第二章金属材料基础-lecture讲述.ppt

2.1 晶体的结构 2.2 晶体中的缺陷 2.3 金属的结晶 2.4 金属的塑性变形和再结晶 2.5 二元合金的微观相结构和相图 2 金属材料基础 2.1.1 7种晶系和14种晶格 2.1 晶体的结构 全部原子种类的晶体结构类型非常多，从简单的金属晶体，到复杂的陶瓷或高聚物晶体。 晶体的有些性能取决于材料的晶体结构， 大多数工程材料是晶体结构 即：材料的原子、分子、离子排列具有一定规律性，并重复排列。 2.1.1.1 晶格和晶胞 晶格 术语 “晶格”常用于描述晶体结构中； 此处“晶格”意味着与原子位置或者球体中心一致的三维点的排列，在这里原子或者离子被认为是有明确直径的固体球。 晶胞 晶体中原子顺序显示出了排列的重复性。因此，为了描述晶体结构，从晶格中取出一个具有整个晶体全部几何特征的最小几何单元称为晶胞。 基本晶胞 图 2.2 典型晶胞的几何形状 a, b, c,α, β,γ——定义为晶体结构的晶格参数。 a, b, c——三条棱长，单位是? 或者 nm, 1nm=10 ?。 α , β , γ ——三条棱边夹角。 在晶体学中，晶体的分类常常是根据晶胞的外形，也就是棱长和棱边夹角进行的。因晶格形式和晶格常数不同，可将所有的晶体分为7种晶系和14种晶格。 晶系和布喇菲点阵 表2.1 7种晶系和14种晶格 序号 布拉菲点阵 晶系 棱边长度与 夹角的关系 简图 1 简单立方 立方 2 体心立方 （bcc） 3 面心立方 （fcc） 4 简单四方 四方 5 体心四方 6 简单正交 正交 7 底心正交 8 体心正交 9 面心正交 12 简单单斜 单斜 13 底心单斜 14 简单三斜 三斜 10 简单菱方 菱方 11 简单六方 （密排六方） 六方 7种晶系：立方、四方、 正交、菱方、六方、单斜、三斜。 14种晶格：简单立方、体心立方、面心立方、简单四方、体心四方、简单正交、底心正交、体心正交、面心正交、简单菱方、密排六方、简单单斜、底心单斜、简单三斜。 总结一下：7种晶系和14种晶格 研究表明，绝大多数金属的微观结构属于三种典型的结构：体心立方、面心立方和密排六方晶体结构。 体心立方：Mo、Nb、Cr、W、V、α-Fe等。 面心立方：Al、Cu、Ni、Pb、γ-Fe等。 密排六方 ：Zn、Mg、Be等。 2.1.1.2 金属晶体的典型晶胞 图 2.3 体心立方晶体结构 (c) 简化球表示的晶胞 图 2.5 密排六方晶体结构 (b) 简化球表示的晶胞 2.1.1.3 陶瓷结构 与金属相比，陶瓷化合物化学组成更具多样性。 该多样性反映在它们的晶体结构中。 2.1.1.4 高聚物结构 与金属和陶瓷中独立的原子和离子堆积相比，高聚物的长分子、规则又可重复性的排列是困难的。 因此，大多数商业塑料相当大程度上是非晶体。高聚物的晶体微观结构相当复杂。 2.1.1.5 半导体结构 半导体产业发展单晶技术，已经推动晶体达到高度完善的程度。 晶胞中的原子数 体心立方： 面心立方：4 密排六方：6 2.1.2 晶胞的配位数、原子半径和密度 原子半径 定义原子半径为晶胞中原子密度最大方向上的两原子之间距离的一半。 体心立方晶胞： 面心立方晶胞： 密排六方晶胞： 图 2.15 体心立方晶胞的原子半径 晶格中原子排列的致密度 用配位数和致密度来表达晶格中原子排列的致密程度。 配位数 晶格中与任意原子处于等距离且相距最近的原子数目。配位数越大原子排列的越致密。 体心立方的配位数8；面心立方的12；密排六方的12 图 2.16 体心立方晶格的配位数 致密度 金属晶胞中全部原子的体积占晶胞总体积的百分数，即： 由此计算，体心立方晶胞致密度：68% 面心立方晶胞致密度：74% 密排六方晶胞致密度：74% 不同温度下的纯铁 910℃以下，纯铁为体心立方，α-Fe，致密度68%。 910~1392℃，纯铁为面心立方，γ-Fe，致密度74%。 1392~1538℃，纯铁为体心立方，δ-Fe，致密度68%。 2.1.3 晶体位置、晶向和晶面 2.1.3.1 晶向 晶向 原子中心共线的原子列所代表的方向，用晶向指数表示。 晶向指数[u v w] 表示晶向的一组数据。晶向指数分四步确定： 建立坐标系 以所考察晶胞中待定晶向的某一个结点为空间坐标系原点，以过原点的三条晶格棱边为坐标轴，以晶胞的点阵常数为单位长度，建立坐标系。 确定坐标值 求出代表晶向的直线上任意一点的坐标值。 化整并加方括号 将上述坐标值以其最小整数表示，并进一步用加方括号的形式表达，即为晶向指数[u v w]。 移负值晶向指数负号