02 第一章 金属的晶体结构及性能.pptx

第1页：第一章 金属的晶体结构及性能

第一章 金属的晶体结构及性能：本页为图示内容，标出本章从晶体结构讲到实际金属晶体缺陷的主线。

第2页：第一节 金属的晶体结构

第一节 金属的晶体结构

• 第一节金属的晶体结构
• 金属的力学性能与其内部结构和外部条件密切相关，而内部结构又构成了影响性能的内在因素，因此，我们必须了解：
• （1）金属的晶体结构
• （2）实际金属的晶体与晶体缺陷
• （3）缺陷对金属性能的影响

第3页：晶体与晶体结构

晶体与晶体结构

• 一、纯金属的典型晶体结构
• 金属的性能不仅决定于其组成原子的本性和原子间结合建的类型，同时也与原子的排列方式——晶体结构有关。
• 1.晶体（Crystal）：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则、周期性排列。
• 特点：原子排列规则，有固定的熔点和凝固点
• 钢、铸铁、有色金属均为晶体

第4页：晶格与晶胞

晶格与晶胞

• 一、纯金属的典型晶体结构
• 2.晶格（Crystal lattice）：描述晶体中原子排列规律的空间格架
• 3.晶胞（Unite cells）：能表征晶格特征的最小几何单元
• 晶胞的描述
• 晶体学参数：a、b、c、α、β、γ
• 晶格常数：a、b、c
• 简单立方晶胞：a=b=c；α=β=γ=90°

第5页：晶体结构的刚球模型

晶体结构的刚球模型：本页为图示内容，用刚球表示原子并标出原子中心位置。

第6页：点阵（晶格）模型

点阵（晶格）模型：本页为图示内容，展示晶胞在空间格架中重复排列的方式。

第7页：晶胞的晶格常数

晶胞的晶格常数：本页为图示内容，标出XYZ三个坐标轴与晶格常数a、b、c的取向关系。

第8页：理想晶体的晶体学抽象

理想晶体的晶体学抽象：本页为图示内容，把真实原子排列抽象为规则的点阵模型。

第9页：三种典型金属晶胞

三种典型金属晶胞

• 一、纯金属的典型晶体结构9
• 4．三种典型的金属晶体晶胞
• 经测定在金属中除少数元素外，绝大多数金属结构为体心立方、面心立方和密排六方等三种典型的紧密的结构体心立方面心立方密排六方

第10页：体心立方晶格BCC

体心立方晶格BCC

• 4．三种典型的金属晶体晶胞
• 体心立方（BCC：Body-CenteredCubic）晶格的金属有：Cr、Mo、W、V、α-Fe等约30种，占金属元素的一半左右。

第11页：体心立方晶胞立体图

体心立方晶胞立体图：本页为图示内容，显示八个顶角原子与体心一个原子的排布。

第12页：体心立方晶胞参数

体心立方晶胞参数

• 体心立方
• 特点：
• 1.简单立方结构（a=b=c；α=β=γ=90°）
• 2.属于1个晶胞的原子数为2
• 3.原子半径
• 4.原子体积
• 5.致密度KK=nV原子/ V晶胞＝0.38＝68％（32％空隙）

第13页：面心立方晶格FCC

面心立方晶格FCC

• 4．三种典型的金属晶体晶胞
• 面心立方（FCC:Face-CenteredCubic）晶格金属有：AL、Cu、Au、Ag、γ-Fe、Ni、Pb等约20种。

第14页：面心立方晶胞示意图

面心立方晶胞示意图：本页为图示内容，显示八个顶角与六个面心位置上的原子排布。

第15页：面心立方晶胞参数

面心立方晶胞参数

• 面心立方
• 特点：
• 1.简单立方结构（a=b=c；α=β=γ=90°）
• 2.属于1个晶胞的原子数为4
• 3.原子半径
• 4.原子体积
• 5.致密度KK=nV原子/ V晶胞＝0.74＝74％（26％空隙）

第16页：密排六方晶格CPH

密排六方晶格CPH

• 4．三种典型的金属晶体晶胞
• 密排六方（CPH:Close-packedhexagonal）晶格的金属有：Mg、Cd、Zn、Be、Ti等。

第17页：密排六方晶胞立体图

密排六方晶胞立体图：本页为图示内容，显示上下底面与中间三原子层的六方堆垛。

第18页：密排六方晶胞参数

密排六方晶胞参数

• 密排六方
• 特点：
• c/a＝1.633
• 致密度KK=nV原子/ V晶胞＝0.74＝74％（26％空隙）
• 面心立方、密排六方原子排列最紧密，体心立方次之
• 由于K不同发生晶格类型转变时伴随体积的变化如：γ－Fe α－Fe发生转变时，体积？18面心立方体心立方

第19页：同素异晶转变

同素异晶转变

• 4．三种典型的金属晶体晶胞
• 金属的晶格类型并非一成不变。某些金属，例如铁、锰、锡、钛，凝固后随温度的变化，其晶格类型还会发生改变。
• 这种因温度变化而发生晶格改变现象，称为同素异晶转变。

第20页：纯铁的冷却曲线

纯铁的冷却曲线：本页为图示内容，标出δ-Fe到γ-Fe再到α-Fe两次同素异构转变的温度台阶。

第21页：晶面与晶向

晶面与晶向

• 二、晶体的晶面、晶向
• 晶体学中，通过晶体中原子（分子和离子）中心的平面叫晶面。
• 通过原子（分子和离子）中心的直线所代表的方向叫晶向。
• 晶体的许多性能和行为如金属塑性的高低都和晶体中特定晶面和晶向密切相关。

第22页：晶面指数确定方法

晶面指数确定方法

• 二、晶体的晶面、晶向
• 1.立方晶系晶面指数的确定方法
• （1）选坐标。（但坐标原点应离开该晶面）。
• （2）以晶格常数a、b、c为单位，求出欲定晶面在三个坐标轴上的截距(可以为负数)。
• （3）求出截距的倒数。
• （4）将截距的倒数化为最小整数，写在圆括号中，中间不用标点分开。
• 晶面指数的通式（hkl）。

第23页：晶面指数标注示例

晶面指数标注示例：本页为图示内容，在立方晶胞上标出(hkl)晶面在三轴上的截距与指数。

第24页：晶向指数表示方法

晶向指数表示方法

• 二、晶体的晶面、晶向
• 2．立方晶系的晶向表示方法
• （1）选定坐标系。
• （2）过坐标原点作一直线与待求晶向相平行。
• （3）在直线上找一点，求出它的坐标，化为最小整数。
• （4）将整数记在方括号内，中间不用标点分开。

第25页：晶向指数标注示例

晶向指数标注示例：本页为图示内容，在立方晶胞中标出[uvw]晶向的走向与指数。

第26页：晶面与晶向的关系

晶面与晶向的关系

• 二、晶体的晶面、晶向
• 在立方晶系中，如两晶向平行，但方向相反，则晶向指数的绝对值相同，但符号相反。
• 在立方晶系中，晶向指数与晶面指数相同时，则晶面与晶向垂直。

第27页：晶面族与晶向族

晶面族与晶向族

• 二、晶体的晶面、晶向
• 3．晶面族与晶向族
• 晶面族：原子排列完全相同但彼此不平行的晶面总称为晶面族，用{hkl}表示。
• 晶向族：在立方晶系中，原子排列完全相同但彼此不平行的晶向总称为晶向族，用〈uvw〉表示。

第28页：密排晶面与密排晶向

密排晶面与密排晶向

• 三、密排晶面、密排晶向
• 不同晶体结构中，不同晶面、晶向上的原子排列方式和密度是不一样的。
• 原子密度最大的晶面、晶向与晶体中发生的许多现象，如塑性变形、断裂等密切相关。
• 教材P18表1-2、1-3；

第29页：密排晶面与密排晶向（续）

密排晶面与密排晶向（续）：本页为图示内容，承接前一页列出常见晶格的密排面与密排方向数据。

第30页：密排晶面与密排晶向（续二）

密排晶面与密排晶向（续二）：本页为图示内容，继续展示教材表1-2与表1-3中的密排面和密排方向。

第31页：金属晶体的特性

金属晶体的特性

• 四、金属晶体的特性
• 1.金属晶体具有特定的熔点；
• 2.金属晶体具有各向异性；

第32页：晶体的各向异性

晶体的各向异性

• 四、金属晶体的特性
• 晶体与非晶体的最根本差别就是晶体的性能具有明显的方向性，而非晶体没有。
• 例如，单晶体铁的弹性模量E
• 在〈111〉方向上为2.90×105MN/m2;而在<100>方向上为1.35×105MN/m2。体心立方金属最容易拉断的晶面就是{100}。
• 单晶体沿不同方向上性能不同的现象叫晶体的各向异性。

第33页：实际金属晶体中的缺陷

实际金属晶体中的缺陷

• 第二节实际金属晶体中的缺陷
• 缺陷：晶体原子排列中偏离完整性的区域。
• 缺陷在晶体中的存在和运动对晶体材料的许多性能如强度、塑性变形、硬化、断裂有着决定性影响，而且也影响的晶体的电学、磁学、光学和化学特性。
• 三类缺陷：点缺陷、线缺陷、面缺陷。

第34页：点缺陷

点缺陷

• 一、点缺陷（point defect）
• 晶体中结构的不完整性只是涉及单个结点的缺陷称为点缺陷。
• 特点:在三维尺度都很小。所引起的晶格周期性的破坏发生在一个或几个原子尺寸范围内。
• 点缺陷包括：空位、间隙原子、置换原子。

第35页：点缺陷引起的晶格畸变

点缺陷引起的晶格畸变：本页为图示内容，显示原子靠拢或分开造成的局部弹性应变。

第36页：空位

空位

• 1．空位
• 空位：就是没有原子的节点。
• 产生原因：晶体中原子的热振动。
• 某一瞬间，总有一些原子的能量大到足以克服周围原子对它的束缚作用，脱离自己的平衡位置迁移到别处去，结果在原来的位置上出现的空结点，我们称之为空位。

第37页：间隙原子

间隙原子

• 2．间隙原子
• 间隙原子：位于晶格间隙中的原子
• 间隙原子分两类：一类是自间隙原子。另一类是杂质间隙原子。
• 任何材料中都存在杂质，有时人们还人为的在金属中加入其它元素以形成合金。实践中常常利用杂质的作用来提高金属强度，即所谓“固溶强化”。

第38页：置换原子

置换原子

• ３.置换原子
• 置换原子：占据晶格节点的异类原子为置换原子。
• 一般来说，置换原子半径与基体原子相当或较大。当异类原子半径较小时，更易于进入晶格的间隙位置而形成间隙原子。
• 无论哪一类点缺陷都会造成晶格畸变，在点缺陷的周围产生弹性应力场，使体系内能升高，从而对材料的性能产生影响。

第39页：异类原子（代位原子）

异类原子（代位原子）：本页为图示内容，显示代位原子占据晶格结点后引起的晶格畸变。

第40页：线缺陷与位错

线缺陷与位错

• 二、线缺陷（line defect）
• 线缺陷是指晶体中二维尺度很小而第三维尺度较大的缺陷。即位错。
• 位错（dislocation）：就是晶体中在一定范围内原子产生了有规律的错排。
• 位错在金属晶体中的存在和运动对金属的塑性变形、强度以及断裂起着重要作用。

第41页：晶体理论剪切强度

晶体理论剪切强度

• 二、线缺陷（line defect）
• 1926年富兰克尔估算了晶体的理论剪切强度，它假设晶体中原子排列是完整的，相邻上下两列原子的平衡位置如图所示：

第42页：理论强度与实际强度差异

理论强度与实际强度差异

• 二、线缺陷（line defect）
• 若在切应力作用下发生整体的刚性移动，其临界切应力为τm=G/(2π)（G为剪切模量）。
• 但根据此式计算出的理论强度与实验所得的剪切强度相比差3~4个数量级

第43页：理论强度与实际强度对比表

原课件该页文字经提取后数值相互粘连，表中τm数值按原文顺序辨认为6383与6480，建议对照原图复核。

第44页：位错理论的提出

位错理论的提出

• 二、线缺陷
• 1934年，法国的波朗依、匈牙利的奥罗万和英国的泰勒，同时提出了晶体中位错的概念，并用位错这一概念解释晶体塑性变形，完满地解决了理论强度和实际强度之间的严重的差异问题，从而形成了位错理论。

第45页：刃型位错

刃型位错

• 1.刃型位错
• 在一个完整的晶体内部，出现了一个多余的半原子面，犹如一个刀片插到了晶体中，因而称之为刃型位错。

第46页：刃型位错结构图

刃型位错结构图：本页为图示内容，标出多余半原子面与位错线的位置关系。

第47页：螺型位错示意图

螺型位错示意图：本页为图示内容，显示原子沿位错线呈螺旋状错排的形貌。

第48页：位错对金属性质的影响

位错对金属性质的影响

• 位错对金属性质的影响
• 由于位错线附近晶格畸变较大，因而产生弹性应力场。位错对材料性能影响比点缺陷更大。
• 金属材料的强化几乎都是以位错为基础的。
• 位错是金属中一类重要的缺陷，它可以在金属结晶、相变及塑性变形中产生。对金属的性能，特别是塑性和强度有较大的影响。

第49页：位错密度

位错密度对金属强度的影响49位错密度：单位体积内位错线的总长度。ρ=∑L/V (cm-2)

第50页：冷加工与退火铜条对比

冷加工与退火铜条对比：位错密度对金属强度的影响50冷加工及退火的铜条机械性质，铜条直径为5厘米，长为50厘米。(a)为冷拔成型的铜条，尾端负荷800克的圆柱铁块，显示仅有些微程度的弯曲；(b)为上述相同条件的铜条经500℃保温3分钟退火处理后，尾端一样负荷800克的铁块，则显示剧烈的弯曲。

第51页：退火对位错密度的影响

退火对位错密度的影响

位错密度对金属强度的影响51若以位错的密度：每单位体积所含位错的总长(m/m3)或每单位面积(m-2)所含的位错个数来考虑退火作用，可发现退火消除了大量的位错线，因为剧烈加工后金属的位错密度高达1016m-2，而经完全退火后金属的位错密度则低于1010m-2。

第52页：晶界

晶界

• 三、面缺陷（face defect）
• １·晶界
• 晶粒与晶粒之间的接触界面叫晶界。

第53页：晶界对位错运动的阻碍

晶界对位错运动的阻碍

• 三、面缺陷（face defect）
• １·晶界
• 晶界上原子排列规则性较差，作为一种晶体位向向另一种位向的过渡。
• 由于晶界两侧晶体位向不同，因此位错滑移时不能顺利通过，晶界成为了位错运动的一大障碍。

第54页：面缺陷示意图

面缺陷示意图：本页为图示内容，展示晶界处原子排列紊乱的过渡区域。

第55页：细晶强化

细晶强化

• １·晶界
• 常温下，晶粒越细小，晶界总面积越大，对位错运动的阻碍越强烈，金属的强度也越高。
• 利用增加晶界总面积，即减少晶粒尺寸的方法，可以起到强化金属的作用，即所谓“细晶强化”。

第56页：亚晶界

亚晶界

• ２．亚晶界
• 在一个晶粒内部还存在着许多位向差很小的所谓亚晶粒。
• 亚晶粒之间位向差较小，只有几秒、几分，最多不超过一至二度。
• 亚晶粒之间的边界叫亚晶界。

第57页：晶界与亚晶界的性能影响

晶界与亚晶界的性能影响

• 晶界、亚晶界与金属性能
• 在晶界、亚晶界和晶体的其它界面上，原子偏离平衡位置较大，晶格畸变严重，原子处于能量较高的状态，活性较大。所以对晶体中的许多过程如相变、扩散、晶粒长大的都有较大的影响。

第58页：晶界腐蚀与过烧

晶界腐蚀与过烧

• 晶界、亚晶界与金属性能
• 金属在腐蚀性介质中使用时，晶界的腐蚀速度一般都比晶粒内快。金相分析时，晶界被化学试剂侵蚀形成凹槽，在显微镜下观察到黑色晶界。
• 固态相变也首先发生于晶界。晶界处熔点比晶粒内低。
• 热加工及热处理中有时产生“过烧”现象，就是指加热温度过高，导致晶界熔化并氧化。

第59页：显微镜下的晶界

显微镜下的晶界：本页为图示内容，显示被化学试剂侵蚀后呈黑色的晶界网络。

第60页：晶界与亚晶界示意图

晶界与亚晶界示意图：本页为图示内容，对比晶粒间大角晶界与晶粒内小角亚晶界。

第61页：晶体缺陷小结与成因

晶体缺陷小结与成因

• 晶体缺陷
• 以上三种缺陷（点、线、面）都会引起金属晶格产生畸变：
• （1）材料性能的变化
• 缺陷密度——晶格畸变——强度、硬度
• （2）对材料的固态转变过程产生影响
• 问题：缺陷如何形成的？
• 在结晶、固态相变、塑性变形中产生

第62页：本章小节

本章小节

• 本章小节
• 本课程的内容体系（1，2，3，4）
• 金属晶体典型的晶体结构
• 体心立方、面心立方、密排六方
• 体心立方、面心立方的密排面和密排方向
• 体心立方原子密排晶面{110},密排方向<111>
• 面心立方原子密排晶面{111},密排方向<110>
• 缺陷的种类以及对金属性能的影响
• 点缺陷（杂质）——固溶强化
• 线缺陷——加工硬化
• 面缺陷——细晶强化