金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)

1、金 屬 學(xué) 與 熱 處 理,段 連 峰duanlf@mail.ccut.edu.cn,2024/3/16,2,緒論,材料的含義,廣義的材料包括人類(lèi)思想意識(shí)之外的所有物質(zhì)。,2024/3/16,3,3,材料、能源、信息是現(xiàn)代科技的三大支柱沒(méi)有材料的世界是虛無(wú)的世界，沒(méi)有能源的世界是死寂的世界,沒(méi)有信息的世界是混亂的世界，它們會(huì)將人類(lèi)文明推向新階段。數(shù)學(xué)老師經(jīng)常將數(shù)學(xué)比作皇冠上的寶石，以說(shuō)明數(shù)學(xué)在自然科學(xué)領(lǐng)域中的重要性，我要將材料學(xué)比作

2、皇冠上的鉆石。因?yàn)樾虏牧鲜巧鐣?huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)、重要支柱和技術(shù)先導(dǎo)。可以這樣說(shuō)“世間萬(wàn)物，凡于我所用，皆為材料”,2024/3/16,4,,,,材料的重要性,★ 是人類(lèi)生產(chǎn)、生活的物質(zhì)基礎(chǔ),★人類(lèi)社會(huì)文明程度的重要標(biāo)志之一,★當(dāng)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的先導(dǎo)，是科技進(jìn)步的關(guān)鍵,2024/3/16,5,5,石器時(shí)代、銅器時(shí)代、鐵器時(shí)代,物質(zhì)基礎(chǔ),中國(guó)古代的四大發(fā)明當(dāng)代文明的三大支柱全球新技術(shù)革命的標(biāo)志,,2024/3/16,6,6,技術(shù)先導(dǎo),★ 鋼

3、鐵材料：現(xiàn)代文明開(kāi)始的標(biāo)志,1856年平爐煉鋼，1864年轉(zhuǎn)爐煉鋼,蒸汽機(jī)（1888年）,,,紡織、交通（20世紀(jì)初）,★ 半導(dǎo)體材料：當(dāng)代信息技術(shù)的起點(diǎn),1947年鍺晶體管，1958年硅集成電路,第一代電子管計(jì)算機(jī)（1945年，ENIAC）,第二代晶體管計(jì)算機(jī)（1959年）,,第三代集成電路計(jì)算機(jī)（1964年）,,第四代大規(guī)模集成電路計(jì)算機(jī)（1970年代初）,,2024/3/16,7,7,重要支柱,美國(guó)國(guó)家科學(xué)研究委員會(huì)的報(bào)告：

4、 美國(guó)若在新材料的開(kāi)發(fā)、制造及市場(chǎng)開(kāi)拓方面不做出更大的努力，就極可能在當(dāng)今這個(gè)時(shí)代中失去有效參與競(jìng)爭(zhēng)的能力。,2024/3/16,8,8,材料發(fā)展的概況 材料是人類(lèi)社會(huì)進(jìn)步的物質(zhì)基礎(chǔ)和先導(dǎo)，是人類(lèi)進(jìn)步的里程碑。一萬(wàn)年前，人類(lèi)使用石頭作為日常生活工具，人類(lèi)進(jìn)入了舊石器時(shí)代，人類(lèi)戰(zhàn)爭(zhēng)也進(jìn)入了冷兵器時(shí)代。7000年前，人類(lèi)在燒制陶器的同時(shí)創(chuàng)造了煉銅技術(shù)，青銅制品廣泛地得到應(yīng)用，同時(shí)又促進(jìn)了人類(lèi)社會(huì)發(fā)展，人類(lèi)進(jìn)入了青銅器時(shí)代。同時(shí)火藥

5、的發(fā)明又使人類(lèi)戰(zhàn)爭(zhēng)進(jìn)入了殺傷力更強(qiáng)的熱兵器時(shí)代。,2024/3/16,9,9,5000年前，人類(lèi)開(kāi)始使用鐵，隨著煉鐵技術(shù)的發(fā)展，人類(lèi)又發(fā)明了煉鋼技術(shù)。十九世紀(jì)中期轉(zhuǎn)爐、平爐煉鋼的發(fā)展使得世界鋼產(chǎn)量迅猛增加，大大促進(jìn)了機(jī)械、鐵路交通的發(fā)展。隨著二十世紀(jì)中期合金鋼的大量使用，人類(lèi)又進(jìn)入鋼鐵時(shí)代，鋼鐵在人類(lèi)活動(dòng)中起著舉足輕重的作用。,2024/3/16,10,10,2024/3/16,11,11,核材料的發(fā)現(xiàn)，又將人類(lèi)引入了可以毀滅自己的

6、核軍備競(jìng)賽，同時(shí)核材料的和平利用，又給人類(lèi)帶來(lái)了光明。二十世紀(jì)中后期以來(lái)，高分子、陶瓷材料崛起以及復(fù)合材料的發(fā)展，又給人類(lèi)帶來(lái)了新的材料和技術(shù)革命，樓房可以越蓋越高、飛機(jī)越飛越快，同時(shí)人類(lèi)進(jìn)入太空的夢(mèng)想成為了現(xiàn)實(shí)。,2024/3/16,12,12,德國(guó)柏林某打鐵鋪,2024/3/16,13,13,核反應(yīng)器內(nèi)腔（鎳基合金材料）,2024/3/16,14,14,磁懸浮列車(chē),朱镕基和施羅德乘坐中國(guó)第一輛磁懸浮列車(chē),2024/3/16,15,1

7、5,Ariane D503,Space Life Boat,2024/3/16,16,16,2024/3/16,17,17,Columbus Laboratory,2024/3/16,18,18,火箭科學(xué)家稱(chēng)它們?yōu)椤败壍浪槠?，一般人將其稱(chēng)為“太空垃圾”。,繞地軌道上的可跟蹤物體,2024/3/16,19,材料的結(jié)構(gòu)、組織與性能含義,結(jié)構(gòu),組織,構(gòu)成材料的基本質(zhì)點(diǎn)(離子、原子或分子等)是如何結(jié)合與排列的，它表明材料的構(gòu)成方式。,指借助于

8、顯微鏡所觀察到的材料微觀組成與形貌---通常稱(chēng)為顯微組織。,2024/3/16,20,性能,使用性能,工藝性能,,,,,指在服役條件下，能保證安全可靠工作所必備的性能。,力學(xué)性能,物理性能,化學(xué)性能,,,,,強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、蠕變和疲勞,熔點(diǎn)、密度以及電、磁、光和熱,耐腐蝕和抗老化,,,,2024/3/16,21,性能,使用性能,工藝性能,,,,,鑄造,塑性加工,焊接,,,,,液→固；流動(dòng)性,,指材料的可加工性 。,熱處理,粉末冶

9、金,機(jī)械加工,,,,2024/3/16,22,性能,使用性能,工藝性能,,,,,鑄造,塑性加工,焊接,,,,,液→固；流動(dòng)性,鍛、拉、擠、軋、彎 ；延展性 ；變形抗力、變形開(kāi)裂傾向,可焊性,,,,熱處理,粉末冶金,機(jī)械加工,,,,熱誘發(fā)組織轉(zhuǎn)變；,經(jīng)壓制、燒結(jié)成固體,,,切削加工,,指材料的可加工性 。,2024/3/16,23,材料的分類(lèi),結(jié)構(gòu)材料,功能材料,,,,,強(qiáng)調(diào)利用材料的力學(xué)性能來(lái)滿(mǎn)足工程結(jié)構(gòu)上的需要,強(qiáng)調(diào)材料具有光、電、磁

10、、熱等特殊的物理性能,,,性能特點(diǎn)和用途,2024/3/16,24,材料的分類(lèi),金屬材料,復(fù)合材料,,,,,材料中原子之間的鍵合特點(diǎn),陶瓷材料,高分子材料,,,金屬是具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì), 通常具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性、高的密度和高的光澤,2024/3/16,25,材料的分類(lèi),金屬材料,復(fù)合材料,,,,,材料中原子之間的鍵合特點(diǎn),陶瓷材料,高分子材料,,,金屬和非金屬元素間的化合物。具有很高的強(qiáng)度和硬度，較低的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性

11、，延性、成型性及耐沖擊性都很差。極好的耐高溫和耐腐蝕特性,還有一些獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)。,2024/3/16,26,材料的分類(lèi),金屬材料,復(fù)合材料,,,,,材料中原子之間的鍵合特點(diǎn),陶瓷材料,高分子材料,,,非金屬原子共有電子而構(gòu)成大分子材料稱(chēng)為高分子材料。每個(gè)大分子由許多結(jié)構(gòu)相同的單元相互連接而成，因此高分子材料又稱(chēng)為聚合物。它具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性、較強(qiáng)的耐腐蝕性、絕緣性和低密度等優(yōu)良性能。,2024/3/16,27,材料的分類(lèi),金

12、屬材料,復(fù)合材料,,,,,材料中原子之間的鍵合特點(diǎn),陶瓷材料,高分子材料,,,復(fù)合材料是由兩種或兩種以上材料組成的，其性能是它的組成材料所不具備的。復(fù)合材料可能具有非同尋常的剛度、強(qiáng)度、高溫性能和耐蝕性。,2024/3/16,28,2024/3/16,29,關(guān) 于 本 門(mén) 課 程,闡述金屬材料的化學(xué)成分、微觀組織結(jié)構(gòu)與宏觀力學(xué)性能三者之間的關(guān)系和變化規(guī)律的科學(xué)。,通過(guò)本課程的學(xué)習(xí)，達(dá)到能夠運(yùn)用金屬學(xué)、熱處理原理和金屬材料的基本理論知識(shí)，

13、認(rèn)識(shí)與分析本專(zhuān)業(yè)課程中所遇到的有關(guān)問(wèn)題；,掌握和運(yùn)用金屬材料及熱處理知識(shí)，能合理而經(jīng)濟(jì)地選用金屬材料及提出合理的熱處理工藝方案等。,2024/3/16,30,學(xué)習(xí)目的,掌握有關(guān)金屬材料學(xué)科的基本概念、基本原理和基本方法,為合理地選材和制訂零件的熱加工工藝規(guī)程奠定堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。,,2024/3/16,31,學(xué)習(xí)要求,熟悉常用術(shù)語(yǔ)和基本概念,,,,牢固建立材料的性能決定于材料的組織、結(jié)構(gòu)這一概念,掌握金屬材料主要熱加工工藝原理, 并能制定常規(guī)

14、熱處理工藝。,,,平時(shí)成績(jī)20％＋期末考試 80％,考核,2024/3/16,32,第一章 金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu),2024/3/16,33,金屬材料的化學(xué)成分不同，其性能也不同。,對(duì)于同一種成分的金屬材料，通過(guò)不同的加工處理工藝，改變材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，也可以使性能發(fā)生極大的變化。,可見(jiàn)，除化學(xué)成分外，金屬的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和組織狀態(tài)也是決定金屬材料性能的重要因素。,金屬和合金在固態(tài)下通常都是晶體，要了解金屬及合金的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，首先應(yīng)了解晶體的

15、結(jié)構(gòu)，其中包括：,晶體中原子是如何相互作用并結(jié)合起來(lái)的； 原子的排列方式和分布規(guī)律； 各種晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及差異等。,2024/3/16,34,,金屬的傳統(tǒng)定義： 良好導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性（塑性）和金屬光澤的物質(zhì)。但銻延展性不好；鈰和鐠導(dǎo)電性還不如非金屬（如石墨）。 由性能確定，不具有共性，沒(méi)揭示金屬與非金屬的本質(zhì)區(qū)別。,1.1 金屬,嚴(yán)格定義： 具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)，非金屬的

16、電阻都隨溫度升高而下降。 由原子結(jié)構(gòu)和原子間的結(jié)合方式確定。,2024/3/16,35,金屬的最外層電子數(shù)很少（1～3），外層電子與原子核的結(jié)合力弱，容易脫離原子核的束縛而變成自由電子；原子成為正離子，將這些元素稱(chēng)為正電性元素。 過(guò)渡族金屬元素的核外電子先填充次外層再填充最外層電子，很容易失去，化合價(jià)可變。結(jié)合力特強(qiáng)，表現(xiàn)為熔點(diǎn)、強(qiáng)度高。,1、 金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),原子(10-10m、Å = 1

17、0-1nm)= 帶正電的原子核(質(zhì)子+中子) （10-14m）+ 帶負(fù)電的按能級(jí)排布核外電子(最外層與次外層為價(jià)電子) 。,非金屬外層電子數(shù)較多，最多7個(gè)，最少4個(gè)，易獲得電子，原子成為負(fù)離子，故非金屬元素又稱(chēng)為負(fù)電性元素。,可見(jiàn)原子外層參與結(jié)合的電子數(shù)決定著結(jié)合鍵的本質(zhì)，對(duì)化學(xué)性能、強(qiáng)度等特性有重要影響。,2024/3/16,36,共價(jià)鍵 相鄰原子共用其外部?jī)r(jià)電子，形成穩(wěn)定的電子滿(mǎn)殼層。金剛石中的碳原子間即為共價(jià)鍵。,離

18、子鍵 正電性元素與負(fù)電性元素相遇時(shí)，電子一失一得，各自成為正、負(fù)離子，正、負(fù)離子間靠靜電作用結(jié)合而成。NaCl,2、 結(jié)合方式,2024/3/16,37,2、 金屬鍵,處于集聚狀態(tài)的金屬原子將價(jià)電子貢獻(xiàn)出來(lái)，為整個(gè)原子集體所共有，形成電子云。 貢獻(xiàn)出價(jià)電子的原子，變成正離子，沉浸于電子云中，依靠運(yùn)動(dòng)于其間的公有化自由電子的靜電作用而結(jié)合—形成金屬鍵—沒(méi)有飽和性和方向性。,中性原子,正離子,電子云,,,,用

19、金屬鍵的特點(diǎn)解釋金屬特性,導(dǎo)電性 — 自由電子在電場(chǎng)作用下定向移動(dòng)形成電流 ； 導(dǎo)熱性 — 自由電子的運(yùn)動(dòng)和正離子振動(dòng)； 正電阻溫度系數(shù) — 正離子或原子的振幅隨溫度的升高增大，可阻礙電子通過(guò)，使電阻升高； 金屬光澤 — 電子躍遷吸收或放出可見(jiàn)光； 延展性 —無(wú)飽和性和方向性。,2024/3/16,38,3、 結(jié)合力與結(jié)合能（雙原子作用模型圖解）,原子間結(jié)合力是由自由電子

20、與金屬正離子間的引力（長(zhǎng)程力），以及正離子間、電子間的排斥力（短程力）合成的。當(dāng)兩原子間距較大，引力＞斥力，兩原子自動(dòng)靠近；當(dāng)兩原子自動(dòng)靠近，使電子層發(fā)生重疊時(shí)，斥力↑↑；直到兩原子間距為d0時(shí)，引力＝斥力。任何對(duì)平衡位置d0的偏離，都將受到一個(gè)力的作用，促使其回到平衡位置。原子間最大結(jié)合力不是出現(xiàn)在平衡位置d0而是在dc位置，最大結(jié)合力與金屬的理論抗拉強(qiáng)度相對(duì)應(yīng)。,結(jié)合能是吸引能和排斥能的代數(shù)和。當(dāng)原子處于平衡距離d0時(shí)，其結(jié)合能達(dá)到

21、最低值，此時(shí)原子的勢(shì)能最低、最穩(wěn)定。任何對(duì)d0的偏離，都會(huì)使原子勢(shì)能增加，使原子處于不穩(wěn)定狀態(tài)，原子就有力圖回到低能狀態(tài)，即恢復(fù)到平衡距離的傾向。,,2024/3/16,39,1.2 金屬的晶體結(jié)構(gòu),1、晶體的特性: 天然晶體(寶石) → 規(guī)則外型 金屬一般無(wú)規(guī)則外型 晶體 → 原子在三維空間按照一定的規(guī)律周期性的重復(fù)排列。 具有固定的熔點(diǎn)、各向異性。

22、 不同方向上的性能，表現(xiàn)出差異，稱(chēng)為各向異性。,非晶體→ 內(nèi)部原子雜亂無(wú)章，至多有局部或短程規(guī)則排列。 無(wú)固定熔點(diǎn)、各向同性。,一定條件晶體←→非晶體 ，玻璃高溫長(zhǎng)時(shí)間保溫，非晶體→晶態(tài)玻璃；液態(tài)金屬急快冷卻(冷速107℃／s) ，可形成非晶態(tài)金屬。 性能發(fā)生顯著變化。,2024/3/16,40,晶體結(jié)構(gòu)： 指晶體中原子（或離子、分子

23、、原子集團(tuán)）的具體排列情況，也就是晶體中的質(zhì)點(diǎn)（也叫基元，可以是原子、離子、分子或者原子集團(tuán)）在三維空間中有規(guī)律的周期性重復(fù)排列方式。,原子堆垛模型： 假定晶體中的物質(zhì)質(zhì)點(diǎn)都是固定的剛球，晶體由剛球堆垛而成。優(yōu)點(diǎn)：直觀、立體感強(qiáng)；缺點(diǎn)：很難看清內(nèi)部原子排列的規(guī)律 和特點(diǎn)。,2、晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣,2024/3/16,41,陣點(diǎn)有規(guī)則地周期性重復(fù)排列所形成的空間幾何圖形。 人為地將陣點(diǎn)

24、用直線連接起來(lái)形成空間格子，稱(chēng)空間點(diǎn)陣，簡(jiǎn)稱(chēng)點(diǎn)陣或晶格。,為清楚地表明原子在空間的排列規(guī)律性，常將構(gòu)成晶體的實(shí)際質(zhì)點(diǎn)忽略，而將它們抽象為純粹的幾何點(diǎn)，稱(chēng)為陣點(diǎn)或結(jié)點(diǎn)。,晶格,空間點(diǎn)陣：,2024/3/16,42,同一點(diǎn)陣，可因晶胞選擇方式不同，得到不同的晶胞。,晶胞選取應(yīng)滿(mǎn)足下列條件: (1)晶胞幾何形狀充分反映點(diǎn)陣對(duì)稱(chēng)性。 (2)平行六面體內(nèi)相等的棱和角數(shù)目最多。 (3)當(dāng)棱間呈直角時(shí)，

25、直角數(shù)目應(yīng)最多。 (4)滿(mǎn)足上述條件，晶胞體積應(yīng)最小。,晶胞 能夠完全反映陣點(diǎn)排列規(guī)律的最小幾何單元。,晶胞,晶格,大小、形狀棱邊長(zhǎng)度: a、b、c棱邊夾角: α、β、γ表示。,,α,β,γ,,,2024/3/16,43,簡(jiǎn)單三斜,底心單斜,簡(jiǎn)單單斜,底心正交,體心正交,面心正交,簡(jiǎn)單正交,3、三種典型晶體結(jié)構(gòu),根據(jù)晶格常數(shù)與夾角關(guān)系空間點(diǎn)陣分為14種布拉菲格子,2024/3/16,44,簡(jiǎn)單三方,六方,ａ

26、＝ｂ≠ｃα＝β＝γ＝90°,a１＝a2＝a3≠ｃα=β=90 ° γ=120°,ａ=ｂ=ｃα =β=γ ≠ 90°,ａ=ｂ=ｃα =β=γ=90°,2024/3/16,45,a=b=c、α=β=γ=90°，構(gòu)成立方體；晶胞的8個(gè)角頂各有1個(gè)原子，立方體的中心有1個(gè)原子。體心立方結(jié)構(gòu)的金屬有：α-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W等。,體心立方晶格(body-center

27、ed cube, bcc),原 子 數(shù)：n=8×1／8＋1＝2原子半徑：配 位 數(shù)：指晶體結(jié)構(gòu)中，與任一個(gè)原子最近鄰、等距離的原子數(shù)目。 bcc配位數(shù)：8,致密度：原子排列的緊密程度。晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比，用下式表示：,2024/3/16,46,面 心 立方晶格(face-centered cube, fcc) 晶胞的8個(gè)角頂各有1個(gè)原子，構(gòu)成立方體，立方體6個(gè)面的中心各有1個(gè)

28、原子。面心立方結(jié)構(gòu)的金屬有：γ-Fe、Cu、Ni、Al、Ag等。,原 子 數(shù)：n=8×1／8＋6×1／2＝4原子半徑： 致 密 度：,配 位 數(shù)：4×3＝12,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2024/3/16,47,密排六方晶格(hexagonal close-pack

29、ed, hcp)　　晶胞的12 個(gè)角頂各有1個(gè)原子，構(gòu)成六方柱體，上、下底面中心各有1個(gè)原子，晶胞內(nèi)還有3個(gè)原子。 有：Zn、Mg、α-Ti、α-Co、Cd等。,原 子 數(shù)：n=12×1／6＋2×1／2+3＝6,晶格常數(shù)有兩個(gè)，上下底面間的距離c與正六邊形邊長(zhǎng)a，比值c/a稱(chēng)為軸比。 典型密排六方晶格的軸比為1.633，實(shí)際軸比往往偏離這一數(shù)值，大約在1.57~1.64之間波動(dòng)。,原

30、子半徑：,配 位 數(shù)：12 、 6+6,致 密 度：,2024/3/16,48,大小相同的圓球在二維的最密排方式，稱(chēng)為六方最密排面。每個(gè)球的周?chē)辛鶄€(gè)間隙，可分為B、C兩組，每組分別構(gòu)成一等邊三角形。　　密堆結(jié)構(gòu)中的某一層密排面由中 心 在A的原子構(gòu)成，第二層密排面的原子中 心 可放在間隙B上，也可放在間隙C上，第三層有兩種方式，由于空間的限制，只能取一種方案。,晶體中的原子堆垛方式和間隙,對(duì)各類(lèi)晶體分析表明：配位數(shù)最大為1

31、2，致密度最高為0.74 。為何會(huì)出現(xiàn)fcc和hcp不同的晶體結(jié)構(gòu)？,2024/3/16,49,如密排面的堆垛次序?yàn)锳BAB，得到hcp結(jié)構(gòu)。,如密排面的堆垛次序?yàn)锳BCABC，得到fcc結(jié)構(gòu)。,,,2024/3/16,50,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2024/3/16,51,立方次密排面：在體心立方晶胞中，原子排列較為緊密的面相當(dāng)于連接

32、晶胞立方體的兩個(gè)斜對(duì)角線所組成的面，在該面上，除了位于體心的原子與位于頂角的原子相切外，頂角的原子彼此間并不相互接觸；原子面的空隙由四個(gè)互不接觸的原子組成，原子排列的緊密程度較差。,在三維方向上，第二層次密排面（B層）坐落在第一層（A層）的空隙中心上，第三層的原子位于第二層的原子空隙處，并與第一層的原子中心相重復(fù)，依次類(lèi)推。因而堆垛次序?yàn)锳BAB，得到體心立方結(jié)構(gòu)。,2024/3/16,52,,六個(gè)原子的中心構(gòu)成了正八面體的頂角，六個(gè)原

33、子之間就形成一個(gè)八面體間隙。,晶體中的間隙 在密堆結(jié)構(gòu)中，四個(gè)原子的中心構(gòu)成了正四面體的頂角，四個(gè)原子之間就形成一個(gè)四面體間隙。,2024/3/16,53,,,fcc：兩種間隙，正八面體原子至間隙中心 的 距離為a/2，原子半徑為,正四面體，原子至間隙中 心 的距離為,數(shù)量：4,數(shù)量：8,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,金屬原子,八

34、面體間隙,,,金屬原子,四面體間隙,,,間隙半徑為：,間隙半徑為：,2024/3/16,54,2024/3/16,55,2024/3/16,56,,,,,bcc：不是密堆積結(jié)構(gòu)，但也有兩類(lèi)間隙， 扁八面體間隙:,角頂至間隙中心的距離較遠(yuǎn)為上下原子至間隙中心 的距離較近為a/2，原子半徑為,非正四面體間隙:原子至間隙中心的距離為,數(shù)量：6,數(shù)量：12,金屬原子,八面體間隙,,,金屬原子,四面體間隙,,,間隙半徑：,間隙半徑

35、：,2024/3/16,57,,,hcp： 與面心立方晶格完全相似，當(dāng)原子半徑相等時(shí)（軸比為1.633時(shí)），間隙大小完全相等，只是間隙中心在晶胞中的位置不同。,數(shù)量：6,數(shù)量：12,金屬原子,四面體間隙,,,金屬原子,八面體間隙,,,2024/3/16,58,4、晶向指數(shù)和晶面指數(shù),晶體中，由一系列原子所組成的平面稱(chēng)晶面，任意兩個(gè)原子之間的連線所指的方向稱(chēng)晶向。為便于研究和表述不同晶面和晶向原子的排列情況和空間取向，需統(tǒng)

36、一表示方法。,晶向指數(shù),確定步驟： ① 以晶胞三棱邊為坐標(biāo)軸x、y、z，以棱邊長(zhǎng)度為坐標(biāo)軸的長(zhǎng)度單位； ② 從坐標(biāo)原點(diǎn)引一有向直線平行于待定晶向； ③ 在這條直線上取一適當(dāng)結(jié)點(diǎn)，并求出此點(diǎn)的位置坐標(biāo)； ④ 將三坐標(biāo)值化為最簡(jiǎn)整數(shù)，寫(xiě)入方括號(hào)內(nèi)，如［u v w］?！　≡优帕邢嗤臻g位向不同的所有晶向稱(chēng)為晶向族，用尖括號(hào)表示，如〈u v w〉。

37、 如坐標(biāo)值為負(fù)值，則相應(yīng)數(shù)字之上冠以負(fù)號(hào)。,2024/3/16,59,[111],,2024/3/16,60,晶面指數(shù)確定步驟： ① 以晶胞三棱邊為參考坐標(biāo)軸x、y、z，原點(diǎn)應(yīng)位于待定晶面之外，以免出現(xiàn)零截距。 ② 以各晶軸點(diǎn)陣常數(shù)為度量單位，求出晶面與三個(gè)晶軸的截距。 ③ 取各截距的倒數(shù)，化為最簡(jiǎn)整數(shù)比，放在圓括號(hào)內(nèi)，如(h k l )

38、。,如截距為負(fù)值，則相應(yīng)數(shù)字之上冠以負(fù)號(hào)。,2024/3/16,61,原子排列相同，但空間位向不同的所有晶面稱(chēng)為晶面族，用大括號(hào)表示，如｛ h k l ｝。,｛110｝晶面族中的晶面組,2024/3/16,62,,,,,｛111｝晶面族中的晶面組,2024/3/16,63,FCC和BCC晶格典型晶向的線密度,2024/3/16,64,FCC和BCC晶格典型晶面的面密度,2024/3/16,65,六方晶系的晶面指數(shù)與晶向指數(shù),可用上述

39、方法，但確定六方晶系的晶面指數(shù)時(shí)，如用a1、a2、c三個(gè)坐標(biāo)軸，令a1、a2 的夾角為120°，c 軸與a1、a2 垂直，標(biāo)定的晶面指數(shù)中，同類(lèi)型的晶面指數(shù)不相類(lèi)同。,如6個(gè)柱面屬同一平面族，但指數(shù)為,因此用a1、a2、a3 及 c 四個(gè)坐標(biāo)軸，a1，a2，a3之間夾角均為120°。晶面指數(shù)以（h k i l）四個(gè)指數(shù)表示，前三個(gè)指數(shù)中只有兩個(gè)是獨(dú)立的，它們之間有以下關(guān)系：i = -( h + k )。,四軸坐標(biāo)系6

40、個(gè)柱面指數(shù)為,2024/3/16,66,2024/3/16,67,三軸平面指數(shù)（HKL）轉(zhuǎn)換成四軸坐標(biāo)（hkil）時(shí) h = H k = K i = - (H + K) l =L三軸晶向指數(shù)［UVW］轉(zhuǎn)換成四軸坐標(biāo) [uvtw] 時(shí) u = 1/3 ( 2U – V )

41、 v = 1/3 ( 2V – U ) t = -1/3 (U + V ) w = W,2024/3/16,68,同一晶帶的晶面指數(shù)(hkl)與晶帶軸的晶向指數(shù)〈uvw〉存在以下關(guān)系： hu+kv+lw=0,晶帶與晶帶軸:　　如一系列非平行晶面都平行于（或包含）某一特定方向，則這些晶面同屬一個(gè)晶帶，這個(gè)特定方向稱(chēng)為晶帶軸。,兩個(gè)晶面(h

42、1k1l1)和(h2k2l2)的晶帶軸指數(shù)〈uvw〉可由下式確定：,2024/3/16,69,5、晶體的各向異性和多晶型性,各向異性：晶體的一個(gè)重要特征，與非晶體的重要區(qū)別。是不同晶向上的原子緊密程度不同所致。緊密程度不同 → 原子間距離不同 → 結(jié)合力不同 → 性能（彈性摸量、強(qiáng)度、電阻率等）不同。,一般工業(yè)金屬材料，由多晶體組成，各向異性特征不明顯；因多晶體中的晶粒位向是任意的，晶粒的各向異性被相互抵消。,如體心立方 α-Fe

43、單晶，〈100〉晶向原子密度為1/a，〈110〉為0.7/a，〈111〉為1.16/a。 〈111〉密度最大，E=290000N/mm2， 而〈100〉 E=135000N/mm2。,多晶體的晶粒位向,2024/3/16,70,當(dāng)外部條件（如溫度、

44、壓強(qiáng)）改變時(shí)，晶體內(nèi)部由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變稱(chēng)為多晶型性轉(zhuǎn)變或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。,純鐵加熱時(shí)的膨脹曲線,多晶型性： 一般金屬只有一種晶體結(jié)構(gòu)，但少數(shù)金屬（Fe、Mn、Ti、Co等）具有兩種或 幾種晶體結(jié)構(gòu)，即具有多晶型性。,純鐵在912℃以下為 α-Fe → bcc912-1394℃為 γ-Fe → fcc1394℃以上為 δ-Fe → bcc 不同晶型密度不同，故同素

45、異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)伴有比容或體積變化。,2024/3/16,71,1.3 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu),實(shí)際金屬材料中，原子排列不能象理想晶體那樣規(guī)則和完整，總不免存在一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域，即晶體缺陷。,晶體缺陷的產(chǎn)生、發(fā)展、運(yùn)動(dòng)及交互作用，在晶體的強(qiáng)度、塑性、擴(kuò)散、相變塑性變形與再結(jié)晶等問(wèn)題中扮演著主要的角色。,根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，可分為三類(lèi)：① 點(diǎn)缺陷：在三個(gè)方向的尺寸都很小，相當(dāng)于原子尺寸，

46、 如空位、間隙原子、置換原子等。② 線缺陷：在兩個(gè)方向的尺寸很小，另一個(gè)方向的尺寸 相對(duì)很大，主要是位錯(cuò)。③ 面缺陷：在一個(gè)方向的尺寸很小，另外兩個(gè)方向的尺 寸相對(duì)很大，如晶界、亞晶界等。,2024/3/16,72,1、點(diǎn)缺陷： 常見(jiàn)的有空位、間隙原子、置換原子。,空位:　　原子是以其平衡位置為中心不間斷地進(jìn)行熱振動(dòng)。振幅與溫度有關(guān)，原子熱振動(dòng)的能量是溫度

47、的函數(shù)，溫度越高，能量越大。但一定溫度下，各原子在同一瞬間或同一原子在不同瞬間的振動(dòng)能量并不相同，即存在能量起伏。,大置換原子,肖脫基空位,復(fù)合空位,弗蘭克空位,異類(lèi)間隙原子,小置換原子,同類(lèi)間隙原子,Pt表面STM像,2024/3/16,73,在某溫度下的某一瞬間，總有一些原子具有足夠高的能量，以克服周?chē)拥氖`，離開(kāi)原來(lái)的平衡位置遷移到別處，其結(jié)果，即在原位置上出現(xiàn)了空結(jié)點(diǎn)，即空位。,空位性質(zhì)： 位置不固定，處于

48、運(yùn)動(dòng)、消失和形成的不斷變化中。 是一種熱平衡缺陷（雖使晶體的內(nèi)能升高，但也增加晶體結(jié)構(gòu)的混亂程度，使熵值增加），溫度↑，平衡濃度↑。一定溫度下，對(duì)應(yīng)著一定的平衡濃度?！　　　】瘴坏钠胶鉂舛葮O小，但在固態(tài)金屬的擴(kuò)散過(guò)程中起極為重要的作用。 通過(guò)某些處理（高能粒子輻照、高溫淬火及冷加工），可使晶體中的空位濃度高于平衡濃度而處于過(guò)飽和狀態(tài)。,2024/3/16,74,空位使周?chē)邮ヒ粋€(gè)近鄰原子，使相互間的作

49、用失去平衡，因而它們朝空位方向稍有移動(dòng)，偏離其平衡位置，產(chǎn)生晶格畸變。,空 位 的 運(yùn) 動(dòng),,,,,,,,,,,,,,,,,,,,2024/3/16,75,間隙原子：,處于晶格間隙中的原子,即為間隙原子。,間隙原子也是一種熱力學(xué)平衡的晶體缺陷，在一定溫度下有一平衡濃度，常將這一平衡濃度稱(chēng)為固溶度或溶解度。,弗蘭克空位,異類(lèi)間隙原子,同類(lèi)間隙原子,原子硬擠入很小的晶格間隙中后，會(huì)造成嚴(yán)重的晶格畸變。間隙原子盡管很小，但仍比晶格中的

50、間隙大得多，造成的晶格畸變遠(yuǎn)較空位嚴(yán)重。,2024/3/16,76,置換原子: 占據(jù)原基體原子平衡位置上的異類(lèi)原子，稱(chēng)為置換原子。 由于置換原子的大小與基體原子不可能完全相同，因此其周?chē)徑右财x其平衡位置，造成晶格畸變。,置換原子也是一種熱力學(xué)平衡的缺陷，在一定溫度下有一平衡濃度，一般稱(chēng)為固溶度或溶解度。,2024/3/16,77,2、線缺陷,刃型位錯(cuò)： 某一原子面在晶體內(nèi)部中斷，

51、象刀一樣插入晶體，并且終止于滑移面上，使滑移面上下的原子產(chǎn)生錯(cuò)排，特別是使刃口附近的原子完全失去了正常的相鄰關(guān)系，形成晶體缺陷，即刃口處的原子列，稱(chēng)為刃型位錯(cuò)。,2024/3/16,78,刃型位錯(cuò)的彈性性質(zhì) 在位錯(cuò)線周?chē)挥邢迏^(qū)域內(nèi)，原子離開(kāi)了原平衡位置，即產(chǎn)生了晶格畸變，且在額外半原子面左右的畸變是對(duì)稱(chēng)的。就正刃型位錯(cuò)而言，滑移面上面的原子間距變小，晶格受壓應(yīng)力；滑移面下面的原子間距變大，晶格受拉應(yīng)力；而在滑移面上，晶

52、格受到切應(yīng)力。 在位錯(cuò)中心，即額外半原子面的邊緣處，晶格畸變最大，距離位錯(cuò)中心距離逐漸增加，晶格畸變程度逐漸減小。通常把晶格畸變程度大于其正常原子間距1/4的區(qū)域稱(chēng)為位錯(cuò)寬度，其值約為3~5個(gè)原子間距。,2024/3/16,79,刃型位錯(cuò)的特征： ① 刃型位錯(cuò)有一個(gè)額外半原子面； ② 位錯(cuò)線是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)的晶格畸變管道，其中既有正應(yīng)變，又有切應(yīng)變。對(duì)于正刃型位錯(cuò)，滑移面上面的晶格

53、受到壓應(yīng)力；滑移面下面的晶格受到拉應(yīng)力。負(fù)刃型位錯(cuò)與此相反。 ③ 位錯(cuò)線與晶體滑移的方向相垂直，即位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的方向垂直于位錯(cuò)線。,2024/3/16,80,螺型位錯(cuò)： 切應(yīng)力使晶體右端上下兩部分沿滑移面發(fā)生一個(gè)原子間距的相對(duì)切變，已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界線就是螺型位錯(cuò)線。,2024/3/16,81,螺形位錯(cuò)周?chē)泼嫔舷孪噜彽膬蓚€(gè)晶面的原子錯(cuò)排情況,已滑移區(qū),未滑移區(qū),過(guò)渡區(qū),位錯(cuò)線,2024/3/16,

54、82,螺型位錯(cuò)的特征： ① 螺型位錯(cuò)沒(méi)有額外半原子面； ② 位錯(cuò)線是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)的晶格畸變管道，其中沒(méi)有正應(yīng)變，只有切應(yīng)變。 ③ 位錯(cuò)線與晶體滑移的方向相平行，即位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的方向垂直于位錯(cuò)線。,2024/3/16,83,柏氏矢量： 表示位錯(cuò)的性質(zhì)的量，即表示不同類(lèi)型位錯(cuò)晶格畸變的大小和方向。,確定方法： ① 在實(shí)際晶體中，從距位錯(cuò)線一定距離的無(wú)

55、畸變區(qū)的任一原子M出發(fā)，以至相鄰原子為一步，沿逆時(shí)針?lè)较颦h(huán)繞位錯(cuò)線作一閉合回路，稱(chēng)之為柏氏回路。,③ 由完整晶體的回路終點(diǎn)Q到始點(diǎn)M引一矢量b，使該回路閉合，這個(gè)矢量即為這條位錯(cuò)線的柏氏矢量b。,② 在完整的晶體中以同樣的方向和步數(shù)做相同的回路，此時(shí)的回路沒(méi)有封閉。,,2024/3/16,84,螺型位錯(cuò)的柏氏矢量： 在含有螺型位錯(cuò)的實(shí)際晶體中，圍繞位錯(cuò)線作一個(gè)閉合的回路。,后在完整的晶體中作相似的回路。,,,,,,,,,

56、,,,,,,,,,回路不閉合，由終點(diǎn)向始點(diǎn)引出的矢量使回路閉合，此矢量即為該螺型位錯(cuò)的柏氏矢量b。,2024/3/16,85,,螺型位錯(cuò)的柏氏矢量： 在含有螺型位錯(cuò)的實(shí)際晶體中，圍繞位錯(cuò)線作一個(gè)閉合的回路。,后在完整的晶體中作相似的回路，回路不閉合，由對(duì)比終點(diǎn)向始點(diǎn)引出的矢量使回路閉合，此矢量即為該螺型位錯(cuò)的柏氏矢量b。,,,,,,,,,,,,,,,,,2024/3/16,86,柏氏矢量的特性： ① 用柏

57、氏矢量可以判斷位錯(cuò)的類(lèi)型，而不要再去分析晶體中原子排列的具體細(xì)節(jié)。柏氏矢量⊥位錯(cuò)線，是刃位錯(cuò)；柏氏矢量∥位錯(cuò)線，是螺位錯(cuò)。 ② 用柏氏矢量可以表示位錯(cuò)區(qū)域晶格畸變總量的大小。 ③ 用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。 ④ 一條位錯(cuò)線的柏氏矢量是恒定不變的，與回路的大小、形狀、起點(diǎn)和具體路徑無(wú)關(guān)。 ⑤ 刃型位錯(cuò)線和與之垂直的柏氏矢量所構(gòu)成的平面是滑移面，刃位錯(cuò)的滑移面只有

58、一個(gè)。因螺位錯(cuò)的位錯(cuò)線∥柏氏矢量，所以包含柏氏矢量和位錯(cuò)線的平面可以有無(wú)限個(gè)，螺位錯(cuò)的滑移面是不定的，它可以在更多的滑移面上進(jìn)行滑移。,2024/3/16,87,混合型位錯(cuò)　　在實(shí)際晶體中，當(dāng)柏氏矢量與位錯(cuò)線既不平行又不垂直，而是交成任意角度時(shí)，則位錯(cuò)是刃型和螺型的混合類(lèi)型，稱(chēng)為混合型位錯(cuò)。,2024/3/16,88,位錯(cuò)密度 單位體積中包含的位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度，用ρv表示：ρv =L/V；也可表示為單位面積上位錯(cuò)的露頭

59、數(shù)，用ρs表示：ρs =n/s；位錯(cuò)密度的量綱為L(zhǎng)-2。實(shí)際晶體中位錯(cuò)線的方向完全是任意的。 實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明：退火良好的金屬晶體，位錯(cuò)密度為108~1012m-2，劇烈冷加工金屬位錯(cuò)密度約為1015~10１6 m-2，和淬火低碳馬氏體中位錯(cuò)密度相近。,2024/3/16,89,位錯(cuò)的存在，對(duì)金屬材料的機(jī)械性能、擴(kuò)散及相變等過(guò)程有著重要的影響。,理論強(qiáng)度,晶須強(qiáng)度,合金化、加工、熱處理等,未處理的純金屬,而工業(yè)上應(yīng)用的退火純

60、鐵，抗拉強(qiáng)度低于300 MPa。,幾乎不含位錯(cuò)的結(jié)構(gòu)完整的小晶體——晶須，的抗拉強(qiáng)度達(dá)13400 MPa；,冷塑性變形等方法可使金屬中的位錯(cuò)密度大大提高，則金屬的強(qiáng)度也隨之提高。,2024/3/16,90,3、面缺陷晶體表面：　　指金屬與真空或氣體、液體等外部介質(zhì)相接觸的界面。界面上的原子，同時(shí)受晶體內(nèi)自身原子和外部介質(zhì)原子或分子的作用力。內(nèi)部原子對(duì)界面原子的作用力＞＞外部原子或分子的作用力。 表面原子就會(huì)偏離其正常平衡位置

61、，并因而牽連到鄰近的幾層原子，造成表面層的晶格畸變。,由于晶格畸變，故其能量就會(huì)升高，將單位面積上升高的能量稱(chēng)為比表面能，簡(jiǎn)稱(chēng)表面能，它與表面張力同數(shù)值、同量綱，單位為J/m2。單位長(zhǎng)度上的表面張力單位為N/m。,2024/3/16,91,影響表面能的主要因素有： ⑴ 外部介質(zhì)的性質(zhì)。外部介質(zhì)的分子或原子對(duì)晶體界面原子的作用力與晶體內(nèi)部分子或原子對(duì)界面原子的作用力相差越懸殊，則表面能越大。 ⑵ 裸露晶

62、面的原子密度。當(dāng)裸露的表面是密排晶面時(shí)，則表面能最小，非密排晶面的表面能則較大。 ⑶ 晶體表面的曲率。表面的曲率越大，曲率半徑越小，則表面能越高。,2024/3/16,92,晶界： 晶體結(jié)構(gòu)相同但位向不同的晶粒之間的界面，稱(chēng)為晶粒間界，或簡(jiǎn)稱(chēng)晶界。 當(dāng)相鄰晶粒的位向差＜10°，稱(chēng)小角度晶界；位向差＞10°，稱(chēng)大角度晶界。,小角度晶界① 對(duì)稱(chēng)傾側(cè)晶界

63、 由兩個(gè)晶粒相互傾斜θ/2角（θ＜10°）所構(gòu)成。對(duì)稱(chēng)傾側(cè)晶界是由一系列相隔一定距離的刃型位錯(cuò)所組成，有時(shí)將這一列位錯(cuò)稱(chēng)為“位錯(cuò)墻”。,2024/3/16,93,② 扭轉(zhuǎn)晶界 由位向相同的兩個(gè)晶粒繞與界面垂直的軸相對(duì)旋轉(zhuǎn)一個(gè)角度θ后形成的。扭轉(zhuǎn)晶界是由互相交叉的螺型位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)所組成的。,2024/3/16,94,大角晶界模型,大角度晶界　　相鄰晶粒在鄰接處的形狀由不規(guī)則的臺(tái)階組成，界面上既包含有不屬于任一

64、晶粒的原子，也含有同時(shí)屬于兩個(gè)晶粒的原子；既包含有壓縮區(qū)，也包含有擴(kuò)張區(qū)?！　】砂丫Ы缈醋魇窃优帕形蓙y的區(qū)域（壞區(qū)）與原子排列較整齊的區(qū)域（好區(qū)）交替相間而成。晶界很薄，純金屬中大角晶界的厚度不超過(guò)3個(gè)原子間距。,2024/3/16,95,2024/3/16,96,金屬晶粒內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)示意圖,亞晶界： 晶粒內(nèi)的原子排列并不是十分齊整，而是由位向差很?。ㄍǔＰ∮?°）的晶塊（亞結(jié)構(gòu)）組成，這些晶塊之間的界面

65、就稱(chēng)為亞晶界。,亞結(jié)構(gòu)和亞晶界泛指尺寸比晶粒更小的所有細(xì)微組織及其分界線。 可在凝固、塑性形變、回復(fù)再結(jié)晶、固態(tài)相變時(shí)形成。,2024/3/16,97,堆垛層錯(cuò)：　　晶面堆垛順序發(fā)生局部差錯(cuò)而產(chǎn)生的一種晶體缺陷稱(chēng)為堆垛層錯(cuò)，簡(jiǎn)稱(chēng)層錯(cuò)。 層錯(cuò)的存在破壞了晶體周期性的完整性，引起能量升高，通常把產(chǎn)生單位面積層錯(cuò)所需的能量稱(chēng)為層錯(cuò)能。,從fcc抽出一層c,從fcc抽出一層c,從fcc抽出一層A,2024/3/16

66、,98,相界：　　具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱(chēng)為相界。,共格界面 指界面上的原子同時(shí)位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上，為兩種晶格所共有。 （a）原子匹配好，幾乎無(wú)畸變。（b）原子間距有差別，產(chǎn)生畸變，差別↑，畸變↑，界面能↑。界面能最低,2024/3/16,99,半共格界面 隨畸變?cè)黾?，共格關(guān)系被破壞。兩相原子部分保持對(duì)應(yīng)關(guān)系，其特征是相界面上每隔一定距離就存在一個(gè)刃型位錯(cuò)。,非共格界面

67、 畸變?cè)龃?，不能維持共格關(guān)系而破壞。成為完全不具有共格關(guān)系的界面。界面能最高,2024/3/16,100,晶界特性： ⑴ 晶界上的原子或多或少地偏離了其平衡位置，因而或多或少地具有界面能。界面能越高，界面越不穩(wěn)定。 ⑵ 由于界面能的存在，當(dāng)金屬中存在能降低界面能的異類(lèi)原子時(shí)，這些原子就向晶界偏聚，這種現(xiàn)象稱(chēng)為內(nèi)吸附。 ⑶ 在室溫下，晶界對(duì)金屬材料的塑性變形起阻礙作用，使材料的強(qiáng)度