《純金屬的晶體結(jié)構(gòu)》PPT課件.ppt

1、第一章 純金屬的晶體結(jié)構(gòu),11 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)特點和金屬原子結(jié)合的特點所決定的。 二、金屬原子的結(jié)構(gòu)特點、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。,化學(xué)元素周期表,金屬鍵模型,金屬原子越靠近，相互作用越強。電

2、子氣,金屬塑性,發(fā)生塑性變形時，金屬鍵并未破壞,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。排斥力是一種短程力；而吸引力是一種長程力，兩者的大小與兩個原子間的距離D有關(guān)。,雙原子作用模型,勢能 平衡位置 平衡距離 熱振動,周期勢場,勢谷 勢壘 激活能 勢壘高度,結(jié)合能,原子間的結(jié)合力就是由吸引力與排斥力合成的。同樣的，原子間的結(jié)合能也是由吸引能與排斥能合成的。 固體的鍵合強度可以用其結(jié)合能來標(biāo)志，它就等于將晶態(tài)拆散為等量的中性原子狀態(tài)所需要吸收的能量，也就

3、是實驗測定的升華熱。 范德瓦耳斯鍵的結(jié)合能最低，一般的金屬晶體與共價晶體的結(jié)合能是同一數(shù)量級，過渡金屬的結(jié)合能最高。,12 金屬晶體,一、晶體的特點 晶體具有下列特點： 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，非晶體則沒有。 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 金屬晶體,NaCl,等同點,Na+是一類等同點 Cl是另一類等同點 晶體結(jié)構(gòu)中各類等同點所構(gòu)成的幾何圖形是相同的。,空間點陣,結(jié)點 空間點陣（點陣） 晶格 元胞（陣胞） 晶胞,如果只是為了表達(dá)空間點陣的周期性，則

4、應(yīng)該選取最小的平行六面體作為單位陣胞。,二維陣胞,晶胞,棱 棱面夾角 晶軸 晶胞常數(shù)（點陣常數(shù)） 晶軸間夾角 結(jié)點數(shù) 結(jié)點坐標(biāo),復(fù)雜陣胞,為了同時反映空間點陣的對稱性和周期性，須選取比簡單陣胞更大的復(fù)雜陣胞。結(jié)點即可以在頂點處，也可以在體心和面心處。,復(fù)雜陣胞的條件： 1、同時反映空間點陣的對稱性和周期性 2、盡可能多的直角 3、體積最小,布拉菲點陣 四類點陣,根據(jù)結(jié)點在陣胞中的位置不同，可將14種Bravais點陣分為四類： 1.簡單點陣 P 2. 底心點陣，C 3 .體心點陣 I 4 .面心點陣 F,七個晶系,根據(jù)點陣常數(shù)的不同，可將晶體點陣分為七個晶系。 1、立方晶系 P，I，F(xiàn) 2 、

5、正方晶系 P，I 3、斜方晶系 P，I，C，F(xiàn) 4、菱方晶系 R 5、六方晶系 P 6、單斜晶系 P，I 7、三斜晶系,課上習(xí)題,1、畫出體心立方、面心立方點陣示意圖。并標(biāo)出結(jié)點的個數(shù)和坐標(biāo)。 2、畫出底心斜方點陣示意圖。并標(biāo)出結(jié)點的個數(shù)和坐標(biāo),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),空間點陣中的結(jié)點平面和結(jié)點直線相當(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 晶面組 晶面族 立方晶系中的晶面族：1003個； 111 42個； 11062個 在同一晶體中的不同晶面上原子分布狀

6、況及排列緊密程度是不同的,晶面指數(shù),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個晶 面，求晶面指數(shù)。,2、立方晶格的晶向指數(shù),確立立方晶格的晶向指數(shù)方法如下： （1）設(shè)坐標(biāo)；（2）求坐標(biāo)值； （3）化整數(shù)；（4）列括號 晶向指數(shù)還具有以下規(guī)律： （1）當(dāng)晶向指數(shù)都乘以負(fù)號時，其晶向的方向相反。 （2）所有相互平行的晶向，其晶向指數(shù)相同。 （3）晶向族，用表示。 （4）在立方晶格中，如果晶面指數(shù)和晶向指數(shù)的數(shù)字相同，則彼此相互垂直。,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)系中六個側(cè)面的指數(shù)為（010）（110）（100）（010） （110）（1

7、00） 。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：,13 純金屬的晶體結(jié)構(gòu),一、三種晶體結(jié)構(gòu)的特點 、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

8、 致密度：0.68 八面體間隙半徑：0.067a,6個,四面體間隙半徑：0.126a，12個,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個面的如圖所示位置。個數(shù)=641/2=12,1,2,3,4,5,6,4.晶胞中八面體空隙,代表八面體空隙，位置在6個面的中心，12棱的中心。個數(shù)=61/2+121/4=6,面心立方晶格,面心立方間隙,八面體：0.146a 4個 四面體：0.08a,8個,5.晶胞中四面體空隙和八面體空隙,八面體空隙個數(shù)=121/4+1=4 四面體空隙個數(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,

9、二層密堆,ABC堆積,AB堆積,A1：立方體的體對角線方向，共4條，故有4個密堆積方向，易向不同方向滑動，而具有良好的延展性。如Cu. A3：只有一個方向，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)晶過程 規(guī)律：有一定的轉(zhuǎn)變溫度；轉(zhuǎn)變時需要過冷（或過熱）；有結(jié)晶潛熱產(chǎn)生；轉(zhuǎn)變過程也是由形核及核長大來完成的。,鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變,Fe,14 金屬的實際晶體結(jié)構(gòu)二、金屬實際晶體結(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

10、同的單晶體（晶粒）組成的，單晶體（晶粒）之間由界面相隔開。,純鐵的顯微組織,點缺陷,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動的必然結(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度、硬度和電阻增加。,點缺陷是一種熱力學(xué)平衡缺陷,從熱力學(xué)中己知，一個過程是否能夠自發(fā)進(jìn)行，取決于體系的吉布斯自由能的變化。 G0。 GU+PVTS。在固態(tài)的條件下，體積的變化V常常可以忽略不計，因此可以近似地認(rèn)為：GUTSF 假設(shè)在一個有N個原子的理想晶體中，引入n個空位內(nèi)能將增加nUv。,點缺陷是一種熱力學(xué)平衡

11、缺陷,另一方面，n個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 ScKln （3）,結(jié)構(gòu)熵 振動熵,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，晶體中總是會存在著一定數(shù)量的空位，這時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。 空位是以較可觀的數(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動和變化之中。 空位、間隙原子和置換原子的運動，是金屬中原子擴散的主要方式。 造成過飽和點缺陷的主要有3個方面因素； (1)高溫激冷；(2)大量的冷變形；(3)高能粒子

12、輻照。,點缺陷對金屬的性能的影響,(1)使電阻增大， (2)、點缺陷的增加還使金屬的密度下降；(3)過飽和的點缺陷可提高金屬的屈服強度； 固溶強化 (4)空位對于金屬中以擴散為基本過程的許多現(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。位錯就是晶體中的一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。它的寬度大約是35個原子間距。而位錯的長度一般是幾百個到幾萬個原子間距。寬度和長度比較起來小得很多很多，因而稱為線缺陷。 兩種類型：刃型位錯，螺型位錯。,刃型位錯,彈性應(yīng)力場 壓應(yīng)力 拉應(yīng)力,刃型位錯造成金屬的強化

13、,刃型位錯的應(yīng)力場會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，往往鉆入位錯管道；置換原子則富集在位錯管道周圍。這樣會降低晶格畸變能，同時使位錯難以運動，因而造成金屬的強化。,位錯與缺陷的作用示意圖,螺型位錯,螺型位錯周圍的彈性應(yīng)力場呈軸對稱分布 右螺型位錯 左螺型位錯,螺型位錯,混合型位錯,刃型位錯和螺型位錯混合而成的,鉬中的六角位錯網(wǎng)絡(luò),柏氏向量,在切應(yīng)力作用下，位錯線很容易沿滑移面運動。一根位錯線掃過滑移面，滑移面兩邊的原子就相對移動一個原子間距。大量位錯掃過滑移面，就造成晶體的宏觀切變。 柏氏向量的方向就是原子移動的方向，也就是晶

14、體滑移的方向。柏氏向量的大小就是原子移動的距離。它總是由一個平衡位置指向另一個平衡位置,而不能是任意的方向和大小。 每一根位錯線都有自己的柏氏向量。,柏氏向量確定的步驟,（1）規(guī)定位錯線的正方向。是任意選定的。 （2）作垂直于位錯線的平面。 （3）在這個平面上沿相互垂直的四個方向各移動同樣的步數(shù)，作出圍繞位錯的回路。當(dāng)沿位錯的正方向朝前看時，按順時針方向進(jìn)行。這種回路通常稱為柏氏回路。 （4）回路不封閉時就表明存在著位錯。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。位錯在柏氏矢量方向上的運動稱為滑移運動。,柏氏向量確定示意圖,單位位錯 簡單立方結(jié)構(gòu) 111方向

15、，b=a方向 大小是 體心立方：方向 大小是,位錯的運動,位錯沿滑移面運動時，盡管位錯線的形狀和類型可能改變，但是它的柏氏向量恒定不變。 無論是何種位錯，都有一個共同特點，就是：在位錯的一邊是已滑移區(qū)，另一邊是未滑移區(qū)。位錯就是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)上的邊界線。 位錯密度： 式中V晶體的體積；S體積為V的晶體中位錯線的總長度。 一般經(jīng)過適當(dāng)退火的多晶體金屬中，位錯密度為106108；超純單晶體金屬，其位錯密度很低(103)。而經(jīng)劇烈冷變形金屬，位錯密度可增至10111012。,位錯對金屬材料性能的影響,（1）位錯的運動及分布，可以引起晶體的宏觀范性形變。 （2）晶須中不含有位錯，不易塑性變形，故強

16、度很高。而一般金屬中含有位錯，易于塑性變形，故強度低。 （3）如果金屬晶體中位錯密度很高，由于位錯之間的相互作用和制約，金屬的強度也可以提高。 （4）晶體中的位錯并不是固定不變的，當(dāng)晶體中的原子發(fā)生熱運動或晶體受外力作用而發(fā)生塑性變形時，位錯就可以從在晶體內(nèi)運動。,（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

17、面曲率越大，即曲率半徑越小，表面能越高。這些特點對于金屬的結(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）晶界具有較高的強度和硬度。因此，晶粒越細(xì)，金屬的強度、硬度也就越高。 (C) 晶界的熔點較低。 (D) 發(fā)生相變時，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。

18、 (F) 晶界的電阻高于晶粒內(nèi)部。 （G）晶界上擴散速度要比晶粒內(nèi)部快。 （H）當(dāng)溫度升高、原子動能增大時，就能促使晶粒的長大。,亞晶界,實際晶體的晶粒內(nèi)部，存在許多尺寸很小，位向差很?。ㄒ话闶菐资值?020）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，金屬中許多重要過程，都是依靠晶體缺陷的運動來完成的；金屬許多性能都與晶體缺陷有關(guān)。所以要正確認(rèn)識晶體缺陷。,15 金屬晶體中的擴散,一、概述 （一）、擴散的實質(zhì)固體擴散的微觀過程：金

19、屬晶體的擴散是原子的熱激活過程，依靠原子的熱運動來完成。 擴散推動力 大量原子無序躍遷的統(tǒng)計結(jié)果，就造成物質(zhì)的定向遷移，即發(fā)生擴散。,（二）金屬晶體擴散的條件,1、溫度要足夠高 2. 時間要足夠長。 例如，向鋼中滲碳，滲碳層達(dá)到0.8mm時，需要長達(dá)810小時才能完成。 3擴散原子要固溶 4、擴散要有推動力,擴散推動力,AB B A,擴散推動力,擴散推動力的作用，就在于使對稱的周期勢場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)生擴散。所以擴散要有推動力。 擴散的推動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?，擴散推動

20、力是自由能差，擴散總是向自由能降低的方向進(jìn)行。,（三）、金屬晶體擴散分類,晶體擴散兩類：一類是互擴散、另一類是自擴散。 互擴散就是伴有濃度變化的擴散，它與異類原子的濃度差相關(guān)。在互擴散過程中，異類原子相對擴散，互相滲透，所以又叫作“異擴散”或“化學(xué)擴散”。互擴散總是在不均勻固溶體中進(jìn)行的。 互擴散又可分為“下坡擴散”和“上坡擴散”兩種。下坡擴散是沿著濃度降低方向進(jìn)行的擴散，使?jié)舛融呌诰鶆蚧Ｉ掀聰U散則是沿著濃度升高方向進(jìn)行的擴散，即由低濃度向高濃度方向擴散，使?jié)舛劝l(fā)生兩極分化。,硅鋼中的上坡擴散,應(yīng)力作用下的上坡擴散,自擴散,互擴散還可分為“原子擴散”與“反應(yīng)擴散”兩種。如果在擴散過程中，基體

21、晶格始終不變，沒有新相產(chǎn)生，這種擴散就稱為原子擴散。反之，在擴散過程中，當(dāng)濃度變化到一定值時，引起基體晶格轉(zhuǎn)變，形成新相，這種擴散稱為反應(yīng)擴散。 自擴散就是不伴有濃度變化的擴散，它與濃度梯度無關(guān)。自擴散只發(fā)生在純金屬中和均勻固溶體中。 固態(tài)擴散是在自由能差推動下，依靠原子的熱激活而進(jìn)行的物質(zhì)遷移過程。物質(zhì)總是向自由能降低的方向擴散。,二、擴散機理,所謂擴散機理，就是擴散原子在晶體點陣中換位的具體方式。 1、 間隙擴散機理 2、空位擴散機理 3、換位擴散機理 4、位錯擴散機理 5、晶界擴散機理 6、表面擴散機理 擴散激活能,擴散激活能,固態(tài)金屬中的擴散主要是借助晶體缺陷來進(jìn)行的，如果沒有各種晶體缺陷存在，金屬原子的擴散要困難多，甚至是難以進(jìn)行的。,三、擴散定律,擴散定律又叫菲克定律，第一定律