工程材料与热加工技术第2章课件.ppt

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1、第2章金属的晶体结构与结晶2.1金属的晶体结构2.2金属的结晶知识窗——高分子材料的结构自测习题2.1金属的晶体结构2.1.1晶体结构常识1.晶格、晶胞和晶格常数在金属晶体中，原子是按一定的几何规律周期性规则排列的。为了便于研究，人们把金属晶体中的原子近似地设想为刚性小球，这样就可将金属看成是由刚性小球按一定的几何规则紧密堆积而成的晶体，如图2-1所示。图2-1晶体中的原子堆积模型1)晶格为了研究晶体中原子的排列规律，假定理想晶体中的原子都是固定不动的刚性球体，并用假想的线条将晶体中各原子中心连接起来，便形成了一个空间格架，这种抽象的、用于描述原

2、子在晶体中排列方式的空间格架称为晶格，如图2-2所示。图2-2晶格的抽象模型2)晶胞晶体中原子的排列具有周期性的特点，因此，通常只从晶格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，这个最小的几何单元称为晶胞，如图2-3所示。实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在三维空间重复堆积排列而成的。图2-3晶胞3)晶格常数晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角α、β、γ来表示，晶胞的棱边长度称为晶格常数，如图2-4所示。当棱边长度a＝b＝c，棱边夹角α＝β＝γ＝90°时，这种晶胞称为简单立方晶胞

3、，由简单立方晶胞组成的晶格称为简单立方晶格。图2-4晶格常数4)晶面、晶向和晶体的各向异性金属晶体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，可以代表晶格空间的一定方向，称为晶向。由于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会显示出不同的性能，即晶体的各向异性。晶体的这种特性在力学性能、物理性能和化学性能上都能表现出来，并在工业生产中有所应用。2.常见的晶格类型由于金属原子之间具有很强的结合力，因此金属晶体中的原子都趋向于紧密排列。但不同的金属

4、具有不同的晶体结构，大多数金属的晶体结构都比较简单，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是一个立方体。其中，a=b=c，在立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子，如图2-5所示。每个晶胞中实际含有的原子数为1+8×1/8=2个。具有体心立方晶格的金属有铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、α铁(α-Fe)等。图2-5体心立方晶格的晶胞2)面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，其中，a=b=c，在立方体的八个角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图2-6所示。每个晶胞中实际含有的原子数为(1/8)×8+6×

5、(1/2)=4个。具有面心立方晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ铁(γ-Fe)等。图2-6面心立方晶格的晶胞3)密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是个正六方柱体，它由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成。在密排六方晶胞的12个角上和上、下底面中心各有一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子，如图2-7所示。每个晶胞中实际含有的原子数为(1/6)×12+2×(1/2)+3=6个。具有密排六方晶格的金属有镁(Mg)、锌(Zn)、镉(Cd)等。图2-7密排六方晶格的晶胞3．常见晶格的致密度金属晶体的一个显著特点

6、是其原子趋于最紧密的排列，因而金属晶格中原子排列的紧密程度是反映金属晶体结构特征的一个重要因素。晶体中原子排列的紧密程度常用晶格的致密度表示。晶格的致密度是指晶胞中所含原子的体积与该晶胞的体积之比。表2-1列出了三种常见金属晶格的特点。可以看出，在三种常见的晶体结构中，原子排列最致密的是面心立方晶格和密排六方晶格，而体心立方晶格要差些。表2-1三种常见金属晶格的结构特点2.1.2实际金属的晶体结构如前所述，晶体具有各向异性是对理想晶体而言的，但是工业上实际应用的金属材料一般不具备各向异性。例如，对体心立方晶格的α-Fe(纯铁)进行测定，其任何方向

7、上的弹性模量均为200GPa。原来实际应用的金属材料通常是多晶体材料，这些晶体中存在很多缺陷(原子排列不规则的地方)。1．多晶体多晶体是指整块金属材料包含着许多小晶体，每个小晶体内的晶格位向基本一致，而各小晶体之间彼此方位不同。这种由许多小晶体组成的晶体结构称为多晶体结构，如图2-8所示。多晶体中每个外形不规则的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒间的界面就是晶界。由于晶界是两相邻晶粒之间不同晶格位向的过渡层，因此晶界上原子的排列总是不规则的。图2-8多晶体结构示意图多晶体结构中，一般晶粒尺寸小，如钢铁材料晶粒尺寸一般为10-3～10-1mm左右，必须通过

8、显微镜放大几十倍乃至几百倍以上才能观察到。在显微镜下不能直接观察到这些小晶体的立体形态，而只能观察到所要研究的金属试样表面所截晶粒的平面