机械工程材料 教学课件 作者 徐先锋 何柏林 主编第3章 晶体结构与结晶.ppt

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1、工程材料及机械制造基础讨论材料的性能是由什么决定的？雪花、食盐为什么总是有固定的颗粒形状？贯穿本课程的“纲”--------“材料的化学成分→加工工艺→组织、结构→性能→应用”之间的相互关系及其变化规律第3章晶体结构与结晶概述3.1金属的晶体结构3.2实际金属结构3.3金属的结晶3.43.6总结实际金属结构3.53.1概述NaCl的晶体结构及矿物萤石（CaF2）的晶体结构3.1概述3.1概述金刚石 石墨 碳60伟大的非洲之星水晶洞3.1概述黄铁矿（硫化铁）3.1概述3.1概述机械工程材料的微观结构是决定其性能的最根本性因素。为此本

2、章介绍的机械工程材料的微观结构特点，特别是有关金属材料的晶体结构特点以及结晶过程，包括以下内容：晶体结构的基本概念；纯质材料中三种理想的典型晶体结构特点；晶体缺陷的类型、主要形式、对材料性能的影响；结晶的概念，过程及成核影响因素。3.2金属的晶体结构1．晶体与非晶体晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。晶体与非晶体的区别(a)是否具有周期性、对称性(b)是否长程有序(c)是否有确定的熔点(d)是否各向异性3.2金属的晶体

3、结构2．晶体结构的描述晶体结构描述了晶体中原子（离子、分子）的排列方式。a.理想晶体——实际晶体的理想化三维空间无限延续，无边界严格按周期性规划排列，是完整无缺的原子在其平衡位置静止不动3.2金属的晶体结构b.理想晶体的晶体学抽象：空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小组成单元）3.2金属的晶体结构晶体的本质晶体的本质在于内部质点在三维空间作平移周期重复，空间格子是表示这种重复规律的几何图形。连接三维空间的相当点（性质或环境及方位相同的质点）即获得空间格子。3.2金属的晶体结构

4、空间格子有四大要素结点：它是空间格子中代表晶体结构中的相当点。行列：结点在直线上的排列即构成行列。面网：结点在平面上的分布即构成面网。平行六面体：空间格子的最小重复单位，由六个两两平行而且相等的面组成。3.2金属的晶体结构晶体、晶格和晶胞3.2金属的晶体结构晶体的基本性质和外形规律特征的根本原因在于它内部的空间格子构造，在理想晶体中，其内部质点均按照格子构造规律排列。平行六面体是空间格子的最小单位，整个晶体结构可视为平行六面体（即晶胞）在三维空间平行的、毫无间隙的重复堆砌而成。3.2金属的晶体结构四种典型的金属晶体晶胞1、原始晶胞

5、（P）：结点分布于平行六面体的八个角顶上。2、体心立方晶胞（BCC）：结点分布于平行六面体的角顶和体中心。3、面心立方晶胞（FCC）：结点分布于平行六面体的角顶和三对面的中心。4、密排六方晶胞（HCP）：结点分布于平行六面体的角顶和体中心。3.2金属的晶体结构BCC3.2金属的晶体结构FCC3.2金属的晶体结构HCP3.2金属的晶体结构单晶体的各向异性：同一晶体不同晶面和晶向上的各种性能不同的现象。3.2金属的晶体结构单晶体存在各向异性，但实际的金属材料为什么并不表现出这一现象呢？实际的金属材料属于多晶体结构，即实际的金属材料是由

6、许多的晶粒组成的晶体。这些晶粒杂乱无章地堆砌时，理想的单晶体的各向异性就不能表现出来。3.3实际金属结构理想晶体+晶体缺陷=实际晶体实际晶体——单晶体和多晶体单晶体：内部晶格位向完全一致，各自异性多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成，各自同性3.3实际金属结构3.3实际金属结构晶体缺陷实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分。典型的三大类缺陷：点缺陷线缺陷（位错）面缺陷3.3实际金属结构点缺陷：晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化。包括以下三种：空位：晶格结点处无原子置换原子：晶格结点处被其它原子占据间隙原子

7、：原子占据晶格间隙3.3实际金属结构3.3实际金属结构3.3实际金属结构置换原子3.3实际金属结构线缺陷（位错）：二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排。包括以下两种：刃型位错螺型位错3.3实际金属结构3.3实际金属结构3.3实际金属结构面缺陷：一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域（晶界、亚晶界、表面等）。包括以下两种：晶界亚晶界3.4非金属固体结构四种晶体结构及典型代表金属晶体：Al，Fe，Cu离子晶体：NaCl共价晶体：金刚石，硅酸盐分子晶体：部分塑料、橡胶3.4非金属固体结构橄榄石(Mg.Fe)2[SiO4]3.4非金

8、属固体结构红柱石Al2O3·SiO23.4非金属固体结构红柱石3.4非金属固体结构层状滑石晶体结构3.5金属的结晶1．结晶与凝固的区别凝固：L→SS可以是非晶结晶：一种原子排列状态（晶态或晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程一次结晶