金属的结构与结晶.ppt
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1、第一章 金属的结构与结晶,第一章 金属的结构与结晶,金属的特性和金属键;金属晶体结构是决定性能的内在基本因素之一;实际晶体中晶体缺陷普遍存在,对金属的许多性质,尤其是力学性能有着重大的影响;纯金属结晶过程;晶粒细化对提高金属材料力学性能的显著作用,凝固时细化晶粒的途径和方法。,晶粒细化,1.1 金属的特征 1.2 金属的晶体结构 1.3 实际晶体中的缺陷 1.4 金属的结晶过程 1.5 晶粒大小控制,第一章 金属的结构与结晶,与非金属相比,固态金属具有它独特的性能,如良好的导电性、导热性、延展性(塑性变形能力)和金属光泽。,这些是 金属的特性么?能否据此来区分金属与非金属呢?,思考,1.1 金
2、属的特征,不是,1.有的非金属也可能表现出上述某些特性:如:石墨能导电 金刚石导热 无机化合物的金属光泽;2.各种金属晶体之间,这些特征的差别也很大:鈈、锰的导电能力比银、铜相差近百倍锑、铬、钒等金属是一种“脆性”金属。,因此,只根据以上的一些特性来区分金属和非金属是不够充分的。,3.金属的特征:正的电阻温度系数,1.1 金属的特征,主要是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关,金属为何具有上述这些特性呢?,金属键 金属键是金属原子之间的结合键,它是大量金属原子结合成固体时,彼此失去最外层子电子(过渡族元素也失去少数次外层电子),成为正离子,而失去的外层电子穿梭于正离子之间,成为公有化的
3、自由电子云或电子气,而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力(库仓引力),这种结合方式称为金属键。,1.1 金属的特征,金属材料 以金属键方式结合,从而使金属材料具有以下特征:良好的导电、导热性:自由电子定向运动(在电场作用下)导电、(在热场作用下)导热。正的电阻温度系数:金属正离子随温度的升高,振幅增大,阻碍自由电子的定向运动,从而使电阻升高。不透明,有光泽:自由电子容易吸收可见光,使金属不透明。自由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道,当其从高能轨道跳回低能轨道时,将吸收的可见光能量辐射出来,产生金属光泽。具有延展性:金属键没有方向性和饱和性,所以当金属的两部分发生相对位移时,其结合
4、键不会被破坏,从而具有延展性。,1.1 金属的特征,返回,1.2 金属的 晶体结构,1)晶体与非晶体 2)金属的晶体结构 3)晶面和晶向及其表示方法 4)金属晶体的特点,晶体:材料中的原子(离子、分子)在三维空间呈规则,周期性排列长程有序。非晶体:原子无规则堆积,也称为“过冷液体”短程有序。,晶体金刚石、NaCl、冰 等。,1.2 金属的 晶体结构,微晶:快速凝固的晶态金属或合金的颗粒尺寸要小得多,仅为微米纳米级尺度,高强度高硬度;准晶:在晶体内部的原子长程有序,介于晶体和非晶体之间;液晶:二维长程有序。,扩充知识,1.2 金属的 晶体结构,返回,1.2 金属的 晶体结构,a 原子堆垛模型,b
5、 空间点阵,c 晶格,a,b,c,d 晶胞,1.2 金属的 晶体结构,空间点阵 将晶体内部的原子(离子)或原子群(离子群)抽象为无数点子按一定的方式在空间做有规则的周期性分布,这些几何点子的总体称为空间点阵,这些点称为阵点或节点。,晶格 用一系列假想的平行直线将空间点阵的阵点联结起来,形成的空间网络称为空间格子,也称晶格。,晶胞 为了研究空间点阵的排列特点,从点阵中取出一个反映点阵特征的基本单元(通常是一个平行六面体)作为其组成单元,这个平行六面体称为晶胞。,1.2 金属的 晶体结构,七大晶系,十四个空间点阵:,简单三斜,简单单斜,底心单斜,简单正交,体心正交,面心正交,底心正交,简单六方,简
6、单菱方,简单正方,体心正方,简单立方,体心立方,面心立方,描述金属晶体结构的一些重要概念,晶胞原子数 一个晶胞内所含的原子数目。注意相邻晶胞的共有原子的计算方法。,原子半径 晶胞中最近邻的两个原子之间(平衡)距离的一半。,配位数 晶格中和某一原子相邻的原子数目称为配位数,致密度 晶胞中原子本身所占的体积与晶胞体积之比,1.2 金属的 晶体结构,常见的金属晶体结构,工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构,其中最典型的为以下三种:(1)体心立方晶格bcc(2)面心立方晶格fcc(3)密排六方晶格hcp,体心立方晶格,在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子,在体中心有一个原子,每个原子与空间点阵
7、中的一个阵点相对应。属于这种晶体结构的纯金属有-Fe,Cr,Mo,W,V等。,1.2 金属的 晶体结构,体心立方晶胞,晶格常数:a=b=c;=90,晶胞原子数:,原子半径:,致密度:0.68致密度=Va/Vc,其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积24r3/3,X,Y,Z,a,b,c,2r,2r,a,a,2,1.2 金属的 晶体结构,返回,面心立方晶格,1.2 金属的 晶体结构,面心立方晶胞,晶格常数:a=b=c;=90,晶胞原子数:,原子半径:,致密度:0.74,X,Y,Z,a,b,c,密排方向,4,1.2 金属的 晶体结构,返回,C(石墨)、Mg、Zn 等,晶格常数 底面边长a 底面间距c
8、 侧面间角120 侧面与底面夹角90,晶胞原子数:6,原子半径:a/2,致密度:0.74,密排六方晶格,1.2 金属的 晶体结构,返回,X,Y,Z,a,b,c,晶面通过原子中心的平面,晶向通过原子中心的直线所指的方向,1.2 金属的 晶体结构,a.晶向指数的确定方法 1)以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系,通过原点作平行于所求晶向的直线。2)以相应的晶格常数为单位,求出直线上任意一点的三个坐标值。3)将所求坐标值化为最简整数,并用方括号括起,即为所求的晶向指数,例如101。具体晶向指数如图所示,其形式为uvw。,立方晶系的晶面、晶向表示方法,1.2 金属的 晶体结构,b.晶面指数的确定方
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- 金属 结构 结晶
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