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1-1金属的结构与结晶.ppt

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1-1金属的结构与结晶.ppt

,,1.1 金属的晶体结构 1.2 纯金属的结晶,第1章 金属的结构与结晶,,,1.1.1 晶体与非晶体 1.1.2 金属的晶格类型 1.1.3 单晶体与多晶体 1.1.4 晶体的缺陷,1.1 金属的晶体结构,1.1.1 晶体与非晶体,原子、离子、分子以不同方式相结合构成物质。 气态、液态、固态是物质通常具有三种聚集状态。 它们由两个相反的作用因素所决定一是粒子(分子、原子或离子)间的相互作用(有序效应);另一是粒子的热运动(无序效应)。,根据固态物质的结构和性质,可将其区分为晶体和非晶体 天然和合成的无机固态物质多为晶体。,1.1.1 晶体与非晶体,晶体与非晶体通常有三大差别,(1)晶体具有规整的几何外形,而非晶体则无固定形状。 (2)晶体有确定的熔点。非晶体无固定的熔点,它的熔化过程中温度随加热不断升高。非晶体的熔化是由固态逐渐软化,最终变为可流动的熔体。这一过程涉及一个较大的温度区间。 (3)晶体有各向异性,非晶体则为各向同性。,按热力学观点看,晶体与非晶体的主要区别在于晶体一般都具有最低能量,因而较为稳定,而非晶体一般能量较高都处于介稳或亚稳态。,常见非晶体两种,实验,云母薄片和玻璃片分别涂一层很薄的石蜡,然后用烧热的钢针去接触云母片及玻璃片的反面,石蜡熔化,如图9-1-2所示,那么 A.熔化的石蜡呈圆形的是玻璃片 B.熔化的石蜡呈圆形的是云母片 C.实验说明玻璃片各向同性是非晶体 D.实验说明云母各向同性是晶体,答案,解析玻璃是非晶体,各向同性,各个方向的传热能力相同,因此熔化的石蜡呈圆形;云母片是晶体,各向异性,不同方向传热能力不同,所以熔化的石蜡呈椭圆形. 答案AC,1.1.2 金属的晶格类型,晶格和晶胞 晶体内部原子是按一定的几何规律排列的。为了便于理解,把原子看成是一个小球 金属晶体就是由这些小球有规律地堆积而成的物体,如图所示。,晶体内部原子排列示意图,为了形象地表示晶体中原子排列的规律,可以将原子简化成一个点,用假想的线将这些点连接起来,构成有明显规律性的空间格架。这种表示原子在晶体中排列规律的空间格架叫做晶格,如图所示。 由图可见,晶格是由 许多形状、大小相同的 最小几何单元重复堆 积而成的。能够完整地 反映晶格特征的最小几 何单元称为晶胞,如图所示。,晶格和晶胞示意图,a晶格 b晶胞,1.1.2 金属的晶格类型,金属的晶格类型很多,但绝大多数占85%金属属于下面三种晶格。,,,,(1)体心立方晶格 bcc,,,,,,,,,,,,,铬、钨、钼、铌、钒及α-铁等,晶胞为一个立方体,立方体的八个顶角上各有一个原子,立方体中心有一个原子,,,,(2)面心立方晶格,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,晶胞为一个立方体,立方体的八个顶角上各有一个原子,立方体的六个面的中心各有一个原子,铝、铜、镍、铅和γ-铁等,,,,(3)密排六方晶格 hcp,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,晶胞是一个正六棱柱体,在柱体的12个顶角上各有一个原子,上下底面的中心各有一个原子,镁、锌、铍、镉和α-钛等,1.1.3 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。 晶粒即在多晶 体材料内,晶体 位向基本相同的 小晶体。 晶界即多晶体材 料中相邻晶粒间 的界面。,生活中,我们所吃的食盐的主要成分氯化钠(NaCl)就是一种常见的单晶体,其颗粒一般都是小立方体。此外,常见的雪花、天然水晶、单晶冰糖等都是单晶体;而飞落到地球上的陨石、石头、金属、陶瓷等则是多晶体,其主要成份是由长石等矿物晶体组成的,它的形状一般是不均匀的。,1.1.3 单晶体与多晶体,1.1.4 晶体的缺陷,Ⅰ、点缺陷 点缺陷是指长、宽、高尺寸都很小的缺陷。常见的点缺陷是空位和间隙原子。在实际晶体结构中,晶格的某些结点往往未被原子所占有,这种空着的位置称为空位;与此同时,又有可能在个别晶格空隙处出现多余原子,这种不占有正常晶格位置而处在晶格空隙中的原子,称为间隙原子。 在空位和间隙原子附近,由于原子间作用力的平衡被被坏,使其周围原子发生靠拢或撑开,因此晶格发生歪曲(亦称晶格畸变),使金属的强度提高,塑性下降。,线缺陷 线缺陷是在空间的一个方向上尺寸很大,其余两个方向上尺寸很小的一种缺陷。晶体中的线缺陷通常是指各种类型的位错。所谓位错就是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。这种错排有许多类型,其中比较简单的一种形式就是刃型位错。 实验证明,在实际晶体中存在着大量刃型位错。,面缺陷,这类缺陷主要指晶界和亚晶界。 晶界 工业上使用的金属材料一般都是多晶体。由于过渡层原子排列不规则,使晶格处于歪扭畸变状态,因而在常温下会对金属塑性变形起阻碍作用,从宏观上来看,晶界处表现出有较高的强度和硬度。晶粒越细小,晶界越多,它对塑性变形的阻碍作用就越大,金属的强度、硬度也就越高。 亚晶界 实验证明,晶粒内部的晶格位向也不是完全一致的。实际上每个晶粒皆是由许多位向差很小(2~3)的小晶块互相嵌镶而成的,这些小晶块称为亚组织(亦称嵌镶块或亚结构)。亚组织之间的边界称为亚晶界。亚晶界实际上是由一系列刃型位错所组成的小角度晶界,如图所示。由于亚晶界处原子排列也是不规则的,使晶格产生了畸变,因此,亚晶界作用与晶界相似,对金属强度也有着重要影响,亚晶界越多,强度也越高。,

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