金属及合金的晶体结构课件.ppt
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- 金属 合金 晶体结构 课件
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1、第二章 金属与合金的晶体结构硅表面原子排列 碳表面原子排列 第一节 晶体的基本知识金属的性能是由其组织结构决定的,其中结构指的就是晶体结构。金属的晶体结构就是其内部原子的排列方式,因为金属是晶体,所以称为晶体结构。 一、晶体与非晶体1、晶体:原子在三维空间内的周期性规则排列。 长程有序,各向异性。2、非晶体:原子在三维空间内不规则排列。 长程无序,各向同性。3、在自然界中除少数物质(如普通玻璃、松香、石蜡等)是非晶体外,绝大多数都是晶体,如金属、合金、硅酸盐,大多数无机化合物和有机化合物,甚至植物纤维都是晶体。 金属晶体模型 一、晶体与非晶体 晶体与非晶体的性能区别 有些晶体具有规则的多面体外
2、形,如水晶;有些则没有规则整齐的外形,如金属。 晶体有固定的熔点,而非晶体则没有。 晶体与非晶体的转变晶体与非晶体在一定条件下可以相互转变1.玻璃经长时间加热能变为晶态玻璃;2.金属从高温液态急冷,可变为非晶态金属;3.非晶态金属具有高的强度与韧性等一系列突出性能,近年来已为人们所重视。 二、金属键v 金属原子结合方式1. 金属键:依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。2. 特点:电子逸出共有,结合力较大,无方向性和饱和性;3. 金属特性:导电性、导热性、延展性好,熔点较高。如金属。金属键 三、金属晶体结构基础知识v晶格、晶胞和晶格常数晶体:空间点阵:由几何
3、点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。 空间点阵中的点阵点。它是纯粹的几何点,各点周围环境相同。晶格:描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。 晶胞:空间点阵中能代表原子排列规律的最小的几何单元称之为晶胞,是构成空间点阵的最基本单元。选取原则:1.能够充分反映空间点阵的对称性;2.相等的棱和角的数目最多;3.具有尽可能多的直角;4.体积最小。晶格常数 三个棱边的长度a,b,c及其夹角,表示。 第二节 金属的晶体结构布拉菲点阵 7个晶系, 14种点阵。大部分(2/3)的金属属于三种典型的晶体结构。 一、 典型晶体结构及其几何特征 在元素周期表一共约有110种元素,其中80多种是金属,占2/3
4、。而这80多种金属的晶体结构大多属于三种典型的晶体结构。它们分别是: 1、体心立方晶格(BCC) 2、面心立方晶格(FCC) 3、密排六方晶格(HCP) 1、体心立方晶格( BCC) 原子排列方式 常见金属 原子个数 原子半径 配位数 致密度 间隙半径 原子排列方式 体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方体的角上,一个原子处于立方体的中心, 角上八个原子与中心原子紧靠。 体心立方晶胞特征:体心立方晶胞特征: 晶格常数:a=b=c, =90常见金属 具有体心立方晶格的金属有: 钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、 -铁(-Fe, 912)等。 原子个数每个晶胞实际占有的原子个数。 (分析时要认真考虑
5、每个原子的空间状况)在体心立方晶胞中, 每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8, 而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个。 原子半径 晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半。体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线, 所以原子半径与晶格常数a之间的关系为: 配位数致密度 晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数)。致密度越大, 原子排列紧密程度越大。 体心立方晶胞的致密度为:晶胞(或晶格)中有68%的体积被原子所占据, 其余为空隙。 间隙半径 若在晶胞空隙中放入刚性球, 则能放
6、入球的最大半径为空隙半径。体心立方晶胞中有两种空隙。 四面体空隙 其半径为: r四=0.29r原子 八面体空隙 其半径为: r八=0.15r原子原子排列方式常见金属原子个数原子半径配位数致密度间隙半径 2、面心立方晶格( FCC)原子排列方式 金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。 面心立方晶胞的特征面心立方晶胞的特征: 晶格常数:a=b=c, =90 常见金属 具有这种晶格的金属有: 铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、 银(Ag)、- 铁( -Fe, 9121394)等。 原子半径配位数 12致密度 0.74(74%)间隙半径 四面
7、体空隙 其半径为: r四=0.225r原子 八面体空隙 其半径为: r八=0.414r原子 3、密排六方晶格( HCP) 原子排列方式 常见金属 原子个数 原子半径 配位数和致密度原子排列方式 十二个金属原子分布在六方体的十二个角上, 在上下底面的中心各分布一个原子, 上下底面之间均匀分布三个原子。具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等。 密排六方晶胞的特征:密排六方晶胞的特征: 晶格常数:用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表达, 两相邻侧面之间的夹角为120, 侧面与底面之间的夹角为90。常见金属 具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)
8、、铍(Be)等。 原子个数 晶胞原子数:6 原子半径 原子半径: R=a/2 致密度:0.74 (74%) 配位数:12 空隙半径: 四面体空隙 其半径为: r四=0.225r原子 八面体空隙 其半径为: r八=0.414r原子 二、晶面指数和晶向指数的标定1、晶向指数与晶面指数晶向:空间点阵中各阵点列的方向。晶面:通过空间点阵中任意一组阵点的平面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。 (1)晶向指数的标定 a 建立坐标系。确定原点(阵点)、坐标轴和度量单位(棱边)。 b 求坐标。u,v,w。 c 化整数。 u,v,w. d 加 。uvw。说明: a 指数意义:代表相互平行、方向一致的所有晶向。
9、 b 负值:标于数字上方,表示同一晶向的相反方向。 二、晶面指数和晶向指数的标定晶向族 晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向。用表示,数字相同,但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。 如=100+001+010 (2)晶面指数的标定 a 建立坐标系:确定原点(晶面外)、坐标轴和度量单位。 b 量截距:x,y,z。 c 取倒数:h,k,l。 d 化整数:h,k,k。 e 加圆括号:(hkl)。 二、晶面指数和晶向指数的标定说明: 指数意义:代表一组平行的晶面; 0的意义:面与对应的轴平行; 平行晶面:指数相同,或数字相同但正负 号相反; 二、晶面指数和晶向指数的标定晶面族晶面
10、族:晶体中具有相同条件(原子排列和晶面间距完全相同),空间位向不同的各组晶面。用hkl表示。 如在立方晶胞中(111)、( 111 )、(111 )、( 111 ) 同属111晶面族。 若晶面与晶向垂直,则u=h, k=v, w=l,也就 是指数相同。 (3)六方系晶向指数和晶面指数 六方晶系采用四指数方法表示晶面和晶向。水平坐标轴选取互相成120夹角的三坐标轴a1、a2和a3, 垂直轴为c轴(图1-9)。晶面表示为(hkil), 晶面族为hkil, 晶向表示为uvtw, 晶向族为。六方晶系的几个主要晶面和晶向的表示如图所示。 二、晶面指数和晶向指数的标定 (3)六方系晶向指数和晶面指数 二、
11、晶面指数和晶向指数的标定 三、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。 在体心立方晶格中,原子密度最大的晶面为110, 称为密排面; 原子密度最大的晶向为, 称为密排方向。 在面心立方晶格中, 密排面为111, 密排方向为。 四、同素异构转变 某些金属在固态下的晶体结构是不固定的,而是随着温度、压力等因素的变化而变化,如铁、钛等,这种现象称为同素异晶转变,也称为重结晶。 下面以铁为例子来说明同素异晶转变:-Fe-Fe-Fe-L BCC (912) FCC (1492) BCC 金属的同素异晶转变为其热处理提供基础,钢能够进行多种热处理就是因为铁能够在固
12、态下发生同素异晶转变。 铁的同素异构转变 五、单晶体与多晶体 如果晶体中所有原子排列位向一致,这个晶体称为单晶体,也就是说单晶体是由一个晶粒组成的。单晶体只有通过特殊的方法才能制取,如在电子行业中广泛使用的硅或锗单晶体。实际金属多是由许多单晶体组成的多晶体,每一个单晶体称为一个晶粒,其边界称为晶界。 单晶体具有各向异性,而多晶体则具有各向同性。 单晶体与多晶体 第三节 合金的相结构 一、基本概念1 合金 (1)合金:两种或两种以上的金属与金属,或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。 (2)组元:组成合金最基本的物质。可以是元素,也可以是化合物。 (如一元、二元、三元合金 (3)合金
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