金属材料与热处理模块二金属的晶体结构 (1).ppt

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1、模块二模块二 金属的晶体结构金属的晶体结构一提到晶体，很多人会想到具有漂亮的外观、规则的平面的矿物、绮丽的雪花。晶体晶体雪花 盐 冰糖 宝石问题提出问题提出日常生活中，我们常常能够看到有规则外形的固体，冬天在寒冷的玻璃窗上面结成的冰花、奇妙的雪花；吃的食盐和冰糖；各种各样的宝石、玉石、水晶等等，它们都是晶体，这些都是大家熟悉的东西，但是谁会想到炒菜的铁锅或者是金属窗户以及路上跑的汽车金属外壳等等也是晶体呢？尽管想不到，但是它们确实是晶体。晶体的基本概念晶体的基本概念物质是由原子、原子团、分子和分子团这些物质微粒构成的。根据物质微粒在三维空间排列方式的不同，物质可分为晶体和非晶体两类。自然界的绝

2、大多数物质在固态下都为晶体，只有少数为非晶体。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。金属和合金在固态下通常都是晶体。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。晶体的基本概念晶体的基本概念晶体与非晶体的本质区别只是物质微粒的排列方式不同，不涉及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。此外，如果物质的微粒在三维空间做有规则、周期性排列形成的是液体状态，那么这个就是所谓的液晶。特点：晶体具有规则的几何形状，有一定的熔点，具有各向异性；非晶体则没有规则的几何形状，没有固定的熔点，具有各向同性。晶体的基本概念晶体的基本概

3、念晶格：由于金属大都是以原子状态存在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地看作一个直径一定的刚性小球，这样就可以把晶体结构看成是由刚性小球按一定的几何形状有规律排列而成的。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，晶体中原子堆积模型晶格抽象模型示意图晶体的基本概念晶体的基本概念晶胞：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来分析晶体中原子的排列规律，这个能够完全反映晶格特征的最小的几何单元称为晶胞

4、，如图所示。金属晶体可以看作是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在三维空间重复堆积而成的。晶胞示意图晶体的基本概念晶体的基本概念晶格常数：晶胞的大小和形状通常用晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角、来表示，晶胞的棱边长度称为晶格常数。晶体的基本概念晶体的基本概念晶面：在晶格中，通过原子中心所构成的不同方位上的原子面称为晶面，晶面指数：晶面可以用称为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。立体晶格中某些常用的晶面及晶面指数晶体的基本概念晶体的基本概念晶面指数标定方法：设坐标。在晶格中，沿晶胞的互相垂直的三条棱边设参考坐标轴 X、Y、Z，坐标原点O应位于待定晶面之外，以免出现零截距。求截

5、距。以晶胞的棱边长度（晶格常数）为度量单位，确定待定晶面在各坐标轴上的截距。如图中待定晶面在 X、Y、Z轴上的截距分别为1、2、。取倒数。上述截距的倒数分别为1/1、1/2、1/。化整数。将上述三个倒数化为最小的简单整数，上述三个倒数的最小简单整数为2、1、0。列括号。将所得各整数依次列入圆括号（）内，便得晶面指数。因此（210）即为图中待定晶面的晶面指数。晶面指数的一般表示形式为（hkl）。如果所求晶面在坐标轴上的截距为负值，则在相应的指数上加一横线。晶面与晶面指数示意图晶体的基本概念晶体的基本概念晶向：通过原子中心所构成的不同方向上的原子列称为晶向。晶向指数：晶向也可以用称为密勒指数的一些

6、参数来表示。表示晶向的参数称为晶向指数。立体晶格中某些常用的晶向及晶向指数晶体的基本概念晶体的基本概念晶向指数的标定方法:设坐标 在晶格中设坐标轴 X、Y、Z，坐标原点O应位于待定晶向的直线上。求坐标值 以晶胞的晶格常数为度量单位，在待定的晶向直线上任选一点，并求出该点在 X、Y、Z轴上的坐标值。化整数 将上述三个坐标值按比例化成最小的简单整数。列括号 将上述所得的各整数依次列入方括号内，便得晶向指数。晶向指数通常以 uvw表示。如果坐标值为负，则在相应的指数上加一横线。晶体的基本概念晶体的基本概念各向异性：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

7、晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体的各向异性各向异性。晶体的这种特性在力学性能、物理性能和化学性能上都能体现出来，并且在生产中有所应用。金属中常见的晶体结构金属中常见的晶体结构金属中常见的晶体结构有三种：体心立方晶格(bcc)、面心立方晶格(fcc)、密排六方晶格(hcp)。1.体体心心立立方方晶晶格格：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属于这种晶格类型的金属有铬(Cr)、钨(W)、钒 (V)、铁(-Fe)等。体心立方晶胞示意图金属中常见的晶体结构金属中常见的晶体结构2.面心立方晶格:面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，

8、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。属于这种晶格类型的金属有铁(Fe)、铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)等。体心立方晶胞示意图金属中常见的晶体结构金属中常见的晶体结构3.密排六方晶格:密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，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属于这种晶格类型的金属有镁(Mg)、锌 (Zn)、铍(Be)等。密排六方晶胞示意图金属中常见的晶体结构金属中常见的晶体结构晶格类型不同，原子排列的紧密程度不同。衡量紧密程度的一个参数是致密度，致密度是指晶胞中原子所占体积与晶胞体积的比值。体心立方晶格的致密度为

9、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。实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构一、金属的多晶体结构一、金属的多晶体结构多晶体是指整块金属材料包含着许多小晶体，每个小晶体的晶格位向基本一致，但是各个小晶体之间的位向不同，由许多小晶体组成的晶体结构称为多晶体结构。多晶体中的每个外形不规则的、呈颗粒状的小晶体称为晶粒。多晶体材料中相邻晶粒的界面称为晶界。实际金属是由许多位向不同的晶粒组成的多晶体，所以测不出像单晶体那样的各向异性，其性能是位向不同的晶粒的平均性能，所以宏观表现为各向同性，即在各个不同方向的性能基本一致。金属材料的组织决定

10、了金属材料的性能。试验和理论证明，金属的晶粒越细，金属材料在室温时的强度、硬度就越高，塑性和韧性也越好。实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构二、实际金属的晶体缺陷二、实际金属的晶体缺陷前面提到过的晶体结构类型都是理想状态下的，实际的金属不但大多数是多晶体，而且这些晶体中还存在很多的缺陷，这些缺陷称为晶体缺陷。晶体缺陷对金属的物理性能、化学性能和力学性能产生很大影响。按照几何特征不同，晶体缺陷可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构1.点缺陷：点缺陷是指在原子尺寸范围内在长、宽、高三个尺寸方向上尺寸都很小的缺陷。最常见的点缺陷有空位、间隙原子和置换原子空位是指在晶格

11、节点原子所处的位置上没有原子，而产生空缺位置间隙原子是指在晶格的间隙位置排列了原子置换原子是指外来原子占据了晶格节点位置点缺陷的出现使原子间作用力的平衡遭到破坏，促使缺陷周围的原子发生靠拢或撑开，即产生了晶格畸变。晶格畸变将会引起金属强度、硬度、电阻等性能的变化。面心立方晶胞示意图实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构2.线缺陷：面缺陷是指晶体中在两个方向上的尺寸很小，在第三个方向上的尺寸很大，呈线状分布的缺陷。常见的就是各种类型的位错。位错是晶体中有一列或者若干列原子发生了有规则的错排现象。位错有很多种类型，基本类型有刃型位错和螺型位错两种。刃型位错的特点是:晶体的某一个晶面的上、下两部分的原

12、子面产生错排，好像沿着某方位的晶面插入的一个多余的半排原子面（也可以看作少了半排原子面），但又没有插到底，犹如插入刀刃一般，所以才称为刃型位错，多余原子面的底边称为刃型位错线。螺型位错是晶体上、下两部分原子面间相对移动了一个原子间距，出现了一个上、下原子面不吻合的过渡区。实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构晶体中位错的存在会产生严重的晶格畸变，对金属的力学性能会产生很大的影响。位错的存在影响金属材料的强度。当位错密度很少时的理想晶体，其强度很高当位错密度为中等时，其强度降低当位错密度为较大时，随着位错密度的增加，其强度明显提高。金属强度与位错密度的关系实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构3.面

13、缺陷：面缺陷是指晶体中在两个方向上的尺寸很大，在第三个方向上的尺寸很小，呈面状分布的缺陷。常见的面缺陷是晶界和亚晶界。晶界是晶粒间具有一定宽度的过渡地带，其原子排列不规则，是相邻晶粒间不同位向的过渡区。晶界的存在对金属的性能产生重要影响：晶界提高了强度，晶粒越细，则晶界越多，金属材料的强度、硬度越高;晶界处的熔点较低;相变时晶界处往往优先形成新相晶界容易腐蚀晶界与亚晶界示意图实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构亚晶及亚晶界：晶体中的晶粒内也存在着许多位向差很小的小晶块，它们之间相互镶嵌成一颗晶粒。在这些小晶块的内部原子排列的位向是一致的，这些小晶块称为亚晶粒，相邻亚晶粒之间的界面称为亚晶界。亚晶界对金属性能的影响与晶界相似：亚晶界越多，亚晶粒越细，金属的强度越大。实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构实际金属往往存在着各种缺陷，在缺陷处及其附近的晶格处于畸变状态，使得金属材料的各种性能产生变化，可使强度、硬度提高，电导率、磁导率下降，化学活性增加。