材料科學(xué)基礎(chǔ)電子教案講義教學(xué)課件 PPT材料科學(xué)基礎(chǔ)

1、中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院 彭兵 材料科學(xué)基礎(chǔ)材料科學(xué)基礎(chǔ) 緒論緒論 課程的目的和任務(wù) 金屬概述 金屬學(xué)的發(fā)展 學(xué)習(xí)要求和參考書(shū) 1.課程的目的和任務(wù)課程的目的和任務(wù) 材料 金屬材料 非金屬材料 復(fù)合材料 純金屬 合金 無(wú)機(jī)非金屬材料 有機(jī)非金屬材料 金屬基復(fù)合材料 非金屬基復(fù)合材料 1-a. 材料的分類 material 1.課程的目的和任務(wù)（續(xù)）課程的目的和任務(wù)（續(xù)） 1-b.成分、組織與性能關(guān)系 成分處理?xiàng)l件與工藝 組織 性能 金屬學(xué)的主要任務(wù): 研究金 屬組織結(jié)構(gòu)的形成及變化規(guī) 律，它們與內(nèi)在成分、外在 條件之間的關(guān)系及其對(duì)材料 性能的影響。 material 2.金屬概述金屬概述 一

2、般定義：具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)即為金屬。 金屬的性質(zhì)： 1.良好的傳導(dǎo)性 即導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性，自由電子的運(yùn)動(dòng)引起； 2.良好的延展性 金屬正離子在電子云中規(guī)則排列，金屬間沒(méi)有方向性。 3.具有光澤 吸收了能量的自由電子從被激發(fā)態(tài)（高能帶）回到基態(tài) （低能帶）時(shí)會(huì)放出能量，這種能量以光的形式放出。 3.金屬學(xué)的發(fā)展金屬學(xué)的發(fā)展 金屬學(xué)的發(fā)展與組織結(jié)構(gòu)分析和性能測(cè)試技術(shù)等研究方法和 手段的進(jìn)展密切相關(guān)。 人類對(duì)金屬內(nèi)部組織的認(rèn)識(shí)過(guò)程：長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)光學(xué)金相 （1841年)x射線衍射技術(shù)（1913年）電子顯微鏡（1932年）。 于是在金相學(xué)的基礎(chǔ)上，隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展以及熱力學(xué)、物理 化學(xué)、固體物理、材料力

3、學(xué)等各學(xué)科之間的相互滲透，金屬的宏 觀、微觀組織，直至原子組態(tài)的結(jié)構(gòu)及其各種性能的關(guān)系，得到 了日趨深入的認(rèn)識(shí)，形成了近代金屬學(xué)體系。先進(jìn)的檢測(cè)手段的 出現(xiàn)，擴(kuò)大了金屬材料的研究領(lǐng)域，促進(jìn)了金屬學(xué)的發(fā)展。 金屬學(xué)在歐美多稱為物理冶金學(xué)(physico-metallury)，研究也 今后金屬材料在加工使用過(guò)程中的性能及其影響因素。 4.學(xué)習(xí)要求和參考書(shū)學(xué)習(xí)要求和參考書(shū) 學(xué)習(xí)要求：理解并記憶定義、原理公式，能靈活運(yùn)用有關(guān)原理解 釋和解決實(shí)際問(wèn)題。 參考書(shū)籍：1.徐祖耀，金屬學(xué)原理，上海：上?？萍汲霭嫔?，1964年。 2.胡德鄰主編，金屬學(xué)原理，西安：西北工業(yè)大學(xué)出版社， 1984.7。 3.馮端，

4、王業(yè)寧，丘弟榮編著，金屬物理，北京：科學(xué)出版社， 1964，1975。 第一章第一章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 第一節(jié)第一節(jié) 金屬晶體中原子間的結(jié)合金屬晶體中原子間的結(jié)合 一、鍵型 離子鍵 共價(jià)鍵 金屬鍵 范德華力 二、結(jié)合力與結(jié)合能 結(jié)合力 結(jié)合能 總結(jié) 三、原子半徑 四、金屬的晶體性 material material 一、鍵型一、鍵型 1.離子鍵離子化合物（大部分鹽類、堿類、金屬氧化物等）中通 過(guò)正、負(fù)離子間的靜電作用結(jié)合。 特點(diǎn)： 結(jié)合力強(qiáng)，熔點(diǎn)高，硬而脆； 嚴(yán)格按化學(xué)價(jià)結(jié)合，原子比例已定，可用化學(xué)式表示； 電子固有，不存在自由電子，傳導(dǎo)性差； 無(wú)方向性； 2.共價(jià)鍵c、si、sn

5、、ge等金屬中，通過(guò)共用電子對(duì)結(jié)合。 特點(diǎn)： 具有飽和性，符合8-n 定律； 有方向性； 結(jié)合力強(qiáng)，熔點(diǎn)高，硬； 電子固有，沒(méi)有自由電子； 一、鍵型（續(xù)）一、鍵型（續(xù)） 3.金屬鍵金屬中，正離子 與自由電子相結(jié)合（正離子浸 在自由電子云中）失去價(jià)電子 的金屬正離子于形成電子云的 自由電子之間產(chǎn)生靜電引力， 使金屬原子結(jié)合在一起，形成 了金屬晶體。 特點(diǎn)： 電子共有； 無(wú)飽和型； 無(wú)方向性； 4.范德華力 某些分子之間，中性原子之間，依賴兩個(gè)偶極子之間的靜電引力相結(jié)合。范 德華力比較微弱。 二、結(jié)合力與結(jié)合能二、結(jié)合力與結(jié)合能 1.結(jié)合力 1-1 概念 所有鍵型都以靜電力結(jié)合，靜電作用產(chǎn)生引力和

6、吃力。 1-2 原因 原子相互結(jié)合后，電子能帶疊加：原來(lái)已填滿，則能量上升， 體現(xiàn)為斥力；原來(lái)未填滿，則能量下降，體現(xiàn)為引力。 1-3 雙原子結(jié)合力模型 si原子電子軌道 二、結(jié)合力與結(jié)合能（續(xù)）二、結(jié)合力與結(jié)合能（續(xù)） 2. 結(jié)合能 3.總結(jié) material 三、原子半徑（三、原子半徑（ra) 1.計(jì)算公式 當(dāng)r=r0時(shí)，兩個(gè)正離子間的 中心距，稱為原子直徑（2ra),亦 即r0=2ra； 2.影響因素 致密度越高，則ra越??； 鍵合力越高，則ra越??； 不同方向上ra也可能不同； 四、金屬的晶體性四、金屬的晶體性 1.固體的分類 晶體原子呈周期性排列； 非晶體原子呈不規(guī)則排列； 2. 晶

7、體的分類 單晶體整個(gè)物質(zhì)由一個(gè)晶粒組成，其中原子排列位向相同， 具有各向異性。 多晶體有許多位向不同的小單晶體組成，具有各向同性（單 個(gè)經(jīng)歷的各向異性被“平均化”）。 3.晶體和非晶體相互關(guān)系 晶體和非晶體在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化。例如，在極大的冷 速下，可以得到非晶態(tài)金屬。其原因是液態(tài)金屬在冷卻時(shí)來(lái)不及 轉(zhuǎn)變成晶體就凝固了，非晶體實(shí)質(zhì)上是一種過(guò)冷的液體結(jié)構(gòu)（短 程有序）。 第二節(jié)第二節(jié) 晶體學(xué)基礎(chǔ)晶體學(xué)基礎(chǔ) 一、晶體的定性描述 1. 晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣 2. 晶系（7系14種） 二、晶體的定量描述 1. 立方晶系的晶向和晶面指數(shù) 2. 晶帶與晶面軸 3. 六方晶系的晶向與晶面指數(shù) 4. 立

8、方晶系中的一些重要幾何關(guān)系 1.晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣 1-1 晶體結(jié)構(gòu)（晶體點(diǎn)陣） 實(shí)際原子在空間規(guī)則排列構(gòu)成的集合體。 1-2 陣點(diǎn)（節(jié)點(diǎn)、結(jié)點(diǎn)） 忽略實(shí)際原子的體積，將其看成一個(gè)點(diǎn)，這樣的點(diǎn)稱為陣點(diǎn)。 空間點(diǎn)陣就是由陣點(diǎn)組成的點(diǎn)陣排列。 陣點(diǎn)可以是原子或分子的中心，也可以是彼此等同的 原子群或分子群的中心。也就是說(shuō)可以把原子或分子看作 一個(gè)陣點(diǎn)，也可以把彼此等同的原子團(tuán)或分子群看作一個(gè) 陣點(diǎn)，但各個(gè)陣點(diǎn)的環(huán)境必須相同。在某一空間點(diǎn)陣中，各陣點(diǎn)在 空間的位置時(shí)一定的，陣點(diǎn)是構(gòu)成空間點(diǎn)陣的基本要素。 1-3 晶格 表示原子在空間規(guī)則排列的幾何格子（用直線將陣點(diǎn)連接起來(lái)構(gòu)成 的三

9、維幾何格架）。 1.晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣（續(xù)）晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣（續(xù)） 1-4 晶胞 定義：能夠代表晶格中原子排列特征的最小單元體。晶胞通 常是平行六面體，將晶胞作三維的重復(fù)堆砌就構(gòu)成了空間點(diǎn)陣。 晶胞的選取原則： 幾何形狀與晶體具有同樣的對(duì)稱性； 平行六面體內(nèi)相等的棱與角的數(shù)目最多； 當(dāng)平行六面體棱間有直角時(shí)，直角數(shù)目最多； 在滿足上述條件下，晶胞的體積應(yīng)最小。 點(diǎn)陣參數(shù) 1.晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣（續(xù)）晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣（續(xù)） 1-5 晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣的區(qū)別 晶體結(jié)構(gòu)其類型取決于原子結(jié)合，陣點(diǎn)的位置上可以是一 個(gè)或多個(gè)實(shí)際質(zhì)點(diǎn)或者原子團(tuán)，其種類可以是無(wú)限的。 空間點(diǎn)陣每個(gè)陣點(diǎn)處原子都具有相同的

10、環(huán)境，其種類有限 （僅有14種）。 亦即是說(shuō)，每種空間點(diǎn)陣都可以形成無(wú)限多的晶體結(jié)構(gòu)。如下 例所示： 2. 晶系晶系 2.1 布拉菲點(diǎn)陣（空間點(diǎn)陣） 根據(jù)空間點(diǎn)陣中“每個(gè)陣點(diǎn)周圍的環(huán)境相同“的要求，布拉菲 （braris)于1948年用數(shù)學(xué)方法證明了空間點(diǎn)陣共有14種，而且只 有14種。 2.2 晶系 根據(jù)晶胞的3個(gè)晶格常數(shù)（a、b、c）和3個(gè)軸間夾角（、） 的相互關(guān)系，可以把14種布拉菲點(diǎn)陣歸納為7個(gè)晶系（參見(jiàn)下標(biāo)）。 從表中可以看出，晶系分類是只考慮a、b、c 是否相等， 、 是否相等或呈直角關(guān)系等因素，即只考慮晶胞的外形而不涉及晶 保中原子排列的具體情況。 二、晶體的定量描述二、晶體的定

11、量描述 幾個(gè)重要的概念 晶向點(diǎn)陣重鎮(zhèn)點(diǎn)的連線，表示原子列的方向。 晶面點(diǎn)陣中陣點(diǎn)組成的面，表示原子面。 用晶向指數(shù)和晶面指數(shù)來(lái)確定和區(qū)分不同的晶向和晶面，國(guó)際上 通用密勒指數(shù)（miller)統(tǒng)一標(biāo)定。 1. 立方晶系的晶向與晶面指數(shù)立方晶系的晶向與晶面指數(shù) 1-1 晶向指數(shù) u v w 建立步驟： 建立坐標(biāo)系。以某一陣點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，三個(gè)棱邊為 坐標(biāo) 軸，并以點(diǎn)陣常數(shù)(a、b、c)作為各個(gè)坐標(biāo)軸的單位長(zhǎng)度； 作 op / ab ； 確定p點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)值（找垂直投影）； 將坐標(biāo)值化為互質(zhì)的最小整數(shù)，并放入到 中，則uvw 即 為所求； procedure 1. . 2. . 3. . x y o

12、p a b attention: 定晶向指數(shù)時(shí)，選擇的原點(diǎn)必 須在所求得晶向上。 如：ab: x y z 1 u v w 1 1 2 晶向 1 1 2 z 1. 立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)） 晶向指數(shù)u v w中如果某一 個(gè)數(shù)字為負(fù)，則將負(fù)號(hào)標(biāo)注 在該數(shù)的上方。 一個(gè)晶向指數(shù)并不表示一個(gè) 晶向，而是一組相互平行、 位向相同的晶向。如果晶向 指數(shù)的數(shù)字相同而正負(fù)號(hào)相 反，如110和110，則這兩 個(gè)晶向相互平行，但方向相 反（與數(shù)學(xué)中矢量的相關(guān)概念相同）。 1. 立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)） 1-2 晶面指數(shù) 建立步驟： 建立坐標(biāo)系

13、。原點(diǎn)不能位于所求的平面內(nèi)，其余的與求 晶 向指數(shù)時(shí)相同。 求晶面在各個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。 求截距的倒數(shù)，并化為最小正整數(shù)，放入（）中。 則（h k l）即為所求的晶面指數(shù)。 procedure 1. . 2. . 3. . 如果晶面在某個(gè)坐標(biāo)軸上的截距為負(fù)，則在相應(yīng)當(dāng)指數(shù)上方加上 負(fù)號(hào)。 平行晶面的晶面指數(shù)相同，或者數(shù)字相同而正、負(fù)完全相反。 1. 立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)） 1-3 晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的關(guān)系 在立方晶系中，相同指數(shù)的晶面和晶向相互垂直。也就是說(shuō)： 立方晶系的晶面和其法線具有相同的指數(shù)。 100 (100) o (111) 111 o 110

14、(110) o 例如：100 (100) 111 (111) 110 (110) 1. 立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)） 1-4 晶面族和晶面族 晶向族 原子排列相同但空間位向不同的所有晶向，用 表示。 例如：在立方晶系中， =1 0 0+0 1 0+0 0 1+1 0 0+0 1 0+0 0 1， =1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1 亦即：同 一晶向族的各晶向指數(shù)的數(shù)字相同，但排列次序或正負(fù)號(hào) 不同。 立方晶系中， 晶向族包括的晶向可以用u、v、w數(shù)字 的排列組合方式求出。 該晶向族方法不適用于非立方結(jié)

15、構(gòu)的晶體。 1. 立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)） 1-4 晶面族和晶面族(續(xù)) 晶面族 原子排列相同但空間位向不同的所有晶面，用h k l 表示。 例如：在立方晶系中， 1 0 0=1 0 0+0 1 0+0 0 1+1 0 0+0 1 0+0 0 1， 1 1 1=1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1。 亦即：同 一晶面族的各晶面指數(shù)的數(shù)字相同，但排列次序或正負(fù)號(hào) 不同。 立方晶系中， h k l晶向族包括的晶向可以用h、k、l 數(shù)字的 排列組合方式求出。 該晶面族方法不適用于非立方結(jié)構(gòu)的晶體。 2. 晶

16、帶與晶帶軸晶帶與晶帶軸 定義 一系列的晶面相互平行或相交于一線，則這些晶面構(gòu)成一個(gè)“晶 帶”，該直線稱為晶帶軸。 晶帶定律 設(shè)晶帶軸為u v w，晶帶中任一晶面為(h k l)，則兩者符合晶帶定律： hu+kv+lw=0。其原因是同一晶帶中的所有晶面均與晶帶軸平行。 應(yīng)用 利用晶帶定律可以求得任意兩個(gè)互不平行晶面（h1 k1 l1）和（h2 k2 l2） 相交線的晶向指數(shù)，即晶帶軸u v w。 h1u+k1v+l1w=0 h2u+k2v+l2w=0 u=k1l2-k2l1 v=l1h2-l2h1 w=h1k2-h2k1 將所求得到u、v、w化 為互質(zhì)數(shù)即是所求得 的晶帶軸u v w 例如：(1

17、 1 1) 和 (1 1 0) 晶面的晶帶軸經(jīng)計(jì)算為1 1 0。 3. 六方晶系的晶向與晶面指數(shù)六方晶系的晶向與晶面指數(shù) a1 a2 c (1 1 0 0) a3 (1 1 2 0) p 1 2 1 3 通常采用四坐標(biāo)軸表示法。如 左圖所示，以阿a1 、a2 、a3 和 c 四個(gè)軸為坐標(biāo)軸，a1、 a2 、a3三 個(gè)軸位于同一個(gè)平面上，彼此間 的夾角均為120。 3. 六方晶系的晶向和晶面指數(shù)六方晶系的晶向和晶面指數(shù)(續(xù)續(xù)) 3-1 晶面指數(shù)(h k i l) 方法與三軸坐標(biāo)系相同。亦即經(jīng)歷如下步驟： 找截距； 求倒數(shù)； 化為最小整數(shù)。 procedure 1. . 2. . 3. . 附 注

18、 由于三維空間中獨(dú)立的坐標(biāo)軸不會(huì)超過(guò)三個(gè)，所以位于同一個(gè) 平面上h、k、i中必定有一個(gè)不是獨(dú)立的。 可以證明：i（hk） 3-2 晶向指數(shù)u v t w 步驟： 找垂直投影； 前三項(xiàng)乘以2/3 (不能化為最小整數(shù))； 連同第四項(xiàng)一起化為最小整數(shù)。 procedure 1. . 2. . 3. . 同樣，u、v、t之間也滿足：t(u+v) 3. 六方晶系的晶向和晶面指數(shù)六方晶系的晶向和晶面指數(shù)(續(xù)續(xù)) 3-3 注意兩點(diǎn) 在立方晶系中判斷晶向垂直或平行于晶面，在六方晶系中仍 然適用。 例如：0 0 0 1 (0 0 0 1)、1 1 2 0 (1 1 2 0) 由晶面族指數(shù)或晶向族指數(shù)還原成具體的

19、晶面或晶向指數(shù)時(shí)， 指數(shù)中只有前3個(gè)數(shù)字能夠相互改變次序和正負(fù)號(hào)，而且必須 滿足 i（hk）、 t(u+v) 的特殊關(guān)系。第四個(gè)指數(shù)位 置不動(dòng)，只能改變其正負(fù)號(hào)。 4. 立方晶系中的一些重要幾何關(guān)系立方晶系中的一些重要幾何關(guān)系 4 -1.晶面間距 定義：相鄰兩個(gè)平行晶面之間的垂直距離。對(duì)于簡(jiǎn)立方晶系，有： 222 lkh a dhkl 其中， a 點(diǎn)陣常數(shù) h、k、l 晶面指數(shù) 特點(diǎn)：低指數(shù)晶面指數(shù)的面間距較大，高指數(shù)晶面的面間距較小。 晶面間距大，該晶面上原子排列越密集，即該晶面的原子密度 大；反之亦然。 4 -2 晶面夾角 兩晶面 (h1 k1 l1)、(h2 k2 l2)，其夾角的余弦為

20、： )( cos 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 1 212121 lkhlkh l lkkhh 4. 立方晶系中的一些重要幾何關(guān)系立方晶系中的一些重要幾何關(guān)系(續(xù)續(xù)) 4-3 兩晶向夾角 兩晶向 (u1 v1 w1)、(u2 v2 w2)，它們之間的夾角余弦為： )( cos 2 2 2 2 2 2 2 1 2 1 2 1 212121 wvuwvu wwvvuu 4-4 平行條件 晶向 u v w平行晶面(h k l) 或在晶面 (h k l)上的條件： hu+kv+lw=0 4-5 垂直條件 相同指數(shù)的晶向和晶面相互垂直 4-6 具有相同指數(shù)或僅相差一個(gè)負(fù)號(hào)的晶面相互平行 例

21、如，（1 1 1) / (1 1 1) 第三節(jié)第三節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 工業(yè)上使用的金屬除少數(shù)具有較復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外，絕大多數(shù)均 為比較簡(jiǎn)單的高對(duì)稱性晶體結(jié)構(gòu)。它們是： 面心立方（a1，face-centered cubic，fcc） 體心立方（a2，body-centered cubic，bcc） 密排六方（a3，hexagonal close- packed，hcp 1. 晶胞中的原子數(shù)晶胞中的原子數(shù) bccfcchcp 晶胞中的原子數(shù)： bcc：n=81/8 +1=2; fcc：n=81/8 +61/2=4; hcp：你121/6+21/2+3=6; 2.點(diǎn)陣常數(shù)點(diǎn)陣常數(shù) 點(diǎn)

22、陣常數(shù)的單位 單位 a , 1a=10-10 m 具體晶體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣常數(shù) bcc、fcc：立方晶系，點(diǎn)陣常數(shù)是 a，即立方體的棱長(zhǎng)。 hcp ：2個(gè)點(diǎn)陣常數(shù)，即正六邊形的邊長(zhǎng)a，上、下底面的間距c。 c/a 軸比。 若頂角原子和面心原子恰好與體內(nèi)的三個(gè)原子相切，即屬 于理想密排六方結(jié)構(gòu)，此時(shí)的c/a =(8/3)1/2=1.633。但實(shí)際上 c/a 往往偏離1.633,即為非理想hcp。 。 附 注 4. 原子半徑原子半徑 假設(shè)原子為大小相等的剛性球，半徑為ra。則具體晶體結(jié)構(gòu)的 原子半徑如下： 1. bcc 晶向上的原子彼此相切，4ra= a3 a 4 3 ra= 2. fcc 晶向上 的原

23、子彼此相切， 排列緊密。即 4ra= a2 ara 4 2 3.hcp 由左圖可知 ra=a/2 a 5.配位數(shù)配位數(shù) 配位數(shù) 任一原子周圍最近鄰且等距離的原子數(shù)(z)。z反映了 晶體中原子排列第緊密程度。z越大，晶體排列得越緊密。 6.致密度致密度 致密度 單位晶胞體積中原子所占的體積。k 原子體積 晶胞體積 k同樣反映了晶體中原子排列第緊密程度，k越大，晶體排列越緊密。 具體情況 74.0 60sin3 ) 3 4 (6 68.0 ) 4 3 ( 3 4 2) 3 4 (2 74.0 ) 4 2 ( 3 4 4) 3 4 (4 3 3 3 3 3 3 3 3 3 3 ca r k a a

24、a r k a a a r k hcp bcc fcc （理想密排，c/a=1.633時(shí)） fcc和hcp的z和k均相 同，說(shuō)明兩者的原 子排列緊密程度一 樣，并且兩者的z和k 均高于bcc,表明bcc 中原子排列較為松 散，所以一般把fcc 及hcp稱為密排結(jié)構(gòu)， 把bcc稱為非密排結(jié) 構(gòu)。 分 析 7.間隙間隙 8. 晶體中原子的堆垛方式晶體中原子的堆垛方式 前已敘及，fcc和hcp的晶體結(jié)構(gòu)不同，但是密集程度相同，這一 現(xiàn)象可用晶體原子的堆垛方式來(lái)解釋。 在fcc和hcp中都有一個(gè)原子排列最緊密的面（密排面），即fcc的 111面和hcp的0001面，這兩類面上原子排列規(guī)律完全相同。原

25、子在密排面上所處的位置只可能有3種，即a、b、c位置。 hcp就是以密排面（0001）沿0001方向按abab順序堆垛而成； fcc則是密排面111沿方向按abcabc順序堆垛而成的。 原理圖密排六方面心立方 9. 金屬的多型轉(zhuǎn)變金屬的多型轉(zhuǎn)變 金屬的多型性 金屬具有兩種或兩種以上不同的晶體結(jié)構(gòu)，稱為金屬的多型性。 多型性轉(zhuǎn)變（同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變） 具有多型性的金屬在溫度和壓力改變時(shí)，由一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪?種結(jié)構(gòu)的過(guò)程。轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為同素異構(gòu)體。 金屬在發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，通常伴隨著許多性能的突變，多 型性的產(chǎn)生主要與原子電子層結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。過(guò)渡族金屬的 多型性傾向不較大。如： 純鐵： 室溫912

26、，bcc，fe； 9121394 ，fcc，fe； 13941538 ，bcc， fe； 金屬的多型性轉(zhuǎn)變是熱處理工藝的基礎(chǔ)。 附 注 第二章第二章 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶 第一節(jié)第一節(jié) 金屬結(jié)晶的基本規(guī)律金屬結(jié)晶的基本規(guī)律 基本內(nèi)容 1. 金屬結(jié)晶的微觀現(xiàn)象 2. 金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象 2.1 冷卻曲線與金屬結(jié)晶溫度 2.2 過(guò)冷現(xiàn)象與過(guò)冷度 1. 金屬結(jié)晶的微觀現(xiàn)象金屬結(jié)晶的微觀現(xiàn)象 2. 金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象 2-1.冷卻曲線與金屬結(jié)晶溫度 material t 結(jié)晶開(kāi)始點(diǎn) 結(jié)晶終了點(diǎn) 0 tn tm t（） t 理論結(jié)晶溫度（熔點(diǎn)） 實(shí)際結(jié)晶溫度 純金屬的冷卻曲線 冷卻

27、曲線上出現(xiàn)溫度的回升和 “平臺(tái)”：原因是結(jié)晶潛熱的釋 放。 當(dāng)釋放的結(jié)晶潛熱大于散失的熱量時(shí)，出現(xiàn)溫度回升； 當(dāng)釋放的結(jié)晶潛熱等于散熱時(shí)，出現(xiàn)溫度“平臺(tái)”。 2. 金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象 2-2.過(guò)冷現(xiàn)象與過(guò)冷度的基本概念 material 過(guò)冷 純金屬的實(shí)際開(kāi)始結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度(tn tm時(shí)，gl0； tgs 液態(tài)(l) 固態(tài)(s),g0； t=tm時(shí)，gl=gs 液態(tài)(l) 固態(tài)(s),g=0； 所以，l、s兩相的自由能差g是 金屬結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。 1. 金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件(續(xù)續(xù)) t t l g m m 式中：g l、s兩相的自由能之差， g

28、gsgl ； lm 結(jié)晶潛熱； tm 熔點(diǎn)； t 過(guò)冷度； 分 析 結(jié)晶時(shí)， g0； t0，即ttm。 也就是說(shuō)，只有當(dāng)實(shí)際溫度低于tm，出現(xiàn)過(guò)冷時(shí)，結(jié)晶過(guò)程才能 自發(fā)進(jìn)行。 t越大，則g也越大，即結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力增大，則結(jié)晶速度增大。 2. 金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件 (1) 結(jié)構(gòu)起伏 液態(tài)金屬中處于起伏變化的原子瞬時(shí)近程規(guī)則排列的現(xiàn)象(相起 伏)。液態(tài)金屬中的結(jié)構(gòu)起伏是產(chǎn)生晶核的基礎(chǔ)。 (2) 一點(diǎn)說(shuō)明 在液體中的微小范圍內(nèi)，存在著緊密接觸規(guī)則排列的原子集團(tuán)， 稱為近程有序，但是在大范圍內(nèi)原子是無(wú)序分布。 把過(guò)冷液體中尺寸極大的近程規(guī)則排列結(jié)構(gòu)稱為晶坯。晶核是 由晶坯生成的，但并不是所

29、有的晶坯都能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш恕?第三節(jié)第三節(jié) 晶核的形成晶核的形成 形核的方式有兩種，即均勻形核和非均勻形核。 1.均勻形核 以液態(tài)金屬本身的某些原子集團(tuán)為結(jié)晶核心直接成核的過(guò)程。 新晶核在母相中形成時(shí)無(wú)擇優(yōu)位置。 2.非均勻形核 新相依附于母相中某些現(xiàn)成固態(tài)表面形核的過(guò)程。新晶核在 母相中形成時(shí)有擇優(yōu)位置。 二者比較起來(lái)，前者較難而后者較容易，加之實(shí)際金屬液 體中總是不可避免地存在雜質(zhì)和外表面，所以液態(tài)金屬的凝固 形核主要是非均勻形核。 1. 均勻形核均勻形核 1-1 均勻形核時(shí)的能量變化 material ls 原子無(wú)序原子有序 形成新表明 gv下降 gs上升 所以，當(dāng)過(guò)冷液態(tài)金屬中出現(xiàn)一個(gè)晶坯

30、時(shí)，總的自由能變化為： sv ggg 式中： gv 液、固兩相自由能之差(負(fù)值,是結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力)。 gs 表面自由能(正值，是結(jié)晶的阻力）。 假設(shè)晶坯為球形，半徑為r，表面積為s，體積為v，由式得： g= - v gb s4/3 r3 gb4 r2 式中， gb單位體積的自由能之差 ； 單位表面的自由能 式表明， gv的下降與r3成正比；gs的上升與r2成正比； 1. 均勻形核均勻形核(續(xù)續(xù)) 1-2 臨界晶核 material gv g 0 gs rk r0 g 自由能與晶坯半徑關(guān)系 rrk 時(shí)，隨著r， g，所以 r的過(guò)程能夠自發(fā)進(jìn)行(晶坯可以 自發(fā)成長(zhǎng)穩(wěn)定的晶核。) r=rk時(shí)，臨界狀態(tài)

31、，晶坯既可 能消失，也可能穩(wěn)定長(zhǎng)大成核。 根據(jù)式求極值即可求得臨界半徑的大?。?tl t r m m k 2 1. 均勻形核均勻形核(續(xù)續(xù)) material 1-3 形核功 形核功 當(dāng)rkrr0時(shí)，系統(tǒng)的自由能仍然大于0，說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)中的gv 的下降還不能完全補(bǔ)償gs的上升，還有一部分gs必須由外界來(lái)供 給，這一部分由外部提供的能量稱為形核功。 形核功是過(guò)冷液體金屬開(kāi)始形核時(shí)的主要障礙，過(guò)冷液體凝固 前需要一段孕育期，原因就在于此。形核功依靠液體本身存在的 “能量起伏”來(lái)供給。 能量起伏 在微小體積中，其能量偏離平均能量的現(xiàn)象。當(dāng)高能原子依附 在低能晶坯上時(shí)，將釋放一部分能量，這就是形核時(shí)所

32、需形核功的 來(lái)源。 臨界形核功 形成臨界晶核所需要的形核功。 基本概念 1. 均勻形核均勻形核(續(xù)續(xù)) material 1-3 形核功(續(xù)) 形核功的大小 將式帶入式，可得： 2 3 3 16 b k g g 而臨界晶核的表面積： 2 2 16 b k g a 所以臨界形核功： kk ag 3 1 上式說(shuō)明：形成臨界晶核時(shí)，gv 的下降只能補(bǔ)償gs 上升的 2/3,還有1/3的gs 必須從能量起伏中獲得。 均勻形核是在過(guò)冷液態(tài)金屬中，依靠結(jié)構(gòu)起伏形成大于臨界晶 核的晶坯，同時(shí)必須從能量起伏中獲得形核功，才能形成穩(wěn)定的晶 核。因此，結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏是均勻形核的必要條件。同時(shí)，均 勻形核還必須

33、在過(guò)冷的條件下進(jìn)行。 小結(jié) 1. 均勻形核均勻形核(續(xù)續(xù)) material 1-4 形核率 1. 定義單位時(shí)間單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目。 2. 影響因素 總體來(lái)說(shuō)受兩個(gè)因素的控制。 一方面：隨著t增加，rk和gk減小，越容易形核，所以說(shuō)，受 形核功的影響的形核率n1上升。 另一方面：隨著t上升，原子擴(kuò)散速度減小，而晶坯的形成則是 原子擴(kuò)散的過(guò)程。所以說(shuō)，受原子擴(kuò)散激活能的影響的形核率n2 下降。 亦即：n1exp(-gk/kt) ； n2exp(-q/kt) ； 綜合以上兩個(gè)因素，總的形核率 n 可表示為： n=c exp(-gk/kt) exp(-q/kt) 1. 均勻形核均勻形核(續(xù)續(xù))

34、 material 1-4 形核率(續(xù)） tm t n n1n2 溫度對(duì)形核率的影響 t較小時(shí)，n1n2，n主要受n2控制； n1、n2綜合作用的結(jié)果，使得t較 小或較大時(shí)，n均較小。 分析 1. 均勻形核均勻形核(續(xù)續(xù)) material 1-4 形核率(續(xù)） n 0.2tm tpt 3. 金屬材料的形核率 前述形核率與過(guò)冷度的關(guān)系是對(duì)一般晶體而言的， 然而對(duì)于金屬材料，其形核率與過(guò)冷度的關(guān)系如 左圖所示。 幾點(diǎn)說(shuō)明： 在達(dá)到某一過(guò)冷度之前，液態(tài)金屬中基本不形 核； 當(dāng)溫度下降至某一過(guò)冷度時(shí)，n驟然上升，此 時(shí)的過(guò)冷度程度有效過(guò)冷度（ tp）。 金屬材料的凝固傾向極大，所以在達(dá)到很大的t之 前，液態(tài)金屬已經(jīng)凝固完畢，所以曲線沒(méi)有下降部分。 大量實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，純金屬均勻形核的tp0.2tm。 2. 非均勻形核非均勻形核 material 2-1 非均勻形核的形核功 第四節(jié)第四節(jié) 晶體的長(zhǎng)大晶體的長(zhǎng)大 基本內(nèi)容 晶坯成核后，便開(kāi)始長(zhǎng)大。 晶核或晶體的長(zhǎng)大主要與液