工程材料 第二章-材料的结构-v2

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§1纯金属的结构
一、 金属晶体结构
1.基本概念 晶体—原子在三维空间作规则的周期性重复排列的物质。
晶体模型
晶格
晶胞
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描述晶体中原子排列规律的空间格架 组成晶格的最小几何单元体 将晶体的原子看成是刚性小球
§1纯金属的结构
2.晶胞的表示方法
Z
c
β γ X a
α b Y
a、 b、 c —晶格常数（点阵常数） 、 、 晶格常数（ 晶格常数 点阵常数） α 、β 、γ — 夹角
a
原子半径: 原子半径 晶胞原子数: 晶胞原子数 配位数: 配位数 致密度: 致密度
r = ( 3 / 4) a
n =1/8×8 + 1 = 2 Z＝8
4 K = n × πr 3 / V 3 2× (4 / 3)π ( 3 / 4a)3 = a3
≈ 0.68＝68%
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2a
§1金属及合金的结构
2.面心立方晶格：fcc
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§1纯金属的结构
二、典型的金属晶体结构 1.体心立方晶格：bcc（body centred cubic） bcc（ cubic） bcc
具有bcc结构的金属： 具有bcc结构的金属： bcc结构的金属 Fe、Cr、 Mo、 α-Fe、Cr、W、Mo、V、 Nb等 Nb等。
a
体心立方晶体模型
体心立方晶格
晶体的特点： 晶体的特点：
①结构有序； 结构有序； 各向异性； ②各向异性； ③有固定的熔点。 有固定的熔点。
各向异性： 各向异性 在测定材料的
性能时， 性能时 ， 沿不同方向测定所得 的结果各不相同，即各向异性。 的结果各不相同， 即各向异性 。
非晶体
非晶体是原子排列无序的物质。 非晶体是原子排列无序的物质。
晶格中某个原子脱离了平衡位置而形成的空结点。 晶格中某个原子脱离了平衡位置而形成的空结点。
间隙原子（Interstitial Atom）： ）
晶格间隙中挤进的原子。 晶格间隙中挤进的原子。
置换原子（Substitutional Atom）： ）
外来的取代晶格正常阵点上的原子的异类原子。 外来的取代晶格正常阵点上的原子的异类原子。
在实际晶体（如实际应用的金属材料）中存在晶体缺陷。 在实际晶体（如实际应用的金属材料）中存在晶体缺陷。
3.晶体缺陷 3.晶体缺陷（Crystal Defect ）
原子偏离规则排列的不完整性区域，称为晶体缺陷。 原子偏离规则排列的不完整性区域，称为晶体缺陷。 晶体缺陷不仅对金属及合金的性能有重大影响，而且还在扩散、 晶体缺陷不仅对金属及合金的性能有重大影响，而且还在扩散、相 变、塑性变形和再结晶等过程中起重要作用。 塑性变形和再结晶等过程中起重要作用。 晶体缺陷根据其几何形态特征，有点缺陷、线缺陷、面缺陷等类别。 晶体缺陷根据其几何形态特征，有点缺陷、线缺陷、面缺陷等类别。
所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指数。 所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指数。
原子排列情况完全相同的所有晶向同属于一个晶向族。 原子排列情况完全相同的所有晶向同属于一个晶向族。 晶向族用＜ 表示。 晶向族用＜uvw＞表示。 在立方晶系中，相同指数的晶面和晶向相互垂直。 在立方晶系中，相同指数的晶面和晶向相互垂直。
晶体由许多小单晶体组成，各单晶体的晶格排列位向不相同。 晶体由许多小单晶体组成，各单晶体的晶格排列位向不相同。 晶体具有伪各向同性。 晶体具有伪各向同性。 例如：常用的金属等。 例如：常用的金属等。
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第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构
晶粒 （Grain） ） 晶界 （Grain Boundary） ）
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§1纯金属的结构
3.晶体结构的表征
晶格尺寸：以晶格常数表示。 晶格尺寸：以晶格常数表示。 原子半径（ ）：代表原子的刚性小球的半径。 ）：代表原子的刚性小球的半径 原子半径（r）：代表原子的刚性小球的半径。 晶胞原子数（ ）：晶胞内的原子数目。 ）：晶胞内的原子数目 晶胞原子数（n）：晶胞内的原子数目。 晶格中原子排列的紧密程度： 晶格中原子排列的紧密程度： 配位数（Z）：晶格中与任一原子等距且最近邻的原子数 配位数（ ）：晶格中与任一原子等距且最近邻的原子数 ）： 目。 致密度（ ）： 晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。 致密度（K）： 晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。
a
致密度: 致密度
4× (4 / 3)π ( 2 / 4a)3 4 3 K = n × πr / V = a3 3
≈ 0.74＝74%
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§1金属及合金的结构
3.密排六方晶格hcp
具有hcp结构的金属： 具有hcp结构的金属： hcp结构的金属
c
Mg、Zn、Cd、Be、 Mg、Zn、Cd、Be、 Ti等 α-Ti等。
0
y
晶向族<uvw>：原子排列 相同但空间位向不同的所有 晶向。 两种晶体中重要的晶向族： x
[11-1]
1）fcc晶体：<110>= [110] + [110] + [101] + [101] + [011] + [011]
< 2) bcc晶体： 111 >= [111] + [111] + [111] + [111]
为便于研究和表述给晶面规定的符号。 为便于研究和表述给晶面规定的符号。
确定晶面指数的步骤： 确定晶面指数的步骤：
①求截距 求出待定晶面在三个坐标轴上的截距。 求出待定晶面在三个坐标轴上的截距。 ②取倒数 将三个截距之值变为倒数。 将三个截距之值变为倒数。 ③化简并加圆括号 将三个倒数按比例化为(最小?)整数，并加上一圆括号。 将三个倒数按比例化为(最小?)整数，并加上一圆括号。 ?)整数
单晶体结构示意图
多晶体结构示意图
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第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构
2.理想晶体与实际晶体 2.理想晶体与实际晶体 理想晶体（Perfect Crystal）的概念 ）
原子排列规则、无任何缺陷的晶体，称为理想晶体或完整晶体。 原子排列规则、无任何缺陷的晶体，称为理想晶体或完整晶体。
实际晶体中的晶体缺陷
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第二章 材料的结构－§2.1 纯金属的晶体结构
四、实际金属的结构
1.单晶体与多晶体 1.单晶体与多晶体 单晶体（Single Crystal）的特征 ）
晶格排列方位完全一致。 晶格排列方位完全一致。 晶体具有各向异性。 晶体具有各向异性。 例如：单晶硅、单晶锗等。 例如：单晶硅、单晶锗等。
多晶体（Polycrystal）的特征 ）
晶面指数的一般形式： 晶面指数的一般形式： （hkl） ）
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§1纯金属的结构
z
1
-1
x
0
y
1
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例：标定下列A,B,C面的指数。
(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning™
Hale Waihona Puke 14SOLUTION Plane A 1. x = 1, y = 1, z = 1 2.1/x = 1, 1/y = 1,1 /z = 1 3. No fractions to clear 4. (111) Plane B 1. The plane never intercepts the z axis, so x = 1, y = 2, and z= ∞ 2.1/x = 1, 1/y =1/2, 1/z = 0 3. Clear fractions: 1/x = 2, 1/y = 1, 1/z = 0 4. (210) Plane C 1. We must move the origin, since the plane passes through 0, 0, 0. Let’s move the origin one lattice parameter in the ydirection. Then, x = ∞, y = -1, and z = ∞ 2.1/x = 0, 1/y = 1, 1/z = 0 3. No fractions to clear.
第二章 材料的结构
Chapter 2 Structures of Materials 主要内容： 主要内容：
• • • • 纯金属的晶体结构 合金的晶体结构 高分子聚合物的结构 陶瓷材料的结构
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石墨的晶体结构
金刚石的晶体结构
2
晶体
晶体是原子在三维空间有规则排列的物质。 晶体是原子在三维空间有规则排列的物质。
各向同性：在测定材料的 各向同性：
性能时沿任何方向测定的结果 都是一致的，不因方向而异， 都是一致的， 不因方向而异 ， 即各向同性，或称等向性。 即各向同性，或称等向性。
非晶体的特点： 非晶体的特点：
①结构无序； 结构无序； 各向同性； ②各向同性； 没有固定的熔点； ③没有固定的熔点； 热导率（导热系数）和热膨胀性小； ④热导率（导热系数）和热膨胀性小； 塑性变形大； ⑤塑性变形大； 组成的变化范围大。 ⑥组成的变化范围大。
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练习：绘制立方晶系中<111>和<112>晶向。
晶向指数（ 晶向指数（Indices of Crystallographic Direction） ） 为便于研究和表述给晶向规定的符号。 为便于研究和表述给晶向规定的符号。
确定晶向指数的步骤： 确定晶向指数的步骤：
①引直线 通过坐标原点引一条直线，使其平行于待求的晶向。 通过坐标原点引一条直线，使其平行于待求的晶向。 ②求坐标值 求出所引直线上任意一点的三个坐标值。 求出所引直线上任意一点的三个坐标值。 ③化简并加方括号 将三个坐标值按比例化为最小整数，并加上一方括号。 将三个坐标值按比例化为最小整数，并加上一方括号。