金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)

關(guān)于金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第1頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬的特性和金屬鍵金屬鍵metallicbond：金屬材料內(nèi)部，呈一定規(guī)律排列的正離子與公有化的自由電子靠庫侖力（coulombforce）結(jié)合起來，這種結(jié)合力即為金屬鍵。由金屬鍵結(jié)合起來的晶體叫金屬晶體。特點(diǎn)：無飽和性和方向性。第2頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬的特性和金屬鍵金屬的特性：良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性不透明，具有良好的反射性，形成金屬光澤一般具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性常溫下均為固體（汞除外），能相互熔合有正的溫度系數(shù)，很多金屬在極低溫下具有超導(dǎo)性第3頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月第一節(jié)晶體的基本知識第4頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體與非晶體晶體crystal：

內(nèi)部原子或分子呈規(guī)則排列的物質(zhì)。特點(diǎn)：具有固定的熔點(diǎn)具有規(guī)則的幾何外形各向異性。自然界中絕大部分固態(tài)物質(zhì)都是晶體。所有固態(tài)金屬都是晶體。第5頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體與非晶體非晶體noncrystal：內(nèi)部原子或分子呈無規(guī)則排列的物質(zhì)。特點(diǎn)：沒有固定的熔點(diǎn)各向同性如：松香、玻璃、瀝青、石蠟等都是非晶體。

第6頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月單晶體與多晶體單晶體monocrystal：是原子在三維空間中呈規(guī)則、周期排列的晶體。由一顆晶粒發(fā)育而成。如：單晶硅。自然結(jié)晶的物質(zhì)都不是單晶體。多晶體polycrystal：由兩顆以上晶粒組成的晶體。金屬晶體都是多晶體。第7頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶格、晶胞和晶格常數(shù)晶格crystallattice：又稱為晶體點(diǎn)陣。是描述晶體中原子排列規(guī)律的空間格架（點(diǎn)陣）。第8頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶格、晶胞和晶格常數(shù)晶胞unitlattice：能代表晶格特征的最小基本單元。是晶體的基本結(jié)構(gòu)單位。第9頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶格、晶胞和晶格常數(shù)晶格常數(shù)crystallographiclatticeconstant：用來描述晶胞大小與形狀的幾何參數(shù)——三條棱長：a、b、c，單位為?（=10-8cm）三條棱的夾角：α、β、γ第10頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月第二節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)第11頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬中常見的晶格金屬中常見的晶格主要有：體心立方晶格（bcc）面心立方晶格（fcc）密排六方晶格（hcp）第12頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月體心立方晶格（bcc）晶格常數(shù)：a=b=c；α=β=γ=90°密排方向（原子排列最緊密的方向）：立方體的對角線方向。原子半徑：第13頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月體心立方晶格（bcc）晶胞原子數(shù)（一個晶胞內(nèi)所擁有的原子個數(shù)）：8×1/8+1=2具有體心立方結(jié)構(gòu)的金屬有：α-Fe、Cr、V、Mo、W等約30多種。第14頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月面心立方晶格（fcc）晶格常數(shù)：a=b=c；α=β=γ=90°密排方向：立方體表面的對角線方向原子半徑：第15頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月面心立方晶格（fcc）晶胞原子數(shù)：8×1/8+6×1/2=4屬于fcc晶格的金屬主要有：γ-Fe、Cu、Al、Au、Ag、Pb、Ni等20多種。第16頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月密排六方晶格（hcp）晶格常數(shù)：a=b≠cc/a（軸比）

=1.633α=β=90°γ=120°密排方向：頂面的對角線方向原子半徑：第17頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月密排六方晶格（hcp）晶胞原子數(shù)：1/6×12+1/2×2+3=6

屬于hcp晶格的金屬主要有：Mg、Zn、Be等。第18頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體結(jié)構(gòu)的致密度與配位數(shù)描述晶格中原子排列緊密程度的參數(shù)：晶體結(jié)構(gòu)的致密度配位數(shù)第19頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體結(jié)構(gòu)的致密度晶體結(jié)構(gòu)的致密度：晶胞中原子所占的體積與晶胞體積之比。K=nv/VK——致密度；n——一個晶胞實(shí)際包含的原子數(shù)；v——一個原子的體積；V——晶胞的體積致密度越大，原子排列的緊密程度越高。第20頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體結(jié)構(gòu)的致密度bcc:fcc:hcp:第21頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月配位數(shù)配位數(shù)晶格中與任一原子緊靠，且距離相等的原子的個數(shù)，稱為配位數(shù)。配位數(shù)越大，原子排列的緊密程度越高。bcc:配位數(shù)為8個；fcc:配位數(shù)為12個；hcp:配位數(shù)為12個；第22頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶面與晶向晶面crystalface：

晶體中由一系列原子中心構(gòu)成的平面。晶面指數(shù)indicesofcrystallographicplane：用于表明晶面在晶格中位置的一系列參數(shù)。第23頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶面指數(shù)的確定方法沿晶胞的棱邊設(shè)定坐標(biāo)系（坐標(biāo)系的原點(diǎn)應(yīng)于晶面之外）；求晶面在各棱邊上的截距：a2a∞

將各截距值得取倒數(shù)：1/a1/2a0化為最小整數(shù)比，各數(shù)之間用空格分開：210將各整數(shù)列入圓括號（）：（210）第24頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月第25頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶面與晶向晶向orientation：晶體中任意兩個原子的中心連線所指的方向。晶向指數(shù)orientationindex：確定某一晶向在晶格中方位的參數(shù)。第26頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶向指數(shù)的確定方法設(shè)定坐標(biāo)系：坐標(biāo)系的原點(diǎn)應(yīng)位于晶向矢量的箭尾；在晶向上任取一點(diǎn)，求該點(diǎn)的坐標(biāo)值；化為最小整數(shù)比，各數(shù)之間用空格分開；將各整數(shù)列入方括號[]。第27頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體的各向異性

與實(shí)際金屬的各向同性

在單晶體中，由于不同晶面或晶向上原子排列的緊密程度不同，原子間的作用力也不相同，故晶體在不同方向上就表現(xiàn)出不同的力學(xué)性能和理化性能——晶體的“各向異性”。第28頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體的各向異性

與實(shí)際金屬的各向同性

實(shí)際金屬材料一般都是多晶體，內(nèi)部包含許多小晶體（晶粒），各個小晶體（晶粒）的位向各不相同。從宏觀上看，它們的“各向異性”被相互抵消了，因此金屬材料的性能的宏觀表現(xiàn)仍為各向同性。第29頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月第三節(jié)合金的晶體結(jié)構(gòu)第30頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月合金的基本概念合金alloy：由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的，具有金屬特性的物質(zhì)。例如：黃銅(Cu+Zn)碳鋼(Fe+C)第31頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月合金的基本概念組元groupcomponent：組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。組元通常是純元素，也可以是穩(wěn)定的化合物。按組成合金的組元數(shù)目，合金可分為：二元合金三元合金多元合金第32頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月合金的基本概念合金系alloysystem：組元相同，但配制比例不同的所有合金系列。按組成合金的組員數(shù)目，合金系也可分類為：二元系三元系多元系第33頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月合金的基本概念相phase：合金中具有同一化學(xué)成分且結(jié)構(gòu)相同的均勻部分。合金中的相與相之間有明顯的分界面——相界。液態(tài)合金通常都是單相合金。固態(tài)合金：單相合金：由一個固相組成多相合金：有兩個以上的固相第34頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月合金的基本概念組織texture：合金材料的微觀形貌。包括：各相成分、結(jié)構(gòu)、形態(tài)及各相組合情況。第35頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月合金的相結(jié)構(gòu)固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)：固溶體solidsolution金屬化合物metalliccompound第36頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月固溶體solidsolution固溶體solidsolution：固態(tài)下，組元間相互溶解而形成的均勻相。固溶體的晶格結(jié)構(gòu)與其中某一組元的晶格結(jié)構(gòu)相同，該組元稱為溶劑。其它組元為溶質(zhì)。在固溶體中，一般溶劑含量較多，而溶質(zhì)含量較少。第37頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月固溶體solidsolution固溶體的分類：間隙固溶體interstitialsolidsolution置換固溶體substitutionalsolidsolution第38頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月固溶體solidsolution間隙固溶體interstitialsolidsolution：溶質(zhì)占據(jù)溶劑晶格中的間隙位置。又稱插入固溶體、嵌入固溶體。第39頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月固溶體solidsolution間隙固溶體的特點(diǎn)：溶質(zhì)為非金屬溶質(zhì)在溶劑中的溶解度是有限的——有限固溶體。間隙固溶體的形成條件：溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑的比值d質(zhì)/d劑<0.59第40頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月固溶體solidsolution置換固溶體substitutionalsolidsolution：溶質(zhì)占據(jù)溶劑晶格中的結(jié)點(diǎn)位置。又稱取代固溶體。第41頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月固溶體solidsolution置換固溶體的特點(diǎn)：溶質(zhì)原子與溶劑原子的原子直徑差別越小（d質(zhì)/d劑=0.85~1.15），溶解度越大；溶質(zhì)元素與溶劑元素在元素周期表中的位置越靠近，溶解度越大。溫度越高溶解度越大。第42頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月固溶體solidsolution置換固溶體按溶解度分為：有限固溶體——在一定條件下，溶質(zhì)原子在溶劑晶格當(dāng)中溶解到一定程度時，就不能再溶解了。如：Cu-Zn、Cu-Sn無限固溶體——溶質(zhì)能以任何比例溶入溶劑。如：Fe-Cr、Cu-Ni第43頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月固溶體solidsolution固溶強(qiáng)化Solidsolutionstrengthening：

在固溶體中，隨著溶質(zhì)的加入，導(dǎo)致固溶體的晶格發(fā)生畸變，（晶格畸變會阻礙位錯移動），使塑性變形的抗力增大，結(jié)果使金屬材料的強(qiáng)度、硬度提高。第44頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月固溶體solidsolution適當(dāng)?shù)墓倘軓?qiáng)化在顯著提高金屬材料的強(qiáng)度、硬度的同時，仍能保持較高的塑性和韌性，因此是強(qiáng)化金屬材料的重要途徑之一。由于固溶體具有較好的力學(xué)性能，結(jié)構(gòu)性材料都是以固溶體作為基體相的。第45頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬化合物metalliccompound金屬化合物metalliccompound：合金組元間發(fā)生相互作用而形成一種具有自己獨(dú)特的晶體結(jié)構(gòu)的新相。也稱為中間相。第46頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬化合物metalliccompound特點(diǎn)：晶格類型和性能均不同于任一組元，一般可以用分子式大致表示其組成。例如：鋼中滲碳體（Fe3C）。一般具有復(fù)雜的晶格結(jié)構(gòu)。性能特點(diǎn)是熔點(diǎn)高、硬而脆，可提高材料的強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但是會降低塑性和韌性。因此，在金屬材料中，一般不作為基體相，而是作為第二相（強(qiáng)化相）存在。第47頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬化合物metalliccompound分類：正常價化合物電子化合物間隙化合物第48頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬化合物metalliccompound

彌散強(qiáng)化dispersionstrengthening：又稱為第二相強(qiáng)化/析出強(qiáng)化是指在合金中，當(dāng)金屬化合物以細(xì)小的顆粒狀形式均勻地分布（彌散分布）在固溶體基體上時，將導(dǎo)致合金材料的強(qiáng)度、硬度和耐磨性明顯提高，但塑性和韌性會有所下降的現(xiàn)象。第49頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)論在實(shí)際生產(chǎn)中，通過調(diào)整合金中固溶體的溶質(zhì)含量和金屬化合物的數(shù)量、大小、形態(tài)及分布狀況（即改變材料的內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)），可使合金的力學(xué)性能發(fā)生改變，以滿足工程中的不同使用要求。第50頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月第四節(jié)實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)第51頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬的顯微組織金屬的顯微組織通常被稱為金相組織metallurgicalstructure。是在金相顯微鏡下才能被觀察到的金屬內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)。第52頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月多晶體與亞組織晶粒crystalgrain：存在于多晶體內(nèi)部的外形不規(guī)則的小晶體。特點(diǎn)：晶粒內(nèi)部的晶格位向是一致的各個晶粒的位向都是不同的。晶界crystalboundary：晶粒與晶粒之間的接觸界面。第53頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月多晶體與亞組織亞組織/亞晶粒：存在于實(shí)際金屬晶體的單個晶粒內(nèi)部的尺寸更小、位相差也很小的小晶塊。特點(diǎn)：內(nèi)部的晶格位向一致。亞晶界：兩相鄰亞晶粒之間的界面。第54頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體的缺陷晶體的缺陷分為：點(diǎn)缺陷——三個方向上的尺寸都很小，相當(dāng)于原子的尺寸。如：空位、間隙原子。線缺陷——在兩個方向上的尺寸很小，另一根方向上的尺寸相對很大——主要指位錯。面缺陷——在一個方向上尺寸很小另兩個方向上的尺寸相對較大。如：晶界、亞晶界。體缺陷——第二相。第55頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體的缺陷點(diǎn)缺陷——空位、間隙原子與置換原子：在點(diǎn)缺陷的附近，周圍原子偏離了原來的平衡位置，產(chǎn)生了晶格畸變。由于晶格畸變會阻礙位錯移動，導(dǎo)致晶體的強(qiáng)度、硬度提高——固溶強(qiáng)化。第56頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體的缺陷線缺陷——位錯dislocation：在晶體中的某處，一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。可視為晶體中已滑移部分與未滑移部分的分界線。第57頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體的缺陷位錯密度ρ（cm/cm3）單位體積中位錯線的總長度。V——晶體的體積S——體積為V的晶體中位錯線的總長度第58頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月位錯對金屬性能的影響位錯密度與金屬的強(qiáng)度的關(guān)系：當(dāng)金屬處于退火狀態(tài)時強(qiáng)度是最低的；理想晶體（無位錯）的強(qiáng)度很高；金屬產(chǎn)生冷加工變形時，由于位錯密度提高，使金屬的強(qiáng)度和硬度提高——加工硬化/形變強(qiáng)化。第59頁，課件共66頁，創(chuàng)作于2023年2月位錯對金屬性能的影響金屬材料的塑性變形實(shí)際上是通過位錯的運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)的在位錯移動時，由于不需整個晶體上下兩部分的原子同時發(fā)生相對移動，而