第二章金属的晶体结构

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,*,第二章 金属的晶体结构,物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。,原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称为结构。,C,60,1,晶体,金刚石、,NaCl,、,冰,等,。,液体,非晶体,： 蜂蜡、玻璃 等。,（一）晶体学基础,一 纯金属的晶体结构,1,晶体与非晶体,晶体,原子（或离子、分子）在三维空间呈周期性重复 ，即存在长程有序具有固定的熔点，各向异性,非晶体,原子呈无序排列的固体，具有各向同性。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。,2,2,晶格与晶胞,（,1,）晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称,空间点阵,（,2,）晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元,（,3,）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。,特征：,a,可能存在局部缺陷；,b,可有无限多种。,3,（,4,）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。,特征：,a,原子的理想排列；,b,有,14,种。,阵点,空间点阵中的点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。,注：晶体中原子的集合（或分布）构成晶体结构，而结点的集合构成布拉菲点阵，结点是基元的几何抽象，构成基元的可以是单个原子、几个原子（离子）或原子（离子）团。,空间点阵基元晶体结构,4,5,4,晶系：,根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。,90%,以上的金属具有立方晶系和六方晶系。,立方晶系：,a=b=c,，,=90,六方晶系：,a,1,=a,2,=a,3,c,，,=90,，,=120,3,晶格参数：,描述晶胞大小与形状的几何参数,晶胞各边的尺寸,a,、,b,、,c,各棱间的夹角用,、,、,6,晶胞选取的原则,同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞,7,晶胞,晶胞：构成空间点阵的最基本单元。,选取原则：,a,能够充分反映空间点阵的对称性；,b,相等的棱和角的数目最多；,c,具有尽可能多的直角；,d,体积最小。,形状和大小,有三个棱边的长度,a,b,c,及其夹角,表示。,晶胞中点的位置表示（坐标法）。,8,布拉菲点阵,14,种布拉菲点阵分属,7,个晶系,。,9,简单三斜,简单单斜,底心单斜,10,简单正交,底心正交,面心正交,体心正交,11,简单菱方,简单六方,简单四方,体心四方,12,简单立方,体心立方,面心立方,13,(,二,),金属中常见的晶格,香港国际机场,案例讨论：工程上大量使用钢铁材料，钢和铁在性能上差别较大，各有优势，设想这种差别的来源。,14,三种常见晶体结构,在金属元素中，约有,90%,以上的金属晶体都属于如下三种密排的晶格形式：,体心立方（,A2, BCC,）,面心立方（,A1, FCC,）,密排六方（,A3, HCP,）,致密度（,K,）,：晶体结构中原子体积占总体积的百分数,K=,nv,/V,。,定量评定晶体中的原子排列紧密程度，,15,配位数（,CN,）,：,晶体结构中任一原子周围最近且等距离的原子数。,定性评定晶体中的原子排列紧密程度，显然配位数越大，原子排列也就越紧密。,晶胞原子数,：一个晶胞内所包含的原子数目,原子半径：,晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半,16,1,体心立方晶格,bcc,-Fe,、,W,、,V,、,Mo,等,17,体心立方,晶胞,晶格常数：,a=b=c,；,=90,晶胞原子数：,2,原子半径,：,致密度：,0.68,致密度,=,Va,/,Vc,，,其中,Vc,:,晶胞体积,a3,Va,:,原子总体积,2,4,r3/3,X,Y,Z,a,b,c,2r,2r,a,a,18,2,面心立方晶格,fcc,-Fe,、,Cu,、,Ni,、,Al,、,Au,、,Ag,等,19,面心立方,晶胞,晶格常数：,a=b=c,；,=90,晶胞原子数：,4,原子半径,：,X,Y,Z,a,b,c,密排方向,致密度：,0.74,20,3,密排六方,晶格,hcp,C,（,石墨）、,Mg,、,Zn,等,底面边长,a,底面间距,c,侧面间角,120,侧面与底面夹角,90,晶胞原子数：,6,原子半径：,a/2,致密度：,0.74,晶格常数,21,22,结构间隙,正四面体正八面体 正四面体正八面体 正四面体正八面体,（个数）,8 4 12 6 12 6,（,r,B,/r,A,）,0.225 0.414 0.29 0.15 0.225 0.414,间隙半径（,r,B,）：,间隙中所能容纳的最大圆球半径。,4,晶体结构中的间隙,23,24,5,晶体中原子的堆垛顺序,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,25,（三） 晶向指数与晶面指数,晶向：空间点阵中各阵点列的方向。,晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。,国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。,1,晶向指数的标定,a,建立坐标系。确定原点（阵点）、坐标轴和度量单位（棱边）。,b,过原点作所求晶向的平行线。,c,求坐标。,u,v,w,。,d,化整数。,u,v,w,.,加, ,。,uvw,（,最小整数,）。,26,说明：,a,指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。,b,负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。,c,晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向。用,表示，数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。,2h,27,确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。,求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为,uvw,。,28,例一、已知某过原点晶向上一点的坐标,为,1,、,1.5,、,2,，求该直线的晶向指数。,将三坐标值化为最小整数加方括弧得,234,。,例二、已知晶向指数为,110,画出该晶向。,找出,1,、,1,、,0,坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。,110,234,29,2,晶面指数的标定,a,建立坐标系：确定原点（非阵点）、坐标轴和度量单位。,b,量截距：,x,y,z,。,c,取倒数：,h,k,l,。,d,化整数：,h,k,k,。,e,加圆括号：,(,hkl,).,（,最小整数？,）,30,例一,.,求截距为,、,1,、,晶面的指数 截距值取倒数为,0,、,1,、,0,，加圆括弧得（,010,）,例二,.,求截距为,2,、,3,、,晶面的指数 取倒数为,1/2,、,1/3,、,0,化为最小整数加圆括弧得（,320,）,例三,.,画出（,112,）晶面,取三指数的倒数,1,、,1,、,1/2,化成最小整数为,2,、,2,、,1,，即为,X,、,Y,、,Z,三坐标轴上的截距,31,说明：,a,指数意义：代表一组平行的晶面；,b 0,的意义：面与对应的轴平行；,c,平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反；,d,晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相同），空间位向不同的各组晶面。用,hkl,表示。,e,若晶面与晶向同面，则,hu+kv+lw,=0;,f,若晶面与晶向垂直，则,u=h, k=v, w=l,。,平移坐标原点,：为了标定方便。,32,晶面族与晶向族,(,hkl,),与,uvw,分别表示的是一组平行的晶面和晶向。,指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用,hkl,和,表示。,33,立方晶系常见的,晶面,为：,34,3,六方系晶向指数和晶面指数,a,六方系指数标定的特殊性：,四轴坐标系（等价晶面不具有等价指数）。,b,晶面指数的标定,标法与立方系相同,(,四个截距,),；用四个数字,(,hkil,),表示；,i=-(h+k),。,(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning,35,c,晶向指数的标定,三坐标系 四轴坐标系,a,1,，,a,2,，,c a,1,，,a,2,，,a,3,，,c,120,120,120,（,h k i l,),i= -( h+k ),u v t w t= -( u+v ),36,标法与立方系相同,(,四个坐标,),；用四个数字,(,uvtw,),表示；,t=-(u+w),。,依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。,坐标换算法：,37,4,晶面间距,a,晶面间距,：,两相邻近平行晶面间的垂直距离，用,d,hkl,表示，从原点作（,h k l,）,晶面的法线，则法线被最近的（,h k l,）面所交截的距离即是,b,计算公式,38,上述公式仅适用于简单晶胞,对于复杂晶胞则要考虑附加面的影响,fcc,当（,hkl,）,不为全奇、偶数时，有附加面,：,bcc,当,h,k,l,奇数时，有附加面,六方晶系,立方晶系：,如,0 0 0 1,面,39,说明：,低指数晶面的面间距较大；,而高指数的晶面间距则较小,晶面间距越大,该面上原子排列越紧密,;,原子线密度最大的晶向上面间距最大。,40,（四）三种常见晶格的密排面和密排方向,单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。,单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。,原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。,密排面,数量,密排方向,数量,体心立方晶格,110,6,4,面心立方晶格,111,4,6,密排六方晶格,六方底面,1,底面对角线,3,41,三种常见晶格的密排面和密排方向,六方底面,底面对角线,密排六方晶格,面心立方晶格,体心立方晶格,42,体心立方,(110),面,面心立方,(111),面,密排六方底面,43,（五） 晶体结构的多晶型性,铁的同素异构转变,铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为,：,1394,912,-Fe,-Fe,-Fe,物质在固态下晶体结构随外界条件（温度、压力）变化的现象称同素异构转变。同素异构转变属于相变之一固态相变。,纯铁的同素异构转变,晶体同素异构,44,二 纯金属的实际晶体结构,纯铁组织,晶粒示意图,（一）晶粒与亚晶粒,单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。,多晶体：由多晶粒组成的晶体结构,晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。,45,沿,晶,断口,铅锭宏观组织,变形金属晶粒尺寸约,1,100,m,，铸造金属可达几,mm,。,46,晶界：晶粒之间的交界面。,晶粒越细小，晶界面积越大。,光学金相显示的纯铁晶界,多晶体示意图,47,维纳斯“无臂”之美更深入人心 晶体缺陷赋予材料丰富内容,（二）,晶体中的晶体缺陷,48,晶体缺陷,：实际晶体中与理想点阵结构发生偏差的区域。实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。,点缺陷,：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、异类原子等。,线缺陷,：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。,面缺陷,：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。,原子的不规则排列产生晶体缺陷。晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用。,49,1,点缺陷,空位,：晶格中某些缺排原子的空结点。,肖脱基空位离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。,弗兰克尔空位离位原子进入晶体间隙。,间隙原子,：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。,置换原子,：取代原来原子位置的外来原子称置换原子,（,1,）,点缺陷的类型,50,空位,间隙原子,小置换原子,大置换原子,体心立方的四面体和八面体间隙,51,肖脱基空位,弗兰克尔空位,52,（,2,）,点缺陷的产生及其运动,点缺陷的产生,平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。,过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。,点缺陷的运动,（迁移、复合浓度降低；聚集浓度升高塌陷）,53,结构变化：,晶格畸变（如空位引起晶格收缩；间隙原子引起晶格膨胀，体积膨胀,1,2,个原子体积；置换原子可引起收缩或膨胀。）,性能变化：,物理性能（如电阻率增大，密度减小。）,力学性能（屈服强度高。）,（,3,）,点缺陷与材料行为,54,点缺陷破坏了原子的平衡状态，使,晶格发生扭曲,，称,晶格畸变,。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降,对扩散、高温形变和热处理等过程均有重要影响,2,线缺陷,晶体中的位错,位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。,背景,-,位错的提出：,1926,年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（,2,4,个数量级）。,理想晶体的临界切应力,55,1934,年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。,解释实测的晶体临界切应力值与理论计算值相差千倍以上的问题,1939,年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。,1947,年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。,1950,年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。,之后，用,TEM,直接观察到了晶体中的位错。,意义：对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。,56,晶体在不同的应力状态下，其滑移方式不同。根据原子的滑移方向和位错线取向的几何特征不同，位错分为刃型位错、螺旋位错和混合位错。,位错的基本类型,57,刃型位错,和,螺型位错,刃型位错,螺型位错,58,形成及定义 ：,晶体在大于屈服值的切应力,作用下，,以,ABCD,面为滑移面发生滑移,。,EF,是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。,几何特征：,位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受拉应力作用，原子间距大于正常晶格间距。,（,1,）刃型位错,edge dislocation,模型：,滑移面,/,半原子面,/,位错线 （位错线,晶体滑移方向，位错线,位错运动方向，晶体滑移方向,/,位错运动方向。）,59,分类：正刃位错， “,” ；负刃位错， “,T,”,。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。,60,61,（,2,）螺型位错,screw dislocation,模型：,滑移面,/,位错线。（位错线,/,晶体滑移方向，位错线,位错运动方向，晶体滑移方向,位错运动方向。）,图,2-12,螺位错形成示意图,62,形成及定义：,晶体在外加切应力,作用下，沿,ABCD,面滑移，图中,EF,线为已滑移区与未滑移区的分界处。由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。,几何特征：,位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。,分类：,有左、右旋之分，分别以符号“,”和“,”表示。其中小圆点代表与该点垂直的位错，旋转箭头表示螺旋的旋转方向。它们之间符合左手、右手螺旋定则。,63,(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning,64,螺型位错,screw dislocation,65,（,3,）位错密度,表示方法,：,单位体积中位错的总长度：,将,位错线看作于垂直某一平面的直位错线,位错的性质,形状：不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道。,是已滑移区和未滑移区的边界。,位错线不可能中断于晶体内部。在晶体内部，位错线要么自成环状回路，要么与其它位错相交于节点，要么穿过晶体终止于晶界或晶体表面。,66,式中,L,为晶体长度，,n,为位错线数目，,S,晶体截面积。,一般退火金属晶体中,为,10,4,10,8,cm,-2,数量级，经剧烈冷加工的金属晶体中，,为,10,12,10,14,cm,-2,67,位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起,因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径,减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。,晶体强度与位错密度的关系,68,金属晶须,退火态,(10,5,-10,8,/cm,2,),加工硬化态,(10,11,-10,12,/cm,2,),69,位错观察：浸蚀法、电境法。,(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning,(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning,70,电镜法。,71,电子显微镜下的位错,透射电镜下钛合金中的位错线,(,黑线,),高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）,72,电子显微镜,下,的,位错观察,73,面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它们对材料的力学和物理化学性能具有重要影响。,3,面缺陷,74,（,1,）晶界,：两个空间位向不同的相邻晶粒之间的界面,75,(2),亚晶界,亚晶界：,位向差,1,的亚晶粒之间的边界,为位错结构。,亚晶界也可看作位错壁。,(3),孪晶界和相界,孪晶界：,两块相邻孪晶的共晶面,分为共格孪晶界和非共格孪晶界。,相界：,相邻两个相之间的界面。分类：共格、半共格 和非共格相界。,76,亚晶粒,大,角度和小角度晶界,位错壁,77,78,79,4,晶界特点,(1),原子排列不规则， 熔点低，,(2),化学稳定性差,晶界容易受腐蚀；,(3),易产生内吸附，微量元素、杂质富集在晶界,(4),晶界,畸变,晶界能,向低能量状态转化,晶粒长大、晶界变直,晶界面积减小；,(5),阻碍位错运动,b, ,细晶强化；,位错、空位等缺陷多,晶界扩散速度高；,(7),晶界能量高、结构复杂,容易满足固态相变的条 件,固态相变首先发生地；,80,显微组织的显示,81,二 合金的晶体结构,为何工业上很少使用纯金属,而多使用合金,?,82,一 基本概念,1,合金,（,1,）合金：两种或两种以上的金属，或金属与非金属经一定方法合成的具有金属特性的物质。,（,2,）组元：组成合金最基本的独立的物质。（如一元、二元、三元合金,，可以是元素，也可以是化合物。,（,3,）合金系：给定元素以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的总称。,如,Fe-C,，,Fe-Cr,等。,83,2,相,（,1,）相：材料中结构相同、成分和性能均一的组成部分。（如单相、两相、多相合金。）,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning,is a trademark used herein under license.,84,（,2,）相的分类,固溶体：晶体结构与其某一组元相同的相。溶剂,-,溶质。,中间相（金属化合物）：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相同的相。,85,二 合金的相结构,按溶质原子位置不同，可分为置换固溶体和间隙固溶体。,(,一,),固溶体,86,按固溶度不同，可分为,:,有限固溶体和无限固溶体。,按溶质原子分布不同,可分为,:,无序固溶体和有序固溶体。,1,置换固溶体,（,1,） 置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置的固溶体,（,2,）影响置换固溶体溶解度的因素,原子尺寸因素,原子尺寸差越小,越易形成置换固溶体,且溶解度越大。,r=(,rA-rB)/rA,当,r15%,时，有利于大量互溶。,87,晶体结构因素,结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体。,电负性因素,电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大。,电子浓度因素,电子浓度,e/a,越大，溶解度越小。,e/a,有一极限值，与溶剂晶体结构有关。一价面心立方金属为,1.36,，一价体心立方金属为,1.48,。,（上述四个因素并非相互独立，其统一的理论的是金属与合金的电子理论。）,温度的因素,88,2,间隙固溶体,（,1,） 组成：原子半径较小（,0.1nm),的非金属元素溶入金属晶体的间隙。,（,2,） 影响因素：原子半径和溶剂结构。,（,3,） 溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体。,89,组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。,间隙固溶体都是有限固溶体。,Cu-Ni,无限固溶体,Cu-Zn,有限固溶体,固溶体,化合物,90,4,有序固溶体,（,1,）晶格畸变。,（,2,）偏聚与有序：取决于同类原子和异类原子间结合力 的相对大小。,完全无序、偏聚、部分有序、完全有序。,5,固溶体的性能,（,1,）,点阵常数改变,（,2,）,产生固溶强化,现象：固溶体的强度和硬度高于纯组元，塑性则较低。,概念：固溶强化由于溶质原子的溶入而引起的强化效应。间隙固溶体的强化效果高于置换固溶体。如产生柯氏气团或有序强化。,（,3,）物理、化学性能改变,91,92,2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning,is a trademark used herein under license.,93,（二） 金属间化合物,合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。,当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。,金属化合物也是合金的重要组成相。,铁碳合金中的,Fe,3,C,又称中间相包括：正常价化合物、电子化合物（电子相）、间隙化合物,94,1,正常价化合物,符合正常原子价规律。,（,1,）形成：,电负性差起主要作用，符合原子价规则。,（,2,） 键型：,随电负性差的减小，分别形成离子键、共价键、金属键。,（,3,） 组成：,AB,或,AB,2,。如,MnS, Mg,2,Si.,Al-Mg-,Si,合金中的,Mg,2,Si,Pb,基轴承合金中的电子化合物,95,2,电子化合物,（电子相）,符合电子浓度规律。,（,1,）形成：,电子浓度起主要作用，不符合原子价规则,电子浓度为价电子数与原子数的比值。,（,2,）键型：,金属键（金属金属）。,（,3,）组成：,电子浓度对应晶体结构，可用化学式表示，可形成以化合物为基的固溶体。,如,Cu,3,Sn,。,3,间隙化合物,（,1,） 形成：,由过渡族元素与,C,、,N,、,B,、,H,等小原子半径,的非金属元素组成。,尺寸因素起主要作用。,96,（,2,） 结构,简单间隙化合物（间隙相）：,R,X,/R,M,0.59,时形成复杂结构间隙化合物。,主要是铁、钴、铬、锰的化合物，结构复杂。,如,FeB,、,Fe,3,C,、,Cr,23,C,6,等。,Fe,3,C,称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。,化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。,Fe,3,C,的,晶格,高温合金中的,Cr,23,C,6,98,4,金属化合物的特性,（,1,） 力学性能：,高硬度、高强度、低塑性。,（,2,） 物化性能：,具有电学、磁学、声学性质等，可用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料等,。,(,超导变压器）,（,3,） 组成：,可用化学式表示，可形成固溶体，复杂间隙化合物的金属元素可被置换。,（,4,） 键型：,共价键和金属键。,99,The End,of Chapter 2,100,