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时间:2020-01-07来源:未知作者:admin点击:
晶体结构_理化生_高中教育_教育专区。第二章 材料的结构 ? 物质由原子组成。原子 的结合方式和排列方式 C60 决定了物质的性能。 ? 原子、离子、分子之间 的结合力称为结合键。 它们

  晶体结构_理化生_高中教育_教育专区。第二章 材料的结构 ? 物质由原子组成。原子 的结合方式和排列方式 C60 决定了物质的性能。 ? 原子、离子、分子之间 的结合力称为结合键。 它们的具体组合状态称 为结构。 一、晶体结

  第二章 材料的结构 ? 物质由原子组成。原子 的结合方式和排列方式 C60 决定了物质的性能。 ? 原子、离子、分子之间 的结合力称为结合键。 它们的具体组合状态称 为结构。 一、晶体结构的基本概念 ? ? 1、晶体与非晶体 晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主 要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件 下晶体和非晶体可互相转化。 ? 晶态 金属的结构 SiO2的结构 非晶态 2、晶格与晶胞 ? ⑴ 晶格:用假想的直线将原子中心连接起来所形成。 的三维空间 格架。直线 的交点(原 子中心)称 结点。由结 点形成的空 间点的阵列 称空间点阵 ? ⑵ 晶胞:能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。 ? ⑶ 晶格常数:晶 胞个边的尺寸 a、 b、c。 立方 六方 ? 各棱间的夹角用 ?、?、?表示。 ? ? 四方 菱方 ⑷ 晶系: 根据晶胞参数不同,将晶体分为七种晶系。 ? ? ? 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 立方晶系:a=b=c,?=?=?=90? 正交 单斜 六方晶系:a1=a2=a3? c,?=?=90?,?=120? 三斜 ? ⑸ 原子半径:晶胞中原 子密度最大方向上相邻 原子间距的一半。 ⑹ 晶胞原子数:一个晶 胞内所包含的原子数目。 ? ? ⑺ 配位数:晶格中与任 一原子距离最近且相等 的原子数目。 ? ⑻ 致密度:晶胞中原子 本身所占的体积百分数。 3、立方晶系晶面、晶向表示方法 ? 晶体中各方位上的 原子面称晶面。 各方向上的原子列 称晶向。 ⑴晶面指数 表示晶面的符号称 晶面指数。 其确定步骤为: ? ? ? ? ? ① 确定原点,建立坐标系,求出所求晶面在三个坐 标轴上的截距。 ② 取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数,加 圆括弧,形式为(hkl)。 ? ? 例一.求截距为? 1 ?晶面的指数 、 、 截距值取倒数为0、1、0,加圆括 弧得(010) ? 例二.求截距为2、3 ?晶面的指数 、 取倒数为1/2、1/3 、 0, 化为最小 整数加圆括弧得(320) ? 例三.画出(112)晶面 取三指数的倒数1、1、1/2, 化成最 小整数为2、2、1,即为X、Y、Z三 坐标轴上的截距 ? ? ⑵ 晶向指数 表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为: ? ① 确定原点,建 立坐标系,过原 点作所求晶向的 平行线。 ? ② 求直线上任一 点的坐标值并按 比例化为最小整 数,加方括弧。 形式为[uvw]。 ? 例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2, 求该直线的晶向指数。 将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。 例二、已知晶向指 [234] ? ? 数为[110], 画出该 晶向。 ? 找出1、1、0坐标点, 连接原点与该点的 直线] ? ? ? ⑶ 晶面族与晶向族 (hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。 指数虽然不同,但原子排列完全相同的晶向和晶面 称作晶向族或晶面族。分别用{hkl}和uvw表示。 ? 例如{112}、{123} 立方晶系常见的晶面为: {100} : (100)、 (010)、 (001) {110} : (110)、 (101)、 (011)、银河网址开户 (1 10)、 (1 01)、 (0 1 1) {111} : (111)、 (1 11)、 (1 1 1)、 (111) ? ? ? ? ? ? {110} Z (110) (011) (011) (101) (101) Y (110) X 立 方 晶 系 常 见 的 晶 面 立方晶系常见的晶向为: ? 100 ?: [100]、 [010]、 [001] ? 110 ?: [110]、 [101]、 [011]、 [1 10]、 [1 01]、 [0 1 1] ? 111 ?: [111]、 [1 11]、 [1 1 1]、 [111] ? ? ? ? ? ? 立 方 晶 系 常 见 的 晶 向 111 [111] [111] Z [111] [111] Y X 说明: ① 在立方晶系中,指数 相同的晶面与晶向相 互垂直。 ② 遇到负指数,“-”号 放在该指数的上方。 ③ 晶向具有方向性, -如[110]与[110]方 向相反。 [110] Z [110] (221) [221] Y X 二、金属的晶体结构 ? ? 正离子 1、纯金属的晶体结构 金属原子是通过正离子与自 由电子的相互作用而结合的, 称为金属键。 ? ? ? 金属原子趋向于紧密排列。 价电子云 金属键示意图 具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。 常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方 (fcc)和密排六方(hcp)晶格。 ⑴ 体 心 立 方 晶 格 体心立方晶格 体心立方晶格的参数 ? 体心立方晶格 晶格常数:a(a=b=c) 3 原子半径:r ? a 4 原子个数:2 配位数: 8 致密度:0.68 常见金属:?-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等 ⑵ 面 心 立 方 晶 格 面心立方晶格 面心立方晶格的参数 ? 面心立方晶格 晶格常数:a 2 ? a 原子半径:r 4 原子个数:4 配位数: 12 致密度:0.74 常见金属: ?-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等 ⑶ 密排六方晶格 密排六方晶格的参数 ? 密排六方晶格 晶格常数:底面边长 a 和高 c, c/a=1.633 1 原子半径 :r ? a 2 原子个数:6 配位数: 12 致密度:0.74 常见金属: Mg、Zn、 Be、Cd等 ? ? ? ? ⑷ 三种常见晶格的密排面和密排方向 单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。 单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。 原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。 密排面 数量 密排方向 数量 体心立方晶格 面心立方晶格 {110} {111} 6 4 1 111 110 底面对角线 密排六方晶格 六方底面 ? 三种常见晶格的密 排面和密排方向 底面对角线 六方底面 密 排 六 方 晶 格 体 心 立 方 晶 格 面 心 立 方 晶 格 体心立方(110)面 面心立方(111)面 密排六方底面 ? ? ? 面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序 密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB… 面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABC… ? 面心立方晶格的原子堆垛 2、实际金属的晶体结构 ? ? ⑴ 单晶体与多晶体 单晶体:其内部晶格方位完 全一致的晶体。 多晶体: 晶粒:实际使用的金属材料 是由许多彼此方位不同、外 ? ? 纯铁组织 形不规则的小晶体组成,这 些小晶体称为晶粒。 ? 晶 粒 示 意 图 变形金属晶粒尺寸约1~100?m,铸造金属可达几mm。 铅锭宏观组织 沿晶断口 ? ? ? 晶界:晶粒之间的交界面。 晶粒越细小,晶界面积越大。 多晶体:由多晶粒组成的晶体结构。 光学金相显示的纯铁晶界 多晶体示意图 ? ? ⑵ 晶体缺陷 晶格的不完整部 位称晶体缺陷。 ? 实际金属中存在 着大量的晶体缺 陷,按形状可分 三类,即点、线、 面缺陷。 ? ? ① 点缺陷 空间三维尺寸都 很小的缺陷。 ? 空位 ? ? 间隙原子 置换原子 ? a. 空位:晶格中某些 缺排原子的空结点。 b. 间隙原子:挤进晶 格间隙中的原子。可 以是基体金属原子, ? 也可以是外来原子。 体心立方的四面体和八面体间隙 ? c. 置换原子: 取代原来原子位置的外来原 子称置换原子。 点缺陷破坏了原子的平衡状 态,使晶格发生扭曲,称晶 格畸变。从而使强度、硬度提高,塑性、韧性下降。 ? 空位 间隙原子 大置换原子 小置换原子 空位和间隙原子引起的晶格畸变 ? ? ② 线缺陷—晶体中的位错 位错:晶格中一部分晶体相 对于另一部分晶体发生局部 滑移,滑移面上滑移区与未 滑移区的交界线称作位错。分为刃型位错和螺型位错。 刃型位错 螺型位错 刃型位错和螺型位错 刃位错的形成 ? 刃型位错:当一个完整晶体某晶面以上的某处多出 半个原子面,该晶面象刀刃一样切入晶体,这个多 余原子面的边缘就是刃型位错。 半原子面在滑移面以上的称正位错,用“ ┴ ”表示。 半原子面在滑移面以下的称负位错,用“ ┬ ”表示。 ? ? ? 位错密度:单位体积内所包 含的位错线总长度。 ? = S/V(cm/cm3或1/cm2) ? 金属的位错密度为104~1012/cm2 ? 位错对性能的影响:金属的 塑性变形主要由位错运动引 起,因此阻碍位错运动是强 ? 金属晶须 化金属的主要途径。 ? 减少或增加位错密度都可以 退火态 (105-108/cm2) 加工硬化态 提高金属的强度。 (1011-1012/cm2) ? 电子显微镜下的位错 透射电镜下钛合金中的位错线(黑线) 高分辨率电镜下的刃位错 (白点为原子) 电子显微镜下的位错观察 ? ? ③ 面缺陷—晶界与亚晶界 晶界是不同位向晶粒的过度部位,宽度为5~10个原 子间距,位向差一般为20~40°。 ? 亚晶粒是组成晶粒的尺寸很 小,位向差也很小(10’ ~2 ?) 的小晶块。 亚晶粒之间的交界面称亚晶 界。亚晶界也可看作位错壁。 ? 位 错 壁 亚晶粒 大角度和小角度晶界 ? 晶界的特点: ? ? ? ? ① 原子排列不规则。 ② 熔点低。 ③ 耐蚀性差。 ④ 易产生内吸附,外来原 子易在晶界偏聚。 ⑤ 阻碍位错运动,是强化 ? 部位,因而实际使用的金 属力求获得细晶粒。 ? ⑥ 是相变的优先形核部位 显微组织的显示 3、合金的晶体结构 ? 合金是指由两种或两种 以上元素组成的具有金 属特性的物质。 ? 组成合金的元素可以是 全部是金属,也可是金 黄铜 属与非金属。 ? 组成合金的元素相互作 用可形成不同的相。 Al-Cu两相合金 ? 所谓相是指金属或合金中凡 成分相同、结构相同,并与 其它部分有界面分开的均匀 组成部分。 显微组织实质上是指在显微 单相 合金 ? 镜下观察到的金属中各相或 各晶粒的形态、数量、大小 和分布的组合。 ? 固态合金中的相分为固溶体 和金属化合物两类。 两相 合金 ? ? ⑴ 固溶体 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固 相称固溶体。习惯以?、?、?表示。 ? 与合金晶体结构相同的元素称溶 剂。其它元素称溶质。 ? 固溶体是合金的重要组成相,实 际合金多是单相固溶体合金或以 Cu-Ni置换固溶体 固溶体为基的合金。 ? 按溶质原子所处位置分为置换固 溶体和间隙固溶体。 Fe-C间隙固溶体 ? ? ? ① 置换固溶体 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体,银河网址开户呈有序分布的 称有序固溶体。 黄铜置换固溶体组织 ? ② 间隙固溶体 ? ? 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金 属元素,如C、N、B 等,而溶剂元素一般 是过渡族元素。 ? 形成间隙固溶体的一 般规律为r质/r剂0.59。 ? 间隙固溶体都是无序 固溶体。 ? ? ? ③ 固溶体的溶解度 溶质原子在固溶体中的极限浓度。 溶解度有一定限度的固溶体称有 限固溶体。 组成元素无限互溶的固溶体称无 Cu-Ni无限固溶体 ? 限固溶体。 ? 组成元素原子半径、电化学特性 固 溶 体 化 合 物 相近,晶格类型相同的置换固溶 体,才有可能形成无限固溶体。 ? 间隙固溶体都是有限固溶体。 Cu-Zn有限固溶体 ? ? ④ 固溶体的性能 随溶质含量增加, 固溶体 的强度、硬度增加, 塑性、 韧性下降—固溶强化。 产生固溶强化的原因是 ? 溶质原子使晶格发生畸 变及对位错的钉扎作用。 ? 与纯金属相比,固溶体的强度、硬度高,塑性、韧 性低。但与化合物相比,其硬度要低得多,而塑性 和韧性则要高得多。 ? ? ⑵ 金属化合物 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同 的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、 硬度和脆性,并可用分子式表示其组成。 当合金中出现金属化 ? 合物时,可提高其强 度、硬度和耐磨性, 但降低塑性。 ? 金属化合物也是合金 的重要组成相。 铁碳合金中的Fe3C ① 正常价化合物—符合正 常原子价规律。如Mg2Si ② 电子化合物—符合电子 浓度规律。如Cu3Sn。 电子浓度为价电子数与 原子数的比值。 ③ 间隙化合物—由过渡族 Al-Mg-Si合金中的Mg2Si 元素与C、N、B、H等小 原子半径的非金属元素 组成。 Pb基轴承合金中的电子化合物 ? a. 间隙相:r非/r金?0.59时形 成的具有简单晶格结构的间 隙化合物。如 ? ? M4X (Fe4N)、 M2X (Fe2N、 W2C)、 ? ? MX (TiC、VC、TiN)等。 间隙相具有金属特征和极高 的硬度及熔点,非常稳定。 ? 部分碳化物和所有氮化物属 VC 的 结 构 于间隙相。 ? b. 具有复杂结构的间隙化合 物 当r非/r金0.59时形成复杂结 构间隙化合物。 如FeB、Fe3C、Cr23C6等。 Fe3C称渗碳体,是钢中重要 组成相,具有复杂斜方晶格。 Fe3C的晶格 ? ? ? 化合物也可溶入其它元素原 子,形成以化合物为基的固 溶体。 高温合金中的Cr23C6