金属学与热处理总复习.ppt
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1、1,第1章 复习,2,金属键,典型金属原子结构:最外层电子数很少,即价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子,形成电子云。 金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。,特点:电子共有化,既无饱和性又无方向性,形成低能量密堆结构,性质:良好导电、导热性能,延展性好,3,空间点阵:将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点(阵点 lattice point),即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列。,空间点阵,晶胞:为了反映晶格的对称性,常取最小重复单元的几倍作为重复单元。,4,晶系与布拉菲点阵,5,典型的金属晶体结构,面心立方(A1, FCC) 体心立方(A2, BCC) 密排六方(
2、A3, HCP),6,晶胞内的原子数 点阵常数与原子半径 配位数:是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。 致密度:晶体结构中原子体积占总体积的百分比。 K为致密度 n为晶胞中原子数 v是一个原子的体积 原子间隙,7,原子个数:2 配位数: 8 致密度:0.68 常见金属:-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等,晶格常数:a(a=b=c),原子半径:,体心立方,8,原子个数:4 配位数: 12 致密度:0.74 常见金属: -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等,晶格常数:a,面心立方,9,原子个数:6 配位数: 12 致密度:0.74 常见金属: Mg、Zn、 Be、Cd等,晶格常数:
3、底面边长 a 和高 c, c/a=1.633,密排立方,10,面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序 密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB 面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABC,晶体中原子的堆垛方式,11,典型金属晶体中原子间的间隙,四面体空隙(tetrahedral interstice),由4个球体所构成,球心连线构成一个正四面体; 八面体空隙(octahedral interstice),由6个球体构成,球心连线形成一个正八面体。,12,八面体间隙FCC,八面体间隙的数目 八面体间隙半径,13,四面体间隙FCC,四面体间隙的数目 四面体间隙半径,14,三种典型金属结构的晶体学特
4、点,15,晶向指数和晶面指数,晶向:连接晶体中任意原子列的直线。 晶面:穿过晶体的原子面(平面)。 国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。,16,(1) 建立以晶轴a,b,c为坐标轴的坐标系,各轴上的坐标长度单位分别是晶胞边长a,b,c,坐标原点在待标晶向上; (2) 选取该晶向上原点以外的任一点P(xa,yb,zc); (3) 将x,y,z化成最小的简单整数u,v,w, 且u : v : w = x : y : z; 将u,v,w三数置于方 括号2内就得到晶向指数uvw。,晶向指数求法,17,晶面指数的标定,建立以a,b,c为坐标轴的坐标系。 求待标晶面在a,b,c轴上的截距x,y,z。如该晶面
5、与某轴平行,则截距为。 取截距的倒数1/x,1/y,1/z。 将其化成最小的简单整数h,k,l。 将h,k,l置于圆括号内,写成 (hkl),即为待标晶面的晶面指数。,图 晶面指数的标定,18,u v w u v t w t=-(u+v),或,六方晶系指数,19,所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个 “晶带”(crystal zone);此直线称为晶带轴(crystal zone axis),所有的这些晶面都称为共带面。 晶带轴u v w与该晶带的 晶面(h k l)的关系 hukvlw0 晶带定律 凡满足此关系的晶面都 属于以u v w为晶带轴的晶带。,晶带与晶带定理,20,立
6、方晶系中原子的排列及其面密度,晶体的各向异性,21,立方晶系中重要晶向的原子的排列及其线密度,22,多晶型性,当外部的温度和压强改变时,有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变,称之为多晶型转变,又称为同素异构转变。由同素异构转变所得的不同晶格类型的晶体称为同素异构体。,纯铁的同素异构转变 铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。纯铁的结晶和同素异构转变的过程:,23,缺陷,点缺陷,线缺陷 (位错),面缺陷,分类:空位、间隙原子,热缺陷:弗仑克尔缺陷、肖特基缺陷,点缺陷浓度,位错类型,刃型位错,螺型位错,混合位错,柏氏矢量,表面,晶界,相界,实际金属的晶体结构,24,点缺陷:三维方向上尺寸都
7、很小(远小于晶体或晶粒的线度),又称零维缺陷。典型代表有空位、间隙原子等。 线缺陷:两个方向尺寸很小,一个方向尺寸较大(可以和晶体或晶粒线度相比拟),又称为一维缺陷。位错是典型的线缺陷。 面缺陷:一个方向尺寸很小,另两个方向尺寸较大,又称二维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等。 体缺陷:如果在三维方向上尺度都较大,那么这种缺陷就叫体缺陷,又称三维缺陷。如沉淀相、空洞等。,缺陷的分类,25,间隙原子:原子进入晶格中正常结点之间的间隙位置,成为间隙原子或称填隙原子。,空位:正常结点没有被原子或离子所占据,成为空结点,称为空位。,点缺陷的分类,26,弗伦克尔缺陷:在晶格内原子热振动时,一些能量足够大
8、的原子离开平衡位置后,进入晶格点的间隙位置,变成间隙原子,而在原来的位置上形成一个空位,这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。,肖特基缺陷:如果正常格点上的原子,热起伏过程中获得能量离开平衡位置,跳跃到晶体的表面,在原正常格点上留下空位,这种缺陷称为肖特基缺陷。,弗伦克尔缺陷,肖特基缺陷,根据产生缺陷的原因来划分,27,点缺陷对材料性能的影响,点缺陷的存在使晶体体积膨胀,密度减小。 点缺陷引起电阻的增加,这是由于晶体中存在点缺陷时,对传导电子产生了附加的电子散射,使电阻增大。 空位对金属的许多过程有着影响,特别是对高温下进行的过程起着重要的作用。 金属的扩散、高温塑性变形的断裂、退火、沉淀、表面化学热处理
9、、表面氧化、烧结等过程都与空位的存在和运动有着密切的联系。 过饱和点缺陷(如淬火空位、辐照缺陷)还提高了金属的屈服强度。,28,晶体中已滑移区与未滑移区的边界线垂直于滑移方向,则会存在一多余半排原子面,使此处上下两部分晶体产生原子错排,这种晶体缺陷称为刃型位错。 多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错,记为“”;相反,半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错,记为“”。符号中水平线代表滑移面,垂直线代表半个原子面。,线缺陷,29,刃型位错的结构特征 有一额外的半原子面,分正和负刃型位错; 可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线,可是直线也可是折线和曲线,但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直; 只能在同
10、时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移; 位错周围点阵发生弹性畸变,有切应变,也有正应变; 位错畸变区只有几个原子间距,是狭长的管道,故是线缺陷。,30,晶体中已滑移区与未滑移区的边界线(即位错线)若平行于滑移方向,则在该处附近原子平面已扭曲为螺旋面,这种晶体缺陷称为螺型位错。 符合右手法则的称右螺旋位错;符合左手法则的称为左螺旋位错。,31,螺型位错的结构特征 无额外的半原子面,原子错排程轴对称,分右旋和左旋螺型位错; 一定是直线,与滑移矢量平行,位错线移动方向与晶体滑移方向垂直; 滑移面不是唯一的,包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面; 位错周围点阵也发生弹性畸变,但只有平行于位错线
11、的切应变而无正应变,即不引起体积的膨胀和收缩; 位错畸变区也是几个原子间距宽度,同样是线位错。,32,位错的基本几何性质,位错是一条细长的管状缺陷区,区内的原子严重地错排。 位错可以看成是局部滑移或局部位移区的边界。 b与之间的关系确定了三类位错。b的大小决定了位错中心区的原子错配度和周围晶体的弹性形变,决定了能量大小。 位错线必须是连续的。它或者起至于晶体表面(或晶界),或形成封闭回路(位错环),或者在结点处和其他位错相连。 刃位错的b向上为正,反之为负(右手法则)。螺位错的与b同向为右螺型,反向为左螺型。 b的最重要性质是守恒性,即一条位错线只有一个b。,33,表征位错线的性质:根据b与位
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