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1、船舶工程学院船舶工程学院金属学与造船材料金属学与造船材料 第1章 金属和合金的晶体结构1.1 金属原子间的键合特点1.2 金属晶体典型结构1.3 合金相结构1.4 金属晶体缺陷什么是金属？什么是金属？金属是具有正的电阻温度系数的物质,电阻随温度的升高而增加，而非金属的电阻温度系数为负值。金属是具有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和金属光泽 结构原子结构原子结构原子的空原子的空间排列间排列 显微组织显微组织 原子核外电子的排布方式显著影响材料的电、磁、光和热性能，还影响到原子彼此结合的方式，从而决定材料的类型 金属原子的结构特点金属原子的结构特点原子结构理论原子 原子核质子(10-8cm,
2、1836倍)(10-8cm)(10-12cm)中子(10-8cm,1838倍)电子(10-13cm)(9.110-28g)原子是由质子和中子组成的原子核以及核外电子构成的。原原子是由质子和中子组成的原子核以及核外电子构成的。原子的体积很小，原子核的直径更小，原子的质量主要集中在原子的体积很小，原子核的直径更小，原子的质量主要集中在原子核内。子核内。金属原子的结构特点金属原子的结构特点金属原子的结构特点其最外层的电子数很少，一般为12个，不超过3个。价电子金属原子的结构特点金属原子的结构特点晶态和非晶态。晶体结构显著影响材料的力学性能。结构原子结构原子结构原子的空原子的空间排列间排列 显微组织显
3、微组织 金属原子的结构特点金属原子的结构特点晶粒的大小、合金相的种类、数量和分布等参数。结构原子结构原子结构原子的空原子的空间排列间排列 显微组织显微组织 1.1 金属原子间的键合特点金属键离子键共价键得失价电子正负离子 高熔点、高硬度、低塑良好的电绝缘体等1.1 金属原子间的键合特点金属键离子键共价键共有电子对键有饱和性 高熔点、高硬度、低塑性电绝缘体等1.1 金属原子间的键合特点金属键共有价电子电子云键无方向性和饱和性性能特点：性能特点：1)1)良好的导电性及导热性；良好的导电性及导热性；2)2)正的电阻温度系数；正的电阻温度系数；3)3)良好的强度及塑性；良好的强度及塑性；4)4)特有的
4、金属光泽。特有的金属光泽。离子键离子键 共价键共价键 金属键金属键 结构特点结构特点 方向性不明显，配位数大 方向性明显，配位数小，密度小 无方向性，配位数大，密度大 力学性能力学性能 强度高，劈裂性良好，硬度大 强度高，硬度大 有各种强度，有塑性 热力性质热力性质 熔点高，膨胀系数小，熔体中有离子存在 熔点高，膨胀系数小，熔体中有的含有分子 有各种熔点，导热性好，液态的温度范围宽 电学性质电学性质 绝缘体，熔体为导体 绝缘体，熔体为非导体 导电体（自由电子）光学性质光学性质 与各构成离子的性质相同，对红外线的吸收强，多是无色或浅色透明的 折射率大，同气体的吸收光谱很不同 不透明，有金属光泽
5、1.1 金属原子间的键合特点结合键的特性结合键的特性问题：金属原子为什么趋于规则排列？1.1 金属原子间的键合特点结合力与结合能d0：原子的平衡位：原子的平衡位置，结合能最低。置，结合能最低。dc：最大结合力位：最大结合力位置，对应着金属的置，对应着金属的理论抗拉强度。理论抗拉强度。1.1 金属原子间的键合特点结合力与结合能原子间必须保持一定的平衡距离，这是固态金属中的原子趋于规则排列的重要原因。1.2 金属晶体典型结构材料的原子排列非晶态原子排列短程有序或无序1.2 金属晶体典型结构非晶体的特点是：结非晶体的特点是：结构无序；物理性质表构无序；物理性质表现为各向同性；没有现为各向同性；没有固
6、定的熔点；热导率固定的熔点；热导率（导热系数）和膨胀性（导热系数）和膨胀性小；小；1.2 金属晶体典型结构晶体基元在三维空间呈规律性排列长程有序单个的原子、离子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。晶体的主要特点是：结构有序；物理晶体的主要特点是：结构有序；物理性质表现为各向异性；有固定的熔点；性质表现为各向异性；有固定的熔点；在一定条件下有规则的几何外形。在一定条件下有规则的几何外形。1.2 金属晶体典型结构空间点阵是一个几何概念，它由一维、二维或三维规则排列的阵点组成。1.2 金属晶体典型结构刚球模型用刚球代表空间排列的原子晶格晶格刚球抽象为质点质点，构成空间格架空间格架晶胞晶胞保持点阵几何
7、特征的基本单元 1.2 金属晶体典型结构布拉菲在1948年根据“每个阵点环境相同”的要求，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲点阵，分属7个晶系。1.2 金属晶体典型结构晶系 轴(棱边)之间的夹角三斜晶系单斜晶系斜方晶系正方晶系菱方晶系六方晶系立方晶系1.2 金属晶体典型结构晶体结构构成晶体的基元在三维空间的具体的排列方式=空间点阵+基元 1.2 金属晶体典型结构晶胞中所含原子数晶胞中所含原子数 晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。配位数配位数 是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。是指在晶体结构中，
8、与任一原子最近邻且等距离的原子数。致密度致密度 是指晶胞中原子所占体积分数，即是指晶胞中原子所占体积分数，即K=n v/V K=n v/V。式中，。式中，n n为为晶胞所含原子数、晶胞所含原子数、vv为单个原子体积、为单个原子体积、V V为晶胞体积。为晶胞体积。原子半径原子半径 原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。一半。1.2 金属晶体典型结构三种典型晶体结构体心立方体心立方面心立方面心立方密排六方密排六方体心立方晶格参数Cr、V、Mo、W和-Fe等30多种 1.2 金属晶体典型结构体心立方晶格参数1.2 金属晶体典
9、型结构原子数原子数81/8+1=2体心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构原子半径原子半径arar4334体心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构配位数配位数=81.2 金属晶体典型结构VnV1致密度：致密度：面心立方晶格参数Al、Cu、Ni和-Fe等约20种 1.2 金属晶体典型结构面心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构原子数原子数81/8+61/2=4面心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构原子半径原子半径arar4224配位数配位数=12面心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构1.2 金属晶体典型结构密排六方晶格参数Mg、Zn、Cd、Be、-Ti等20多种 1.2 金属晶体典型结构密排
10、六方晶格参数1.2 金属晶体典型结构原子数原子数121/6+21/2+3=6密排六方晶格参数1.2 金属晶体典型结构原子半径原子半径r=a/21.2 金属晶体典型结构密排六方晶格参数1.2 金属晶体典型结构74.038233)2(34623334623231aaacarVnV致密度：致密度：配位数配位数=12面心立方晶格和密排六方的原子堆垛方式面心立方晶格和密排六方的原子堆垛方式为什么面心立方和密排六方具有相同的致密度，为什么面心立方和密排六方具有相同的致密度，相同的配位数？相同的配位数？1.2 金属晶体典型结构密排六方结构的原子堆垛方式密排六方结构的原子堆垛方式1.2 金属晶体典型结构面心立
11、方结构的原子堆垛方式面心立方结构的原子堆垛方式体心立方结构的原子堆垛方式体心立方结构的原子堆垛方式1.2 金属晶体典型结构面心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构体心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构晶面及晶向的原子密度晶面及晶向的原子密度 不同晶体结构中不同晶面、不不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的。下页的两紧密程度是不一样的。下页的两个表给出了体心立方晶格和面心个表给出了体心立方晶格和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上立方晶格中各主要晶面、晶向上的原子排列方式和紧密程度。的原子排列方式和紧密程度。1.2 金属晶体典型结构晶向
12、和晶面在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向。xYZ晶向指数1.2材料的原子排列晶向指数的确定方法建立以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系。定出该晶向上任两点的坐标。用末点坐标减去始点坐标。将相减后所得结果约成互质整数，加一方括号。1.2 金属晶体典型结构xYZ晶面及晶面指数晶面指数的确定方法在以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系中取该晶面在各坐标轴上的截距。取截距的倒数。将倒数约成互质整数，加一圆括号。1.2 金属晶体典型结构xYZ六方晶系1.2 金属晶体典型结构xYZ各向异性金属的性能和金属晶体的取向有关各向异性是由于在不同方向上的原子紧密程度各
13、向异性是由于在不同方向上的原子紧密程度不同所致，意味着原子之间的距离不同，则导不同所致，意味着原子之间的距离不同，则导致原子间结合力不同。晶体区别于非晶体的一致原子间结合力不同。晶体区别于非晶体的一个重要标志。个重要标志。多晶型转变1.2 金属的典型晶体结构当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为多晶型转变，又称为同素异构转变bccfccbccFeFeFe 9121394问题问题.a）设有一刚球模型，球的直径不变，当）设有一刚球模型，球的直径不变，当由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，试计算其体积膨胀。算其体积膨胀。b）经）经X射线测定，在射线测定，在912时时-Fe的晶格常数为的晶格常数为0.3633nm，-Fe的晶格常数的晶格常数为为0.2892nm，当由，当由-Fe转化为转化为-Fe时，求其体时，求其体积膨胀，并与积膨胀，并与a）比较，说明其差别的原因。）比较，说明其差别的原因。思思 考考 题题
