纯金属的晶体结构ppt课件.ppt

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第二章金属的结构与塑性变形 2.1金属的晶体结构重点：材料内部结构与性能的关系。难点：晶体学（晶体结构与缺陷）学习方法：应用原子间结合力和位错理论解释材料的性能。 一、原子的结合键1、显著影响材料的电、磁、光和热性能；2、决定材料的类型。 二、原子的空间排列作用：显著影响材料的力学性能。 三、显微组织作用：显著影响材料的力学性能。 2.1.1晶体结构的基本概念原子排列可分为：①无序排列、短程有序和长程有序；②晶体与非晶体。金属的结构晶态非晶态SiO2的结构 一、非晶体1、定义：若构成材料的原子在三维空间呈无序或短程有序排列，则称此材料为非晶态材料。 2、特点结构无序；各向同性；无固定熔点；热导率和热膨胀性小；塑性变形大；组成的变化范围大。3、典型材料：大多数聚合物。 二、晶体1、定义原子呈长程有序排列的物质。 2、晶体的特点结构有序；各向异性；有固定的熔点。3）典型材料：金属；许多陶瓷和部分高分子材料。 三、晶体结构 1、晶体结构是指构成晶体的原子在三维空间具体的规律排列方式。 2、晶格将晶体的原子几何化成一点，用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫晶格。 3、晶胞从晶格中取出一个能保持点阵几何特征的基本单元叫晶胞。 14种布拉菲点阵；可用点阵参数来描述晶胞的尺寸和形状；各边长度：a、b、c；各边之间夹角：α、β、γ。 四、金属的典型晶体结构最典型、最常见的晶体结构有三种类型:体心立方结构；面心立方结构；密排六方结构。 1、体心立方结构(bcc)具有这种晶体结构的金属有Cr、V、Mo、W和α-Fe等30多种。 2、面心立方结构(fcc)具有这种晶体结构的金属有Al、Cu、Ni和γ-Fe等约20种。 3、密排六方结构(hcp)具有这种晶体结构的金属有Mg、Zn、Cd、Be等20多种。 五、晶面与晶向1、晶面：晶体中由一系列原子所组成的平面。2、晶向：原子在空间排列的方向称为晶向。 3、晶向指数 4、晶面指数（110） 晶面密度的计算 晶向密度的计算 六、各向异性由于晶格中相应晶面和晶向原子的排列的情况不同，导致其机械性能及相应的其它性能有很大的差异。 例1、硅钢片:[100]方向易磁化，[111]方向难磁化；例2、α-Fe铁：E[111]=284000MN/m2E[100]=132000MN/m2 七、多晶型当外部的温度和压强改变时，金属由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为多晶型转变，又称为同素异构转变。Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型性。 例如，铁：α-Fe→γ-Fe→δ-Fe 当发生多晶型转变时，材料的许多性能如密度、塑性、强度、磁性、导电性等将发生突变。多晶型转变对于材料能否通过热处理来改变其性能具有重要的意义。 结束 2.1.4实际晶体结构与晶体缺陷重点：固溶强化、加工硬化和细晶强化。难点：晶体缺陷与性能的关系学习方法：应用位错理论解释强化机制 一、单晶体各向异性。单晶体金刚石刀具 二、多晶体：各向同性例、Fe的E=210000MN/m2 三、晶粒（10-1~10-2mm）晶界(100~200)亚晶粒、亚晶界（10~20） 四、晶体缺陷（一）定义原子排列的不规则性和不完整性意义：对材料的性能有很大影响；特别是对塑性变形、扩散、相变和强度等起着决定性作用。 （二）分类根据晶体缺陷的大小可分为三类：点缺陷线缺陷面缺陷 1、点缺陷1）定义是在空间三维方向上的尺寸都很小，约为几个原子间距，又称零维缺陷。2）分类空位、间隙原子和置换原子。 a.空位：晶格中某些缺排原子的空结点。b.间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。 c.置换原子取代原来原子位置的外来原子称置换原子。 3）晶格畸变点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。空位间隙原子大置换原子小置换原子从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。 4）对材料行为的影响（1）促使原子扩散，热处理的理论基础；（2）材料的电阻明显增加；（3）材料强度提高（固溶强化），但脆性显著增加。 钢号Q235（A3）15MnQ345（16Mn）C%0.12-0.20.12-0.190.12-0.2Mn%0.35-0.60.7-1.001.2-1.6屈服强度MPa235225345抗拉强度MPa375-460375410-510δ（%）262622屈强比0.560.60.75 2、线缺陷---位错理论剪切屈服强度（τm）>>实际剪切屈服强度（τn）例、铜单晶体：τm=3000MPa而τn=1~10MPa。 滑移现象: 电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子） 电子显微镜下的位错观察 1）定义指晶体中的原子发生了有规律的错排现象。2）特征一排或几排原子发生错排；在一维方向上很大，直径为3～5个原子间距。 （3）分类：刃型位错 螺型位错 4）位错的产生与密度产生：结晶、冷却、各种热处理、冷加工等过程中产生。密度：体积密度（m/cm3）与面积密度（根/cm2）；晶须（10m/cm3）。 5）位错的作用是一种极为重要的晶体缺陷，对金属强度、塑性变形、扩散和相变等有显著影响。①促使塑性变形； ②促使原子扩散；③材料的电阻明显增加；④材料的强度提高（位错强化或加工硬化），但脆性显著增加。机制：位错密度升高，导致位错缠结和钉轧，对滑移的阻力增加，使塑性变形抗力显著升高。 金属的强度与位错密度的关系金属晶须退火态(105-108/cm2)加工硬化态(1011-1012/cm2) 优点缺点 3、面缺陷---晶界 1）定义是指空间取向（位向）不同的相邻的晶粒之间的交界面。 显微组织的显示 孪晶界 2）晶界特性—构起结伏、成分起伏、能量起伏（1）内吸附异类原子（杂质）向晶界偏聚。例如：P、Sb、Sn在晶界的富集将导致钢的强度下降，脆性增加。 （2）晶界上原子的扩散速度比晶粒内部快得多。（3）常温下,晶界对位错运动起阻碍作用，因此，金属材料的晶粒越细,则单位体积晶界面积越多，其强度，硬度越高。——细晶强化。 （4）晶界比晶内更易氧化和优先腐蚀。（5）由于晶界具有较高能量且原子排列紊乱，固态相变时优先在母相晶界上形核。 （6）大角度晶界界面能最高，故其晶界迁移速率最大。原因：晶粒的长大及晶界平直化可减少晶界总面积，使晶界能总量下降，故晶粒长大是能量降低过程。现象：球化退火、晶粒大吃小、第二相的聚集粗化。 结束