工程材料 第二章 材料的結(jié)構(gòu)

1、l物質(zhì)由原子組成。原子物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。決定了物質(zhì)的性能。l原子、離子、分子之間原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱它們的具體組合狀態(tài)稱為為結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)。C60金屬的結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)晶態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)l1、晶體與非晶體、晶體與非晶體l晶體晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。要以晶體形式存在。晶體具有各向異性晶體具有各向異性。l非晶體非晶體是指原子呈無序排列的固體。是指原子呈無序排列的固體。在一定條件在一定條件下晶體和

2、非晶體可互相轉(zhuǎn)化。下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。l 晶格：晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成用假想的直線將原子中心連接起來所形成。的三維空間的三維空間格架。格架。直線直線的交點（原的交點（原子中心）稱子中心）稱結(jié)點。結(jié)點。由結(jié)由結(jié)點形成的空點形成的空間點的陣列間點的陣列稱稱空間點陣空間點陣l 晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。l 晶系：晶系：l根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。l90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。l立方晶系：立方晶系：a=b=c， = =

3、=90 l六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c， = =90 ， =120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交單斜單斜三斜三斜l 晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：晶晶胞個邊的尺寸胞個邊的尺寸 a、b、c。l各棱間的夾角用各棱間的夾角用 、 、 表示。表示。l 原子半徑：原子半徑：晶胞中原晶胞中原子密度最大方向上相鄰子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。原子間距的一半。l 晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：一個晶一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。l 配位數(shù)：配位數(shù)：晶格中與任晶格中與任一原子距離最近且相等一原子距離最近且相等的原子數(shù)目。的原子數(shù)目。l 致密度：致密度：晶胞中原子晶胞中原子本身所

4、占的體積百分數(shù)。本身所占的體積百分數(shù)。l晶體中各方位上的晶體中各方位上的原子面稱原子面稱晶面。晶面。l各方向上的原子列各方向上的原子列稱稱晶向。晶向。l晶面指數(shù)晶面指數(shù)l表示晶面的符號稱表示晶面的符號稱晶面指數(shù)晶面指數(shù)。l其確定步驟為：其確定步驟為：l 確定原點，建立坐標系，求出所求晶面在三個坐確定原點，建立坐標系，求出所求晶面在三個坐標軸上的截距。標軸上的截距。l 取三個截距值的倒數(shù)并按比例化為最小整數(shù)，加取三個截距值的倒數(shù)并按比例化為最小整數(shù)，加圓括弧，形式為圓括弧，形式為（hkl）。l例一例一.求截距為求截距為 、1、 晶面的指數(shù)晶面的指數(shù) 截距值取倒數(shù)為截距值取倒數(shù)為0、1、0，加圓括

5、，加圓括弧得（弧得（010）l例二例二.求截距為求截距為2、3、 晶面的指數(shù)晶面的指數(shù) 取倒數(shù)為取倒數(shù)為1/2、1/3 、 0, 化為最小化為最小整數(shù)加圓括弧得（整數(shù)加圓括弧得（320）l例三例三.畫出（畫出（112）晶面）晶面 取三指數(shù)的倒數(shù)取三指數(shù)的倒數(shù)1、1、1/2, 化成最化成最小整數(shù)為小整數(shù)為2、2、1，即為，即為X、Y、Z三三坐標軸上的截距坐標軸上的截距l(xiāng) 晶向指數(shù)晶向指數(shù)l表示晶面的符號稱晶面指數(shù)。表示晶面的符號稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：其確定步驟為：l 確定原點，建確定原點，建立坐標系，過原立坐標系，過原點作所求晶向的點作所求晶向的平行線。平行線。l 求直線上任一求直線上任一點

6、的坐標值并按點的坐標值并按比例化為最小整比例化為最小整數(shù)，加方括弧。數(shù)，加方括弧。形式為形式為uvw。l例一、例一、已知某過原點晶向上一點的坐標為已知某過原點晶向上一點的坐標為1、1.5、2，求該直線的晶向指數(shù)。求該直線的晶向指數(shù)。l將三坐標值化為最小整數(shù)加方括弧得將三坐標值化為最小整數(shù)加方括弧得234。l例二、例二、已知晶向指已知晶向指數(shù)為數(shù)為110, 畫出該畫出該晶向。晶向。l找出找出1、1、0坐標點坐標點,連接原點與該點的連接原點與該點的直線即所求晶向。直線即所求晶向。110234l(hkl)與與uvw分別表示的是一組平行的晶向和晶面。分別表示的是一組平行的晶向和晶面。l指數(shù)雖然不同，但

7、原子排列完全相同的晶向和晶面指數(shù)雖然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面稱作稱作晶向族晶向族或或晶面族晶面族。分別用分別用hkl和和表示。表示。l例如例如112、123)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY 立立方方晶晶系系常常見見的的晶晶面面111111111111:111110011101011101110:110001010100:100 、 立立方方晶晶系系常常見見的的晶晶向向111111111111X

8、ZY說明：說明： 在立方晶系中，指數(shù)在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相相同的晶面與晶向相互垂直互垂直。 遇到負指數(shù)，遇到負指數(shù)，“- -”號號放在該指數(shù)的上方。放在該指數(shù)的上方。 晶向具有方向性，晶向具有方向性， 如如110與與110方方 向相反。向相反。XZY(221)221110110l1、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)l金屬原子是通過正離子與自金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為稱為金屬鍵金屬鍵。l金屬原子趨向于緊密排列。金屬原子趨向于緊密排列。價電子云價電子云正離子正離子金屬鍵示意圖金屬鍵示意圖l具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光

9、澤。具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。l常見純金屬的晶格類型有體心立方常見純金屬的晶格類型有體心立方(bcc)、面心立方、面心立方(fcc)和密排六方和密排六方(hcp)晶格。晶格。 體體心心立立方方晶晶格格體心立方晶格體心立方晶格體心立方晶格的參數(shù)體心立方晶格的參數(shù)l體心立方晶格體心立方晶格原子個數(shù)：原子個數(shù)：2配位數(shù)：配位數(shù)： 8致密度：致密度：0.68常見金屬：常見金屬： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a(a=b=c)ar43 原子半徑：原子半徑： 面面心心立立方方晶晶格格面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格的參數(shù)面心立方晶格的參數(shù) a42r ：原子半

10、徑原子半徑原子個數(shù)：原子個數(shù)：4配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74常見金屬：常見金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：al面心立方晶格面心立方晶格 密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶格的參數(shù)密排六方晶格的參數(shù)a21r ：原子半徑原子半徑原子個數(shù)：原子個數(shù)：6配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74常見金屬：常見金屬： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：底面邊長底面邊長 a 和高和高 c， c/a=1.633l密排六方晶格密排六方晶格l 三種常見晶格的密排面和密排方向三種常見晶格的密排面和密排方向l單位面積晶面上的原子數(shù)稱單位面積晶面

11、上的原子數(shù)稱晶面原子密度晶面原子密度。l單位長度晶向上的原子數(shù)稱單位長度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度晶向原子密度。l原子密度最大的晶面或晶向稱原子密度最大的晶面或晶向稱密排面密排面或或密排方向密排方向。密排面密排面數(shù)量數(shù)量密排方向密排方向數(shù)量數(shù)量體心立方晶格體心立方晶格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底面對角線底面對角線3l三種常見晶格的密三種常見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對角線底面對角線密排六方晶格密排六方晶格面心立方晶格面心立方晶格體心立方晶格體心立方晶格體心立方體心立方(110)面面面心立方面心立方(11

12、1)面面密排六方底面密排六方底面l面心立方晶格與密排六方晶格密排面的堆垛順序面心立方晶格與密排六方晶格密排面的堆垛順序l密排六方晶格密排六方晶格的堆垛順序為的堆垛順序為ABABABl面心立方晶格面心立方晶格的堆垛順序為的堆垛順序為ABCABCABCl面心立方晶格的原子堆垛面心立方晶格的原子堆垛l變形金屬晶粒尺寸約變形金屬晶粒尺寸約1100 m，鑄造金屬可達幾，鑄造金屬可達幾mm。純鐵組織純鐵組織晶粒示意圖晶粒示意圖l 單晶體與多晶體單晶體與多晶體l單晶體：單晶體：其內(nèi)部晶格方位完其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。全一致的晶體。l多晶體：多晶體：l晶粒：晶粒：實際使用的金屬材料實際使用的金屬材料是由

13、許多彼此方位不同、外是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為些小晶體稱為晶粒晶粒。鉛錠宏觀組織鉛錠宏觀組織l晶粒越細小，晶界面積越大。晶粒越細小，晶界面積越大。l多晶體：多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。光學(xué)金相顯示的純鐵晶界光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖多晶體示意圖l 晶體缺陷晶體缺陷l晶格的不完整部晶格的不完整部位稱位稱晶體缺陷晶體缺陷。l實際金屬中存在實際金屬中存在著大量的晶體缺著大量的晶體缺陷，按形狀可分陷，按形狀可分三類，即點、線、三類，即點、線、面缺陷。面缺陷。l 點缺陷點缺陷 l空間三維尺寸都空間三維尺寸都很小

14、的缺陷。很小的缺陷。l空位空位l間隙原子間隙原子l置換原子置換原子la. 空位：空位：晶格中某些晶格中某些缺排原子的空結(jié)點。缺排原子的空結(jié)點。lb. 間隙原子：間隙原子：擠進晶擠進晶格間隙中的原子。格間隙中的原子?？煽梢允腔w金屬原子，以是基體金屬原子，也可以是外來原子。也可以是外來原子。體心立方的四面體和八面體間隙體心立方的四面體和八面體間隙lc. 置換原子：置換原子：取代原來原子位置的外來原取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。子稱置換原子。l點缺陷破壞了原子的平衡狀點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶晶空位空位間隙原子間隙原子大置換原子大置換原子小置換原

15、子小置換原子格畸變格畸變。從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降?？瘴缓烷g隙原子引起的晶格畸變空位和間隙原子引起的晶格畸變l 線缺陷線缺陷晶體中的位錯晶體中的位錯l位錯：位錯：晶格中一部分晶體相晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移，滑移面上滑移區(qū)與未刃型位錯刃型位錯 螺型位錯螺型位錯滑移區(qū)的交界線稱作滑移區(qū)的交界線稱作位錯位錯。分為。分為刃型位錯刃型位錯和和螺型位錯螺型位錯。刃型位錯和螺型位錯刃型位錯和螺型位錯刃位錯的形成刃位錯的形成l刃型位錯：刃型位錯：當(dāng)一個完整晶體某晶面以上的某處多出當(dāng)一個完整晶

16、體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是余原子面的邊緣就是刃型位錯刃型位錯。l半原子面在滑移面以上的稱半原子面在滑移面以上的稱正位錯正位錯，用，用“ ”表示。表示。l半原子面在滑移面以下的稱半原子面在滑移面以下的稱負位錯負位錯，用，用“ ”表示。表示。l位錯密度：位錯密度：單位體積內(nèi)所包單位體積內(nèi)所包含的位錯線總長度。含的位錯線總長度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)l金屬的位錯密度為金屬的位錯密度為1041012/cm2l位錯對性能的影響位錯對性能的影響：金屬的金屬的塑性變形主要由位錯運動引塑性

17、變形主要由位錯運動引起，因此阻礙位錯運動是強起，因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。化金屬的主要途徑。l減少或增加位錯密度都可以減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度。提高金屬的強度。金屬晶須金屬晶須退火態(tài)退火態(tài)(105-108/cm2) 加工硬化態(tài)加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2) 透射電鏡下鈦合金中的位錯線透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線黑線)電子顯微鏡下的位錯觀察l 面缺陷面缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界l晶界是不同位向晶粒的過度部位晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為，寬度為510個原個原子間距，位向差一般為子間距，位向差一般為2040。亞晶粒亞晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角

18、度晶界位錯壁位錯壁l亞晶粒亞晶粒是組成晶粒的尺寸很是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小小，位向差也很小(10 2 )的小晶塊。的小晶塊。l亞晶粒之間的交界面稱亞晶粒之間的交界面稱亞晶亞晶界界。亞晶界也可看作亞晶界也可看作位錯壁位錯壁。l晶界的特點：晶界的特點：l 原子排列不規(guī)則原子排列不規(guī)則。l 熔點低熔點低。l 耐蝕性差耐蝕性差。l 易產(chǎn)生內(nèi)吸附易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原，外來原子易在晶界偏聚。子易在晶界偏聚。l 阻礙位錯運動阻礙位錯運動，是強化，是強化部位，因而實際使用的金部位，因而實際使用的金屬力求獲得細晶粒。屬力求獲得細晶粒。l 是相變的優(yōu)先形核部位是相變的優(yōu)先形核部位 顯微組織的顯示顯微組織

19、的顯示l合金合金是指由兩種或兩種是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。屬特性的物質(zhì)。l組成合金的元素可以是組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金全部是金屬，也可是金屬與非金屬。屬與非金屬。l組成合金的元素相互作組成合金的元素相互作用可形成不同的用可形成不同的相相。Al-Cu兩相合金兩相合金黃銅黃銅l所謂所謂相相是指金屬或合金中凡是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開的均勻其它部分有界面分開的均勻組成部分。組成部分。l顯微組織顯微組織實質(zhì)上是指在顯微實質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或鏡下觀察到的金屬中各相或各晶

20、粒的各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小形態(tài)、數(shù)量、大小和分布和分布的組合。的組合。l固態(tài)合金中的相分為固態(tài)合金中的相分為固溶體固溶體和和金屬化合物金屬化合物兩類。兩類。單相單相合金合金兩相兩相合金合金l 固溶體固溶體l合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固 相稱相稱固溶體固溶體。習(xí)慣以習(xí)慣以 、 、 表示。表示。l與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶溶劑劑。其它元素稱。其它元素稱溶質(zhì)溶質(zhì)。l固溶體是合金的重要組成相固溶體是合金的重要組成相，實，實際合金多是單相固溶體合金或以際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。固溶體為基的合金。

21、l按溶質(zhì)原子所處位置分為按溶質(zhì)原子所處位置分為置換固置換固溶體溶體和和間隙固溶體間隙固溶體。Cu-Ni置換固溶體置換固溶體Fe-C間隙固溶體間隙固溶體l 置換固溶體置換固溶體l溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點位置所形成的固溶溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點位置所形成的固溶體。體。l溶質(zhì)原子呈無序分布的稱溶質(zhì)原子呈無序分布的稱無序固溶體，無序固溶體，呈有序分布呈有序分布的稱的稱有序固溶體。有序固溶體。黃銅置換固溶體組織黃銅置換固溶體組織l 間隙固溶體間隙固溶體l溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。l形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金形成間隙固溶體的溶

22、質(zhì)元素是原子半徑較小的非金 屬元素，如屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般等，而溶劑元素一般是過渡族元素。是過渡族元素。l形成間隙固溶體的一形成間隙固溶體的一般規(guī)律為般規(guī)律為r質(zhì)質(zhì)/r劑劑0.59。l間隙固溶體都是無序間隙固溶體都是無序固溶體。固溶體。l 固溶體的溶解度固溶體的溶解度l溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。l溶解度有一定限度的固溶體稱溶解度有一定限度的固溶體稱有有限固溶體限固溶體。l組成元素?zé)o限互溶的固溶體稱組成元素?zé)o限互溶的固溶體稱無無限固溶體限固溶體。l組成元素原子半徑、電化學(xué)特性組成元素原子半徑、電化學(xué)特性相近，晶格類型相同的置換固溶相近，晶格類型

23、相同的置換固溶體，才有可能形成無限固溶體。體，才有可能形成無限固溶體。 l間隙固溶體都是有限固溶體。間隙固溶體都是有限固溶體。Cu-Ni無限固溶體無限固溶體Cu-Zn有限固溶體有限固溶體固溶體固溶體化合物化合物l 固溶體的性能固溶體的性能l隨溶質(zhì)含量增加隨溶質(zhì)含量增加, 固溶體固溶體的強度的強度、硬度增加硬度增加, 塑性、塑性、韌性下降韌性下降固溶強化固溶強化。l產(chǎn)生固溶強化的原因是產(chǎn)生固溶強化的原因是溶質(zhì)原子使溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸晶格發(fā)生畸變變及對位錯的及對位錯的釘扎作用釘扎作用。l與純金屬相比，固溶體的強度、硬度高，塑性、韌與純金屬相比，固溶體的強度、硬度高，塑性、韌性低。但與化合物相比，其硬度要低得多，而塑性性低。但與化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。和韌性則要高得多。金屬化合物金屬化合物l合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固