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机械工程材料2024Feb25thMechanicalEngineeringMaterials大连理工大学出版社《机械工程材料》

第2章材料的内部结构

【内容提要与学习目标】材料可分为金属材料与非金属材料,材料的性能决定于其内部结构,本章主要介绍了金属材料的内部结构即晶体结构的有关知识,这些知识能够从本质上揭示出材料的性能及影响性能的因素。掌握有关它们的知识,能够为更好的使用材料打下良好的知识基础。本章的概念、名词、术语较多,建议在理解的基础上进行有效的学习和记忆。通过本章的知识学习和实际练习,要求学生达到:①掌握有关晶体的基本概念和名词术语;重点是三种典型晶体结构的特点、特征;②掌握实际晶体结构缺陷对材料性能的影响规律;理解缺陷影响的对立统一关系;③掌握合金相结构的基本概念及对材料性能的影响;④了解非金属材料的结构。

2.1纯金属的晶体结构材料的种类很多,性能各有不同,它们性能首先决定于金属材料的内部结构,而以晶体状态存在的金属是应用中最重要的金属材料。2.1.1理想晶体的晶体结构一、晶体的基本概念1.晶体与非晶体物质是由原子、原子团、分子和分子团这些物质微粒或其集合而构成的。根据其物质微粒在三维空间排列方式的不同可分为晶体和非晶体两类。晶体是指组成物质的微粒在三维空间做有规则、周期性排列形成的物体。非晶体是指组成物质的微粒在三维空间做无规则、随机性排列形成的物体。自然界的绝大多数物质在固态下为晶体,只有少数物质为非晶体。金属和合金在固态下都是晶体。晶体与非晶体的本质区别只是物质微粒排列方式不同,不涉及到物质的化学成分和物质状态,因此,同样成分的物质可以有晶体和非晶体两种状态,但它们的性能却不相同。晶体和非晶体在一定条件下可以互相转换。

2.1纯金属的晶体结构硅单晶体:

2.1纯金属的晶体结构多晶体:

2.1纯金属的晶体结构2.晶体结构(1)晶格、晶胞和晶格常数为了便于反映物质在固态下的晶体结构,可以把晶体中的原子近似的看作一个直径一定的刚性小球,按一定的几何形状有规律排列的而成的。如图2-1(a)所示。为了更清楚地表示晶体中原子的排列规律,可以将原子简化为一个质点,并且用假想的线条将各个原子的中心连接起来,这样就形成了一个能够抽象的、用于反映原子排列规律的空间格架称为晶格,如图2-1(b)所示。根据晶体中原子的排列具有周期性特点。可以从中选取一个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元即晶胞,来分析晶体中原子的排列规律。如图2-1(c)所示。晶体可以看做是由许多大小、形状和位向不同的晶胞在三维空间重复堆积而成。晶胞的大小和形状通常用晶胞的棱边长度及棱边夹角来表示,晶胞的棱边长度称为晶格常数。图2-1晶体中原子堆积模型、晶格抽象模型及晶胞模型示意图

2.1纯金属的晶体结构铁原子排列示意图及实际电镜照片:

2.1纯金属的晶体结构(2)晶面和晶向及晶体的各向异性晶格中通过原子中心所构成的不同方位上的原子面称为晶面。通过原子中心所构成的不同方向上的原子列称为晶向。晶面及晶向可以分别用密勒指数的一些参数来表示。表示晶面的参数称为晶面指数,表示晶向的参数称为晶向指数。晶体中不同晶面和晶向上原子排列的紧密程度不同,原子间的结合力大小也就不同,从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能,这就是晶体的各向异性。

2.1纯金属的晶体结构二、金属中常见的晶体结构金属原子结合力强,原子排列趋于紧密。但不同金属的结构不同,常见的有以下三种:(1)体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体,立方体的中心有一个原子,八个顶点各排列着一个原子,其晶格常数a=b=c,如图2-2。属于这种晶格类型的金属有铬(Cr)、钨(W)、钒(V)、铁(α-Fe)等。图2-2体心立方晶胞示意图

2.1纯金属的晶体结构(2)面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体,八个顶点和六个面的中心各排列着一个原子,其晶格常数a=b=c,如图2-3所示。属于这种晶格类型的金属有铁(γ–Fe)、铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)等。图2-3面心立方晶胞示意图

2.1纯金属的晶体结构(3)密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体,柱体的十二个顶点和上、下面中心各排列着一个原子,六方柱体的中间还有三个原子,如图2-4所示。属于这种晶格类型的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、铍(Be)等。2-4密排六方晶胞示意图晶格类型不同,原子排列的致密度(晶胞中原子所占体积与晶胞体积的比值)也不同。体心立方晶格的致密度为68%,面心立方晶格和密排六方晶格的致密度为74%。晶格类型发生变化,金属的体积和性能也会发生相应的改变。

2.1纯金属的晶体结构2.1.2实际金属的晶体的结构一、金属的多晶体结构多晶体是指整

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