金属材料的结构与组织（1）在线视频

下面我们学习工程材料的第一章

材料的结构与性能特点

我们先学习

金属材料的结构与组织

当我们的金属材料

只含有一个组元的时候

它叫纯金属

我们先从纯金属开始学习起

所以先学第一部分

纯金属的晶体结构

我们先回顾一下一些基础知识

对于固态物质

它分为晶体 非晶体和准晶体

所谓晶体是指组成物质的

原子 离子或者分子

在三维空间成规则的

周期性的重复的排列的固体

那么非晶体

它是组成物质的

原子 离子或者分子

不呈空间有规则的

周期性的排列的固体

准晶体它是具有与晶体相似的

长程有序的原子排列

但它不具备晶体的平移对称性

晶体中的原子 离子或者分子

它规则排列的方式

叫做晶体结构

如果我们把原子当成一个钢球

把它堆垛起来

我们看这幅图

就是这样一个堆垛方式

让我们每次都这样画

那太复杂了 怎么办呢

我们通过钢球的中心做连线

这样我们再把这个连线

给它移出来

大家看 这个叫晶格

在晶格中我们看这个左上角

这个橘黄色的部分

你通过平移

可以重复其它所有的格点

所以这一部分

我们把它叫做晶胞

给它提出来

晶胞中的每个边的边长

我们定义为abc

边长之间的夹角

定义为αβγ

那以这样一个晶胞

作为我们整个晶格的代表

那我们把反映棱长的abc

棱边夹角的αβγ称为晶格参数

abc为晶格常数

金属的晶格常数一般为

1乘以10的负10次方米

到7乘以10的负10次方米

也就是说0.1纳米到0.7纳米

这样一个范围

不同元素组成的金属晶体

因其晶格形式

及晶格常数的不同

会表现出不同的

物理 化学 力学性能

那么到底这个晶格存不存在

我们可以通过X射线来进行测定

那么现在我们知道

用X射线结构分析方法

对金属的晶体结构

进行测定和分析

常见的金属它的晶体结构

是一个什么样的呢

这是我们要介绍的第一部分内容

三种常见的金属晶体结构

这是我们的重点之一

第一种体心立方晶格

或者说体心立方晶胞

我们看这个图

如果说我们把它打开来看

它的底边上是四个原子

中心是一个原子

顶边也是四个原子

我们再把它叠起来

这就是一个体心立方晶胞

它顶角有八个原子

中心有一个原子

我们把它画出晶格提取出来

就是这个样

体心立方的金属有

钼 钨 钒 α铁等等

体心立方它的晶胞的特征为

它的晶格参数abc是相等的

因为是立方结构

它的夹角αβγ等于90度

它晶胞中的原子数有两个

因为顶角的八个原子只有1/8

整个晶胞只有两个原子

它的原子半径有多大呢

我们来看一下

我们看它的顶角线

是4倍的原子半径

等于它的晶格参数的根号3倍

所以它的原子半径

和晶格常数a之间的关系为

四分之根号3a

我们再看看致密度

也就是说一个晶胞里面

原子占的体积分数

那我们知道体心立方

它有两个原子

它的晶格常数为a

这样我们一乘

通过这个公式就给算出来

它的致密度为0.68

或者说68%

也就是说这个单胞里面

有68%的部分被原子所占据

那么其余的部分就是空的位置

那在体心立方单胞里面

它的空隙有哪些呢

空隙半径有多大呢

它的空隙有两种

一种叫四面体空隙

它的空隙半径为0.29个原子半径

我们看看四面体空隙

它在这个位置

那么另外一类为八面体空隙

空隙半径为原子半径的0.15倍

我们看看它所处的位置

也就是说在这个位置

我们把它提取出来看看

它是位于顶面 底面

和各个面的面心的位置

我们再看看它的配位数

所谓配位数

也就是说一个原子

它最近邻的原子数目

那么对于体心立方晶格来讲

它的配位数是8

我们看看是不是这样

我们取心部这样的原子位置

你看看它周围是8个原子

我们再看看顶角这个位置

你看看它也是8个原子

所以体心立方晶格

它的配位数为8

好 我们下面介绍第二类

面心立方晶格

或者说面心立方晶胞

我们看看这个堆垛方式

这是一个面心立方晶胞

它的底面和顶面

分别是五个原子

中心是四个原子

我们再看看堆垛起来

如果我们把它的晶格给提取出来

就这样

也就是说是一个立方体

它的各个面的面心都有一个原子

所以叫做面心立方

那么具有面心立方晶格的金属

有哪些呢

有铝 铜 镍 金 银以及γ铁

也就是说我们的铁

在912度到1394度

这样一个区间的时候

它所处的结构为面心立方结构

我们看看面心立方晶胞

它的结构特征

第一个它的晶格参数

由于是立方结构

所以它的棱边的长abc都相等

它的夹角αβγ都等于90度

它的晶胞有4个原子

大家想一想是不是这样

实际上它的顶角8个原子

有1/8为这个晶胞所有

它的面心上的原子

有1/2为这个晶胞所有

六个面所以共有三个原子

加起来4个原子

它的原子半径是多大呢

我们看一下

我们把它提取开以后

你会发现在底面对角线上

4个原子半径的位置

那么它长度是根号2a

所以它的原子半径

为四分之根号2a

它的致密度是74%

我们回想一下

刚才体心立方里面

它的致密度是68%

换句话说面心立方排列

它的致密度比我们体心立方

要高一些

那么那些空隙位置

它是一个什么样的结构呢

实际上它同样有四面体空隙

和八面体空隙

我们先来看一下

四面体空隙位置

它位于这个地方

我们把它提取出来你可以看到

它所处的位置

那么空隙的半径

为0.225个原子半径

我们再看看另外一类空隙

八面体空隙它所处的位置

大家看看在这个位置

我们把它提取出来

你会发现它的这个中心的位置

那么空隙的半径

为0.414个原子半径

我们再看看配位数

刚才体心立方的配位数

大家还记不记得 它是8

面心立方呢 我们来看一下

我们把面心位置取出来

你看看这边是4 这边又是4个

它的外边还有4个

换句话说它是12

也就是说面心立方晶胞

它原子的配位数是12

下面我们看看

另外一种常见的这个结构

是密排六方晶胞

或者密排六方晶格

我们来看一下它的堆垛结构

它三层

底面和顶面都是7个原子

中心是3个原子

我们把它晶格提取出来

看看是这样一个结构

具有密排六方晶格的金属

有镁 铬 锌 铍 钛等等

我们看看

密排六方晶胞的结构特征

第一个算算晶格参数

它的底边为一个正六边形

它的边长a

是它的晶格参数之一

两个底边之间的间距c

也是它的晶格参数之一

那么相邻的晶面

它的夹角为120度

而底面和侧面的夹角为90度

密排六方晶胞它的原子数为6

大家可以思考一下

看看是不是的

它的原子半径为

正六边形边长a的二分之一

它的致密度也是74%

它的空隙也有四面体空隙

和八面体空隙

它四面体空隙的半径

为0.225个原子半径

八面体空隙的半径

为0.414个原子半径

它的配位数也是12

我们要注意

由于原子排列的紧密程度不一样

当金属从面心立方

向体心立方晶格转变的时候

这个时候它的体积会发生变化

怎么变呢大家可以想一想