工程材料類型及金屬的晶體結構

工程材料類型及金屬的晶體結構第一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構主要內(nèi)容：

1.1

工程材料類型

1.2晶體的概念

1.2.1短程有序與長程有序

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

1.2.3同素異構

1.3晶體缺陷

第二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構1.1

工程材料類型工程材料是指具有一定性能，在特定條件下，能夠承擔某種功能，被用來制取零件和元件的材料。1.1.1分類⑴按使用功能分類：

?

結構材料（structuralmaterial）實現(xiàn)運動、傳遞運動，承擔力、負荷為主（機械工程等）。

?

功能材料（functionalmaterial）理化功能為主，力性為輔（導電材料、磁盤、光纖等）。第三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.1

工程材料類型

⑵按成分分類----三大類或四大類材料（包括復合材料）第四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.1.2材料特征（characteristic）

（1）金屬材料（metals）

?優(yōu)點：兼有良好力性（較高強度、剛度、塑性、韌性）及某些理化性能（良好導電、導熱性等）和較好的工藝性，價格便宜或適中。大量用作結構材料，部分用作功能材料。

?缺點：地球上資源有限；特高溫及特殊環(huán)境中不能勝任。（2）陶瓷材料（無機非金屬材料，金屬與非金屬的化合物如Al2O3、SiC）。

?優(yōu)點：優(yōu)良理化性能（耐蝕、光、電、熱學性能，絕緣性能等）及極好的耐高溫特性，且原料來源廣泛。主要用在特殊場合（特殊陶瓷）及日常（傳統(tǒng)陶瓷）。

?缺點：性脆、難加工，可靠性差。第五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六

第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.1.2材料特征（3）高分子材料（高聚物，Polymer）

?優(yōu)點：較高彈性、耐磨性、絕緣性、抗腐蝕性、重量輕，加工性好，原料豐富。

?缺點：強度低；不耐高溫（≤300℃）；易老化易燃。（4）復合材料（Composites兩種或多種材料復合而成）

?優(yōu)點：具有單一材料所不具備的優(yōu)異性能；可按需要進行人為設計、制造。

?缺點：目前性能高的價貴。第六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.1.3原子間鍵合一、離子鍵：正離子與負離子靜電吸引產(chǎn)生的化學結合力第七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.1.3原子間鍵合二、共價鍵：原子間共用電子對產(chǎn)生的化學結合力第八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.1.3原子間鍵合三、金屬鍵：金屬正離子與“自由電子氣”靜電吸引產(chǎn)生的化學結合力第九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.1.3原子間鍵合四、分子鍵：分子偶極間吸引力產(chǎn)生的化學結合力。第十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.1.3原子間鍵合五、氫鍵：氫原子因正負電子中心偏移產(chǎn)生的靜電吸引形成的化學結合力。第十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.1.3原子間鍵合六、工程材料的鍵性

金屬材料：金屬鍵（絕大部分）共價鍵（亞金屬）陶瓷材料：離子鍵、共價鍵高分子材料：共價鍵、分子鍵第十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2.晶體概念1.2.1．短程有序與長程有序短程有序：原子在分子范圍內(nèi)按一定規(guī)律排列，而分子之間則隨機無規(guī)律的連接在一起，這種結合方式稱為短程有序。多數(shù)以共價鍵、范德華鍵結合的材料往往是短程有序。

例如：SiO2一個Si原子與4個O原子結合，而SiO2

單元體間則隨機連接。長程有序：原子在整個材料內(nèi)部都按一定規(guī)律排列，則稱為長程有序。原子長程有序，即構成了整個晶體。第十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2.晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

晶體

固態(tài)物質

非晶體組成晶體的原子或離子、分子呈規(guī)則、周期性重復排列的固體；例如：水晶、天然水晶石

組成非晶體的原子或離子、分子呈無規(guī)則排列的固體。例如：松香、石蠟和玻璃｛第十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2.晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型第十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

1．晶格（點陣）為了便于研究晶體中原子排列的情況，通常用一個小鋼球代替一個原子，并把不停振動的原子當作在它平衡位置上靜止不動，這樣金屬晶體結構就可用許多小鋼球互相緊密接觸的堆砌模型來表示（剛球模型）。第十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

1．晶格（點陣）進一步簡化原子堆砌模型：可將一個鋼球原子視為一幾何質點，用平行幾何線條在三維空間通過原子中心使其相互連起來，這樣就構成了一個幾何格架。這種幾何空間格架則稱為晶格或晶體點陣。這種幾何空間格架中的幾何質點位置稱為結點或陣點。第十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

2.晶胞晶胞是晶格中能代表原子排列的最小幾何單元體，它是一個簡單的多面體結構。..\VIDEO\晶胞.AVI第十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型3．晶格常數(shù)

為研究晶胞的形狀與大小，通常用晶胞的三個棱邊長度a、b、c和棱邊夾角α、β、γ六個參數(shù)表示，棱邊長度a、b、c稱為晶格常數(shù)，以nm（納米）為單位，1nm=10-9m，以前用?度量，1?=0.1nm。圖1-1晶格常數(shù)示意圖第十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

4．晶胞類型晶胞一共有14種類型，分屬于7個晶系。實際晶體結構都可抽象的歸屬于14種晶胞中的一種，并用其描述其原子排列規(guī)律。14種晶胞類型是由布拉菲（Bravais）于1848年根據(jù)“每個陣點周圍具有相同環(huán)境”的要求，利用數(shù)學方法推算出來的，而且只能有14種，因此也稱為“布拉菲”空間點陣。思考題：實際晶體結構和“布拉菲”空間點陣有何區(qū)別？第二十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

5.常見的金屬晶格類型

工業(yè)上使用的金屬雖然有幾十種，但除少數(shù)金屬具有復雜的晶體結構外，大多數(shù)金屬均具有比較簡單的晶體結構。最常見的晶體結構只有三種，即

體心立方（bcc）面心立方(fcc)

密排六方(hcp)

前兩種屬于立方晶系，后一種屬于六方晶系。第二十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

5.常見的金屬晶格類型（一）體心立方結構

(b)(c)圖1－2體心立方晶胞（a）鋼球模型（b）質點模型（c）晶胞原子數(shù)第二十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

5.常見的金屬晶格類型（一）體心立方結構（1）點陣常數(shù)“a”

點陣常數(shù)a通常應以納米（nm）為單位。（2）晶胞中的原子數(shù)

(1/8)×8+1=2

（3）配位數(shù)和致密度

（a）配位數(shù)

?晶體結構中任一原子的最近鄰，且等距離的原子數(shù)目，叫做該晶體結構的配位數(shù)。?體心立方晶格可以看成是由兩個簡單立方晶格穿插而成。在每個體心立方晶胞中，無論是體心的原子，還是角上的原子，周圍都有8個最近鄰且等距離的原子，所以體心立方結構的配位數(shù)為8。第二十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

5.常見的金屬晶格類型（一）體心立方結構（b）致密度致密度K等于晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比，即可見，體心立方結構的金屬晶體中，有68%的體積為原子所占據(jù)，其余32%為空隙體。Cr、Mo、W、V、Nb.第二十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

5.常見的金屬晶格類型（二）面心立方結構面心立方晶胞除了晶胞的8個角上各有一個原子外，在每個立方體面的中心還有一個原子，故稱面心立方結構。第二十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

5.常見的金屬晶格類型（二）面心立方結構(Al、Cu、Ni、Au、Ag)

（1）點陣常數(shù)a

（2）晶胞中的原子數(shù)

(1/8)×8+(1/2)×6=4

（3）配位數(shù)和致密度

（a）配位數(shù)12

（b）致密度第二十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

5.常見的金屬晶格類型

（三）密排六方結構

(Mg、Zn、-Co)第二十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

5.常見的金屬晶格類型

（三）密排六方結構

(Mg、Zn、-Co)

（1）點陣常數(shù)正六邊形邊長a，晶胞高度c;

理想軸比c/a=1.633

（2）原子(1/6)×12+(1/2)×2+3=

6

（3）配位數(shù)和致密度（a）配位數(shù)12

（b）致密度第二十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

6．晶面指數(shù)與晶向指數(shù)第二十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念1.2.2晶體結構的基本概念和類型

6．晶面指數(shù)與晶向指數(shù)

1).晶面指數(shù)（1）選定一個結點作為坐標原點，沿晶胞的三個棱邊作x、y、z三個坐標軸，以晶胞邊長（即晶格常數(shù)）作為晶軸長度的度量單位。特別應當注意，坐標原點應選在待定晶面之外。（2）求出特定晶面在三個坐標軸上的截距（如果晶面與某一坐標軸平行，則其截距為∞），設分別為m、n、p。（3）求出三個截距的倒數(shù)，并把它們化為最小的簡單整數(shù)，即1/m、1/n、1/p化為h=E/m，h=E/n，l=E/p,E為最小公倍數(shù)。（4）將這組最小整數(shù)加上圓括號，并且不用標點分開各數(shù)，即得晶面指數(shù)（hkl）。如果待定晶面在某一坐標軸上的截距為負值，則在相應指數(shù)上方加一負號。第三十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念1.2.2晶體結構的基本概念和類型

6．晶面指數(shù)與晶向指數(shù)

1).晶面指數(shù)第三十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

6．晶面指數(shù)與晶向指數(shù)

1).晶面指數(shù)圖1-7（a）中晶面a1b1c1d1及a2b2c2d2為互相平行的兩個晶面，晶面指數(shù)都是（110）。由此可見，一個晶面指數(shù)表示的不是一個晶面，而是一組互相平行的晶面。圖2–8（b）中晶面a1b1c1與a2b2c2也是互相平行的，如果分別選取0及0′為原點，則截距分別為1、1、-1及-1、-1、1，取倒數(shù)化為最小整數(shù)，它們的晶面指數(shù)分別為和。這兩個晶面指數(shù)的數(shù)字相同而符號相反。由此可見，由于原點選取不同，得到數(shù)字相同而符號相反的兩個晶面指數(shù)，表示的是同一組平行晶面。晶面族｛110｝｛111｝第三十二頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

6．晶面指數(shù)與晶向指數(shù)

2).晶向指數(shù)(1)將坐標原點選在待定晶向的一個結點上，沿晶胞棱邊作x、y、z三個坐標軸，以晶胞邊長（即晶格常數(shù)）作為長度單位。(2)求出待定晶向上離原點最近的一個結點的坐標，將此坐標值化為最小整數(shù)，例如為u、v、w，再加上方括號，即得晶向指數(shù)[uvw]。如果晶向的某一坐標為負值，像晶面指數(shù)那樣將負號放在相應的指數(shù)上方。第三十三頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.2晶體結構的基本概念和類型

6．晶面指數(shù)與晶向指數(shù)

2).晶向指數(shù)?如x軸方向OA，其晶向指數(shù)由A點的坐標來確定，A點坐標為1、0、0，故其晶向指數(shù)為[100]。同理，y軸、

z軸的晶向指數(shù)分別為[010]和[001]。?當確定DC的晶向指數(shù)時，將原點選在D點。?晶向族〈100〉[112][111]第三十四頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.3．同素異構多數(shù)金屬在結晶后的晶格類型都保持不變，但有些金屬（如鐵、錫、錳等）的晶格類型，卻因溫度而異。一種金屬能以幾種晶格類型存在的性質，叫做同素異構性。第三十五頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.2晶體概念

1.2.3．同素異構鐵在同素異構轉變時有體積變化。從原子的排列情況來看，面心立方晶格中鐵原子排列得比較緊密，所以在質量相同的條件下，γ鐵的體積比α鐵要小。如將一塊純鐵加熱到912℃，即由α鐵變?yōu)棣描F，這時體積要縮??；反之，將鐵冷卻轉變?yōu)棣凌F時，體積會增大。這種體積的變化，有可能引起結構應力。鐵的同素異構性質也影響到鋼，鋼在冷卻時，γ鐵同樣轉變?yōu)棣凌F。鋼所以能夠通過熱處理以改變其性能，是與鐵的同素異構轉變有關的。第三十六頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.3晶體缺陷金屬晶粒，其內(nèi)部原子的排列并不是那樣理想的完全規(guī)則整齊，不存在任何缺陷，實際上存在著原子錯排的各種缺陷。這種晶體結構的缺陷對金屬的性能和組織轉變等均有很大影響，因此有必要了解和重視這些缺陷。

一、點缺陷二、線缺陷三、面缺陷第三十七頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.3晶體缺陷

1.3.1點缺陷點缺陷是空間三維方向上尺寸都很小的一種缺陷。第三十八頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.3晶體缺陷

1.3.1點缺陷第三十九頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.3晶體缺陷

1.3.1點缺陷晶體中空位或間隙原子的移動是原子進行擴散的一種主要方式；固溶強化、彌散強化；畸變引起性能變化（如電阻增加、屈服強度增加等）。第四十頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.3晶體缺陷

1.3.2線缺陷線缺陷是在空間的一個方向上尺寸很大，其它兩個方向上尺寸很小的一種缺陷。分為刃型及螺型兩種位錯。①刃型位錯刃型位錯空間模型刃型位錯平面模型第四十一頁，共四十七頁，編輯于2023年，星期六第一章工程材料類型及金屬的晶體結構

1.3晶體缺陷

1.3.2線缺陷①刃型位錯上圖是晶體中刃型位錯示意圖。從圖中可以看到ABCD晶面以上沿EF處多插入了一層原子面，它好像一把刀刃那樣切入晶體中，使上下層原子不能對準，把這種原子錯排叫做刃型位錯。EF線稱為刃型位錯線。在位錯線附近區(qū)域晶格發(fā)生了較大的彈性