原子数晶格模型晶格模型第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能1)1)晶格常数：晶格常数：a=b=c,a=b=c,=90=904)4)配位数：配

8、位数：晶格中与任一原子最近邻且等距离的原子数目。2)2)晶胞原子数：晶胞原子数：3)3)原子半径：原子半径：晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子间平 衡距离的一半5)5)致密度：致密度：晶胞中原子本身所占有的体积百分数，即密排系数 体心立方晶胞的特征：体心立方晶胞的特征：8第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能n在晶胞空隙中放入刚性球的最大半径（它等于顶点原子在晶胞空隙中放入刚性球的最大半径（它等于顶点原子到空隙中心的距离减去原子半径）。体心立方晶胞中有到空隙中心的距离减去原子半径）。体心立方晶胞中有两种空隙，一种是四面体空隙，另一种为八面体空隙两种空隙，一种是四面体空隙，另一种为八面

9、体空隙。空隙半径空隙半径第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能(2)(2)面心立方晶胞面心立方晶胞FCC-Face-Centered CubicFCC-Face-Centered Cubic晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度FCCa=b=c,=9041274%刚球模型刚球模型晶胞原子数晶胞原子数晶格模型晶格模型第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能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=b=c,a=b=c,=90=904)4)配位数：配位数：2)2)晶胞原子数：晶胞原子数：3)3)原子半径：原子半径：5)5)致密度：致密度：12第一章第

10、一章 材料的结构与性能材料的结构与性能空隙半径空隙半径 第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能（3 3）密排六方晶胞）密排六方晶胞HCP-Hexagonal Close-Packed HCP-Hexagonal Close-Packed 晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度HCPa=bc,c/a=1.633=90=120a/261274%刚球模型刚球模型晶胞原子数晶胞原子数晶格模型晶格模型第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能空隙半径空隙半径第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能BCCBCC、FCCFCC、HCPHC

11、P晶胞的重要参数晶胞的重要参数 晶胞晶体学参数 原子半径晶胞原子数配位数 致密度空隙半径BCCa=b=c,=90o2868%r四0.29r原子r八0.15r原子FCCa=b=c,=90o41274%r四0.225r原子r八0.414r原子HCPa=bc,c/a=1.633,=90o,=120oa/261274%r四0.225r原子r八0.414r原子第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能4.金属晶体中的晶面和晶向金属晶体中的晶面和晶向n晶面：在晶体学中，通过晶体中原子中心的平面晶面：在晶体学中，通过晶体中原子中心的平面n晶向：通过原子中心的直线所指的方向晶向：通过原子中心的直线所指的方

12、向XYabcXYZabc第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能（1）立方晶系的晶面表示方法）立方晶系的晶面表示方法第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能n 确定确定欲定晶面外欲定晶面外的原点，建立坐标系，写出的原点，建立坐标系，写出欲定晶面在三个坐标轴上的欲定晶面在三个坐标轴上的截距截距。n 取三个截距值的取三个截距值的倒数倒数并按比例化为并按比例化为最小整数最小整数，加圆括弧，形式为加圆括弧，形式为（hkl）。立方晶系晶面指数的标定立方晶系晶面指数的标定第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能n例一例一.画出截距为画出截距为、1、晶面的指数晶面的指数 n 截距值取倒数为

13、截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（，加圆括弧得（010）n例二例二.画出（画出（112）晶面）晶面 n取三指数的倒数取三指数的倒数1、1、1/2,化成最小整数为化成最小整数为2、2、1，即为，即为X、Y、Z三坐标轴上的截距三坐标轴上的截距第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能n相互平行的晶面晶面相互平行的晶面晶面指数相同（或指数相指数相同（或指数相同符号相反）同符号相反）n(hkl)表示的是一组平表示的是一组平行的晶面行的晶面n晶面族晶面族：原子排列情原子排列情况相同而空间位向不况相同而空间位向不同（不平行）的晶面同（不平行）的晶面n 1 11 立方晶胞中主要晶面立方晶胞中主要晶面

14、(100)(111)()(110)第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能立方晶系常见的立方晶系常见的晶面晶面为：为：任意交换指数的位置和改变符号任意交换指数的位置和改变符号,都是该族的范围都是该族的范围 第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能立立方方晶晶系系常常见见的的晶晶面面第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能晶向指数确定的步骤晶向指数确定的步骤BXYZoAB1 1）确定坐标系确定坐标系（例：（例：xyzxyz）；2 2）过坐标原点，作直线与待求晶向

15、平行过坐标原点，作直线与待求晶向平行（例：引（例：引OB/ABOB/AB）;3 3）在该直线上任取一点，并确定该点的在该直线上任取一点，并确定该点的坐标坐标（x x，y y，z z）（例：（例：BB点坐标为点坐标为-1,1,0-1,1,0）；）；4 4）将此值化成将此值化成最小整数最小整数:u v w:u v w，并加以，并加以方括号方括号u v wu v w即是即是 （例：（例：ABAB晶向指数为晶向指数为 1 01 0）。（代表一组互相平行，方向一致的晶向）（代表一组互相平行，方向一致的晶向）（2）立方晶系的晶向表示方法）立方晶系的晶向表示方法第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能

16、n 确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。的平行线。n 求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为整数，加方括弧。形式为uvw。立方晶系晶向指数的标定立方晶系晶向指数的标定第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能n例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，画出该晶向。，画出该晶向。n将三坐标值化为最小整数加方括弧得将三坐标值化为最小整数加方括弧得234。l例二、已知晶向指数为例二、已知晶向指数为110,画出该晶向。画出该晶向。l找出找出1、

17、1、0坐标点坐标点,连连接原点与该点的直线即接原点与该点的直线即所求晶向。所求晶向。110234第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能n相互平行的晶向晶向相互平行的晶向晶向指数相同（或指数相指数相同（或指数相同符号相反）同符号相反）nu v w表示的是一组表示的是一组平行的晶向平行的晶向n晶向族晶向族：原子排列情原子排列情况相同而空间位向不况相同而空间位向不同（不平行）的晶向同（不平行）的晶向nxzy100立方晶胞中主要晶向立方晶胞中主要晶向01000111111010第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能立方晶系常见立方晶系常见的的晶向晶向为：为：第一章第一章 材料的结构与性

18、能材料的结构与性能立立方方晶晶系系常常见见的的晶晶向向第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能111111111111XZY第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能注意：注意：n立方晶系中，晶向指数与晶面立方晶系中，晶向指数与晶面指数数值和符号相同时，该晶指数数值和符号相同时，该晶面与晶向垂直，例：面与晶向垂直，例：（1 1 1）1 1 1 n遇到负指数，遇到负指数，“-”-”号放在该指号放在该指数的上方数的上方n同一直线相反两个方向的晶向同一直线相反两个方向的晶向指数符号相反指数符号相反n如如110与与110方向相反。方向相反。第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能(3)

19、(3)六方晶格的晶向指数和晶面指数六方晶格的晶向指数和晶面指数(h k i l),i=-(h+k)u v t w,t=-(u+v)四轴坐标系：四轴坐标系：a1，a2，a3，c120 120 a1ca2a3第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能l BCCBCC中，密排面为中，密排面为1 1 01 1 0；密排方向为；密排方向为 l FCCFCC中，密排面为中，密排面为1 1 11 1 1；密排方向为；密排方向为(4)(4)密排面与密排方向密排面与密排方向l 原子密度最大的晶向原子密度最大的晶向l 原子密度最大的晶面原子密度最大的晶面第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能第一章第一

20、章 材料的结构与性能材料的结构与性能第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能密排面密排面数量数量密排方向密排方向数量数量体心立方晶格体心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格 六方底面六方底面1底面对角线底面对角线3密排面和密排方向密排面和密排方向第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能n三种常见晶格的密三种常见晶格的密排面和密排方向排面和密排方向六方底面六方底面底面对角线底面对角线密密排排六六方方晶晶格格面面心心立立方方晶晶格格体体心心立立方方晶晶格格第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能体心立方体心立方(110)面面面心立方面心立方

21、(111)面面密排六方底面密排六方底面第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能5.晶体的特性晶体的特性（1 1）有确定的熔点有确定的熔点熔点熔点晶体晶体非晶体非晶体时间时间温温度度晶体和非晶体的熔化曲线晶体和非晶体的熔化曲线第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象 晶体具有各向异性的原因，是由于在不同晶向上的原子紧晶体具有各向异性的原因，是由于在不同晶向上的原子紧密程度不同所致。原子的紧密程度不同，意味着原子之间的距密程度不同所致。原子的紧密程度不同，意味着原子之间的距离不同，则导致原子间结

22、合力不同，从而使晶体在不同晶向上离不同，则导致原子间结合力不同，从而使晶体在不同晶向上的物理、化学和机械性能不同。的物理、化学和机械性能不同。实际金属不表现各向异性实际金属不表现各向异性(多晶体多晶体)（2）各向异性各向异性作业：作业：辅助教材辅助教材P6P6，1 1、3 3、4 41.1.标出图标出图1-11-1中给定的晶面与晶向。中给定的晶面与晶向。；第一章第一章 材料的结构与性能材料的结构与性能3 3、常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和、常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？晶格常数有什么特点？-Fe-Fe、-Fe-Fe、AlAl、CuCu、NiNi、

23、PbPb、CrCr、V V、MgMg、ZnZn各属何种晶体结构？各属何种晶体结构？4 4、画出体心立方、面心立方中原子最密的晶面和晶向、画出体心立方、面心立方中原子最密的晶面和晶向、写出它们的晶面和晶向指数并求出单位面积及单位写出它们的晶面和晶向指数并求出单位面积及单位长度上的原子数。长度上的原子数。选作题：选作题：2.2.作图表示立方晶系中的作图表示立方晶系中的(110)(110)、（、（112112）、（）、（234234）（132132）晶面和）晶面和111111、132132、210210、121121晶向。晶向。山山 东东 大大 学学 博博 士士 学学 位位 论论 文文 T E S A W电电 弧弧 特特 性性 及及 熔熔 滴滴 过过 渡渡 研研 究究Thank you！