机械制造基础 教学课件 ppt 作者 马永杰 汪洋 编著项目二 金属的晶体结构与结晶.pptVIP

* 化学工业出版社 * 项目二 金属的晶体结构与结晶 §2.1 金属的晶体结构 一、晶体结构的基本知识 1.晶体与非晶体 在物质内部，凡原子呈无序堆积状况的，称为非晶体，例如塑料、石蜡、普通玻璃、松香、树脂等，均属于非晶体。相反，凡原子呈有序、有规则排列的物质称为晶体，例如水、结晶盐、石墨、天然金刚石等，所有固态金属和合金都是晶体。 晶体的特点是： ①原子在三维空间呈有规则的周期性重复排列。 ②具有一定的熔点，如铁的熔点为1538℃，铜的熔点为1083℃。 ③晶体的性能随着原子的排列方位而改变，即单晶体具有各向异性。 非晶体的特点是： ①原子在三维空间呈不规则的排列。 ②没有固定熔点，随着温度的升高将逐渐变软，最终变为有明显流动性的液体。如塑料、玻璃、沥青 等。 ③各个方向上的原子聚集密集大致相同，即具有各向同性。 2.晶格与晶胞 用来描述原子在晶体中排列方式的空间格架称为结晶格子，简称晶格，晶格中的每个点称为结点。 晶体中原子的排列具有周期性变化的特点，为了研究方便，可以从晶格中选取一个能够反映晶格特点的最小几何单元来描述晶体中原子排列的规律，该最小的几何单元称为晶胞。 晶面和晶向 在晶体中由一系列原子组成的平面，称为晶面。 通过两个或两个以上原子中心的直线，可代表晶格空间排列的一定方向，称为晶向。由于在同一晶格的不同晶面和晶向上原子排列的疏密程度不同，因此原子结合力也就不同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有各向异性的原因。 §2-1 金属的晶体结构 二、常见金属的晶格类型 ①体心立方晶格 每个晶胞原子数n=8×1/8+1=2(个) 属于体心立方晶格类型的金属有α-Fe（912℃以下的钝铁）、铬、钼、钨等,这类金属一般都具有相当大的强度和较好的塑性 ②面心立方晶格 每个晶胞中的原子数为n=8×1/8+6×1/2=4(个) 属于面心立方晶格类型的金属有γ-Fe（1394－912℃的钝铁）、铝、铜、银、金、镍等，这类金属塑性都很好。 ③密排六方晶格 密排六方晶胞中的原子数n=12×1/6+2×1/2＋3=6(个) 属于这类金属的有铍、镁锌镉等。 右图中:(a)为体心立方晶格；(b)为面心立方晶格；?为密排六方晶格 §2-1 金属的晶体结构 在工业生产中，单晶体的金属材料除专门制作外基本上是不存在的。实际的金属结构都包含着许许多多小晶体，每个小晶体内的晶格方位是一致的，而各小晶体之间彼此方位不同，由于每个小晶体都具有不规则的颗粒状外形，故称为“晶粒”；晶粒与晶粒之间的界面叫做“晶界”。由于晶界是两相邻晶粒不同晶格方位的过渡区，所以在晶界上原子排列总是不规则的，这种由多晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。一般金属材料都是多晶体。多晶体内各晶粒的晶格位向互不一致，他们自身的各向异性相互抵消，故表现出各向同性。 1. 单晶体与多晶体 单晶体即原子排列得非常整齐，晶格位向完全一致，且无任何缺陷存在。 多晶体即由许多位向不同的晶体组成，且其内部还存在着多种晶体缺陷。 2. 金属的晶体缺陷 在实际使用的金属材料中，由于加进了其它种类的原子及材料在冶炼后的凝固过程中受到各种因素的影响，使本来有规律的原子堆积方式受到干扰，不像理想晶体那样规则。晶体中出现的各种不规则的原子堆积现象称为晶体缺陷。常见的晶体缺陷有以下几种。 （1）点缺陷 点缺陷是指“晶格空位”﹑“置换原子”和“间隙原子”。晶格空位是在正常的晶格结点上出现空位；置换原子是指结点上的原子被异类原子所置换；间隙原子是在晶格的间隙中存在多余原子 §2-2金属的实际晶体结构 (2)线缺陷：线缺陷是晶体中呈现线状分布的缺陷，其具体形式是各种类型的位错。最简单直观的一种称为刃型位错，如下图所示。其表现形式是晶体中某个晶面上下两部分的原子排列数目不等，就好像沿着某个晶面插入一个原子平面，如同刀刃切入一样，故称“刃型位错”。多出来的半截原子平面的边缘线ＥＦ被称为位错线，以位错线ＥＦ为中心的一个管状区域内晶格发生畸变，存在着内应力。刃型位错有正负之分，分别用符号“⊥”“┬”来表示，如图所示。 （3)面缺陷：晶体的面缺陷主要有两种：晶界和亚晶界。面缺陷是由于受到其两侧的不同晶格位向的晶粒或亚晶粒的影响而使原子呈不规则排列，原子的位置处于两种晶格取向所能适应的折中位置上。面缺陷是有一定厚度的原子排列不规则的过渡带，其厚度主要取决于相邻的两晶粒或亚晶粒的晶格位向差的大小及晶体的纯度。对于金属，这个厚度通常在几个原子间距到几百个原子间距的范围内变化。晶格位向差越小﹑纯度越高，面缺陷越薄；反之越厚。面缺陷处的晶格畸变较大，界面处能量较高，影响的范围也较大。因此，晶界具有与晶粒内部不同的特性。如：晶界处熔点较低；耐腐蚀性较差