1章金属的晶体结构nppt课件

1、1第一章 金属的晶体结构21 金属n什么是金属？nP1：传统:良好导电、导热性、延展性、金属光泽n 严格的定义:正的电阻温度系数n为什么金属具有以上的特性？n 从原子的结构及结合方式入手3一、金属原子的结构特点一、金属原子的结构特点1正电性元素金属）： 外层电子数1-2个，易脱离原子核2负电性元素非金属） ： 外层电子数4-7个，易获得电子3过渡族金属：铁、钴、镍、锰、钛、钒、铬熔点高、强度高） ： 次外层未填满，外层电子易丢失，次外层易丢失1-2个电子，化合价可变。 原子彼此相互结合时，结合力强，则熔点高、强度高。4二、金属键1离子键: 正离子和负离子如NaCl2共价键: 得失电子的机会均等

2、，如金刚石中的碳原子3金属键：价电子共有，形成电子云没有方向性和饱和性如P2图1-1下） 5三、结合力与结合能n双原子模型：图1-2n排斥力短程力与吸引力长程力）n平衡间距：排斥力=吸引力时的距离d062 金属的晶体结构1含义：晶体是由许多质点包括原子、离子或分子在三维空间作有规则的周期性重复排列而构成的固体，非晶体则不呈这种周期性的规则排列。一、晶体的特性72晶体与非晶体的区别：a.根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列。b.晶体熔化时具有明显、固定的熔点，伴有体积与性能的突变;而非晶体无明显熔点,只存在一个软化温度范围。 c. 晶体具有各向异性,非晶体呈各向同性。8二、晶体结

3、构和空间点阵晶体结构 指晶体中质点原子、分子 等排列的具体方式属于同一种空间点阵的几种晶体结构形式9阵点 将构成晶体的实际质点原子、离子、分子抽象成纯粹的几何点称为阵点3空间点阵简称为点阵） 阵点在空间呈周期性规则排列，并具有等同的周围环境的模型。4晶格空间格子）作许多平行的直线把阵点连接起来，构成一个三维的几何格架称为晶格。10晶胞 在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的小平行六面体。 整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。11 晶格常数点阵常数）： 晶胞三条棱边的长度a、b、c轴间夹角： 晶轴之间的夹角、晶胞参数： a、b、c及、d. 基矢： a 、 b 、 c 任 一 阵 点 的

4、位 置 ，ruvw=Ua+Vb+Wc U、V、W：阵点坐标12 6. 七大晶系和十四种空间点阵P6表1-1） 根据晶胞的外形，即棱边长度之间的关系和晶轴夹角的情况,将晶体分为七大晶系。137. 晶向与晶面晶向：晶体中的某些方向，涉及到晶体中原子的位置，原子列方向，表示的是一组相互平行、方向一致的直线的指向。晶面：晶体中原子所构成的平面。14三、三种典型的金属晶体结构（一体心立方（一体心立方15（二面心立方16（三密排六方17结构类型结构类型晶胞原晶胞原子数子数晶格晶格常数常数原子半原子半径径配位配位数数致密度致密度体心立方体心立方 2 a3a/4 8 0.68面心立方面心立方 4 a2a/4

5、12 0.74密排六方密排六方 6 a，c a/2 12 0.74 金属中常见的三种晶体结构特征小结金属中常见的三种晶体结构特征小结（1 Fe Fe 时发生体积膨胀时发生体积膨胀 淬火时的开裂现象淬火时的开裂现象（2金属中存在间隙金属中存在间隙18（四） 晶体结构中的原子堆垛方式 1密排六方： 密排面为0001） ABABAB192) 面心立方：密排面为111 ABCABCABC2021（五） 晶体结构中的间隙221) 体心立方：a. 八面体间隙：位于立方体每个面中心和每根棱中间，数目为6。 rB / rA = 0.15 rB / rA = 0.633 b. 四面体间隙：位于两个体心原子和两个

6、顶角原子所组成的四面体中心，数目为12。 rB / rA = 0.29232)面心立方a.八面体间隙：位置是立方体的正中心和每一个棱边中心，其数目 棱边长度 设原子半径为rA，间隙中能容纳的最大圆球子半径rB，则rB / rA = 0.414b.四面体间隙：位于由一个顶角原子和三个面中心原子连接成的正四面体中心，数目为8 rB / rA =0.225441121aaa222222243) 密排六方： 与面心立方结构相比，这两种结构的八面体和四面体的形状完全相似，但位置不同a. 八面体间隙 rB / rA = 0.414b. 四面体间隙 rB /rA = 0.22525三种典型晶体中的间隙总结三

7、种典型晶体中的间隙总结体心面心密排（与面心r相同时） 八面体四面体八面体四面体八面体四面体间隙半径0.067a0.126a0.146a0.06a0.146a0.06arB/rA0.154,0.6330.2910.4140.2250.4140.225间隙位置面心，棱边中点面中心线1/4与3/4处体心，棱边中点体对角线1/4与3/4处间隙数目6*1/2+12*1/466*4*1/2=121+12*1/4=44*2=826四、晶面指数与晶向指数国际上通用的是用密勒指数表示晶面及晶向。27（一晶向指数 1.晶向指数的确定步骤 a.以晶胞为基础建立三维坐标体系：以某一阵点为原点O,以三个基矢为坐标轴,以

8、晶胞边长作为坐标轴的长度单位。b.作直线OP平行与待标志的晶向或待标定晶向的直线通过坐标原点。c.确定通过原点直线上任一点的坐标值。d.将坐标值化为最小整数并加上方括号UVW28OxyzabcABBA OCCnA点坐标点坐标1,0,0）nB点坐标点坐标1,1,0） nB坐标坐标1,1,1）OA、 OB、 OB晶向晶向B(1,1,0) 110 OB： B(1,1,1) 111OB： O(0,0,1) 001OO： OC： C(0,1,0) 010A(1,0,0) 100 OA：29方法二、用晶向箭头的坐标减箭尾坐标方法二、用晶向箭头的坐标减箭尾坐标OxyzABBA OCC求：求： ACC (0,

9、1,0) ,A (1,0,1) -1,1,-1 11130312.晶向族 5 晶体结构中那些原子密度相同、而空间位向不同的等同晶向称为晶向轴，用表示。适用于立方晶系 立方晶系中： ：100 010 001 ：111 00101010011111111111111111111132（二晶面指数 1步骤： 建立坐标系； 确定晶面在各坐标轴上的截距； 取截距的倒数，并通分，化为最小的简单整数hkl）。注意：晶面不能通过原点注意：晶面不能通过原点33OxyzABBA OCC OAC晶面晶面:（111） AABB晶面晶面: （ 100） 求求OOAA的晶面指数的晶面指数求求CCBB即可即可截距分别为：截

10、距分别为： ，1， 倒数后得晶面指数：倒数后得晶面指数： （0 1 0）342晶面族： 晶体中具有等同条件这些晶面的原子排列情况和面间距完全相同），而只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族，用 hkl 表示。适用于立方晶系 立方晶系中的立方晶系中的 100晶面族：晶面族： (100)，(010)，(001) ，(100)，(010)，(001) 以上六面两两平行，实质只有三个面以上六面两两平行，实质只有三个面立方晶系中的立方晶系中的 111晶面族晶面族: (111), (111), (111), (111) (111), (111), (111), (111) 以上八面两两平行，故实质只有四个面

11、以上八面两两平行，故实质只有四个面3536 在立方结构的晶体中：晶向平行于晶面时，hu+kv+lw=0晶向垂直于晶面时，h=u，k=v，l = w37（三晶带n所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面的组合构成一个晶带，此直线称为晶带轴。n设晶带轴的指数为UVW，则晶带中任何一个晶面的指数hkl都必须满足：hu+kv+lw=0，满足此关系的晶面都属于以UVW为晶带轴的晶带OxyzABBA OCC晶带轴晶带轴101(010)晶晶 面面(101)晶晶 面面(111)晶晶 面面3839（四六方晶系的晶面指数与晶向指数 1晶面指数： 若按照以前的方法确定晶面指数，可取a1、a2、C为晶轴，a1、a2

12、之间夹角为120，Ca1，a2 b 晶面，晶面指数为100） C 晶面 ( ) 01140从晶面指数上不能明确表示等同晶面，为了克服这一缺点，采用a1、a2、a3及C四个晶轴，a1、a2、a3之间的夹角均为120，晶面指数以hkil表示。上述六个柱面的指数可确定为：截距 指数1， -1， （ ） ，1， -1 ， （ ）-1 ， 1 ， （ ）-1 ， 1， （ ） -1 1 （ ）1 -1 ( )这六个晶面可归并为 1100 晶面族。根据立体几何，在三维空间中独立的坐标轴不会超过三个，可证明i=-(h+k) 或 h+k+i=0011001011001010110101001412晶向指数设晶

13、向指数在三轴坐标系UVW，四轴坐标系中为uvtw在平面上表示一个点只用两个坐标，则u+v+t=0，所以 t=-(u+v)(1) 且 a1+a2+a3=0 （2）任一晶向中为OR=ua1+va2+ta3+wC3）将2式代入： OR=ua1+va2-t(a1+a2)+wC =(u-t)a1+(v-t)a2+wC （4） 若用三轴坐标，那么 OR=Ua1+Va2+WC （5）比较4）（5） （6） 将1式代入6式，得： （7) wWtvVtuUWwVUtUVuVUu31313132313242（五晶面间距：定义：两近邻平行晶面间的垂直距离，用dhkl表示正交晶系立方晶系六方晶系注：以上公式是针对简单

14、晶胞而言的，如为复杂晶胞，例如体心、面心，在计算时应考虑晶面层数增加的影响，如体心立方、面心立方、上下底001之间还有一层同类型晶面，实际 。2221clbkahdhkl222lkhadhkl2222341clakhkhdhkl)001(21dd 43一般是晶面指数数值越小，其面间距较大，并且其阵点密度较大，而晶面指数数值较大的则相反。44五、晶体的各向异性五、晶体的各向异性 1. 晶面与晶向原子密度 晶向原子密度: 单位长度上的原子数。 晶面原子密度: 单位面积上的原子数。45 体心立方晶格中各主要晶面原子密度 0.58/a21/6 x 3 =1/23/2a2(111)(110) 1.4/a

15、21/4 x4+1 =22a2(110) 1/a21/4 x 4=1 a2(100)最密最密排面排面晶面原晶面原子密度子密度 原子数原子数 面面积积 形式形式晶面晶面a a a 2a 2a 46 体心立方晶格中各主要晶向原子密度体心立方晶格中各主要晶向原子密度111 1.16/a 1/2x2+1=2 3a 111 0.7/a 1/2 x 2=1 2a 1101/a 1/2 x 2=1 a 100最密排最密排方向方向晶向原晶向原子密度子密度 原子数原子数长度长度形式形式 晶向晶向试计算面心立方晶格中各主要晶向、试计算面心立方晶格中各主要晶向、晶面的原子密度，指出最密排晶面、晶向？晶面的原子密度，

16、指出最密排晶面、晶向？472 晶体的各向异性晶体的各向异性 不同晶面和晶向上原子密度不同，不同晶面和晶向上原子密度不同， 原子间距离不同，结合力不同。原子间距离不同，结合力不同。 不同方向上的性能有所差异不同方向上的性能有所差异 称为各向异性。称为各向异性。 -Fe -Fe单晶体，单晶体， 111 111 的弹性模量的弹性模量E=2.9E=2.9105MN/m2105MN/m2 100 100 的的E=1.35E=1.35105MN/m2105MN/m2。483 多晶体的伪无向性伪同向性）多晶体的伪无向性伪同向性） 实际金属材料一般不具有各向异性，例：实际金属材料一般不具有各向异性，例： Fe

17、不同方向上不同方向上E均为均为2.1105MN/m2左右。左右。 原因：实质为单晶体才具有各向异性原因：实质为单晶体才具有各向异性 单晶体：晶格位向单晶体：晶格位向(或方向或方向)一致的晶体。一致的晶体。 晶格位向一致是指晶体中原子按一定几晶格位向一致是指晶体中原子按一定几何形状作周期性排列的规律没有破坏。何形状作周期性排列的规律没有破坏。质点按同一取向排列。由一个核心称质点按同一取向排列。由一个核心称为晶核生长而成的晶体为晶核生长而成的晶体49n多晶体 通常由许多不同位向的小晶体(晶粒所组成。n 晶粒与晶粒之间的界面称为晶界n 伪等向性：多晶体材料一般显示出各向同性50六、同素异晶性多型性）

18、当 外 界 条 件温度、压力改变时，元素的晶体结构可以发生转变，这种性能称作同素异晶性，或称多型性，这种转变则称为同素异晶转变或多型性转变，转变的产物叫同素异晶体。513 实际金属的晶体结构 晶体缺陷：原子偏离规则排列晶体缺陷：原子偏离规则排列晶体缺陷的分类：晶体缺陷的分类： 点缺陷：空位，置换点缺陷：空位，置换/ /间隙原子间隙原子 线缺陷：刃型线缺陷：刃型/ /螺型位错螺型位错 面缺陷：外表面，内界面晶界，面缺陷：外表面，内界面晶界，亚晶界，孪晶界，堆垛层错，相界）亚晶界，孪晶界，堆垛层错，相界）52一、一、 空位空位 空位和间隙原子经常是同时出现和同时存在的两类点缺陷 53 一定温度下，

19、原子热振动能量一定，呈统计分布，某一瞬间一些能量大的原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处，形成空位。 空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形成需能量，空位形成能EV为形成一个空位所需能量。54551 1空位的热力学分析空位的热力学分析 线、面缺陷为热力学不稳定的缺陷，而点线、面缺陷为热力学不稳定的缺陷，而点缺陷是热力学稳定的缺陷。缺陷是热力学稳定的缺陷。 一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空一定温度下，晶体中有一定平衡数量的空位和间隙原子，其数量可近似算出位和间隙原子，其数量可近似算出561 1晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度晶体中空位在热力学上是稳定的，一定温度T T对对应一平

20、衡浓度应一平衡浓度C C2 2温度升高，空位浓度增大温度升高，空位浓度增大3 3空位形成能大，空位浓度小空位形成能大，空位浓度小T100K300K 500K700K900K 1000K n/N 10-57 10-19 10-11 10-8.1 10-6.3 10-5.7572过饱和空位过饱和空位下述几种条件下，产生过饱和空位。1） 高温淬火把 空位保留到室温； 2塑性变形3高能粒子辐射；4形成金属间化合物 空位在晶体中的分布是一个动态平衡，其不断地与周围原子交换位置，使空位移动所必需的能量，叫空位移动能Em。 下图所示为空位移动583空位的迁移空位的迁移 空位移动所造成的原子迁移，即金属晶体中

21、的自扩散。自扩散激活能相当于空位形成能与移动能的总和。594空位对金属性能的影响空位对金属性能的影响 1对电阻的影响 空位引起点阵畸变，使传导电子受到散射，产生附加电阻2对力学性能的影响3对高温蠕变的影响60二、二、 位错的基本类型及特征位错的基本类型及特征 位错理论及其发展 刃型位错 螺型位错 混合位错1刃型位错 刃位错结构示意图6162 位错线：晶体中已滑移区与未滑移区的边界 正/负刃型位错：额外半原子面位于晶体的上/下半部 弹性畸变：压/拉/切应力基本点如下：位错宽度，25个原子间距位错是一管道额外多余半原子面滑移矢量滑移面刃位错不一定是直线右图为纯刃型位错环 63刃型位错特征： 1刃型

22、位错有一额外半原子面 2位错线不一定是直线，可以是折线或曲线，但刃型位错线必与滑移矢量垂直，且滑移面是位错线和滑移矢量所构成的唯一平面。 3位错是一管道，周围的点阵发生弹性畸变，既有正应变，又有切应变642. 螺型位错螺型位错 65特征： 1螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称 2螺型位错与滑移矢量平行，故一定是直线，但位错线的移动方向与晶块滑移方向互相垂直 3包含螺位错的面必然包含滑移矢量，故螺位错可以有无穷个滑移面，但实际上滑移通常是在原子密排面上进行，故有限 4螺位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变，无正应变在垂直于位错线的平面投影上，看不出缺陷）66 位错线上

23、任一点的滑移矢量位错线上任一点的滑移矢量相同，但两者方向夹角呈任意相同，但两者方向夹角呈任意角度角度图为混合位错的产生图为混合位错的产生3混合位错混合位错674. 柏氏矢量柏氏矢量 b 柏氏矢量是1939年Burgers提出的用于描述位错性质的一个重要物理量 1柏氏矢量的确定 （1人为假定位错线方向，一般是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向 （2用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向，使位错线的正向与右螺旋的正向一致 （3将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较 （4在实际晶体中作一柏氏回路，在完整晶体中按其相同的路线和步伐作回路，自路线终点向起点的矢量，即“柏氏矢量”。68692 2柏氏

24、矢量柏氏矢量b b的物理意义的物理意义（1 1） 表征位错线的性质表征位错线的性质 根据根据b b与位错线的取向关系可确定位与位错线的取向关系可确定位错线性质错线性质 （2 2b b表征了总畸变的积累表征了总畸变的积累 围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大围绕一根位错线的柏氏回路任意扩大或移动，回路中包含的点阵畸变量的总累或移动，回路中包含的点阵畸变量的总累和不变，因而由这种畸变总量所确定的柏和不变，因而由这种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变。氏矢量也不改变。（3 3b b表征了位错强度表征了位错强度 同一晶体中同一晶体中b b大的位错，点阵畸变严重，大的位错，点阵畸变严重，能量高且不稳定。能量高

25、且不稳定。 位错的许多性质，如位错的能量，应位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与力场，位错受力等，都与b b有关。有关。 703特征 （1柏氏矢量与回路起点选择无关，也与柏氏回路的具体路径，大小无关 （2几根位错相遇于一点，其方向朝着节点的各位错线的柏氏矢量 b之和等于离开节点之和。如有几根位错线的方向均指向或离开节点，则这些位错线的柏氏矢量之和值为零321bbb 04321bbbb 71 位错的存在，在其周围的点阵发生不同程度的畸变。中心部分畸变程度最为严重，为位错中心区，这部分超出了弹性应变范围，中心区以外为弹性畸变区。 5. 位错的应力场位错的弹性行为位错的应力场位错的

26、弹性行为)72 6. 晶体中的位错密度晶体中的位错密度1位错网络 73742位错密度： 单位体积中包含的位错线的总长度，或者是穿过单位截面积的位错线数目 退火状态金属的位错密度为106108/cm2。 冷加工状态金属的位错密度为10101012/cm2。75三、界面三、界面 二维缺陷 界面、晶体表面 界面：晶界、亚晶界、孪晶界层错界、相界、 胞壁76一晶体表面一晶体表面 1表面的结构 表面原子一侧没有固体原子与之键合，而与周围气相或液相接触，有较高能量。几个原子层厚，构造、性能与晶体内部不相同。2表面能 晶体表面原子与周围原子键合数减少，多余的未结合的键使内能增加 表面能VJ/m2）=dw/dA，即为增加单位表面积所作的功。 影响表面能的因素： 1外部介质。外部与内部对界面原子的作用力相差悬殊，则表面能大。 2裸露晶面的原子密度。密排面作表面，晶体表面能最低。故晶体表面易于为密排面。 3晶体表面的曲率。曲率越大，表面能越大。 4晶体的性质。晶体本身结合能高，则表面能越大。77 3 实际晶体表面 实际晶体外表面台阶化 78 4表面吸附 表面原子结合键不饱和 通过吸附可达到平衡状态，吸附层几个原子层厚 正吸附：吸附原子浓度高于其在晶内浓度， 反之负吸附 驱动力：表面自由能的降低 79二晶界、亚晶界二晶界、亚晶界