轮机工程材料教案正文3

一、导入
固态金属通常为晶体，晶体中原子按照一定的规律周期排列。

不同的金属具有不同的晶体结构，表现出不同的力学性能。

本节我们把晶体看作理想晶体来讨论，所谓理想晶体是假设晶体中无缺陷，原子静止在平衡位置无热振动。

另外，理想晶体也包括体积无限大（或足够大）。

二、讲授新课
2.1金属的晶体结构
一、晶体的概念
1、定义：指其原子在空间呈规则排列的固体物质。

2、晶体的特性
1）、规则的几何外形
若晶体的体积足够大，一般可看到有规则的外形。

如天然金刚石（钻石）、各种宝石等。

2）、有确定的熔点 3）、各向异性
二、三种典型的金属晶体结构（A1、A2、A3）
（一）面心立方结构A1
在元素周期表中，具有面心立方结构的金属约有20种。

面心立方结构的晶胞见P8图6。

下面我们从几个方面来分析面心立方结构的特点。

1、原子直径d （将原子看作是刚性球体）
纯金属原子直径的定义是：最近邻的原子中心距离。

在面心立方结构中，最近邻的原子在面对角线上。

假设晶格常数为a ，则
a
d 22=
2、晶胞中的原子数n
462
1881=⨯+
⨯=
n
3、配位数
配位数的定义是：与某原子最近邻，且等距离的原子数。

配位数越大，表示这种结构中原子排列的紧密程度越大。

面心立方结构的配位数为12。

4、致密度K
致密度的定义是：原子的空间占有率。

对面心立方结构
%7461
433
=⨯=
=
a d πV
nv K
（二）体心立方结构A2
在元素周期表中，具有体心立方结构的金属约有30种，占金属元素的一半左右。

体心立方结构的晶胞见P7图5。

1、原子直径：a d 2
3=
2、晶胞中的原子数：2
188
1=+⨯=n
3、配位数：8
4、致密度：%
6861
233
=⨯
=
a
d
πK
可见，A1结构的致密度大于A2结构。

例如面心立方结构的γ-Fe 转变为体心立方结构的α-Fe 时会发生体积膨胀。

若原子直径不发生变化，由理论计算知，应产生9%的体积膨胀。

但试验测得，实际只有0.8%的体积膨胀。

这只有一种可能，就是原子直径变小了（能量与自由电子的体积密度有关）。

（三）密排六方结构A3
在元素周期表中，具有密排六方结构的金属约有25种。

密排六方结构的晶胞见P9图8。

1、原子直径：a d =
2、晶胞中的原子数：6322
11261=+⨯+
⨯=n
3、配位数：12
4、致密度：%
74==
V
nv K
可见，A1和A3结构不同且有相同的致密度。

可用原子堆垛方式说明。

三、配位数和致密度
1、配位数 ：指晶格中任一原子周围最近且等距的原子数。

2、致密度 ：指晶胞中原子所占的总体积与晶胞总体积之比。

四、晶面和晶向
在晶体中，由原子连线构成的取向称晶向；由原子组成的平面称晶面。

不同的晶向上，原子排列的周期不同；而不同的晶面，晶面间距也不同。

这些不同导致晶体性能的各向异性。

在分析晶体时，我们经常要指出某些晶向或晶面，为此，必须给晶向和晶面命名，称晶向指数和晶面指数。

常用的命名方法是密勒指数。

（一）晶向指数 1、晶向指数的标定][uvw 2、晶向族><uvw （二）晶面指数 1、晶面指数的标定)(hkl 2、晶面族}{hkl
3、晶带：对立方晶系，晶带)(hkl 和晶带轴][uvw 满足：
0=++lw kv hu （三）六方晶系的晶面（晶向）指数 1、晶面指数)(hkil ：)(k h i +-= 2、晶向指数][uvtw ：)(v u t +-=
五、晶体的各向异性
通常说晶体具有各向异性是指单晶体。

所谓单晶体是指晶体是由一个核心生长出来的。

在单晶体中，所有原子在确定的方向上，都按同一周期规则排列。

由于单晶体在不同的方向上，原子排列的周期不同，即原子之间的结合力不同，因此表现出不同的物理或力学性能。

但是，通常金属晶体是由大量取向不同的核心（晶核）生长而来的多晶体。

它的内部是由许多取向不同的小晶体组成。

虽然每个小晶体相当于一个单晶体，具有各向异性，但这些小晶体的取向是随机的，组合在一起则表现为各向同性。

如P19图28，这些小晶体称晶粒，晶粒之间的界面称晶界。

当这些小晶体由于某种原因取向趋于一致时，就会出现各向异性。

六、金属的同素异晶转变
2.2.金属的实际结构与晶体缺陷
一、多晶体结构
二、晶体的缺陷
1、点缺陷
原子尺度的缺陷称点缺陷，包括空位、间隙原子、和置换原子，见P20图30。

（一）空位与间隙原子（指纯金属）
原子在平衡位置做热振动。

温度越高振幅越大。

在一定温度下，每个原子振动的能量并不相同，这种能量不均匀现象叫能量起伏。

在某瞬间，一些原子的能量可能高些，当能量高到能克服周围原子对它的束缚时就会离开平衡位置迁移到别处。

于是产生了空位。

离开平衡位置的原子有三个去处：一是迁移到晶界或晶体表面上，这样所产生的空位叫肖脱基空位；二是迁移到晶格的间隙处，在产生一个空位的同时还产生一个间隙原子，这种空位叫弗兰克空位；三是迁移到其它空位处，相当于空位发生了反向迁移。

空位和间隙原子会使周围原子偏离平衡位置，称晶格畸变。

晶格畸变使能量增加，这一增加的能量称畸变能。

2、线缺陷
位错的基本类型有刃型位错和螺型位错。

（二）刃型位错和柏氏矢量
刃型位错的模型见P21图33，属于线缺陷。

在位错线附近有晶格畸变。

若刃型位错在切应力作用下运动，则位错线运动所在的面称滑移面。

当位错线移出晶体时，在表面形成一个台阶，即塑性变形。

为了定量描述这一台阶的大小和方向，我们引入柏氏矢量的概念，它表示一个位错移出晶体时，在表面产生塑性变形的大小和方向（也表示位错线扫过的区域，滑移面上的原子将产生柏氏矢量大小和方向的相对滑移）。

柏氏矢量可用柏氏回路来确定。

可见，刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直，这是区分刃位错的重要特征。

位错线与柏氏矢量所确定的平面就是滑移面。

3、面缺陷
面缺陷包括表面、晶界、相界、层错等。

（一）晶界
晶体结构相同，但取向不同的晶粒之间的界面称晶界。

晶界两侧晶粒的位向差小于10°时，称小角度晶界。

大于10°的称大角度晶界。

1、小角晶界
一般认为，小角晶界是由位错构成的
单纯的倾侧晶界或扭转晶界是小角晶界的两种简单模型。

对一般小角晶界，其旋转轴和界面可有任意取向关系，所以是由刃位错和螺位错组合构成。

2、大角晶界
晶界的位向差一般在30-40°之间，属于大角晶界。

一般认为大角晶界处的原子排列接近非晶体。

也有人提出了重合点阵模型。

（三）亚晶界
研究发现，晶粒实际是由若干小晶块组成，小晶块之间的位向差通常小于2°，这些晶块之间的界面称亚晶界，属于小角晶界。

三、课堂小结
1、了解并掌握金属的晶体结构
2、金属晶体缺陷
四、作业
课后复习背诵。