0802第一章材料的结构与性能(一)金属学及热处理

1、1.1 金属材料的结构与组织l纯金属的晶体结构（三种常见的金属晶体结构、金属晶体中的晶面和晶向、金属晶体的特性、实际金属中的晶体缺陷）l合金的晶体结构l金属材料的组织1.2 金属材料的性能l金属材料的工艺性能l金属材料的机械性能l金属材料的理化性能 众所周知，材料的化学成分不同，其性能是不同。但是对于同一种成分的金属材料，通过不同的加工处理工艺，改变材料内部的组成结构，也可以使其性能发生极大的变化。也就是说，除化学成分外，金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素，这促使人们致力于金属及合金内部结构的研究，以寻求改善金属材料的性能，进而发现新的用途的各种材料。一、金属1、金属的定义

2、l传统定义：金属是具有良好的导电性、导热性、延展性（塑性）和金属光泽的物质。-不确切！l传统定义的否定依据：金属锑(Sb)并不具有良好的延展性，金属铈(Ce)和镨(Pr)的导电性还不如某些非金属元素（如石墨）。l严格定义：金属是具有正的电阻温度系数的物质。2、金属的特性l良好的导电和导热性l正的电阻温度系数，绝大多数金属具有超导性能l良好的反射能力，不透明性及金属光泽l良好的塑性变形能力3、金属元素分类l简单金属元素l过渡族金属元素二、晶体结构的定性描述1、晶体及其特征 金刚石晶体金刚石晶体雪花晶体雪花晶体l晶体(Crystal)：内部质点(原子、分子或离子)在三维空间有规则的周期性重复排列的

3、固体。即不论沿晶体的哪个方向看去，总是相隔一定的距离就出现相同原子或原子集团。这个距离也称为周期。沿不同的方向有不同的周期。晶体晶体晶格晶格晶胞晶胞晶体、晶格和晶胞示意图l晶体的特征：自限性:晶体具有自发地形成封闭的凸几何多面体外形能力的性质,又称为自范性。均一性:指晶体在任一部位上都具有相同性质的特征。各向异性:在晶体的不同方向上具有不同的性质。对称性:指晶体的物理化学性质能够在不同方向或位置上有规律地出现,也称周期性。2、晶体结构与空间点阵l晶体结构(Crystal Structure)：晶体中质点（原子、离子或分子）规则排列的方式。l空间点阵(Space Lattice)：晶体中原子或原

4、子集团排列的周期性规律，可以用一些在空间有规律分布的几何点来表示。并且，令沿任一方向上相邻点之间的距离就等于晶体沿该方向的周期。这样的几何点的集合就构成空间点阵（简称点阵）。 -结点l结点：几何点的平衡中心位置，是构成空间点阵的基本要素。 点阵只是表示原子或原子集团分布规律的一种几何抽象。每个结点就不一定代表一个原子，可能在每个结点处恰好有一个原子，也可能围绕每个结点有一群原子（原子集团）。但是，每个结点周围的环境（包括原子的种类和分布）必须相同，也就是说，点阵的结点都是等同点。l晶格(Lattice)：把晶体中质点的中心用直线连起来构成的空间格架。l晶胞(Unit Cell)：能够反应晶格特

5、征的最小组成单元，它在三维空间的重复排列构成晶格，其基本特性反应晶体结构特点。l晶体的周期性：整个晶体可看作由结点沿三个不同的方向按一定间距重复出现所形成的，结点间的距离称为该方向上晶体的周期。同一晶体不同方向的周期不一定相同。3、晶胞与晶胞参数l晶胞：能够反应晶格特征的最小组成单元l晶胞参数：晶格常数(点阵常数) 晶胞棱边长度 a、b、c 轴间夹角：、 以上所规定的晶格常数就可唯一确定一个晶胞l晶胞选取原则：单元应能充分表示出晶体的对称性；单元的三条相交棱边应尽量相等，或相等的数目尽可能地多；单元的三棱边的夹角要尽可能地构成直角；单元的体积应尽可能地小。 晶体晶体 材料中的原子（离子、分子）

6、在三维空间呈规则，周期性排列。材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。非晶体非晶体 ： 蜂蜡、玻璃蜂蜡、玻璃 等。等。晶体晶体金刚石、金刚石、NaClNaCl、冰冰 等。等。 非晶体非晶体 原子无规则堆积，也称为原子无规则堆积，也称为 “ “过冷液体过冷液体” ” 。液体液体原子（离子）的刚球模型原子（离子）的刚球模型原子中心位置原子中心位置晶胞晶胞XYZabc晶格常数晶格常数a，b，c l晶胞的大小和形状： 晶胞的大小显然取决于三条棱的长度a，b和c；而晶胞的形状则取决于这些棱之间的夹角，和。l不同晶胞的差别：不同晶体的晶胞，其大小和形状可能不同。 围绕每个结点的原子种类、数

7、量及分布可能不同。4、晶系及点阵类型 晶格特征参数确定之后，晶胞和由它表示的晶格也随之确定，方法是将该晶胞沿三维方向平行堆积即构成晶格。 空间点阵中所有阵点的周围环境都是相同的，或者说，所有阵点都具有等同的晶体学位置。布拉菲（Bravais）依据晶格特征参数之间关系的不同，把所有晶体的空间点阵划归为7类，即7个晶系。 由上述7种晶系可以形成多少种空间点阵呢？ 1848年，布拉菲用数学分析的方法证明晶体中的空间点阵只能有14种。基本出发点：点阵的结点必须是等同点。由于晶胞的6 个外表面的中心（面心）、晶胞体的中心（体心）都是等同点，故乍看起来，似乎每种晶系包括 4 种点阵，即简单点阵、底心点阵、

8、面心点阵和体心点阵。这样看来，7 种晶系总共似乎可以形成 47=28 种点阵。然而，如果将这28种点阵逐一画出，就会发现，从对称性的角度看，其中有些点阵是完全相同的。真正不同的点阵只有 14 种。称为- 布拉菲 点阵（Bravais lattice ）l上述分类的准确说法是：“在反映对称性的前提下,仅有 14 种空间点阵。”第一、不少于 14 种点阵。就是说，对于上述 14 种点阵中的任一种点阵，不可能再找到一种连接结点的方式，使它的晶胞成为另一种点阵的晶胞，而仍然反映其对称性。第二，不多于 14 种点阵。就是说，如果在某种晶胞的底心、面心或体心放置结点而形成一种“新”的点阵，那么这个“新”点

9、阵必然包含在 14 种点阵中，或者可以连成 14 种点阵中的某一种，且不改变对称性。 三、三种常见的金属晶体结构(刚球模型)体心立方晶胞（B.C.C.）( bcc、A2 )面心立方晶胞（F.C.C.）( fcc、A1 ) 密排六方晶胞（H.C.P.）( hcp、A3 ）三种常见的金属晶体结构(晶胞)体心立方晶胞（B.C.C.）( bcc )面心立方晶胞面心立方晶胞（F.C.C.F.C.C.）( fcc )( fcc )密排六方晶胞密排六方晶胞（H.C.P.H.C.P.）( hcp )( hcp )四、有关晶体结构的几个重要参数(基本概念) 不同的晶体结构，原子排列的紧密程度不同。人们定义了一些

10、参数来表征其结构特点。晶胞中的原子数 可以将晶胞中的格点（阵点）分为三种情况，一种是在晶胞内的格点，只为这个晶胞所独有；还有一种是位于晶胞面上的格点，为两个相邻晶胞所共有；再就是位于晶胞顶角处的格点，为几个晶胞所共有？ 例如：体心立方和面心立方为八个晶胞所共有；密排六方为六个晶胞所共有。 因此，每个晶胞所含格点数N 可用下式计算： 式中 分别为位于晶胞内部、胞面和角顶上的格点数，m为晶胞类型参数，对于立方晶系m=8，六方晶系m=6。 那么，每个晶胞中的原子数为每个格点上的原子数和晶胞所含格点数之积。 对于简单晶格，每个格点上是一个原子，则晶胞中原子数等于格点数。在比较复杂的结构中，特别是化合物

11、和陶瓷材料中，每个格点的原子数可能很多，从而形成非常复杂的晶胞。 原子半径与点阵参数间的关系（0310） 对于每个格点上只有一个原子的简单晶格，如果将位于格点的原子看成是半经为 r 的钢球，可以计算出原子半经 r 和晶胞点阵常数间之间的对应关系。首先必须先确定晶胞内原子间相切的方向，即原子密排方向，因此可以算出点阵常数 a 与 r 之间的关系。 配位数和致密度 不同的晶体结构，原子排列的紧密程度不同。为了定量地表示原子排列的紧密程度，通常采用配位数和致密度这两个参数来描述。 对于简单晶格： 配位数：为晶格中任一原子周围最近邻且等距离的原子数； 致密度：为原子体积占总体积的百分数。 一般以一个晶

12、胞来计算，致密度就是晶胞中原子体积与晶胞体积之比。间隙 由致密度的概念可推测，晶体中是存在间隙的。无论是哪种类型的晶体结构，间隙类型只有二种，其一是由六个原子所组成的八面体间隙；其二是由四个原子所组成的四面体间隙。 规定以间隙中所能容纳的最大圆球半径来表征间隙的大小，称为间隙半径。三种结构中所含有的间隙数目和间隙大小是不同的。另外间隙半径的大小还与组成晶体的原子半径有关。 下面结合具体晶胞，进一步讨论以上的几个重要参量。1、体心立方晶格（bcc、B.C.C.、A2） （Body-Centered Cubic Lattice) 常见的具有体心立方晶格的金属:钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、- 铁

13、(- Fe， rEaaarFBCC126. 04345aFBCCraaar291. 0)43()4345(aaarEBCC067. 0432aEBCCraaar155. 0)43()432(2、面心立方晶格（Face-Centered Cubic Lattice, F.C.C.) 常见的具有面心立方晶格的金属有：铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、- 铁(- Fe 9121394 )等(a)刚球模型 (b)晶胞 (c)晶胞原子晶格常数：晶格常数：a=b=ca=b=c； = = = = =90=90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径：原子半径：致密度：致密度：0.740.

14、74XYZabc密排方向密排方向4 4 fcc 晶胞特征：l晶胞参数：l晶胞原子数：l原子半径：l配位数：l致密度：42araFCC%7474. 03444331arVVKFCCabc，90onFCC4 (1/26 1/88 4)NFCC12fcc晶胞晶体间隙四面体间隙8个八面体间隙4个l四面体间隙：正四面体间隙（rF）orl八面体间隙：正八面体间隙（rE）or可见： rF rEaaarFFCC06. 04243aFFCCraaar225. 0)42()4243(aaarEFCC146. 0422aEFCCraaar414. 0)42()422(3、密排六方晶格（Hexagonal Close

15、-Packed Lattice, hcp, H.C.P.） 常见的具有密排六方晶格的金属： 镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be) 、C（石墨）等 (a)刚球模型 (b)晶胞 (c)晶胞原子晶格常数晶格常数底面边长底面边长a a底面间距底面间距c c侧面间角侧面间角120120 侧面与底面夹角侧面与底面夹角9090 晶胞原子数：晶胞原子数：6 6原子半径：原子半径：a/2致密度：致密度：0. 740. 74lhcp晶胞特征：晶胞参数：ab c，90o ,120o 晶胞原子数：nHCP6 (3 1/22 1/612 6)原子半径：配位数：NHCP12致密度 ( 当 时 )2araHCP%

16、7474. 0)436(3466231carVVKHCP633. 138achcp晶胞晶体间隙八面体间隙6个四面体间隙12个22a46al四面体间隙： 正四面体间隙（rF）orl八面体间隙： 正八面体间隙（rE）or 可见： rF rEaaarFHCP112. 0246aFHCPraaar225. 0)2()246(aaarEHCP207. 0222aEHCPraaar414. 0)2()222(l晶体结构中的间隙有何意义？ 以后我们将知道，间隙特征对金属的性能、形成合金后的相结构、固态扩散等方面均有很大的影响。 例如： -Fe中能溶入碳、氮原子形成间隙固溶体。 -Fe为面心立方结构(fcc)

17、，Fe原子半径为0.127nm。 四面体间隙的球半径为0.028nm； 八面体间隙的球半径为0.052nm。 由于碳原子半径为0.077nm，氮原子半径为0.070nm，虽稍大于-Fe的八面体间隙的球半径0.052nm ，但只要将铁原子稍微挤开使间隙扩大一点，碳、氮原子即可进入八面体间隙中，因此，-Fe中能溶入碳、氮原子形成间隙固溶体。 三种典型晶体结构的间隙比较：lfcc 和 hcp 都是密排结构，原子排列的紧密程度较高，而 bcc 则次之。因此，碳、氮、氢、氧、硼等原子半径较小的元素（即间隙原子）在 bcc 金属中的扩散速率往往比在 fcc 和 hcp 金属中高得多。 fcc和 hcp 金

18、属中的八面体间隙大于四面体间隙，故这些金属中的间隙原子往往位于八面体间隙中。 l 在 bcc 晶体中，四面体间隙大于八面体间隙，因而间隙原子应占据四面体间隙位置。但另一方面，由于 bcc 的八面体间隙是不对称的，即使上述间隙原子占据八面体间隙位置，也只引起距间隙中心为 a/2 的两个原子显著地偏离平衡位置，其余4个原子(距间隙中心位置 的原子)则不会显著地偏离其平衡位置，因而总的点阵畸变不大。l 因此，在有些 bcc 金属中，间隙原子占据四面体间隙位置(如碳在钼中)，在另一些bcc晶体中，间隙原子占据八面体间隙位置(如碳在-铁中)。 22alfcc 和 hcp 中的八面体间隙远大于 bcc 中

19、的八面体或四面体间隙，因而间隙原子在 fcc 和 hcp 中的固溶度往往比在 bcc 中大得多。（2.11%和0.0218%）lfcc 和 hcp 晶体中的八面体间隙大小彼此相等，四面体间隙大小也相等，其原因在于这两种晶体的原子堆垛方式非常相像。 思考题：钢淬火时体积如何变化？为什么？ （提示：体积膨胀。原因：钢淬火时，A转变为M，A为F.C.C.结构，M为B.C.C.结构，而F.C.C.和B.C.C.的致密度分别为74%和68%。）-Fe中最多能容纳2.11%的C ，而-Fe中最多只能容纳0.0218%的C，为什么？ （提示：因为C常溶于八面体间隙中，-Fe和-Fe分别为F.C.C.晶格和B

20、.C.C.晶格，二者的八面体间隙分别为0.414rFe和0.15rFe ）XYZabc晶面晶面-通过原子中心的平面通过原子中心的平面晶向晶向 -通过原子中心的直线所指的方向通过原子中心的直线所指的方向XYZabc晶面(Crystal Plane)：通过原子中心的平面为晶面晶向(Crystal Direction)： 通过原子中心的直线所指的方向为晶向。（或任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向）晶面指数(Crystal-plane Indices)：表征晶面的参数晶向指数(Crystal-direction Indices):表征晶向的参数(一)立方晶系的晶向和晶面指数(密勒指数) 1 1、晶

21、向指数(Crystal-direction Indices) 空间坐标系立方晶胞中的主要晶向l晶向指数标定步骤（方法之一）1）在一个晶胞内，建立以晶轴 a，b，c 为坐标轴的坐标系，各轴上的坐标长度单位为点阵常数 a，b，c，（对于立方晶系即为a ）。 待定晶向穿过所建坐标系的坐标原点。2）选取该晶向上除坐标原点以外的任一点 P (x，y，z)，一般为一个结点。3）将 x，y，z 化成最小整数 u，v，w。 且 u：v：w = x：y：z 4）将 u，v，w 三数置于方括号内就得到晶向指数 u v w 。如果坐标为负，指数上方标上u v w 举例：1）设定一空间坐标系, 原点在欲定晶向的一结点

22、O上。2）写出该晶向上另一结点 A 的空间坐标值: 1 ,0, 03)将坐标值按比例化为最小整数：1 0 04）将化好的整数记在方括号内:1 0 0即得到晶向OA的晶向指数 1 0 0lOB、OC的晶向指数？110、111空间坐标系立方晶胞中的晶向晶向标定方法之二：在确定晶向指数时，坐标原点不一定非选取在晶向上不可。若原点不在待标晶向上，那就需要选取该晶向上两点的坐标P(x1, y1, z1)和 Q(x2, y2, z2)，然后将(x1-x2)，(y1- y2)，(z1- z2)三个数化成最小的简单整数 u，v，w, 并使之满足： u : v : w = (x1-x2) : (y1- y2)

23、: (z1- z2) 则 u v w 为该晶向的指数。l例：晶向DC？DEDC 101晶向标定方法之三：或者将待标晶向平移至通过原点，在平移后的晶向上重复前述标定过程(2)至(4)即可。l例：晶向DC 101DEl注意： u v w ，不是仅仅表示某一具体原子列的位向，而是表示一组原子排列相同的平行晶向。晶向u v w和u v w表示相互平行或为同一原子列，但方向相反。 例如：1 0 1和 1 0 1 l晶向族 (Family of Direction)：原子排列情况相同而在空间位向不同(即不平行)的晶向的统称。用三角括号表示： ，即数字相同排列次序不同的一组晶向统归一类晶向族。 例如： 1

24、0 00 1 00 0 1l？110101011110101011 110101011 110101011（包含相反的两个晶向）110101011110101011l？111111 111111l公式：公式： m-指数中零的个数指数中零的个数 n-相同指数的个数相同指数的个数n!224Nmuvw2 2、晶面指数(Crystal-plane Indices)l晶面指数的标定空间坐标系立方晶胞中的晶面l晶面指数标定步骤1）建立一组以晶轴a，b，c 为坐标轴的坐标系，令坐标原点不在待标晶面上，各轴上的坐标长度单位分别是晶胞的点阵常数 a，b，c 。（立方- a ）2）求出待标晶面在 a，b，c 轴上

25、的截距x，y，z；如该晶面与某轴平行，则截距为 。 3）取截距的倒数 1/x，1/y，1/z。4)将这些倒数化成最简整数比 h: k:l1/x:1/y:1/z。 5）将h，k，l 置于圆括号内，写成(h k l)。 则(h k l)就是待标晶面的晶面指数。举例：以晶面ABBA（红）为例进行晶面标定1）设定一空间坐标系, 原点在欲定晶面外, 并使晶面在三条坐标轴上有截距或无穷大。 2）以晶格常数a为长度单位, 写出欲定晶面在三条坐标轴上的截距：1 3）截距取倒数：1 0 0 4）截距的倒数化为最小整数：1 0 0 5）将三整数写在圆括号内：(1 0 0)即得到晶面ABBA的晶向指数为(1 0 0

26、)lACCA（黑）和ACD （天蓝）的晶面指数？ (110)、 (111)空间坐标系立方晶胞中的主要晶面l注意: 晶面指数(h k l)，表示一组原子排列相同的平行晶面 。(h k l)和(h k l)表示二者属于一组平行晶面。例如：(1 1 0)和 (1 1 0)l晶面族(Family of Plane)：原子排列情况相同而在空间位向不同(即不平行)的晶面的统称。 h k l 例如： 1 0 0 (1 0 0)(0 1 0)(0 0 1)1 1 0？ 1 1 1？1 1 0(110)(101)(011)(110) (101)(011)1 1 1(111)(111)(111)(111)1111

27、11晶面族3、晶面和晶向标定的说明u参考坐标系通常都是右手坐标系。坐标系可以平移（因而原点可置于任何位置）。但不能转动，否则，在不同坐标系下定出的指数就无法相互比较。u晶面指数和晶向指数可为正数，亦可为负数,但负号应写在数字上方, 如 (110) 110等。u若各指数同乘以不等于零的数n，则新晶面的位向与旧晶面的一样；而新晶向与旧晶向或是同向(当n 0)，或是反向(当 n 0 )。4、晶面和晶向的关系uu v w / (h k l) 时时 则：则：hukvlw0 例如：例如： 1 1 0 / (0 0 1) uu v w (h k l)时时 则：则：uh, vk, wl 例如：例如：100 (

28、100)， 110 (110） 111 (111)（二）（二）六方晶格的晶向和晶面指数u对于立方晶系，我们用三个指数表示晶面和晶向。这种三指数表示方法，原则上适用于任意晶系。对六方晶系，取 a，b，c 为晶轴，而 a 轴与 b 轴的夹角为120，c 轴与 a，b 轴相垂直。u用三指数表示六方晶系的晶面和晶向有一个很大的缺点：晶体学上等价的晶面和晶向不具有类似的指数。 u为了使晶体学上等价的晶面或晶向具有类似的指数，对六方晶体来说，就得放弃三指数表示，而采用四指数表示。六方晶格的常见晶向和晶面指数X1X2X3ZX1X2X3ABCDEFABCDEFABCDEF1、四指数晶向和晶面X1、 X2 、X

29、3 和Z轴构成四指数坐标，对应晶格常数a1、a2、a3和c，且a1a2a3 c晶向：u v t w，t（uv）晶面：( h k i l )，i= （hk）晶向、晶面的标定方法与三指数法相同。 晶向族 ，晶面族h k i l 2110 1210 1120（坐标轴） 1100(1100)(1010)(0110)（棱柱面）前三指数可改变次序和符号，第四指数可变符号但不可变位置。2、晶面和晶向的关系lu v t w 平行平行(h k i l)或在其内时或在其内时 则：则：hukvitlw0 例如：例如： 1120平行平行(0001) 或在其内或在其内lu v t w (h k i l)时时 则：则：u

30、h，vk，ti，wl 例如：例如：0001 (0001)（三）（三）密排面和密排方向u密排面：晶体中原子排列最紧密的晶面u密排方向：晶体中原子排列最紧密的晶向u bcc：密排面110，密排方向u fcc：密排面111，密排方向 以后我们将知道：密排面之间和密排方向之间的原子间距最大，原子之间的结合力最弱，因此，晶体发生滑移塑性变形时，滑移面为晶体的密排面，滑移方向为晶体的密排方向。三种典型晶体结构的特征 晶体类型原子密排面原子密排方向晶胞中原子数配位数CN致密度Kfcc111 4120.74bcc110 280.68 hcp0001 612 0.74 晶体类型 间隙类型 晶胞内间隙数rF /

31、rEfcc 四面体八面体80.2250.414 bcc 四面体八面体 1260.2900.150hcp四面体八面体1260.2250.414五、金属晶体的特性1、金属晶体具有确定的熔点 熔点：纯金属熔化的温度（T0）熔点熔点T0晶体晶体非晶体非晶体时间时间温温度度晶体和非晶体的熔化曲线晶体和非晶体的熔化曲线什么是各向异性什么是各向异性-不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象。XYZXYZ2、金属晶体的各向异性u各向异性(Anisotropy )：晶体中不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也就不同，因而金属晶体不同

32、方向上具有不同的性能。u各向同性(Isotropy )：非晶体在各个方向上的性能完全相同。 实例： l单晶体铁在磁场中沿方向磁化，比沿方向磁化容易。所以制造变压器用的硅钢片的方向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。硅钢片-织构 单晶体的各向异性金属最大弹性模量(MPa)晶向最小弹性模量(MPa)晶向Cu19000011166700100Al7550011162800100Ag11500011143200100-Fe284000111132000100Au112000111412001003、金属晶体的多型性问：金属的晶体结构，在固态下可否改变？答：金属在固态下，一般只有一种晶体结构， 如：A

33、l、Cu、Au、Ag、Mg 等。 但也有一些金属，在固态下具有两种或两种以上不同的晶体结构，当外界条件（温度、压力）改变时，晶体结构可以发生转变，金属晶体的这种性质称为晶体的多型性（或同素异构性），这种转变称为多型性转变（或同素异构转变）；转变的产物称为同素异构体。l例如- l例一：金属铁（Fe）的同素异构转变 温度小于912-铁具有体心立方结构-Fe（bcc）； 912-1394铁具有面心立方结构-Fe （fcc）； 1394-1538铁又重现体心立方结构-Fe（bcc)； 在高压下（150KPa)，铁还可具有密排六方结构(hcp) 。l例二：碳 石墨-六方结构；金刚石-金刚石结构l例三：金

34、属锡，Sn有两种晶体结构 温度低于18-具有金刚石结构，-Sn 称作“灰锡”； 温度高于18 -具有正方结构， -Sn称作“白锡” 。 具有多型性的其他金属还有：Mn、Co、Ti、V、Zr 等。 六、实际金属中的晶体缺陷 ( (Defects in crystals ) )（一）多晶体结构 如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致，称这块晶体为单晶体。以上的内容都是针对单晶体而言。 但在实际金属材料中，哪怕是一块很小的金属也是由数量很多的单晶体组成的多晶体结构。组成多晶体的各个小单晶体的外形一般为不规则的颗粒状，故通常称之为晶粒，晶粒与晶粒之间的界面叫作晶粒间界或简称为晶界。我们把这种实际上由多

35、晶粒组成的晶体结构称之为多晶体。 多晶体-是由许多取向不同，形状和大小甚至成分不同的单晶体（晶粒）通过晶界结合在一起的集合体。 实际金属晶体结构与理想结构的偏离实际金属晶体结构与理想结构的偏离单晶体：单晶体：内部晶格位向完全一致内部晶格位向完全一致 的晶体（理想晶体）。如单晶的晶体（理想晶体）。如单晶SiSi半导体。半导体。多晶体：多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。由许多位向不同的晶粒构成的晶体。晶粒（单晶体）晶粒（单晶体） 问：金属多晶体是各向异性还是各向同性？ 晶粒的大小肉眼是无法分辨的，只能通过显微镜才能看到，在显微镜下观察到的金属中的各种晶粒大小、形态和相的分布等称为显微组织。在

36、每个晶粒内部，实际上也不是那么理想，即每个晶粒内部的晶格位向在不同区域还有微小的偏差，一般在 1-2 分左右、最多达 1-2 度。 这些在晶格位向上有微小偏差的晶内小区域称之谓亚晶（或嵌镶块），而彼此的界面叫作亚晶界。 在讲晶体缺陷前，先对实际金属材料的内部构成有一个大体了解。（二）晶体缺陷 （0324）l前面章节都是就理想状态的完整晶体而言，即晶体中所有的原子都在各自的平衡位置，处于能量最低状态。然而在实际晶体中原子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在离开理想位置的区域，出现不完整性。通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷（crystal defect)。l晶体缺陷的产生与晶体的生

37、长条件、晶体中原子的热运动以及加工过程等因素有关。事实上，不仅金属多晶体中存在缺陷，单晶体中也照样存在，自然界中理想晶体几乎是不存在的。 l缺陷是一种局部原子排列的破坏。按照破坏区域的几何形状，缺陷可以分为四类：点缺陷(Point Defect)：在三维方向上尺寸都很小（一个或几个原子大小），又称零维缺陷。如空位、间隙原子。线缺陷(Line Defect)：在两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大（可以和晶体或晶粒线度相比拟），又称为一维缺陷。位错是典型的线缺陷。面缺陷(Planar Defect)：在一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大，又称二维缺陷。晶界、相界等。体缺陷(Volume Defe

38、ct)：如果在三维方向上尺度都较大，那么这种缺陷就叫体缺陷，又称三维缺陷。如沉淀相、气泡、孔洞等。 缺陷的存在只是晶体中局部区域的破坏，通常情况下缺陷存在的比例只是一个很小的量。 也就是说存在这样的事实：晶体中的缺陷从占有原子百分数(n / N)的数量上是微不足道的。所以，晶体中虽然存在缺陷，并不意味着晶体结构杂乱无章、无规律可循，而是从整体上看金属晶体的结构仍然保持很强的规律性。而且金属中的缺陷区域也能用几何图像相当确切地描述出来。u建立缺陷概念的意义何在？l毫不夸张地说，缺陷是金属理论中最重要的内容之一。晶体的生长、性能以及塑性变形等无一不与缺陷紧密相关。因为正是这千分之一、万分之一的缺陷

39、，对晶体的性能产生了不容小视的作用。这种影响无论在微观上或宏观上都具有相当的重要性。l晶体缺陷对金属的许多性能都有影响，特别是对金属的塑性、强度和扩散性能都有决定性的作用。 (一)点缺陷（Point Defect） 点缺陷最早是： 1926年弗兰克尔(Frankel)，为了解释离子晶体导电实验提出的。 1942年塞慈(Seitg)阐明了与点缺陷有关的扩散机制； 上世纪5060年代由于原子反应堆技术的进展，高能粒子对固体的辐照效应又推动了对晶体中点缺陷的深入研究； 70年代发现了点缺陷与位错的交互作用，并采用核磁共振等近代物理实验技术对点缺陷进行了深入研究。 点缺陷的种类有很多，但金属中常见的基

40、本点缺陷有以下几种类型： 空位、间隙原子、异类原子、杂质等。1、空位（Vacancy）u定义：由于某种原因，原子脱离了正常格点，而在原来的位置上留下了原子空位。空位空位 u脱落平衡位置的原子 可以u迁移到晶体表面肖脱基(Schottky)空位u挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子弗兰克尔(Frenkel)空位。u跑到其他空位中空位消失或使空位移动位置。 显然，形成肖脱基空位所需的能量远小于形成弗兰克尔空位所需能量，故金属晶体中大多为肖脱基空位。u空位对晶体的影响：空位附近原子偏离正常结点位置, 造成晶格畸变。空位的存在有利于金属内部原子的迁移(即扩散)。 2、间隙原子

41、（Interstitial atom）u定义：间隙原子就是进入点阵间隙中的原子。 间隙原子可以是晶体中正常原子离位产生，也可以是外来原子或杂质原子。（造成晶格畸变 ）如果间隙原子是其它元素就称为如果间隙原子是其它元素就称为异类原子异类原子 （杂质原子）（杂质原子）间隙原子间隙原子空位空位间隙间隙原子原子3、置换原子（Replacement atom）u定义：金属中的异类原子与金属原子半径接近时，则可能占据晶格的一些结点，这些原子称之为置换原子。同样造成晶格畸变。 置换原子置换原子 金属原子金属原子置换原子置换原子 10的晶界称为大角度晶界。 多晶体材料中各晶粒之间的晶界通常为大角度晶界，占总晶界的90以上。 大角度晶界的结构较复杂，其中原子排列较不规则，不能用位错模型来描述。晶界可看成坏区与好区交替相间组合而成。随着位向差的增大，坏区的面积将相应增加。3）亚晶界(Sub-grain Boundary) 如前所述，每一个晶粒内部也不是完全理想的晶体，而是由许多位向相差很小的所谓亚晶粒组成的。 晶粒内的亚晶粒又叫晶块(或嵌镶块)。一般晶粒尺寸为 1525m。亚晶粒尺寸为 1m。亚晶粒之间的位向差只有几秒、几分，最多达1-2度。亚晶粒之间的边界叫亚晶界。亚晶界是位错规则排列的结构。 例如，亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成。亚晶界是晶