金属的实际晶体结构（V18版）

1-3金属的实际晶体结构1-3Actualcrystalstructureofmetal无锡职业技术学院机械技术学院无锡(中国)Contact:yujc@

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iMT21-3Actualcrystalstructureofmetal前面讨论的晶体是所谓的理想晶体，即原子或分子在空间呈绝对规则的排列。但实际上晶体的某些区域总是存在原子或分子的不规则排列，这就是晶体结构缺陷，以下简称晶体缺陷。

晶体缺陷对晶体的性能和物理化学变化(如强度、塑性、扩散、固态相变等)都有着重大的影响。

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MetallgraphyIρm12341-3Actualcrystalstructureofmetal特别是晶体的力学性能，它是结构敏感的。即使是同一材料，其力学性能也因其经历的热的或冷的加工过程不同而不同。1：有晶体结构及原子结合力计算得到的理论强度。2、3、4：实际测量的强度。1-3Actualcrystalstructureofmetal根据晶体结构计算出来的强度（理论强度）远远大于实际测量的强度，1920年的欧洲科学家们,推测晶体结构并非完整，其内部一定存在某种缺陷，这种缺陷的运动及交互作用决定了晶体的力学性质。学习意义：对晶体的力学性能来说，起主要作用的是晶体的非完整性，即晶体的结构缺陷，而晶体的完整性退居于次要地位。（结构特征）

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晶体结构缺陷(crystaldefects)的类型缺陷的类型点缺陷线缺陷面缺陷其特点：在三维方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸处在一、两个原子大小的级别，又称零维缺陷。其特点：仅在一维方向上的尺寸较大，而另外二维方向上的尺寸都很小，故也称一维缺陷，通常是指位错。其特点：仅在二维方向上的尺寸较大，而另外一维方向上的尺寸很小，故也称二维缺陷。

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MetallgraphyI1.点缺陷的种类点缺陷主要有三种：空位、间隙原子、置换原子。a.空位:Vacancy

形成原因：原子的热运动导致能量起伏，使一些原子脱离原有位置迁移到别处，在原位形成空结点。脱离平衡位置的原子去处：移至表面——肖脱基空位间隙——弗兰克尔空位其它空位处——使空位变换位置┕是一种热平衡缺陷空位

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7肖脱基空位肖脱基空位:Schottkyvacancy

如原子在热起伏过程中获得足够能量离开平衡位置，跳跃到晶体的表面，在原位置上留下空位，这种缺陷称为肖脱基空位。┕金属中大部分为此空位。

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8弗兰克尔空位：Frankelvacancy

在晶格内原子热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，进入晶格点的间隙位置，变成间隙原子，而在原来的位置上形成一个空位，这种缺陷称为弗兰克尔空位。

弗兰克尔缺陷

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9处于不断的运动、消失和形成过程中遇到周围空位换位迁移至晶体表面消失遇到间隙原子消失空位的移动：空位的移动abcdef

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10空位的浓度:温度↑，浓度↑；温度↓，浓度↓。但空位的平衡浓度是很小的(如铜：一般为10-5数量级)。浓度随温度变化而改变，在空位周围的原子会偏离平衡位置出现弹性畸变区。

┕晶格畸变空位引起的晶格畸变

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11b.间隙原子:Interstitialatom

间隙原子可以为晶格中的原子（发生严重晶格畸变），也可能为异类原子(如：H、N、C、B等，晶格畸变较空位严重）。

间隙原子也是一种热平衡缺陷

┕平衡浓度为固溶度或溶解度┕产生晶格畸变┕处于晶格间隙中的原子

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12如果间隙原子是其它元素就称为异类原子

（杂质原子）间隙原子间隙原子引起的晶格畸变

MetallgraphyIb.间隙原子:Interstitialatom

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13c.置换原子:Substitutionalatom产生晶格畸变是一种热平衡缺陷

┕平衡浓度为固溶度或溶解度（比间隙原子的固溶度要大得多）三种点缺陷均为热平衡缺陷，均造成晶格畸变，对金属的性能产生影响。小原子置换引起的晶格畸变┕占据原来基体原子平衡位置的异类原子

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MetallgraphyI晶体中的各种点缺陷1—大置换原子2—肖脱基空位3—异类间隙原子4—复合空位5—弗兰克尔空位6—小的置换原子

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点缺陷对金属性能的影响

1）点缺陷造成晶格畸变，使金属屈服强度升高，电阻增大，体积膨胀等；2）点缺陷的存在加速了金属中的扩散过程，凡与扩散有关的相变、化学热处理、高温下塑性变形和断裂等都与点缺陷的存在和运动密切相关。

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MetallgraphyI2.线缺陷线缺陷就是各种类型的位错。

其特点是原子发生错排的范围只在一维方向上很大，是一个直径为3～5个原子间距，长数百个原子间距以上的管状原子畸变区。位错：是指晶体某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。(Dislocation)位错的基本类型有刃型位错和螺型位错。

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181-3Actualcrystalstructureofmetal位错理论英国皇家学会会员、中国科学院外籍院士R.W.Cahn在其《走进材料科学》中，将位错的发现称为材料科学史上最令人惊叹的奇迹。位错研究是以晶体力学性质的研究开始的。

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MetallgraphyI1-3Actualcrystalstructureofmetal位错理论1920年的欧洲科学家们，如格里菲斯(A.A.Griffith)、约飞(A.A.Joffe)、马辛(G.Masing)和普朗特(L.Prandtl)从固体力学性质的观察和实验出发，弗伦克尔(Y.I.Frenkel)、贝克尔(R.Becker)和波拉尼(M.Polanyi)从计算出发，研究实际晶体力学强度远低于完整晶体理论强度的问题。直到1935年前后，才由泰勒(G.I.Taylor)、奥罗万(E.Orwan)、波拉尼(M.Polanyi)和伯格斯(J.M.Burgers)等把位错模型正确的建立起来。

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MetallgraphyI1-3Actualcrystalstructureofmetal位错理论简介J.P.Hirth在1984在美国底特律位错引入50周年纪念研讨会上对位错理论的创立进行的综述。各种位错理论中涉及的概念、现象、公式等提出年代大致如下：1907年意大利数学家沃尔泰拉提出弹性介质中线缺陷的概念和模型；1934年英国人G.I.Taylor、德国人E.Orowan和M.Polanyi提出晶体中的位错模型；1939年荷兰人J.M.Burgers建立的确定柏氏矢量的方法；1947年R.W.Cahn将他的发现并由他导师E.Orowan命名的多边形化过程，第一次用实验演示了位错的存在；1956年P.B.Hirsch在剑桥大学决定性的工作是用透射电镜在变形的铝薄膜中直接观察到了位错线；......

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iMT211-3Actualcrystalstructureofmetal位错理论简介1956年P.B.Hirsch在剑桥大学决定性的工作是用透射电镜在变形的铝薄膜中直接观察到了位错线；......

MetallgraphyI形成及定义：晶体在大于屈服值的切应力τ作用下，以ABCD面为滑移面发生滑移。滑移后产生额外半原子面EFGH，EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，EF线犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错(或棱位错)。ABCDEFGH刃型位错示意图

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iMT221-3Actualcrystalstructureofmetala.刃型位错:Edgedislocation1-3Actualcrystalstructureofmetal刃型位错分类:正刃位错：额外半原子面位于晶体的上半部，“┻”；负刃位错：额外半原子面位于晶体的下半部，“┳”。正刃位错负刃位错

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MetallgraphyI刃型位错的特征：1）刃型位错有一额外半原子面；2）位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，其中既有正应变，又有切应变。对于正刃型位错，滑移面之上晶格受到压应力；负刃型位错与之相反；3）位错线与晶体滑移方向垂直，即位错运动方向垂直于位错线。

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iMT241-3ActualcrystalstructureofmetalABCDττDADDAD位错线形成及定义：晶体在外加切应力τ作用下，沿ABCD面滑移，由于位错线EF周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺型位错。图中EF线为已滑移区与未滑移区的分界处。b.螺型位错:ScrewdislocationEF

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iMT25螺型位错示意图螺型位错的特征：1）螺型位错无额外半原子面；2）螺型位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，其中只有切应变，没有正应变。3）位错线与滑移方向平行，位错线运动方向与位错线垂直。

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iMT26刃型位错与螺型位错的区别：1）螺型位错没有额外半原子面，而刃型位错有；2）螺型位错只有切应变，没有正应变，而刃型位错均有；3）螺型位错的位错线与晶体的滑移方向相平行，而刃型位错则垂直。4）刃型位错的滑移面是唯一的，而螺型位错可以从一个滑移面滑移到另一个滑移面。

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iMT27c.柏氏矢量:Burgersvector1）柏氏矢量的确定方法柏氏矢量是由柏格斯在1939年提出的，用来表征位错性质及位错区晶格畸变特征的一个矢量。柏氏矢量的确定方法如下：a.在实际晶体中，从距位错一定距离的任一原子M出发，以至相邻原子为一步，沿逆时针方向环绕位错线做一闭和回路；b.在完整晶体中以同样的方法和步骤做相同回路，此时回路没有封闭；c.由完整晶体的回路终点Q到起点M引一矢量，使回路闭和，即为柏氏矢量M(Q)QM→b

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iMT282）柏氏矢量的特征a．可用来判断位错类型：位错线与柏氏矢量垂直——刃型位错，

位错线与柏氏矢量平行——螺型位错；b．柏氏矢量的大小表示位错区晶格畸变总量大小；c．柏氏矢量用来表示晶体滑移的方向和大小：滑移方向为柏氏矢量方向，滑移大小为柏氏矢量大小。M(Q)QM→b

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在外力τ作用下，晶体两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向，而是一条曲线，它是刃型位错与螺旋位错的混合型，这样的位错称为混合位错。位错线上任意一点，经矢量分解后，可分解为刃位错和螺位错分量。晶体中位错线的形状可以是任意的，但位错线上各点的伯氏矢量相同，只是各点的刃型、螺型分量不同而已。d.混合位错（实际晶体中常见）

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30A处为螺型位错（位错线与b平行）C处为刃型位错（位错线与b垂直）AC之间为混合位错CbθA（a）混合位错τABCb（b）混合位错分解为刃位错和螺位错示意图θb螺位错线b混b刃

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31金属强度和位错的关系1—理论强度(不含位错)2—晶须强度(几乎不含位错的小晶体，变形抗力极高)3—未强化纯金属强度（或退火状态）4—合金化、加工硬化或热处理的合金强度晶体塑性变形抗力与位错密度的关系位错密度强度ρm1234金属铁须晶(直径1.6μm)：13400MPa，退火工业纯铁：300MPa，强化处理合金钢：2000MPa。

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32金属强度和位错的关系1—理论强度(不含位错)2—晶须强度(几乎不含位错的小晶体，变形抗力极高)3—未强化纯金属强度（或退火状态）4—合金化、加工硬化或热处理的合金强度晶体塑性变形抗力与位错密度的关系位错密度强度ρm1234晶须中：ρ=10m/cm3——位错密度很小金属铁须晶(直径1.6μm)：13400MPa，退火工业纯铁：300MPa，强化处理合金钢：2000MPa。

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33线缺陷-位错刃型位错螺型位错金属塑性变形后，材料中的位错密度增加，使材料强度硬度提高，称“加工硬化”。强化材料方法之一

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34(1)理论上：位错的存在是材料具有良好塑性变形的前提；

——低密度位错利于强度的提高。(2)实际中：位错密度较低时，↑ρ则σ↓，如：晶须

——无工业实际意义

位错密度较高时，↑ρ则σ↑

——工业意义：形变强化、马氏体相变强化位错的产生：在金属结晶、塑性变形和相变过程中。位错的观察：X透射电镜等。金属强度和位错的关系：

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351-3Actualcrystalstructureofmetal透射电子显微镜-TEM，Transmissionelctonmicroscope

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363.面缺陷影响表面能的主要因素有：（1）外部介质的性质介质不同，表面能不同；（2）裸露晶面的原子密度密排晶面，表面能小；（3）晶体表面的曲率曲率半径越小，表面能越大。a.晶体表面:Planeofcrystal表现形式：处于晶体表面层原子受力不均，偏离平衡位置，并牵连邻近几层原子产生畸变，表面能升高。主要包括晶体外表面和内界面(晶界、亚晶界、相界、堆垛层错)。指金属与真空或气体、液体等外部介质相接触的界面。

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37b.晶界:Grainboubdary⑴小角度晶界

晶界与界面能：晶界是成分结构相同的同种晶粒间的界面。界面上的原子处在断键状态，具有超额能量。在界面单位面积上平均的超额能量叫界面能。θ对称倾斜晶界晶界的结构和性质与相邻晶粒的取向差有关，当取向差θ小于10o时，称为小角度晶界。它由两个晶粒各倾斜θ/2构成的一系列位错组成(或称为位错墙)。根据形成晶界时的行为不同，晶界分为对称倾斜晶界和扭转晶界。

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MetallgraphyI倾斜晶界扭转晶界晶界上的原子排列由相互交叉的螺旋位错组成

MetallgraphyI⑴小角度晶界

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39ABDC大角晶界模型⑵大角度晶界

相邻晶粒间的位向差大于10°的晶界。大约2~3个原子厚，原子排列较混乱，结构较复杂，由原子排列紊乱区域与原子排列较整齐区域交替相间而成。

即在界面上既包含不属于任意晶粒度原子A，也包含同时属于两个晶粒度原子D；既包含有压缩区B，也包含有扩张区C。

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晶粒内部位向差小于2°的亚结构，也称亚晶粒，亚晶之间的界面，称为亚晶界。

通常由位错构成，为小角度晶界。c.亚晶界:subgrainboundary金属中的亚晶组织金属晶粒内的结构示意图

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41亚晶界通常由位错构成

亚晶界模型

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42在多相组织中，具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界。d.相界:Phaseboundary

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