1、結(jié)構(gòu),原子結(jié)構(gòu),原子的空間排列,顯微組織,第一章 金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu),結(jié)構(gòu),原子結(jié)構(gòu),原子的空間排列,顯微組織,原子核外電子的排布方式顯著影響材料的電、磁、光和熱性能，還影響到原子彼此結(jié)合的方式，從而決定材料的類型,第一章 金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu),晶態(tài)和非晶態(tài)。晶體結(jié)構(gòu)顯著影響材料的力學(xué)性能。,結(jié)構(gòu),原子結(jié)構(gòu),原子的空間排列,顯微組織,第一章 金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu),晶粒的大小、合金相的種類、數(shù)量和分布等參數(shù) 。,結(jié)構(gòu),原子結(jié)構(gòu),原子的空間排列,顯微組織,第一章 金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu),第一章 金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu),第一章 金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu),第一章 金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu),1.1 金屬原子間的鍵

2、合特點,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),1.3 合金相結(jié)構(gòu),1.4 金屬晶體缺陷,1.1 金屬原子間的鍵合特點,金屬的定義,金屬是具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì), 通常具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性、高的密度和高的光澤,1.1 金屬原子間的鍵合特點,原子結(jié)構(gòu)理論,Example1-1 Calculate the number of atoms in 100g of silver. (The atomic mass of silver is 107.868g/mol. Avogadros number is 6.02X1023/mol),1.1 金屬原子間的鍵合特點,金屬原子的結(jié)構(gòu)特點,1.1 金屬原子

3、間的鍵合特點,金屬原子的結(jié)構(gòu)特點,其最外層的電子數(shù)很少，一般為12個，不超過3個。,價電子,1.1 金屬原子間的鍵合特點,當(dāng)原子靠近到一定程度時，原子間會產(chǎn)生較強(qiáng)的作用力。,結(jié)合力,外層電子作用形式,穩(wěn)定的八電子排布結(jié)構(gòu),接受或釋放額外電子,共有電子,1.1 金屬原子間的鍵合特點,1.1 金屬原子間的鍵合特點,金屬鍵,共有價電子電子云鍵無方向性和飽和性,性能特點： 1)良好的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性； 2)正的電阻溫度系數(shù)； 3)良好的強(qiáng)度及塑性； 4)特有的金屬光澤。,1.1 金屬原子間的鍵合特點,金屬鍵,離子鍵,共價鍵,得失價電子正負(fù)離子 高熔點、高硬度、低塑 良好的電絕緣體等,1.1 金屬原子間的

4、鍵合特點,金屬鍵,離子鍵,共價鍵,共有電子對鍵有飽和性 高熔點、高硬度、低塑性 電絕緣體等,范德瓦爾鍵,1.1 金屬原子間的鍵合特點,形成：一個分子的正電荷部位與另一分子的負(fù)電荷部位間以微弱靜電引力相引而結(jié)合在一起稱為分子鍵。 特性：分子晶體因其結(jié)合鍵能很低，所以其熔點很低，硬度也低。但其絕緣性良好。,1.1 金屬原子間的鍵合特點,結(jié)合鍵的特性,問題：金屬原子為什么趨于規(guī)則排列？,1.1 金屬原子間的鍵合特點,結(jié)合力與結(jié)合能,以雙原子模型為例（NaCl） 吸引力：正離子與負(fù)離子（電子云）間靜電引力， 長程力 排斥力：正離子間，電子間的作用力， 短程力 結(jié)合力吸引力排斥力;結(jié)合能吸引能排斥能,1

5、.1 金屬原子間的鍵合特點,Where Fc is the coulombic force of attraction between two oppositely charged ions, r is the separation distance between the centers of the ions, Z is the valence of the charged ion, q is the charge of a single electron(0.16x10-18C),and k0 is a proportionality constant(9x109V.m/C),1.1 金

6、屬原子間的鍵合特點,Where Fc is repulsive force, and are experimentally determined constants for a given ion pair.,1.1 金屬原子間的鍵合特點,結(jié)合力與結(jié)合能,1.1 金屬原子間的鍵合特點,結(jié)合力與結(jié)合能,原子間必須保持一定的平衡距離，這是固態(tài)金屬中的原子趨于規(guī)則排列的重要原因。,1.1 金屬原子間的鍵合特點,1.1 金屬原子間的鍵合特點,Example1-2 Calculate coulombic force of attraction between Na+ and Cl- in NaCl (r

7、Na+=0.098nm, rCl-=0.181nm, 1V.C=1J) What is the repulsive force in this case?,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),材料的原子排列,非晶態(tài),原子排列短程有序或無序,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),非晶體的特點是：結(jié)構(gòu)無序；物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性；沒有固定的熔點；熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）和膨脹性小；,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),晶體,基元在三維空間呈規(guī)律性排列,長程有序,單個的原子、離子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。,晶體的主要特點是：結(jié)構(gòu)有序；物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性；有固定的熔點；在一定條件下有規(guī)則的幾何外形。,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)

8、,空間點陣,是一個幾何概念，它由一維、二維或三維規(guī)則排列的陣點組成。,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),剛球模型用剛球代表空間排列的原子,晶格剛球抽象為質(zhì)點，構(gòu)成空間格架,晶胞保持點陣幾何特征的基本單元,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),布拉菲在1948年根據(jù)“每個陣點環(huán)境相同”的要求，用數(shù)學(xué)分析法證明晶體的空間點陣只有14種，稱為布拉菲點陣，分屬7個晶系。,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),晶體結(jié)構(gòu),構(gòu)成晶體的基元在三維空間的具體的排列方式,= 空間點陣 + 基元,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),晶胞中所含原子數(shù) 晶胞中所含原子數(shù)是指一個晶胞內(nèi)真正包含的原子數(shù)目。,配位數(shù) 是指在晶體結(jié)構(gòu)中，與任

9、一原子最近鄰且等距離的原子數(shù)。 致密度 是指晶胞中原子所占體積分?jǐn)?shù)，即K = n v/ V 。式中，n為晶胞所含原子數(shù)、v為單個原子體積、V為晶胞體積。,原子半徑 原子半徑是指晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的一半。,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),三種典型晶體結(jié)構(gòu),體心立方,面心立方,密排六方,體心立方晶格參數(shù),Cr、V、Mo、W和-Fe等30多種,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),體心立方晶格參數(shù),1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),體心立方晶格參數(shù),1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),體心立方晶格參數(shù),1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),面心立方晶格參數(shù),Al、Cu、Ni

10、和-Fe等約20種,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),面心立方晶格參數(shù),1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),面心立方晶格參數(shù),1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),面心立方晶格參數(shù),1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),面心立方晶格參數(shù),1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),面心立方晶格參數(shù),1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),密排六方晶格參數(shù),Mg、Zn、Cd、Be等20多種,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),密排六方晶格參數(shù),1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),密排六方晶格參數(shù),1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),密排六方晶格參數(shù),1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),晶面及晶向的原子密度 不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列緊密程度是不一樣的。下

11、頁的兩個表給出了體心立方晶格和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上的原子排列方式和緊密程度。,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),堆垛方式,堆垛方式,晶向,1.2材料的原子排列,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),晶向指數(shù),1.2材料的原子排列,晶向指數(shù)的確定方法 建立以晶胞的邊長作為單位長度的右旋坐標(biāo)系。 定出該晶向上任兩點的坐標(biāo)。 用末點坐標(biāo)減去始點坐標(biāo)。 將相減后所得結(jié)果約成互質(zhì)整數(shù)，加一方括號。,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),晶面及晶面指數(shù),晶面指數(shù)的確定方法 在以晶胞的邊長作為單位長度的右旋坐標(biāo)系中取該晶面在各坐標(biāo)軸上的截距。 取截距的倒數(shù)。 將倒數(shù)約成互質(zhì)整數(shù)，加一圓括號。,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),六方晶系

12、,1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu),多晶型轉(zhuǎn)變,1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu),當(dāng)外部的溫度和壓強(qiáng)改變時，有些金屬會由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，稱之為多晶型轉(zhuǎn)變，又稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,合金,兩種或兩種以上金屬元素，或金屬元素與非金屬元素，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì),組元,組成合金最基本的獨立的物質(zhì)，通常組元就是組成合金的元素。,相,是合金中具有同一聚集狀態(tài)、相同晶體結(jié)構(gòu)，成分和性能均一，并以界面相互分開的組成部分,1.3 合金相結(jié)構(gòu),固溶體,中間相(金屬化合物),間隙固溶體,置換固溶體,相,1.3 合金相結(jié)構(gòu),固溶體,1.3 合金相結(jié)構(gòu),合金的組元通過溶解形成一種成分及性能均

13、勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相，稱為固溶體。與固溶體結(jié)構(gòu)相同的組元為溶劑，另一組元為溶質(zhì)。,固溶體的分類,按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置，固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種。,間隙固溶體,置換固溶體, 按溶質(zhì)原子在固體中的溶解度，固溶體可分為有限固溶體和無限固溶體兩種。, 按溶質(zhì)原子在固溶體內(nèi)分布是否有規(guī)則，固溶體分為有序固溶體和無序固溶體兩種。,置換固溶體的固溶度,晶體結(jié)構(gòu)類型相同,固溶體的性能,通過形成固溶體而產(chǎn)生晶格畸變，使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。 固溶強(qiáng)化是金屬強(qiáng)化的重要方式之一。固溶體的綜合力學(xué)性能較好，常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。,1.3 合金相結(jié)構(gòu),固溶體,金屬化合

14、物,正常價化合物,電子化合物,間隙相,間隙化合物,符合化合物原子價規(guī)律的金屬間化合物。它們具有嚴(yán)格的化合比，成分固定不變。它的結(jié)構(gòu)與相應(yīng)分子式的離子化合物晶體結(jié)構(gòu)相同，如分子式具有AB型的正常價化合物其晶體結(jié)構(gòu)為NaCl型，多為離子化合物。,正常價化合物,電子化合物,間隙相,間隙化合物,是指按照一定價電子濃度的比值組成一定晶格類型的化合物。電子化合物的熔點和硬度都很高，而塑性較差，是有色金屬中的重要強(qiáng)化相。,正常價化合物,電子化合物,間隙相,間隙化合物,當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值小于0.59時，將形成具有簡單晶體結(jié)構(gòu)的金屬間化合物,正常價化合物,電子化合物,間隙相,間隙化合物,當(dāng)非金

15、屬原子半徑與金屬原子半徑的比值大于0.59時，將形成具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的金屬間化合物，間隙化合物也具有很高的熔點和硬度，脆性較大，也是鋼中重要的強(qiáng)化相之一。但與間隙相相比，間隙化合物的熔點和硬度以及化學(xué)穩(wěn)定性都要低一些。,點缺陷,線缺陷,面缺陷,點缺陷的特點是在空間三維方向上的尺寸都很小，約為幾個原子間距，又稱零維缺陷 空位 間隙原子 置換原子，,1.4 金屬晶體缺陷,點缺陷,點缺陷,線缺陷,面缺陷,線缺陷就是各種類型的位錯。它是指晶體中的原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。其特點是原子發(fā)生錯排的范圍只在一維方向上很大，是一個直徑為35個原子間距，長數(shù)百個原子間距以上的管狀原子畸變區(qū)。,1.4 金屬晶體

16、缺陷,點缺陷,線缺陷,面缺陷,晶體的面缺陷包括晶體的外表面（表面或自由界面）和內(nèi)界面兩類，其中的內(nèi)界面又有晶界、亞晶界、孿晶界、堆垛層錯和相界等。,1.4 金屬晶體缺陷,線缺陷,線缺陷,線缺陷,柏氏矢量的主要特性：,柏氏矢量的主要特性：,柏氏矢量的主要特性：,柏氏矢量的主要特性：,柏氏矢量的主要特性：,可以表示晶體滑移的方向和大小。 位錯線和柏氏矢量構(gòu)成的平面定義為滑移面。,位錯密度 可用單位體積中位錯線總長度來表示，即,式中，為位錯密度（m-2）；L為位錯線的總長度（m）；V為體積（m3）。,線缺陷,線缺陷,面缺陷,由于表面上的原子與晶體內(nèi)部的原子相比其配位數(shù)較少，使得表面原子偏離正常位置，

17、在表面層產(chǎn)生了晶格畸變，導(dǎo)致其能量升高。將這種單位表面面積上升高的能量稱為比表面能，簡稱表面能。表面能也可以用單位長度上的表面張力（Nm）表示。,面缺陷,面缺陷,面缺陷,晶帶和晶帶軸,平行于或者相交于同一直線的一組晶面組成一個晶帶，而該直線叫做晶帶軸。,在多相組織中，具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為相界。,Example: Determine the number of vacancies needed for a BCC iron lattice to have a density of 7.87g/cm3. The lattice parameter of the iron is 2

18、.866x10-8cm. The atomic mass of iron is 55.847g/mol. Avogadros number is 6.02x1023/mol.,where nV is the number of vacancies per cm3; n is the number of lattice points per cm3; Q is the energy required to produce a vacancy, in cal/mol; R is the gas constant, 1.987cal/molK; and T is the temperature in degrees Kelvi