金属的晶体结构教学课件.ppt

1、第章金属的晶体结构1.1 金属简介金属简介v学习目标学习目标 v根据金属键的本质，解释固态金属的一些特性根据金属键的本质，解释固态金属的一些特性导导电性、正的电阻温度系数、传热性及延展性等）电性、正的电阻温度系数、传热性及延展性等）v利用双原子作用模型，分析两个原子间的相互作用利用双原子作用模型，分析两个原子间的相互作用（P3的图的图12）1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 1 晶体的特性晶体的特性v规则排列；v各向异性；v一定条件下晶态与非晶态可以互换。v晶体结构晶体中原子晶体结构晶体中原子(离子或分子离子或分子)规则排列的方式。规则排列的方式。v晶格通过金属原子晶格通过金属原子(离子离子

2、)的中心划出许多空间直线，由的中心划出许多空间直线，由这些直线形成的空间格架。（假想的格架）这些直线形成的空间格架。（假想的格架）v晶格的结点金属原子晶格的结点金属原子(或离子或离子)平衡中心的位置。平衡中心的位置。晶体 晶格 1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 2 晶体结构与空间点阵（晶体结构与空间点阵（1）材料性能取决于材料的化学成分和其内部的组织结构ProcessingStructurePropertiesPerformancev晶胞晶胞unit cell unit cell 反映晶格特征的最小组成单元。反映晶格特征的最小组成单元。v 晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。晶胞在三维空间的

3、重复排列构成晶格。v 晶胞的基本特性反映晶体结构晶胞的基本特性反映晶体结构(晶格晶格)的特点。的特点。v晶胞的几何特征六个参数来描述晶胞的几何特征六个参数来描述v三条棱边长三条棱边长a a、b b、c c（晶格常数）（晶格常数）v三条棱边之间的夹角三条棱边之间的夹角、。v金属的晶格常数一般为金属的晶格常数一般为:v 1 11010 m1010 m7 71010 m1010 m。1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 2 晶体结构与空间点阵（晶体结构与空间点阵（2）v不同元素组成的金属晶体因晶格形式晶格形式及晶格常数晶格常数不同，其物理、化学和力学性能也不同。v金属的晶体结构可用X X射线（射线（

4、X Xrayray）结构分析技术）结构分析技术进行测定。v体心立方晶格体心立方晶格(胞胞)BodyCentered Cubic(B.C.C.)BodyCentered Cubic(B.C.C.晶格晶格)v面心立方晶格面心立方晶格(胞胞)FaceCentered Cubic(F.C.C.)FaceCentered Cubic(F.C.C.晶格晶格)v密排六方晶格密排六方晶格(胞胞)Hexagonal ClosePacked(H.C.P.)Hexagonal ClosePacked(H.C.P.晶格晶格)提示提示：由于原子排列紧密程度不一样,当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时,体积会发生变化

5、。钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因。不同晶体结构中原子排列的方式不同,将会使它们的形变能力不同。1.2 金属的晶体结构金属的晶体结构 3 三种典型的晶体结构三种典型的晶体结构66（1）体心立方结构体心立方结构(BCC晶格晶格)Page1/5v原子排列原子排列 八个原子分别处于立方体的八个角上八个原子分别处于立方体的八个角上,一个原子处一个原子处于立方体的中心于立方体的中心,角上八个原子与中心原子紧靠一起。角上八个原子与中心原子紧靠一起。体心立方晶胞原子排列体心立方晶胞原子排列 11223344557788ccEg.钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、-铁铁(-Fe,912)v体心立方晶胞特征v

6、（1）晶格常数 lattice constants a=b=c,=90v（2）晶胞原子数 The number of the atoms belonging to one unit cell 2个v (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v 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v 属于这个晶胞。)v（3）原子半径 atomic radiusv（4）致密度 atomic packing factor(APF)0.68v（5）空隙半径 gap radiusv（6）配位数 coordination number最近邻等距离原子数，体心立方晶格的配位数为8。配位数

7、越大,原子排列紧密程度就越大。BCC Page2/5（3）原子半径晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半,或晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半称为原子半径(r原子)。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3443原子原子或raar BCC Page3/5（4）致密度(APF)晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比(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3443原子原子或raar即晶胞即晶胞(或晶格或晶格)中有中有68%68%的体积被原子所占据的体积被原子所占据,其余其余为空隙。式中：为空隙。式中

8、：BCC Page4/5（5）间隙半径间隙半径若在晶胞空隙中放入刚性球,则能放入球的最大半径为空隙半径。体心立方晶胞中有两种间隙：四面体间隙四面体间隙半径为:r四=0.29r原子；八面体间隙八面体间隙半径为:r八=0.15r原子 BCC Page5/5（2）面心立方结构面心立方结构(FCC晶格晶格)Page1/4v 原子排列金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中原子排列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。心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。v 铝铝(Al)、铜、铜(Cu)、镍、镍(Ni)、金、金(Au)、银、银(Ag)、铁铁(Fe,91

9、2 1394)等具有这种晶格。等具有这种晶格。面心立方晶胞原子排列 v面心立方晶胞特征v(1)晶格常数a=b=c,=90v(2)晶胞原子数(个)v FCC Page2/4（3）原子半径 or22原子ra ar42原子 FCC Page3/4（4）致密度 0.74(74%)（5）配位数 12（6）空隙半径 四面体空隙四面体空隙半径为:r四=0.225r原子 八面体空隙八面体空隙半径为:r八=0.414r原子 FCC Page4/4这就是位错,由晶体中原子平面的错动引起。配位数越大,原子排列紧密程度就越大。金属晶体具有各向异性 例如(5)将三整数写在圆括号内(100)这种线缺陷称刃型位错。亚晶粒之

10、间的边界叫亚晶界。晶粒内的亚晶粒又叫晶块(或嵌镶块)。FCC Page3/4面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。我国在新材料新工艺的研究和应用方面取得重大成果当金属为理想晶体或仅含极少量位错时,金属的屈服强度 s 很高,当含有一定量的位错时,强度降低。晶面的截距可以为负数,在指数上加负号,如 。（4）致密度 atomic packing factor(APF)0.非晶体的各向同性:非晶体在各个方向上性能完全相同的性质。35105 MPa。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4、晶体中的晶面和晶向Page1/8Performance晶向指数也可能出现负数。BCC Page2

11、/5（3）密排六方结构）密排六方结构(HCP晶格晶格)Page1/2 v 原子排列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。v 镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等具有这种晶格。密排六方晶胞原子排列密排六方晶胞原子排列 v密排六方晶胞特征v（1）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。v（2）晶胞原子数（3）原子半径（4）致密度0.74(74%)（5）空隙半径四面体空隙四面体空隙半径为:r四=0.225r原子八面体空隙八面体空隙半径为:r八=0.4

12、14r原子（6）配位数12ar21原子 HCP Page2/2Characteristicscrystal structures FCCBCCHCPEdge lengthaaa,c(c/a=1.633)Atomic radius RThe number of the atoms belonging to one unit cell426Coordination number12812Atomic packing factor(APF)0.740.680.74a42a43)4321(222caaImportantCharacteristicsofthreeCrystalStructure4、晶体

13、、晶体中的晶面和晶向中的晶面和晶向Page1/8Page1/8 v通过晶体中原子中心的平面叫做晶面；v通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方向叫做晶向。v晶面或晶向可用晶面指数或晶向指数来表达。v以图中的晶面ABBA为例,晶面指数的标定过程如下v(1)设定一空间坐标系,原点在欲定晶面外,并使晶面在三条坐标轴上有截距或无穷大。v(2)以晶格常数a为长度单位,写出欲定晶面在三条坐标轴上的截距:1v(3)截距取倒数100v(4)截距的倒数化为最小整数100v(5)将三整数写在圆括号内(100)v晶面ABBA的晶面指数即为(100)立方晶胞中的主要晶面 晶面和晶向晶面和晶向Page2/8v同样可得晶

14、面ACCA和ACD的晶面指数分别为(110)、(111)。v晶面指数的一般标记为晶面指数的一般标记为(hkl)。(hkl)实实际表示一组原子排列相同的平行晶面。际表示一组原子排列相同的平行晶面。v 晶面的截距可以为负数,在指数上加负号,如 。若某个晶面(hkl)的指数都乘以1,则得到晶面 ,则晶面(hkl)与 属于一组平行晶面,如晶面ACD(111)与晶面ACB ,这两个晶面一般用一个晶面指数(111)来表示。晶面和晶向晶面和晶向Page3/8v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,即h

15、kl。v在立方晶胞中、同属111晶面族。v可用下式表示晶面和晶向晶面和晶向Page4/8v以图中的晶向OA为例,说明晶向指数的标定过程。v（1）设定一空间坐标系,原点在欲定晶向的一结点上。v（2）写出该晶向上另一结点的空间坐标值:100v（3）将坐标值按比例化为最小整数100v（4）将化好的整数记在方括号内:100v得到晶向OA的晶向指数为100。立方晶胞中的主要晶向立方晶胞中的主要晶向 晶面和晶向晶面和晶向Page5/8v同样方法可得晶向OB、OC 的晶向指数分别为110、111v晶向指数的一般标记为uvw。vuvw实际表示一组原子排列相同的平行晶向。v晶向指数也可能出现负数。若两组晶向的全

16、部指数数值相同而符号相反,如110与,则它们相互平行或为同一原子列,但方向相反。若只研究该原子列的原子排列情况,则晶向110与可用一指数110表示。晶面和晶向晶面和晶向Page6/8v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晶向族,用尖括号表示,即。如:=100+010+001v在立方晶系中,一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时,则该晶面与该晶向互相垂直,如(111)111。晶面与晶向互相垂直 对立方晶系而言对立方晶系而言:Page7/8对六方晶系而言对六方晶系而言:Page8/8v四指数方法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

17、和a3,垂直轴为c 轴。六方晶系的几个主要晶面和晶向六方晶系的几个主要晶面和晶向 晶面晶面表示为(hkil),晶面晶面族族为hkil 晶向晶向表示为uvtw,晶向晶向族族为5.密排面和密排方向密排面和密排方向Page1/4 v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。v体心立方晶格密排面密排面:原子密度最大的晶面为110,v体心立方晶格:密排方向密排方向原子密度最大的晶向v面心立方晶格:密排面密排面111,密排方向密排方向。面心立方晶格的111面 5.密排面和密排方向密排面和密排方向Page2/4 立方晶胞中的主要晶向（3）原子半径 晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半

18、,或晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半称为原子半径(r原子)。由于原子排列紧密程度不一样,当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时,体积会发生变化。立方晶胞中的主要晶面亚晶粒之间的边界叫亚晶界。4、晶体中的晶面和晶向Page1/8面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。晶界原子排列的示意图锌在盐酸中溶解时，晶面的溶解速度的次序从大到小是 、。晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界。(hkl)实际表示一组原子排列相同的平行晶面。通过晶体中原子中心的平面叫做晶面；这种线缺陷称刃型位错。空位附近的原子会偏离正常结点位置,造成晶格畸变。(1)设定一空间坐标系,

19、原点在欲定晶面外,并使晶面在三条坐标轴上有截距或无穷大。BCC Page2/5通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方向叫做晶向。晶向指数也可能出现负数。四面体间隙半径为:r四=0.体心立方晶格(胞)BodyCentered Cubic(B.体心立方晶格面心立方晶格晶面指数晶面原子排列示意图晶面原子密度(原子数/面积)晶面原子排列示意图晶面原子密度(原子数/面积)100110111 体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度5.密排面和密排方向密排面和密排方向Page3/4 体心立方晶格面心立方晶格晶向指数晶向原子 排列示意图晶向原子密度(原子数/长度)晶向原子 排列示意图晶向原子密度(原

20、子数/长度)体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度 5.密排面和密排方向密排面和密排方向Page4/4 6、晶体的各向异性、晶体的各向异性 Page1/2 v 非晶体的各向同性:非晶体在各个方向上性能完全相同的性质。v 晶体的各向异性在晶体中,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性能不同的性质。v 例如单晶体铁(只含一个晶粒)的弹性模量，在方向上为2.90105 MPa,而在方向上只有1.35105 MPa。v 体心立方晶格的金属最易拉断或劈裂的晶面(称解理面)就是100面。v 2.金属晶体具有各向异性例如v 变压器用的硅钢

21、片的方向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。（单晶体铁在磁场中沿方向磁化，比沿方向磁化容易。）v 锌在盐酸中溶解时，晶面的溶解速度的次序从大到小是、。金属晶体的力学、物理和化学等方面的性能在不同的方向上是不一样的。实际使用的金属晶体的各向异性就显示不出来了。6、晶体的各向异性、晶体的各向异性 Page2/2 7.多晶型性v多晶型性转变或同素异构转变金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变。往往伴随有体积的突变，引起变形。v如Fe、C等。1.3 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构 v实际金属不是理想完美的单晶体,结构中存在有许多不同类型的缺陷。v按照几何特征，三类v点缺陷指在三维尺度上都

22、很小的,不超过几个原子直径的缺陷。如空位、间隙原子、异类原子。会造成局部晶格畸变,使金属的电阻率、屈服强度增加,密度发生变化。v线缺陷指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。这就是位错,由晶体中原子平面的错动引起。如刃型位错、螺型位错，如为混合位错。v面缺陷指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。如:晶界,亚晶界1.点缺陷点缺陷 1/2 P1921v点缺陷空位v在晶体晶格中,若某结点上没有原子,则这结点称为空位。v空位附近的原子会偏离正常结点位置,造成晶格畸变。v空位的存在有利于金属内部原子的迁移(即扩散)。v点缺陷：间隙原子间隙原子位于晶格间隙之中的原子叫间隙原间隙原子子。间隙原子会造成其附近晶

23、格的很大畸变。v点缺陷异类原子 v纯金属中存在的杂质,即其它元素原子称为异类原子(或杂质原子)。v当异类原子与金属原子的半径接近时,则异类原子可能占据晶格的一些结点;当异类原子的半径比金属原子的半径小得多,则异类原子位于晶格的空隙中,它们都会导致附近晶格的畸变。(b)异类原子半径比金属原子半径小异类原子半径比金属原子半径小(a)异类原子半径比金属原子半径大异类原子半径比金属原子半径大 1.点缺陷点缺陷 2/22.线缺陷线缺陷1/4 P2126v线缺陷刃型位错晶体中已滑移区和未滑移区的边界2.线缺陷线缺陷2/4 在金属晶体中，由于某种原因，晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面。这个多

24、余的半原子面犹如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线位错线。这种线缺陷称刃型位错刃型位错。半原子面在上面的称正刃型位错正刃型位错,半原子面在下面的称负刃型位负刃型位错错。v线缺陷螺型位错 v晶体右边的上部点相对于下部的距点向后错动一个原子间距，即右边上部相对于下部晶面发生错动。若将错动区的原子用线连接起来，则具有螺旋型特征。这种线缺陷称螺型位错。螺旋位错俯视螺旋位错俯视2.线缺陷线缺陷3/4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35105 MPa。原子排列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

25、原子。(1)晶格常数 a=b=c,=90实际金属为多晶体,是由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成的。非晶体的各向同性:非晶体在各个方向上性能完全相同的性质。对六方晶系而言:Page8/8（4）致密度 atomic packing factor(APF)0.钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、-铁(-Fe,912)6、晶体的各向异性 Page1/2金属的晶格常数一般为:每个晶粒基本上可视为单晶体.在立方晶系中,一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时,则该晶面与该晶向互相垂直,如(111)111。四面体空隙半径为:r四=0.晶粒内的亚晶粒又叫晶块(或嵌镶块)。1Cr17不锈钢的多晶体晶面指数的一般标

26、记为(hkl)。四面体间隙半径为:r四=0.金属的强度与位错密度的关系 不锈钢中的位错线不锈钢中的位错线 退火金属中位错密度一般为 101012 m-2 左右。位错的存在极大地影响金属的机械性能。当金属为理想晶体或仅含极少量位错时,金属的屈服强度 s 很高,当含有一定量的位错时,强度降低。当进行形变加工时,位错密度增加,s 将会增高。2.线缺陷线缺陷4/4 位错能够在金属的结晶、塑性变形结晶、塑性变形和相变相变等过程中形成 晶体中位错的量晶体中位错的量可用位错线长度来表示。位错密度位错密度是指单位体积中位错线的总长度，即 式中：为位错密度,单位为m-2，L 为位错线总长度,单位为m,V为体积,

27、单位为m3。3.面缺陷面缺陷1/2 实际金属为多晶体,是由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成的。每个晶粒基本上可视为单晶体.一般尺寸为105104 m,但也有大至几个或十几个毫米的。所有晶粒的结构完全相同,但彼此之间的位向不同,位向差为几十分、几度或几十度。晶界原子排列的示意图晶界原子排列的示意图 1Cr17不锈钢的多晶体不锈钢的多晶体 v面缺陷:晶界晶界晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界晶界。晶界在空中呈网状；晶界上原子的排列规则性较差。v面缺陷亚晶界 v由许多位向相差很小的所谓亚晶粒组成的。晶粒内的亚晶粒又叫晶块(或嵌镶块)。亚晶粒之间的位向差只有几秒、几分，最多达12度。v亚晶粒之间的边界叫

28、亚晶界。亚晶界是位错规则排列的结构。例如，亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成。亚晶界是晶粒内的一种面缺陷。亚晶界亚晶界 3.面缺陷面缺陷2/2 晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多,晶粒越细,金属的塑性变形能力越大,塑性越好。小小 结结 1三种常见金属的晶体结构 BCC晶格（胞）晶格常数a、90，晶胞原子数为2个，原子半径 ，密度为68%，最大空隙半径 r四=0.29r原子，配位数为8 FCC晶格（胞）晶格常数a、90，晶胞原子数为4个，原子半径 ，致密度为74%，最大空隙半径r八=0.414r原子，配位数为12。HCP晶格（胞）晶格常数a、c、90、120，晶胞原子数为6个，原子半径

29、，致密度为74%，最大空隙半径 r八=0.414r原子，配位数为12。2晶面与晶向可用晶面指数与晶向指数来表达。不同晶面、不同晶向上的原子排列情况不同。vBCC晶格的最密面为110，最密方向为。vFCC晶格的最密面为111，最密方向为。vHCP晶格的最密面为0001，最密方向为。3实际金属中含有点缺陷（空位、间隙原子、异类原子）、线缺陷（位错）、面缺陷（晶界、亚晶界）三类晶体缺陷，位错密度增加，材料强度增加。晶界越多，晶粒越细，金属的强度越高，同时塑性越好（即细晶强化）。0.1.2 0.1.2 新材料新工艺重大成果新材料新工艺重大成果 我国在新材料新工艺的研究和应用方面取得重大成果 绪论绪论碳纳米管 航空、航天事业迅速崛起，带动航空、航天材料的发展。在C60和碳纳米管新型碳材料的研究方面取得许多新的成果,利用碳纳米管作为衬底,制备出均匀、致密的金刚石薄膜，并用碳纳米管作为晶须增强复合材料，制作纳米复合材料。想一想：说出二个有关新材料、新工艺的实际事例。谢谢观看！