純金屬的晶體結(jié)構(gòu)課件

第一章純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

§1—1金屬的概念一、金屬的特性：金屬元素的數(shù)量大：83/105固態(tài)金屬的特性：不透明、有光澤、有延展性、有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，并且隨著溫度的升高，金屬的導(dǎo)電性降低，電阻率增大，即金屬具有正的電阻溫度系數(shù)。金屬定義：金屬是具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。固態(tài)金屬特性，是由金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和金屬原子結(jié)合的特點(diǎn)所決定的。二、金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、金屬的結(jié)合金屬晶體正是依靠各正離子與公有化的自由電子之間的相互作用（吸引、排斥）就形成了結(jié)合鍵，使原子緊湊而規(guī)則地排列在一起。金屬原子間的結(jié)合鍵稱為金屬鍵?；瘜W(xué)元素周期表金屬鍵模型金屬原子越靠近，相互作用越強(qiáng)。電子氣利用金屬鍵的性質(zhì)解釋金屬的特性。

三、金屬的結(jié)合能1、金屬的結(jié)合能2、雙原子作用模型相鄰二原子之間便發(fā)生兩種相互作用；一種是相互吸引作用，另一種是相互排斥作用，促使原子彼此離開(kāi)。排斥力是一種短程力；而吸引力是一種長(zhǎng)程力，兩者的大小與兩個(gè)原子間的距離D有關(guān)。

雙原子作用模型勢(shì)能平衡位置平衡距離熱振動(dòng)周期勢(shì)場(chǎng)勢(shì)谷勢(shì)壘激活能勢(shì)壘高度§1—2金屬晶體一、晶體的特點(diǎn)晶體具有下列特點(diǎn)：第一、原子在三維空間都是按一定規(guī)律整齊排列的。而非晶體中原子則是雜亂地分布著。第二、

晶體具有一定熔點(diǎn)，非晶體則沒(méi)有。第三、晶體的性能具有各向異性，非晶體是各向同性的。第四、

許多晶體具有規(guī)則的幾何外形。1～２金屬晶體NaCl等同點(diǎn)Na+是一類等同點(diǎn)Cl－是另一類等同點(diǎn)晶體結(jié)構(gòu)中各類等同點(diǎn)所構(gòu)成的幾何圖形是相同的。二維陣胞晶胞棱棱面夾角晶軸晶胞常數(shù)（點(diǎn)陣常數(shù)）晶軸間夾角結(jié)點(diǎn)數(shù)結(jié)點(diǎn)坐標(biāo)復(fù)雜陣胞為了同時(shí)反映空間點(diǎn)陣的對(duì)稱性和周期性，須選取比簡(jiǎn)單陣胞更大的復(fù)雜陣胞。結(jié)點(diǎn)即可以在頂點(diǎn)處，也可以在體心和面心處。復(fù)雜陣胞的條件：1、同時(shí)反映空間點(diǎn)陣的對(duì)稱性和周期性2、盡可能多的直角3、體積最小七個(gè)晶系根據(jù)點(diǎn)陣常數(shù)的不同，可將晶體點(diǎn)陣分為七個(gè)晶系。1、立方晶系P，I，F(xiàn)2、正方晶系P，I3、斜方晶系P，I，C，F(xiàn)4、菱方晶系R5、六方晶系P6、單斜晶系P，I7、三斜晶系二、晶面指數(shù)和晶向指數(shù)

晶面晶向晶面指數(shù)晶向指數(shù)空間點(diǎn)陣中的結(jié)點(diǎn)平面和結(jié)點(diǎn)直線相當(dāng)于晶體結(jié)構(gòu)中的晶面和晶向。1、立方晶格的晶面指數(shù)確定立方晶格的晶面指數(shù)的步驟如下：1、設(shè)坐標(biāo)2、求截距3、取倒數(shù)4、化整數(shù)5、列括號(hào)晶面組晶面族立方晶系中的晶面族：{100}～3個(gè)；{111}～4＊2個(gè)；

{110}～6＊2個(gè)在同一晶體中的不同晶面上原子分布狀況及排列緊密程度是不同的晶面指數(shù)晶面指數(shù)課上習(xí)題圖中給出立方晶體的4個(gè)晶面，求晶面指數(shù)。

課上習(xí)題求出圖中所示各晶向P的晶向指數(shù)

3、六方晶格（1）晶面指數(shù)三軸坐標(biāo)系中六個(gè)側(cè)面的指數(shù)為（010）（110）（100）（010）（110）（100）。而在四軸坐標(biāo)中，為（0110）（1100）（1010）（0110）（1100）（1010）（hkil)其中I＝-(h+k)

1代表的是負(fù)指數(shù)。(2)晶向指數(shù)OM和ON在三軸中的坐標(biāo)是（011）（210）[uvtw]與[UVW]的關(guān)系：

§1—3純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

一、三種晶體結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)１、體心立方晶格；2、面心立方晶格3、密排六方晶格

二、表明晶體結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)

1、晶胞中的原子數(shù)

2、原子半徑和原子體積

3、配位數(shù)與致密度

4、晶體結(jié)構(gòu)的間隙數(shù)

三、三種晶體結(jié)構(gòu)中原子的堆垛規(guī)律

三種晶體結(jié)構(gòu)表明晶體結(jié)構(gòu)特征的參數(shù)體心立方晶體中的原子數(shù)2原子半徑：原子體積：配位數(shù)：8致密度：0.68八面體間隙半徑：0.067a,6個(gè)四面體間隙半徑：0.126a，12個(gè)體心立方間隙體心立方4.晶胞中四面體空隙代表四面體空隙，位置在6個(gè)面的如圖所示位置。個(gè)數(shù)=6×4×1/2=121234564.晶胞中八面體空隙代表八面體空隙，位置在6個(gè)面的中心，12棱的中心。個(gè)數(shù)=6×1/2+12×1/4=6面心立方晶格面心立方間隙八面體：0.146a4個(gè)四面體：0.08a,8個(gè)5.晶胞中四面體空隙和八面體空隙八面體空隙個(gè)數(shù)=12×1/4+1=4四面體空隙個(gè)數(shù)=8密排六方間隙密排六方間隙三、三種晶體結(jié)構(gòu)中原子的堆垛規(guī)律密排面體心的堆積密堆方式二層密堆ABC堆積AB堆積A1：立方體的體對(duì)角線方向，共4條，故有4個(gè)密堆積方向，易向不同方向滑動(dòng)，而具有良好的延展性。如Cu.A3：只有一個(gè)方向，即六方晶胞的C軸方向，延展性差，較脆，如Mg.A1、A3型堆積的不同兩種密堆結(jié)構(gòu)的比較四、晶體的各向異性及同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

晶體的偽各向同性2、晶體的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)體重結(jié)晶過(guò)程規(guī)律：有一定的轉(zhuǎn)變溫度；轉(zhuǎn)變時(shí)需要過(guò)冷（或過(guò)熱）；有結(jié)晶潛熱產(chǎn)生；轉(zhuǎn)變過(guò)程也是由形核及核長(zhǎng)大來(lái)完成的。

鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變Fe

§1—4金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)

二、金屬實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)

一、金屬晶體是多晶體金屬材料都是由尺寸大小不等，晶體結(jié)構(gòu)相同、空間結(jié)晶方位不同的單晶體（晶粒）組成的，單晶體（晶粒）之間由界面相隔開(kāi)。

純鐵的顯微組織點(diǎn)缺陷空位與間隙原子造成晶格畸變置換原子造成晶格畸變能量起伏晶格畸變空位和間隙原子的形成是熱運(yùn)動(dòng)的必然結(jié)果。晶格畸變：畸變的結(jié)果將導(dǎo)致能量的升高，從而也促進(jìn)了晶體組織的轉(zhuǎn)變。另外畸變也使晶體的強(qiáng)度、硬度和電阻增加。點(diǎn)缺陷是一種熱力學(xué)平衡缺陷從熱力學(xué)中己知，一個(gè)過(guò)程是否能夠自發(fā)進(jìn)行，取決于體系的吉布斯自由能的變化。ΔG＜0。ΔG＝ΔU+PΔV—TΔS。在固態(tài)的條件下，體積的變化ΔV常?？梢院雎圆挥?jì)，因此可以近似地認(rèn)為：ΔG＝ΔU—TΔS＝ΔF假設(shè)在一個(gè)有N個(gè)原子的理想晶體中，引入n個(gè)空位內(nèi)能將增加nUv。

點(diǎn)缺陷是一種熱力學(xué)平衡缺陷另一方面，n個(gè)空位的形成也引起了體系熵值的變化，熵變可分為兩部分，一部分叫排列熵

Sc＝Klnω

（3）

結(jié)構(gòu)熵振動(dòng)熵結(jié)論：空位是一種熱力學(xué)平衡的缺陷。是在一定的溫度下，晶體中總是會(huì)存在著一定數(shù)量的空位，這時(shí)體系的能量處于最低的狀態(tài)。具有平衡空位濃度的晶體比理想晶體在熱力學(xué)上更為穩(wěn)定。

圖示性質(zhì)空位和間隙原子的濃度是隨溫度升高而急劇增加?？瘴皇且暂^可觀的數(shù)目存在，而間隙原子的數(shù)目很少

空位和間隙原子處于不斷的運(yùn)動(dòng)和變化之中。

空位、間隙原子和置換原子的運(yùn)動(dòng)，是金屬中原子擴(kuò)散的主要方式。造成過(guò)飽和點(diǎn)缺陷的主要有3個(gè)方面因素；(1)高溫激冷；(2)大量的冷變形；(3)高能粒子輻照。

點(diǎn)缺陷對(duì)金屬的性能的影響(1)使電阻增大，(2)、點(diǎn)缺陷的增加還使金屬的密度下降；(3)過(guò)飽和的點(diǎn)缺陷可提高金屬的屈服強(qiáng)度；

固溶強(qiáng)化

(4)空位對(duì)于金屬中以擴(kuò)散為基本過(guò)程的許多現(xiàn)象有重要的影響，特別是在高溫條件下，例如高溫氧化、燒結(jié)、表面化學(xué)熱處理，以及均勻化退火等等。

(二）、線缺陷金屬晶體中的線缺陷就是位錯(cuò)。位錯(cuò)就是晶體中的一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。它的寬度大約是3～5個(gè)原子間距。而位錯(cuò)的長(zhǎng)度一般是幾百個(gè)到幾萬(wàn)個(gè)原子間距。寬度和長(zhǎng)度比較起來(lái)小得很多很多，因而稱為線缺陷。兩種類型：刃型位錯(cuò)，螺型位錯(cuò)。

刃型位錯(cuò)彈性應(yīng)力場(chǎng)壓應(yīng)力拉應(yīng)力刃型位錯(cuò)造成金屬的強(qiáng)化刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)會(huì)與間隙原子和置換原子發(fā)生彈性相互作用，吸引這些原子向位錯(cuò)區(qū)偏聚。小的間隙原子，如鋼鐵中的碳、氮原子，往往鉆入位錯(cuò)管道；置換原子則富集在位錯(cuò)管道周圍。這樣會(huì)降低晶格畸變能，同時(shí)使位錯(cuò)難以運(yùn)動(dòng)，因而造成金屬的強(qiáng)化。

位錯(cuò)與缺陷的作用示意圖螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)周圍的彈性應(yīng)力場(chǎng)呈軸對(duì)稱分布

右螺型位錯(cuò)左螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)混合型位錯(cuò)

刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)混合而成的鉬中的六角位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)柏氏向量在切應(yīng)力作用下，位錯(cuò)線很容易沿滑移面運(yùn)動(dòng)。一根位錯(cuò)線掃過(guò)滑移面，滑移面兩邊的原子就相對(duì)移動(dòng)一個(gè)原子間距。大量位錯(cuò)掃過(guò)滑移面，就造成晶體的宏觀切變。

柏氏向量的方向就是原子移動(dòng)的方向，也就是晶體滑移的方向。柏氏向量的大小就是原子移動(dòng)的距離。它總是由一個(gè)平衡位置指向另一個(gè)平衡位置,而不能是任意的方向和大小。

每一根位錯(cuò)線都有自己的柏氏向量。

柏氏向量確定的步驟（1）規(guī)定位錯(cuò)線的正方向。是任意選定的。（2）作垂直于位錯(cuò)線的平面。（3）在這個(gè)平面上沿相互垂直的四個(gè)方向各移動(dòng)同樣的步數(shù)，作出圍繞位錯(cuò)的回路。當(dāng)沿位錯(cuò)的正方向朝前看時(shí)，按順時(shí)針?lè)较蜻M(jìn)行。這種回路通常稱為柏氏回路。（4）回路不封閉時(shí)就表明存在著位錯(cuò)。柏氏矢量就是閉合回路所需要的矢量（圖中b所表示的矢量）。柏氏矢量等于滑移矢量。位錯(cuò)在柏氏矢量方向上的運(yùn)動(dòng)稱為滑移運(yùn)動(dòng)。柏氏向量確定示意圖單位位錯(cuò)簡(jiǎn)單立方結(jié)構(gòu)〈111〉方向，b=a<100)|b|＝a面心立方：<110>方向大小是體心立方：<111>方向大小是位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)＊位錯(cuò)沿滑移面運(yùn)動(dòng)時(shí)，盡管位錯(cuò)線的形狀和類型可能改變，但是它的柏氏向量恒定不變。

＊無(wú)論是何種位錯(cuò)，都有一個(gè)共同特點(diǎn)，就是：在位錯(cuò)的一邊是已滑移區(qū)，另一邊是未滑移區(qū)。位錯(cuò)就是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)上的邊界線。＊位錯(cuò)密度：ρ＝Ｓ／Ｖ式中V—晶體的體積；S—體積為V的晶體中位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度。＊一般經(jīng)過(guò)適當(dāng)退火的多晶體金屬中，位錯(cuò)密度為106～108；超純單晶體金屬，其位錯(cuò)密度很低(<103)。而經(jīng)劇烈冷變形金屬，位錯(cuò)密度可增至1011～1012。位錯(cuò)對(duì)金屬材料性能的影響（1）位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)及分布，可以引起晶體的宏觀范性形變。（2）晶須中不含有位錯(cuò)，不易塑性變形，故強(qiáng)度很高。而一般金屬中含有位錯(cuò)，易于塑性變形，故強(qiáng)度低。（3）如果金屬晶體中位錯(cuò)密度很高，由于位錯(cuò)之間的相互作用和制約，金屬的強(qiáng)度也可以提高。（4）晶體中的位錯(cuò)并不是固定不變的，當(dāng)晶體中的原子發(fā)生熱運(yùn)動(dòng)或晶體受外力作用而發(fā)生塑性變形時(shí)，位錯(cuò)就可以從在晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)。（三）面缺陷晶體的面缺陷包括晶體的外表面和晶體內(nèi)部的晶粒間界、亞晶界、相界等，后幾種又稱為晶體的內(nèi)表面。

（1）晶體的外表面：（1）涉及幾個(gè)原子層，這幾層能量高的原子層都屬于表面。（2）表面能：在數(shù)值上，表面能等于表面張力。金屬表面能與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。表面原子排列越緊密越平整，其表面能越低。另外，表面能還與表面曲率有關(guān)。表面曲率越大，即曲率半徑越小，表面能越高。這些特點(diǎn)對(duì)于金屬的結(jié)晶和固態(tài)相變有著重要的作用。晶體的內(nèi)表面晶界的厚度，取決于相鄰晶粒之間的位向差以及金屬的純度。位向差越小，純度越高，晶界層越薄。相鄰晶粒位向差小于100的晶界，稱小角度晶界；相鄰位向差大于100的晶界，稱為大角度晶界。

界面能大角度晶界示意圖晶界界面能很低－－重合位置點(diǎn)陣模型界面的性質(zhì)（A）、表面和晶界具有吸附和偏聚雜質(zhì)原子的作用。（B）晶界具有較高的強(qiáng)度和硬度。因此，晶粒越細(xì)，金屬的強(qiáng)度、硬度也就越高。(C)晶界的熔點(diǎn)較低。(D)發(fā)生相變時(shí)，新相往往首先在母相的晶界上形核。（E）晶界總比晶粒內(nèi)部的腐蝕速度要快。(F)晶界的電阻高于晶粒內(nèi)部。（G）晶界上擴(kuò)散速度要比晶粒內(nèi)部快。（H）當(dāng)溫度升高、原子動(dòng)能增大時(shí)，就能促使晶粒的長(zhǎng)大。亞晶界實(shí)際晶體的晶粒內(nèi)部，存在許多尺寸很小，位向差很小（一般是幾十分到10～20）的小晶塊，它們相互嵌鑲成一顆晶粒，這些小晶塊稱為亞結(jié)構(gòu)（或稱為亞晶、嵌鑲塊）。在亞結(jié)構(gòu)的內(nèi)部，原子的排列位向是一致的亞晶界總結(jié)：金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)不是理想完整的，存在各種各樣的晶體缺陷。它是非常重要的，金屬中許多重要過(guò)程，都是依靠晶體缺陷的運(yùn)動(dòng)來(lái)完成的；金屬許多性能都與晶體缺陷有關(guān)。所以要正確認(rèn)識(shí)晶體缺陷?！?—5金屬晶體中的擴(kuò)散一、概述（一）、擴(kuò)散的實(shí)質(zhì)—固體擴(kuò)散的微觀過(guò)程：金屬晶體的擴(kuò)散是原子的熱激活過(guò)程，依靠原子的熱運(yùn)動(dòng)來(lái)完成。

擴(kuò)散推動(dòng)力

大量原子無(wú)序躍遷的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，就造成物質(zhì)的定向遷移，即發(fā)生擴(kuò)散。（二）金屬晶體擴(kuò)散的條件1、溫度要足夠高2.時(shí)間要足夠長(zhǎng)。例如，向鋼中滲碳，滲碳層達(dá)到0.8mm時(shí)，需要長(zhǎng)達(dá)8～10小時(shí)才能完成。3．?dāng)U散原子要固溶4、擴(kuò)散要有推動(dòng)力擴(kuò)散推動(dòng)力A→BB→A擴(kuò)散推動(dòng)力擴(kuò)散推動(dòng)力的作用，就在于使對(duì)稱的周期勢(shì)場(chǎng)向自由能降低方向傾斜，因此造成原子正向與反向躍遷幾率不相等，從而發(fā)生擴(kuò)散。所以擴(kuò)散要有推動(dòng)力。擴(kuò)散的推動(dòng)力可以是濃度梯度造成的化學(xué)自由能差，也可是應(yīng)力梯度造成的應(yīng)變自由能差，還可以是表面自由能差?？傊瑪U(kuò)散推動(dòng)力是自由能差，擴(kuò)散總是向自由能降低的方向進(jìn)行。

（三）、金屬晶體擴(kuò)散分類晶體擴(kuò)散兩類：一類是互擴(kuò)散、另一類是自擴(kuò)散?；U(kuò)散就是伴有濃度變化的擴(kuò)散，它與異類原子的濃度差相關(guān)。在互擴(kuò)散過(guò)程中，異類原子相對(duì)擴(kuò)散，互相滲透，所以又叫作“異擴(kuò)散”或“化學(xué)擴(kuò)散”?；U(kuò)散總是在不均勻固溶體中進(jìn)行的?；U(kuò)散又可分為“下坡擴(kuò)散”和“上坡擴(kuò)散”兩種。下坡擴(kuò)散是沿著濃度降低方向進(jìn)行的擴(kuò)散，使?jié)舛融呌诰鶆蚧Ｉ掀聰U(kuò)散則是沿著濃度升高方向進(jìn)行的擴(kuò)散，即由低濃度向高濃度方向擴(kuò)散，使?jié)舛劝l(fā)生兩極分化。硅鋼中的上坡擴(kuò)散應(yīng)力作用下的上坡擴(kuò)散自擴(kuò)散互擴(kuò)散還可分為“原子擴(kuò)散”與“反應(yīng)擴(kuò)散”兩種。如果在擴(kuò)散過(guò)程中，基體晶格始終不變，沒(méi)有新相產(chǎn)生，這種擴(kuò)散就稱為原子擴(kuò)散。反之，在擴(kuò)散過(guò)程中，當(dāng)濃度變化到一定值時(shí)，引起基體晶格轉(zhuǎn)變，形成新相，這種擴(kuò)散稱為反應(yīng)擴(kuò)散。自擴(kuò)散就是不伴有濃度變化的擴(kuò)散，它與濃度梯度無(wú)關(guān)。自擴(kuò)散只發(fā)生在純金屬中和均勻固溶體中。固態(tài)擴(kuò)散是在自由能差推動(dòng)下，依靠原子的熱激活而進(jìn)行的物質(zhì)遷移過(guò)程。物質(zhì)總是向自由能降低的方向擴(kuò)散。二、擴(kuò)散機(jī)理

所謂擴(kuò)散機(jī)理，就是擴(kuò)散原子在晶體點(diǎn)陣中換位的具體方式。1、間隙擴(kuò)散機(jī)理2、空位擴(kuò)散機(jī)理3、換位擴(kuò)散機(jī)理4、位錯(cuò)擴(kuò)散機(jī)理5、晶界擴(kuò)散機(jī)理6、表面擴(kuò)散機(jī)理擴(kuò)散激活能擴(kuò)散激活能固態(tài)金屬中的擴(kuò)散主要是借助晶體缺陷來(lái)進(jìn)行的，如果沒(méi)有各種晶體缺陷存在，金屬原子的擴(kuò)散要困難多，甚至是難以進(jìn)行的。三、擴(kuò)散定律擴(kuò)散定律又叫菲克定律，第一定律用于穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散，第二定律用于非穩(wěn)定態(tài)擴(kuò)散。

穩(wěn)定擴(kuò)散：擴(kuò)散第一定律指出，在穩(wěn)