工程材料晶体结构

ENGINEERING MATERIALS
工程材料及应用
多媒体教案
五邑大学机电工程学院
第二章
第二章 材料的晶体结构
内容提要：
本章重点介绍纯金属的晶体结构、晶体缺 陷和合金的结构、金属材料的组织。
学习目标：
本章重点掌握金属的晶体结构、晶体缺陷 和合金的结构。
第一节 晶体结构基本知识
1. 晶格与晶胞 晶体结构 晶体中原子(离子或分子)规则排列的 方式。 为了表达空间原子排列的几何规律，把粒子 (原子或 分子)在空间的平衡位置作为节点，将节点用一系列 假想的相互平行的直线连接起来形成的几何空间格 架称为称为晶格。 晶胞：能反 映该晶格特征的 最小组成单元。
三、纯金属的晶体结构
结构特点:以金属键结合，失去外层电子的金属离子与 自由电子的吸引力。无方向性，对称性较高的密堆 结构。 常见结构： 体心立方 b.c.c Body-centered cubic 面心立方 f.c.c Face-centered cubic 密排六方 c.p.h Close-packed hexagonal
化。
不同晶体结构中原子排列的方式不 同, 使它们的形变能力不同。
第二节、晶体中的晶面和晶向 通过晶体中原子中心的平面叫做晶面； 代表了晶体中原子列的方向。 通过原子中心的直线为原子列，代表的 方向叫做晶向。 晶面用晶面指数表达。 晶向用晶向指数表达。
晶向指数：表示晶向方位符号。 晶面指数：表示晶面方位的符号。
与
晶向族
原子排列情况相同而在空间位向不 同的晶向组成晶向族。 晶向族用尖括号表示, 即<uvw>。
如: <100> = [100] + [010] + [001]
在立方晶系中, 一个晶面指数与 一个晶向指数数值和符号相同时, 则 该晶面与该晶向互相垂直。 如：(111)⊥[111]。
晶面与晶向互相垂直
二. 立方晶系的晶面表示方法 以晶面ABB’A’为例：
晶面指数的一般标记 为(hkl)。实际表示一组原 子排列相同的平行晶面。
立方晶胞中的主要晶面
如
晶面的截距可以为ຫໍສະໝຸດ Baidu数, 在指数上加负号, 。 若某个晶面 的指数都乘以-1,得到晶面 , 则晶面 与 属于一组平行晶面。
晶面族： 在立方晶系中, 原子排列相同但在空间方 向不同的晶面组成晶面族。 晶面族用大括号表示, 即{hkl}。
在立方晶胞中
组成{111}晶面族：
{111} 晶面族
在立方晶系中, 一个晶面指数与 一个晶向指数数值和符号相同时, 则 该晶面与该晶向互相垂直。 如：(111)⊥[111]。
晶面与晶向互相垂直
三. 晶向及晶面的原子密度 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向 上原子排列密度不一样。 密排面： 原子密度最大的晶面。 密排方向：原子密度最大的晶向。 ●在体心立方晶格中， 密排面为{110}。 密排方向为<111>。
一. 立方晶系的晶向表示方法 以晶向DA为例：
晶向OA ： [100] 晶向OB ： [110] 晶向OB’ ： [111]
立方晶胞中的主要晶向
晶向指数一般标记为[uvw]， 表示一组原子排列相同的平行晶向。
若两个晶向的全部指数数值相同而符 号相反, 则它们相互平行或为同一原子列, 但方向相反。 如[110]与 。 若只研究原子排列情况, 则晶向[110] 可用同一个指数[110]表示。
a＝b≠c， α＝β＝90°, γ＝120° 具有这种晶 格的金属有镁 (Mg)、镉(Cd)、 锌(Zn)、铍(Be) 等。
2、晶胞中的原子数
2
4
6
（3）原子半径 晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半称为原子 半径(r原子)。
4、致密度与配位数 致密度：原子体积与晶胞体积之比
（6）配位数 配位数为晶格中与任一个原子相距最近且距 离相等的原子数目。 配位数越大，原子排列紧密程度就越大。
体心立方晶格 晶面 指数 晶面原子 排列示意图 晶面原子 密度 (原子数/面积) 面心立方晶格 晶面原子 排列示意图 晶面原子 密度 (原子数/面积)
{100}
{110}
{111}
三、金属晶体的特性
●在面心立方晶格中, 密排面为{111}。 密排方向为<110>。
体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度
体心立方晶格 晶向 指数 晶向原子 排列示意图 晶向原子 密度 (原子数/长度) 面心立方晶格 晶向原子 排列示意图 晶向原子 密度 (原子数/长度)
<100>
<110>
<111>
体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度
1. 体心立方晶格(胞) ( BCC 晶格)
原子位置 立方体的八个顶角和体心
体心立方晶胞特征： （1）晶格常数 a=b=c, α=β=γ=90° 具有体心立方晶 格的金属有钼(Mo)、 钨(W)、钒(V)、α铁(α-Fe, <912 ℃) 等。
2. 面心立方晶格(胞) ( FCC 晶格)
原子位置 立方体的八个顶角和每个侧面中心
（5）空隙半径 在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。 体心立方晶胞中有两种空隙： ●四面体空隙半径:r四=0.29r原子 ●八面体空隙半径:r八=0.15r原子
四面体空隙半径
八面体空隙半径
老师提示 由于原子排列紧密程度不一 样，当金属从面心立方晶格向体心立方 晶格转变时, 体积会发生变化。 钢在淬火时因晶格转变发生体积变
二、晶格常数
棱边长a、b、c 棱边间夹角α、β、γ a、b、c 称为晶格常数。 金属的晶格常数一般为: 1×10-10 m～7×10-10 m (0.1nm～0.7nm)
三、晶系
按点阵常数不 同对晶体的分类。 7个晶系，14种 晶胞。
同素异构 性、同素 异构晶体
老师提示 不同元素组成的金属晶体因晶格形 式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、 化学和力学性能。金属的晶体结构可用 X射线 结构分析技术进行测定。
面心立方晶胞的特征： （1）晶格常数 a=b=c, α=β=γ=90°
具有这种晶格 的金属有铝(Al)、 铜(Cu)、镍(Ni)、 金(Au)、银(Ag)、 γ- 铁( γ-Fe, 912 ℃～1394 ℃) 等。
3. 密排六方晶格(胞) ( HCP 晶格)
原子位置 内3处 12个顶角、上下底心和体