金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)

第一章金屬與合金的晶體結(jié)構(gòu)3/10/20231金屬學(xué)與熱處理1.1金屬原子間的結(jié)合3/10/20232金屬學(xué)與熱處理一、金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一切物質(zhì)都是由多數(shù)微粒按確定的方式聚集而成的（分子、原子或離子）近代科學(xué)試驗(yàn)證明：原子是由質(zhì)子和中子組成的原子核，以及核外的電子所構(gòu)成的。原子的體積很小，直徑約為10-10m數(shù)量級(jí)，而其原子核直徑更小，僅為10-15m數(shù)量級(jí)。然而，原子的質(zhì)量恰主要集中在原子核內(nèi)。3/10/20233金屬學(xué)與熱處理每個(gè)質(zhì)子和中子的質(zhì)量大致為1.67×10-24g，而電子的質(zhì)約為9.11×10-28g，僅為質(zhì)子的1/1836。電子云（電子在原子核外空間作高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，就似乎帶負(fù)電荷的云霧覆蓋在原子核四周）電子運(yùn)動(dòng)沒有固定的軌道，但可依據(jù)電子的能量低，用統(tǒng)計(jì)方法推斷其在核外空間某一區(qū)域內(nèi)出現(xiàn)的幾率的大小能量低的，通常在離核近的區(qū)域(殼層)運(yùn)動(dòng)；能量高的，通常在離核遠(yuǎn)的區(qū)域運(yùn)動(dòng)3/10/20234金屬學(xué)與熱處理二、金屬鍵共價(jià)鍵有些同類原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多數(shù)元素或電負(fù)性相差不大的原子相互接近時(shí)，原子之間不產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移，此時(shí)借共用電子對(duì)所產(chǎn)生的力結(jié)合。SiO2結(jié)構(gòu)示意圖3/10/20235金屬學(xué)與熱處理離子鍵當(dāng)兩種電負(fù)性相差大的原子(如堿金屬元素與鹵族元素的原子)相互靠近時(shí)，其中電負(fù)性小的原子失去電子，成為正離子，電負(fù)性大的原子獲得電子成為負(fù)離子，兩種離子靠靜電引力結(jié)合在一起形成離子鍵。NaCl結(jié)構(gòu)示意圖3/10/20236金屬學(xué)與熱處理金屬鍵由金屬正離子和自由電子之間相互作用而結(jié)合稱為金屬鍵。金屬鍵型晶體的特征良好的延展性良好的導(dǎo)電性具有正的電阻溫度系數(shù)導(dǎo)熱性好金屬不透亮、具有金屬光澤3/10/20237金屬學(xué)與熱處理三、結(jié)合力與結(jié)合能用雙原子模型很簡潔理解，當(dāng)大量金屬原子結(jié)合成固體時(shí)，為使金屬具有最低的能量，以保持穩(wěn)定狀態(tài)，原子之間必需保持確定的平衡距離，這是固態(tài)金屬中原子趨于規(guī)則排列的緣由。金屬中的原子總是自發(fā)地趨于緊密地排列，以保持最穩(wěn)定的狀態(tài)。3/10/20238金屬學(xué)與熱處理1.2金屬的晶體結(jié)構(gòu)3/10/20239金屬學(xué)與熱處理一、晶體與非晶體晶體的定義

物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)(分子、原子或離子)在三維空間作有規(guī)律的周期性重復(fù)排列所形成的物質(zhì)叫晶體。晶體的特征周期性有固定的凝固點(diǎn)和熔點(diǎn)

各向異性3/10/202310金屬學(xué)與熱處理二、晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣空間點(diǎn)陣、陣點(diǎn)為了便于探討晶體中原子、分子或離子的排列狀況，近似地將晶體看成是無錯(cuò)排的志向晶體，忽視其物質(zhì)性，抽象為規(guī)則排列于空間的多數(shù)幾何點(diǎn)。這些點(diǎn)代表原子(分子或離子)的中心，也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，各點(diǎn)的四周環(huán)境相同。這種點(diǎn)的空間排列稱為空間點(diǎn)陣，簡稱點(diǎn)陣，這些點(diǎn)叫陣點(diǎn)?？赡茉诿總€(gè)結(jié)點(diǎn)處恰好有一個(gè)原子，也可能圍繞每個(gè)結(jié)點(diǎn)有一群原子（原子集團(tuán)）。3/10/202311金屬學(xué)與熱處理上圖所示分別為γ-Fe、金剛石、NaCl、CaF2四種晶體的晶體結(jié)構(gòu)、空間點(diǎn)陣和結(jié)構(gòu)基元，盡管它們的晶體結(jié)構(gòu)完全不同，但是它們的點(diǎn)陣類型相同，都是面心立方。

3/10/202312金屬學(xué)與熱處理（a）原子堆垛模型（b）晶格（c）晶胞圖晶體中原子排列示意圖3/10/202313金屬學(xué)與熱處理晶胞從點(diǎn)陣中取出一個(gè)仍能保持點(diǎn)陣特征的最基本單元叫晶胞在空間點(diǎn)陣中，能代表空間點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的是小平行六面體整個(gè)空間點(diǎn)陣可由晶胞作三維的重復(fù)堆砌而構(gòu)成(1)晶胞的選取原則a.晶胞幾何形態(tài)能夠充分反映空間點(diǎn)陣的對(duì)稱性；b.平行六面體內(nèi)相等的棱和角的數(shù)目最多；c.當(dāng)棱間呈直角時(shí)，直角數(shù)目應(yīng)最多；d.滿足上述條件，晶胞體積應(yīng)最小。（2）描述晶胞的六參數(shù)a.晶胞的三條棱的長度a、b和cb.棱邊夾角α、β和γ3/10/202314金屬學(xué)與熱處理晶胞的大小明顯取決于三條棱的長度a，b和c，而晶胞的形態(tài)則取決于這些棱之間的夾角α、β和γ依據(jù)晶胞的大小和形態(tài)的特點(diǎn)，共有7種晶系由7種晶系可以形成多少種空間點(diǎn)陣呢？似乎每種晶系包括4種點(diǎn)陣，即簡潔點(diǎn)陣、底心點(diǎn)陣、面心點(diǎn)陣和體心點(diǎn)陣。7種晶系總共似乎可以形成4×7=28種點(diǎn)陣。依據(jù)“每個(gè)陣點(diǎn)的四周環(huán)境相同”的要求，最先是布拉菲（A.Bravais）用數(shù)學(xué)方法證明白只能有14種空間點(diǎn)陣。通常人們所說的點(diǎn)陣就是指布拉菲點(diǎn)陣。三、三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)3/10/202315金屬學(xué)與熱處理三斜晶系特征a≠b≠cα≠β≠γ≠90簡潔三斜點(diǎn)陣3/10/202316金屬學(xué)與熱處理單斜晶系特征a≠b≠cα=γ=90≠β簡潔單斜點(diǎn)陣底心單斜點(diǎn)陣3/10/202317金屬學(xué)與熱處理正交晶系特征a≠b≠cα=β=γ=90簡潔正交點(diǎn)陣底心正交點(diǎn)陣體心正交點(diǎn)陣面心正交點(diǎn)陣3/10/202318金屬學(xué)與熱處理六方晶系特征a1=a2=a3≠cα=β=90，γ=120簡潔六方點(diǎn)陣3/10/202319金屬學(xué)與熱處理菱方晶系特征a=b=cα=β=γ≠90簡潔菱方點(diǎn)陣3/10/202320金屬學(xué)與熱處理四方晶系特征a=b≠cα=β=γ=90簡潔四方點(diǎn)陣體心四方點(diǎn)陣3/10/202321金屬學(xué)與熱處理立方晶系特征a=b=cα=β=γ=90簡潔立方點(diǎn)陣體心立方點(diǎn)陣面心立方點(diǎn)陣3/10/202322金屬學(xué)與熱處理1.體心立方晶格圖體心立方晶胞示意圖（a）剛球模型；（b）質(zhì)點(diǎn)模型；（c）晶胞中原子數(shù)示意圖

3/10/202323金屬學(xué)與熱處理(1)原子半徑

晶胞中相距最近的兩個(gè)原子之間距離的一半，或晶胞中原子密度最大的方向上相鄰兩原子之間距離的一半稱為原子半徑(r)。體心立方晶胞中原子相距最近的方向是體對(duì)角線，所以原子半徑與晶格常數(shù)a之間的關(guān)系為：(2)原子數(shù)

3/10/202324金屬學(xué)與熱處理(3)配位數(shù)和致密度

配位數(shù)為晶格中與任一個(gè)原子相距最近且距離相等的原子數(shù)目。配位數(shù)越大，原子排列緊密程度就越大。體心立方晶格的配位數(shù)為8。晶胞中所包含的原子所占有的體積與該晶胞體積之比稱為致密度(也稱密排系數(shù))。致密度越大，原子排列緊密程度越大。體心立方晶胞的致密度為：3/10/202325金屬學(xué)與熱處理圖面心立方晶胞示意圖（a）剛球模型；（b）質(zhì)點(diǎn)模型；（c）晶胞中原子數(shù)示意圖

2.面心立方3/10/202326金屬學(xué)與熱處理(1)原子半徑

(2)原子數(shù)

3/10/202327金屬學(xué)與熱處理(3)配位數(shù)和致密度配位數(shù)為12

3/10/202328金屬學(xué)與熱處理（a）剛球模型；（b）質(zhì)點(diǎn)模型；（c）晶胞中原子數(shù)示意圖圖密排六方晶胞示意圖3.密排六方3/10/202329金屬學(xué)與熱處理(1)原子半徑

(2)原子數(shù)

3/10/202330金屬學(xué)與熱處理(3)配位數(shù)和致密度配位數(shù)為12

3/10/202331金屬學(xué)與熱處理原子半徑原子數(shù)配位數(shù)致密度體心立方280.68面心立方4120.74密排六方6120.743/10/202332金屬學(xué)與熱處理4.晶體中原子堆垛方式和間隙（1）晶體中原子堆垛方式面心立方和密排六方結(jié)構(gòu)的致密度均為0.74，是純金屬中最密集的結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)中{111}晶面和密排六方結(jié)構(gòu)中{0001}晶面上的原子排列狀況完全相同面心立方與密排六方雖然晶體結(jié)構(gòu)不同，但配位數(shù)與致密度卻相同，為搞清其緣由，必需探討晶體中原子的堆垛方式面心立方與密排六方的最密排面原子排列狀況完全相同，但堆垛方式不一樣3/10/202333金屬學(xué)與熱處理ABAABCA3/10/202334金屬學(xué)與熱處理圖密排六方晶格密排面的堆垛方式ABA3/10/202335金屬學(xué)與熱處理圖密排六方晶格密排面的堆垛方式3/10/202336金屬學(xué)與熱處理ABCA圖面心立方晶格密排面的堆垛方式3/10/202337金屬學(xué)與熱處理（2）晶體中間隙間隙半徑（rx）：間隙中所能容納的最大圓球半徑。從晶體原子排列的剛球模型可以看到，在原子球與原子球之間存在著不同形貌的間隙晶體結(jié)構(gòu)中間隙的數(shù)量、位置和每個(gè)間隙的大小等也是晶體的一個(gè)重要特征，對(duì)于了解金屬的性能、合金相結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散、相變等問題很有用處。

3/10/202338金屬學(xué)與熱處理圖體心立方點(diǎn)陣中的間隙3/10/202339金屬學(xué)與熱處理3/10/202340金屬學(xué)與熱處理圖面心立方點(diǎn)陣中的間隙3/10/202341金屬學(xué)與熱處理3/10/202342金屬學(xué)與熱處理圖

面心立方晶體中間隙的剛球模型

3/10/202343金屬學(xué)與熱處理圖密排六方晶格的間隙位置3/10/202344金屬學(xué)與熱處理四、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)1.晶向指數(shù)(1)建立以晶軸a，b，c為坐標(biāo)軸的坐標(biāo)系，各軸上的坐標(biāo)長度單位分別是晶胞邊長a，b，c，坐標(biāo)原點(diǎn)在待標(biāo)晶向上(2)選取該晶向上原點(diǎn)以外的任一點(diǎn)P(xa，yb，zc)(3)將xa，yb，zc化成最小的簡潔整數(shù)比u，v，w，且u∶v∶w=xa∶yb∶zc(4)將u，v，w三數(shù)置于方括號(hào)內(nèi)就得到晶向指數(shù)[uvw]3/10/202345金屬學(xué)與熱處理晶向指數(shù)的說明a.指數(shù)意義：代表相互平行、方向一樣的全部晶向。b.負(fù)值：標(biāo)于數(shù)字上方，表示同一晶向的相反方向。c.晶向族：晶體中原子排列狀況相同但空間位向不同的一組晶向。用<uvw>表示，數(shù)字相同，但排列依次不同或正負(fù)號(hào)不同的晶向?qū)儆谕痪蜃?。晶體結(jié)構(gòu)中那些原子密度相同的等同晶向稱為晶向軸，用<UVW>表示。3/10/202346金屬學(xué)與熱處理3/10/202347金屬學(xué)與熱處理2.晶面指數(shù)(1)建立一組以晶軸a，b，c為坐標(biāo)軸的坐標(biāo)系，令坐標(biāo)原點(diǎn)不在待標(biāo)晶面上，各軸上的坐標(biāo)長度單位分別是晶胞邊長a，b，c。(2)求出待標(biāo)晶面在a，b，c軸上的截距xa，yb，zc。如該晶面與某軸平行，則截距為∞。(3)取截距的倒數(shù)1/xa，1/yb，1/zc。(4)將這些倒數(shù)化成最小的簡潔整數(shù)比h，k，l，使h∶k∶l=1/xa∶1/yb∶1/zc。(5)如有某一數(shù)為負(fù)值，則將負(fù)號(hào)標(biāo)注在該數(shù)字的上方，將h，k，l置于圓括號(hào)內(nèi)，寫成(hkl)，則(hkl)就是待標(biāo)晶面的晶面指數(shù)。3/10/202348金屬學(xué)與熱處理晶面指數(shù)的說明晶面指數(shù)所代表的不僅是某一晶面，而是代表著一組相互平行的晶面。a.指數(shù)意義：代表一組平行的晶面；b.0的意義：面與對(duì)應(yīng)的軸平行；c.平行晶面：指數(shù)相同，或數(shù)字相同但正負(fù)號(hào)相反；d晶面族：晶體中具有相同條件（原子排列和晶面間距完全相同），空間位向不同的各組晶面，用{hkl}表示。

e.若晶面與晶向同面，則hu+kv+lw=0;f.若晶面與晶向垂直，則u=h,k=v,w=l。3/10/202349金屬學(xué)與熱處理3/10/202350金屬學(xué)與熱處理3/10/202351金屬學(xué)與熱處理3/10/202352金屬學(xué)與熱處理3/10/202353金屬學(xué)與熱處理體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度

體心立方晶格面心立方晶格

晶面指數(shù)

晶面原子排列示意圖晶面原子密度(原子數(shù)/面積)晶面原子排列示意圖晶面原子密度(原子數(shù)/面積){100}

{110}

(111}

3/10/202354金屬學(xué)與熱處理體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度

體心立方晶格面心立方晶格

晶向指數(shù)

晶向原子排列示意圖晶向原子密度(原子數(shù)/長度)晶向原子排列示意圖晶向原子密度(原子數(shù)/長度)<100>

<110>

<111>

3/10/202355金屬學(xué)與熱處理五、晶帶相交于某一晶向直線或平行于此直線的晶面構(gòu)成一個(gè)晶帶，此直線稱為晶帶軸。設(shè)晶帶軸的指數(shù)為[uvw]，則晶帶中任何一個(gè)晶面的指數(shù)（hkl）都必需滿足：hu+kv+lw=0，滿足此關(guān)系的晶面都屬于以[uvw]為晶帶軸的晶帶。3/10/202356金屬學(xué)與熱處理六、晶體的各向異性在晶體中,不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它們之間的結(jié)合力的大小也不相同，因而金屬晶體不同方向上的性能不同。這種性質(zhì)叫做晶體的各向異性。單晶體鐵(只含一個(gè)晶粒)的彈性模量，在<111>方向上為2.90×105MPa,而在<100>方向上只有1.35×105MPa。

體心立方晶格的金屬最易拉斷或劈裂的晶面(稱解理面)就是{100}面。對(duì)于實(shí)際運(yùn)用的金屬,內(nèi)部有許很多多個(gè)晶粒組成，每個(gè)晶粒在空間分布的位向不同，因而在宏觀上沿各個(gè)方向上的性能趨于相同，晶體的各向異性顯示不出來。3/10/202357金屬學(xué)與熱處理3/10/202358金屬學(xué)與熱處理七、多晶型性有些金屬在固態(tài)時(shí)會(huì)發(fā)生晶格類型的轉(zhuǎn)變，這種在固態(tài)下隨溫度的變更由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變或多晶型轉(zhuǎn)變。3/10/202359金屬學(xué)與熱處理1.3合金的相結(jié)構(gòu)3/10/202360金屬學(xué)與熱處理（1）合金：兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。如黃銅是銅鋅合金，鋼、鑄鐵是鐵碳合金。（2）組元：組成合金最基本的獨(dú)立物質(zhì)，一般是組成合金的元素，也可以是穩(wěn)定化合物（一元、二元、三元合金）。（3）相：材料中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一，并以界面相互分開的組成部分。如單相、兩相、多相合金。由一種相組成的合金叫單相合金，如含鋅30%w(質(zhì)量分?jǐn)?shù))的Cu-Zn合金是單相合金。而含鋅40%w時(shí)則是兩相合金，除生成了固溶體外，還形成了金屬間化合物。相依據(jù)晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)可以分為固溶體和金屬化合物（中間相）。3/10/202361金屬學(xué)與熱處理一、固溶體合金組元通過溶解形成一種成分和性能勻整的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體。與固溶體晶格相同的組元為溶劑，另一組元為溶質(zhì)。

固溶體用α、β、γ等符號(hào)表示。A、B組元組成的固溶體也可表示為A(B),其中A為溶劑,B為溶質(zhì)。1.固溶體的分類（1）按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置分置換固溶體溶質(zhì)原子代換了溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)上的原子;

間隙固溶體溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙之中。3/10/202362金屬學(xué)與熱處理圖

純銅的晶體結(jié)構(gòu)和Cu-Ni置換固溶體圖

間隙固溶體

3/10/202363金屬學(xué)與熱處理（2）按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度分

固溶體可分為有限固溶體和無限固溶體兩種。

若超過溶解度有其它相形成，則此種固溶體為有限固溶體。若溶質(zhì)可以隨意比例溶入，即溶質(zhì)溶解度可達(dá)100%，則固溶體為無限固溶體。

圖

形成無限固溶體時(shí)兩組元原子連續(xù)置換示意圖

3/10/202364金屬學(xué)與熱處理（3）按溶質(zhì)原子與溶劑原子的相對(duì)分布

固溶體分無序固溶體和有序固溶體兩種。

溶質(zhì)原子有規(guī)則分布的為有序固溶體；無規(guī)則分布的為無序固溶體。

在確定條件(如成分、溫度等)下，一些合金的無序固溶體可轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w。這種轉(zhuǎn)變叫做有序化。3/10/202365金屬學(xué)與熱處理2、置換固溶體金屬元素彼此之間一般都能形成置換固溶體，但溶解度視不同元素而異，有些能無限溶解，有的只能有限溶解。影響置換固溶體溶解度的因素（1）晶體結(jié)構(gòu)因素晶體結(jié)構(gòu)類型相同是組元間形成無限固溶體的必要條件，結(jié)構(gòu)相同，溶解度大。（2）原子尺寸因素溶劑原子半徑rA與溶質(zhì)原子半徑rB的相對(duì)差(rA—rB)／rA對(duì)固溶體的固溶度起重要影響。當(dāng)相對(duì)差不超過±14％-15％有利于大量固溶，反之固溶度特別有限。以鐵為基的固溶體中，當(dāng)相對(duì)差小于8％，且其他因素滿足也較好時(shí)，才能形成無限固溶體。3/10/202366金屬學(xué)與熱處理（3）電負(fù)性因素元素的電負(fù)性是表示它在和其他元素形成化合物或固溶體時(shí)吸引電子的實(shí)力兩元素間的電負(fù)性相差越小，越易形成固溶體，溶解度越大（4）電子濃度因素價(jià)電子濃度（或簡稱電子濃度）是指合金中每個(gè)原子平均的價(jià)電子數(shù)，用e/a表示對(duì)于一價(jià)金屬的每種晶體結(jié)構(gòu)都有一極限電子濃度，面心立方為1.36、體心立方為1.48，密排六方為1.75。3/10/202367金屬學(xué)與熱處理3、間隙固溶體溶質(zhì)原子分布于溶劑晶格間隙而形成的固溶體稱為間隙固溶體。原子半徑小于0.1nm的非金屬元素如H，O，N，C，B占據(jù)間隙位置，溶劑多為過渡族元素。一般間隙半徑較小，非金屬原子溶入時(shí)，將使晶胞脹大，造成點(diǎn)陣畸變，故固溶度受到限制。只有溶質(zhì)與溶劑的原子半徑比值小于0.59，才有可能形成間隙固溶體。3/10/202368金屬學(xué)與熱處理圖

形成置換固溶體時(shí)的點(diǎn)陣畸變

4.固溶體的結(jié)構(gòu)（1）晶格畸變3/10/202369金屬學(xué)與熱處理（2）偏聚與有序（ａ）完全無序（ｂ）偏聚（ｃ）部分有序圖固溶體中溶質(zhì)原子分布示意圖

3/10/202370金屬學(xué)與熱處理5.固溶體的性能固溶體隨著溶質(zhì)原子的溶入晶格發(fā)生畸變。晶格畸變?cè)龃笪诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。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。在溶質(zhì)含量適當(dāng)時(shí)，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。3/10/202371金屬學(xué)與熱處理二、金屬化合物金屬化合物是由金屬與金屬，或金屬與類金屬元素之間形成的化合物，也稱為金屬間化合物或中間相。金屬化合物的結(jié)合鍵主要為金屬鍵，兼有離子鍵，共價(jià)鍵。金屬化合物具有金屬的性質(zhì)，通常具有高熔點(diǎn)、高硬度，常作合金中的強(qiáng)化相。3/10/202372金屬學(xué)與熱處理1、正常價(jià)化合物

形成：金屬與周期表中IVA，VA，VIA族的一些元素形成的化合物為正常價(jià)化合物。由元素周期表中相距較遠(yuǎn)、電負(fù)性相差較大的兩元素組成，嚴(yán)格遵守化合價(jià)規(guī)律，可用確定的化學(xué)式表示。大多數(shù)金屬和ⅣA族、Ⅴ族、ⅥA族元素生成Mg2Si、Mg2Sb3、Mg2Sn、Cu2Se、ZnS、AlP及β-SiC等。性能特點(diǎn)是硬度高、脆性大。3/10/202373金屬學(xué)與熱處理2.電子化合物不遵守化合價(jià)規(guī)律但符合于確定電子濃度(化合物中價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之比)的化合物叫做電子化合物。確定電子濃度的化合物相應(yīng)有確定的晶體結(jié)構(gòu),并且還可溶解其組元,形成以電子化合物為基的固溶體。生成這種合金相時(shí),元素的每個(gè)原子所貢獻(xiàn)的價(jià)電子數(shù)Au、Ag、Cu為1個(gè),Be、Mg、Zn為2個(gè),Al為3個(gè),Fe、Ni為0個(gè)。電子化合物主要以金屬鍵結(jié)合,具有明顯的金屬特性,可以導(dǎo)電。它們的熔點(diǎn)和硬度較高，塑性較差，在很多有色金屬中為重要的強(qiáng)化相。3/10/202374金屬學(xué)與熱處理3、間隙相與間隙化合物過渡族金屬可與H，B，C，N等原子半徑甚小的非金屬元素形成化合物（間隙相、間隙化合物）。當(dāng)金屬(M)與非金屬(X)的原子半徑比rx／rM<0.59時(shí)，化合物具有簡潔的晶體結(jié)構(gòu)稱為間隙相。間隙相具有金屬特性，有極高的熔點(diǎn)和硬度,特別穩(wěn)定。它們的合理存在，可有效地提高鋼的強(qiáng)度、熱強(qiáng)性、紅硬性和耐磨性，是高合金鋼和硬質(zhì)合金中的重要組成相。當(dāng)原子半徑比rX／rM>0.59時(shí)，其結(jié)構(gòu)困難，通常稱為間隙化合物。3/10/202375金屬學(xué)與熱處理間隙相（VC)和困難結(jié)構(gòu)的間隙化合物(Fe3C)3/10/202376金屬學(xué)與熱處理1.4金屬晶體的缺陷3/10/202377金屬學(xué)與熱處理與志向晶體相比，實(shí)際晶體中會(huì)有正常位置空著或空隙位置填進(jìn)一個(gè)額外質(zhì)點(diǎn)，或雜質(zhì)進(jìn)入晶體結(jié)構(gòu)中等等不正常狀況，熱力學(xué)計(jì)算表明，這些結(jié)構(gòu)中對(duì)志向晶體偏離的晶體才是穩(wěn)定的，而志向晶體事實(shí)上是不存在的。缺陷存在的比例終歸只是一個(gè)很小的量。從占有原子百分?jǐn)?shù)來說，晶體中的缺陷在數(shù)量上是微乎其微的。認(rèn)為一般晶體是近乎完整的。3/10/202378金屬學(xué)與熱處理晶體缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷空位間隙原子置換原子刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)晶體表面晶界亞晶界實(shí)際晶體中的缺陷3/10/202379金屬學(xué)與熱處理一、點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷：在三維方向上尺寸都很小（遠(yuǎn)小于晶體或晶粒的線度）的缺陷。

金屬中常見的基本點(diǎn)缺陷有：空位、間隙原子和置換原子。

空位（空位就是未被占據(jù)的原子位置）。間隙原子（間隙原子可以是晶體中正常原子離位產(chǎn)生，也可以是外來雜質(zhì)原子）。置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。3/10/202380金屬學(xué)與熱處理3/10/202381金屬學(xué)與熱處理1.空位原子的熱振動(dòng)（以確定的頻率和振幅作振動(dòng)）原子被束縛在它的平衡位置上，但原子卻在做著擺脫束縛的努力在外界驅(qū)動(dòng)力作用下，哪個(gè)原子能夠擺脫束縛，脫離平衡位置是不確定的，宏觀上說這是一種幾率分布在某一溫度下的某一瞬間，總有一些原子具有足夠的能量，以克服四周原子對(duì)它的約束，脫離開原來的平衡位置遷移到別處，在原來的位置上形成了空位3/10/202382金屬學(xué)與熱處理圖(a)肖脫基空位(b)弗蘭克爾空位（a）原來位置；

（b）中間位置；

（c）遷移后位置圖

空位從位置A遷移到B

3/10/202383金屬學(xué)與熱處理點(diǎn)缺陷對(duì)性能的影響1.電阻的變更引起電阻的增加2.密度的變更引起密度的減小3.屈服強(qiáng)度的變更過飽合點(diǎn)缺陷（如淬火空位，輻照產(chǎn)生的大量間隙原子—空位對(duì)）還可提高金屬屈服強(qiáng)度。3/10/202384金屬學(xué)與熱處理二、線缺陷晶體中的線缺陷就是各種類型的位錯(cuò)。位錯(cuò)的特點(diǎn)：是一個(gè)直徑為3—5個(gè)原子間距，長幾百到幾萬個(gè)原子間距的管狀原子畸變區(qū)（晶體中某處一列或若干列原子發(fā)生的有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象）。位錯(cuò)種類很多，但最簡潔，最基本的類型有兩種：一種是刃型位錯(cuò)，另一種是螺型位錯(cuò)。位錯(cuò)對(duì)于金屬的強(qiáng)度、斷裂和塑性變形有重要影響。3/10/202385金屬學(xué)與熱處理（a）立體模型

（b）平面圖圖刃型位錯(cuò)示意圖

1.刃型位錯(cuò)3/10/202386金屬學(xué)與熱處理圖含有刃型位錯(cuò)的晶體結(jié)構(gòu)3/10/202387金屬學(xué)與熱處理3/10/202388金屬學(xué)與熱處理晶體在塑性變形時(shí)，局部區(qū)域的晶體發(fā)生滑移，即可形成錯(cuò)?？梢园盐诲e(cuò)理解為晶體中已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界。在位錯(cuò)線四周一個(gè)有限區(qū)域內(nèi)，原子離開了原來的平衡位置，即產(chǎn)生了晶格畸變，并且在額外半原子面左右兩邊的畸變是對(duì)稱的。刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場可以與間隙原子和置換原子發(fā)生彈性交互作用。各種間隙原子及尺寸較大的置換原子，它們的應(yīng)力場是壓應(yīng)力，這些點(diǎn)缺陷大多易于被吸引而跑到正刃型位錯(cuò)的下半部分，或者負(fù)刀型位錯(cuò)的上半部分聚集起來。對(duì)于尺寸較小的置換原子來說，則易于聚集于刃型位錯(cuò)的另一半受壓應(yīng)力的地方。正因?yàn)槿绱?，所以刃型位錯(cuò)往往總是攜帶著大量的溶質(zhì)原子，形成所謂的“柯氏氣團(tuán)”。3/10/202389金屬學(xué)與熱處理3/10/202390金屬學(xué)與熱處理從以上的刃型位錯(cuò)模型中，可以看出其具有以下幾個(gè)重要持征：①刃型位錯(cuò)有一額外半原子面；②位錯(cuò)線是一個(gè)具有確定寬度的瘦長的晶格畸變管道，其中既有正應(yīng)變，又有切應(yīng)變。對(duì)于正刃型位錯(cuò)，滑移面之上晶格受到壓應(yīng)力，滑移面之下為拉應(yīng)力，滑移面上為切應(yīng)力。負(fù)刃型位錯(cuò)與此相反；③位錯(cuò)線與晶體滑移的方向相垂直，即位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的方向垂直于位錯(cuò)線。3/10/202391金屬學(xué)與熱處理（a）立體圖；

（b）頂視圖圖

螺型位錯(cuò)的原子組態(tài)

2.螺型位錯(cuò)3/10/202392金屬學(xué)與熱處理3/10/202393金屬學(xué)與熱處理螺位錯(cuò)同樣是晶體中已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界。由于位錯(cuò)線旁邊的原于是按螺旋型排列的，所以這種位錯(cuò)叫做螺型位錯(cuò)。依據(jù)位錯(cuò)線旁邊呈螺旋型排列的原子的旋轉(zhuǎn)方向的不同，螺型位錯(cuò)可分為左螺型位錯(cuò)和右螺型位錯(cuò)兩種。通常用拇指代表螺旋的前進(jìn)方向，而以其余四指代表螺旋的旋轉(zhuǎn)方向。凡符合右手法則的稱為右螺型位錯(cuò)，符合左手法則的稱為左螟型位錯(cuò)。螺型位錯(cuò)與刃型位錯(cuò)不同，它沒有額外半原子面。在晶格畸變的瘦長管道中，只存在切應(yīng)變，而無正應(yīng)變，并且位錯(cuò)線四周的彈性應(yīng)力場呈軸對(duì)稱分布。3/10/202394金屬學(xué)與熱處理螺位錯(cuò)的特點(diǎn)：①螺型位錯(cuò)沒有額外半原子面；②螺型位錯(cuò)線是一個(gè)具有確定寬度的瘦長的晶格畸變管道，其中只有切應(yīng)變，而無正應(yīng)變；③位錯(cuò)線與滑移方向平行，位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的方向與位錯(cuò)線垂直。3/10/202395金屬學(xué)與熱處理柏氏矢量，不但可以表示位錯(cuò)的性質(zhì)，而且可以表示晶格畸變的大小和方向。確定方法為：①在實(shí)際晶體中，從距位錯(cuò)確定距離的任一原子M動(dòng)身，以至相鄰原子為一步，沿逆時(shí)針方向環(huán)繞位錯(cuò)線作一閉合回路，稱之為柏氏回路。②在完整晶體中以同樣的方向和步數(shù)作相同的回路，此時(shí)的回路沒有封閉。③由完整晶體的回路終點(diǎn)Q到始點(diǎn)M引一矢量b，使該回路閉合，這個(gè)矢量b即為這條位錯(cuò)線的柏氏矢量。3.柏氏矢量3/10/202396金屬學(xué)與熱處理3/10/202397金屬學(xué)與熱處理(a)圍繞一刃型位錯(cuò)的柏氏回路(b)圍繞完整晶體的柏氏回路；圖

刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定

3/10/202398金屬學(xué)與熱處理(a)實(shí)際晶體的柏氏回路(b)完整晶體的相應(yīng)回路；

圖螺型位錯(cuò)柏氏矢量的確定

3/10/202399金屬學(xué)與熱處理①用柏氏矢量可以推斷位錯(cuò)的類型。②用柏氏矢量可以表示位錯(cuò)區(qū)域晶格畸變總量的大小。柏氏矢量越大，位錯(cuò)四周的晶格畸變?cè)絿?yán)峻。③用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。④一條位錯(cuò)線的柏氏矢量是恒定不變的。⑤刃型位錯(cuò)線和與之垂直的柏氏矢量