金属和合金的晶体结构.ppt

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1、结构原子结构原子结构原子的空原子的空间排列间排列 显微组织显微组织 第一章 金属和合金的晶体结构结构原子结构原子结构原子的空原子的空间排列间排列 显微组织显微组织 原子核外电子的排布方式显著影响材料的电、磁、光和热性能，还影响到原子彼此结合的方式，从而决定材料的类型 第一章 金属和合金的晶体结构晶态和非晶态。晶体结构显著影响材料的力学性能。结构原子结构原子结构原子的空原子的空间排列间排列 显微组织显微组织 第一章 金属和合金的晶体结构晶粒的大小、合金相的种类、数量和分布等参数。结构原子结构原子结构原子的空原子的空间排列间排列 显微组织显微组织 第一章 金属和合金的晶体结构第一章 金属和合金的晶

2、体结构第一章 金属和合金的晶体结构第一章 金属和合金的晶体结构1.1 金属原子间的键合特点1.2 金属晶体典型结构1.3 合金相结构1.4 金属晶体缺陷1.1 金属原子间的键合特点金属的定义金属是具有正的电阻温度系数的物质,通常具有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽1.1 金属原子间的键合特点原子结构理论原子原子 原子核原子核质子质子(10(10-8-8cm,1836cm,1836倍倍)(10(10-8-8cm)cm)(10(10-12-12cm)cm)中子中子(10(10-8-8cm,1838cm,1838倍倍)电子电子(10(10-13-13cm)cm)(9.110(9.11

3、0-28-28g)g)Example1-1 Calculate the number of atoms in 100g of silver.(The atomic mass of silver is 107.868g/mol.Avogadros number is 6.02X1023/mol)1.1 金属原子间的键合特点金属原子的结构特点1.1 金属原子间的键合特点金属原子的结构特点其最外层的电子数很少，一般为12个，不超过3个。价电子1.1 金属原子间的键合特点当原子靠近到一定程度时，原子间会产生较强的作用力。结合力外层电子作用形式稳定的八电子排布结构稳定的八电子排布结构 接受或释放额外电子

4、接受或释放额外电子 共有电子共有电子 1.1 金属原子间的键合特点1.1 金属原子间的键合特点金属键共有价电子电子云键无方向性和饱和性性能特点：性能特点：1)良好的导电性及导热性；良好的导电性及导热性；2)正的电阻温度系数；正的电阻温度系数；3)良好的强度及塑性；良好的强度及塑性；4)特有的金属光泽。特有的金属光泽。1.1 金属原子间的键合特点金属键离子键共价键得失价电子正负离子高熔点、高硬度、低塑良好的电绝缘体等1.1 金属原子间的键合特点金属键离子键共价键共有电子对键有饱和性 高熔点、高硬度、低塑性电绝缘体等范德瓦尔键 1.1 金属原子间的键合特点形成：形成：一个分子的正一个分子的正电荷部

5、位与另一分子电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结弱静电引力相引而结合在一起称为分子键。合在一起称为分子键。特性：特性：分子晶体因其分子晶体因其结合键能很低，所以结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也其熔点很低，硬度也低。但其绝缘性良好。低。但其绝缘性良好。离子键离子键离子键离子键 共价键共价键共价键共价键 金属键金属键金属键金属键 结构特点结构特点结构特点结构特点 方向性不明显，配位数大方向性不明显，配位数大方向性不明显，配位数大方向性不明显，配位数大 方向性明显，方向性明显，方向性明显，方向性明显，配位数小，密度小配位数小，密度小配位数小，密度小配位数小，密

6、度小 无方向性，配位无方向性，配位无方向性，配位无方向性，配位数大，密度大数大，密度大数大，密度大数大，密度大 力学性能力学性能力学性能力学性能 强度高，劈裂性良好，硬度大强度高，劈裂性良好，硬度大强度高，劈裂性良好，硬度大强度高，劈裂性良好，硬度大 强度高，硬度大强度高，硬度大强度高，硬度大强度高，硬度大 有各种强度，有有各种强度，有有各种强度，有有各种强度，有塑性塑性塑性塑性 热力性质热力性质热力性质热力性质 熔点高，膨胀系数小，熔熔点高，膨胀系数小，熔熔点高，膨胀系数小，熔熔点高，膨胀系数小，熔体中有离子存在体中有离子存在体中有离子存在体中有离子存在 熔点高，膨胀系熔点高，膨胀系熔点高，

7、膨胀系熔点高，膨胀系数小，熔体中有的数小，熔体中有的数小，熔体中有的数小，熔体中有的含有分子含有分子含有分子含有分子 有各种熔点，有各种熔点，有各种熔点，有各种熔点，导热性好，液态的导热性好，液态的导热性好，液态的导热性好，液态的温度范围宽温度范围宽温度范围宽温度范围宽 电学性质电学性质电学性质电学性质 绝缘体，熔体为导体绝缘体，熔体为导体绝缘体，熔体为导体绝缘体，熔体为导体 绝缘体，熔体为绝缘体，熔体为绝缘体，熔体为绝缘体，熔体为非导体非导体非导体非导体 导电体（自由电子）导电体（自由电子）导电体（自由电子）导电体（自由电子）光学性质光学性质光学性质光学性质 与各构成离子的性质相同，与各构成

8、离子的性质相同，与各构成离子的性质相同，与各构成离子的性质相同，对红外线的吸收强，多是无色对红外线的吸收强，多是无色对红外线的吸收强，多是无色对红外线的吸收强，多是无色或浅色透明的或浅色透明的或浅色透明的或浅色透明的 折射率大，同气折射率大，同气折射率大，同气折射率大，同气体的吸收光谱很不体的吸收光谱很不体的吸收光谱很不体的吸收光谱很不同同同同 不透明，有金属不透明，有金属不透明，有金属不透明，有金属光泽光泽光泽光泽 1.1 金属原子间的键合特点结合键的特性结合键的特性问题：金属原子为什么趋于规则排列？1.1 金属原子间的键合特点结合力与结合能以双原子模型为例（NaCl）吸引力：正离子与负离子

9、（电子云）间静电引力，长程力排斥力：正离子间，电子间的作用力，短程力结合力吸引力排斥力;结合能吸引能排斥能1.1 金属原子间的键合特点Where Fc is the coulombic force of attraction between two oppositely charged ions,r is the separation distance between the centers of the ions,Z is the valence of the charged ion,q is the charge of a single electron(0.16x10-18C),and

10、k0 is a proportionality constant(9x109V.m/C)1.1 金属原子间的键合特点Where Fc is repulsive force,and are experimentally determined constants for a given ion pair.1.1 金属原子间的键合特点结合力与结合能1.1 金属原子间的键合特点结合力与结合能原子间必须保持一定的平衡距离，这是固态金属中的原子趋于规则排列的重要原因。1.1 金属原子间的键合特点1.1 金属原子间的键合特点Example1-2(1)Calculate coulombic force of

11、attraction between Na+and Cl-in NaCl(rNa+=0.098nm,rCl-=0.181nm,1V.C=1J)(2)What is the repulsive force in this case?1.2 金属晶体典型结构材料的原子排列非晶态原子排列短程有序或无序1.2 金属晶体典型结构非晶体的特点是：非晶体的特点是：结结构无序；构无序；物理性质表物理性质表现为各向同性；现为各向同性；没有没有固定的熔点；固定的熔点；热导率热导率（导热系数）和膨胀性（导热系数）和膨胀性小；小；1.2 金属晶体典型结构晶体基元在三维空间呈规律性排列长程有序单个的原子、离子、分子或彼

12、此等同的原子群或分子群等。晶体的主要特点是：晶体的主要特点是：结构有序；结构有序；物理物理性质表现为各向异性；性质表现为各向异性；有固定的熔点；有固定的熔点；在一定条件下有规则的几何外形。在一定条件下有规则的几何外形。1.2 金属晶体典型结构空间点阵是一个几何概念，它由一维、二维或三维规则排列的阵点组成。1.2 金属晶体典型结构刚球模型用刚球代表空间排列的原子晶格晶格刚球抽象为质点质点，构成空间格架空间格架晶胞晶胞保持点阵几何特征的基本单元 1.2 金属晶体典型结构布拉菲在1948年根据“每个阵点环境相同”的要求，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲点阵，分属7个晶系。1.2

13、金属晶体典型结构晶系晶系 轴轴(棱边棱边)之间的夹角之间的夹角三斜晶系三斜晶系单斜晶系单斜晶系斜方晶系斜方晶系正方晶系正方晶系菱方晶系菱方晶系六方晶系六方晶系立方晶系立方晶系1.2 金属晶体典型结构晶体结构构成晶体的基元在三维空间的具体的排列方式=空间点阵+基元 1.2 金属晶体典型结构晶胞中所含原子数晶胞中所含原子数 晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。配位数配位数 是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。致密度致密度 是指晶胞中原子所占体积分数，即是指晶胞中原子所

14、占体积分数，即K=n v/V K=n v/V。式中，。式中，n n为为晶胞所含原子数、晶胞所含原子数、vv为单个原子体积、为单个原子体积、V V为晶胞体积。为晶胞体积。原子半径原子半径 原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。一半。1.2 金属晶体典型结构三种典型晶体结构体心立方体心立方面心立方面心立方密排六方密排六方体心立方晶格参数Cr、V、Mo、W和-Fe等30多种 1.2 金属晶体典型结构体心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构体心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构1.2 金属晶体典型结构体心立方晶格参数1.2

15、金属晶体典型结构1.2 金属晶体典型结构面心立方晶格参数Al、Cu、Ni和-Fe等约20种 1.2 金属晶体典型结构面心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构面心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构面心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构面心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构面心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构密排六方晶格参数Mg、Zn、Cd、Be等20多种 1.2 金属晶体典型结构密排六方晶格参数1.2 金属晶体典型结构密排六方晶格参数1.2 金属晶体典型结构密排六方晶格参数1.2 金属晶体典型结构1.2 金属晶体典型结构晶面及晶向的原子密度晶面及晶向的原子密度 不同晶体结构中不同晶面、

16、不不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的。下页的两紧密程度是不一样的。下页的两个表给出了体心立方晶格和面心个表给出了体心立方晶格和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上立方晶格中各主要晶面、晶向上的原子排列方式和紧密程度。的原子排列方式和紧密程度。1.2 金属晶体典型结构堆垛方式堆垛方式晶向1.2材料的原子排列1.2 金属晶体典型结构晶向指数1.2材料的原子排列晶向指数的确定方法建立以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系。定出该晶向上任两点的坐标。用末点坐标减去始点坐标。将相减后所得结果约成互质整数，加一方括号。1.2 金属晶体典型结构晶面

17、及晶面指数晶面指数的确定方法在以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系中取该晶面在各坐标轴上的截距。取截距的倒数。将倒数约成互质整数，加一圆括号。1.2 金属晶体典型结构六方晶系1.2 金属晶体典型结构多晶型转变1.3 金属的典型晶体结构当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为多晶型转变，又称为同素异构转变合金两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质组元 组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素。相 是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分 1.3

18、 合金相结构固溶体中间相(金属化合物)间隙固溶体置换固溶体相 1.3 合金相结构固溶体1.3 合金相结构合金的组元通过溶解形合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶相同的固相，称为固溶体。与固溶体结构相同体。与固溶体结构相同的组元为溶剂，另一组的组元为溶剂，另一组元为溶质。元为溶质。固溶体的分类固溶体的分类按溶质原子在溶剂晶格中的按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶位置，固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。体与间隙固溶体两种。间隙固溶体置换固溶体 按溶质原子在固体中的溶按溶质原子在固体中的溶解度，

19、固溶体可分为有限固溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。体和无限固溶体两种。按溶质原子在固溶体内分按溶质原子在固溶体内分布是否有规则，固溶体分为有布是否有规则，固溶体分为有序固溶体和无序固溶体两种。序固溶体和无序固溶体两种。置换固溶体的固溶度晶体结构类型相同固溶体的性能固溶体的性能通过形成固溶体而产生晶格畸变，通过形成固溶体而产生晶格畸变，使金属强度和硬度提高的现象称使金属强度和硬度提高的现象称为为固溶强化固溶强化。固溶强化是金属强化的重要方式固溶强化是金属强化的重要方式之一。固溶体的综合力学性能较之一。固溶体的综合力学性能较好，常作为结构合金的好，常作为结构合金的基体相基体相。1.

20、3 合金相结构固溶体金属化合物正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有严格的化合比，成分固定不变。它的结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同，如分子式具有AB型的正常价化合物其晶体结构为NaCl型，多为离子化合物。正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物是指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的化合物。电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，将形成具有简单晶体结构的金属间化合物化学式类型化学式类型化学式类型化学式类型钢中可能遇到的间

21、隙相化学式钢中可能遇到的间隙相化学式钢中可能遇到的间隙相化学式钢中可能遇到的间隙相化学式晶格类型晶格类型晶格类型晶格类型MM4 4X XFeFe4 4 N N，NbNb4 4 C C，MnMn4 4 C C面心立方面心立方面心立方面心立方MM2 2X XFeFe2 2 NN，CrCr2 2NN，WW2 2C C，MoMo2 2C C密排六方密排六方密排六方密排六方MXMXTaCTaC，TiCTiC，ZrCZrC，VCVCTiNTiN，ZrNZrN，VNVNMoNMoN，CrNCrN，WCWC面心立方面心立方面心立方面心立方体心立方体心立方体心立方体心立方简单六方简单六方简单六方简单六方MXMX

22、2 2VCVC2 2，CeCCeC2 2，ZrHZrH2 2，TiHTiH2 2，LaCLaC2 2面心立方面心立方面心立方面心立方正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时，将形成具有复杂晶体结构的金属间化合物，间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一些。类型类型类型类型简单结构间隙化合物简单结构间隙化合物简单结构间隙化合物简单结构间隙化合物复杂结构间隙化合物复杂结构间隙化合物复杂结构间隙化合物复杂结构间隙化合物化学式化学式化学式化学式TiCTiCZrCZr

23、CVCVCNbCNbCTaCTaCWCWCMoCMoCCrCr23 23 C C6 6FeFe3 3 C C硬度硬度硬度硬度HVHV2852850 0284028402012010 0205020501551550 0173017301481480 016501650800800熔点熔点熔点熔点/3083080 034722347220 02652650 036805368050 03983980 02785 2785 552522527 71577157712271227点缺陷线缺陷面缺陷点缺陷的特点是在空间三维方向上的尺寸都很小，约为几个原子间距，又称零维缺陷空位空位 间隙原子间隙原子 置

24、换置换原子，原子，1.4 金属晶体缺陷点缺陷点缺陷线缺陷面缺陷线缺陷就是各种类型的位错。它是指晶体中的原子发生了有规律的错排现象。其特点是原子发生错排的范围只在一维方向上很大，是一个直径为35个原子间距，长数百个原子间距以上的管状原子畸变区。1.4 金属晶体缺陷点缺陷线缺陷面缺陷晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面两类，其中的内界面又有晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。1.4 金属晶体缺陷线缺陷线缺陷线缺陷柏氏矢量的主要特性：柏氏矢量的主要特性：柏氏矢量的主要特性：柏氏矢量的主要特性：柏氏矢量的主要特性：可以表示晶体滑移的方向和大小。位错线和柏氏矢量构成的平面定义为滑移

25、面。位错密度位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，即可用单位体积中位错线总长度来表示，即式中，式中，为位错密为位错密度（度（m-2）；）；L为为位错线的总长度位错线的总长度（m）；）；V为体积为体积（m3）。）。线缺陷线缺陷面缺陷由于表面上的原子与晶体内部的原子相比其配位数较少，使得表面原子偏离正常位置，在表面层产生了晶格畸变，导致其能量升高。将这种单位表面面积上升高的能量称为比表面能，简称表面能。表面能也可以用单位长度上的表面张力（Nm）表示。面缺陷面缺陷面缺陷晶带和晶带轴平行于或者相交于同一直线的一组晶面组成一个晶带，而该直线叫做晶带轴。在多相组织中，具有不同晶体结构的两相之间的分界面

26、称为相界。Example:Determine the number of vacancies needed for a BCC iron lattice to have a density of 7.87g/cm3.The lattice parameter of the iron is 2.866x10-8cm.The atomic mass of iron is 55.847g/mol.Avogadros number is 6.02x1023/mol.where nV is the number of vacancies per cm3;n is the number of lattic

27、e points per cm3;Q is the energy required to produce a vacancy,in cal/mol;R is the gas constant,1.987cal/molK;and T is the temperature in degrees Kelvin.Example:Design a heat treatment that will provide 1000 times more vacancies in copper than are normally present at room temperature.About 20000 cal/mol are required to produce a vacancy in copper.The lattice parameter of FCC copper is 0.36151nm.T=375K=102计算在912-Fe-Fe时的体积变化率。