《材料的结构》PPT课件.ppt

第二章 材料的结构,第二章 材料的结构,1 电子结构2 原子的空间排列3 显微组织,材料的结构,2.1 金属的特征 2.2 金属的晶体结构 2.3 实际晶体中的缺陷 2.4 合金的相结构,与非金属相比，固态金属具有它独特的性能，如良好的导电性、导热性、延展性（塑性变形能力）和金属光泽。,这些是 金属的特性么？能否据此来区分金属与非金属呢？,思考,2.1 金属的特征,不是,1.有的非金属也可能表现出上述某些特性：如：石墨能导电 金刚石导热 无机化合物的金属光泽；2.各种金属晶体之间，这些特征的差别也很大：鈈、锰的导电能力比银、铜相差近百倍锑、铬、钒等金属是一种“脆性”金属。,因此，只根据以上的一些特性来区分金属和非金属是不够充分的。,3.金属的特征：正的电阻温度系数,2.1 金属的特征,主要是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关,金属为何具有上述这些特性呢？,金属键 金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金属原子结合成固体时，彼此失去最外层子电子（过渡族元素也失去少数次外层电子），成为正离子，而失去的外层电子穿梭于正离子之间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力（库仓引力），这种结合方式称为金属键。,2.1 金属的特征,金属材料 以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征：良好的导电、导热性：自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作用下）导热。正的电阻温度系数：金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自由电子的定向运动，从而使电阻升高。不透明，有光泽：自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见光能量辐射出来，产生金属光泽。具有延展性：金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发生相对位移时，其结合键不会被破坏，从而具有延展性。,2.1 金属的特征,返回,2.2 金属的 晶体结构,1）晶体与非晶体 2）金属的晶体结构 3）晶面和晶向及其表示方法 4）金属晶体的特点,晶体：材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列长程有序。非晶体：原子无规则堆积，也称为“过冷液体”短程有序。,晶体金刚石、NaCl、冰 等。,2.2 金属的 晶体结构,（1）有确定的熔点,熔点,晶体,非晶体,2.2 金属的 晶体结构,2.2 金属的 晶体结构,a 原子堆垛模型,b 空间点阵,c 晶格,a,b,c,d 晶胞,2.2 金属的 晶体结构,空间点阵 将晶体内部的原子（离子）或原子群（离子群）抽象为无数点子按一定的方式在空间做有规则的周期性分布，这些几何点子的总体称为空间点阵，这些点称为阵点或节点。,晶格 用一系列假想的平行直线将空间点阵的阵点联结起来，形成的空间网络称为空间格子，也称晶格。,晶胞 为了研究空间点阵的排列特点，从点阵中取出一个反映点阵特征的基本单元（通常是一个平行六面体）作为其组成单元，这个平行六面体称为晶胞。,2.2 金属的 晶体结构,七大晶系，十四个空间点阵：,简单三斜,简单单斜,底心单斜,简单正交,体心正交,面心正交,底心正交,简单六方,简单菱方,简单正方,体心正方,简单立方,体心立方,面心立方,描述金属晶体结构的一些重要概念,晶胞原子数 一个晶胞内所含的原子数目。注意相邻晶胞的共有原子的计算方法。,原子半径 晶胞中最近邻的两个原子之间（平衡）距离的一半。,配位数 晶格中和某一原子相邻的原子数目称为配位数,致密度 晶胞中原子本身所占的体积与晶胞体积之比,2.2 金属的 晶体结构,常见的金属晶体结构,工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构，其中最典型的为以下三种：（1）体心立方晶格bcc（2）面心立方晶格fcc（3）密排六方晶格hcp,体心立方晶格,在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子，在体中心有一个原子，每个原子与空间点阵中的一个阵点相对应。属于这种晶体结构的纯金属有-Fe,Cr,Mo,W,V等。,2.2 金属的 晶体结构,体心立方晶胞,晶格常数：a=b=c；=90,晶胞原子数：,原子半径：,致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积Va:原子总体积,X,Y,Z,a,b,c,2r,2r,a,a,2,2.2 金属的 晶体结构,返回,面心立方晶格,2.2 金属的 晶体结构,属于这种晶体结构的纯金属有：,面心立方晶胞,晶格常数：a=b=c；=90,晶胞原子数：,原子半径：,致密度：0.74,X,Y,Z,a,b,c,密排方向,4,2.2 金属的 晶体结构,返回,C（石墨）、Mg、Zn 等,晶格常数 底面边长a 底面间距c=1.633a 侧面间角120 侧面与底面夹角90,晶胞原子数：6,原子半径：a/2,致密度：0.74,密排六方晶格,2.2 金属的 晶体结构,返回,2.2 金属的 晶体结构,配位数：8,配位数：12,配位数：12,X,Y,Z,a,b,c,晶面通过原子中心的平面,晶向通过原子中心的直线所指的方向,2.2 金属的 晶体结构,a.晶向指数的确定方法 1)以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系，通过原点作平行于所求晶向的直线。2)以相应的晶格常数为单位，求出直线上任意一点的三个坐标值。3)将所求坐标值化为最简整数，并用方括号括起，即为所求的晶向指数，例如101。具体晶向指数如图所示，其形式为uvw。,立方晶系的晶面、晶向表示方法,2.2 金属的 晶体结构,b.晶面指数的确定方法 1)选坐标，以晶格中某一原子为原点（注意不要把原点放在所求的晶面上），以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。2)以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个坐标轴的截距。3)求三个截距值的倒数。4)将所得数值化为最简单的整数，并用圆括号括起，即为晶面指数，如图所示，其形式为（hkl）。,2.2 金属的 晶体结构,注意：1)每一个晶面指数(或晶向指数)泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。2)立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。3)原子排列情况相同但空间位向不同的晶面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。,2.2 金属的 晶体结构,返回,（2）各向异性,不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象,X,Y,Z,多晶体材料的伪等向性,2.2 金属的 晶体结构,返回,理想晶体：是指晶体中原子严格地成，完全规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体。实际晶体：多晶体+晶体缺陷晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域，按其几何尺寸特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。,2.3 实际晶体中的缺陷,一、点缺陷,1.点缺陷的概念 是晶体中在X,Y,Z三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷。2.点缺陷的类型 主要有四类，即空位；间隙原子（有同类和异类之分）；置换原子（有大小之分）；复合空位。,置换原子,空位,复合空位,间隙原子,置换原子,2.3 实际晶体中的缺陷,二、线缺陷,线缺陷的概念:晶体中在一维方向上尺寸很大，而在另外二维方向上的尺寸很小的晶体缺陷，它的主要形式是位错。位错是晶体中一列或若干列原子，发生某种有规律的错排现象。位错的类型:刃型位错 螺型位错,2.3 实际晶体中的缺陷,刃位错,刃位错,刃型位错示意图,2.3 实际晶体中的缺陷,螺型位错示意图,2.3 实际晶体中的缺陷,位错密度：单位体积中位错线的总长度,或单位面积上位错线的根数,单位cm2位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶格发生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。实验和理论研究表明:晶体的强度和位错密度有如图的对应关系,当晶体中位错密度很低时,晶体强度很高；相反在晶体中位错密度很高时,其强度很高。但目前的技术,仅能制造出直径为几微米的晶须,不能满足使用上的要求。而位错密度很高易实现,如剧烈的冷加工可使密度大大提高,这为材料强度的提高提供途径。,三、面缺陷,概念：是指晶体中在二维方向上尺寸很大，而在另一维方向上尺寸很小的晶体缺陷。类型：主要包括晶体的外表面、堆垛层错、晶界、亚晶界、孪晶界和相界面等。,1.晶界,晶界是多晶体中晶粒与晶粒之间的交界面，由于各晶粒中原子排列方式相同（如都是体心立方），只是晶格位向不同，因此晶界实际上是不同位向晶粒之间的过渡层。该过渡层有一定的厚度，为了同时适应两侧不同位向晶粒的过渡，而使过渡层处的原子总是不能规则排列，产生晶格畸变，所以它是晶体中的一种重要的面缺陷。,根据晶体中各晶粒之间的位向差不同，又可将晶界分为大角度晶界（10）和小角度晶界（10）两类。,2.3 实际晶体中的缺陷,对称倾側晶界,扭转晶界,2.3 实际晶体中的缺陷,2.亚晶界,亚晶界是亚晶粒与亚晶粒之间的晶界，位向差一般为几十分到几度。大晶粒中的小晶粒称为亚晶粒。亚晶界的两种特殊形式为对称倾側晶界和扭转晶界。,亚晶界,2.3 实际晶体中的缺陷,返回,合金：由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元素，也可以是非金属元素）组成的有金属特征的金属材料。,思考,金属与非金属组成的是不是一定就是合金？,Fe+C,Fe(C)合金（钢）,Fe3C(化合物）,2.4 合金的相,组元：组成合金独立的最基本单元。组元可以是元素或是稳定化合物。,Fe(C)合金,Fe、C组元,Fe、Fe3C组元,类比,鸡蛋,水，蛋白质，脂肪，胆固醇,2.4 合金的相,相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相。,类比,鸡蛋,蛋白、蛋黄,工业纯铁,单相铁素体,共析碳钢,铁素体相、渗碳体相,普通陶瓷,晶相、玻璃相、气相,2.4 合金的相,组织：用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌图像的统称（宏观组织、微观组织）。组织是影响材料性能的重要因素。,相是组织的基本组成部分,相同的相，但当组成相的数量、大小、形态和分布不同时，其组织也不同！,不同的相构成不同的组织！,2.4 合金的相,固溶体：溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相称为固溶体。,“固体溶液”,均一的、保持熔剂金属的晶体结构 晶格常数发生一定变化,1.晶体结构特点,2.4 合金的相,2.固溶体的分类,按溶质原子所占据的位置,置换固溶体：溶质原子一般为半径相差不大的原子间隙固溶体：溶质原子半径小的非金属原子（H、O、N、C、B）,2.4 合金的相,按固态溶解度分：,有限固溶体：间隙固溶体只能是有限固溶体无限固溶体：无限固溶体只能是置换固溶体,形成无限固溶体的必备条件：置换固溶体 组元点阵相同 原子尺寸相差不大 负电性相同,按溶质原子在晶格中的分布状态分：有序固溶体、无序固溶体,2.4 合金的相,3.固溶体的性能,固溶强化：固溶体的强度、硬度随溶质原子浓度升高而明显增加，塑性、韧性稍有下降，这种现象称为。,金属材料重要的强化方式之一，固溶体具有良好的综合机械性能（强硬度、塑韧性的综合），一般作为合金的基体相。,2.4 合金的相,正常晶格,大原子置换引起的晶格畸变,小原子置换引起的晶格畸变,间隙原子引起的晶格畸变,2.4 合金的相,金属间化合物：两组元形成合金时，当超过固溶体的溶解极限时，形成的一种晶体结构不同于任一组元的新相，称为金属间化合物，也称中间相。,晶体结构不同于任一组元金属 性能不同于任一组元金属 一般具有较高的熔点、硬度，较大的脆性,1.特点,正常价化合物 电子化合物 间隙相和间隙化合物,2.分类,2.4 合金的相,返回,2.4 合金的相,合金相,固溶体,金属化合物,置换固溶体,间隙固溶体,正常价化合物,电子化合物,间隙化合物,本章内容总结,金属的特征,金属键,金属的晶体结构,晶体学基本概念,金属常见的三种晶体结构,晶面指数、晶向指数表示方法,晶体缺陷,合金的相结构,合金的基本概念,合金的基本相：固溶体和金属化合物,第二章 材料的结构,金属的特性和金属键；金属晶体结构是决定性能的内在基本因素之一；实际晶体中晶体缺陷普遍存在，对金属的许多性质，尤其是力学性能有着重大的影响；合金的相结构；,The End,讲解知识点：,1.金属的晶体结构2.晶体缺陷3.合金的相结构,