第2章材料的结构.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,*,第,二,章 材料的,结构,第三章 材料的结构,了解晶体结构的基本概念；晶格的三种典型结构，实际金属晶体的三类缺陷。,结构：原子的排列方式和空间分布。,物质的聚集状态：气态、液态、固态,凝固：由液态转为固态的过程。,固体物质的结构形式：结晶体和无定形体（非晶体）,1,、晶体和非晶体,1,）,晶体,：原子在空间按一定几何规律周期性排列的有序结构，具有固定熔点和各向异性。,2,）非晶体：内部原子无序排列，结构无序、各向同性、没有固定熔点、导热率和热膨胀小、塑性大、组成的变化很大。,3,）相互转化：凝固方式,一、晶体结构的基本概念,第三章 材料的结构,晶格：将每个原子视为质点，用假想直线将各原子的振动中心连接起来构成空间格架。这种用以描述原子在晶体中排列形式的空间格架称为晶格。,晶胞：晶格中最简单、最基本、最典型的空间几何体称为晶胞,它代表着晶格的结构形式。整个晶格就是由许多个大小、形状和位向相同的晶胞重复堆集而成的。,2,、,晶格和晶胞,：,第三章 材料的结构,晶格参数：晶胞的棱边长度,a,、,b,、,c,和棱边夹角,、,、,（轴间夹角）。,晶格常数：晶胞中各棱边的长度，以埃,(A),为单位，,1A=10,-10,mm,。通常数值在,2.5,5.0A,之间。,简单立方晶格,各种金属元素的主要差别就在于晶格类型和晶格参数的不同。,第三章 材料的结构,3,、晶面和晶向：,晶面：晶体中各种方位上的原子面叫做晶面，,晶向：各种方向上的原子列叫做晶向。,金属的许多性能都和晶体中的特定晶面和晶向有密切联系，为了便于研究和表述不同晶面和晶向上原子排列情况与特征，有必要给各种晶面和晶向规定一定的符号，这种符号分别叫做“,晶向指数,”和“,晶面指数,”。,第三章 材料的结构,（,1,）,晶面指数确定晶面指数的步骤如下：（,1,）设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作,OX,、,OY,、,OZ,三坐标轴，以晶格常数,a,、,b,、,c,分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距。（,2,）将所得三截距之值变为倒数。（,3,）再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为晶面指数，一般表示为（,hkl,）。在图,2-7,所示的立方晶格中，（,100,）、（,110,）、（,111,）三种晶面最重要。应该注意的是，某一晶面指数并不只代表某一具体晶面，而是代表一组相互 平行的晶面，即所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。另外，在同一种晶格中，有些晶面虽然在空间的位向不同，但其原子的排列情况完全相同，这些晶面均 属于一个晶面族，其晶面指数用大括号,hkl,表示,（,2,）晶向指数确定晶向指数的步骤如下：（,1,）通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向。（,2,）求出该直线上任意一点的三个坐标值。（,3,）将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶面指数，其一般形式为,uvw,。在图,2-8,所示的立方晶格中，,100,、,110,、,111,三种晶向最重要。应该指出，晶向指数所表示的不仅仅是一条直线的位向，而是一族平行线的 位向。即所有相互平行的晶向，都具有相同的晶向指数。另外，原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族，以,uvw,表示。,晶面指数的例子,第三章 材料的结构,晶向指数的例子,第三章 材料的结构,二、三种典型金属晶体晶格结构：体心立方、面心立方和密排六方晶格,由于每个角上原子均为其他相邻,8,个晶胞共有，所以其实际原子数为,2,。,-Fe Cr,等。,晶格的致密度,：晶胞中原子所占有的体积与晶胞体积的比值。,体心立方晶格的致密度：,0.68,1,、体心立方晶格,BBC,（,Body-Centered Cubic Crystal Structure,）,第三章 材料的结构,实际,4,个原子，,-Fe ,Cu,，,Al,等,致密度为,0.74,或,74%,2,、面心立方晶格,FCC,（,face-centered cubic,）,第三章 材料的结构,3,密排六方晶格,HCP(,Hexagona,Close-Packed,Crytal,Structure),实际,6,个，,Mg,Zn,等,致密度为,0.74,或,74%,。,第三章 材料的结构,三、实际金属的结构：,1,、单晶体和多晶体：金属内部的晶格位向完全一致，称为单晶体（人工方法）反之为多晶体,晶粒与晶界：多晶体内外形呈多面体的小晶体称为晶粒；晶粒之间的界面为晶界。,第三章 材料的结构,2,、晶体缺陷：各种原因破坏了原子间的平衡，使晶格发生扭曲，称为晶格畸变，使其性能改变。,1),点缺陷,：空间三个方向尺寸上的微小缺陷，如晶格空位、间隙原子和置换原子。,（提高了硬度、强度，降低塑性、韧性）,2,）,线缺陷,：晶体中最普通的线缺陷就是位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。,这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以形成不同类型的位错。,第三章 材料的结构,通常把单位体积中所包含的位错线总长度称为位错密度。,一般退火态金属的位错密度约为,10,5,10,8,cm/cm3,；冷变形后的金属可达,10,12,cm/cm3,。位错的存在对金属的强度有着重要的影响，,第三章 材料的结构,3,）,面缺陷,：晶格中其他,2,个方向尺寸很大，如晶界和亚晶界。,大于,10,15,的晶界称为大角度晶界，亚晶界是小角度晶界，其结构可以看成是位错的规则排列。,亚晶界：晶粒位向相差很小,2,0,3,0,的小晶粒称为亚晶粒，其界面即为,。,晶界与晶内性能对比？,第三章 材料的结构,四、合金的相结构基本概念：,合金：,是指两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。,（,合金具有比纯金属高得多的强度、硬度、耐磨性等机械性能，是工程上使用得最多的金属材料，如机器中常用的黄铜是铜和锌的合金；钢是铁和碳的合金；焊锡是锡和铅的合金。）,相：,凡是化学成分相同、晶体结构相同，与其它部分有明显分界的均匀组成部分。,合金中有两类基本的相结构，固溶体和金属间化合物。,组元：,组成合金最简单的、最基本的、能够独立存在的元素称为组元，简称元。,组元一般是指元素，但有时稳定的化合物也可以作为组元，如,Fe,3,C,、,Al,2,O,3,、,CaO,等。合金按组元的数目可分为二元合金、三元合金及多元合金。,1,、固溶体,组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体,A,（,B,）。,A,：溶剂,B,：溶质,合金系：,由两个或两个以上组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，这一系列合金构成一个合金系统，简称合金系。例如黄铜是由铜和锌组成的二元合金系。,组织：,由单相或多相组成的具有一定形态的聚合物，纯金属的组织是由一个相组成的，合金的组织可以是一个相或多个相组成。,第五章 二元合金,固溶体的分类,溶质原子的位置,置换固溶体,晶格类型相同,原子半径相差不大,电化学性质相近,间隙固溶体,原子半径较小,溶解度,有限固溶体,溶解度有限（间隙）,无限固溶体,溶解度无限（置换）,分布有序度,有序固溶体,无序固溶体,置换固溶体,间隙固溶体,第五章 二元合金,固溶强化,由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸度而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低的现象。,溶质原子溶入,晶格畸变,位错远动阻力上升,金属塑性变形困难,强度、硬度升高。,第五章 二元合金,2,、金属间化合物（中间相）,金属间化合物是合金的组元相互作用而形成的具有金属特性，而晶格类型和特性又完全不同于任一组元的化合物一中间相。,一般可用分子式大致表示其组成,。,Fe,3,C,称为渗碳体,。,熔点、硬度高、脆性大。（强化相）,机械混合物,当组成合金的各组元在固态下既互不溶解，又不形成化合物，而是按一定的重量比例以混合方式存在着，形成各组元晶体的机械混合物。,组成机械混合物的物质可能是纯组元、固溶体或者是化合物各自的混合物，也可以是它们之间的混合物。,绝大多数工业用合金都是混合物，它们的性能决定于组成混合物各部分的性能，以及它们的形态、大小和分布。,第五章 二元合金,单一固溶体,强度、硬度较低,单一化合物,硬而脆,机械混合物,不是一种单一相,第五章 二元合金,总结：,1,、晶体的表述,2,、晶格的类型,3,、金属的缺陷,4,、相结构及其特性,