金屬與合金的晶體結構

1、金 屬 學 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思想意識之外的所有物質。,2024/3/16,3,3,材料、能源、信息是現代科技的三大支柱沒有材料的世界是虛無的世界，沒有能源的世界是死寂的世界,沒有信息的世界是混亂的世界，它們會將人類文明推向新階段。數學老師經常將數學比作皇冠上的寶石，以說明數學在自然科學領域中的重要性，我要將材料學比作

2、皇冠上的鉆石。因為新材料是社會進步的物質基礎、重要支柱和技術先導?？梢赃@樣說“世間萬物，凡于我所用，皆為材料”,2024/3/16,4,,,,材料的重要性,★ 是人類生產、生活的物質基礎,★人類社會文明程度的重要標志之一,★當代社會經濟的先導，是科技進步的關鍵,2024/3/16,5,5,石器時代、銅器時代、鐵器時代,物質基礎,中國古代的四大發(fā)明當代文明的三大支柱全球新技術革命的標志,,2024/3/16,6,6,技術先導,★ 鋼

3、鐵材料：現代文明開始的標志,1856年平爐煉鋼，1864年轉爐煉鋼,蒸汽機（1888年）,,,紡織、交通（20世紀初）,★ 半導體材料：當代信息技術的起點,1947年鍺晶體管，1958年硅集成電路,第一代電子管計算機（1945年，ENIAC）,第二代晶體管計算機（1959年）,,第三代集成電路計算機（1964年）,,第四代大規(guī)模集成電路計算機（1970年代初）,,2024/3/16,7,7,重要支柱,美國國家科學研究委員會的報告：

4、 美國若在新材料的開發(fā)、制造及市場開拓方面不做出更大的努力，就極可能在當今這個時代中失去有效參與競爭的能力。,2024/3/16,8,8,材料發(fā)展的概況 材料是人類社會進步的物質基礎和先導，是人類進步的里程碑。一萬年前，人類使用石頭作為日常生活工具，人類進入了舊石器時代，人類戰(zhàn)爭也進入了冷兵器時代。7000年前，人類在燒制陶器的同時創(chuàng)造了煉銅技術，青銅制品廣泛地得到應用，同時又促進了人類社會發(fā)展，人類進入了青銅器時代。同時火藥

5、的發(fā)明又使人類戰(zhàn)爭進入了殺傷力更強的熱兵器時代。,2024/3/16,9,9,5000年前，人類開始使用鐵，隨著煉鐵技術的發(fā)展，人類又發(fā)明了煉鋼技術。十九世紀中期轉爐、平爐煉鋼的發(fā)展使得世界鋼產量迅猛增加，大大促進了機械、鐵路交通的發(fā)展。隨著二十世紀中期合金鋼的大量使用，人類又進入鋼鐵時代，鋼鐵在人類活動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，又將人類引入了可以毀滅自己的

6、核軍備競賽，同時核材料的和平利用，又給人類帶來了光明。二十世紀中后期以來，高分子、陶瓷材料崛起以及復合材料的發(fā)展，又給人類帶來了新的材料和技術革命，樓房可以越蓋越高、飛機越飛越快，同時人類進入太空的夢想成為了現實。,2024/3/16,12,12,德國柏林某打鐵鋪,2024/3/16,13,13,核反應器內腔（鎳基合金材料）,2024/3/16,14,14,磁懸浮列車,朱镕基和施羅德乘坐中國第一輛磁懸浮列車,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,火箭科學家稱它們?yōu)椤败壍浪槠保话闳藢⑵浞Q為“太空垃圾”。,繞地軌道上的可跟蹤物體,2024/3/16,19,材料的結構、組織與性能含義,結構,組織,構成材料的基本質點(離子、原子或分子等)是如何結合與排列的，它表明材料的構成方式。,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。,力學性能,物理性能,化學性能,,,,,強度、硬度、塑性、韌性、蠕變和疲勞,熔點、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；流動性,,指材料的可加工性 。,熱處理,粉末冶

9、金,機械加工,,,,2024/3/16,22,性能,使用性能,工藝性能,,,,,鑄造,塑性加工,焊接,,,,,液→固；流動性,鍛、拉、擠、軋、彎 ；延展性 ；變形抗力、變形開裂傾向,可焊性,,,,熱處理,粉末冶金,機械加工,,,,熱誘發(fā)組織轉變；,經壓制、燒結成固體,,,切削加工,,指材料的可加工性 。,2024/3/16,23,材料的分類,結構材料,功能材料,,,,,強調利用材料的力學性能來滿足工程結構上的需要,強調材料具有光、電、磁

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

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,還有一些獨特的光學、電學。,2024/3/16,26,材料的分類,金屬材料,復合材料,,,,,材料中原子之間的鍵合特點,陶瓷材料,高分子材料,,,非金屬原子共有電子而構成大分子材料稱為高分子材料。每個大分子由許多結構相同的單元相互連接而成，因此高分子材料又稱為聚合物。它具有較高的強度、良好的塑性、較強的耐腐蝕性、絕緣性和低密度等優(yōu)良性能。,2024/3/16,27,材料的分類,金

12、屬材料,復合材料,,,,,材料中原子之間的鍵合特點,陶瓷材料,高分子材料,,,復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。復合材料可能具有非同尋常的剛度、強度、高溫性能和耐蝕性。,2024/3/16,28,2024/3/16,29,關 于 本 門 課 程,闡述金屬材料的化學成分、微觀組織結構與宏觀力學性能三者之間的關系和變化規(guī)律的科學。,通過本課程的學習，達到能夠運用金屬學、熱處理原理和金屬材料的基本理論知識，

13、認識與分析本專業(yè)課程中所遇到的有關問題；,掌握和運用金屬材料及熱處理知識，能合理而經濟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,學習目的,掌握有關金屬材料學科的基本概念、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)程奠定堅實的基礎。,,2024/3/16,31,學習要求,熟悉常用術語和基本概念,,,,牢固建立材料的性能決定于材料的組織、結構這一概念,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。,,,平時成績20％＋期末考試 80％,考核,2024/3/16,32,第一章 金屬與合金的晶體結構,2024/3/16,33,金屬材料的化學成分不同，其性能也不同。,對于同一種成分的金屬材料，通過不同的加工處理工藝，改變材料內部的組織結構，也可以使性能發(fā)生極大的變化。,可見，除化學成分外，金屬的內部結構和組織狀態(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部結構，首先應了解晶體的

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

16、電阻都隨溫度升高而下降。 由原子結構和原子間的結合方式確定。,2024/3/16,35,金屬的最外層電子數很少（1～3），外層電子與原子核的結合力弱，容易脫離原子核的束縛而變成自由電子；原子成為正離子，將這些元素稱為正電性元素。 過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，化合價可變。結合力特強，表現為熔點、強度高。,1、 金屬原子的結構特點,原子(10-10m、Å = 1

17、0-1nm)= 帶正電的原子核(質子+中子) （10-14m）+ 帶負電的按能級排布核外電子(最外層與次外層為價電子) 。,非金屬外層電子數較多，最多7個，最少4個，易獲得電子，原子成為負離子，故非金屬元素又稱為負電性元素。,可見原子外層參與結合的電子數決定著結合鍵的本質，對化學性能、強度等特性有重要影響。,2024/3/16,36,共價鍵 相鄰原子共用其外部價電子，形成穩(wěn)定的電子滿殼層。金剛石中的碳原子間即為共價鍵。,離

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

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

20、與金屬正離子間的引力（長程力），以及正離子間、電子間的排斥力（短程力）合成的。當兩原子間距較大，引力＞斥力，兩原子自動靠近；當兩原子自動靠近，使電子層發(fā)生重疊時，斥力↑↑；直到兩原子間距為d0時，引力＝斥力。任何對平衡位置d0的偏離，都將受到一個力的作用，促使其回到平衡位置。原子間最大結合力不是出現在平衡位置d0而是在dc位置，最大結合力與金屬的理論抗拉強度相對應。,結合能是吸引能和排斥能的代數和。當原子處于平衡距離d0時，其結合能達到

21、最低值，此時原子的勢能最低、最穩(wěn)定。任何對d0的偏離，都會使原子勢能增加，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)，即恢復到平衡距離的傾向。,,2024/3/16,39,1.2 金屬的晶體結構,1、晶體的特性: 天然晶體(寶石) → 規(guī)則外型 金屬一般無規(guī)則外型 晶體 → 原子在三維空間按照一定的規(guī)律周期性的重復排列。 具有固定的熔點、各向異性。

22、 不同方向上的性能，表現出差異，稱為各向異性。,非晶體→ 內部原子雜亂無章，至多有局部或短程規(guī)則排列。 無固定熔點、各向同性。,一定條件晶體←→非晶體 ，玻璃高溫長時間保溫，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,晶體結構： 指晶體中原子（或離子、分子

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

24、用直線連接起來形成空間格子，稱空間點陣，簡稱點陣或晶格。,為清楚地表明原子在空間的排列規(guī)律性，常將構成晶體的實際質點忽略，而將它們抽象為純粹的幾何點，稱為陣點或結點。,晶格,空間點陣：,2024/3/16,42,同一點陣，可因晶胞選擇方式不同，得到不同的晶胞。,晶胞選取應滿足下列條件: (1)晶胞幾何形狀充分反映點陣對稱性。 (2)平行六面體內相等的棱和角數目最多。 (3)當棱間呈直角時，

25、直角數目應最多。 (4)滿足上述條件，晶胞體積應最小。,晶胞 能夠完全反映陣點排列規(guī)律的最小幾何單元。,晶胞,晶格,大小、形狀棱邊長度: a、b、c棱邊夾角: α、β、γ表示。,,α,β,γ,,,2024/3/16,43,簡單三斜,底心單斜,簡單單斜,底心正交,體心正交,面心正交,簡單正交,3、三種典型晶體結構,根據晶格常數與夾角關系空間點陣分為14種布拉菲格子,2024/3/16,44,簡單三方,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°，構成立方體；晶胞的8個角頂各有1個原子，立方體的中心有1個原子。體心立方結構的金屬有：α-Fe、Cr、V、Nb、Mo、W等。,體心立方晶格(body-center

27、ed cube, bcc),原 子 數：n=8×1／8＋1＝2原子半徑：配 位 數：指晶體結構中，與任一個原子最近鄰、等距離的原子數目。 bcc配位數：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個角頂各有1個原子，構成立方體，立方體6個面的中心各有1個

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

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

30、子半徑：,配 位 數：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，稱為六方最密排面。每個球的周圍有六個間隙，可分為B、C兩組，每組分別構成一等邊三角形?！　∶芏呀Y構中的某一層密排面由中 心 在A的原子構成，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,對各類晶體分析表明：配位數最大為1

31、2，致密度最高為0.74 。為何會出現fcc和hcp不同的晶體結構？,2024/3/16,49,如密排面的堆垛次序為ABAB，得到hcp結構。,如密排面的堆垛次序為ABCABC，得到fcc結構。,,,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于連接

32、晶胞立方體的兩個斜對角線所組成的面，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，依次類推。因而堆垛次序為ABAB，得到體心立方結構。,2024/3/16,52,,六個原子的中心構成了正八面體的頂角，六個原

33、子之間就形成一個八面體間隙。,晶體中的間隙 在密堆結構中，四個原子的中心構成了正四面體的頂角，四個原子之間就形成一個四面體間隙。,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,數量：4,數量：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：不是密堆積結構，但也有兩類間隙， 扁八面體間隙:,角頂至間隙中心的距離較遠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,數量：6,數量：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，當原子半徑相等時（軸比為1.633時），間隙大小完全相等，只是間隙中心在晶胞中的位置不同。,數量：6,數量：12,金屬原子,四面體間隙,,,金屬原子,八面體間隙,,,2024/3/16,58,4、晶向指數和晶面指數,晶體中，由一系列原子所組成的平面稱晶面，任意兩個原子之間的連線所指的方向稱晶向。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,確定步驟： ① 以晶胞三棱邊為坐標軸x、y、z，以棱邊長度為坐標軸的長度單位； ② 從坐標原點引一有向直線平行于待定晶向； ③ 在這條直線上取一適當結點，并求出此點的位置坐標； ④ 將三坐標值化為最簡整數，寫入方括號內，如［u v w］?！　≡优帕邢嗤臻g位向不同的所有晶向稱為晶向族，用尖括號表示，如〈u v w〉。

37、 如坐標值為負值，則相應數字之上冠以負號。,2024/3/16,59,[111],,2024/3/16,60,晶面指數確定步驟： ① 以晶胞三棱邊為參考坐標軸x、y、z，原點應位于待定晶面之外，以免出現零截距。 ② 以各晶軸點陣常數為度量單位，求出晶面與三個晶軸的截距。 ③ 取各截距的倒數，化為最簡整數比，放在圓括號內，如(h k l )

38、。,如截距為負值，則相應數字之上冠以負號。,2024/3/16,61,原子排列相同，但空間位向不同的所有晶面稱為晶面族，用大括號表示，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與晶向指數,可用上述

39、方法，但確定六方晶系的晶面指數時，如用a1、a2、c三個坐標軸，令a1、a2 的夾角為120°，c 軸與a1、a2 垂直，標定的晶面指數中，同類型的晶面指數不相類同。,如6個柱面屬同一平面族，但指數為,因此用a1、a2、a3 及 c 四個坐標軸，a1，a2，a3之間夾角均為120°。晶面指數以（h k i l）四個指數表示，前三個指數中只有兩個是獨立的，它們之間有以下關系：i = -( h + k )。,四軸坐標系6

40、個柱面指數為,2024/3/16,66,2024/3/16,67,三軸平面指數（HKL）轉換成四軸坐標（hkil）時 h = H k = K i = - (H + K) l =L三軸晶向指數［UVW］轉換成四軸坐標 [uvtw] 時 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(hkl)與晶帶軸的晶向指數〈uvw〉存在以下關系： 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晶帶，這個特定方向稱為晶帶軸。,兩個晶面(h

42、1k1l1)和(h2k2l2)的晶帶軸指數〈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 → 結合力不同 → 性能（彈性摸量、強度、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,當外部條件（如溫度、

44、壓強）改變時，晶體內部由一種晶體結構向另一種晶體結構的轉變稱為多晶型性轉變或同素異構轉變。,純鐵加熱時的膨脹曲線,多晶型性： 一般金屬只有一種晶體結構，但少數金屬（Fe、Mn、Ti、Co等）具有兩種或 幾種晶體結構，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、異構轉變時伴有比容或體積變化。,2024/3/16,71,1.3 實際金屬的晶體結構,實際金屬材料中，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。,晶體缺陷的產生、發(fā)展、運動及交互作用，在晶體的強度、塑性、擴散、相變塑性變形與再結晶等問題中扮演著主要的角色。,根據晶體缺陷的幾何特征，可分為三類：① 點缺陷：在三個方向的尺寸都很小，相當于原子尺寸，

46、 如空位、間隙原子、置換原子等。② 線缺陷：在兩個方向的尺寸很小，另一個方向的尺寸 相對很大，主要是位錯。③ 面缺陷：在一個方向的尺寸很小，另外兩個方向的尺 寸相對很大，如晶界、亞晶界等。,2024/3/16,72,1、點缺陷： 常見的有空位、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行熱振動。振幅與溫度有關，原子熱振動的能量是溫度

47、的函數，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能量并不相同，即存在能量起伏。,大置換原子,肖脫基空位,復合空位,弗蘭克空位,異類間隙原子,小置換原子,同類間隙原子,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，以克服周圍原子的束縛，離開原來的平衡位置遷移到別處，其結果，即在原位置上出現了空結點，即空位。,空位性質： 位置不固定，處于

48、運動、消失和形成的不斷變化中。 是一種熱平衡缺陷（雖使晶體的內能升高，但也增加晶體結構的混亂程度，使熵值增加），溫度↑，平衡濃度↑。一定溫度下，對應著一定的平衡濃度?！　　　】瘴坏钠胶鉂舛葮O小，但在固態(tài)金屬的擴散過程中起極為重要的作用。 通過某些處理（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飽和狀態(tài)。,2024/3/16,74,空位使周圍原子失去一個近鄰原子，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，偏離其平衡位置，產生晶格畸變。,空 位 的 運 動,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,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為固溶度或溶解度。,弗蘭克空位,異類間隙原子,同類間隙原子,原子硬擠入很小的晶格間隙中后，會造成嚴重的晶格畸變。間隙原子盡管很小，但仍比晶格中的

50、間隙大得多，造成的晶格畸變遠較空位嚴重。,2024/3/16,76,置換原子: 占據原基體原子平衡位置上的異類原子，稱為置換原子。 由于置換原子的大小與基體原子不可能完全相同，因此其周圍鄰近原子也偏離其平衡位置，造成晶格畸變。,置換原子也是一種熱力學平衡的缺陷，在一定溫度下有一平衡濃度，一般稱為固溶度或溶解度。,2024/3/16,77,2、線缺陷,刃型位錯： 某一原子面在晶體內部中斷，

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生錯排，特別是使刃口附近的原子完全失去了正常的相鄰關系，形成晶體缺陷，即刃口處的原子列，稱為刃型位錯。,2024/3/16,78,刃型位錯的彈性性質 在位錯線周圍一有限區(qū)域內，原子離開了原平衡位置，即產生了晶格畸變，且在額外半原子面左右的畸變是對稱的。就正刃型位錯而言，滑移面上面的原子間距變小，晶格受壓應力；滑移面下面的原子間距變大，晶格受拉應力；而在滑移面上，晶

52、格受到切應力。 在位錯中心，即額外半原子面的邊緣處，晶格畸變最大，距離位錯中心距離逐漸增加，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)域稱為位錯寬度，其值約為3~5個原子間距。,2024/3/16,79,刃型位錯的特征： ① 刃型位錯有一個額外半原子面； ② 位錯線是一個具有一定寬度的細長的晶格畸變管道，其中既有正應變，又有切應變。對于正刃型位錯，滑移面上面的晶格

53、受到壓應力；滑移面下面的晶格受到拉應力。負刃型位錯與此相反。 ③ 位錯線與晶體滑移的方向相垂直，即位錯線運動的方向垂直于位錯線。,2024/3/16,80,螺型位錯： 切應力使晶體右端上下兩部分沿滑移面發(fā)生一個原子間距的相對切變，已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界線就是螺型位錯線。,2024/3/16,81,螺形位錯周圍滑移面上下相鄰的兩個晶面的原子錯排情況,已滑移區(qū),未滑移區(qū),過渡區(qū),位錯線,2024/3/16,

54、82,螺型位錯的特征： ① 螺型位錯沒有額外半原子面； ② 位錯線是一個具有一定寬度的細長的晶格畸變管道，其中沒有正應變，只有切應變。 ③ 位錯線與晶體滑移的方向相平行，即位錯線運動的方向垂直于位錯線。,2024/3/16,83,柏氏矢量： 表示位錯的性質的量，即表示不同類型位錯晶格畸變的大小和方向。,確定方法： ① 在實際晶體中，從距位錯線一定距離的無

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

56、,,,,,,,,,回路不閉合，由終點向始點引出的矢量使回路閉合，此矢量即為該螺型位錯的柏氏矢量b。,2024/3/16,85,,螺型位錯的柏氏矢量： 在含有螺型位錯的實際晶體中，圍繞位錯線作一個閉合的回路。,后在完整的晶體中作相似的回路，回路不閉合，由對比終點向始點引出的矢量使回路閉合，此矢量即為該螺型位錯的柏氏矢量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的類型，而不要再去分析晶體中原子排列的具體細節(jié)。柏氏矢量⊥位錯線，是刃位錯；柏氏矢量∥位錯線，是螺位錯。 ② 用柏氏矢量可以表示位錯區(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 一條位錯線的柏氏矢量是恒定不變的，與回路的大小、形狀、起點和具體路徑無關。 ⑤ 刃型位錯線和與之垂直的柏氏矢量所構成的平面是滑移面，刃位錯的滑移面只有

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

59、數，用ρs表示：ρs =n/s；位錯密度的量綱為L-2。實際晶體中位錯線的方向完全是任意的。 實驗結果證明：退火良好的金屬晶體，位錯密度為108~1012m-2，劇烈冷加工金屬位錯密度約為1015~10１6 m-2，和淬火低碳馬氏體中位錯密度相近。,2024/3/16,89,位錯的存在，對金屬材料的機械性能、擴散及相變等過程有著重要的影響。,理論強度,晶須強度,合金化、加工、熱處理等,未處理的純金屬,而工業(yè)上應用的退火純

60、鐵，抗拉強度低于300 MPa。,幾乎不含位錯的結構完整的小晶體——晶須，的抗拉強度達13400 MPa；,冷塑性變形等方法可使金屬中的位錯密度大大提高，則金屬的強度也隨之提高。,2024/3/16,90,3、面缺陷晶體表面：　　指金屬與真空或氣體、液體等外部介質相接觸的界面。界面上的原子，同時受晶體內自身原子和外部介質原子或分子的作用力。內部原子對界面原子的作用力＞＞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，故其能量就會升高，將單位面積上升高的能量稱為比表面能，簡稱表面能，它與表面張力同數值、同量綱，單位為J/m2。單位長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 外部介質的性質。外部介質的分子或原子對晶體界面原子的作用力與晶體內部分子或原子對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。當裸露的表面是密排晶面時，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： 晶體結構相同但位向不同的晶粒之間的界面，稱為晶粒間界，或簡稱晶界。 當相鄰晶粒的位向差＜10°，稱小角度晶界；位向差＞10°，稱大角度晶界。,小角度晶界① 對稱傾側晶界

63、 由兩個晶粒相互傾斜θ/2角（θ＜10°）所構成。對稱傾側晶界是由一系列相隔一定距離的刃型位錯所組成，有時將這一列位錯稱為“位錯墻”。,2024/3/16,93,② 扭轉晶界 由位向相同的兩個晶粒繞與界面垂直的軸相對旋轉一個角度θ后形成的。扭轉晶界是由互相交叉的螺型位錯網絡所組成的。,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，也含有同時屬于兩個晶粒的原子；既包含有壓縮區(qū)，也包含有擴張區(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3個原子間距。,2024/3/16,95,2024/3/16,96,金屬晶粒內的亞結構示意圖,亞晶界： 晶粒內的原子排列并不是十分齊整，而是由位向差很?。ㄍǔＰ∮?°）的晶塊（亞結構）組成，這些晶塊之間的界面

65、就稱為亞晶界。,亞結構和亞晶界泛指尺寸比晶粒更小的所有細微組織及其分界線。 可在凝固、塑性形變、回復再結晶、固態(tài)相變時形成。,2024/3/16,97,堆垛層錯：　　晶面堆垛順序發(fā)生局部差錯而產生的一種晶體缺陷稱為堆垛層錯，簡稱層錯。 層錯的存在破壞了晶體周期性的完整性，引起能量升高，通常把產生單位面積層錯所需的能量稱為層錯能。,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：　　具有不同晶體結構的兩相之間的分界面稱為相界。,共格界面 指界面上的原子同時位于兩相晶格的結點上，為兩種晶格所共有。 （a）原子匹配好，幾乎無畸變。（b）原子間距有差別，產生畸變，差別↑，畸變↑，界面能↑。界面能最低,2024/3/16,99,半共格界面 隨畸變增加，共格關系被破壞。兩相原子部分保持對應關系，其特征是相界面上每隔一定距離就存在一個刃型位錯。,非共格界面

67、 畸變增大，不能維持共格關系而破壞。成為完全不具有共格關系的界面。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，當金屬中存在能降低界面能的異類原子時，這些原子就向晶界偏聚，這種現象稱為內吸附。 ⑶ 在室溫下，晶界對金屬材料的塑性變形起阻礙作用，使材料的強度