金属的晶体结构.doc

在外界条件固定的情况下,材料的性能取决于材料内部的构造。这种构造便是组成材料的原子种类和分量,以及它们的排列方式和空间分布。习惯上将前者叫做成分,后者叫做组织结构。了解金属的结构和结晶规律,对控制材料的性能、正确选用材料、开发新材料有重要指导意义。一、(1)晶体与非晶体   固态物质按内部质点(原子或分子)排列的特点分为晶体与非晶体。自然界中除少数物质(如石蜡、沥青、普通玻璃、松香等)外,绝大多数无机非金属物质都是晶体,一般情况下,金属及其合金多为晶体结构。但晶体与非晶体在一定条件可相互转换,    [晶体]——内部质点在三维空间按一定的规律周期性地排列;   [非晶体]——内部质点是散乱排列的。(2)晶格与晶胞   [金属中的原子堆垛]:为便于表述晶体内原子的排列规律,我们把原子看成刚性小球,金属晶体就是由这些刚性小球堆垛而成的   [晶格]:把原子看成一个结点,然后用假想的线条将这些结点连结起来,便构成了一个有规律性的空间格架称晶格   [晶胞]:晶格中能完全反映晶格特征的最小几何单元称晶胞。晶胞中各棱边的长度a、b、c称为晶格常数。   由于晶体中原子重复排列的规律性,因此晶胞可以表示晶格中原子排列的特征。工程材料及成形工艺基础(a)晶格与晶胞(3)常见金属晶格类型:体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格,如下图所示。工程材料及成形工艺基础体心立方、面心立方、密排六方,晶格比较   [体心立方晶格]:如图1-13a所示,体心立方晶格的晶胞是一个立方体,立方体的八个顶角和立方体的中心各有一个原子。具有体心立方晶格的金属有:α-Fe(温度低于912℃的铁)、铬(Cr)、钨(W)、钼(Mo)、钒(V)、β-Ti(温度在883~1668℃的钛)等。 工程材料及成形工艺基础体心立方晶格   [面心立方晶格]:如图1-13b所示,面心立方晶格的晶胞是一个立方体,立方体的八个顶角和六个面的中心各有一个原子。属于面心立方的金属有:γ-Fe(温度在912~1394℃的铁)、铝(Al)、铜(Cu)、银(Ag)、金(Au)、镍(Ni)等。 工程材料及成形工艺基础面心立方晶格   [密排六方晶格]:如图1-13c所示,密排六方晶格的晶胞是一个上下底面为正六边形的六柱体,在六柱体的十二个顶角和上、下底面的中心各有一个原子,六柱体的中间还有三个原子。具有密排六方晶格的金属有:镁(Mg)、锌(Zn)、α-Ti(温度低于883℃的钛)、镉(Cd)、铍(Be)等。 工程材料及成形工艺基础密排立方晶格(5)实际金属晶体结构   [晶体缺陷]:在实际金属晶体中,存在原子不规则排列的局部区域,这些区域称为晶体缺陷。按陷的几何形态,晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。三种晶体缺陷都会造成晶格畸变,使变形抗力增大,从而提高材料的强度、硬度。   点缺陷(空位、间隙原子):晶格中某个原子脱离了平衡位置,形成空结点,称为空位;某个晶格间隙挤进了原子,称为间隙原子。   空位与间隙原子周围的晶格偏离了理想晶格,即发生了“晶格畴变”,点缺陷的存在,提高了材料的硬度和强度,点缺陷是动态变化着的,它是造成金属中物质扩散的原因。(a)点缺陷的形成                            (b)点缺陷造成的晶格畴变点缺陷   线缺陷(刃型位错、螺型位错):它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。晶体中最普通的线缺陷就是位错,这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的,根据局部滑移的方式不同,可以分别形成螺型位错和刃型位错。   在位错周围,由于原子的错排使晶格发生了畸变,使金属的强度提高,但塑性和韧性下降。实际晶体中往往含有大量位错,生产中还可通过冷变形后使金属位错增多,能有效地提高金属强度。工程材料及成形工艺基础   面缺陷(晶界、亚晶界):面缺陷包括晶界和亚晶界。晶界是晶粒与晶粒之间的界面,另外,晶粒内部也不是理想晶体,而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成,称为亚晶粒,亚晶粒的交界称为亚晶界。   晶界处的原子需要同时适应相邻两个晶粒的位向,就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向,成为不同晶粒之间的过渡层,因而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折衷位置上。晶粒之间位向差较大(大于10°~15°)的晶界,称为大角度晶界;亚晶粒之间位向差较小。亚晶界是小角度晶界。   面缺陷同样使晶格产生畴变,能提高金属材料的强度。细化晶粒可增加晶界的数量,是强化金属的有效手段,同时,细晶粒的金属塑性和韧性也得到改善。   [合金]:由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的、具有金属特征的物质称为合金。  [组元]:组成合金最基本的、独立的单元称为组元。根据组元数目的多少,可将合金分