金属学及热处理教案第一章-1.

1、第一章第一章 金属与合金的晶体结构金属与合金的晶体结构一、金属原子的结构特点一、金属原子的结构特点 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning-27-27-27-27-31-31（proton）（proton）（neutron）（neutron）质子：正电荷m1.672610kg质子：正电荷m1.672610kg原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电原子核（nucleus)：位于原子中心、带正电中子：电中性m1.674810kg中子：电中性m1.674810kg电子（electron）：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云（e

2、le电子（electron）：核外高速旋转，带负电，按能量高低排列，如电子云（ele ctron cloudctron cloud） m m9.1095 10kg，约为质子的1/189.1095 10kg，约为质子的1/183636第一章第一节金属原子间的结合二、二、原子结合键原子结合键 （1）离子键与离子晶体）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷。离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。如氧化物陶瓷。 2003 Brooks/Cole Publishing

3、/ Thomson Learning 第一章第一节金属原子间的结合（2）共价键与原子晶体）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。差。 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning第一章第一节金属原子间的结合（3）金属键与金属晶体）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出

4、共有，结合力较大，无方向性和饱和性；原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。诸原子结合到一起的方式。金属特性：导电性、导热性好；正电阻温度系数；好的延展金属特性：导电性、导热性好；正电阻温度系数；好的延展 性；性；金属光泽等。金属光泽等。第一章第一节金属原子间的结合 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning第一章第一节金属原子间的结合（4）分子键与分子晶体）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏

5、移，结合力很小，无方向性和饱和性。原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料。 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 第一章第一节金属原子间的结合 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 第一章第一节金属原子间的结合氢键：（离子结合）氢键：（离子结合）X-H-Y（氢键结合），有方向性，如（氢键结合），有方向性，如O-HO三、结合力与结合能双原子模型： d0dcAB结合力排斥力吸引力原子间距d排斥力F

6、F吸引力d0dcAB结合能排斥能吸引能原子间距d排斥能吸引能EAB （a） （b）双原子作用模型双原子作用模型第一章第一节金属原子间的结合1.2 金属的晶体结构 Fundamentals of crystallogphy一、晶体的概念晶体的特性晶体的特性 晶体的三大特征：晶体的三大特征： 原子排列有序；有固定的熔点；各向异性。原子排列有序；有固定的熔点；各向异性。空间点阵和晶胞空间点阵和晶胞caX b YZ （a） （b） （c）简单立方晶体简单立方晶体（a） 晶体结构晶体结构 （b） 晶格晶格 （c） 晶胞晶胞第一章第二节金属的晶体结构二、 晶体结构与空间点阵1 空间点阵与晶体结构空间点阵与

7、晶体结构（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。 特征：特征：a 原子的理想排列；原子的理想排列；b 有有14种。其中：种。其中：阵点阵点空间点阵中的点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。空间点阵中的点。它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。晶格晶格描述晶体中原子排列规律的空间格架。描述晶体中原子排列规律的空间格架。晶胞晶胞空间点阵中最小的几何单元。空间点阵中最小的几何单元。（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。 特征：特征：a 可能存在局部缺陷；

8、可能存在局部缺陷； b 可有无限多种。可有无限多种。第一章第二节金属的晶体结构空间点阵相同，是否晶体结构相同？空间点阵相同，是否晶体结构相同？2 晶胞晶胞 （1）：构成空间点阵的最基本单元。：构成空间点阵的最基本单元。（2）选取原则：）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；具有尽可能多的直角；d 体积最小。体积最小。（3）形状和大小）形状和大小有三个棱边的长度有三个棱边的长度a,b,c及其夹角及其夹角,表示。表示。（4）晶胞中点的位置表示（坐标法）。）晶胞中点的位置表示（坐标法）。S

9、mith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E第一章第二节金属的晶体结构3 布拉菲点阵布拉菲点阵 14种点阵分属种点阵分属7个晶系个晶系。 第一章第二节金属的晶体结构简单立方体心立方面心立方简单菱方简单六方简单四方体心四方底心正交简单正交面心正交体心正交底心单斜简单三斜简单单斜三、常见纯金属的晶格类型三、常见纯金属的晶格类型 1、体心立方晶格：记为、体心立方晶格：记为BCC姓名语文数学英语物理李小红85939094刘兵8394曾小玲8189 （a） （b） （c）体心立方晶胞体心立方晶胞（a

10、） 模型；模型； （b） 晶胞；晶胞； （c） 晶胞原子数晶胞原子数属于这种晶格类型的金属有属于这种晶格类型的金属有-Fe、Cr、W、Mo、V等等 第一章第二节金属的晶体结构配位数和致密度配位数配位数 所谓配位数是指晶体中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目。所谓配位数是指晶体中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目。 致密度致密度 若把原子看成刚性球，则原子之间必有空隙存在，可用原子刚球所占若把原子看成刚性球，则原子之间必有空隙存在，可用原子刚球所占体积与晶体体积之比来表示晶体结构排列的紧密程度，称为致密度或体积与晶体体积之比来表示晶体结构排列的紧密程度，称为致密度或密集系数。可用下式表示：密

11、集系数。可用下式表示： VnVK0致密度：晶格常数为致密度：晶格常数为a，原子半径为原子半径为 ； ； ； 所以：致密度所以：致密度 a4321881n3301634334aaV3aV 68. 08311632330aaVnVK配位数为配位数为8体心立方晶格配位数与致密度：体心立方晶格配位数与致密度：姓名语文数学英语物理李小红85939094刘兵8394曾小玲8189 （a） （b） （c）体心立方晶胞体心立方晶胞（a） 模型；模型； （b） 晶胞；晶胞； （c） 晶胞原子数晶胞原子数第一章第二节金属的晶体结构2、面心立方晶格：记为、面心立方晶格：记为FCC 属于这种晶格类型的金属有属于这种晶

12、格类型的金属有Fe、Cu 、Al 、Ag、Au、Pb、Ni等。等。 （a） （b） （c）面心立方晶胞面心立方晶胞（a） 模型；模型； （b） 晶胞；晶胞； （c） 晶胞原子数晶胞原子数 配位数配位数12；致密度；致密度0.74第一章第二节金属的晶体结构密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，由六个呈长方体的密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，由六个呈长方体的侧面和两个呈六边形的底面所组成，如图所示。属于这种侧面和两个呈六边形的底面所组成，如图所示。属于这种晶格类型的金属有晶格类型的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。等。 （a） （b） （c）密排六方晶胞密排六方晶胞（a） 模型；模型； （b） 晶胞；

13、晶胞； （c） 晶胞原子数晶胞原子数配位数：配位数：12；致密度：；致密度：0.74（与面心立方相同）（与面心立方相同）第一章第二节金属的晶体结构3、密排六方晶格：记为、密排六方晶格：记为HCP4 4、原子的堆垛方式和间隙、原子的堆垛方式和间隙 前面已指出，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度与配位数完全前面已指出，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度与配位数完全一致，均属于最密排列晶格，但是晶格类型却不同，为了搞清这个问一致，均属于最密排列晶格，但是晶格类型却不同，为了搞清这个问题，就需要了解原子的堆垛方式。题，就需要了解原子的堆垛方式。 面心立方结构的原子堆垛方式面心立方结构的原子堆垛方式 密

14、排六方的原子堆垛方式密排六方的原子堆垛方式 A层层B层层C层层第一章第二节金属的晶体结构A层层B层层C层层 面心立方晶胞原子堆垛方式面心立方晶胞原子堆垛方式 密排六方晶胞原子堆垛方式密排六方晶胞原子堆垛方式第一章第二节金属的晶体结构堆垛方式堆垛方式 ABCABC. ABABAB. ABABAB.第一章第二节金属的晶体结构晶胞中的间隙晶胞中的间隙 由致密度计算结果可知，晶体中应存在一定数量的间隙。例如，由致密度计算结果可知，晶体中应存在一定数量的间隙。例如，对于体心立方，致密度对于体心立方，致密度k0.68，说明仅有说明仅有68的体积被原子占的体积被原子占有，存在有，存在32的间隙。这些间隙对金

15、属的性能，合金的相结构，的间隙。这些间隙对金属的性能，合金的相结构，扩散以及相变等都有重要的影响。从几何形状上看，晶格中有两扩散以及相变等都有重要的影响。从几何形状上看，晶格中有两种间隙：八面体间隙和四面体间隙。种间隙：八面体间隙和四面体间隙。 金属原子金属原子八面体间隙八面体间隙金属原子金属原子四面体间隙四面体间隙(a)(b)体心立方结构中的间隙体心立方结构中的间隙(a) 八面体间隙八面体间隙(b) 四面体间隙四面体间隙第一章第二节金属的晶体结构体心立方中，四面体间隙比八面体间隙要大体心立方中，四面体间隙比八面体间隙要大 面心立方晶格中也有八面体间隙与四面体间隙两种，如图面心立方晶格中也有八

16、面体间隙与四面体间隙两种，如图所示，它们分别是正八面体间隙和正四面体间隙所示，它们分别是正八面体间隙和正四面体间隙 第一章第二节金属的晶体结构面心立方体中，八面体间隙比四面体间隙大得多面心立方体中，八面体间隙比四面体间隙大得多(a) 八面体间隙八面体间隙金属原子金属原子八面体间隙八面体间隙金属原子金属原子四面体间隙四面体间隙(a)(b)面心立方结构中的间隙面心立方结构中的间隙(b) 四面体间隙四面体间隙4 、晶向指数与晶面指数晶向指数与晶面指数晶向：空间点阵中各阵点列的方向。晶向：空间点阵中各阵点列的方向。晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。国际上通

17、用米勒指数标定晶向和晶面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。第一章第二节金属的晶体结构 （1）晶向指数的标定）晶向指数的标定 a 建立坐标系。确定原点（阵点）、坐标轴和建立坐标系。确定原点（阵点）、坐标轴和度量单位度量单位（棱边）。（棱边）。 b 求坐标。求坐标。u,v,w。 c 化整数。化整数。 u,v,w. d 加加 。uvw（最小整数最小整数）。说明：说明： a 指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。指数意义：代表相互平行、方向一致的所有晶向。 b 负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。负值：标于数字上方，表示同一晶向的相反方向。c 晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不

18、同的一组晶向。晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向。用用表示，数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的晶向表示，数字相同，但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族。属于同一晶向族。第一章第二节金属的晶体结构晶向族晶向族 在立方晶系中：在立方晶系中：111、111、111、111、111、111、111、111八个晶向，指的是立方体中四个对角线的方向。从晶八个晶向，指的是立方体中四个对角线的方向。从晶体的对称关系来看，这一组晶向在性质上是等同的，故总称之为体的对称关系来看，这一组晶向在性质上是等同的，故总称之为晶向族。原子排列情况相同，但空间位向不同的所有晶向称为晶晶向族。

19、原子排列情况相同，但空间位向不同的所有晶向称为晶向族，用向族，用表示，上述八个晶向即可用表示，上述八个晶向即可用表示。表示。 同理，同理，代表：代表：100、010、001、100、010、001 六个晶向。六个晶向。 应当指出，只有在立方晶系中晶向族各晶向指数可以通过改应当指出，只有在立方晶系中晶向族各晶向指数可以通过改变指数和正负号的排列组合方式求出。对于其他晶系并不一定适变指数和正负号的排列组合方式求出。对于其他晶系并不一定适用。用。 a 建立坐标系：确定原点（建立坐标系：确定原点（非阵点非阵点）、坐标轴和）、坐标轴和度量单位度量单位。b 量截距：量截距：x,y,z。c 取倒数：取倒数：

20、h,k,l。d 化整数：化整数：h,k,k。e 加圆括号：加圆括号：(hkl)。 第一章第二节金属的晶体结构XXXYYYZZZ（100）（111）（110）立方晶格中的三种重要晶面立方晶格中的三种重要晶面（2）晶面指数的标定）晶面指数的标定 （2）晶面指数的标定）晶面指数的标定 (c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning 例：标定下列A,B,C面的指数。第一章第二节金属的晶体结构说明：说明： a 指数意义：代表一组平行的晶面；指数意义：代表一组平行的晶面； b 0的意义：面与对应的轴平行；的意义：面与对应的轴平行； c 平行晶面：指数相

21、同，或数字相同但正负号相反；平行晶面：指数相同，或数字相同但正负号相反； d 晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相晶面族：晶体中具有相同条件（原子排列和晶面间距完全相同），空间位向不同的各组晶面。用同），空间位向不同的各组晶面。用hkl表示。表示。 e 若晶面与晶向同面，则若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0; f 若晶面与晶向垂直，则若晶面与晶向垂直，则u=h, k=v, w=l。 平移坐标原点平移坐标原点：为了标定方便。：为了标定方便。第一章第二节金属的晶体结构晶面族晶面族 在同一晶体结构中，有些晶面上的原子排列和晶面间距完全相同，在同一晶体结构中，有些晶面上的原子排列

22、和晶面间距完全相同，但具有不同的空间位向，这些晶面均归并为一个晶面族，用表示。但具有不同的空间位向，这些晶面均归并为一个晶面族，用表示。例如，在立方晶系中：例如，在立方晶系中： 100包括（包括（100）,（010）,（001） 110包括（包括（110）,（101）,（011）,（110）,（101）,（011） 111包括（包括（111）,（111）,（111）,（111） 晶面族不仅包括了相互平行的一组晶面，而且也包括了位向不同，晶面族不仅包括了相互平行的一组晶面，而且也包括了位向不同，但晶面间距相等、原子排列相同的若干组平行晶面。但晶面间距相等、原子排列相同的若干组平行晶面。 在立方晶

23、系中，在立方晶系中， hklhkl 晶面族所包括的晶面可用改变晶面族所包括的晶面可用改变h、k、l的正的正负号及数字的排列组合来求得。但是这种方法不适用于其他晶系。负号及数字的排列组合来求得。但是这种方法不适用于其他晶系。 （3）六方系晶向指数和晶面指数）六方系晶向指数和晶面指数 a 六方系指数标定的特殊性：四轴坐标系（等价晶面不具有等六方系指数标定的特殊性：四轴坐标系（等价晶面不具有等价指数）。价指数）。 b 晶面指数的标定晶面指数的标定 标法与立方系相同标法与立方系相同(四个截距四个截距)；用四个数字；用四个数字(hkil)表示；表示；i=-(h+k)。 (c) 2003 Brooks/C

24、ole Publishing / Thomson Learning 第一章第二节金属的晶体结构c 晶向指数的标定晶向指数的标定 标法与立方系相同标法与立方系相同(四个坐标四个坐标)；用四个数字；用四个数字(uvtw)表示；表示；t=-(u+w)。 依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。 坐标换算法：坐标换算法：UVWuvtw u=(2U-V)/3, v=(2V-U)/3, t=-(U+V)/3, w=W。第一章第二节金属的晶体结构 （4）晶带）晶带 a ：平行于或相交某一晶向直线所有晶面的组合。平行于或相交某一晶向直线所有晶面的组合。 晶带轴晶带轴

25、 晶带面晶带面 b 性质：晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面性质：晶带用晶带轴的晶向指数表示；晶带面/晶带轴；晶带轴； hu+kv+lw=0 c 晶带定律晶带定律 凡满足上式的晶面都属于以凡满足上式的晶面都属于以uvw为晶带轴的晶带。推论：为晶带轴的晶带。推论： （a） 由两晶面由两晶面(h1k1l1) (h2k2l2)求其晶带轴求其晶带轴uvw：u=k1l2-k2l1; v=l1h2-l2h1; w=h1k2-h2k1。 （b） 由两晶向由两晶向u1v1w1u2v2w2求其决定的晶面求其决定的晶面(hkl)。H=v1w1-v2w2; k=w1u2-w2u1; l=u1v2-u2v1。第一章第

26、二节金属的晶体结构原子线密度原子线密度(最大的方向最大的方向)密排方向密排方向原子面密度原子面密度(最大的面最大的面 )密排面密排面第一章第二节金属的晶体结构多晶型性 元素的晶体结构随外界条件的变化而发生转变的性质。元素的晶体结构随外界条件的变化而发生转变的性质。 如：如：Fe(-).Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E第一章第二节金属的晶体结构分析分析 -铁转变为铁转变为 -铁时的体积变化。铁时的体积变化。第一章第二节金属的晶体结构1.3合金相结构基本概念基本概念合金：由两种或

27、多种金属，或金属与非金属经某种合成合金：由两种或多种金属，或金属与非金属经某种合成工艺组合而成具有工艺组合而成具有金属特性金属特性的物质。的物质。组元：组成合金最基本、独立的物质。可以是元素，也组元：组成合金最基本、独立的物质。可以是元素，也可以是稳定的化合物。可以是稳定的化合物。相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分。开的组成部分。组织：用金相方法观察到的金属及合金的反映金属金相组织：用金相方法观察到的金属及合金的反映金属金相的具体形态的具体形态 。根据相的晶体结构特点分为：固溶体与金属化合物根据相的晶体结构特点分为：固溶

28、体与金属化合物第一章第三节合金相结构一、固溶体一、固溶体按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体与间按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。隙固溶体两种。1、固溶体分类、固溶体分类第一章第三节合金相结构 按溶质原子在固体中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限按溶质原子在固体中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。固溶体两种。 按溶质原子在固溶体内分布是否有规则，固溶体分为有序固溶体按溶质原子在固溶体内分布是否有规则，固溶体分为有序固溶体和无序固溶体两种。和无序固溶体两种。 第一章第三节合金相结构2、置换固溶体的固溶度、置换固溶体的固溶度晶

29、体结构类型相同3、间隙固溶体、间隙固溶体4、固溶体的结构、固溶体的结构1）晶格畸变）晶格畸变2）偏聚与短程有序）偏聚与短程有序偏聚：同种原子间结合力大于异种原子间的结合力，溶质原子形成偏聚：同种原子间结合力大于异种原子间的结合力，溶质原子形成区域偏聚。区域偏聚。短程有序体：异种原子间的结合力较大，溶质原子倾向于按一定的规短程有序体：异种原子间的结合力较大，溶质原子倾向于按一定的规则有序分布，只存在于短距离小范围内。则有序分布，只存在于短距离小范围内。3）有序固溶体）有序固溶体在一定的条件下（温度或冷却方式），短程有序可变成长程有序。在一定的条件下（温度或冷却方式），短程有序可变成长程有序。第一

30、章第三节合金相结构通过形成固溶体而产生晶格畸变，使金属强度和硬度提高的现象称通过形成固溶体而产生晶格畸变，使金属强度和硬度提高的现象称为为固溶强化固溶强化。固溶强化是金属强化的重要方式之一。固溶体的综合力学性能较好，固溶强化是金属强化的重要方式之一。固溶体的综合力学性能较好，常作为结构合金的常作为结构合金的基体相基体相。 5、固溶体的性能、固溶体的性能第一章第三节合金相结构二、金属化合物二、金属化合物金属化合物：金属化合物：常见的几种金属化合物：常见的几种金属化合物：合金组元间发生相互作用而形成的一种新相。其晶格类型和性能合金组元间发生相互作用而形成的一种新相。其晶格类型和性能均不同于任一组元

31、，一般以分子式大致表示。均不同于任一组元，一般以分子式大致表示。Fe3C，CuZn，CuAl2用途：用途：半导体半导体GaAs，形状记忆合金，形状记忆合金NiTi和和CuZn，能源用储氢，能源用储氢LaNi5，工业工业上结构材料和工具材料则利用它的硬度来提高材料的强度、硬度及耐上结构材料和工具材料则利用它的硬度来提高材料的强度、硬度及耐磨性等。磨性等。第一章第三节合金相结构正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有严格的化合比，成分固定不变。它的结构与相应分严格的化合比，成分固定不变。它的结构与相应分子式的离子

32、化合物晶体结构相同，如分子式具有子式的离子化合物晶体结构相同，如分子式具有AB型的正常价化合物其晶体结构为型的正常价化合物其晶体结构为NaCl型，多为型，多为离子化合物。离子化合物。第一章第三节合金相结构正常价化合物正常价化合物电子化合物电子化合物间隙相间隙相间隙化合物间隙化合物是指按照一定价电子浓度的比值是指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的化合物。电组成一定晶格类型的化合物。电子化合物的熔点和硬度都很高，子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中的重而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。要强化相。第一章第三节合金相结构第一章第三节合金相结构正常价化合物正常价化合物电子化合

33、物电子化合物间隙相间隙相间隙化合物间隙化合物当非金属原子半径与金属原当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于子半径的比值小于0.59时，时，将形成具有简单晶体结构的将形成具有简单晶体结构的金属间化合物金属间化合物第一章第三节合金相结构化学式类型化学式类型钢中钢中可能遇到的间隙相化学式可能遇到的间隙相化学式晶格类型晶格类型M4XFe4 N ，Nb4 C， Mn4 C面心立方面心立方M2XFe2 N，Cr2N，W2C，Mo2C密排六方密排六方MXTaC，TiC，ZrC，VCTiN，ZrN，VNMoN，CrN，WC面心立方面心立方体心立方体心立方简单六方简单六方MX2VC2，CeC2，ZrH2，Ti

34、H2，LaC2面心立方面心立方第一章第三节合金相结构正常价化合物正常价化合物电子化合物电子化合物间隙相间隙相间隙化合物间隙化合物当非金属原子半径与金属原子半径的比值当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于大于0.59时，将形成具有复杂晶体结构的时，将形成具有复杂晶体结构的金属间化合物，间隙化合物也具有很高的金属间化合物，间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一些。些。第一章第三节合金相结构类型类型简

35、单结构间隙化合物简单结构间隙化合物复杂结构间隙化合物复杂结构间隙化合物化学式化学式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23 C6Fe3 C硬度硬度HV28502840201020501550173014801650800熔点熔点/3080347220265036805039802785 5252715771227第一章第三节合金相结构实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构单晶体与多晶体单晶体与多晶体 晶体中原子排列规律相同，晶格位向一致的晶体，称为晶体中原子排列规律相同，晶格位向一致的晶体，称为单单晶体晶体。在实际应用中金属材料中较少的用单晶体金属，工程上。在实际应用中金属材料中较少的用单

36、晶体金属，工程上使用的金属材料，几乎都是多晶体材料。使用的金属材料，几乎都是多晶体材料。 通常使用的金属都是由很多小晶体组成的，这些小晶体内通常使用的金属都是由很多小晶体组成的，这些小晶体内部的晶格位向是均匀一致的，而它们之间，晶格位向却彼此不部的晶格位向是均匀一致的，而它们之间，晶格位向却彼此不同，这些外形不规则的颗粒状小晶体称为同，这些外形不规则的颗粒状小晶体称为晶粒晶粒。每一个晶粒相。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界晶界。这种由许。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶粒组成的晶体称为多晶体多晶体。 1.4 金属晶体的缺陷金属晶体

37、的缺陷第一章第四节金属晶体的缺陷实际晶体非完整性实际晶体非完整性一般有缺陷，按晶体缺陷的几何形态特征，可分：一般有缺陷，按晶体缺陷的几何形态特征，可分：点缺陷：点缺陷：指在晶体空间中，其长、宽、高尺寸都很小（相当于原子尺寸）指在晶体空间中，其长、宽、高尺寸都很小（相当于原子尺寸）的一种缺陷。的一种缺陷。线缺陷：线缺陷：指在三维空间中两维方向的尺寸较小，在另一维方向的尺寸相对指在三维空间中两维方向的尺寸较小，在另一维方向的尺寸相对较大的缺陷，所以又称为一维缺陷。较大的缺陷，所以又称为一维缺陷。面缺陷面缺陷：指在两个方向尺寸很大而第三方向尺寸很小，呈面状分布的缺陷。指在两个方向尺寸很大而第三方向尺

38、寸很小，呈面状分布的缺陷。第一章第四节金属晶体的缺陷1 点缺陷的类型点缺陷的类型（1）空位：）空位：肖脱基空位离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。肖脱基空位离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。弗兰克尔空位离位原子进入晶体间隙。弗兰克尔空位离位原子进入晶体间隙。（2）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。（3）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。 晶体中的点缺陷 空位； 间隙原子； 置换原子一一 点缺陷点缺陷第一章第四节金属晶体的缺陷2 点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度 （1）点缺陷是热力学平衡的缺陷点缺陷是热力学

39、平衡的缺陷在一定温度下，晶体中总是在一定温度下，晶体中总是存在着一定数量的点缺陷（空位），这时体系的能量最低具有平衡存在着一定数量的点缺陷（空位），这时体系的能量最低具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。（原因：晶体中形成点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。（原因：晶体中形成点缺陷时，体系内能的增加将使自由能升高，但体系熵值也增加了，点缺陷时，体系内能的增加将使自由能升高，但体系熵值也增加了，这一因素又使自由能降低。）这一因素又使自由能降低。）第一章第四节金属晶体的缺陷3 3 空位的产生及其运动空位的产生及其运动（1 1）空位的产生）空位的产生平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。

40、平衡点缺陷：热振动中的能力起伏。过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。过饱和点缺陷：外来作用，如高温淬火、辐照、冷加工等。（2 2）空位的运动）空位的运动（迁移、复合浓度降低；聚集浓度升高塌陷）（迁移、复合浓度降低；聚集浓度升高塌陷）第一章第四节金属晶体的缺陷（1 1）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶）结构变化：晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀）格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀）（2 2）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小）力学性能）性能变化：物理性能（如电阻率增大，密度减小）力学性能（屈服强度提高）（屈服

41、强度提高） 第一章第四节金属晶体的缺陷4 点缺陷与材料行为点缺陷与材料行为位错：位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。意义意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。）用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。）位错的提出位错的提出：19261926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与实测临界切应力的巨大差异（实测临界切应力的巨大差异（2 24 4个数量级）。个数量级）。 1934193

42、4年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。 19391939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。 19471947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。 19501950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。 之后，用之后，用TEMTEM直接观察到了晶体中的位错。直接观察到了晶体中的位错。第一章第四节金属晶体的缺陷二二 线缺陷（位错）线缺陷（位错）dislocation（1 1）刃型位错）刃型位错 edge dislocatio

43、n模型：滑移面模型：滑移面/ /半原子面半原子面/ /位错线位错线 （位错线（位错线晶体滑移方向，位晶体滑移方向，位错线错线位错运动方向，晶体滑移方向位错运动方向，晶体滑移方向/位错运动方向。）位错运动方向。）分类：正刃型位错（分类：正刃型位错（）；负刃型位错（）；负刃型位错（）。）。第一章第四节金属晶体的缺陷 1 位错的基本类型位错的基本类型 （a)a)立体模型立体模型 （b b）平面图平面图 刃型位错示意图刃型位错示意图 G H E F晶体局部滑移造成的刃型位错晶体局部滑移造成的刃型位错第一章第四节金属晶体的缺陷模型：滑移面模型：滑移面/ /位错线。（位错线位错线。（位错线/晶体滑移方向，

44、位错线晶体滑移方向，位错线位错运动方向，晶体滑移方向位错运动方向，晶体滑移方向位错运动方向。）位错运动方向。）分类：左螺型位错；右螺型位错。分类：左螺型位错；右螺型位错。第一章第四节金属晶体的缺陷（2）螺型位错）螺型位错 screw dislocationCBAD(b)（a）立体模型）立体模型 （b）平面图）平面图 螺型位错示意图螺型位错示意图ABCD(a )螺型位错示意图螺型位错示意图第一章第四节金属晶体的缺陷(c) 2003 Brooks/Cole Publishing / Thomson Learning第一章第四节金属晶体的缺陷第一章第四节金属晶体的缺陷模型：滑移面模型：滑移面/ /位

45、错线。位错线。第一章第四节金属晶体的缺陷（3）混合位错）混合位错（1 1）形状：不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道。）形状：不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道。（2 2）是已滑移区和未滑移区的边界。）是已滑移区和未滑移区的边界。（3 3）不能中断于晶体内部。可在表面露头，或终止于晶界）不能中断于晶体内部。可在表面露头，或终止于晶界和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。8h第一章第四节金属晶体的缺陷 2 位错的性质位错的性质柏氏矢量是描述位错几何特性最重要的参数之一。柏氏矢量由柏氏柏氏矢量是描述位错几何特性最重要的参数之一。柏氏矢量由柏氏回路

46、确定。回路确定。bl第一章第四节金属晶体的缺陷3柏氏矢量柏氏矢量 先确定位错的方向（一般规定位错线垂直纸面时，由纸面向外为正），先确定位错的方向（一般规定位错线垂直纸面时，由纸面向外为正），按按右手法则右手法则做柏氏回路，右手大拇指指位错正方向，回路方向按右手螺旋方做柏氏回路，右手大拇指指位错正方向，回路方向按右手螺旋方向确定。从实际晶体中任一原子向确定。从实际晶体中任一原子M 出发，避开位错附近的严重畸变区作一闭出发，避开位错附近的严重畸变区作一闭合回路合回路 MNOPQ，回路每一步连结相邻原子。按同样方法在完整晶体中做同回路每一步连结相邻原子。按同样方法在完整晶体中做同样回路，步数，方向与

47、上述回路一致，这时终点样回路，步数，方向与上述回路一致，这时终点 Q 和起点和起点M 不重合，由终点不重合，由终点Q 到起点到起点M 引一矢量引一矢量QM 即为即为柏氏矢量柏氏矢量b。柏氏矢量与起点的选择无关，也与。柏氏矢量与起点的选择无关，也与路径无关。路径无关。柏氏矢量的确定方法柏氏矢量的确定方法刃型位错柏氏矢量的确定(a) 有位错的晶体 (b) 完整晶体 MNOPQMNOPQ柏氏矢量滑移面滑移台阶lb柏氏矢量代表晶体的滑移方向。柏氏矢量代表晶体的滑移方向。第一章第四节金属晶体的缺陷柏氏矢量的物理意义：柏氏矢量的物理意义：螺型位错柏氏矢量的确定(a) 有位错的晶体 (b) 完整晶体 柏氏矢

48、量三、面缺陷三、面缺陷晶体材料中存在着许多界面，如（外）表面（晶体材料中存在着许多界面，如（外）表面（surface）与内界面）与内界面（interface）等。）等。 表面：指固体材料与气体或液体的分界面；表面：指固体材料与气体或液体的分界面；而内界面包括晶界而内界面包括晶界(grain boundaries)、孪晶界、孪晶界(twin boundaries)、亚晶界（亚晶界（sub-boundaries）、相界）、相界(phase boundaries)及层错及层错(stacking faults)等。等。 第一章第四节金属晶体的缺陷1）表面原子的性质及表面能）表面原子的性质及表面能1.晶

49、体表面晶体表面表面原子却不同，它与气相表面原子却不同，它与气相(或液相或液相)接触，接触，处于不均匀的力场之中处于不均匀的力场之中，其，其能量较高能量较高，高出的能量称为表面自由能，高出的能量称为表面自由能(或表面能或表面能surface energy)，实验，实验测定其数值大约为晶界能的三倍，测定其数值大约为晶界能的三倍， 表面能表面能表面自由能表面自由能比表面能：比表面能：概念：概念：1单位面积上升高的能量。单位面积上升高的能量。2单位长度上的表面张力。单位长度上的表面张力。3高出晶界内部原子的能量。高出晶界内部原子的能量。第一章第四节金属晶体的缺陷2）影响表面能的因素）影响表面能的因素（

50、1）外部介质）外部介质外部介质对晶体界面原子的作用力与晶体内部外部介质对晶体界面原子的作用力与晶体内部分子或原子对界面原子的作用力相差越悬殊，表面能越大分子或原子对界面原子的作用力相差越悬殊，表面能越大（2）裸露晶面的密度）裸露晶面的密度裸露的表面是密排晶面时，则表面能最小裸露的表面是密排晶面时，则表面能最小（3）晶体表面的曲率）晶体表面的曲率表面的曲率越大及曲率半径越小，表面能越大表面的曲率越大及曲率半径越小，表面能越大第一章第四节金属晶体的缺陷2.晶界晶界晶界晶界属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面 。1）小角度晶界）小角度晶界(small-angl

51、e grain boundary)相邻晶粒的位向差相邻晶粒的位向差小于小于10的晶界；的晶界；2）大角度晶界）大角度晶界(large-angle grain boundary)相邻晶粒的位向差相邻晶粒的位向差大于大于10的晶界，多晶体中的晶界，多晶体中90以上的晶界属于此类。以上的晶界属于此类。第一章第四节金属晶体的缺陷1）小角度晶界）小角度晶界对称倾斜晶界对称倾斜晶界(symmetrical tilt boundary)可看作是把晶界两侧晶体互可看作是把晶界两侧晶体互相倾斜的结果。由于相邻两晶粒的位向差相倾斜的结果。由于相邻两晶粒的位向差角很小，其晶界可看成是角很小，其晶界可看成是由一列平行的刃型位错所构成由一列平行的刃型位错所构成 。（1）对称倾斜晶界对称倾斜晶界第一章第四节金属晶体的缺陷2）扭转晶界扭转晶界 扭转晶界扭转晶界(twist boundary)是小角度晶界的一种类型。它可看成是两部是小角度晶界的一种类型。它可看成是两部分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个分晶体绕某一轴在一个共同的晶面上相对扭转一个角所构成的，扭转角所构成的，扭转轴垂直于这一共同的晶面。该晶界的结构可看成