金属的晶体结构和塑性变形.pdf

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1、第二章金属的晶体结构和塑性变形§2.1金属的晶体结构一切固态物质按其原子(或分子)的聚集状态可分为两大类，晶体和非晶体。所谓晶体，系原子(或分子)在三维空间作有规则的周期性重复排列的固体，而非晶体就不具备这一特点，这是两者的根本区别。所有固态金属和合金都是晶体。由于金属原子的价电子与核的结合，易于脱离，所以金属原子间采取如下特有的结合形式:原子都脱离其价电子变成正离子，正离子按照一定的几何形式规则地排列起来，在各个固定点上作轻微的振动:而所有价电子则都呈自由电子的形式在各个正离子间自由运动，为整个金属所公有，形

2、成所谓“电子气”；带负电的自由电子与带正电的金属正离子之间产生静电吸引力，使金属原子结合在一起。金属原子间的这种给合形式称为“金属键”(图2.1)。图2.2双原子作用模型图2.1金属键因此,金属内原子都处在异号电荷的吸引力和同号电荷的排斥力的作用下.以相邻两原子为例,它们之间便有两种相互作用:一种是相互吸引作用,它来自金属正离子与周围电子气之间的静电吸引力，它促使原子彼此接近;另一种是相互排斥作用，它来自正离子与正离子之间和电子与电子之间的静电排斥力，它促使原子彼此离开。图2.2是双原子作用模型，表示了A原子对

3、B原子的作用力和作用能随原子间距离D的变化。由图可知，当原子间距离过大时，吸引力大于排斥力，原子互相吸引，自动靠近；当原子间距离过近时，排斥力大于吸引力，原子便互相排斥，自动离开。当原子间距离为D时，吸引力和排斥力恰好相等，原子既不会自动靠近，也不会自动离开，恰好处于平衡位置。这时，原子处于作用能曲线的谷底，势能最低，构成了晶体的稳定状态。事实上，在金属晶体中每个原子都被相邻后的原子包围着，每个原子都处于周围原子共同形成的势能谷中，而且能谷更深了。能谷的深浅反映出原子间结合的强弱，能谷越深，给合能越大，金属键越

4、强。6晶体内原子(离子)在空间的规则排列，称为空间点阵。为了便于描述晶体内原子排列的情况，常通过直线把各原子中心联结起来，构成一空间格子，即假想处于平衡状态的各原子都位于该空间格子的各结点上，如图2.3a所示。这种描述原子排列形式的空间格子，简称晶格。晶体中各种方位的原子层，称为晶面。如图2.3b所示，晶格中能反映晶格特征的最基本的几何单元，称为晶胞。晶胞的各边尺寸—a、b、c，即原子间距离，-8称为晶格常数(或点阵常数)。其度量单位为埃(Å,1Å=10厘米)。各种晶体的主要差别，就在于晶格形式和晶格常数的不同

5、。图2.3晶格示意图§2.2三种常见的晶格如上述，晶格是由一些最基本的几何单元晶胞堆砌而成。工业上使用的几十种金属中，最常见的金属晶格结构有下面三种:一、体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是一个立方体，棱边长度彼此相等，三轴互相垂直，八个顶角和中心各有一个原子(图1.4)。立方体的对角面(ABCD)是原子紧密排列的面。属于体心立方晶格的金属有:Cr、W、V.Mo、a一Fe,γ一Ti等。二、面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，棱边长度彼此相等，三轴互相垂直。它的特点是除立方体八个顶角各有一个原子外，六个面的

6、中心还各有一个原子(图1.5)。面心立方晶格原子紧密排列的面。是垂直于立方体空间的对角线的对角面(图1.6，C)。在这密排面C的原子空隙中心堆积第二层B的原子，在第二层B的原子空隙中心堆积第一层A的原子，而第一层A的原子中心和第三层C重复。以后的原子堆积又重复以上第一、二、三层的堆积方式。所以它的堆积方式为ABCABC⋯⋯。属于面心立方晶格的金属有:Al、Ni、Cu、γ——Fe等。三、密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是在六方柱体的十二个顶角上各有一个原子,图2.4体心立方晶格7图2.5面心立方晶格图1.6面心立方

7、晶格原子的排列图2.7密排立方晶格上下面的中心各有-个原子，在晶胞的中间层还有三个原子（图2.7）。密排六方晶格有两个晶格常数，六方底面的边长a和上下面间的矩离c。一般密排六方晶格的金属c/a=1.57～1.64。密排六方晶格原子紧密排列的面是其底面。以底面A作为第一层，在第一层的原子空隙中心，堆积第二层B的原子，第三层原子中心又和第一层原子中心重合，因而其堆积方程是ABAB⋯⋯。属于密于六方晶格的金属有：Zn、Mg、Be、α—Ti等。§2.3晶体指数和晶向指数晶格中由原子组成的平而，叫晶面；由原子组成的直线，

8、代表晶体空间内的一个方向，叫晶向。由于晶体在于不同的晶面晶向上，原子排列不同，原子的密度和原子问的结合力大小不同，因而引起机械、物理、化学性能的差异。田此，为了便于研究，有必要给晶面和晶向规定符号。表示晶面的符号，叫晶面指数;表示晶向的符号，叫晶向指数。一．立方晶格的晶面指数立方晶格的晶面指数这样确定:1）以晶胞互相垂直的三棱边为坐标X、Y、Z，坐标原点应位于欲确定的晶面之外，避免出现