第一章--纯金属的晶体结构

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,化学元素周期表,金属键模型,金属原子越靠近，相互作用越强。,电子气,金属塑性,发生塑性变形时，金属键并未破坏,利用金属键的性质解释金属的特性。,三、金属的结合能,1,、金属的结合能,2,、双原子作用模型,相邻二原子之间便发生两种相互作用；一种是相互吸引作用，另一种是相互排斥作用，促使原子彼此离开。排斥力是一种短程力；而吸引力是一种长程力，两者的大小与两个原子间的距离,D,有关。,双原子作用模型,势能,平衡位置,平衡距离,热振动,周期势场,势谷,势垒,激活能,势垒高度,结合能,原子间的结合力就是由吸引力与排斥力合成的。同样的，原子间的结合能也是由吸引能与排斥能合成的。,固体的键合强度可以用其结合能来标志，它就等于将晶态拆散为等量的中性原子状态所需要吸收的能量，也就是实验测定的升华热。,范德瓦耳斯键的结合能最低，一般的金属晶体与共价晶体的结合能是同一数量级，过渡金属的结合能最高。,12,金属晶体,一、晶体的特点,晶体具有下列特点：,第一、 原子在三维空间都是按一定规律整齐排列的。而非晶体中原子则是杂乱地分布着。,第二、 晶体具有一定熔点，非晶体则没有。,第三、晶体的性能具有各向异性，非晶体是各向同性的。,第四、 许多晶体具有规则的几何外形。,1, 金属晶体,NaCl,等同点,Na,+,是一类等同点,Cl,是另一类等同点,晶体结构中各类等同点所构成的几何图形是相同的。,空间点阵,结点,空间点阵（点阵）,晶格,元胞（阵胞）,晶胞,如果只是为了表达空间点阵的周期性，则应该选取最小的平行六面体作为单位阵胞。,二维阵胞,晶胞,棱 棱面夹角,晶轴,晶胞常数（点阵常数） 晶轴间夹角,结点数 结点坐标,复杂阵胞,为了同时反映空间点阵的对称性和周期性，须选取比简单阵胞更大的复杂阵胞。结点即可以在顶点处，也可以在体心和面心处,。,复杂阵胞的条件,：,1、同时反映空间点阵的对称性和周期性,2、尽可能多的直角,3、体积最小,布拉菲点阵 四类点阵,根据结点在阵胞中的位置不同，可将,14,种,Bravais,点阵分为四类：,1.,简单点阵,P,2.,底心点阵，,C,3 .,体心点阵,I,4 .,面心点阵,F,七个晶系,根据点阵常数的不同，可将晶体点阵分为七个晶系。,1,、立方晶系,P,，,I,，,F,2,、正方晶系,P,，,I,3,、斜方晶系,P,，,I,，,C,，,F,4,、菱方晶系,R,5,、六方晶系,P,6,、单斜晶系,P,，,I,7,、三斜晶系,课上习题,1,、画出体心立方、面心立方点阵示意图。并标出结点的个数和坐标。,2,、画出底心斜方点阵示意图。并标出结点的个数和坐标,二、晶面指数和晶向指数,晶面 晶向,晶面指数,晶向指数,空间点阵中的结点平面和结点直线相当于晶体结构中的晶面和晶向。,1,、立方晶格的晶面指数,确定立方晶格的晶面指数的步骤如下：,1,、设坐标,2,、求截距,3,、取倒数,4,、化整数,5,、列括号,晶面组 晶面族,立方晶系中的晶面族：,100,3,个；,111 ,4,2,个；,110,6,2,个,在同一晶体中的不同晶面上原子分布状况及排列紧密程度是不同的,晶面指数,晶面指数,晶面指数,课上习题,图中给出立方晶体的4个晶 面，求晶面指数。,2,、立方晶格的晶向指数,确立立方晶格的晶向指数方法如下：,（,1,）设坐标；（,2,）求坐标值；,（,3,）化整数；（,4,）列括号,晶向指数还具有以下规律：,（,1,）当晶向指数都乘以负号时，其晶向的方向相反。,（,2,）所有相互平行的晶向，其晶向指数相同。,（,3,）晶向族，用,表示。,（,4,）在立方晶格中，如果晶面指数和晶向指数的数字相同，则彼此相互垂直。,课上习题,求出图中所示各晶向,P,的晶向指数,3,、六方晶格,（,1,）晶面指数,三轴坐标系中六个侧面的指数为（,010,）（,1,10,）（,1,00,）（,0,1,0,）,（,1,1,0,）（,100,）,。,而在四轴坐标中，为（,01,1,0,）（,1,100,）（,1,010,）（,0,1,10,）（,1,1,00,）（,10,1,0,）（,hkil),其中,I,-(h+k),1,代表的是,负,指数。,(2),晶向指数,O,M,和,ON,在三轴中的坐标是（,011,）,（,210,）,uvtw,与,UVW,的关系：,13,纯金属的晶体结构,一、三种晶体结构的特点,、体心立方晶格；,2,、面心立方晶格,3,、,密排六方晶格,二、表明晶体结构特征的参数,1,、晶胞中的原子数,2,、原子半径和原子体积,3,、,配位数与致密度,4,、晶体结构的间隙数,三、三种晶体结构中原子的堆垛规律,三种晶体结构,表明晶体结构特征的参数,体心立方,晶体中的原子数 2,原子半径 ：,原子体积：,配位数： 8,致密度：0.68,八面体间隙半径：0.067a,6个,四面体间隙半径：0.126a，12个,体心立方间隙,体心立方,4.晶胞中,四,面体空隙,代表四面体空隙，位置在6个面的如图所示位置。,个数=641/2=12,1,2,3,4,5,6,4.晶胞中,八,面体空隙,代表八面体空隙，位置在6个面的中心，12棱的中心。个数=61/2+121/4=6,面心立方晶格,面心立方间隙,八面体：,0.146a 4,个,四面体：,0.08a,8,个,5.晶胞中四面体空隙和八面体空隙,八面体空隙个数=121/4+1=4,四面体空隙个数=8,密排六方间隙,密排六方间隙,三、三种晶体结构中原子的堆垛规律,密排面,体心的堆积,密堆方式,二层密堆,ABC,堆积,AB,堆积,A1,：立方体的体对角线方向，共,4,条，故有,4,个密堆积方向，易向不同方向滑动，而,具有良好的延展性,。如,Cu.,A3,：只有一个方向，即六方晶胞的,C,轴方向，延展性差，较脆，如,Mg.,A1、A3型堆积的不同,两种密堆结构的比较,四、晶体的各向异性及同素异构转变,晶体的伪各向同性,2,、晶体的同素异构转变,同素异构体 重结晶过程,规律：,有一定的转变温度；转变时需要过冷（或过热）；有结晶潜热产生；转变过程也是由形核及核长大来完成的。,铁的同素异构转变,Fe,14,金属的实际晶体结构,二、金属实际晶体结构,一、金属晶体是多晶体,金属材料都是由尺寸大小不等，晶体结构相同、空间结晶方位不同的单晶体（晶粒）组成的，单晶体（晶粒）之间由界面相隔开。,纯铁的显微组织,点缺陷,空位与间隙原子造成晶格畸变,置换原子造成晶格畸变,能量起伏 晶格畸变,空位和间隙原子的形成是热运动的必然结果,。,晶格畸变：畸变的结果将导致能量的升高，从而也促进了晶体组织的转变。另外畸变也使晶体的强度、硬度和电阻增加。,点缺陷是一种热力学平衡缺陷,从热力学中己知，一个过程是否能够自发进行，取决于体系的吉布斯自由能的变化。,G,0,。,G,U+PVTS,。在固态的条件下，体积的变化,V,常常可以忽略不计，因此可以近似地认为：,G,UTS,F,假设在一个有,N,个原子的理想晶体中，引入,n,个空位内能将增加,nUv,。,点缺陷是一种热力学平衡缺陷,另一方面，,n,个空位的形成也引起了体系熵值的变化，熵变可分为两部分，一部分叫排列熵,Sc,Kln,（,3,）,结构熵,振动熵,结论：,空位是一种热力学平衡的缺陷。,是在一定的温度下，晶体中总是会存在着一定数量的空位，这时体系的能量处于最低的状态。,具有平衡空位浓度的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定,。,图示,性质,空位和间隙原子的浓度是随温度升高而急剧增加。,空位是以较可观的数目存在，而间隙原子的数目很少,空位和间隙原子处于不断的运动和变化之中。,空位、间隙原子和置换原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式。,造成过饱和点缺陷的主要有,3,个方面因素；,(1),高温激冷；,(2),大量的冷变形；,(3),高能粒子辐照。,点缺陷对金属的性能的影响,(1),使电阻增大，,(2),、点缺陷的增加还使金属的密度下降；,(3),过饱和的点缺陷可提高金属的屈服强度；,固溶强化,(4),空位对于金属中以扩散为基本过程的许多现象有重要的影响，特别是在高温条件下，例如高温氧化、烧结、表面化学热处理，以及均匀化退火等等,。,(,二）、线缺陷,金属晶体中的线缺陷就是位错。位错就是晶体中的一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。它的宽度大约是,3,5,个原子间距。而位错的长度一般是几百个到几万个原子间距。宽度和长度比较起来小得很多很多，因而称为线缺陷。,两种类型：刃型位错，螺型位错。,刃型位错,弹性应力场,压应力,拉应力,刃型位错造成金属的强化,刃型位错的应力场会与间隙原子和置换原子发生弹性相互作用，吸引这些原子向位错区偏聚。小的间隙原子，如钢铁中的碳、氮原子，往往钻入位错管道；置换原子则富集在位错管道周围。这样会降低晶格畸变能，同时使位错难以运动，因而造成金属的强化,。,位错与缺陷的作用示意图,螺型位错,螺型位错周围的弹性应力场呈轴对称分布,右,螺型位错,左,螺型位错,螺型位错,混合型位错,刃型位错和螺型位错混合而成的,钼中的六角位错网络,柏氏向量,在切应力作用下，位错线很容易沿滑移面运动。一根位错线扫过滑移面，滑移面两边的原子就相对移动一个原子间距。大量位错扫过滑移面，就造成晶体的宏观切变。,柏氏向量的方向就是原子移动的方向，也就是晶体滑移的方向。柏氏向量的大小就是原子移动的距离。它总是由一个平衡位置指向另一个平衡位置,而不能是任意的方向和大小。,每一根位错线都有自己的柏氏向量。,柏氏向量确定的步骤,（,1,）规定位错线的正方向。是任意选定的。,（,2,）作垂直于位错线的平面。,（,3,）在这个平面上沿相互垂直的四个方向各移动同样的步数，作出围绕位错的回路。当沿位错的正方向朝前看时，按顺时针方向进行。这种回路通常称为柏氏回路。,（,4,）回路不封闭时就表明存在着位错。柏氏矢量就是闭合回路所需要的矢量（图中,b,所表示的矢量）。柏氏矢量等于滑移矢量。位错在柏氏矢量方向上的运动称为滑移运动。,柏氏向量确定示意图,单位位错,简单立方结构,111,方向，,b=a100) |b|,a,面心立方：,方向 大小是,体心立方：,方向 大小是,位错的运动,位错沿滑移面运动时，尽管位错线的形状和类型可能改变，但是它的柏氏向量恒定不变。,无论是何种位错，都有一个共同特点，就是：在位错的一边是已滑移区，另一边是未滑移区。位错就是已滑移区和未滑移区上的边界线。,位错密度：,式中,V,晶体的体积；,S,体积为,V,的晶体中位错线的总长度。,一般经过适当退火的多晶体金属中，位错密度为,10,6,10,8,；超纯单晶体金属，其位错密度很低,(10,3,),。而经剧烈冷变形金属，位错密度可增至,10,11,10,12,。,位错对金属材料性能的影响,（,1,）位错的运动及分布，可以引起晶体的宏观范性形变。,（,2,）晶须中不含有位错，不易塑性变形，故强度很高。而一般金属中含有位错，易于塑性变形，故强度低。,（,3,）如果金属晶体中位错密度很高，由于位错之间的相互作用和制约，金属的强度也可以提高。,（,4,）晶体中的位错并不是固定不变的，当晶体中的原子发生热运动或晶体受外力作用而发生塑性变形时，位错就可以从在晶体内运动。,（三）面缺陷,晶体的面缺陷包括晶体的外表面和晶体内部的晶粒间界、亚晶界、相界等，后几种又称为晶体的内表面。,（,1,）晶体的外表面,：,（,1,）涉及几个原子层，这几层能量高的原子层都属于表面,。,（,2,）表面能 ：在数值上，表面能等于表面张力。,金属表面能与晶体结构有关。表面原子排列越紧密越平整，其表面能越低。另外，表面能还与表面曲率有关。表面曲率越大，即曲率半径越小，表面能越高。这些特点对于金属的结晶和固态相变有着重要的作用。,晶体的内表面,晶界的厚度，取决于相邻晶粒之间的位向差以及金属的纯度。位向差越小，纯度越高，晶界层越薄。,相邻晶粒位向差小于,10,0,的晶界，称,小角度晶界,；相邻位向差大于,10,0,的晶界，称为,大角度晶界,。,界面能,大角度晶界示意图,晶界界面能很低重合位置点阵模型,界面的性质,（,A,）、表面和晶界具有吸附和偏聚杂质原子的作用。,（,B,）晶界具有较高的强度和硬度。因此，晶粒越细，金属的强度、硬度也就越高。,(C),晶界的熔点较低。,(D),发生相变时，新相往往首先在母相的晶界上形核。,（,E,）晶界总比晶粒内部的腐蚀速度要快。,(F),晶界的电阻高于晶粒内部。,（,G,）晶界上扩散速度要比晶粒内部快。,（,H,）当温度升高、原子动能增大时，就能促使晶粒的长大,。,亚晶界,实际晶体的晶粒内部，存在许多尺寸很小，位向差很小（一般是几十分到,1,0,2,0,）的小晶块，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为,亚结构,（或称为,亚晶、嵌镶块,）。在亚结构的内部，原子的排列位向是一致的,亚晶界,总结：,金属的实际晶体结构不是理想完整的，存在各种各样的晶体缺陷。它是非常重要的，金属中许多重要过程，都是依靠晶体缺陷的运动来完成的；金属许多性能都与晶体缺陷有关。所以要正确认识晶体缺陷。,15,金属晶体中的扩散,一、概述,（一）、扩散的实质,固体扩散的微观过程,：,金属晶体的扩散是原子的热激活过程，依靠原子的热运动来完成。,扩散推动力,大量原子无序跃迁的统计结果，就造成物质的定向迁移，即发生扩散。,（二）金属晶体扩散的条件,1,、温度要足够高,2.,时间要足够长。,例如，向钢中渗碳，渗碳层达到,0.8mm,时，需要长达,8,10,小时才能完成。,3,扩散原子要固溶,4,、扩散要有推动力,扩散推动力,AB,B A,扩散推动力,扩散推动力的作用，就在于使对称的周期势场向自由能降低方向倾斜，因此造成原子正向与反向跃迁几率不相等，从而发生扩散。所以扩散要有推动力。,扩散的推动力可以是浓度梯度造成的化学自由能差，也可是应力梯度造成的应变自由能差，还可以是表面自由能差。总之，扩散推动力是自由能差，扩散总是向自由能降低的方向进行。,（三）、金属晶体扩散分类,晶体扩散两类：一类是互扩散、另一类是自扩散。,互扩散,就是伴有浓度变化的扩散，它与异类原子的浓度差相关。在互扩散过程中，异类原子相对扩散，互相渗透，所以又叫作“异扩散”或“化学扩散”。互扩散总是在不均匀固溶体中进行的。,互扩散又可分为“,下坡扩散,”和“,上坡扩散,”两种。下坡扩散是沿着浓度降低方向进行的扩散，使浓度趋于均匀化。上坡扩散则是沿着浓度升高方向进行的扩散，即由低浓度向高浓度方向扩散，使浓度发生两极分化。,硅钢中的上坡扩散,应力作用下的上坡扩散,自扩散,互扩散还可分为“原子扩散”与“反应扩散”两种。如果在扩散过程中，基体晶格始终不变，没有新相产生，这种扩散就称为,原子扩散,。反之，在扩散过程中，当浓度变化到一定值时，引起基体晶格转变，形成新相，这种扩散称为,反应扩散,。,自扩散就是不伴有浓度变化的扩散，它与浓度梯度无关。自扩散只发生在纯金属中和均匀固溶体中。,固态扩散是在自由能差推动下，依靠原子的热激活而进行的物质迁移过程。物质总是向自由能降低的方向扩散。,二、扩散机理,所谓扩散机理，就是扩散原子在晶体点阵中换位的具体方式。,1,、 间隙扩散机理,2,、空位扩散机理,3,、换位扩散机理,4,、位错扩散机理,5,、晶界扩散机理,6,、表面扩散机理,扩散激活能,扩散激活能,固态金属中的扩散主要是借助晶体缺陷来进行的，如果没有各种晶体缺陷存在，金属原子的扩散要困难多，甚至是难以进行的。,三、扩散定律,扩散定律又叫菲克定律，第一定律用于稳定态扩散，第二定律用于非稳定态扩散。,稳定扩散：,扩散第一定律指出，在稳定态扩散过程中，扩散流量,J,与浓度梯度成正比。写成扩散方程则为：,扩散定律,式中，,D,是扩散系数，单位是,cm,2,/s,。负号表示物质沿着浓度降低的方向扩散。,扩散系数,D,是描述扩散速度的重要物理量，它相当于浓度梯度为,1,时的扩散流量。,D,值越大则扩散越快。对于固态金属中的扩散来说，,D,值都是很小的。例如，,1000,时碳在,Fe,中的扩散系数,D,的数量级为,10,-7,cm,s,。,1100,时钨在,rFe,中的扩散系数,D,的数量级为,10,-10,cm,2,/s.,扩散第二定律,四、影响扩散的因素,（一） 扩散温度,扩散温度越高，则扩散系数越大，二间存在如下指数关系,式中,D,0,扩散常数（,cm,2,/s,）,与温度无关，主要决定于晶体结构和原子振动频率。,Q,是扩散激活能（,J/mol,）。,R,是气体常数，,R=8.31J/mol K,。,T,是扩散温度（,K,）。,（二）基体的金属性质,同一元素在不同的基体金属中扩散时，,D,和,Q,值都不相同。一般规律是：基体金属原子的结合能越强，则熔点越高，同时，扩散激活能也越大，扩散越困难。,四、影响扩散的因素,根据金属熔点,T,m,(K),来计算自扩散激活能,Q,的经验公式，比较准确的一个公式：,（三）扩散元素的影响,（四）、扩散元素的浓度,（五）、合金元素,（六）晶格类型,（七）固溶体类型,(,八,),晶体缺陷,总之，影响扩散的因素是多方面的，在一些情况下要利用那些加速扩散的因素，在另一些情况下则要利用那些阻碍扩散的因素。,扩散元素的影响,扩散元素的浓度,扩散元素的浓度,为了反映浓度对扩散系数的影响，有人把扩散常数中增加一个随浓度增大的项。例如，碳在,rFe,中的扩散系数为：,