ch1 材料的结构.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,材料科学基础,第一章 材料的结构,一、原子的结合方式,物质是由原子组成,原子间键合本质决定了材料的种类，即：金属 陶瓷 高分子,1,原子结构,原子序数,原子量,阿佛伽德罗常数,原子量单位,电负性,第一节 材料的结合方式,周期表中元素的金属性和非金属性,周期表中，已发现的化学元素有,109,种，其中有,87,种是金属元素。,2,原子结合键,结合键,：原子（离子或分子）间的作用力,可分为：,离子键,、,共价键,、,金属键,、,分子键,、,氢键,。,（,1,）离子键与离子晶体,原子结合：,电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；,离子晶体：,硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如,氧化物陶瓷,。,（,2,）共价键与原子晶体,原子结合：,电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；,原子晶体：,强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。,如,金刚石、单质硅、,SiC,、,H2,、,O2,、碳,-,氢化合物,。,图 硅原子四个价键 和 硅的键角,（,3,）金属键与金属晶体,金属原子的结构特点是，其最,外层的电子数很少,，一般为,1,2,个，最多不超过,3,个。由于这些外层电子与原子核的结合力弱，所以很容易脱离原子核的束缚而变成自由电子，此时的原子即变为正离子。,金属原子的结构特点,金属键,:,金属晶体依靠正离子与自由电子云之间的相互作用而结合起来的，这种,自由电子云和正离子之间以静电引力结合起来的方式称为,金属键,。,（,3,）金属键与金属晶体,原子结合,：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；,金属晶体：,导电性、导热性、延展性好，熔点较高。如,金属,。,金属键：,依靠正离子与构成电子云的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。,（,4,）分子键与分子晶体,原子结合,：分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为,分子键,（也叫范德瓦尔斯键）。,图 分子键,分子键没有方向性和饱和性。,比化学键的键能少,1-2,个数量级。,分子晶体,：熔点低，硬度低。如高分子材料。,（,5,）,氢键,：（离子键、共价键结合）,X-H-Y,（氢键结合），有方向性，如,O-HO,含氢物质中，分子是通过极性共价键结合，原子间通过氢键结合。,氢键是较强的有方向性的,范德瓦尔斯键，结合力比离子键、共价键小的多。,类,型,作用力来源,键合强弱,形成晶体的特点,离子键,原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑引力,强,无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、高硬度、固态不导电、熔态离子导电,共价键,相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力,最强,有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、即使在熔态也不导电,金属键,自由电子气与正离子实之间的库仑引力,较强,无方向性键、配位数高、塑性较好、有光泽、好的导热、导电性,分子键,原子间瞬时电偶极矩的感应作用,最弱,无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘,金属,具有良好的,导电性,、,导热性,、,延展性,（塑性）、,金属光泽,和,正的电阻温度系数,。,二、金属的特性,导电性：,自由电子在外电场作用下，沿着电场方向作定向运动，形成电流。,导热性：,自由电子的运动和正离子的振动可以传递热能。,塑性：,金属发生塑性变形后，正离子与自由电子间仍能保持金属键的结合。,金属光泽：,自由电子吸收可见光的能量并跳到较高能级，当它重新跳回原来低能级时，把吸收的能量，以电磁波形式辐射出来，宏观上表现为金属光泽。,如何用金属键来解释金属所具有特性呢？,一、,晶体学基础,根据原子的排列方式不同，可将物质分为晶体和非晶体两大类。,晶体,:,是指原子呈规则排列的固体。,天然金刚石、结晶盐、水晶、常态下的金属。,晶体的特征：,微观上原子呈规则排列，宏观上有固定的熔点、规则的外形和各向异性。,1.,晶体与非晶体,第二节 晶体结构,非晶体：,是指原子呈无序排列的固体。,松香、玻璃、沥青,非晶体的特征：,微观上原子呈无规则排列，宏观上没有固定的熔点、无规则的外形和各向同性。,注意，晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化。例如玻璃经高温长时间加热能变为晶态玻璃。,金属的结构,晶态,非晶态,Si,2,O,的结构,2.,空间点阵与晶体结构,（,1,）空间点阵,空间点阵：,若将其中每个原子或原子团抽象为纯几何点，则可得到一个由无数几何点在三维空间规则排列的阵列，这种阵列称为空间点阵。,特征：,a,原子的理想排列；,b,有,14,种。,阵点：,将构成晶体的实际质点（原子、离子、分子）抽象成纯粹的几何点称为阵点。,空间点阵中的点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。,晶格（空间格子）,用假想的的直线把阵点连接起来，构成一个三维的几何格架称为晶格。,描述晶体中原子排列规律的空间格架。,晶胞,a,.,晶胞定义,：,在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的小平行六面体，,反映晶格特征的最小几何单元。,b.,与晶格的关系：,整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成,c.,晶胞选取原则：,能够充分反映空间点阵的对称性；,相等的棱和角的数目最多；,具有尽可能多的直角；,体积最小。,晶胞参数：,表示晶胞的,形状和大小,有三个棱边的长度,a,b,c,及其夹角,表示。,（,2,）晶体结构：,原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列,方式,。,特征：,a,可能存在局部缺陷；,b,可有无限多种。,晶胞中点的位置表示（坐标法）,任一阵点的位置，,r,uvw,=,U,a,+V,b,+W,c,U,、,V,、,W,：阵点坐标,晶体结构与空间点阵,图,1-3,晶体中原子排列示意图,a,）原子堆垛模型,b,）晶格,c,）晶胞,3,布拉菲点阵,根据晶胞参数不同，将晶体分为,七种晶系,，,有,14,种点阵,。,4,晶向指数与晶面指数,（,1,）,晶面,：晶体中由一系列原子所构成的平面,（,2,）,晶向,：晶体中任意两个原子之间连线所指的方向,（,3,）,晶面指数,：,表示晶面的符号,（,4,）,晶向指数,：表示晶向的符号,国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。,（,1,）,定原点，列坐标。,以晶胞的某一结点为原点，过原点的棱边为坐标轴，边长为坐标单位。,应选在坐标原点待定晶向上,（,2,）,求坐标。,在待定晶向上选取任意一点，确定该点的三个坐标值；,（,3,）,化整数。,将这三个坐标值化为最小整数,u,，,v,，,w,，,（,4,）,加括号。,加上方括号，,uvw,即为待定晶向的晶向指数。,（,1,）晶向指数的标定,说明：,a,指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。,b,负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。,c,晶向族：,晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向。用,表示，数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。,立方晶系常见,的晶向为：,（,2,）晶面指数的标定,（,1,）,定原点，列坐标。,以晶胞上某一结点为原点，以过原点的棱边为坐标轴，边长为坐标单位。,注意不能将坐标原点选在待定晶面上；,（,2,）,求截距。,求出待定晶面在坐标轴上的截距，若晶面与坐标轴平行，则截距为；,（,3,）,取倒数。,取三个截距的倒数；,（,4,）,化整数。,将这三个倒数化为最小整数,h,，,k,，,l,。,（,5,）,加括号。,加上圆括号，,(,hkl,),即为待定晶面的晶面指数。,X,Y,Z,说明：,a,指数意义：代表一组平行的晶面；,b 0,的意义：面与对应的轴平行；,c,平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反；,d,晶面族,：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相同），空间位向不同的各组晶面。用,hkl,表示。,e,若晶面与晶向同面，则,hu+kv+lw,=0;,f,若晶面与晶向垂直，则,u=h,k=v,w=l,。,平移坐标原点,：为了标定方便。,立方晶系常见的晶,面为：,（,3,）六方系晶向指数和晶面指数,a,六方系指数标定的特殊性：,四轴坐标系,。,采用,a1,、,a2,、,a3,及,C,四个晶轴，,a1,、,a2,、,a3,之间的夹角均为,120,。,b,晶面指数的标定,标法与立方系相同,(,四个截距,),；,用四个数字,(,hkil,),表示；,i=-(,h+k,),。,晶面指数确定方法与三 轴系一致,六个柱面的指数可确定为：,截距,指数,1,，,-1,，（）,，,1,，,-1,，（）,-1,，,1,，,（）,-1,，,1,，（）,-1 1 ,（）,1 -1 (),这六个晶面可归并为,晶,面族。,c,晶向指数的标定,标法与立方系相同,(,四个坐标,),；用四个数字,(,uvtw,),表示；,t=-(,u+w,),。,依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。,坐标换算法：,UVW,uvtw,u=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(U+V)/3,w=W,。,（,4,）晶带,a,晶带：,平行于某一晶向直线所有晶面的组合。,晶带轴 晶带面,b,性质：,晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面,/,晶带轴；,hu+kv+lw,=0,c,晶带定律,凡满足上式的晶面都属于以,uvw,为晶带轴的晶带。推论：,（,a,）,由两晶面,(h,1,k,1,l,1,)(h,2,k,2,l,2,),求其晶带轴,uvw,：,u=k,1,l,2,-k,2,l,1,;v=l,1,h,2,-l,2,h,1,;w=h,1,k,2,-h,2,k,1,。,（,b,）,由两晶向,u,1,v,1,w,1,u,2,v,2,w,2,求其决定的晶面,(,hkl,),。,H=v,1,w,1,-v,2,w,2,;k=w,1,u,2,-w,2,u,1,;l=u,1,v,2,-u,2,v,1,。,（,5,）晶面间距,：,定义：两近邻平行晶面间的垂直距离，用,d,hkl,表示,正交晶系,立方晶系,六方晶系,注：以上公式是针对简单晶胞而言的，如为复杂晶胞，例如体心、面心，在计算时应考虑晶面层数增加的影响，对于面心立方,hkl,不全为偶、奇数、体心立方,h+k+l,=,奇数时，,d,hkl,=d/2,。,低指数晶面的面间距较大；,晶面间距越大,该面上原子排列越紧密,;,原子线密度最大的晶向上面间距最大。,三、典型的金属晶体结构,1.,三种常见晶体结构,面心立方（,A1,FCC,）,体心立方（,A2,BCC,）,密排六方（,A3,HCP,）,（,1,）面心立方晶格,(FCC,A1,),（,faced-,centred,cubic,）,晶格常数：,a,晶胞原子数：,4,配位数：,12,致密度：,0.74,常见金属：,-Fe,、,Ni,、,Al,、,Cu,、,Pb,等,原子半径,：,配位数（,CN,）：,晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。,致密度（,K,）：,晶体结构中,原子体积占总体积的百分数。,K=,nv,/V,。,fcc,致密度,：,fcc,配位数,：,CN=12,（,2,）体心立方晶格,(BCC,A1,),（,body-,centred,cubic,）,晶格常数：,a,(,a,=,b,=,c,),原子半径：,原子个数：,2,配位数：,8,致密度：,0.68,常见金属：,-Fe,、,Cr,、,W,、,Mo,、,V,、,Nb,等,bcc,致密度,：,bcc,配位数,：,CN=8,配位数（,CN,）：,晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。,致密度（,K,）：,晶体结构中,原子体积占总体积的百分数。,K=,nv,/V,。,原子个数：,6,晶格常数：,底面边长,a,和高,c,，,c/a=1.633,（理想情况）,（,3,）,密排六方晶格,(HCP,A3,),（,hexagonal close-packed,）,配位数：,12,致密度：,0.74,常见金属：,Mg,、,Zn,、,Be,、,Cd,等,原子半径：,配位数（,CN,）：,晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。,致密度（,K,）：,晶体结构中,原子体积占总体积的百分数。,K=,nv,/V,。,HCP,致密度,：,HCP,配位数,：,CN=12,结构类型,晶胞原子数,晶格常数,原子半径,配位数,致密度,体心立方,2,a,3a/4,8,0.68,面心立方,4,a,2a/4,12,0.74,密排六方,6,a，c,a/2,12,0.74,金属中常见的三种晶体结构特征小结,2.,晶体中原子的堆垛方式,对晶体的配位数和致密度分析计算表明，,Fcc,和,Hcp,的配位数和致密度最高。因此，,FCC,和,HCP,结构均属于最紧密排列结构,。,图,1-10,密排面上原子排列示意图,图,1-11 FCC,和,HCP,结构的原子堆垛方式,（,1,）,密排六方：,密排面为（,0001,）,密排面的堆垛顺序是,AB,AB,AB,图,1-12 HCP,密排面的堆垛方式,（,2,）面心立方,：密排面为,111,密排面的堆垛顺序是,ABCABCABC,A,B,A,A,B,C,A,3.,晶体结构中的间隙,分为四面体间隙和八面体间隙,面心立方结构中间隙的刚球模型八面体间隙,面心立方结构中间隙的刚球模型四面体间隙,1,面心立方八面体间隙：,位置是立方体的正中心和每一个棱边中心，其数目,=1+12,1/4=,4,设原子半径为,r,A,，,间隙中能容纳的最大圆球子半径,r,B,，则,r,B,/,r,A,=0.414,棱边长,b.,面心立方四面体间隙：,位于由一个顶角原子和三个面中心原子连接成的正四面体中心，数目为,8,，,r,B,/,r,A,=0.225,2,密排六方间隙：,与面心立方结构的八面体和四面体的形状完全相似，但位置不同，,八面体间隙,r,B,/,r,A,=0.414,四面体间隙,r,B,/,r,A,=0.225,一个密排六方晶胞含有正八面体间隙数为,6,，正四面体间隙数为,12,3,体心立方八面体间隙：,位于立方体每个面中心和每根棱中间，数目为,6,。,间隙大小：,r,B,/,r,A,=0.15,，,r,B,/,r,A,=0.633,体心立方四面体间隙,位于两个体心原子和两个顶角原子所组成的四面体中心，数目为,12,。,r,B,/,r,A,=0.29,(1)fcc,和,hcp,都是密排结构，而,bcc,则是比较“开放”的结构，因为它的间隙较多。因此，碳、氮、氢、氧、硼等原子半径较小的元素（即间隙原子）在,bcc,金属中的扩散速率往往比在,fcc,及,hcp,金属中高得多。,(2)fcc,和,hcp,金属中的八面体间隙大于四面体间隙，故这些金属中的间隙原子往往位于八面体间隙中。,(3)fcc,和,hcp,中的八面体间隙远大于,bcc,中的八面体或四面体间隙，因而间隙原子在,fcc,和,hcp,中的固解度往往比在,bcc,中大得多。,晶体结构中的间隙的几点说明,:,(4),在,bcc,晶体中，四面体间隙大于八面体间隙，因而间隙原子应占据四面体间隙位置。但另一方面，由于,bcc,的八面体间隙是不对称的，即使上述间隙原子占据八面体间隙位置，也只引起距间隙中心为的两个原子显著地偏离平衡位置。因此，在有些,bcc,金属中，间隙原子占据四面体间隙位置（如碳在钼中），在另一些,bcc,晶体中，间隙原子占据八面体间隙位置（如碳在,-,铁中）。,(5),fcc,和,hcp,晶体中的八面体间隙大小彼此相等，四面体间隙大小也相等，其原因在于这两种晶体的原子堆垛方式非常相像。,四、同素异晶转变,(,多晶型转变,),1.,同素异晶转变：,物质在固态下晶体结构随温度变化的现象,。,2.,铁的同素异晶转变,铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：,1394,912,-Fe -Fe -Fe,-Fe,、,-Fe,为,体心立方结构,(BCC),，,-Fe,为面,心立方结构,(FCC),。,都是铁的同素异晶体。,钢铁材料之所以能通过热处理来改变性能，原因之一就是因其具有同素晶构转变。,纯铁的同素异晶转变,1.,晶体具有各向异性的原因,，,是由于在不同晶向上的原子紧密程度不同所致。,原子的紧密程度不同，意味着原子之间的距离不同，则导致原子间结合力不同，从而使晶体在不同晶向上的物理、化学和力学性能不同。,五、晶体的各向异性,2,晶体的各向异性,不同晶面和晶向上原子密度不同，原子间距离不同，结合力不同。,不同方向上的性能有所差异,称为各向异性。,-,Fe,单晶体，,111,的弹性模量,E=2.910,5,MN/m,2,100,的,E=1.3510,5,MN/m,2,。,1.3.2,合金相结构,1.3 材料的晶体结构,合金,：,是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。,组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。,如,钢与铸铁是铁、碳合金,；,黄铜是铜、锌合金。,表 工业纯,Fe,、,Al,、,Cu,合金化前后,b,的变化,1.3 材料的晶体结构,组元：,组成合金的最简单、最基本而且能独立存在的物质称为组元。,组元就是组成合金的元素，也可是稳定的化合物,。,组成合金元素相互作用可形成不同的相,（,合金相,）,。,合金相,（简称,相,）,：,指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。,1.3 材料的晶体结构,合金在固态下形成的合金相分为,固溶体,和,金属化合物,两类。,一、,固溶体,1.,固溶体,：,溶质原子溶入到溶剂组元的晶体点阵中所形成的具有溶剂晶格结构的固相。,把与合金晶体结构相同的元素称作,溶剂,。其它元素称作,溶质,。,1.3 材料的晶体结构,2.,固溶体的分类,a.,按溶质原子所处位置分为,置换固溶体,和,间隙固溶体,1.3 材料的晶体结构,置换固溶体,:,溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。,置换固溶体,间隙固溶体,溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。,形成间隙固溶体的,溶质元素是原子半径较小的非金属元素,，如,C,、,N,、,B,等，而,溶剂元素一般是过渡族元素。,形成间隙固溶体的一般规律为：,r,质,/,r,剂,0.59,时形成复杂结构间隙化合物。,间隙化合物具有复杂的晶体结构，合金钢中常出现的间隙化合物有,M3C,型、,M7C3,型、,M23C6,、,M6C,。,化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。,如,Mn,溶入,Fe3C,中，形成合金渗碳体（,Fe,，,Mn,）,3C,间隙化合物具有很高的熔点和硬度，加热时易分解,1.3 材料的晶体结构,图,Fe,3,C,晶体结构,1.3 材料的晶体结构,1.4,实际金属的晶体结构,(,一,),多晶体与单晶体,单晶体,：其内部晶格方位完全一致的晶体。,多晶体,：,由多晶粒组成的晶体结构。,晶粒,：,实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，,这些小晶体称为晶粒。,实际金属通常是多晶体结构。,习题,1,答案,