【現(xiàn)代實(shí)驗力學(xué)課件】第2章：材料晶體結(jié)構(gòu)

第二章： 材料晶體結(jié)構(gòu)的基本概念,2.1 晶格與晶胞 用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間點(diǎn)陣叫做晶格。 組成晶格的最小幾何單元叫做晶胞。,圖2-1 晶體中的原子排列模型,圖2-2 晶格與晶胞,2.2 晶格常數(shù)與晶系,圖 2.3 晶胞大小及形狀表示,14種晶胞大小示意圖,7 種晶系(晶胞中原子數(shù)為1）,取晶胞角上的某一結(jié)點(diǎn)（習(xí)慣上取左下角后面一點(diǎn)）作為原點(diǎn)，沿其三條棱邊作x,y,z軸，并以三個棱邊長度a,b,c及其夾角a,b,g六個參數(shù)來表示晶胞的形狀與大小。 a,b,c稱為晶格常數(shù)，單位為納米。金屬的晶格常數(shù)一般為0.10.7nm.,2.3 純金屬的晶體結(jié)構(gòu),純金屬常見的晶體結(jié)構(gòu)主要有： （1）體心立方晶格的晶胞(a=b=c, a=b=g=90o) (Body-centred cubic lattice, b.c.c),圖2.4,體心立方晶格的金屬有：鈉、鉀、鑼、鉬、鎢、釩、鈮、a鐵等。,（2）面心立方晶格的晶胞(a=b=c, a=b=g=90o) Face-centred cubic lattice f.c.c,圖2.5,面心立方晶格的金屬有：金、銀、鎳、鋁、銅、鉛、g鐵等。,（3）密排六方晶格的晶胞 (Close-Packed hexagonal lattice, c.p.h) (a=b not =c,a=b=90o, g=120o),圖2.6,密排六方晶格的金屬有：鎂、鋅、鎘、鈹?shù)取?(4) 晶胞中的原子數(shù),b.c.c. 原子數(shù) N=8x(1/8）+1=2 f.c.c. 原子數(shù) N=8x(1/8）+ 6x(1/2)=4 c.p.h. 原子數(shù) N=12x(1/6）+3+ 2x(1/2)=9,(5) 原子半徑,b.c.c f.c.c c.p.h.,(6) 晶胞的原子致密度 K,b.c.c. f.c.c c.p.h,2.4 立方晶格中的晶向與晶面,晶向：晶體中通過原子中心連成的許多表示不同空間方位的直線稱為晶向； 晶面：同過原子中心構(gòu)成的二維平面稱為晶面。,（1）晶向表示法,為了表示某一晶向或晶面，國際上統(tǒng)一采用Miller指數(shù)對其進(jìn)行標(biāo)定，并分別稱為晶向指數(shù)和晶面指數(shù)。 晶向指數(shù)的標(biāo)定： （ a） 以晶格中某原子為原點(diǎn)，并以晶胞三棱邊作三維坐標(biāo)軸x、y、z, 通過原點(diǎn)引平行于所求晶向的直線； （b）以相應(yīng)的晶格常數(shù)為測量單位，求直線上任意一點(diǎn)的三個坐標(biāo)值； （c）將所求坐標(biāo)值化為最小整數(shù)，加一方括號，即為所求的晶向指數(shù)。一般表示為uvw ，括號內(nèi)三個數(shù)不用逗號分開。,當(dāng)指數(shù)為負(fù)號時，則在相應(yīng)的指數(shù)上方加“-”號， 例如： 。兩組晶向的全部指數(shù)數(shù)字相同而符號相反時，他們相互平行，但方向相反。,（2） 晶向族,在晶體中，尤其在立方晶系中，原子排列具有高度對稱性，存在許多原子排列方式完全相同，但相互不平行的晶向，在晶體學(xué)中，這些晶向是等同的，統(tǒng)稱為晶向族。用尖括號表示， 如包括了,（3） 晶面表示法晶面指數(shù)的標(biāo)定：,（a） 以晶格中某原子為原點(diǎn)，并以晶胞三棱邊作三維坐標(biāo)軸x、y、z, 以相應(yīng)的晶格常數(shù)為測量單位，求出所求晶面在三個坐標(biāo)軸上的截距； （b）將三個截距坐標(biāo)值變?yōu)榈箶?shù)； （c）將得到的三個截距的倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)，并加以圓括號，即為所求的晶面指數(shù)。一般表示為（hkl) ，括號內(nèi)三個數(shù)不用逗號分開。 當(dāng)截距為負(fù)號時，則在相應(yīng)的指數(shù)上方加“-”號， 例如： 。兩組晶向的全部指數(shù)數(shù)字相同而符號相反時，他們相互平行，但方向相反。 注意：不要把原點(diǎn)放在所求晶面上。,（4） 晶面族,與晶向族類似，在立方晶系中，存在許多原子排列方式完全相同，但相互不平行的晶面，這些晶面是等同的，統(tǒng)稱為晶面族。用大括號表示hkl， 如100包括了,（5）晶向與晶面的原子密度,（a)晶向的原子排列密度,(b) 晶面的原子排列密度,2.5 單晶與多晶,單晶體,多晶體,圖2.2.7,單晶是指晶體內(nèi)部原子有規(guī)則排列的位向不發(fā)生改變的晶體。多晶體是由許多外形不規(guī)則的單晶組合而成。,納米多晶銅原子排列示意圖,Lu, Sui & Lu, Science, 2000, 287:1463-1466,納米晶粒銅力學(xué)和電學(xué)性質(zhì),Lu, Shen, et al. Science, 2004, 304: 422-426,圖2.2.8,（1）純鐵的晶粒,晶粒（單晶) 直徑約為1100mm,（2）晶體中缺陷,(a) 點(diǎn)缺陷,空位與間隙原子,換位原子,置換原子（異粒原子）,點(diǎn)缺陷是指在三維尺度都很小，不超過幾個原子直徑的缺陷。,（b) 線缺陷,線缺陷是指晶體中二維尺度很小而第三維尺度較大的缺陷，即晶體中的位錯。它是晶體中某一列或數(shù)列原子發(fā)生有規(guī)律的位置錯動。位錯有多種形式，上圖為常見的“刃型位錯”。它可以理解為將一理想晶體部分地切開，再用一額外原子面嵌入切口，即在EF線上多插入了一個象刀刃一樣的原子平面。EF線稱為刃型位錯線。離刃型位錯線EF越近，原子排列的錯動越大。 刃型位錯線EF周圍晶格畸變，是應(yīng)力集中區(qū)。,正刃位錯 “ ”,負(fù)刃位錯 “T”,（c) 面缺陷,晶界處的原子排列模型,亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖,510個原子間距,面缺陷發(fā)生在多晶體的晶界和亞晶界處（晶粒內(nèi)部）,2.2 金屬材料的塑性變形,2.2.1 單晶體金屬的塑性變形,單晶體金屬塑性變形的基本方式是滑移與孿生，其中以滑移為主。,滑移是指在外力作用下，晶體的一部分沿一定的晶面和晶向相對于另一部分發(fā)生了滑動位移的現(xiàn)象。,2.2.2 滑移面與滑移方向,圖 2-3-2 晶格中不同晶面的面間距,滑移面通常是原子密度最大的晶面，滑移方向也是滑移面上原子密度最大的方向。 一個滑移面和該面上的一個滑移方向構(gòu)成了一個滑移系。,一個滑移面和該面上的一個滑移方向構(gòu)成了一個滑移系，它表示晶體中一個滑移系。 滑移系越多，可供滑移的空間位向越多，塑性變形的能力越大。 晶體結(jié)構(gòu)決定了滑移系的數(shù)目。,2.2.3 滑移與切向力,圖2-3-2 外力在單晶A-A面上的力分解, 切向應(yīng)力使晶體產(chǎn)生彈性歪曲和沿滑移面的相對滑移，滑移以后原子會達(dá)到新的平衡位置，撤去外力后晶體不再恢復(fù)原始狀態(tài)，產(chǎn)生了塑性變形。,圖2-3-3 正應(yīng)力引起晶界的晶格發(fā)生彈性伸長和晶界斷裂示意圖,2.2.4 切應(yīng)力引起晶體塑性變形示意圖,切向力引起的晶體塑性變形示意圖。,2.2.5 滑移與位錯的運(yùn)動,為什么滑移的臨界切應(yīng)力與實(shí)測值相差這么大？,晶體中存在大量的位錯。近代的大量理論與試驗研究證明，晶體的滑移通常是位錯在滑移面上的運(yùn)動引起的。 下圖所示為刃性位錯的運(yùn)動過程。當(dāng)該晶體受剪應(yīng)力作用后，位錯附近的原子首先發(fā)生了位移（PQ)，由于僅僅個別原子發(fā)生了微小位移，需要的外力比較小。 如果這種位錯連續(xù)不斷地進(jìn)行，造成了一個原子間距的滑移變形量。在同一個滑移面上若有大量位錯移出，就形成了一條滑移帶。隨著滑移的不斷進(jìn)行又會生成許多新的位做錯，并且塑性變形量增加時，為錯密度也會增大。,孿生,孿生是金屬塑性變形的另一種形式，通常出現(xiàn)在滑移系較少的金屬中，或是滑移受到限制，很難進(jìn)行的情況下。如密排六方晶格的金屬：鎂、鋅等。 孿生與滑移的主要區(qū)別在于: (1)發(fā)生孿生需要的外力比滑移大，變形速度極快，接近聲速；(2) 孿生使晶格位向改變，使變形與未變形部分呈鏡面對稱；（3）孿生變形量相鄰原子面的相對位移小于一個原子間距，但滑移變形量是原子間距的整數(shù)倍。,2.2.6 多晶金屬的塑性變形,特點(diǎn)： （）塑性變形不均勻 （）晶粒間位向差阻礙滑移 （）晶界阻礙位錯運(yùn)動 （）晶粒越細(xì)，晶界總面積越大，需要協(xié)調(diào)的具有不同位向的晶粒越多, 因而塑性變形抗力越大,思考題,什么叫晶格、晶胞、晶格常數(shù)？ 一般金屬的晶格常數(shù)為多大？ 什么叫晶向、晶面？怎樣表示？ 什么叫晶向族、晶面族？怎樣表示？ 什么叫單晶和多晶，二者有什么異同？ 什么叫滑移？滑移使得晶體產(chǎn)生彈性變形還是塑性變形？ 面心立方晶格、體心立方晶格、密排六方晶格的原子排列形勢是什么？ 普通低碳鋼是單晶還是多晶？力學(xué)性質(zhì)各項異性還是同性？為什么？,