晶体的结构与结晶.ppt

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1、第二章材料的结构与性能内容提要：本章介绍金属材料的结构与组织，包括纯金属的晶体结构、晶体缺陷。学习目标：本章重点掌握金属材料的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。学习建议：1．晶体结构部分应弄清三种常见金属的晶体结构及其特点，应充分发挥空间想象力。2．晶面指数及晶向指数的确定在学习时会感到困难。应掌握常见的晶面和晶向的表示方法。第一节金属的晶体结构一、晶体的基本知识1、晶体和非晶体晶体固态物质按其原子（或分子）聚集状态可分为体和非晶体两大类。在晶体中，原子（或分子）按一定的几何规律作周期性地排列。非晶体非晶体中原子（或分子

2、）则是无规则的堆积在一起（如松香、玻璃、沥青）原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。具有一定的熔点。如铁的熔点为1538℃，铜的熔点为1083℃。晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性。在一定条件下有规则的几何外形。晶体的特点原子在三维空间呈不规则的排列。没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青等。各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。非晶体的特点晶体不同方向上性能不同的性质叫做晶体的各向异性。为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并

3、用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几个结点上，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，简称晶格。2、晶体结构的基本概念晶体中的原子排列由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为了便于讨论通常只从晶格中，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排列的规律，这个最小的几何单元称为晶胞。在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，并以棱边长度（晶格常数）

4、和棱面夹角（α、β、γ）来表示晶胞的形状和大小。晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数，即K=nv′/V。式中，n为晶胞所含原子数v′为单个原子体积V为晶胞体积。3、常见金属的晶格类型⑵晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°⑶原子半径⑷晶胞所含原子数体心立方晶格（bcc晶格）⑴原子排列特征体心立方晶格的晶胞如图所示⑸致密度68%K=nv′/V具有体心立方晶格的金属：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余种金属。2个原子⑵晶

5、格常数a=b=c,α=β=γ=90°⑶原子半径⑷晶胞所含原子数(5)致密度74%。具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。面心立方晶格（fcc晶格）⑴原子排列特征面心立方晶格的晶胞如图所示4个原子。⑵晶格常数⑶原子半径⑷晶胞所含原子数6个原子。(5)致密度74%。(6)具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。密排六方晶格（hcp晶格）⑴原子排列特征密排六方晶格的晶胞如图所示。在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。表示晶面的符号称为晶面指数。任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为

6、晶向。表示晶向的符号称为晶向指数。4、立方晶系的晶面、晶向表示方法晶面指数的确定方法在立方晶系中,由于原子的排列具有高度的对称性,往往存在许多原子排列完全相同但在空间位向不同(即不平行)的晶面,这些晶面总称为晶面族,用大括号表示,如{100}。晶向指数的确定方法原子排列情况相同而在空间位向不同(即不平行)的晶向统称为晶向族,用尖括号表示,如:<100>=[100]+[010]+[001]密排面和密排方向不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上原子排列方式和排列密度不一样。体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面体心立方、面心立方晶格主要晶

7、向的原子排列和密度体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度5、金属晶体具有各向异性在晶体中,不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的力学、物理和化学等方面的性能不同。这种性质叫做晶体的各向异性。例如单晶体铁(只含一个晶粒)的弹性模量，在<111>方向上为2.90×105MPa,而在<100>方向上只有1.35×105MPa。单晶体铁在磁场中沿<100>方向磁化，比沿<111>方向磁化容易。所以制造变压器用的硅钢片的<100>方向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。但是对于实际使用

8、的金属,由于其内部有许许多多个晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，因而在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同，晶体的各向异性就显示不出来了。第二节实际