金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu).doc

金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)第二章 金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)硅表面原子排列碳表面原子排列第一節(jié) 晶體的基本知識金屬的性能是由其組織結(jié)構(gòu)決定的，其 中結(jié)構(gòu)指的就是晶體結(jié)構(gòu)。金屬的晶體 結(jié)構(gòu)就是其內(nèi)部原子的排列方式，因為 金屬是晶體，所以稱為晶體結(jié)構(gòu)。一、晶體與非晶體1、晶體：原子在三維空間內(nèi)的周期性規(guī)則排列。 長程有序，各向異性。 2、非晶體：原子在三維空間內(nèi)不規(guī)則排列。 長程無序，各向同性。 3、在自然界中除少數(shù)物質(zhì)（如普通玻璃、松香、石蠟 等）是非晶體外，絕大多數(shù)都是晶體，如金屬、合 金、硅酸鹽，大多數(shù)無機(jī)化合物和有機(jī)化合物，甚 至植物纖維都是晶體。一、晶體與非晶體金屬晶體模型晶體與非晶體的性能區(qū)別? 有些晶體具有規(guī) 則的多面體外形， 如水晶；有些則 沒有規(guī)則整齊的 外形，如金屬。? 晶體有固定的 熔點(diǎn)，而非晶體 則沒有。晶體與非晶體的轉(zhuǎn)變? 1. 2. 3. 晶體與非晶體在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)變 玻璃經(jīng)長時間加熱能變?yōu)榫B(tài)玻璃； 金屬從高溫液態(tài)急冷，可變?yōu)榉蔷B(tài)金屬； 非晶態(tài)金屬具有高的強(qiáng)度與韌性等一系列突出 性能，近年來已為人們所重視。二、金屬鍵? 金屬原子結(jié)合方式1. 金屬鍵：依靠正離子與構(gòu)成電子氣的自由電子之 間的靜電引力而使諸原子結(jié)合到一起的方式。 2. 特點(diǎn)：電子逸出共有，結(jié)合力較大，無方向性和 飽和性； 3. 金屬特性：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性好，熔點(diǎn)較 高。如金屬。金屬鍵三、金屬晶體結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)知識?晶格、晶胞和晶格常數(shù)?晶體： ?空間點(diǎn)陣：由幾何點(diǎn)做周期性的規(guī)則排列所形成的三維陣列。 空間點(diǎn)陣中的點(diǎn)陣點(diǎn)。它是純粹的幾何點(diǎn)，各點(diǎn)周圍環(huán)境相 同。 ?晶格：描述晶體中原子排列規(guī)律的空間格架稱之為晶格。?晶胞：空間點(diǎn)陣中能代表原子排列 規(guī)律的最小的幾何單元稱之為晶胞， 是構(gòu)成空間點(diǎn)陣的最基本單元。 選取原則： 能夠充分反映空間點(diǎn)陣的對稱性； 相等的棱和角的數(shù)目最多； 具有盡可能多的直角； 體積最小。 晶格常數(shù) 三個棱邊的長度a,b,c及其夾角, 表示。? 1. 2. 3. 4. ?第二節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)?布拉菲點(diǎn)陣7個晶系， 14種點(diǎn)陣。?大 部 分 （2/3） 的 金屬屬于三種典型 的晶體結(jié)構(gòu)。一、 典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征? 在元素周期表一共約有110種元素，其中 80多種是金屬，占2/3。而這80多種金屬 的晶體結(jié)構(gòu)大多屬于三種典型的晶體結(jié) 構(gòu)。它們分別是： 1、體心立方晶格（BCC） 2、面心立方晶格（FCC） 3、密排六方晶格（HCP）1、體心立方晶格（ BCC）? ? ? ? ? ? ?原子排列方式 常見金屬 原子個數(shù) 原子半徑 配位數(shù) 致密度 間隙半徑? 體心立方晶格的晶胞中,八個原子處于立方 體的角上,一個原子處于立方體的中心, 角 上八個原子與中心原子緊靠。 ? 體心立方晶胞特征： 晶格常數(shù)：a=b=c, =90原子排列方式常見金屬? 具有體心立方晶格的金屬有： 鉬(Mo)、鎢(g)、鎘 (Cd)、鋅(Zn)、鈹(Be)等。 ? 密排六方晶胞的特征： 晶格常數(shù)：用底面正六邊形的邊長a和兩底面之間的 距離c來表達(dá), 兩相鄰側(cè)面之間的夾角為120, 側(cè)面 與底面之間的夾角為90。常見金屬? 具有這種晶格的金屬有鎂(Mg)、鎘(Cd)、 鋅(Zn)、鈹(Be)等。原子個數(shù)? 晶胞原子數(shù)：6原子半徑? 原子半徑： R=a/2? 致密度：0.74 (74%) ? 配位數(shù)：12 ? 空隙半徑： 四面體空隙 其半徑為: r四=0.225r原子 八面體空隙 其半徑為: r八=0.414r原子二、晶面指數(shù)和晶向指數(shù)的標(biāo)定1、晶向指數(shù)與晶面指數(shù)?晶向：空間點(diǎn)陣中各陣點(diǎn)列的方 向。?晶面：通過空間點(diǎn)陣中任意一組 陣點(diǎn)的平面。?國際上通用米勒指數(shù)標(biāo)定晶向和 晶面。二、晶面指數(shù)和晶向指數(shù)的標(biāo)定（1）晶向指數(shù)的標(biāo)定a 建立坐標(biāo)系。確定原點(diǎn)（陣點(diǎn)）、坐標(biāo)軸和度量單位（棱邊）。 b 求坐標(biāo)。u,v,)的非 金屬元素溶入金屬晶體的間隙。 （2）影響因素：原子半徑和溶劑結(jié)構(gòu)。 （3）溶解度：一般都很小，只能形成有限固 溶體。二、固溶體5、 固溶體的性能 無論置換固溶體，還是間隙固溶體，由于溶質(zhì)原 子的存在都會使晶格發(fā)生畸變，使其性能不同于 原純金屬。二、固溶體6、 固溶體的性能當(dāng)溶質(zhì)元素的含量極少時，固溶體的性能與溶劑金屬基本 相同。隨溶質(zhì)含量的升高，固溶體的性能將發(fā)生明顯改變，其 一般情況下，強(qiáng)度、硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降， 電阻率升高，導(dǎo)電性逐漸下降等。 這種通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固 溶強(qiáng)化。 固溶強(qiáng)化是金屬強(qiáng)化的一種重要形式。在溶質(zhì)含量適當(dāng)時， 可顯著提高材料的強(qiáng)度和硬度，而塑性和韌性沒有明顯降低。二、固溶體? 純銅的 b 為220MPa, 硬度為40HBS, 斷面收縮率 為70%。當(dāng)加入1%鎳形成單相固溶體后, 強(qiáng)度 升高到390MPa, 硬度升高到70HBS, 而斷面收縮 率仍有50%。所以固溶體的綜合機(jī)械性能很好, 常常作為合金的基體相。 ? 固溶體與純金屬相比, 物理性能有較大的變化, 如電阻率上升, 導(dǎo)電率下降, 磁矯頑力增大。三、 金屬化合物?若新相的晶體結(jié)構(gòu)不同于任一組成元素，則新 相是組成元素間相互作用而生成的一種新物質(zhì)， 屬于化合物，如碳鋼中的Fe3C，黃銅中的 相 （CuZn）以及各種鋼中都有的FeS、MnS等等。 ?在這些化合物中，F(xiàn)e3C和相均具有相當(dāng)程度的 金屬鍵及一定的金屬性質(zhì)，是一種金屬物質(zhì)，稱 為金屬化合物。三、 金屬化合物? 而FeS、MnS具有離子鍵，沒有金屬性質(zhì)，屬于 一般的化合物，因而又稱為非金屬化合物。 ? 在合金中，金屬化合物可以成為合金材料的基本 組成相，而非金屬化合物是合金原料或熔煉過程 帶來的，數(shù)量少且對合金性能影響很壞，因而一 般稱為非金屬夾雜。三、 金屬化合物? 包括：正常價化合物、電子化合物（電子 相）、 間隙化合物 。三、金屬化合物1 正常價化合物 （1）形成：電負(fù)性差起主要作用，符合原子 價規(guī)則。 （2）鍵型：隨電負(fù)性差的減小，分別形成離 子鍵、共價鍵、金屬鍵。 （3）組成：AB或AB2。三、金屬化合物? 2 電子化合物（電子相） ? （1）形成：電子濃度起主要作用，不符合原子 價規(guī)則。 ? （2）鍵型：金屬鍵（金屬金屬）。 ? （3）組成：電子濃度對應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)，可用化學(xué) 式表示，可形成以化合物為基的固溶體。三、金屬化合物3 間隙化合物 （1）形成：尺寸因素起主要作用。 （2）結(jié)構(gòu)： ?間隙化合物：具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)，主要是鐵、鈷、鉻、錳的化 合物，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。如Fe3C。 ?間隙化合物（間隙相）：晶體結(jié)構(gòu)簡單，金屬原子呈現(xiàn)新 結(jié)構(gòu)，非金屬原子位于其間隙，結(jié)構(gòu)簡單。如面心立方VC。 （3）組成：可用化學(xué)式表示，可形成固溶體，復(fù)雜間 隙化合物的金屬元素可被置換。三、 金屬化合物4 金屬化合物的特性 （1）力學(xué)性能：金屬化合物一般具有復(fù)雜的晶體 結(jié)構(gòu)，熔點(diǎn)高，高硬度、低塑性，硬而脆。當(dāng)合金 中出現(xiàn)金屬化合物時，通常能提高合金的強(qiáng)度、硬 度和耐磨性。金屬化合物是工具鋼、高速鋼等鋼中 的重要組成相。 （2）物化性能：具有電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)性質(zhì)等，可 用于半導(dǎo)體材料、形狀記憶材料、儲氫材料等。第四節(jié) 金屬的晶體缺陷在晶體內(nèi)部原子排列并不是完全規(guī)則的，在局部 一定尺寸范圍內(nèi)原子排列不規(guī)則的現(xiàn)象稱為晶體 缺陷，晶體缺陷在材料組織控制（如擴(kuò)散、相變） 和性能控制（如材料強(qiáng)化）中具有重要作用。就好象維納斯“無臂” 之美更深入人心 晶體 缺陷賦予材料豐富內(nèi)容 入晶體缺陷按其作用范圍可分為：點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、間隙原子、異類原子等。線缺陷：在兩個方向上尺寸很小，而另一個方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯。面缺陷：在一個方向上尺寸很小，在另外兩個方向上尺寸較大的缺陷。如晶界、相界、表面等。一 、點(diǎn)缺陷 由于原子熱振動造成的。 1、 點(diǎn)缺陷的類型（1）空位：肖脫基空位離位原子進(jìn)入其它空位或遷移至晶界或 表面。弗蘭克爾空位離位原子進(jìn)入晶體間隙。（2）間隙原子：位于晶體點(diǎn)陣間隙的原子。 （3）置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。置換原子一 點(diǎn)缺陷肖脫基空位 弗蘭克爾空位3 點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生及其運(yùn)動 （1）點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生 平衡點(diǎn)缺陷：熱振動中的能力起伏。 過飽和點(diǎn)缺陷：外來作用，如高溫淬火、輻照、冷加工等。 （2）點(diǎn)缺陷的運(yùn)動 （遷移、復(fù)合濃度降低；聚集濃度升高塌陷）4 、點(diǎn)缺陷與材料行為（1）結(jié)構(gòu)變化：晶格畸變（如空位引起晶格收 縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收 縮或膨脹。） （2）性能變化：物理性能（如電阻率增大，密 度減小。）力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度提高。）二、 線缺陷（位錯）位錯：晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的錯排。 意義：（對材料的力學(xué)行為如塑性變形、強(qiáng)度、斷裂等起著決定性的 作用，對材料的擴(kuò)散、相變過程有較大影響。） 位錯的提出：1926年，弗蘭克爾發(fā)現(xiàn)理論晶體模型剛性切變強(qiáng)度與與 實(shí)測臨界切應(yīng)力的巨大差異（24個數(shù)量級）。 1934年，泰勒、波朗依、奧羅萬幾乎同時提出位錯的概念。 1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位錯。 1947年，柯垂耳提出溶質(zhì)原子與位錯的交互作用。 1950年，弗蘭克和瑞德同時提出位錯增殖機(jī)制。 之后，用TEM直接觀察到了晶體中的位錯。1、 位錯的基本類型 （1）刃型位錯 模型：滑移面/半原子面/位錯線 （位錯線晶體滑移方向， 位錯線位錯運(yùn)動方向，晶體滑移方向/位錯運(yùn)動方向。） 分類：正刃型位錯（）；負(fù)刃型位錯（）。 產(chǎn)生：空位塌陷；局部滑移。4 、位錯密度（1）單位體積中位錯線的總長度， L / V 式中： 為位錯密度, 單位為m-2，L 為位錯 線總長度, 單位為m, V為體積, 單位為m3。 （2）晶體強(qiáng)度與位錯密度的關(guān)系（3）位錯觀察：浸蝕法、電境法。不銹鋼中的位錯線強(qiáng)度與位錯密度的關(guān)系（-圖）。?退火金屬中位錯密度一般為 101012m-2 左右。位錯的存在極大地影響金屬的機(jī)械 性能。當(dāng)金屬為理想晶體或僅含極少量位 錯時, 金屬的屈服強(qiáng)度 s 很高, 當(dāng)含有一 定量的位錯時, 強(qiáng)度降低。當(dāng)進(jìn)行形變加 工時, 位錯密度增加, s 將會增高。三 面缺陷面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它們對材料的力 學(xué)和物理化學(xué)性能具有重要影響。三 面缺陷1 晶界（1）晶界：兩個空間位 向不同的相鄰晶粒之間 的界面。三、 面缺陷（2）分類 大角度晶界： 晶 粒 位 向 差 大 于 10 度 的晶界。 其