金属材料与热处理 教学课件 ppt 作者 李炜新第二章 金属的晶体结构与结晶.ppt

第二章 金属的晶体结构与结晶 不同的金属材料具有不同的力学性能；同一种金属材料，在不同的条件下其力学性能也是不同的。金属性能的这些差异，完全是由金属内部的组织结构所决定的。因此，研究金属的晶体结构及其变化规律，是了解金属性能，正确选用金属材料，合理确定加工方法的基础。 第一节 金属的晶体结构 一、晶体与非晶体 固态物质按其原子（或分子）的聚集状态可分为晶体和非晶体两大类。凡原子（或分子）按一定的几何规律作规则的周期性重复排列的物质，称为晶体；而原子（或分子）无规则聚集在一起的物质则称为非晶体。 晶体具有固定的熔点（或凝固点）、具有各向异性的特征。而非晶体则没有固定的熔点（或凝固点），具有各向同性的特征。 晶体与非晶体在一定条件下可以互相转化。 二、金属晶体的特性 晶体又分为金属晶体和非金属晶体两类。金属晶体除具有晶体所共有的特征外，还具有独特的性能，如金属具有金属光泽、良好的导电性和导热性、良好的塑性及正的电阻温度系数等。这主要与金属的原子结构及原子间的结合方式有关。 金属中的自由电子在外电场作用下会沿电场方向作定向运动，形成电流，使金属晶体显示出良好的导电性；正离子的热振动对自由电子的运动有阻碍作用，随温度升高，正离子热振动的幅度加大，对自由电子的阻碍作用增大，因此，金属晶体的电阻随温度升高而增大，即具有正的电阻温度系数；由于正离子的振动和自由电子的运动可以传递热能，从而使金属晶体具有良好的导热性；金属晶体中的原子发生相对位移后，正离子与自由电子之间仍保持原有的结合方式，使金属显示出良好的塑性；自由电子能吸收可见光的能量，跃迁到较高的能级上，当它返回原来低能级时，就把所吸收的能量以电磁波的形式辐射出来，宏观上显示金属晶体具有光泽。 三、晶体结构的基本知识 在研究金属的晶体结构时，为分析问题方便，通常将金属中的原子近似地看成是刚性小球。如图2–1所示。 为了便于理解和描述晶体中原子的排列情况，可将刚性小球再抽象成为一个几何点，几何点位于刚性小球的中心。这种几何点的空间排列称为空间点阵，简称为点阵。点阵中的几何点称为结点或阵点。 在表达点阵的几何图形时，为了观察方便，可作许多平行直线将结点连接起来，构成三维的几何格架，如图2–2所示。这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架称为晶格。 为了说明点阵排列的规律和特点，可在点阵中取出一个具有代表性的基本几何单元来进行分析，这个点阵的组成单元称为晶胞，如图2–2所示。 在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作坐标轴X、Y、Z，称为晶轴。如图2–3所示。 四、常见金属的晶格类型 在金属晶体中，由于原子间的结合方式，决定了金属晶体具有高度对称的简单的晶体结构。其中常见的有以下三种： 1．体心立方晶格 体心立方晶格的晶胞如图2–4所示。在晶胞的中心和八个角上各有一个原子，它是一个立方体（a=b=c，α=β=γ=90o）。体心立方晶格晶胞中的原子数n=8×1/8+1=2（个）。属于体心立方晶格类型的金属有α-Fe、Cr、W、Mo、V等。 2．面心立方晶格 面心立方晶格的晶胞如图2–5所示。在晶胞的六个面的中心及八个角上各有一个原子，它也是一个立方体。面心立方晶格晶胞中的原子数n=8×1/8+6×1/2=4（个）。属于面心立方晶格类型的金属有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等。 3．密排六方晶格 密排六方晶格的晶胞如图2–6所示。在晶胞的每个角和上、下底面的中心上各有一个原子，晶胞的体内还有三个原子，它是一个六方柱体，由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面组成。密排六方晶格晶胞中的原子数n=12×1/6+2×1/2+3=6（个）。属于密排六方晶格类型的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。 4．配位数与致密度 晶体中原子排列的紧密程度与晶体结构类型有关。为了定量地表示晶体中原子排列的紧密程度，通常使用配位数和致密度这两个参数。 配位数是指晶体结构中与任一原子最邻近且等距离的原子数，例如体心立方晶格的配位数是8。 由于把晶格中原子看成是刚性小球，因此，晶体中原子排列的紧密程度可用晶胞中原子所占体积与该晶胞体积的比值来表示。例如在体心立方晶格中每个晶胞含有2个原子，原子直径与晶格常数之间的关系如图2–7所示，故体心立方晶格的致密度为： = = =0.68 五、晶体的各向异性 在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。图2–8所示为简单立方晶格中的一些晶面。 通过两个或两个以上原子中心的直线