gc02-1晶體結(jié)構(gòu)

1、工程材料及應(yīng)用工程材料及應(yīng)用多媒體教案ENGINEERING MATERIALS五邑大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院第二章第二章第二二章 材料的晶體結(jié)構(gòu) 內(nèi)容提要： 本章重點(diǎn)介紹純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺本章重點(diǎn)介紹純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和合金的結(jié)構(gòu)、金屬材料的組織。陷和合金的結(jié)構(gòu)、金屬材料的組織。 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 本章重點(diǎn)掌握金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷本章重點(diǎn)掌握金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和合金的結(jié)構(gòu)。和合金的結(jié)構(gòu)。第一節(jié)第一節(jié) 晶體結(jié)構(gòu)基本知識(shí)晶體結(jié)構(gòu)基本知識(shí) 1.1. 晶格與晶胞晶格與晶胞 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 晶體中原子晶體中原子( (離子或分子離子或分子) )規(guī)則排列的規(guī)則排列的方式。方式。為了表達(dá)空間原子排

2、列的幾何規(guī)律，把粒子為了表達(dá)空間原子排列的幾何規(guī)律，把粒子( (原子或原子或分子分子) )在空間的平衡位置作為節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)用一系列在空間的平衡位置作為節(jié)點(diǎn)，將節(jié)點(diǎn)用一系列假想的相互平行的直線連接起來(lái)形成的幾何空間格假想的相互平行的直線連接起來(lái)形成的幾何空間格架稱為稱為架稱為稱為晶格晶格。 晶胞：晶胞：能反能反映該晶格特征的映該晶格特征的最小組成單元。最小組成單元。三、晶系三、晶系二、晶格常數(shù)二、晶格常數(shù) 按點(diǎn)陣常數(shù)不按點(diǎn)陣常數(shù)不同對(duì)晶體的分類(lèi)。同對(duì)晶體的分類(lèi)。 7個(gè)晶系，14種晶胞。 棱邊長(zhǎng)棱邊長(zhǎng)a a、b b、c c 棱邊間夾角棱邊間夾角、 a a、b b、c c 稱為稱為晶格常數(shù)晶格常數(shù)。

3、 金屬的晶格常數(shù)一般為金屬的晶格常數(shù)一般為: : 1 11010-10-10 m m7 71010-10 -10 m m (0.1nm (0.1nm0.7nm)0.7nm) 老師提示老師提示 不同元素組成的金屬晶體因晶格不同元素組成的金屬晶體因晶格形式及晶格常數(shù)的不同，表現(xiàn)出不同的物理、形式及晶格常數(shù)的不同，表現(xiàn)出不同的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。金屬的晶體結(jié)構(gòu)可用化學(xué)和力學(xué)性能。金屬的晶體結(jié)構(gòu)可用X X射線射線結(jié)構(gòu)分析技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。結(jié)構(gòu)分析技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。同素異構(gòu)性、同素異構(gòu)晶體 三、純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn): :以金屬鍵結(jié)合，失去外層電子的金屬離子與以金屬鍵結(jié)合，失去外層電子的金屬離子與

4、自由電子的吸引力。無(wú)方向性，對(duì)稱性較高的密堆自由電子的吸引力。無(wú)方向性，對(duì)稱性較高的密堆結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。常見(jiàn)結(jié)構(gòu)常見(jiàn)結(jié)構(gòu)：體心立方體心立方 b.c.c b.c.c Body-centered cubic面心立方面心立方 f.c.c f.c.c Face-centered cubic密排六方密排六方 c.p.h c.p.h Close-packed hexagonal1. 1. 體心立方晶格體心立方晶格( (胞胞) ( BCC ) ( BCC 晶格晶格) )原子位置原子位置 立方體的八個(gè)頂角和體心立方體的八個(gè)頂角和體心 體心立方晶胞特征：體心立方晶胞特征： （1 1）晶格常數(shù)）晶格常數(shù) a a= =

5、b b= =c, c, = = =90=90 具有體心立方晶具有體心立方晶格的金屬有鉬格的金屬有鉬(Mo)(Mo)、鎢鎢(W)(W)、釩、釩(V)(V)、-鐵鐵(-Fe, 912 )(-Fe, 912 )等。等。 2. 2. 面心立方晶格面心立方晶格( (胞胞) ( FCC ) ( FCC 晶格晶格) )原子位置原子位置 立方體的八個(gè)頂角和每個(gè)側(cè)面中心立方體的八個(gè)頂角和每個(gè)側(cè)面中心 具有這種晶格具有這種晶格的金屬有鋁的金屬有鋁(Al)(Al)、銅銅(Cu)(Cu)、鎳、鎳(Ni)(Ni)、金金(Au)(Au)、銀、銀(Ag)(Ag)、- - 鐵鐵( -Fe, ( -Fe, 912 912 13

6、94 )1394 )等。等。 面心立方晶胞的特征：面心立方晶胞的特征： （1 1）晶格常數(shù)）晶格常數(shù) a a= =b b= =c, c, = = =90=903. 3. 密排六方晶格密排六方晶格( (胞胞) ) ( HCP ( HCP 晶格晶格) )原子位置原子位置 1212個(gè)頂角、上下底心和體個(gè)頂角、上下底心和體內(nèi)內(nèi)3 3處處 具有這種晶具有這種晶格的金屬有鎂格的金屬有鎂(Mg)(Mg)、鎘、鎘(Cd)(Cd)、鋅鋅(Zn)(Zn)、鈹、鈹(Be)(Be)等。等。abc， 90, 1202、晶胞中的原子數(shù)246 （3 3）原子半徑）原子半徑 晶胞中相距最近的兩個(gè)原子之間距離的一半稱為原子晶胞

7、中相距最近的兩個(gè)原子之間距離的一半稱為原子半徑半徑( (r r原子原子) )。4、致密度與配位數(shù)致密度：原子體積與晶胞體積之比 （6 6）配位數(shù)）配位數(shù) 配位數(shù)為晶格中與任一個(gè)原子相距最近且距配位數(shù)為晶格中與任一個(gè)原子相距最近且距離相等的原子數(shù)目。離相等的原子數(shù)目。 配位數(shù)越大，原子排列緊密程度就越大。配位數(shù)越大，原子排列緊密程度就越大。 （5 5）空隙半徑）空隙半徑 在晶胞空隙中放入球的最大半徑稱為空隙半徑。在晶胞空隙中放入球的最大半徑稱為空隙半徑。 體心立方晶胞中有兩種空隙：體心立方晶胞中有兩種空隙： 四面體空隙半徑四面體空隙半徑: :r r四四= =0.290.29r r原子原子 八面體

8、空隙半徑八面體空隙半徑: :r r八八= =0.150.15r r原子原子 四面體空隙半徑四面體空隙半徑八面體空隙半徑八面體空隙半徑老師提示老師提示 由于原子排列緊密程度不一由于原子排列緊密程度不一樣，當(dāng)金屬?gòu)拿嫘牧⒎骄Ц裣蝮w心立方樣，當(dāng)金屬?gòu)拿嫘牧⒎骄Ц裣蝮w心立方晶格轉(zhuǎn)變時(shí)晶格轉(zhuǎn)變時(shí), , 體積會(huì)發(fā)生變化。體積會(huì)發(fā)生變化。 鋼在淬火時(shí)因晶格轉(zhuǎn)變發(fā)生體積變鋼在淬火時(shí)因晶格轉(zhuǎn)變發(fā)生體積變化。化。 不同晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的方式不不同晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的方式不同同, , 使它們的形變能力不同。使它們的形變能力不同。 四、解釋下列現(xiàn)象1. 金屬一般都是良導(dǎo)體，而非金屬一般為絕緣體。 第二節(jié)、晶體中的晶

9、面和晶向 通過(guò)晶體中原子中心的平面叫做通過(guò)晶體中原子中心的平面叫做晶面晶面；代表了晶體中原子列的方向。代表了晶體中原子列的方向。 通過(guò)原子中心的直線為原子列，代表的通過(guò)原子中心的直線為原子列，代表的方向叫做方向叫做晶向晶向。 晶面用晶面指數(shù)表達(dá)。晶面用晶面指數(shù)表達(dá)。 晶向用晶向指數(shù)表達(dá)。晶向用晶向指數(shù)表達(dá)。晶向指數(shù)晶向指數(shù)：表示晶向方位符號(hào)。：表示晶向方位符號(hào)。晶面指數(shù)晶面指數(shù)：表示晶面方位的符號(hào)。：表示晶面方位的符號(hào)。 以晶向以晶向DADA為例：為例： 一一. . 立方晶系的晶向表示方法立方晶系的晶向表示方法 立方晶胞中的主要晶向立方晶胞中的主要晶向 晶向晶向OA OA ： 100 100

10、晶向晶向OB OB ： 110110 晶向晶向OB OB ： 晶向指數(shù)一般標(biāo)記為晶向指數(shù)一般標(biāo)記為 uvwuvw ， 表示一組原子排列相同的平行晶向。表示一組原子排列相同的平行晶向。111111 若兩個(gè)晶向的全部指數(shù)數(shù)值相同而符若兩個(gè)晶向的全部指數(shù)數(shù)值相同而符號(hào)相反號(hào)相反, , 則它們相互平行或?yàn)橥辉恿袆t它們相互平行或?yàn)橥辉恿? , 但方向相反。但方向相反。 如如110110與與 。 若只研究原子排列情況若只研究原子排列情況, , 則晶向則晶向110110與與 可用同一個(gè)指數(shù)可用同一個(gè)指數(shù)110110表示。表示。晶向族晶向族 原子排列情況相同而在空間位向不原子排列情況相同而在空間位向不

11、同的晶向組成晶向族。同的晶向組成晶向族。 晶向族用尖括號(hào)表示晶向族用尖括號(hào)表示, , 即即 。 如如: : = 100 + 010 + 001 = 100 + 010 + 001 二二. . 立方晶系的晶面表示方法立方晶系的晶面表示方法 以晶面以晶面ABBAABBA為例：為例： 晶面的截距可以為負(fù)數(shù)晶面的截距可以為負(fù)數(shù), , 在指數(shù)上加負(fù)號(hào)在指數(shù)上加負(fù)號(hào), , 如如 。 若某個(gè)晶面若某個(gè)晶面 的指數(shù)都乘以的指數(shù)都乘以-1,-1,得到晶面得到晶面 , , 則晶面則晶面 與與 屬于一組平行晶面。屬于一組平行晶面。立方晶胞中的主要晶面立方晶胞中的主要晶面 晶面指數(shù)的一般標(biāo)記晶面指數(shù)的一般標(biāo)記為為(

12、(hklhkl) )。實(shí)際表示一組原。實(shí)際表示一組原子排列相同的平行晶面。子排列相同的平行晶面。 晶面族：晶面族： 在立方晶系中在立方晶系中, , 原子排列相同但在空間方原子排列相同但在空間方向不同的晶面組成晶面族。向不同的晶面組成晶面族。 晶面族用大括號(hào)表示晶面族用大括號(hào)表示, , 即即 hklhkl 。111 111 晶面族晶面族在立方晶胞中在立方晶胞中 組成組成111111晶面族：晶面族： 在立方晶系中在立方晶系中, , 一個(gè)晶面指數(shù)與一個(gè)晶面指數(shù)與一個(gè)晶向指數(shù)數(shù)值和符號(hào)相同時(shí)一個(gè)晶向指數(shù)數(shù)值和符號(hào)相同時(shí), , 則則該晶面與該晶向互相垂直。該晶面與該晶向互相垂直。 如：如：(111)11

13、1(111)111。晶面與晶向互相垂直晶面與晶向互相垂直 三三. . 晶向及晶面的原子密度晶向及晶面的原子密度 不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上原子排列密度不一樣。上原子排列密度不一樣。密排方向：密排方向：原子密度原子密度最大的晶向。最大的晶向。單位長(zhǎng)度單位長(zhǎng)度上的上的原子數(shù)原子數(shù)稱為晶向上的原子密稱為晶向上的原子密度度密排面：密排面： 原子密度最大的晶面。原子密度最大的晶面。單位面積單位面積中的中的原子數(shù)原子數(shù)稱為晶面的原子密度稱為晶面的原子密度 在體心立方晶格中，在體心立方晶格中，密排面為密排面為110110。密排方向?yàn)槊芘欧较驗(yàn)椤?在面心立方晶格中在面心

14、立方晶格中, , 密排面為密排面為111111。 密排方向?yàn)槊芘欧较驗(yàn)?。體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度晶向晶向 指數(shù)指數(shù) 體心立方晶格體心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格晶向原子晶向原子 排列示意圖排列示意圖 晶向原子晶向原子密度密度( (原子數(shù)原子數(shù)/ /長(zhǎng)度長(zhǎng)度) ) 晶向原子晶向原子 排列示意圖排列示意圖 晶向原子晶向原子密度密度( (原子數(shù)原子數(shù)/ /長(zhǎng)度長(zhǎng)度) ) 體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度晶面晶面 指數(shù)指數(shù) 體心立方晶格體心立方晶格 面心立方晶格面心立方

15、晶格晶面原子晶面原子 排列示意圖排列示意圖 晶面原子晶面原子密度密度( (原子數(shù)原子數(shù)/ /面積面積) ) 晶面原子晶面原子 排列示意圖排列示意圖 晶面原子晶面原子密度密度( (原子數(shù)原子數(shù)/ /面積面積) ) 100 100 110 110 111 111 三、金屬晶體的特性 1. 1. 金屬晶體具有確定的熔點(diǎn)金屬晶體具有確定的熔點(diǎn) 純金屬緩慢加熱到一定溫度純金屬緩慢加熱到一定溫度, , 固態(tài)金屬熔固態(tài)金屬熔化成為液態(tài)金屬。熔化過(guò)程中溫度不變?；蔀橐簯B(tài)金屬。熔化過(guò)程中溫度不變。 熔化溫度熔化溫度( (T T0 0) )稱為稱為熔點(diǎn)熔點(diǎn)。晶體和非晶體的熔化曲線晶體和非晶體的熔化曲線 非晶體材

16、料在非晶體材料在加熱時(shí)加熱時(shí), , 固態(tài)轉(zhuǎn)變固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)為液態(tài)時(shí), , 溫度變溫度變化?；?2. 2. 金屬晶體具有各向異性金屬晶體具有各向異性 在晶體中在晶體中, , 不同晶面和晶向上原子排列不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它們之間的結(jié)合力的大的方式和密度不同，它們之間的結(jié)合力的大小也不相同，因而金屬晶體不同方向上的性小也不相同，因而金屬晶體不同方向上的性能不同。這種性質(zhì)叫做晶體的能不同。這種性質(zhì)叫做晶體的各向異性各向異性。 單晶體鐵單晶體鐵( (只含一個(gè)晶粒只含一個(gè)晶粒) )的彈性模量，的彈性模量， 方向上為方向上為2.902.9010105 5 MPa, MPa, 方向上只有方向上只有1.351.3510105 5 MPaMPa。 單晶體鐵在磁場(chǎng)中沿單晶體鐵在磁場(chǎng)中沿方向磁化容方向磁化容易。制造變壓器用的硅鋼片的易。制造變壓器用的硅鋼片的方向應(yīng)平方向應(yīng)平行于導(dǎo)磁方向，以降低變壓器的鐵損。行于導(dǎo)磁方向，以降低變壓器的鐵損。 鋅在鹽酸中溶解時(shí)，晶面的溶解速度鋅在鹽酸中溶解時(shí)，晶面的溶解速度的次序從大到小是：的次序從大到小是： 各向異性：各向異性：晶體晶體在不同的方向上的力學(xué)、在不同的方向上的力學(xué)、物理和化學(xué)等性能不一樣。物理和化學(xué)