第二章_金屬的晶體結(jié)構(gòu)2

1、第二章第二章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)硅表面原子排列 碳表面原子排列 第一節(jié)第一節(jié) 金屬金屬v一、金屬的特性一、金屬的特性v引入金屬的概念：介紹其特性，并加以分析v（1）不透明 （2）有特殊光澤 （3）有可鍛性（4）有良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性 （5）有正的電阻溫度系數(shù)v金屬與非金屬的根本區(qū)別方法：電阻溫度系數(shù)的特點(diǎn)二、金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)二、金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)v原子組成：原子核+核外電子；軌道最外層電子數(shù)較少v材料的結(jié)合方式：共價(jià)鍵、離子鍵、金屬鍵、范得華分子鍵v特點(diǎn)：正離子和周圍電子云組成三、金屬原子間的結(jié)合方式（金屬鍵）三、金屬原子間的結(jié)合方式（金屬鍵）v金屬材料原子間的結(jié)合方式：主要是：金屬

2、鍵v金屬的特性是由金屬鍵這種結(jié)合方式所決定的，它們之間有密切的關(guān)系。v 金屬原子結(jié)合方式金屬鍵：依靠正離子與構(gòu)成電子氣的自由電子之間的靜電引力而使諸原子結(jié)合到一起的方式。 特點(diǎn)：電子逸出共有，結(jié)合力較大，無方向性和飽和性；金屬特性：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性好，熔點(diǎn)較高。如金屬Fe、Au等。第二節(jié)第二節(jié) 金屬晶體結(jié)構(gòu)金屬晶體結(jié)構(gòu)v一、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識一、晶體結(jié)構(gòu)的基本知識金屬晶體模型晶體的基本知識金屬的性能是由其組織結(jié)構(gòu)決定的，其中結(jié)構(gòu)指的就是晶體結(jié)構(gòu)。金屬的晶體結(jié)構(gòu)就是其內(nèi)部原子的排列方式，因?yàn)榻饘偈蔷w，所以稱為晶體結(jié)構(gòu)。(一)晶體與非晶體1、晶體：內(nèi)部原子或分子在三維空間內(nèi)呈周期性規(guī)則排列

3、的物質(zhì)。 長程有序，各向異性。2、非晶體：內(nèi)部原子或分子在三維空間內(nèi)不規(guī)則排列。 長程無序，各向同性。注：在自然界中除少數(shù)固態(tài)物質(zhì)（如普通玻璃、松香、石蠟等）是非晶體外，絕大多數(shù)都是晶體，如金屬、合金、硅酸鹽，大多數(shù)無機(jī)化合物和有機(jī)化合物，甚至植物纖維都是晶體。 晶體的特點(diǎn)：v一般具有規(guī)則的外形v具有固定的熔點(diǎn)v具有各向異性v晶體的性能與結(jié)構(gòu)有很大關(guān)系。u晶體有單晶體和多晶體之分！ 單晶體與多晶體 晶體與非晶體的性能區(qū)別v有些晶體具有規(guī)則的多面體外形，如水晶；有些則沒有規(guī)則整齊的外形，如金屬。v 晶體有固定的熔點(diǎn)，而非晶體則沒有。 晶體與非晶體的轉(zhuǎn)變v晶體與非晶體在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)變w玻璃

4、經(jīng)長時間加熱能變?yōu)榫B(tài)玻璃；w金屬從高溫液態(tài)急冷，可變?yōu)榉蔷B(tài)金屬；1.非晶態(tài)金屬具有高的強(qiáng)度與韌性等一系列突出性能，近年來已為人們所重視。（二）晶體結(jié)構(gòu)的基本概念1、晶格、晶格v原子的剛性球堆垛模型-直觀易懂。但不易看清排列規(guī)律-抽象成空間幾何點(diǎn)-空間點(diǎn)陣-陣點(diǎn)之間連線-空間格子-晶格。便于分析研究。晶體：其原子抽象為剛性球幾何點(diǎn)空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣：由幾何點(diǎn)做周期性的規(guī)則排列所形成的三維陣列。 空間點(diǎn)陣中的點(diǎn)陣點(diǎn)。它是純粹的幾何點(diǎn)，各點(diǎn)周圍環(huán)境相同。晶格：描述晶體中原子排列規(guī)律的空間格架稱之為晶格。2、晶胞、晶胞v為便于分析、研究，根據(jù)晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，為便于分析、研究，根據(jù)晶體的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，在晶

5、格中抽取最具代表性的最小幾何單元：在晶格中抽取最具代表性的最小幾何單元：晶胞晶胞 晶胞：空間點(diǎn)陣中能代表原子排列規(guī)律的最小的幾何單元稱之為晶胞，是構(gòu)成空間點(diǎn)陣的最基本單元。選取原則：能夠充分反映空間點(diǎn)陣的對稱性；相等的棱和角的數(shù)目最多；具有盡可能多的直角；體積最小。3、晶格、晶格常常數(shù)數(shù)v建立坐標(biāo)系：v在X、Y、Z軸（晶軸）上的單位長度分別?。篴、b、c；三軸之間的夾角分別取、。v晶軸的棱邊長度、棱邊夾角六個參數(shù)為晶格參數(shù)，它們表示晶胞的幾何形狀和大小。a、b、c稱為晶格常數(shù)；、為軸間夾角。二、金屬中常見的三種晶體結(jié)構(gòu)二、金屬中常見的三種晶體結(jié)構(gòu)u在元素周期表一共約有在元素周期表一共約有110

6、種元素，其中種元素，其中80多種是多種是金屬，占金屬，占2/3。而這。而這80多種金屬的晶體結(jié)構(gòu)大多屬多種金屬的晶體結(jié)構(gòu)大多屬于三種典型的晶體結(jié)構(gòu)。于三種典型的晶體結(jié)構(gòu)。v（一）、體心立方晶格 bcc表示v晶胞是一個立方體，晶格常數(shù)晶胞是一個立方體，晶格常數(shù)a=b=c；三軸之間的；三軸之間的夾角夾角=90o。在體心立方晶胞中，原子位于立。在體心立方晶胞中，原子位于立方體的八個頂角和中心。屬于這類晶格的金屬有方體的八個頂角和中心。屬于這類晶格的金屬有-Fe、Cr、V、W、Mo、Nb等。等。 （二）面心立方晶格 fcc表示v面心立方晶胞如圖面心立方晶胞如圖2-7所示。它的形狀也是一所示。它的形狀也

7、是一個立方體。在面心立方晶胞中，原子位于立個立方體。在面心立方晶胞中，原子位于立方體的八個頂角和六個面的中心。屬于這類方體的八個頂角和六個面的中心。屬于這類晶格的金屬有晶格的金屬有-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。等。 （三）密排六方晶格（三）密排六方晶格hcp表示表示v密排六方晶胞如圖密排六方晶胞如圖2-8所示。它是一個正六方所示。它是一個正六方柱體，在晶胞的柱體，在晶胞的12個角上各有一個原子，上個角上各有一個原子，上底面和下底面的中心各有一個原子，上下底底面和下底面的中心各有一個原子，上下底面的中間有三個原子。屬于這類晶格的金屬面的中間有三個原子。屬于這類晶格的金屬有有Mg、

8、Zn、Be、Cd等。等。 三、表示晶體結(jié)構(gòu)特征的幾何參數(shù)三、表示晶體結(jié)構(gòu)特征的幾何參數(shù)v（一）晶胞原子數(shù)一個晶胞內(nèi)所包含的原子個數(shù)。v（1） 體心立方晶格 1/8*8+1=2（個）八個頂點(diǎn)和體心一個v（2）面心立方晶格 1/8*8+1/2*6=4（個）v（3）密排六方晶格 1/6*12+1/2*2+3=6（個）原子個數(shù)每個晶胞實(shí)際占有的原子個數(shù)。 （分析時要認(rèn)真考慮每個原子的空間狀況）在體心立方晶胞中, 每個角上的原子在晶格中同時屬于8個相鄰的晶胞,因而每個角上的原子屬于一個晶胞僅為1/8, 而中心的那個原子則完全屬于這個晶胞。所以一個體心立方晶胞所含的原子數(shù)為 2個。 （二）原子半徑（二）原

9、子半徑v原子有大小，一般可近似看成有一定大小的剛性球，這樣就可以推算出其原子半徑：v（1） 體心立方晶格 在體對角線上的原子是相互緊密接觸的，那么原子半徑與晶格常數(shù)a之間的關(guān)系：ar43v（2）面心立方晶格 面對角線上原子相互緊密接觸的v（3）密排六方晶格 c/a1.633時 ar42ar21（三）原子排列的緊密程度 1、配位數(shù) 評定晶格中原子排列的緊密程度，是指：晶格中與任一原子最近鄰、等距離的原子數(shù)目。配位數(shù)越大，晶體中原子排列越緊密。v（1） 體心立方晶格 配位數(shù)是8v（2）面心立方晶格 配位數(shù)是12v（3）密排六方晶格 配位數(shù)是12 2、致密度v晶胞中所包含的原子所占有的體積與該晶胞體

10、積之比稱為致密度(也稱密排系數(shù))。致密度越大, 原子排列緊密程度越大。 （1）體心立方晶胞的致密度為： 晶胞(或晶格)中有68%的體積被原子所占據(jù), 其余為空隙。 間隙半徑v若在晶胞空隙中放入剛性球, 則能放入球的最大半徑為空隙半徑。體心立方晶胞中有兩種空隙。 四面體空隙 其半徑為: r四=0.29r原子 八面體空隙 其半徑為: r八=0.15r原子v（2）面心立方晶格 致密度0.74v比體心立方晶格原子排列的緊密程度更高，但是！其間隙卻比體心的尺寸要大。間隙半徑v四面體空隙 其半徑為: r四=0.225r原子v 八面體空隙 其半徑為: r八=0.414r原子v（3）密排六方晶格 致密度0.7

11、4*晶胞中有空隙存在，對材料的各種性質(zhì)有很大影響。四、晶面指數(shù)和晶向指數(shù)（一）晶面和晶向的概念晶面：通過空間點(diǎn)陣中一系列陣點(diǎn)構(gòu)成的平面。晶向：空間點(diǎn)陣中各陣點(diǎn)列的方向。國際上通用米勒指數(shù)標(biāo)定晶向和晶面。晶面指數(shù)的標(biāo)定過程： a 建立坐標(biāo)系：確定原點(diǎn)（晶面外）、坐標(biāo)軸和度量單位。 b 求截距：x,y,z。 c 取倒數(shù)：h,k,l。 d 化整數(shù)：h,k,k。 e 加圓括號：(hkl)。1、立方晶格的晶面指數(shù)（二）、立方晶格的晶面指數(shù)和晶向指數(shù)說明： 指數(shù)意義：代表一組平行的晶面； 0的意義：面與對應(yīng)的軸平行； 平行晶面：指數(shù)相同，或數(shù)字相同但正負(fù) 號相反； 晶面族晶面族：晶體中具有相同條件（原子排

12、列和晶面間距完全相同），空間位向不同的各組晶面。用hkl表示。如圖所示。 2、立方晶格的晶向指數(shù)、立方晶格的晶向指數(shù) （1）晶向指數(shù)的標(biāo)定 a 建立坐標(biāo)系。確定原點(diǎn)（陣點(diǎn)）、坐標(biāo)軸和度量單位（棱邊）。 b 求坐標(biāo)。u,v,w。 c 化整數(shù)。 u,v,w. d 加 。uvw。說明： a 指數(shù)意義：代表相互平行、方向一致的所有晶向。 b 負(fù)值：標(biāo)于數(shù)字上方，表示同一晶向的相反方向。 晶向族 晶體中原子排列情況相同但空間位向不同的一組晶向。用表示，數(shù)字相同，但排列順序不同或正負(fù)號不同的晶向?qū)儆谕痪蜃濉?如=100+001+010若晶面與晶向垂直，則u=h, k=v, w=l，也就 是指數(shù)相同。（

13、三）六方系晶向指數(shù)和晶面指數(shù) 六方晶系采用四指數(shù)方法表示晶面和晶向。水平坐標(biāo)軸選取互相成120夾角的三坐標(biāo)軸a1、a2和a3, 垂直軸為c軸(圖1-9)。晶面表示為(hkil), 晶面族為hkil, 晶向表示為uvtw, 晶向族為。六方晶系的幾個主要晶面和晶向的表示如圖所示。密排面和密排方向v 不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上原子排列方式和排列密度不一樣。其性能也不同！v 在體心立方晶格中，原子密度最大的晶面為110, 稱為密排面; 原子密度最大的晶向?yàn)? 稱為密排方向。v 在面心立方晶格中, 密排面為111, 密排方向?yàn)椤５谌?jié) 金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) 在晶體內(nèi)部原子排列并不是完全規(guī)則的，在局

14、部一定尺寸范圍內(nèi)原子排列不規(guī)則的現(xiàn)象稱為晶體缺陷，晶體缺陷在材料組織控制（如擴(kuò)散、相變）和性能控制（如材料強(qiáng)化）中具有重要作用。晶體缺陷晶體缺陷按其作用范圍可分為：按其作用范圍可分為：點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。 如空位、間隙原子、異類原子等。線缺陷：在兩個方向上尺寸很小，而另一個方向上 尺寸較大的缺陷。主要是位錯。面缺陷：在一個方向上尺寸很小，在另外兩個方向 上尺寸較大的缺陷。如晶界、相界、表面等。一一 、點(diǎn)缺陷、點(diǎn)缺陷 由于原子熱振動造成的。1、 點(diǎn)缺陷的類型（1）空位：肖脫基空位離位原子進(jìn)入其它空位或遷移至晶界或表面。弗蘭克爾空位離位原子進(jìn)入晶體間隙。（2）間隙原子：位于

15、晶體點(diǎn)陣間隙的原子。（3）置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。置換原子點(diǎn)缺陷對晶格和性能的影響 （1）結(jié)構(gòu)變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹。） （2）性能變化：物理性能（如電阻率增大，密度減小。）力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度提高。） 二、二、 線缺陷（位錯）線缺陷（位錯） 位錯：晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的錯排。意義：（對材料的力學(xué)行為如塑性變形、強(qiáng)度、斷裂等起著決定性的作用，對材料的擴(kuò)散、相變過程有較大影響。）位錯的提出：1926年，弗蘭克爾發(fā)現(xiàn)理論晶體模型剛性切變強(qiáng)度與與實(shí)測臨界切應(yīng)力的巨大差異（24個數(shù)量級）。類型：刃型位錯、螺型位錯。刃型

16、位錯、螺型位錯。 （一）刃型位錯模型：滑移面/半原子面/位錯線 （位錯線晶體滑移方向， 位錯線位錯運(yùn)動方向，晶體滑移方向/位錯運(yùn)動方向。）分類：正刃型位錯（）；負(fù)刃型位錯（）。產(chǎn)生：空位塌陷；局部滑移。（二）螺型位錯 位錯應(yīng)力是與位錯線平行的切應(yīng)力。螺型位錯有左右之分。 不銹鋼中的位錯線（三）位錯密度以及位錯密度與金屬強(qiáng)度的關(guān)系v1、位錯密度及其表示方法v單位面積上位錯線的根樹；單位體積中位錯線的長度。v注意：位錯數(shù)目特別大。v2、位錯密度和材料強(qiáng)度的關(guān)系 圖1-20v工業(yè)上的應(yīng)用：增加位錯密度提高強(qiáng)度，提高材料利用率；v減小位錯密度也可以提高強(qiáng)度，強(qiáng)化金屬。減小位錯密度也可以提高強(qiáng)度，強(qiáng)化金屬。 三 、面缺陷 面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它們對材料的力學(xué)和物理化學(xué)性能具有重要影響。 （一）晶界：兩個空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面。（1）分類 大角度晶界： 晶粒位向差大于10度的晶界。 其結(jié)構(gòu)為幾個原子范圍內(nèi)的原的混 亂排列，可