2 第二章 金属的晶体结构与塑性变形和再结晶.ppt

/32 第二章 金属的晶体结构与塑性变形和再结晶 一切物质都是由原子组成，固体物质按其原子排列的特征，可分为晶体和非晶体。非晶体的原子成不规则排列，如玻璃、松香、塑料等；晶体的原子则按一定的次序做有规则的排列，如金刚石、石墨及绝大多数固态的纯金属和合金就属于晶体。 2、晶格、晶胞和晶格常数 表示晶体中原子排列形式的空间格子叫做晶格，图2-1b。 组成晶格最基本的几何单元叫做晶胞，图2～1c。 在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以棱边长度 a、b、c 和棱边夹角 α、β、γ来表示晶胞的形状和大小 。 晶胞中各棱边的长度叫晶格常数，用来表示晶胞的大小。 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成 晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。 晶系： 根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 立方晶系：a=b=c，?=?=?=90? 六方晶系：a1=a2=a3? c，?=?=90?，?=120? 3．致密度与配位数 晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半称为原子半径，处于不同晶体结构中的同种原子的半径是不相向的。一个晶胞内所包含的原子数目称为晶胞原子数。 晶胞中原子本身所占有的体积与晶胞体积之比称为致密度；晶体结构中与任一原子处于等距离并相距最近的原子数目称为配位数。 配位数和致密度反映了原子排列的紧密程度。不同晶体结构的晶胞原子数、配位数和致密度均不相同，配位数越大的晶体致密度越高。 体心立方晶格晶胞含2个原子，晶格致密度0.68；面心立方和密排六方晶格均为0.74。 晶格致密度越大，原子排列越紧密。 当晶体从面心立方转变为体心立方时，致密度减小而使体积膨胀。 4. 晶面、晶向及晶面指数和晶向指数 在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。任意两个原子之间的连线所指的方向称为晶向。金属中的许多性能和现象都与晶体的特定晶面和晶向有密切关系。通常为了便于研究，不同位向的晶面或晶向都用一定的符号表示：表示晶面的符号称为晶面指数，如图2-2中的（111）；表示晶向的符号称为晶向指数，如图2-3中的[010]。 二、三种典型的金属晶体结构 在金属元素中，约有90％以上的金属晶体结构都属于下面三种密排的晶格形式。 1、体心立方晶格：晶胞是一个长、宽、高相等的立方体，在立方体的八个顶角上和立方体的中心各有一个金属原子，如图2-2）所示。铬、钼、钨、钒及 铁(温度在910℃以下的纯铁)等，皆具有这种晶格形式。故晶胞中实际原子数为8×1／8＋1＝2（个）。 1. 体心立方晶格 2、面心立方晶格： 也是一个立方体，除在立方体的八个顶角各有一个金属原子外，在立方体六个表面的中心还各有一个金属原子，如图2-3）所示。属这类晶格的金属有铝、铜、镍、铅和 铁(温度在1390～910℃的纯铁)等。面心立方晶胞中原子数为8×1／8＋6×1／2＝4（个）。 2.面心立方晶格 3、密排六方晶格： 是一个六方柱体，上下两个六方面的顶角及中心各有一个金属原子，而且在这两个六方面的中间还均匀分布着三个金属原子，如图2-4）所示。属于这种晶格的金属有铍、镁、锌、镉等。 密排六方晶胞中原子数为12×1／6＋2×1／2＋3＝6（个）。 3.密排六方晶格 三、金属的实际晶体结构 1、单晶体与多晶体 原子从一个核心(称为晶核)按同一方向进行排列生长而成的晶体称为单晶体，一些天然晶体如金刚石、水晶等都是单晶体。 而金属材料通常是由许多不同方位的小晶体组成，称为多晶体。虽然多晶体中每个晶体都呈各向异性，但是整个金属的性能则是多晶体性能的平均值。 晶体缺陷与性能的关系 实际上由于受许多因素的影响，晶体内部某些区域的原子规则排列往往会受到外界干扰而被破坏，金属晶体结构中存在的这种不完整的区域称为晶体缺陷。按照几何特性，晶体缺陷主要分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。 ① 点缺陷 空间三维尺寸都很小的缺陷。 刃型位错线是晶格畸变的中心线，在ABCD晶面的上方位错线附近的区域，晶体受到压应力；而在ABCD晶面的下方位错线附近的区域，晶体则受到拉应力。离位错线越远，晶格畸变越小，应力也就越小。 刃型位错和螺型位错 3．面缺陷 面缺陷是指二维尺度很大而三维尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界两种； 实际的金属是由大量外形不规则的小晶粒组成