文档介绍：《工程材料与热加工基础》
第二章金属的晶体结构与结晶
机械工程系
金工教研室
工程材料与热加工基础》——程晓宇
第一节金属与合金的晶体结构
内容:
金属的晶体结构
合金的晶体结构
实际金属的晶体结构
目的:
掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响,为后续课程的学习做好理论知识的准备
工程材料与热加工基础》——程晓宇
一、晶体的基本知识
(一)、晶体与非晶体
固态物质按其原子(或分子)聚集状态可分为体和非晶体两大类。在晶体中,原子(或分子)按一定的几何规律作周期性地排列。非晶体中原子(或分子)则是无规则的堆积在一起。(如松香、玻璃、沥青)
工程材料与热加工基础》——程晓宇
(二)、晶格、晶胞、晶格常数
1、晶格
为了便于表明晶体内部原子排列的规律,把每个原子看成是固定不动的刚性小球,并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来,构成一个空间格架,各原子的中心就处在格架的几个结点上,这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架,简称晶格。
工程材料与热加工基础》——程晓宇
2、晶胞
由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点,为了便于讨论通常只从晶格中,选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律,这个最小的几何单元称为晶胞,整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。
3、晶格常数
在晶体学中,通常取晶胞角上某一结点作为原点,沿其三条棱边作三个坐标轴X、Y、Z,并称之为晶轴,而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向,反之为反方向,并以棱边长度和棱面夹角
来表示晶胞的形状和大小。
工程材料与热加工基础》——程晓宇
(三)、金属中常见晶格
由于金属键结合力较强,是金属原子总趋于紧密排列的倾向,故大多数金属属于以下三种晶格类型。
1、体心立方晶格
体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中心和八个角上各有一个原子,晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有,每个晶胞实际上只占有1/8个原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为8×1/8+1=2(个)。具有体心立方晶格的金属有、等。
工程材料与热加工基础》——程晓宇
2、面心立方晶格
面心立方晶格也是一个立方体,在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排一个原子,晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有,而每个面中心的原子为两个晶胞共有。所以,面心立方晶胞中原子数为8×1/8+6×1/2=4(个)。
具有面心立方晶格的金属有、等。
工程材料与热加工基础》——程晓宇
3、密排六方晶格
密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体,有六个呈长方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成。因此,要用两个晶格常数表示。一个是柱体的高度c,另一个是六边形的边长,在晶胞的每个角上和上、下底面的中心都排列一个原子,另外在晶胞中间还有三个原子。
密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有,上、下底面中心的原子为两个原子所共有,晶胞中三个原子为该晶胞独有。所以,密排六方晶胞中原子数为12×1/6+2×1/2+3=6(个)。具有密排六方晶格的金属有Mg 、Zn 。
工程材料与热加工基础》——程晓宇
(四)、晶体结构的致密度
晶体结构的致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比,可用来原子排列的紧密程度进行定量比较。
在体心立方晶胞中,含有2个原子。这2个原子的体积为2×(4/3)πr3,式中r为原子半径。故体心立方晶格的致密度为: 。
这表明在体心立方晶格中,有68%的体积被所占据,其余为空隙。。显然,致密度数值越大,则原子排列越紧密。所以,当铁由面心立方晶格变为体心立方晶格时,由于致密度减小而使体积膨胀。
工程材料与热加工基础》——程晓宇
二、合金的晶体结构
(一)、合金的基本概念
由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质,称为合金。组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元。组元通常是纯元素,但也可以是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少,合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。
合金中,具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都为单相液体。固态下,由一个固相组成时称为单相合金,由两个以上固相组成时称为多相合金。
合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、形态、性能和各相的组合情况——组织所决定的。
工程材料与热加工基础》——程晓宇