第一章绪论金属的晶体结构.ppt

,欢迎走近金属学与热处理的世界,材料工程学院金属材料系,学习重点： 一个中心：金属及合金的成分、组织结构间的变化规律； 二个图形：相图、曲线 ； 五大转变：珠光体转变、奥氏体转变、贝氏体转变、马氏体转变、回火转变； 四把大火：正火、退火、淬火、回火； 八大钢种：渗碳钢、调质钢、轴承钢、刃具钢、模具钢、量具钢、特殊性能钢。,第一章 金属的晶体结构,第一节 金属 1、金属的特点： 外观特征：金属光泽和不透明性； 正的电阻温度系数； 良好的机械性能，良好的导电性、导热性； 2、金属的原子结构： 最外层电子只有1-2个，次外层不满。 金属键：正离子沉浸在电子云中，依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来的方式叫做金属键；无方向性和饱和性。 3、固态金属的特性：导电、导热、电阻、有光泽、不透明,4、结合力 结合力：包括：正离子与周围自由电子之间的吸引力；正离子与正离子以及电子与电子之间的排斥力；吸引力与排斥力的代数和，如图 从图中可知： 当d=d0时，吸引力排斥力，结合力0，d0即相当于原子的平衡位置； 当d d0时，排斥力吸引力，原子之间相互排斥，使原子回到d0位置； 当dd0时，吸引力排斥力，原子之间相互吸引，使原子回到d0位置； 原子间最大结合力不在平衡位置，而在dc位置，此最大结合力对应着金属的理论抗拉强度。,5、结合能： 结合能：吸引能与排斥能的代数和，如图 从图中可知； 当d=d0时，其结合能最低，故任何对平衡位置的偏离，都使原子的势能增加，从而使之恢复到平衡位置； EAB：原子间的结合能或键能； 推广出固态金属中的原子趋于规则排列的原因；,第二节 金属的晶体结构,1、晶体与非晶体： 晶体：内部的原子在三维空间按一定的规律周期性的重复排列着； 例如：钻石、冰、食盐、各种金属构件等； 非晶体：内部的原子是散乱分布着，至多有些局部的短程规则排列； 例如：玻璃、棉花、松香等； 2、晶体的性能特点： 晶体具有一定的熔点； 晶体具有各向异性； 晶体一般具有特定的几何形状；相互转换。,3、晶体学概念简介： 空间点阵：描绘晶体中原子（离子或分子）排列规律的空间格架，也叫晶格。如图 晶胞：从晶格中选取的能够完全反映原子排列规律的最小几何单元。 晶胞的点阵参数： 坐标轴：轴、轴、轴 晶格常数：晶胞的棱边长度以、表示； 轴间夹角：晶胞棱边夹角分别以、表示； 晶系： 根据六大参数之间的关系，将晶体分为七大晶系，十四种布拉菲点阵，如书6表11所示； 最典型最常见的金属晶体结构有三种：体心立方结构、面心立方结构、密排六方结构；,这里将晶体的实际质点忽略而抽象为纯粹的几何点，称阵点或结点，用许多平行直线将这些阵点连接，构成三维空间格架,4、三种典型的金属晶体结构： 1）体心立方晶格（bcc）：如图 原子分布：晶胞的八个顶点各有一个原子，在立方体的中心还有一个原子； 原子数： 晶格常数：a=b=c；=90°； 原子半径：在立方体的对角线方向上的原子是彼此紧密排列的；r= 致密度：用来描述晶胞中原子排列的紧密程度；为晶胞中所含的原子所占的体积与该晶胞的体积之比，用K表示。,致密度：k=nv1/V n：一个晶胞中实际包含的原子个数；v1：一个原子的体积（按球形计算）；V：晶胞的体积； 举例：bcc的k=0.68 （n=2；v1=4/3r3；V=a3）； 此值表明，在bcc中有68%的体积被原子所占据，其余为间隙。 配位数：晶格中与任一原子最近邻、且等距的原子数目，用N表示。 举例：bcc的N=8。 具有bcc的金属有-Fe、Cr、Mo、W、V等,2）面心立方晶胞（fcc）：如图 原子分布：8个顶点各有一个原子，立方体的每个面的中心还各有一个原子。 原子个数：每个顶点上的原子同时属于8个晶胞所共有，而面中心的原子为相邻的2个晶胞所共有；原子个数为 晶格常数：a=b=c； =90° 原子半径：在每个面的对角线上原子是紧密接触的；r= 致密度与配位数：K=nv1/V0.74， N=12如图 具有fcc 的金属有： -Fe、Al、Cu、Ni、Ag等。,3）密排六方晶格（hcp）如图 原子分布：六方体12个顶点各有一个原子，上下底面面中心各有一个原子，晶胞内3个原子。 原子个数： 原子半径：r= a/2 致密度与配位数： K= nv1/V0.74 ， N=12。 晶格常数：底边棱长a、两底面间的高度c， c/a叫做轴比 具有hcp的金属：Be、Mg、Zn等,5、晶体中的原子堆垛方式： 1）问题：为何fcc和hcp的晶体结构不同，但却具有相同的配位数和致密度？ 原因：由晶体中原子的堆垛方式决定。 由图110看出： 图a)为一个平面上原子最密排的情况，此面为最密排面，对hcp结构，最密排面是其底面；对于fcc 结构，最密排面是面对角线所构成的平面； 将密排面的原子中心连结成六边形网格，它又可分为六个等边三角形，这六个等边三角形的中心又与原子的六个空隙中心重合，如b)所示；,此六个等边三角形可分为b、c两组，每组分别构成一个等边三角形，如c)所示； 由图111可知： 为获得最紧密的排列，第二层密排面（层）的每个原子应落在下一层（层）密排面的b组（或c组）空隙上； 第三层原子的堆垛方式有两种： 、第三层密排面的每个原子中心对应第一层（层）密排面的原子中心，堆垛的顺序为，如hcp结构，如图112 、第三层密排面（层）的每个原子中心位于既是第二层原子的空隙中心，又是第一层原子的空隙中心，堆垛顺序为，,如fcc结构，如图113所示； 因此，fcc、hcp两种晶格的结构不同，堆垛方式不同，但显然其致密程度完全相同，所以它们的致密度、配位数相同；,2）bcc中原子的堆垛方式： bcc中 原子排列较为紧密的面是连接立方体的两个斜对角线所组成的面，如图114，通常将其称为次密排面；由四个原子密排。 bcc中原子的堆垛方式为：第二层原子应落在第一层的空隙中心，第三层的原子位于第二层的原子空隙中心并与第一层的原子中心重合，堆垛顺序为：，如114所示；,6、晶体中的间隙： 晶体内部原子无论怎样紧密堆垛，也有空隙存在： bcc中的两种间隙：八面体间隙和四面体间隙，它们均为不对称间隙； 八面体间隙：如图115 由6个原子所围成，是一个不对称的八面体间隙； 四个角上的原子中心至间隙中心的距离为 上下顶点的原子中心至间隙中心的距离为 间隙半径：顶点原子至间隙中心距离减去原子半 径，为 间隙中心位置：各面的面中心及各棱的棱中心；,四面体间隙：如图115 此间隙由4个原子所围成，是一个不对称的四面体间隙； 原子中心到间隙中心的距离： 间隙半径： 显然，四面体间隙比八面体间隙大； 间隙位置：各面中线的1/4、3/4位置处，每个面上有四个；,fcc中的两种间隙：八面体间隙和四面体间隙，它们均为对称间隙； 八面体间隙：如图116 特点：各棱边长度相等；各原子中心到间隙中心的距离相等，是正八面体间隙； 间隙半径： 间隙中心位置：晶胞中心及各棱中心； 四面体间隙：如图116） 特点：各棱边长度相等；各原子中心到间隙中心的距离相等，是正四面体间隙； 间隙半径： 间隙中心位置：各体对角线的1/4或3/4处 显然，fcc中八面体间隙大于四面体间隙；,小结：,7、晶向指数和晶面指数 晶面：在晶体中，由一系列原子所组成的平面； 晶向：任意两个原子之间连线所指的方向 1）晶向指数：用来表示晶向在晶体中的原子排列情况及位向的符号，用 uvw表示； 确定步骤： 设坐标轴：以晶胞的三个棱边为坐标轴x、y、z 求坐标值：过原点引一条有向直线平行于待定晶向，以晶格常数为度量单位，在该方向上求出最近原子的坐标值。 化整数 ：将三个坐标值化为最小简单整数，放入方括号内，一般用uvw表示。如图 求晶向指数。AB晶向的晶向指数为110。,注意： 所有互相平行，方向一致的晶向具有相同的晶向指数。 当晶向指数某一坐标为负方向时，则该坐标值为负值，如： 同一直线有相反的两个晶向，其晶向指数的数字相同，但符号相反，如： 和 晶向族：原子排列相同，但空间位向不同的所有晶向构成晶向族，用uvw表示。 特点：立方结构的晶体中，晶向指数的数字相同，但排列顺序不同，则具有相同的原子排列；,举例： 100包括：6个晶向，它们是： 110包括：12个晶向，它们是：,2）晶面指数：表示晶面在晶体中原子排列情况及位向的符号； 确定步骤： 设坐标轴 ：以晶胞的三条棱边为坐标轴x、y、z，坐标轴的原点应在待定晶面之外。 求截距：以晶格常数a、b、c为度量单位，求出晶面在各轴上的截距。 求倒数：将各截距值求倒数。 化整数： 将前面的三个倒数化为最小简单整数，并放在圆括号内。一般表示为（hkl），如果截距为负值，则在相应的指数上加负号，例如（kl）。,注意： 如晶面与某个坐标轴平行，则认为该截距为，它的倒数为0； 晶面指数并非仅指一个晶格中的某一个晶面，而是泛指该晶格中所有那些与其相平行的晶面。 当两晶面指数的数字和顺序相同，完全异号，则这两晶面相互平行，可化简为同一晶面指数； 如：（100）和 晶面族：在同一晶格中，有些晶面虽然在空间位向上不同，但其原子排列情况完全相同，将这些晶面列为同一晶面族，用hkl表示； 特点：立方晶系中，组成晶面的数字相同，但顺序不同，对这些数字进行排列组合；,例如：110晶面族包括6个晶面：,在立方结构的晶体中，当一晶向uvw位于或平行于某一晶面（hkl）时，则 hu+kv+lw=0； 当某一晶向与某一晶面垂直时，则u=h、v=k、w=l。例如：111晶向垂直（111）晶面。如图,8、晶体的各向异性： 1）几个基本概念： 晶粒：固态金属一般是由许多结晶颗粒所组成，这些结晶颗粒称为晶粒； 单晶体：由一个晶粒所组成的晶体； 多晶体：由许多晶粒所组成的晶体； 晶界：晶粒与晶粒之间的界面；,2）晶体的各向异性： 定义：晶体在各个方向上性能不同的现象，是晶体与非晶体相区别的重要标志； 产生原因：单晶体出现各向异性是由于在不同晶向上的原子排列密度不同，因而原子间的结合力不同，造成各向异性； -Fe1.16/a和方向1/a， E不同 多晶体中，各晶粒的位向是任意的，如图，晶粒的各向异性被相互抵消，因此在多晶体中不显示各向异性，称为伪等向性；,9、金属的同素异构转变（金属的多晶型性）： 定义：某些金属（Fe、Mn、Ti、Co等）当外部的条件（温度、压强）改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象； 例如：Fe的同素异构转变： 有三种同素异构晶型， -Fe、 -Fe、 -Fe： 912：-Fe（bcc） -Fe（fcc）； 1394 ： -Fe（fcc ） -Fe（bcc）； 如图，不同的晶体结构，致密度不同，因而发生多晶型转变时，将伴随有比容或体积的突变；,第三节 实际金属的晶体结构 晶体缺陷：通常将实际金属中原子排列的不完整性区域叫做晶体缺陷； 按照几何形态特征可将晶体缺陷分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷； 1、点缺陷： 特征：在三个方向上尺寸都很小；包括三种：空位、间隙原子、置换原子；如图137 1.1空位： 能量起伏：原子不断地进行热振动- 空位：当晶格中的某些原子由于某种原因（如热振动的偶然偏差），脱离原来的平衡位置，则在原处出现了一个空结点，叫做空位。,空位原子的去处： 、原子迁移到晶体的表面，这样的空位称为肖脱基空位，如图132； 、原子迁移到晶格的间隙中，这样的空位叫做弗兰克空位，如图132）所示； 、原子迁移到其它空位处，可使空位变换位置； 空位的特点： 、在一定温度下，空位有一定的平衡浓度： ；例如Cu1350k10-5 、空位在晶体中的位置不是固定不变的，而是处于运动、消失和形成的不断变化中；如图133所示；,1.2间隙原子：处于晶格间隙中的原子，称为间隙原子；如图； 同类原子的间隙原子：例如：弗兰克空位产生的间隙原子； 异类原子的间隙原子：半径较小的杂质原子或合金原子，例如：钢中的、等；对于异类间隙原子来说，将其平衡浓度称为固溶度或溶解度； 1.3置换原子：异类原子如果占据原来结点的平衡位置上，则称为置换原子； 也将其平衡浓度称为溶解度或固溶度，但它通常比间隙原子的固溶度大得多；,1.4 点缺陷造成的后果： 造成晶格畸变，使性能发生变化；强度、电阻 晶格畸变：空位和间隙原子的存在，使周围的原子偏离其平衡位置，出现几个甚至更多的原子间距范围的弹性畸变区，叫做晶格畸变；如图；,2、线缺陷：就是各种类型的位错； 特点：在两个方向上尺寸很小，在另一个方向上尺寸相对很大； 位错：在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象，使长度达几百至几万个原子间距，宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发生了有规律的错动。简单的说就是：晶体滑移部分与未滑移部分的交界线，叫做位错。 最基本的类型有“刃型位错”和“螺型位错”。 1) 刃型位错： 模型：如图设有一简单立方晶体，某一原子面在晶体内部中断，这个原子平面中断处就是一个刃型位错；,（犹如用一把刀将晶体上半部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面，将刃口处的原子列称之为刃型位错线；） 正刃型位错：额外半原子面位于晶体上半部分，用表示；如图 负刃型位错：额外半原子面位于晶体下半部分，用T表示； 形成：如图； 由于局部区域的晶体发生滑移造成位错；如图所示；由于滑移，在晶体内部出现了已滑移区和未滑移区的边界，在边界附近，原子的规律性遭到了破坏，此边界就是一个刃型位错； 位错：晶体中已滑移区与未滑移区的边界；, 特征： 有一额外半原子面，如图 位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道（位错也有宽度，约为35个原子间距） 位错线周围的晶格畸变区存在一个弹性应力场。既有切应变，又有正应变. 有多余半原子面一边，晶格受压应力，尺寸较小的置换原子向该处聚集；缺少半原子面一边，原子间距变大，晶格受拉应力，间隙原子和尺寸较大的置换原子在该处聚集； 位错线与晶体滑移方向垂直，即位错线位错线运动方向；,2) 螺型位错： 模型：如图 设在立方晶体右端施加一切应力，使右端上下两部分沿滑移面发生一个原子间距的相对切变，在与之间形成了一个上下原子不相吻合的过渡区，这里的原子平面被扭成了螺旋面，即螺型位错- BC； 如果从开始，按顺时针方向，每旋转一周，原子面就沿滑移面方向前进一个原子间距； 位错：已滑移区与未滑移区的边界；,分类： 右螺型位错：符号右手螺旋定则的螺型位错（即用拇指代表螺旋的前进方向，其余四指代表螺旋的旋转方向） 左螺型位错：螺旋的方向与右螺旋相反； 特征： 螺型位错没有额外半原子面； 螺型位错是一个具有一定宽度的、细长的晶格畸变管道，其中只有切应变，没有正应变； 位错线与晶体滑移方向平行，位错线运动方向与位错线垂直；,3) 柏氏矢量：用来表示位错的性质、晶格畸变的大小、方向的物理量； 以刃型位错为例,说明柏氏矢量的确定方法： 确定方法：如图 在实际晶体中，沿逆时针方向环绕位错线做一闭合回路,（回路的每一步均走一个原子间距）此回路叫做柏氏回路； 在完整晶体中，以同样的方向和步数做相同的回路。（此时回路没有封闭）； 由完整晶体的回路终点到始点引一矢量，使该回路闭合，即为这条位错线的柏氏矢量。（这样定出的与回路的起点选择、回路所经过的路径均无关）；,从柏氏回路可知，刃型位错的柏氏矢量与其位错线垂直；,以螺型位错为例,说明柏氏矢量的确定方法 螺型位错的柏氏矢量也可用柏氏回路求出，可见，螺型位错的与位错线平行；,利用位错线与柏氏矢量的位向关系区分位错，确定位错的正负与左右： 位错的区分方法：位错线与柏氏矢量垂直，则为刃型位错，与平行，为螺型位错； 刃型位错的正负判断方法：利用右手定则来判断，如图 螺型位错的左右的判断方法：与同向为右螺型位错，与反向为左螺型位错；,柏氏矢量的特性： 可以判断位错的类型：位错线与柏氏矢量垂直，则为刃型位错，与平行，为螺型位错； 可以表示位错区域晶格畸变总量的大小：柏氏矢量越大，位错周围的晶格畸变越严重； 表示晶体的滑移方向和大小：滑移量的大小即为柏氏矢量，滑移方向为柏氏矢量的方向 位错线可以是弯曲的，但柏氏矢量是恒定不变的； 刃位错和与之垂直的柏氏矢量构成的平面就是滑移面，刃位错的滑移面只有一个； 螺位错与柏氏矢量平行，所以螺位错的滑移面是不定的，它可以在更多滑移面上滑移；,混合位错：当柏氏矢量与位错线既不平行又不垂直而是成任意角度时，称为混合位错；（即刃型和螺型的混合型） 混合位错的产生：图140 曲线即为已滑移区与未滑移区的边界，它就是位错线； 由图可知：点附近是螺型位错；点附近是刃型位错；其余部分是混合型位错； 练习题：有一位错环，试判断位错类型？（如图）,位错密度： 位错线不能中止在晶体内部，只能中止在晶体表面或晶界上； 晶体内部，位错线一定是封闭的，或者自身封闭成一个位错圈，或者构成三维位错网络；如图142、143 位错密度：单位体积中所包含的位错线的总长度称为位错密度；（穿过单位截面积的位错线数目）；单位：2；,其中，：晶体体积 ：该晶体中位错线的总长度；,位错存在的意义： 对金属材料的机械性能、扩散及相变有着重要的影响； 位错密度与金属的强度的关系，如图144 当金属中不含位错时，强度极高；（如：图中的1、2所示） 当含有位错，但位错密度不高时，强度较低；（如：图中的3所示）； 当位错密度进一步提高时，强度也随着提高；（如：图中的4所示）；,3、面缺陷： 特征：在一个方向上尺寸很小，在其它两个方向上尺寸很大，也叫二维缺陷；,面缺陷,晶体的外表面,晶体的内界面,晶界 亚晶界 孪晶界 堆垛层错 相界,3.1 晶体的外表面： 定义：金属与真空或各种介质接触的界面； 晶体表面原子会偏离其正常平衡位置， 并牵连到邻近的几层原子，造成表面层的晶格畸变； 表面能：表面单位面积上升高的能量，在数值上等于表面张力，单位：·2； 影响因素：介质、面密度、表面曲率、晶体的性质。,3.2 晶界： 定义：晶体结构相同，但位向不同的晶粒之间的界面； 分为小角度晶界和大角度晶界；,1)小角度晶界：(相邻晶粒位向差10°) 对称倾侧晶界：如图145 由两个晶粒相互倾斜/2所构成； 由一系列相隔一定距离的刃型位错所组成，有时将这一系列位错叫做“位错墙”； 扭转晶界：如图147 形成：将一个晶体沿中间平面切开，然后使右半晶体沿垂直于切面的轴旋转角（ 10° ），再与左半晶体会合在一起，则两部分晶体的交界面就是扭转晶界； 该晶界上的原子排列见图148，扭转晶界由互相交叉的螺型位错网络所组成； 小角度晶界一般由刃位错和螺位错组合构成；,对称倾侧晶界,扭转晶界形成模型,2 ) 大角度晶界： 特点：相邻晶粒间的位向差大于10°； 由好区（原子排列较整齐的区域）和坏区（原子排列紊乱的区域）交替相间而组成；,3.3 亚晶界： 亚晶：在多晶体金属中，每个晶粒内的原子排列并不是十分整齐，其中会出现位向差极小的亚结构，叫做亚晶； 亚晶界：亚晶与亚晶之间的界面叫做亚晶界，如图151；是小角度晶界.,金属晶粒内的结构示意图,3.4 堆垛层错： 定义：在实际晶体中，晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一种晶体缺陷，简称层错，是一种面缺陷； 以表示正排序AB BC CA，用表示BA AC CB；则晶格的堆垛顺序为 ；晶格的堆垛顺序为 ；如果抽掉一层，- 层错能：产生单位面积层错所需的能量；如表12所示；层错能越小，出现的机率越大。,3.5 相界： 定义：具有不同晶体结构的两相之间的界面； 如图 3.5.1 共格界面：界面上的原子为两个点阵的共同结点，一般来说完全共格的界面能最低； 3.5.2 非共格界面：界面两边的原子在界面上不重合，这将造成畸变，使能量增加； 3.5.3 半共格界面：介于共格与非共格之间； 特征：沿界面每隔一定距离出现一个刃型位错，以此来调节和维持共格关系；,3.6 晶界特性： 1) 由于晶界上的原子偏离了其平衡位置，因而具有界面能；界面能越高，则晶界越不稳定； 2) 产生内吸附现象：由于界面能的存在，当金属中存在有能降低界面能的异类原子时，这些原子就会向晶界偏聚，此现象叫做内吸附； 3) 晶界使钢的强度、硬度提高：晶粒越细，金属材料的强度和硬度越高； 4) 晶界的熔点低于晶内，易于腐蚀和氧化； 5) 发生相变时，新相的晶核往往首先在晶界上形成；,一、 填空 1、面心立方晶胞的原子数为 ，配位数为 ，致密度为 。 2、在外加切应力作用下，刃位错的运动方向与柏氏矢量 。 3、纯金属铸锭的宏观组织由三个区组成： 。,二、作图： 1、111包括几个晶向，它们各是什么？ 2、画出（122）的晶面指数 4、指出如图所示晶向指数。 5、110包括几个晶面？ 三、名词解释 ： 晶胞 同素异晶转变 成分起伏,