[PPT模板]1、金属的晶体结构.ppt
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1、金 属 学 与 热 处 理,2,关 于 本 门 课 程,阐述金属材料的化学成分、微观组织结构与宏观力学性能三者之间的关系和变化规律的科学。,通过本课程的学习,达到能够运用金属学、热处理原理和金属材料的基本理论知识,认识与分析学习本专业课程中所遇到的有关问题;,掌握和运用金属材料及热处理知识,能合理而经济地选用金属材料和提出合理的热处理工艺方案等。,3,1.熔点最高的金属钨 W 2.熔点最低的金属汞 Hg 3.硬度最大的金属铬 Cr 4.密度最大的金属锇 Os 5.密度最小的金属锂 Li 6.地壳中含量最多的金属铝Al 7.人类冶炼最多的金属铁Fe 8.导热、导电性最好的金属银Ag 9.人体内最
2、多的金属元素钙Ca,金 属 之 最,4,第一章 金属的晶体结构,体心立方结构 body-centered cubic (bcc),面心立方结构 face-centered cubic (fcc),5,金属材料的化学成分不同,其性能也不同。,对于同一种成分的金属材料,通过不同的加工处理工艺,改变材料内部的组织结构,也可以使性能发生极大的变化。,可见,除化学成分外,金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素。,金属和合金在固态下通常都是晶体,要了解金属及合金的内部结构,首先应了解晶体的结构,其中包括:,晶体中原子是如何相互作用并结合起来的; 原子的排列方式和分布规律; 各种晶体结构的特
3、点及差异等。,6,金属的传统定义: 良好导电性、导热性、延展性(塑性)和金属光泽的物质。 但锑延展性不好;铈和镨导电性还不如非金属(如石墨)。 由性能确定,不具有共性,没揭示金属与非金属的本质区别。,1.1 金属,严格定义: 具有正的电阻温度系数的物质,非金属的电阻都随温度升高而下降。 由原子结构和原子间的结合方式确定。,7,金属的最外层电子数很少(13),外层电子与原子核的结合力弱,容易脱离原子核的束缚而变成自由电子;原子成为正离子,将这些元素称为正电性元素。 过渡族金属元素的核外电子先填充次外层再填充最外层电子,很容易失去,化合价可变。结合力特强,表现为熔点、强度高。,1、 金属原子的结构
4、特点,原子(10-10m、 = 10-1nm)= 带正电的原子核(质子+中子) (10-14m)+ 带负电的按能级排布核外电子(最外层与次外层为价电子) 。,非金属外层电子数较多,最多7个,最少4个,易获得电子,原子成为负离子,故非金属元素又称为负电性元素。,可见原子外层参与结合的电子数决定着结合键的本质,对化学性能、强度等特性有重要影响。,8,2、 金属键,处于聚集状态的金属原子将价电子贡献出来,为整个原子集体所共有,形成电子云。 贡献出价电子的原子,变成正离子,沉浸于电子云中,依靠运动于其间的公有化自由电子的静电作用而结合形成金属键没有饱和性和方向性。,中性原子,正离子,电子云,用金属键的
5、特点解释金属特性,导电性 自由电子在电场作用下定向移动形成电流 ; 导热性 自由电子的运动和正离子振动; 正电阻温度系数 正离子或原子的振幅随温度的升高增大,阻碍自由电子的定向运动,使电阻升高; 金属光泽 电子跃迁吸收或放出可见光; 延展性 无饱和性和方向性。,9,延展性,物体在外力作用下能延伸成细丝而不断裂的性质叫延性;在外力(锤击或滚轧)作用能碾成薄片而不破裂的性质叫展性。 例如最细的白金丝直径不过1/5000mm,纯净的金属铂有高度的可塑性,可以冷轧制成厚度为0.0025mm的箔。 延展性最好金属的是金。有人将28克金延伸至65公里长。最薄的金箔只有1/10000mm厚,一两黄金,压成金
6、箔可覆盖两个篮球场。 金属的延展性可以由金属的结构得到解释。当金属受到外力作用时,金属内原子层之间容易作相对位移,金属发生形变而不易断裂,因此,金属具有良好的变形性。但也有少数金属,如锑、铋、锰等,性质较脆,没有延展性。,10,共价键 相邻原子共用其外部价电子,形成稳定的电子壳层。金刚石中的碳原子间即为共价键。,离子键 正电性元素与负电性元素相遇时,电子一失一得,各自成为正、负离子,正、负离子间靠静电作用结合而成。NaCL,11,3、 结合力与结合能(双原子作用模型图解),原子间结合力是由自由电子与金属正离子间的引力(长程力),以及正离子间、电子间的排斥力(短程力)合成的。当两原子间距较大,引
7、力斥力,两原子自动靠近;当两原子自动靠近,使电子层发生重叠时,斥力;直到两原子间距为d0时,引力斥力。任何对平衡位置d0的偏离,都将受到一个力的作用,促使其回到平衡位置。原子间最大结合力不是出现在平衡位置d0而是在dc位置,最大结合力与金属的理论抗拉强度相对应。,结合能是吸引能和排斥能的代数和。当原子处于平衡距离d0时,其结合能达到最低值,此时原子的势能最低、最稳定。任何对d0的偏离,都会使原子势能增加,使原子处于不稳定状态,原子就有力图回到低能状态,即恢复到平衡距离的倾向。,12,1.2 金属的晶体结构,1、晶体的特性: 天然晶体(宝石) 规则外型 金属一般无规则外型 晶体 原子在三维空间按
8、照一定的规律周期性的重复排列。 具有固定的熔点、各向异性。 不同方向上的性能,表现出差异,称为各向异性。,非晶体 内部原子杂乱无章,至多有局部或短程规则排列。 无固定熔点、各向同性。,一定条件晶体非晶体 ,玻璃高温长时间保温,非晶体晶态玻璃;液态金属急快冷却(冷速107s) ,可形成非晶态金属。 性能发生显著变化。,用双原子模型解释形成晶体的原因: 原子之间保持一定的平衡距离; 原子周围要保持尽可能多的近邻原子。,13,晶体结构: 指晶体中原子(或离子、分子、原子集团)的具体排列情况,也就是晶体中的质点(也叫基元,可以是原子、离子、分子或者原子集团)在三维空间中有规律的周期性重复排列方式。,原
9、子堆垛模型: 假定晶体中的物质质点都是固定的刚球,晶体由刚球堆垛而成。 优点:直观、立体感强; 缺点:很难看清内部原子排列的规律 和特点。,2、晶体结构与空间点阵,14,阵点有规则地周期性重复排列所形成的空间几何图形。 人为地将阵点用直线连接起来形成空间格子,称空间点阵,简称点阵或晶格。,为清楚地表明原子在空间的排列规律性,常将构成晶体的实际质点忽略,而将它们抽象为纯粹的几何点,称为阵点或结点。,晶格,空间点阵:,15,同一点阵,可因阵胞选择方式不同,得到不同的阵胞。,晶胞选取应满足下列条件: (1)晶胞几何形状充分反映点阵对称性。 (2)平行六面体内相等的棱和角数目最多。 (3)当棱间呈直角
10、时,直角数目应最多。 (4)满足上述条件,晶胞体积应最小。,晶胞 能够完全反映阵点排列规律的最小几何单元。,晶胞,晶格,大小、形状 棱边长度: a、b、c 棱边夹角: 、表示。,16,晶系与布拉菲点阵(Crystal System and Bravais Lattice) 七个晶系,14个布拉菲点阵,17,简单三斜,底心单斜,简单单斜,底心正交,体心正交,面心正交,简单正交,3、三种典型晶体结构,根据晶格常数与夹角关系空间点阵分为14种布拉菲格子,18,简单菱方,六方, 90,aa2a3 =90 =120,= =90,= =90,19,底心单斜,简单三斜,简单单斜,20,底心正交,简单正交,面
11、心正交,体心正交,21,简单菱方,简单六方,简单四方,体心四方,22,简单立方,体心立方,面心立方,23,a=b=c、=90,构成立方体; 晶胞的8个角顶各有1个原子,立方体的中心有1个原子。 体心立方结构的金属有:-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W等。,体心立方晶格(bcc),原 子 数:n=81812 原子半径: 配 位 数:指晶体结构中,与任一个原子最近邻、等距离的原子数目。 bcc配位数:8,致密度:原子排列的紧密程度。晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比,用下式表示:,24,面心立方晶格(fcc) 晶胞的8个角顶各有1个原子,构成立方体,立方体6个面的中心各有1个原子。 面心立方结构的金属
12、有:-Fe、Cu、Ni、Al、Ag等。,原 子 数:n=8186124 原子半径: 致 密 度:,配 位 数:4312,25,密排六方晶格(hcp) 晶胞的12 个角顶各有1个原子,构成六方柱体,上、下底面中心各有1个原子,晶胞内还有3个原子。 有:Zn、Mg、-Ti、-Co、Cd等。,原 子 数:n=1216212+36,晶格常数有两个,上下底面间的距离c与正六边形边长a,比值c/a称为轴比。 典型密排六方晶格的轴比为1.633,实际轴比往往偏离这一数值,大约在1.571.64之间波动。,原子半径:,配 位 数:12 、 6+6,致 密 度:,26,密排六方晶格原子配位数,27,原子半径与晶
13、格常数,体心立方 面心立方 密排六方,28,面心立方结构的原子堆垛方式 密排六方的原子堆垛方式,对各类晶体分析表明;配位数最大为12,致密度最高为0.74 。为何会出现fcc和hcp不同的晶体结构?为了搞清这个问题,我们需要了解原子的堆垛方式。,晶体中的原子堆垛方式和间隙,29,如密排面的堆垛次序为ABAB,得到hcp结构。,如密排面的堆垛次序为ABCABC,得到fcc结构。,30,面心立方晶胞原子堆垛方式 密排六方晶胞原子堆垛方式,31,六个原子的中心构成了正八面体的顶角,六个原子之间就形成一个八面体间隙。,晶体中的间隙 在密堆结构中,四个原子的中心构成了正四面体的顶角,四个原子之间就形成一
14、个四面体间隙。,32,面心立方八面体间隙,面心立方四面体间隙,33,fcc:两种间隙,正八面体 原子至间隙中心 的 距离为a/2,原子半径为,正四面体,原子至间隙中 心 的距离为,0.08a,0.146a,数量:4,数量:8,金属原子,八面体间隙,金属原子,四面体间隙,间隙半径为:,间隙半径为:,34,bcc:有两类间隙, 扁八面体间隙:,角顶至间隙中心的距离较远为 上下原子至间隙中心 的距离较近为a/2,原子半径为,非正四面体间隙: 原子至间隙中心的距离为,数量:6,数量:12,金属原子,八面体间隙,金属原子,四面体间隙,间隙半径:,间隙半径:,35,hcp: 与面心立方晶格完全相似,当原子
15、半径相等时(轴比为1.633时),间隙大小完全相等,只是间隙中心在晶胞中的位置不同。,数量:6,数量:12,金属原子,四面体间隙,金属原子,八面体间隙,36,4、晶向指数和晶面指数,晶体中,由一系列原子所组成的平面称晶面,任意两个原子之间的连线所指的方向称晶向。为便于研究和表述不同晶面和晶向原子的排列情况和空间取向,需统一表示方法。,晶向指数,确定步骤: 以晶胞三棱边为坐标轴x、y、z, 以棱边长度为坐标轴的长度单位; 从坐标原点引一有向直线平行于待定晶向; 在这条直线上取一适当结点,并求出此点的位置坐标; 将三坐标值化为最简整数,写入方括号内,如u v w。,如坐标值为负值,则相应数字之上冠
16、以负号。,原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族,用尖括号表示,如u v w。,(x1,y1,z1),(x2,y2,z2)二点连线的晶向指数:x2-x1,y2-y1,z2-z1,37,111,38,晶面指数 确定步骤: 以晶胞三棱边为参考坐标轴x、y、z,原点应位于待定晶面之外,以免出现零截距。 以各晶轴点阵常数为度量单位,求出晶面与三个晶轴的截距。 取各截距的倒数,化为最简整数比,放在圆括号内,如 (h k l )。,如截距为负值,则相应数字之上冠以负号。,39,原子排列相同,但空间位向不同的所有晶面称为晶面族,用大括号表示,如 h k l 。,110晶面族中的晶面组,40,111晶
17、面族中的晶面组,41,42,晶面间距(Interplanar crystal spacing) 两相邻近平行晶面间的垂直距离晶面间距,用 dhkl表示 从原点作(h k l)晶面的法线,则法线被最近的(h k l) 面所交截的距离即是,必须注意,按以上这些公式所算出的晶面间距是对简单晶胞而言的,如为复杂晶胞(例如体心立方、面心立方等),在计算时应考虑到晶面层数增加的影响。例如,在体心立方或面心立方晶胞中,上、下底面(001)之间还有一层同类型的晶面,故实际的晶面间距应为d001/2。,43,晶面指数与面间距的关系,1、一般而言(对于简单立方等),晶面指数越小,面间距越大,阵点密度越大。 2、面
18、间距较大原子间结合力越小,越有利于晶面的相对滑动,金属塑性越好。,44,FCC和BCC晶格典型晶向的线密度,45,FCC和BCC晶格典型晶面的面密度,46,面心立方密排面,密排面为(111),47,体心立方晶格密排面,48,密排六方晶格密排面,49,六方晶系的晶面指数与晶向指数,可用上述方法,但确定六方晶系的晶面指数时,如用a1、a2、c三个坐标轴,令a1、a2 的夹角为120,c 轴与a1、a2 垂直,标定的晶面指数中,同类型的晶面指数不相类同。,如6个柱面属同一平面族,但指数为,因此用a1、a2、a3 及 c 四个坐标轴,a1,a2,a3之间夹角均为120。晶面指数以(h k i l)四个
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