材料科學(xué)基礎(chǔ) 課件 第1-3章 固體材料的結(jié)構(gòu)、純金屬的結(jié)晶、二元合金的結(jié)晶

材料科學(xué)基礎(chǔ)1緒論2材料分類(lèi)金屬材料陶瓷材料高分子材料晶體材料非晶體材料結(jié)構(gòu)材料功能材料性能（使用性能、工藝性能）化學(xué)成分結(jié)構(gòu)（晶體的結(jié)合類(lèi)型、晶體結(jié)構(gòu)、微觀結(jié)構(gòu)、和宏觀結(jié)構(gòu)）制備加工工藝、服役環(huán)境緒論1、研究對(duì)象：3緒論2、學(xué)習(xí)目的3、學(xué)習(xí)內(nèi)容5、學(xué)習(xí)要求4、學(xué)習(xí)方法4第一章固體材料的結(jié)構(gòu)

§1.1原子的電子構(gòu)型和元素的電負(fù)性§1.2原子間的結(jié)合

§1.3金屬和陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)§1.4高聚物的微觀結(jié)構(gòu)

5

原子的電子構(gòu)型——原子核外電子排布，遵循泡利不相容原理、能量最低原理和洪特規(guī)則?！?.1原子的電子構(gòu)型和元素的電負(fù)性6

元素的電負(fù)性——原子吸引成鍵電子能力的相對(duì)標(biāo)度。其數(shù)值越大，表示其原子吸引成鍵電子的能力越強(qiáng)。

價(jià)電子——能決定元素化合價(jià)的電子?？梢允腔瘜W(xué)反應(yīng)中可失去的電子，也可是能與其他原子相互作用形成化學(xué)鍵的電子。

由于不同元素原子的電子構(gòu)型不同，使原子間的相互結(jié)合方式產(chǎn)生了很大差別。原子間的結(jié)合方式和結(jié)合力大小稱(chēng)為結(jié)合鍵。結(jié)合鍵可分為主價(jià)鍵和次價(jià)鍵兩大類(lèi)，主價(jià)鍵即化學(xué)鍵，是相鄰原子之間形成的強(qiáng)鍵，包括金屬鍵、共價(jià)鍵和離子鍵；次價(jià)鍵即物理鍵，包括范德華力和氫鍵?！?.2原子間的結(jié)合7

貢獻(xiàn)出價(jià)電子的金屬原子成為正離子，沉浸在電子氣中，并依靠與運(yùn)動(dòng)于其間的公有化的自由電子的靜電作用而結(jié)合起來(lái)，這種結(jié)合方式稱(chēng)為金屬鍵。圖1-1金屬鍵模型氣8圖1-2共價(jià)鍵模型

原子間通過(guò)共用電子對(duì)（或電子云交疊）所形成的強(qiáng)烈的相互作用稱(chēng)為共價(jià)鍵。9雜化軌道——同一原子中不同類(lèi)型但能量相近的原子軌道混合起來(lái)，重新分配能量和調(diào)整空間伸展方向，組成數(shù)目不變、能量完全相同的新的軌道。10圖1-3sp3雜化示意圖圖1-4離子鍵模型

帶異電性電荷的離子之間的靜電相互作用稱(chēng)為離子鍵。原子間并不形成“純粹的”離子鍵，所有的離子鍵都或多或少帶有共價(jià)鍵的成分。11金屬鍵共價(jià)鍵離子鍵無(wú)飽和性、無(wú)方向性有飽和性和方向性無(wú)飽和性、無(wú)方向性金屬晶體具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性和延展性、正的電阻溫度系數(shù)、不透明并散發(fā)金屬光澤。共價(jià)晶體具有很高的硬度和熔點(diǎn)，常溫和熔融狀態(tài)下均不導(dǎo)電。離子晶體熔點(diǎn)和硬度較高，無(wú)延展性，常溫下不傳熱不導(dǎo)電，是良好的絕緣體，熔融狀態(tài)下產(chǎn)生自由離子而導(dǎo)電。典型的離子晶體無(wú)色透明。12如何評(píng)估晶體的彈性模量和理論抗拉強(qiáng)度？圖1-5雙原子作用模型（鍵-力曲線）1314圖1-6兩種材料A和B的鍵-力曲線比較如何評(píng)估晶體的熔點(diǎn)和熱膨脹系數(shù)？15圖1-7雙原子作用模型§1.3金屬和陶瓷的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體學(xué)基礎(chǔ)（一）晶體的特性是原子在三維空間按一定規(guī)律呈周期性重復(fù)排列的固體；具有固定的熔點(diǎn)；單晶體各向異性，多晶體偽各向同性。16（二）晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)——晶體中原子、原子集團(tuán)、離子或分子在三維空間有規(guī)律的周期性的具體排列方式。每一種晶體有自己的晶體結(jié)構(gòu)。17圖1-8晶體中原子排列示意圖18空間點(diǎn)陣——陣點(diǎn)有規(guī)則地周期性重復(fù)排列所形成的三維空間陣列。反映結(jié)構(gòu)基元在晶體中的周期性重復(fù)方式，只有14種。每個(gè)陣點(diǎn)都有相同的周?chē)h(huán)境，并不直接與原子相關(guān)聯(lián)。19圖1-9陣點(diǎn)代表的具體內(nèi)容晶體結(jié)構(gòu)=空間點(diǎn)陣+結(jié)構(gòu)基元每個(gè)陣點(diǎn)所代表的具體內(nèi)容，包括原子（或原子集團(tuán)、離子對(duì)）的種類(lèi)、數(shù)量及其在空間按一定方式排列的基本結(jié)構(gòu)，稱(chēng)為晶體的結(jié)構(gòu)基元。20圖1-10晶胞的晶格常數(shù)和軸間夾角表示法晶格常數(shù)/點(diǎn)陣常數(shù)：a、b、c軸間夾角：α、

β、

γ空間點(diǎn)陣的晶胞具有平移性、必須是平行六面體：21選擇晶胞遵循下列3條原則:(1)所選的平行六面體應(yīng)能反映晶體的對(duì)稱(chēng)性;(2)晶胞中軸間夾角α、β、γ為90°的數(shù)目最多;(3)在滿足上述2個(gè)條件下,所選的平行六面體的體積最小。22三方晶系23晶系布拉維點(diǎn)陣(1)三斜簡(jiǎn)單三斜(2)單斜簡(jiǎn)單單斜底心單斜(3)正交簡(jiǎn)單正交底心正交面心正交體心正交(4)六方簡(jiǎn)單六方(5)三方簡(jiǎn)單三方(6)四方簡(jiǎn)單四方體心四方(7)立方簡(jiǎn)單立方體心立方面心立方24≠面心立方點(diǎn)陣可繪出(a=b=c，α=β=γ=90o)簡(jiǎn)單三方晶胞(a=b=c，α=β=γ=60o≠90o)25圖1-11空間點(diǎn)陣的對(duì)稱(chēng)性Ⅰ

面心立方點(diǎn)陣還可繪出

(a=b=c，α=β=γ=90o)

體心四方晶胞(a=b≠c，α=β=γ=90o)26圖1-12空間點(diǎn)陣的對(duì)稱(chēng)性Ⅱ圖1-13晶體結(jié)構(gòu)相似而空間點(diǎn)陣不同Cr27CsCl圖1-14空間點(diǎn)陣相同的晶體結(jié)構(gòu)Cu28NaCl；

（三）晶向指數(shù)和晶面指數(shù)

晶體中，任意兩個(gè)原子之間連線所指的方向稱(chēng)為晶向，由一系列原子所組成的平面稱(chēng)為晶面。為了便于研究和表述不同晶向和晶面的原子排列情況及其在空間的位向，需要有一種統(tǒng)一的表示方法，這就是晶向指數(shù)和晶面指數(shù)。29H[210][101]oZYX[100][111][110][001][010][112]AFGEDCBI圖1-15晶向指數(shù)[uvw]的確定30；

晶向指數(shù)特點(diǎn)：（1）晶向指數(shù)表示一組平行晶向的位向。（2）同一直線上有兩個(gè)相反的晶向，它們的晶向指數(shù)的數(shù)字和順序完全相同，只是符號(hào)相反。（3）晶向族<uvw>:31原子排列完全相同但空間位向不同的所有晶向，可歸為同一晶向族<uvw>。32圖1-16立方晶系<111>晶向族中的4個(gè)晶向XYZ圖1-17晶面指數(shù)(hkl)的確定33；

晶面指數(shù)特點(diǎn)：（1）晶面指數(shù)表示一組平行晶面的位向。（2）兩個(gè)晶面指數(shù)的數(shù)字和順序完全相同而符號(hào)相反時(shí)，這兩個(gè)晶面互相平行。（3）晶面族{hkl}:34原子排列完全相同但空間位向不同的所有晶面，可歸為同一晶面族{hkl}。35圖1-18立方晶系的{111}晶面族圖1-19立方晶系中晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的關(guān)系在立方結(jié)構(gòu)的晶體中，當(dāng)一晶向[uvw]位于或平行于某一晶面(hkl)時(shí)，必須滿足以下關(guān)系：hu+kv+lw=0。當(dāng)某一晶向與某一晶面垂直時(shí)，則其晶向指數(shù)和晶面指數(shù)必須完全相等，即u=h、v=k、w=l。36YXZ圖1-20六方晶系的三軸坐標(biāo)系37圖1-21六方晶系的一些晶面指數(shù)

X3ZX1X2四軸坐標(biāo)系晶面指數(shù)標(biāo)定方法：38四軸坐標(biāo)系晶向指數(shù)標(biāo)定方法：(1)標(biāo)定待定晶向的三軸坐標(biāo)系晶向指數(shù)[UVW]；(2)由[uvtw]與[UVW]之間的關(guān)系,分別

求u、v、t、w；(3)化為互質(zhì)整數(shù)；(4)加方括號(hào)[uvtw]。39XXXZ圖1-22六方晶系的一些晶向指數(shù)

[111]401、晶面間距d(hkl)——兩個(gè)相鄰的平行晶面之間的垂直距離。（四）晶面間距和晶面夾角41簡(jiǎn)單立方晶體晶面間距d與點(diǎn)陣常數(shù)之間的關(guān)系：面心立方晶體（FCC）晶面間距與點(diǎn)陣常數(shù)a之間的關(guān)系：若h、k、l均為奇數(shù)，則否則，

體心立方晶體（BCC）晶面間距與點(diǎn)陣常數(shù)a之間的關(guān)系：若h+k+l=偶數(shù)，則否則，

42圖1-23簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣不同晶面的平面圖432、晶面夾角——兩晶面之間的夾角。立方晶系晶體的晶面夾角與晶格常數(shù)無(wú)關(guān)：設(shè)晶面（h1k1l1）和晶面（h2k2l2）的夾角為φ，則44共帶面晶帶——凡相交于或平行于某一晶向直線的所有晶面構(gòu)成一個(gè)晶帶。晶帶軸（五）晶帶和晶帶軸45晶帶定律——晶帶軸[uvw]與共帶面(hkl)之間存在以下關(guān)系46圖1-24共帶面和晶帶軸確定晶帶軸的晶向指數(shù)：

已知兩個(gè)不平行的晶面(h1k1l1)和(h2k2l2)同屬一個(gè)晶帶,設(shè)晶帶軸為[uvw]或h1u+k1v+l1w=0h2u+k2v+l2w=0根據(jù)晶帶定律，47彈性模量（GPa）135290圖1-37晶向原子密度與單晶體的各向異性（六）晶體的各向異性（單）晶體具有各向異性是由于在不同晶向上原子排列的緊密程度不同。48（七）多晶型性

少數(shù)純金屬（如Fe、Mn、Zr、Ti、Co、Sn）和一些工程陶瓷晶體（如Al2O3、ZrO2、Si3N4、BN、SiC）等具有兩種或幾種晶體結(jié)構(gòu)，即具有多晶型性，這種現(xiàn)象稱(chēng)為同質(zhì)異晶或同質(zhì)多象。

當(dāng)外部條件（如溫度和壓力）改變時(shí)，晶體由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變稱(chēng)為多晶型轉(zhuǎn)變、同質(zhì)異晶轉(zhuǎn)變或同質(zhì)多象轉(zhuǎn)變。49圖1-25純鐵加熱時(shí)的熱膨脹曲線50圖1-26常見(jiàn)金屬晶體結(jié)構(gòu)的剛球模型二、金屬晶體的晶體結(jié)構(gòu)（一）三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)密排六方結(jié)構(gòu)51晶體結(jié)構(gòu)基本參數(shù)：

1、晶格常數(shù)2、原子半徑

3、晶胞原子數(shù)n——一個(gè)晶胞包含的原子數(shù)目。4、配位數(shù)——晶體結(jié)構(gòu)中與任一原子最近鄰且等距的原子數(shù)目。5、致密度——晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比，

。52圖1-27體心立方結(jié)構(gòu)晶胞53圖1-28面心立方結(jié)構(gòu)晶胞54圖1-29面心立方結(jié)構(gòu)的配位數(shù)55圖1-30密排六方結(jié)構(gòu)晶胞56

密排六方結(jié)構(gòu)的空間點(diǎn)陣類(lèi)型為簡(jiǎn)單六方點(diǎn)陣。

圖1-31密排六方結(jié)構(gòu)質(zhì)點(diǎn)模型57圖1-32密排六方結(jié)構(gòu)的配位數(shù)58體心立方結(jié)構(gòu)(BCC)面心立方結(jié)構(gòu)(FCC)密排六方結(jié)構(gòu)(HCP)晶格常數(shù)aaa、c(c/a≈1.633

)原子半徑晶胞原子數(shù)246配位數(shù)81212致密度0.680.740.7459圖1-33密排面原子排列示意圖圖1-34密排結(jié)構(gòu)的原子堆垛方式60bcbcbcABAABB圖1-35HCP密排面的堆垛順序AB61bcbcbc62圖1-36FCC密排面的堆垛順序ⅠABCAABCBC63圖1-37FCC密排面的堆垛順序Ⅱ圖1-38體心立方結(jié)構(gòu)原子的堆垛方式64八面體間隙：位于由6個(gè)原子圍成的八面體中心。四面體間隙：位于由4個(gè)原子圍成的四面體中心。晶體結(jié)構(gòu)中的間隙65八面體間隙位置：

面心和棱邊中點(diǎn)晶胞間隙數(shù)：八面體間隙八面體間隙

金屬原子1、體心立方結(jié)構(gòu)的間隙間隙半徑：rR66四面體間隙位置：面中分線距棱1/4處晶胞間隙數(shù)：間隙半徑：1、體心立方結(jié)構(gòu)的間隙四面體間隙四面體間隙

金屬原子

67八面體間隙位置：體心和棱邊中點(diǎn)晶胞間隙數(shù)：間隙半徑：八面體間隙八面體間隙

金屬原子2、面心立方結(jié)構(gòu)的間隙68四面體間隙位置：體對(duì)角線距頂點(diǎn)1/4處晶胞間隙數(shù)：間隙半徑：四面體間隙四面體間隙

金屬原子2、面心立方結(jié)構(gòu)的間隙

69晶胞間隙數(shù)：間隙半徑：間隙位置：3、密排六方結(jié)構(gòu)的間隙

70晶胞間隙數(shù)：3、密排六方結(jié)構(gòu)的間隙間隙位置：間隙半徑：71晶體結(jié)構(gòu)間隙種類(lèi)間隙半徑r間隙數(shù)目BCC八面體間隙<100>0.155R<110>0.633R6四面體間隙0.291R12FCC八面體間隙0.414R4四面體間隙0.225R8HCP八面體間隙0.414R6四面體間隙0.225R12間隙半徑r=原子中心與間隙中心的距離-原子半徑（R——原子半徑；并假設(shè)HCP結(jié)構(gòu)的R=FCC結(jié)構(gòu)的R）72晶體缺陷——晶體中原子偏離規(guī)則排列的不完整區(qū)域。分為點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷。（二）實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)731-461.點(diǎn)缺陷74圖1-47點(diǎn)缺陷造成晶格畸變產(chǎn)生應(yīng)力場(chǎng)的示意圖（a）拉應(yīng)力場(chǎng)（b）壓應(yīng)力場(chǎng)a)b)75空位平衡濃度：設(shè)由N個(gè)原子組成的晶體中含有n個(gè)空位,若形成一個(gè)空位所需能量為Ev,則晶體中的點(diǎn)缺陷在一定溫度下有一定的平衡濃度。式中，A是由振動(dòng)熵決定的系數(shù),其值在1～10之間；

k

為玻爾茲曼常數(shù)，其值為,或

。76（自）間隙原子平衡濃度：（異類(lèi)）間隙原子或置換原子平衡濃度：一定溫度下的固溶度晶體中的點(diǎn)缺陷在一定溫度下有一定的平衡濃度。77

點(diǎn)缺陷對(duì)金屬晶體性能的影響：2、體積膨脹；1、電阻率增加；3、屈服強(qiáng)度提高；4、加速擴(kuò)散過(guò)程。78位錯(cuò)（線）——晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。晶體中已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的界線。一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)的晶格畸變管道。位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)的方向垂直于位錯(cuò)線。2.線缺陷79圖1-48刃型位錯(cuò)的原子模型位錯(cuò)的基本類(lèi)型——刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。80圖1-49刃型位錯(cuò)示意圖81圖1-50晶體局部滑移造成的刃型位錯(cuò)82圖1-51螺型位錯(cuò)示意圖B圖1-51螺型位錯(cuò)示意圖B83柏氏矢量b(BurgersVector)：一個(gè)可描述位錯(cuò)的性質(zhì)及其引起的晶格畸變大小的參量。柏氏矢量可表示晶體滑移的方向和大小。一條（不分叉）位錯(cuò)線的柏氏矢量是唯一且固定不變的。同時(shí)包含位錯(cuò)線及其柏氏矢量b的晶面是該位錯(cuò)線潛在的滑移面。柏氏矢量表示位錯(cuò)引起的晶格畸變總量的大小。84根據(jù)柏氏矢量與位錯(cuò)線的位向關(guān)系可判斷位錯(cuò)類(lèi)型。刃型位錯(cuò)線⊥b85圖1-52刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定螺型位錯(cuò)線∥b86圖1-53螺型位錯(cuò)柏氏矢量的確定圖1-54混合型位錯(cuò)示意圖87位錯(cuò)（線）是晶體中已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界。必然在晶體中構(gòu)成一個(gè)閉合環(huán)線或終止于晶體表面/晶界，決不能終止于晶體內(nèi)部。88

圖1-55

金屬晶體中的三維位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)示意圖

圖1-56

金屬晶體中的位錯(cuò)（TEM）89圖1-57晶體的強(qiáng)度與位錯(cuò)密度

的關(guān)系

位錯(cuò)強(qiáng)化——晶體的強(qiáng)度隨位錯(cuò)密度的增加而增加的現(xiàn)象。90刃型位錯(cuò)l螺型位錯(cuò)l直線、折線、曲線、環(huán)線直線l⊥bl∥b滑移面唯一位錯(cuò)線所在的滑移面不唯一可滑移（l滑移面即晶體滑移面）、可攀移（l攀移面即額外半原子面）、不可交滑移可滑移（l滑移面即晶體滑移面）、可交滑移（l滑移面可轉(zhuǎn)移）、不可攀移l滑移方向平行于晶體滑移方向bl滑移方向垂直于晶體滑移方向bl運(yùn)動(dòng)方向（滑移或攀移）均始終垂直于l91①外表面/自由界面:晶體材料與氣體或液體的分界面。②晶界:屬同一固相（晶體結(jié)構(gòu)相同）但位向不同的晶粒之間的界面。④相界:不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的界面。3.面缺陷③晶內(nèi)面缺陷:亞晶界、堆垛層錯(cuò)、孿晶界等。內(nèi)界面92（1）晶體表面影響表面能的因素有：外部介質(zhì)的性質(zhì)、裸露晶面的原子密度、晶體表面的曲率、晶體結(jié)合能及熔點(diǎn)。

93（2）晶界分類(lèi)：大角度晶界（位向差>10?）和小角度晶界（位向差?10?），小角度晶界又分為傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。94圖1-58晶界的原子模型95小角度晶界傾側(cè)晶界

扭轉(zhuǎn)晶界96不對(duì)稱(chēng)傾側(cè)晶界對(duì)稱(chēng)傾側(cè)晶界97圖1-60傾側(cè)晶界98圖1-61螺型位錯(cuò)形成的扭轉(zhuǎn)晶界圖1-62金相顯微鏡觀察純鐵的晶界991、存在晶界能。高的晶界能具有向低的晶界能轉(zhuǎn)化的趨勢(shì)，可引起晶界的遷移。晶粒長(zhǎng)大和晶界的平直化都可減少晶界的總面積，從而降低晶界能。2、由于晶界能的存在，當(dāng)金屬材料中存在可降低晶界能或提高晶界能的異類(lèi)原子時(shí)，這些原子就向晶界偏聚或晶內(nèi)偏聚，這兩種現(xiàn)象分別稱(chēng)為內(nèi)吸附和反內(nèi)吸附，對(duì)金屬材料的性能和相變過(guò)程有著重要的影響。3、晶界強(qiáng)化/細(xì)晶強(qiáng)化：由于晶界上存在著晶格畸變，因而在室溫下對(duì)金屬材料的塑性變形起著阻礙作用，在宏觀上表現(xiàn)為金屬材料具有更高的強(qiáng)度和硬度。顯然，金屬材料的晶粒越細(xì)，則強(qiáng)度和硬度越高。4、由于晶界能的存在，使晶界的熔點(diǎn)低于晶粒內(nèi)部，且易于腐蝕和氧化。5、晶界上的空位、位錯(cuò)等缺陷較多，因此原子的擴(kuò)散速度較快，在發(fā)生相變時(shí)，新相晶核往往首先在晶界形成。晶界特性：100晶界強(qiáng)化/細(xì)晶強(qiáng)化——常溫下，金屬晶體中晶界增多/晶粒細(xì)化，使金屬材料的強(qiáng)度、硬度增加，塑性、韌性改善的現(xiàn)象。101圖1-63金屬晶粒內(nèi)的亞結(jié)構(gòu)示意圖（3）亞晶界晶粒內(nèi)位向差極?。ㄍǔ?2?）的亞結(jié)構(gòu)之間的內(nèi)界面。102（4）堆垛層錯(cuò)晶面堆垛順序發(fā)生局部差錯(cuò)而產(chǎn)生的一種晶體缺陷稱(chēng)為堆垛層錯(cuò)，簡(jiǎn)稱(chēng)層錯(cuò)。通常發(fā)生于FCC金屬。103圖1-64密排面堆垛順序發(fā)生局部錯(cuò)排產(chǎn)生堆垛層錯(cuò)晶體中形成堆垛層錯(cuò)時(shí)幾乎不引起晶格畸變，只是破壞了晶體的周期性和完整性，引起能量升高。通常把產(chǎn)生單位面積層錯(cuò)所需的能量稱(chēng)為層錯(cuò)能，單位為J/m2。（4）堆垛層錯(cuò)104（5）相界105（5）相界*不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的界面稱(chēng)為相界。*相界的形成會(huì)引起系統(tǒng)自由能的升高。相界能包括兩部分的能量：界面附近原子間化學(xué)鍵的數(shù)目、強(qiáng)度甚至類(lèi)型變化而產(chǎn)生的化學(xué)作用能和界面兩側(cè)晶體晶格常數(shù)不同所產(chǎn)生的彈性應(yīng)變能。對(duì)于共格界面，其相界能以彈性應(yīng)變能為主；而非共格界面的相界能以化學(xué)作用能為主。*三種相界中，非共格界面的相界能最高，部分共格界面的相界能次之，共格界面的相界能最低。106（三）合金相結(jié)構(gòu)1.合金、組元和相合金——由一種金屬元素與一種或幾種其他元素（金屬、非金屬元素）所組成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元——組成合金的獨(dú)立存在的基本物質(zhì)。一般地，組元就是組成合金的元素，穩(wěn)定化合物也可作為一個(gè)組元。107（三）合金相結(jié)構(gòu)1.合金、組元和相相——合金中具有相同凝聚狀態(tài)、相同晶體結(jié)構(gòu)、同一化學(xué)成分，并有界面相互分開(kāi)的均勻一致的組成部分。水（液相）冰（固相）SnSb108（三）

合金相結(jié)構(gòu)2.固溶體：溶質(zhì)組元溶解于溶劑金屬中，形成與溶劑金屬晶體結(jié)構(gòu)相同的均勻一致的固態(tài)相。

按溶解度/固溶度分為無(wú)限固溶體和有限固溶體。固溶度常用溶質(zhì)組元的質(zhì)量百分?jǐn)?shù)或物質(zhì)的量百分?jǐn)?shù)表示。109圖1-67固溶體的兩種類(lèi)型置換固溶體間隙固溶體按溶質(zhì)原子位置分為置換固溶體和間隙固溶體。110圖1-68置換固溶體中大(a)、小(b)溶質(zhì)原子引起的點(diǎn)陣畸變示意圖111（三）

合金相結(jié)構(gòu)固溶強(qiáng)化——固溶體中隨溶質(zhì)組元固溶度的增加，固溶體強(qiáng)度、硬度增加而塑性、韌性降低的現(xiàn)象。影響固溶度的因素有原子尺寸、電負(fù)性、電子濃度和點(diǎn)陣類(lèi)型。112溶質(zhì)原子價(jià)對(duì)Cu基合金固溶度的影響113圖1-69奧氏體的晶格常數(shù)與溶碳量的關(guān)系114圖1-70固溶體中溶質(zhì)原子分布情況示意圖按溶質(zhì)原子分布分為無(wú)序固溶體和有序固溶體。115有序固溶體的溶質(zhì)原子是長(zhǎng)程有序分布。圖1-71有序固溶體結(jié)構(gòu)示意圖116圖1-72Cu-Au合金的相結(jié)構(gòu)(a)一般固溶體（b）CuAu有序結(jié)構(gòu)（c）Cu3Au有序結(jié)構(gòu)AuCu1173.金屬化合物/中間相：

合金組元間相互作用，形成晶體結(jié)構(gòu)和性能不同于任一組元的新的固態(tài)相，可用分子式來(lái)大致表示其組成。1、正常價(jià)化合物2、電子化合物3、間隙相和間隙化合物118銅合金中常見(jiàn)的電子化合物無(wú)119三、

離子晶體結(jié)構(gòu)離子晶體——離子化合物結(jié)晶形成的晶體，或者說(shuō)是由正、負(fù)離子或離子集團(tuán)按一定比例通過(guò)離子鍵結(jié)合形成的晶體。120離子晶體的晶體結(jié)構(gòu)取決于離子的組成和數(shù)量關(guān)系、離子半徑的大小關(guān)系和離子間的極化作用。這使得離子晶體容易產(chǎn)生同質(zhì)異晶現(xiàn)象。

離子半徑比r+/r-0.225~0.4140.414~0.7320.732~1.0正離子配位數(shù)468典型離子晶體的空間點(diǎn)陣ZnS（閃鋅礦-面心立方點(diǎn)陣或纖鋅礦-六方晶系）NaCl（面心立方點(diǎn)陣）、TiO2（簡(jiǎn)單四方點(diǎn)陣）或α-Al2O3（簡(jiǎn)單三方點(diǎn)陣）CsCl（簡(jiǎn)單立方點(diǎn)陣）、CaF2（面心立方點(diǎn)陣）離子半徑比規(guī)則121離子配位數(shù)——在離子晶體中，每個(gè)離子周?chē)佑|到的異號(hào)離子的個(gè)數(shù)。Na+Cl-圖1-73NaCl型晶體結(jié)構(gòu)1.NaCl型晶體結(jié)構(gòu)*空間點(diǎn)陣類(lèi)型為面心立方點(diǎn)陣，Na+全部占據(jù)由Clˉ組成的面心立方結(jié)構(gòu)的正八面體間隙。*晶胞離子數(shù)為8，即每個(gè)晶胞內(nèi)含有4個(gè)Na+和4個(gè)Clˉ。*Na+/Clˉ≈0.525，Na+和Cl?的配位數(shù)均為6。1222.閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)*又稱(chēng)為立方ZnS型晶體結(jié)構(gòu)，是離子鍵與共價(jià)鍵混合的混合鍵結(jié)構(gòu)，空間點(diǎn)陣類(lèi)型為面心立方點(diǎn)陣。*S2-占據(jù)面心立方結(jié)構(gòu)的結(jié)點(diǎn)位置，Zn2+占據(jù)四個(gè)不相鄰的四面體間隙位置。*晶胞離子數(shù)為8個(gè)，即每個(gè)晶胞中含Zn2+和S2-各4個(gè)。*Zn2+/S2-≈0.414，Zn2+和S2-配位數(shù)均為4。123圖1-74閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)3.剛玉型晶體結(jié)構(gòu)*剛玉即α-Al2O3，其晶體結(jié)構(gòu)的空間點(diǎn)陣類(lèi)型為簡(jiǎn)單三方點(diǎn)陣。*晶胞離子數(shù)為10個(gè)，即每個(gè)晶胞中含4個(gè)Al3+和6個(gè)O2-。*Al3+/O2-=0.419，Al3+和O2-的配位數(shù)之比為3:2。124圖1-75剛玉型晶體結(jié)構(gòu)四、共價(jià)晶體結(jié)構(gòu)共價(jià)晶體——相鄰原子直接通過(guò)共價(jià)鍵結(jié)合形成的晶體。包括單質(zhì)晶體(如金剛石、Si、Ge、α-Sn）和化合物晶體（如立方BN、AlN、GaAs、InSb、β-SiC、SiO2、Si3N4等）。125(1)金剛石型晶體結(jié)構(gòu)共價(jià)晶體中的單質(zhì)晶體，其晶體結(jié)構(gòu)都是金剛石型結(jié)構(gòu)，空間點(diǎn)陣類(lèi)型為面心立方點(diǎn)陣，金剛石結(jié)構(gòu)是每個(gè)碳原子通過(guò)sp3雜化軌道與相鄰的4個(gè)C原子形成共價(jià)鍵，可以看作是四個(gè)碳原子分布于正四面體的頂點(diǎn)，一個(gè)碳原子在正四面體的中心。金剛石的結(jié)構(gòu)基元是2個(gè)C原子，晶胞原子數(shù)為8，致密度約為0.34。圖1-76金剛石晶體結(jié)構(gòu)126(2)閃鋅礦型晶體結(jié)構(gòu)共價(jià)晶體中的化合物晶體，其晶體結(jié)構(gòu)大多數(shù)是閃鋅礦型結(jié)構(gòu)，與金剛石型結(jié)構(gòu)很相似。例如，β-SiC中的Si原子和C原子都通過(guò)sp3雜化軌道與相鄰的異類(lèi)原子形成共價(jià)鍵，晶胞原子數(shù)為8，每個(gè)晶胞內(nèi)有4個(gè)Si原子和4個(gè)C原子。圖1-77β-SiC晶體結(jié)構(gòu)127128§1.4高聚物的微觀結(jié)構(gòu)晶態(tài)結(jié)構(gòu)非晶態(tài)結(jié)構(gòu)取向態(tài)結(jié)構(gòu)化學(xué)組成立體構(gòu)型支化和交聯(lián)共聚物的序列結(jié)構(gòu)構(gòu)象柔順性高分子鏈的近程結(jié)構(gòu)高分子鏈的遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)高分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)高分子鏈結(jié)構(gòu)

高分子鏈結(jié)構(gòu)——單個(gè)高分子鏈的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，分為近程結(jié)構(gòu)（屬于化學(xué)結(jié)構(gòu)，是指高分子鏈中由化學(xué)鍵所連結(jié)的原子或基團(tuán)在空間的幾何排列）和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)（屬于物理結(jié)構(gòu)，是指單個(gè)高分子鏈的形態(tài)和尺寸）。129

高分子聚集態(tài)結(jié)構(gòu)——很多高分子鏈之間的排列和堆砌結(jié)構(gòu)，包括晶態(tài)結(jié)構(gòu)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)和取向態(tài)結(jié)構(gòu)等?！?.4高聚物的微觀結(jié)構(gòu)第二章純金屬的結(jié)晶§2.1金屬結(jié)晶的現(xiàn)象§2.2金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件

§2.3金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件§2.4晶核的形成§2.5晶核長(zhǎng)大130圖2-1

熱分析裝置示意圖§2.1金屬結(jié)晶的現(xiàn)象131圖2-2

純金屬結(jié)晶時(shí)的冷卻曲線示意圖對(duì)于某種確定的金屬材料，結(jié)晶時(shí)冷卻速度越大，則過(guò)冷度ΔT越大，實(shí)際結(jié)晶溫度Tn越低。132圖2-4

純金屬結(jié)晶過(guò)程示意圖圖2-3

氯化銨的形核與長(zhǎng)大過(guò)程133§2.2金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件134圖2-5

液相和固相自由能隨溫度變化示意圖135136圖2-6

金屬熔體中的相起伏示意圖結(jié)構(gòu)起伏/相起伏——熔體中不斷變化的短程有序的（成鍵的）原子集團(tuán)?！?.3金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件137結(jié)構(gòu)起伏/相起伏——熔體中不斷變化的短程有序的（成鍵的）原子集團(tuán)。晶胚——過(guò)冷熔體中的結(jié)構(gòu)起伏/相起伏。138均質(zhì)形核：

完全依靠液態(tài)金屬/金屬熔體中的晶胚形成晶核的過(guò)程，液相中各區(qū)域出現(xiàn)新相晶核的幾率相同。又稱(chēng)自發(fā)形核。§2.4晶核的形成139140圖2-8

晶胚引起的自由能變化與其半徑的關(guān)系曲線（結(jié)晶的阻力）（結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力）晶核形成能：也稱(chēng)形核激活能、形核功，是過(guò)冷熔體中形成穩(wěn)定晶核必須克服的能壘。141形核率：

單位時(shí)間內(nèi)單位體積金屬熔體中形成的晶核數(shù)目，取決于金屬熔體的過(guò)冷度。142圖2-9

形核率與溫度的關(guān)系曲線143圖2-10

均勻形核率與過(guò)冷度的關(guān)系曲線144145非均質(zhì)形核：

實(shí)際金屬熔體結(jié)晶時(shí)晶胚可依附于現(xiàn)成的固體表面形核的方式。又稱(chēng)非自發(fā)形核。146曲率半徑圖2-11

非均勻形核示意圖胚147148完全浸潤(rùn)/附著完全不浸潤(rùn)/附著圖2-12

不同浸潤(rùn)角的晶胚形狀149圖2-13

非均勻形核率(1)和均勻形核率(2)與過(guò)冷度的關(guān)系曲線150圖2-14

不同形貌固體質(zhì)點(diǎn)表面形成的晶胚體積151圖2-15

固液界面的微觀結(jié)構(gòu)小平面界面非小平面界面§2.5晶核長(zhǎng)大152圖2-16

光滑界面向液相的推移依賴(lài)于臺(tái)階圖2-17光滑界面的二維晶核長(zhǎng)大機(jī)制、螺型位錯(cuò)長(zhǎng)大機(jī)制和孿晶凹槽長(zhǎng)大機(jī)制153圖2-19

螺旋長(zhǎng)大的SiC晶體圖2-18螺型位錯(cuò)長(zhǎng)大機(jī)制示意圖154圖2-20粗糙界面向液相的推移可以連續(xù)進(jìn)行155圖2-21

晶體長(zhǎng)大速度G與過(guò)冷度的關(guān)系曲線156157158159正溫度梯度下具有光滑界面的晶體以密排面為表面，具有規(guī)則的幾何外形。160負(fù)溫度梯度下具有粗糙界面的晶體呈樹(shù)枝狀長(zhǎng)大161

細(xì)化鑄態(tài)晶粒的方法：1.控制過(guò)冷度；2.加入晶粒細(xì)化劑；3.振動(dòng)、攪動(dòng)。162第三章二元合金的結(jié)晶§3.1二元合金相圖的建立§3.2勻晶相圖及固溶體合金的結(jié)晶

§3.3共晶相圖及其合金的結(jié)晶§3.4包晶相圖及其合金的結(jié)晶§3.5其它類(lèi)型的二元合金相圖§3.6二元相圖的分析和使用§3.7鑄錠的宏觀組織與缺陷163圖3-1

二元合金相圖的坐標(biāo)合金或相的狀態(tài)點(diǎn)§3.1二元合金相圖的建立164液相線：冷卻時(shí)合金結(jié)晶開(kāi)始的溫度或加熱時(shí)熔化終了的溫度。固相線：冷卻時(shí)合金結(jié)晶終了的溫度或加熱時(shí)熔化開(kāi)始的溫度。165吉布斯相律：F=C?P+2F（DegreesofFreedom）——平衡條件下系統(tǒng)的自由度數(shù)，或者說(shuō)是維持系統(tǒng)原有相數(shù)不變，可自由變化的獨(dú)立變量（即溫度、壓力或平衡相的成分）的數(shù)目。C（Components）——系統(tǒng)的組元數(shù)，通常是合金元素或穩(wěn)定化合物的數(shù)目。P（Phases）——平衡條件下系統(tǒng)的相數(shù)。166167圖3-3

杠桿定律的證明168§3.2勻晶相圖及固溶體合金的結(jié)晶

圖3-4Cu-Ni相圖異分結(jié)晶：固溶體合金結(jié)晶時(shí)結(jié)晶出的固相成分與液相的成分不同，這種結(jié)晶出的晶體與母相化學(xué)成分不同的結(jié)晶稱(chēng)為異分結(jié)晶或選擇結(jié)晶。

因此，固溶體合金結(jié)晶時(shí)除了要求過(guò)冷、結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏，還要求成分起伏。169溶質(zhì)平衡分配系數(shù)k0值為一常數(shù)，其大小反映了溶質(zhì)組元重新分配的強(qiáng)弱程度。

170圖3-5

溶質(zhì)平衡分配系數(shù)固溶體合金平衡結(jié)晶時(shí)需要一定的溫度范圍：

1、一定溫度下，合金熔體只能結(jié)晶出一定數(shù)量的固相。

2、一定溫度下，晶核的形成和長(zhǎng)大使固液界面的兩相成分滿足平衡條件

液相或固相內(nèi)的濃度梯度，引起原子擴(kuò)散破壞了相界面處的平衡晶體必須長(zhǎng)大以恢復(fù)平衡。171172圖3-6固溶體合金的平衡結(jié)晶過(guò)程173圖3-7

固溶體合金在溫度t1時(shí)的結(jié)晶過(guò)程174圖3-8

固溶體合金在溫度t2時(shí)的結(jié)晶過(guò)程枝晶偏析：非平衡結(jié)晶時(shí)，在一個(gè)晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。

175176圖3-9

固溶體合金的不平衡結(jié)晶過(guò)程圖3-10Cu-Ni合金的鑄態(tài)組織與微區(qū)分析圖3-11經(jīng)擴(kuò)散退火后Cu-Ni合金的組織與微區(qū)分析177區(qū)域偏析：非平衡結(jié)晶時(shí)，晶體中大范圍內(nèi)化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。

178179L圖3-12

固溶體合金單向平衡結(jié)晶時(shí)的溶質(zhì)分布L圖3-13

固溶體合金形成區(qū)域偏析的結(jié)晶過(guò)程固液界面滿足相平衡固相內(nèi)無(wú)擴(kuò)散、液相內(nèi)充分?jǐn)U散180L圖3-14

固溶體合金液相中擴(kuò)散不充分的單向結(jié)晶過(guò)程固相內(nèi)無(wú)擴(kuò)散、液相內(nèi)擴(kuò)散不充分穩(wěn)定態(tài)凝固181182圖3-15成分過(guò)冷：非平衡結(jié)晶時(shí)，由于固液界面前沿液相的溶質(zhì)濃度變化，引起理論結(jié)晶溫度的變化而產(chǎn)生的過(guò)冷。

183G圖3-16k0<1合金固液界面前沿液體產(chǎn)生成分過(guò)冷示意圖穩(wěn)定態(tài)凝固184圖3-17Al-Cu合金的三種晶粒組織G1G2G3185胞狀偏析：非平衡結(jié)晶時(shí)，在胞狀組織（亞結(jié)構(gòu)）的交界面上存在溶質(zhì)的富集（k0<1）或貧乏（k0﹥1）。186圖3-18

Pb-98%Sn合金

Pb-62%Sn合