1、工程材料及應用工程材料及應用多媒體教案ENGINEERING MATERIALS五邑大學機電工程學院第二章第二章第二二章 材料的晶體結構 內容提要： 本章重點介紹純金屬的晶體結構、晶體缺本章重點介紹純金屬的晶體結構、晶體缺陷和合金的結構、金屬材料的組織。陷和合金的結構、金屬材料的組織。 學習目標： 本章重點掌握金屬的晶體結構、晶體缺陷本章重點掌握金屬的晶體結構、晶體缺陷和合金的結構。和合金的結構。第一節第一節 晶體結構基本知識晶體結構基本知識 1.1. 晶格與晶胞晶格與晶胞 晶體結構晶體結構 晶體中原子晶體中原子( (離子或分子離子或分子) )規則排列的規則排列的方式。方式。為了表達空間原子排

2、列的幾何規律，把粒子為了表達空間原子排列的幾何規律，把粒子( (原子或原子或分子分子) )在空間的平衡位置作為節點，將節點用一系列在空間的平衡位置作為節點，將節點用一系列假想的相互平行的直線連接起來形成的幾何空間格假想的相互平行的直線連接起來形成的幾何空間格架稱為稱為架稱為稱為晶格晶格。 晶胞：晶胞：能反能反映該晶格特征的映該晶格特征的最小組成單元。最小組成單元。三、晶系三、晶系二、晶格常數二、晶格常數 按點陣常數不按點陣常數不同對晶體的分類。同對晶體的分類。 7個晶系，14種晶胞。 棱邊長棱邊長a a、b b、c c 棱邊間夾角棱邊間夾角、 a a、b b、c c 稱為稱為晶格常數晶格常數。

3、 金屬的晶格常數一般為金屬的晶格常數一般為: : 1 11010-10-10 m m7 71010-10 -10 m m (0.1nm (0.1nm0.7nm)0.7nm) 老師提示老師提示 不同元素組成的金屬晶體因晶格不同元素組成的金屬晶體因晶格形式及晶格常數的不同，表現出不同的物理、形式及晶格常數的不同，表現出不同的物理、化學和力學性能。金屬的晶體結構可用化學和力學性能。金屬的晶體結構可用X X射線射線結構分析技術進行測定。結構分析技術進行測定。同素異構性、同素異構晶體 三、純金屬的晶體結構 結構特點結構特點: :以金屬鍵結合，失去外層電子的金屬離子與以金屬鍵結合，失去外層電子的金屬離子與

4、自由電子的吸引力。無方向性，對稱性較高的密堆自由電子的吸引力。無方向性，對稱性較高的密堆結構。結構。常見結構常見結構：體心立方體心立方 b.c.cb.c.c Body-centered cubic面心立方面心立方 f.c.cf.c.c Face-centered cubic密排六方密排六方 c.p.hc.p.h Close-packed hexagonal1. 1. 體心立方晶格體心立方晶格( (胞胞) ( BCC ) ( BCC 晶格晶格) )原子位置原子位置 立方體的八個頂角和體心立方體的八個頂角和體心 體心立方晶胞特征：體心立方晶胞特征： （1 1）晶格常數）晶格常數 a a= =b b

5、= =c, c, = = =90=90 具有體心立方晶具有體心立方晶格的金屬有鉬格的金屬有鉬(Mo)(Mo)、鎢鎢(W)(W)、釩、釩(V)(V)、-鐵鐵(-Fe, 912 )(-Fe, 912 )等。等。 2. 2. 面心立方晶格面心立方晶格( (胞胞) ( FCC ) ( FCC 晶格晶格) )原子位置原子位置 立方體的八個頂角和每個側面中心立方體的八個頂角和每個側面中心 具有這種晶格具有這種晶格的金屬有鋁的金屬有鋁(Al)(Al)、銅銅(Cu)(Cu)、鎳、鎳(Ni)(Ni)、金金(Au)(Au)、銀、銀(Ag)(Ag)、- - 鐵鐵( -Fe, ( -Fe, 912 912 1394

6、)1394 )等。等。 面心立方晶胞的特征：面心立方晶胞的特征： （1 1）晶格常數）晶格常數 a a= =b b= =c, c, = = =90=903. 3. 密排六方晶格密排六方晶格( (胞胞) ) ( HCP ( HCP 晶格晶格) )原子位置原子位置 1212個頂角、上下底心和體個頂角、上下底心和體內內3 3處處 具有這種晶具有這種晶格的金屬有鎂格的金屬有鎂(Mg)(Mg)、鎘、鎘(Cd(Cd) )、鋅鋅(Zn)(Zn)、鈹、鈹(Be)(Be)等。等。abc， 90, 1202、晶胞中的原子數246 （3 3）原子半徑）原子半徑 晶胞中相距最近的兩個原子之間距離的一半稱為原子晶胞中相

7、距最近的兩個原子之間距離的一半稱為原子半徑半徑( (r r原子原子) )。4、致密度與配位數致密度：原子體積與晶胞體積之比 （6 6）配位數）配位數 配位數為晶格中與任一個原子相距最近且距配位數為晶格中與任一個原子相距最近且距離相等的原子數目。離相等的原子數目。 配位數越大，原子排列緊密程度就越大。配位數越大，原子排列緊密程度就越大。 （5 5）空隙半徑）空隙半徑 在晶胞空隙中放入球的最大半徑稱為空隙半徑。在晶胞空隙中放入球的最大半徑稱為空隙半徑。 體心立方晶胞中有兩種空隙：體心立方晶胞中有兩種空隙： 四面體空隙半徑四面體空隙半徑: :r r四四= =0.290.29r r原子原子 八面體空隙

8、半徑八面體空隙半徑: :r r八八= =0.150.15r r原子原子 四面體空隙半徑四面體空隙半徑八面體空隙半徑八面體空隙半徑老師提示老師提示 由于原子排列緊密程度不一由于原子排列緊密程度不一樣，當金屬從面心立方晶格向體心立方樣，當金屬從面心立方晶格向體心立方晶格轉變時晶格轉變時, , 體積會發生變化。體積會發生變化。 鋼在淬火時因晶格轉變發生體積變鋼在淬火時因晶格轉變發生體積變化。化。 不同晶體結構中原子排列的方式不不同晶體結構中原子排列的方式不同同, , 使它們的形變能力不同。使它們的形變能力不同。 四、解釋下列現象1. 金屬一般都是良導體，而非金屬一般為絕緣體。 第二節、晶體中的晶面和

9、晶向 通過晶體中原子中心的平面叫做通過晶體中原子中心的平面叫做晶面晶面；代表了晶體中原子列的方向。代表了晶體中原子列的方向。 通過原子中心的直線為原子列，代表的通過原子中心的直線為原子列，代表的方向叫做方向叫做晶向晶向。 晶面用晶面指數表達。晶面用晶面指數表達。 晶向用晶向指數表達。晶向用晶向指數表達。晶向指數晶向指數：表示晶向方位符號。：表示晶向方位符號。晶面指數晶面指數：表示晶面方位的符號。：表示晶面方位的符號。 以晶向以晶向DADA為例：為例： 一一. . 立方晶系的晶向表示方法立方晶系的晶向表示方法 立方晶胞中的主要晶向立方晶胞中的主要晶向 晶向晶向OA OA ： 100 100 晶向

10、晶向OB OB ： 110110 晶向晶向OB OB ： 晶向指數一般標記為晶向指數一般標記為 uvwuvw ， 表示一組原子排列相同的平行晶向。表示一組原子排列相同的平行晶向。111111 若兩個晶向的全部指數數值相同而符若兩個晶向的全部指數數值相同而符號相反號相反, , 則它們相互平行或為同一原子列則它們相互平行或為同一原子列, , 但方向相反。但方向相反。 如如110110與與 。 若只研究原子排列情況若只研究原子排列情況, , 則晶向則晶向110110與與 可用同一個指數可用同一個指數110110表示。表示。晶向族晶向族 原子排列情況相同而在空間位向不原子排列情況相同而在空間位向不同的

11、晶向組成晶向族。同的晶向組成晶向族。 晶向族用尖括號表示晶向族用尖括號表示, , 即即 。 如如: : = 100 + 010 + 001 = 100 + 010 + 001 二二. . 立方晶系的晶面表示方法立方晶系的晶面表示方法 以晶面以晶面ABBAABBA為例：為例： 晶面的截距可以為負數晶面的截距可以為負數, , 在指數上加負號在指數上加負號, , 如如 。 若某個晶面若某個晶面 的指數都乘以的指數都乘以-1,-1,得到晶面得到晶面 , , 則晶面則晶面 與與 屬于一組平行晶面。屬于一組平行晶面。立方晶胞中的主要晶面立方晶胞中的主要晶面 晶面指數的一般標記晶面指數的一般標記為為( (h

12、klhkl) )。實際表示一組原。實際表示一組原子排列相同的平行晶面。子排列相同的平行晶面。 晶面族：晶面族： 在立方晶系中在立方晶系中, , 原子排列相同但在空間方原子排列相同但在空間方向不同的晶面組成晶面族。向不同的晶面組成晶面族。 晶面族用大括號表示晶面族用大括號表示, , 即即 hklhkl 。111 111 晶面族晶面族在立方晶胞中在立方晶胞中 組成組成111111晶面族晶面族： 在立方晶系中在立方晶系中, , 一個晶面指數與一個晶面指數與一個晶向指數數值和符號相同時一個晶向指數數值和符號相同時, , 則則該晶面與該晶向互相垂直。該晶面與該晶向互相垂直。 如：如：(111)111(1

13、11)111。晶面與晶向互相垂直晶面與晶向互相垂直 三三. . 晶向及晶面的原子密度晶向及晶面的原子密度 不同晶體結構中不同晶面、不同晶向不同晶體結構中不同晶面、不同晶向上原子排列密度不一樣。上原子排列密度不一樣。密排方向：密排方向：原子密度原子密度最大的晶向。最大的晶向。單位長度單位長度上的上的原子數原子數稱為晶向上的原子密稱為晶向上的原子密度度密排面：密排面： 原子密度最大的晶面。原子密度最大的晶面。單位面積單位面積中的中的原子數原子數稱為晶面的原子密度稱為晶面的原子密度 在體心立方晶格中，在體心立方晶格中，密排面為密排面為110110。密排方向為密排方向為。 在面心立方晶格中在面心立方晶

14、格中, , 密排面為密排面為111111。 密排方向為密排方向為。體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度晶向晶向 指數指數 體心立方晶格體心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格晶向原子晶向原子 排列示意圖排列示意圖 晶向原子晶向原子密度密度( (原子數原子數/ /長度長度) ) 晶向原子晶向原子 排列示意圖排列示意圖 晶向原子晶向原子密度密度( (原子數原子數/ /長度長度) ) 體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度晶面晶面 指數指數 體心立方晶格體心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格晶

15、面原子晶面原子 排列示意圖排列示意圖 晶面原子晶面原子密度密度( (原子數原子數/ /面積面積) ) 晶面原子晶面原子 排列示意圖排列示意圖 晶面原子晶面原子密度密度( (原子數原子數/ /面積面積) ) 100 100 110 110 111 111 三、金屬晶體的特性 1. 1. 金屬晶體具有確定的熔點金屬晶體具有確定的熔點 純金屬緩慢加熱到一定溫度純金屬緩慢加熱到一定溫度, , 固態金屬熔固態金屬熔化成為液態金屬。熔化過程中溫度不變。化成為液態金屬。熔化過程中溫度不變。 熔化溫度熔化溫度( (T T0 0) )稱為稱為熔點熔點。晶體和非晶體的熔化曲線晶體和非晶體的熔化曲線 非晶體材料在非

16、晶體材料在加熱時加熱時, , 固態轉變固態轉變為液態時為液態時, , 溫度變溫度變化。化。 2. 2. 金屬晶體具有各向異性金屬晶體具有各向異性 在晶體中在晶體中, , 不同晶面和晶向上原子排列不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它們之間的結合力的大的方式和密度不同，它們之間的結合力的大小也不相同，因而金屬晶體不同方向上的性小也不相同，因而金屬晶體不同方向上的性能不同。這種性質叫做晶體的能不同。這種性質叫做晶體的各向異性各向異性。 單晶體鐵單晶體鐵( (只含一個晶粒只含一個晶粒) )的彈性模量，的彈性模量， 方向上為方向上為2.902.9010105 5 MPaMPa, , 方向上只有方向上只有1.351.3510105 5 MPaMPa。 單晶體鐵在磁場中沿單晶體鐵在磁場中沿方向磁化容方向磁化容易。制造變壓器用的硅鋼片的易。制造變壓器用的硅鋼片的方向應平方向應平行于導磁方向，以降低變壓器的鐵損。行于導磁方向，以降低變壓器的鐵損。 鋅在鹽酸中溶解時，晶面的溶解速度鋅在鹽酸中溶解時，晶面的溶解速度的次序從大到小是：的次序從大到小是： 各向異性：各向異性：晶體晶體在不同的方向上的力學、在不同的方向上的力學、物理和化學等性能不一樣。物理和化學