金屬學(xué) 第一章 緒論金屬的晶體結(jié)構(gòu).ppt

1、歡迎來到材料工程學(xué)院金屬材料系的金相和熱處理世界，學(xué)習(xí)重點(diǎn)：一個(gè)中心：金屬和合金的成分和組織結(jié)構(gòu)之間的變化規(guī)律；兩幅圖：相圖和曲線；五種轉(zhuǎn)變：珠光體轉(zhuǎn)變、奧氏體轉(zhuǎn)變、貝氏體轉(zhuǎn)變、馬氏體轉(zhuǎn)變和回火轉(zhuǎn)變；四火：正火、退火、淬火和回火；八種鋼材：滲碳鋼、調(diào)質(zhì)鋼、軸承鋼、刀具鋼、模具鋼、量具鋼和特殊性能鋼。第一章是金屬的晶體結(jié)構(gòu)，第一節(jié)是金屬1。金屬特性：外觀特性：金屬光澤和不透明度；電阻的正溫度系數(shù)；良好的機(jī)械性能，良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性；2.金屬的原子結(jié)構(gòu)：最外層只有1-2個(gè)電子，第二外層不滿足。金屬鍵：正離子浸沒在電子云中，并通過在它們之間運(yùn)動(dòng)的公共自由電子的靜電作用而結(jié)合的方式稱為金屬鍵；無方向

2、性和飽和度。3.固體金屬的特性：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、電阻、光澤和不透明性；4.結(jié)合力：包括：正離子與周圍自由電子之間的吸引力；正離子和電子之間的排斥力；吸引力和排斥力的代數(shù)和，從圖中可以看出：當(dāng)d=d0時(shí)，吸引力排斥力和結(jié)合力為0，d0相當(dāng)于原子的平衡位置；當(dāng)d做時(shí)，排斥力吸引原子相互排斥，這使得原子回到d0的位置；當(dāng)dd0時(shí)，吸引力和排斥力相互吸引，這使得原子回到d0位置。原子間的最大結(jié)合力不在平衡位置，但在直流位置，最大結(jié)合力對(duì)應(yīng)于金屬的理論抗拉強(qiáng)度。5.結(jié)合能：結(jié)合能：吸引能和排斥能的代數(shù)和，如圖所示；當(dāng)d=d0時(shí)，結(jié)合能最低，因此任何偏離平衡位置的情況都會(huì)增加原子的勢(shì)能，從而使其回到平衡位

3、置。EAB:原子間的結(jié)合能或鍵能；固體金屬中的原子傾向于規(guī)則排列的原因是廣義的。第2節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)，1。晶體和非晶：晶體：內(nèi)部原子按照一定的規(guī)則周期性地重復(fù)排列在三維空間中；例如：DIA、冰、鹽、各種金屬成分等。無定形的：內(nèi)部原子是分散的，至多是一些局部的短程規(guī)則排列；例如：玻璃、棉花、松香等。2.晶體的性能特點(diǎn)：晶體有一定的熔點(diǎn)；晶體具有各向異性。晶體通常有特定的幾何形狀；相互轉(zhuǎn)化。結(jié)晶學(xué)概念介紹：空間晶格：描述晶體中原子(離子或分子)排列的空間晶格，也稱為晶格。如圖單元所示：從晶格中選出的能充分反映原子排列規(guī)律的最小幾何單位。晶胞晶格參數(shù)：坐標(biāo)軸：軸，軸，軸晶格常數(shù)：晶胞的邊長(zhǎng)表示為，軸

4、夾角：?jiǎn)卧叺膴A角分別表示為、和。晶系：根據(jù)六個(gè)參數(shù)之間的關(guān)系，晶體可分為七個(gè)晶系和十四種布雷迪晶格，如第六冊(cè)表11所示；有三種典型而常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)：體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)；在本文中，晶體的實(shí)際粒子被忽略，抽象為純幾何點(diǎn)，稱為陣列點(diǎn)或節(jié)點(diǎn)。這些陣列點(diǎn)由許多平行線連接形成三維空間網(wǎng)格。4.三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)：1)體心立方晶格(bcc):如原子分布所示：晶胞的八個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)原子，在立方體的中心還有一個(gè)原子；原子序數(shù)：晶格常數(shù)：a=b=c；=90；原子半徑：立方體對(duì)角線方向的原子彼此緊密排列；R=密度：用于描述晶胞中原子排列的緊密度；是單位晶胞中所含原子的體積與單位晶胞的

5、體積之比，用k表示。密度：k=nv1/V n:單位晶胞中實(shí)際所含原子的數(shù)量；V1:原子的體積(配位數(shù)：晶格中離任何原子最近且等距的原子數(shù)，表示為N。例如：bcc的N=8。含鋇銅的金屬包括鐵、鉻、鉬、鎢、釩等。2) fcc單元：如圖所示，在八個(gè)頂點(diǎn)的每一個(gè)上都有一個(gè)原子，在立方體的每個(gè)面的中心也有一個(gè)原子。原子數(shù)量：每個(gè)頂點(diǎn)上的原子同時(shí)屬于8個(gè)單元，而平面中心的原子被兩個(gè)相鄰的單元共享；原子數(shù)是晶格常數(shù)：a=b=c；=90原子半徑：原子在每個(gè)面的對(duì)角線上緊密接觸；R=密度和配位數(shù)：K=nv1/V0.74，N=12。如圖所示，fcc金屬有：鐵、鋁、銅、鎳、銀等。3)密排六方晶格(hcp)顯示為原子

6、分布：六方體的12個(gè)頂點(diǎn)各有一個(gè)原子，上下底面中心有一個(gè)原子，晶胞中有三個(gè)原子。原子序數(shù)：原子半徑：r=a/2密度和配位數(shù)：K=nv1/V0.74，N=12。晶格常數(shù)：底邊長(zhǎng)度A，兩底面之間的高度C，c/a在軸向比例上稱為含hcp的金屬：鈹、鎂、鋅等。5.晶體中的原子堆積模式：1)問題：為什么fcc和hcp具有不同的晶體結(jié)構(gòu)，但具有相同的配位數(shù)和密度？原因由晶體中原子的堆積方式?jīng)Q定。從圖110可以看出：圖a)顯示了原子在平面上最密集的排列，這是最密集的排列表面，對(duì)于hcp結(jié)構(gòu)，最密集的排列表面是其底面；對(duì)于面心立方結(jié)構(gòu)，最密集的平面是由對(duì)角線組成的平面；緊密堆積表面的原子中心被連接成六邊形網(wǎng)格

7、，該網(wǎng)格可以被分成六個(gè)等邊三角形，并且這六個(gè)等邊三角形的中心與原子的六個(gè)空隙的中心重合，如b)所示；這六個(gè)等邊三角形可以分成兩組，B組和C組，每組形成一個(gè)等邊三角形，如C)所示；從圖111可以看出，為了獲得最接近的排列，第二層(層)的每個(gè)原子應(yīng)該落在下一層(層)的b組(或c組)間隙上；第三層原子有兩種堆疊方式：第三層的每個(gè)原子中心對(duì)應(yīng)第一層(層)的原子中心，堆疊順序如下：hcp結(jié)構(gòu)，如圖112所示；第三層(層)的每個(gè)原子中心位于第二層原子和第一層原子的間隙中心，堆積順序如下：fcc結(jié)構(gòu)，如圖113所示。因此，fcc和hcp有不同的結(jié)構(gòu)和堆積方式，但顯然它們的致密性是完全相同的，所以它們的致密性

8、和配位數(shù)是相同的；2)bcc中原子的堆積模式：BCC中原子密集排列的平面是由兩條對(duì)角線連接立方體構(gòu)成的平面，如圖114所示，通常稱為亞密集平面；它被四個(gè)原子緊緊包裹著。bcc中原子的堆積方式如下：第二層中的原子應(yīng)落在第一層的空穴中心，第三層中的原子位于第二層的空穴中心并與第一層的原子中心重合。堆疊順序?yàn)椋喝?14所示；6.晶體中的間隙：無論晶體中的原子堆疊得多么緊密，也有間隙：bcc中有兩種間隙：八面體間隙和四面體間隙，它們是不對(duì)稱間隙；八邊形間隙：如圖115所示，它被6個(gè)原子包圍，是一個(gè)不對(duì)稱的八面體間隙；從四個(gè)角上的原子中心到間隙中心的距離是間隙半徑；從頂點(diǎn)原子到間隙中心減去原子半直徑的距

9、離是間隙中心位置：每個(gè)面的面中心和每個(gè)邊的邊中心；四面體間隙：如圖115所示，這個(gè)間隙被四個(gè)原子包圍，是一個(gè)不對(duì)稱的四面體間隙；原子中心到間隙中心的距離：間隙半徑：很明顯，四面體間隙大于八面體間隙；間隙位置：在每個(gè)平面中線的1/4和3/4處，每個(gè)平面上有四個(gè)間隙；面心立方有兩種間隙：八面體間隙和四面體間隙，它們是對(duì)稱間隙；八頭間隙：如圖116所示，每條邊的長(zhǎng)度相等；從每個(gè)原子的中心到間隙中心的距離相等，這就是規(guī)則的八面體間隙；間隙半徑：間隙中心位置：?jiǎn)卧行暮瓦吘壷行模凰拿骟w間隙：如圖116)特征：每條邊的長(zhǎng)度相等；從每個(gè)原子的中心到間隙中心的距離相等，這是一個(gè)正四面體間隙；間隙半徑：間隙中心

10、位置：每個(gè)物體對(duì)角線的1/4或3/4。顯然，八面體間隙大于四面體間隙；概要：7，晶體取向指數(shù)和晶體平面指數(shù)：晶體中由一系列原子組成的平面；晶體取向：任何兩個(gè)原子之間的連線所指向的方向1)晶體取向指數(shù)：一種用來表示晶體中原子排列和取向的符號(hào)，用uvw表示；確定步驟：設(shè)置坐標(biāo)軸：以晶胞的三條邊為坐標(biāo)軸x、y、z計(jì)算坐標(biāo)值：通過原點(diǎn)引出一條平行于待確定晶體方向的有向直線，以晶格常數(shù)為測(cè)量單位，計(jì)算該方向最近原子的坐標(biāo)值。整數(shù)約簡(jiǎn)：三個(gè)坐標(biāo)值被約簡(jiǎn)為最小的簡(jiǎn)單整數(shù)，放在方括號(hào)內(nèi)，一般用uvw表示。找到如圖所示的晶體取向指數(shù)。AB取向的取向指數(shù)為110。注：所有相互平行且方向相同的晶體取向具有相同的晶體

11、取向指數(shù)。當(dāng)晶體取向指數(shù)的某個(gè)坐標(biāo)在負(fù)方向時(shí)，坐標(biāo)值為負(fù)。例如，同一條線有兩個(gè)相反的晶向，其晶向指數(shù)的數(shù)目是相同的，但符號(hào)是相反的。例如，對(duì)于晶體取向族，具有相同原子排列但不同空間取向的所有晶體取向構(gòu)成晶體取向族，其由uvw表示。特征：在立方晶體中，取向指數(shù)的數(shù)目是相同的，但排列順序不同，所以它們具有相同的原子排列；例如，100包括6個(gè)晶體取向，它們是：110包括12個(gè)晶體取向，它們是：2)晶面指數(shù)：表示晶體中晶面的原子排列和取向的符號(hào)；確定步驟：設(shè)置坐標(biāo)軸：以晶胞的三條邊為坐標(biāo)軸，坐標(biāo)軸的原點(diǎn)應(yīng)在待確定的晶面之外。求截距：以晶格常數(shù)a、b和c為測(cè)量單位，求晶面在各軸上的截距。倒計(jì)時(shí)：倒計(jì)時(shí)每

12、個(gè)截距值。整數(shù)縮減：將前三個(gè)倒數(shù)數(shù)字縮減為最小的簡(jiǎn)單整數(shù)，并將它們放在括號(hào)中。通常表示為(hkl)，如果截距為負(fù)，則在相應(yīng)的指數(shù)上加上負(fù)號(hào)，如(kl)。注：如果晶面平行于坐標(biāo)軸，截距被認(rèn)為是0，其倒數(shù)是0；晶面指數(shù)不僅指晶格中的某個(gè)晶面，還指晶格中所有平行的晶面。當(dāng)兩個(gè)晶面的指數(shù)的數(shù)量和順序相同且完全不同時(shí)，兩個(gè)晶面相互平行，可以簡(jiǎn)化為相同的晶面指數(shù)；如：(100)和晶面族：在同一個(gè)晶格中，雖然有些晶面在空間位置上不同，但它們的原子排列是完全相同的，所以這些晶面被歸為同一晶面族，用hkl表示；特點(diǎn)：在立方晶系中，晶面的數(shù)目是相同的，但順序不同，所以這些數(shù)目是排列組合在一起的；例如，110晶面族

13、包括6個(gè)晶面：在立方晶體中，當(dāng)一個(gè)晶向uvw位于或平行于某一晶面(hkl)時(shí)，則Hukvlw=0；當(dāng)某一晶體方向垂直于某一晶面時(shí)，U=h，v=k，w=l。例如，111晶體取向垂直于(111)晶面。如圖8所示。晶體的各向異性：1)幾個(gè)基本概念：晶粒：固體金屬通常由許多稱為晶粒的晶體顆粒組成；單晶：由一個(gè)顆粒組成的晶體；多晶的：由許多顆粒組成的晶體；晶界：晶粒間的界面；2)晶體的各向異性：定義：晶體在各個(gè)方向具有不同性質(zhì)的現(xiàn)象是晶體和非晶晶體區(qū)別的重要標(biāo)志；原因：?jiǎn)尉У母飨虍愋允怯捎谠釉诓煌虻呐帕忻芏炔煌?，所以原子間的結(jié)合力不同，導(dǎo)致各向異性；在具有不同-Fe1.16/a和方向1/a，e的多

14、晶中，每個(gè)晶粒的取向是任意的，如圖所示，晶粒的各向異性被抵消，所以它在多晶中不顯示各向異性，這被稱為偽各向同性；9。金屬的同構(gòu)轉(zhuǎn)變(金屬的多態(tài)性):定義：某些金屬(鐵、錳、鈦、鈷等)的現(xiàn)象。當(dāng)外部條件(溫度、壓力)改變時(shí)，從一種晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)；例如，鐵的同分異構(gòu)轉(zhuǎn)變：有三種同分異構(gòu)的晶型，-鐵，-鐵，-鐵：912:-鐵(BCC)-鐵(FCC)；1394:-鐵(FCC)-鐵(bcc)；如圖所示，不同的晶體結(jié)構(gòu)具有不同的密度，因此當(dāng)發(fā)生多晶型轉(zhuǎn)變時(shí)，會(huì)伴隨著比容或體積的突然變化；第三節(jié)實(shí)際金屬晶體缺陷的晶體結(jié)構(gòu)：實(shí)際金屬中原子排列不完整的區(qū)域通常稱為晶體缺陷；根據(jù)幾何特征，晶體缺陷可分

15、為點(diǎn)缺陷、線缺陷和表面缺陷。1.點(diǎn)缺陷：特征：三個(gè)方向尺寸都很?。话ㄈN類型：空位、間隙原子和置換原子；如圖137，1.1空位：能量波動(dòng)：原子不斷熱振動(dòng)-空位：當(dāng)晶格中的一些原子由于某種原因(如熱振動(dòng)的偶然偏離)偏離初始平衡位置時(shí)，一個(gè)稱為空位的空節(jié)點(diǎn)出現(xiàn)在它的位置?？瘴辉尤ツ睦铮涸舆w移到晶體表面，這種空位稱為肖特基空位，如圖132所示；原子遷移到晶格的間隙中，這種空位稱為弗蘭克空位，如圖132所示)；原子遷移到其他空位，這可以改變空位的位置；空位的特征如下：(1)在一定溫度下，空位有一定的平衡濃度；例如，Cu1350k10-5，晶體中的空位位置不是固定的，而是在不斷的運(yùn)動(dòng)、消失和形成的

16、變化中；如圖133所示；1.2間隙原子：晶格間隙中的原子，稱為間隙原子；圖；同種原子的間隙原子：例如，弗蘭克空位產(chǎn)生的間隙原子；異質(zhì)原子的間隙原子：小半徑的雜質(zhì)原子或合金原子，如：等。對(duì)于異質(zhì)間隙原子，它們的平衡濃度稱為固體溶解度或溶解度；1.3取代原子：如果異質(zhì)原子占據(jù)了原始節(jié)點(diǎn)的平衡位置，則稱之為取代原子；平衡濃度也稱為溶解度或固體溶解度，但它通常比間隙原子的固體溶解度大得多；1.4缺陷造成的后果：導(dǎo)致晶格畸變和性質(zhì)改變；強(qiáng)度和電阻晶格畸變：空位和間隙原子的存在使周圍原子偏離平衡位置，有幾個(gè)或幾個(gè)原子間距范圍的彈性畸變區(qū)，稱為晶格畸變；圖；2.線缺陷：它們是各種各樣的位錯(cuò)；特點(diǎn)：兩個(gè)方向尺

17、寸較小，另一個(gè)方向相對(duì)較大；位錯(cuò)：晶體中某處有一列或幾列原子的規(guī)則位錯(cuò)，這使得長(zhǎng)度在幾百至數(shù)萬原子距離范圍內(nèi)、寬度在幾個(gè)原子距離范圍內(nèi)的原子離開它們的平衡位置，引起規(guī)則位錯(cuò)。簡(jiǎn)單地說，晶體的滑動(dòng)部分和非滑動(dòng)部分之間的分界線叫做位錯(cuò)。最基本的類型是“邊緣錯(cuò)位”和“螺釘錯(cuò)位”。1)邊緣位錯(cuò)：模型：如圖所示，有一個(gè)簡(jiǎn)單的立方晶體，晶體內(nèi)部有一個(gè)原子面被打斷。這個(gè)原子平面的中斷部分是邊緣位錯(cuò)；這就像用刀子切割晶體的上部，沿著切割的硬邊插入一個(gè)額外的半原子表面，把切割邊緣的原子柱稱為邊緣位錯(cuò)線；邊緣位錯(cuò)：額外的半原子表面位于晶體的上部，表示為：如圖所示，負(fù)邊緣位錯(cuò)：額外的半原子表面位于晶體的下半部分，用t表示；隊(duì)形：如圖所示；局部區(qū)域晶體滑移引起的位錯(cuò)；如圖所示；由于滑移，滑移區(qū)和非滑移區(qū)之間的邊界出現(xiàn)在晶體中，原子的規(guī)則性在邊界附近被破壞，這是一種邊緣位錯(cuò)；位錯(cuò)：晶體中滑移區(qū)和非滑移區(qū)之間的邊界；特征：有一個(gè)額外的半原子表面，如圖所示，位錯(cuò)線是一個(gè)有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)晶格畸變管(位錯(cuò)也有一個(gè)寬度，大約35個(gè)原子間距)。位錯(cuò)線周圍的晶格畸變區(qū)存在彈性應(yīng)力場(chǎng)。既有剪切應(yīng)