《纯金属的晶体结构》PPT课件.ppt

1、第一章 纯金属的晶体结构,11 金属的概念 一、金属的特性 ： 金属元素的数量大：83/105 固态金属的特性：不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性，并且随着温度的升高，金属的导电性降低，电阻率增大，即金属具有正的电阻温度系数。 金属定义：金属是具有正的电阻温度系数的物质。 固态金属特性，是由金属原子的结构特点和金属原子结合的特点所决定的。 二、金属原子的结构特点、金属的结合 金属晶体正是依靠各正离子与公有化的自由电子之间的相互作用（吸引、排斥）就形成了结合键，使原子紧凑而规则地排列在一起。金属原子间的结合键称为金属键。,化学元素周期表,金属键模型,金属原子越靠近，相互作用越强。电

2、子气,金属塑性,发生塑性变形时，金属键并未破坏,利用金属键的性质解释金属的特性。,三、金属的结合能 1、金属的结合能 2、双原子作用模型 相邻二原子之间便发生两种相互作用；一种是相互吸引作用，另一种是相互排斥作用，促使原子彼此离开。排斥力是一种短程力；而吸引力是一种长程力，两者的大小与两个原子间的距离D有关。,双原子作用模型,势能 平衡位置 平衡距离 热振动,周期势场,势谷 势垒 激活能 势垒高度,结合能,原子间的结合力就是由吸引力与排斥力合成的。同样的，原子间的结合能也是由吸引能与排斥能合成的。 固体的键合强度可以用其结合能来标志，它就等于将晶态拆散为等量的中性原子状态所需要吸收的能量，也就

3、是实验测定的升华热。 范德瓦耳斯键的结合能最低，一般的金属晶体与共价晶体的结合能是同一数量级，过渡金属的结合能最高。,12 金属晶体,一、晶体的特点 晶体具有下列特点： 第一、 原子在三维空间都是按一定规律整齐排列的。而非晶体中原子则是杂乱地分布着。 第二、 晶体具有一定熔点，非晶体则没有。 第三、晶体的性能具有各向异性，非晶体是各向同性的。 第四、 许多晶体具有规则的几何外形。,1 金属晶体,NaCl,等同点,Na+是一类等同点 Cl是另一类等同点 晶体结构中各类等同点所构成的几何图形是相同的。,空间点阵,结点 空间点阵（点阵） 晶格 元胞（阵胞） 晶胞,如果只是为了表达空间点阵的周期性，则

4、应该选取最小的平行六面体作为单位阵胞。,二维阵胞,晶胞,棱 棱面夹角 晶轴 晶胞常数（点阵常数） 晶轴间夹角 结点数 结点坐标,复杂阵胞,为了同时反映空间点阵的对称性和周期性，须选取比简单阵胞更大的复杂阵胞。结点即可以在顶点处，也可以在体心和面心处。,复杂阵胞的条件： 1、同时反映空间点阵的对称性和周期性 2、尽可能多的直角 3、体积最小,布拉菲点阵 四类点阵,根据结点在阵胞中的位置不同，可将14种Bravais点阵分为四类： 1.简单点阵 P 2. 底心点阵，C 3 .体心点阵 I 4 .面心点阵 F,七个晶系,根据点阵常数的不同，可将晶体点阵分为七个晶系。 1、立方晶系 P，I，F 2 、

5、正方晶系 P，I 3、斜方晶系 P，I，C，F 4、菱方晶系 R 5、六方晶系 P 6、单斜晶系 P，I 7、三斜晶系,课上习题,1、画出体心立方、面心立方点阵示意图。并标出结点的个数和坐标。 2、画出底心斜方点阵示意图。并标出结点的个数和坐标,二、晶面指数和晶向指数,晶面 晶向 晶面指数 晶向指数,空间点阵中的结点平面和结点直线相当于晶体结构中的晶面和晶向。,1、立方晶格的晶面指数,确定立方晶格的晶面指数的步骤如下： 1、设坐标 2、求截距 3、取倒数 4、化整数 5、列括号 晶面组 晶面族 立方晶系中的晶面族：1003个； 111 42个； 11062个 在同一晶体中的不同晶面上原子分布状

6、况及排列紧密程度是不同的,晶面指数,晶面指数,晶面指数,课上习题,图中给出立方晶体的4个晶 面，求晶面指数。,2、立方晶格的晶向指数,确立立方晶格的晶向指数方法如下： （1）设坐标；（2）求坐标值； （3）化整数；（4）列括号 晶向指数还具有以下规律： （1）当晶向指数都乘以负号时，其晶向的方向相反。 （2）所有相互平行的晶向，其晶向指数相同。 （3）晶向族，用表示。 （4）在立方晶格中，如果晶面指数和晶向指数的数字相同，则彼此相互垂直。,课上习题,求出图中所示各晶向P的晶向指数,3、六方晶格,（1）晶面指数 三轴坐标系中六个侧面的指数为（010）（110）（100）（010） （110）（1

7、00） 。而在四轴坐标中，为（0110）（1100）（1010）（0110）（1100）（1010）（hkil) 其中I-(h+k) 1代表的是负指数。 (2)晶向指数 OM和ON在三轴中的坐标是（011） （210）,uvtw与UVW的关系：,13 纯金属的晶体结构,一、三种晶体结构的特点 、体心立方晶格；2、面心立方晶格 3、密排六方晶格 二、表明晶体结构特征的参数 1、晶胞中的原子数 2、原子半径和原子体积 3、配位数与致密度 4、晶体结构的间隙数 三、三种晶体结构中原子的堆垛规律,三种晶体结构,表明晶体结构特征的参数,体心立方,晶体中的原子数 2 原子半径 ： 原子体积： 配位数： 8

8、 致密度：0.68 八面体间隙半径：0.067a,6个,四面体间隙半径：0.126a，12个,体心立方间隙,体心立方,4.晶胞中四面体空隙,代表四面体空隙，位置在6个面的如图所示位置。个数=641/2=12,1,2,3,4,5,6,4.晶胞中八面体空隙,代表八面体空隙，位置在6个面的中心，12棱的中心。个数=61/2+121/4=6,面心立方晶格,面心立方间隙,八面体：0.146a 4个 四面体：0.08a,8个,5.晶胞中四面体空隙和八面体空隙,八面体空隙个数=121/4+1=4 四面体空隙个数=8,密排六方间隙,密排六方间隙,三、三种晶体结构中原子的堆垛规律,密排面,体心的堆积,密堆方式,

9、二层密堆,ABC堆积,AB堆积,A1：立方体的体对角线方向，共4条，故有4个密堆积方向，易向不同方向滑动，而具有良好的延展性。如Cu. A3：只有一个方向，即六方晶胞的C轴方向，延展性差，较脆，如Mg.,A1、A3型堆积的不同,两种密堆结构的比较,四、晶体的各向异性及同素异构转变,晶体的伪各向同性 2、晶体的同素异构转变 同素异构体 重结晶过程 规律：有一定的转变温度；转变时需要过冷（或过热）；有结晶潜热产生；转变过程也是由形核及核长大来完成的。,铁的同素异构转变,Fe,14 金属的实际晶体结构二、金属实际晶体结构,一、金属晶体是多晶体 金属材料都是由尺寸大小不等，晶体结构相同、空间结晶方位不

10、同的单晶体（晶粒）组成的，单晶体（晶粒）之间由界面相隔开。,纯铁的显微组织,点缺陷,空位与间隙原子造成晶格畸变,置换原子造成晶格畸变,能量起伏 晶格畸变,空位和间隙原子的形成是热运动的必然结果 。 晶格畸变：畸变的结果将导致能量的升高，从而也促进了晶体组织的转变。另外畸变也使晶体的强度、硬度和电阻增加。,点缺陷是一种热力学平衡缺陷,从热力学中己知，一个过程是否能够自发进行，取决于体系的吉布斯自由能的变化。 G0。 GU+PVTS。在固态的条件下，体积的变化V常常可以忽略不计，因此可以近似地认为：GUTSF 假设在一个有N个原子的理想晶体中，引入n个空位内能将增加nUv。,点缺陷是一种热力学平衡

11、缺陷,另一方面，n个空位的形成也引起了体系熵值的变化，熵变可分为两部分，一部分叫排列熵 ScKln （3）,结构熵 振动熵,结论：,空位是一种热力学平衡的缺陷。 是在一定的温度下，晶体中总是会存在着一定数量的空位，这时体系的能量处于最低的状态。 具有平衡空位浓度的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。,图示,性质,空位和间隙原子的浓度是随温度升高而急剧增加。 空位是以较可观的数目存在，而间隙原子的数目很少 空位和间隙原子处于不断的运动和变化之中。 空位、间隙原子和置换原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式。 造成过饱和点缺陷的主要有3个方面因素； (1)高温激冷；(2)大量的冷变形；(3)高能粒子

12、辐照。,点缺陷对金属的性能的影响,(1)使电阻增大， (2)、点缺陷的增加还使金属的密度下降；(3)过饱和的点缺陷可提高金属的屈服强度； 固溶强化 (4)空位对于金属中以扩散为基本过程的许多现象有重要的影响，特别是在高温条件下，例如高温氧化、烧结、表面化学热处理，以及均匀化退火等等。,(二）、线缺陷,金属晶体中的线缺陷就是位错。位错就是晶体中的一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。它的宽度大约是35个原子间距。而位错的长度一般是几百个到几万个原子间距。宽度和长度比较起来小得很多很多，因而称为线缺陷。 两种类型：刃型位错，螺型位错。,刃型位错,弹性应力场 压应力 拉应力,刃型位错造成金属的强化

13、,刃型位错的应力场会与间隙原子和置换原子发生弹性相互作用，吸引这些原子向位错区偏聚。小的间隙原子，如钢铁中的碳、氮原子，往往钻入位错管道；置换原子则富集在位错管道周围。这样会降低晶格畸变能，同时使位错难以运动，因而造成金属的强化。,位错与缺陷的作用示意图,螺型位错,螺型位错周围的弹性应力场呈轴对称分布 右螺型位错 左螺型位错,螺型位错,混合型位错,刃型位错和螺型位错混合而成的,钼中的六角位错网络,柏氏向量,在切应力作用下，位错线很容易沿滑移面运动。一根位错线扫过滑移面，滑移面两边的原子就相对移动一个原子间距。大量位错扫过滑移面，就造成晶体的宏观切变。 柏氏向量的方向就是原子移动的方向，也就是晶

14、体滑移的方向。柏氏向量的大小就是原子移动的距离。它总是由一个平衡位置指向另一个平衡位置,而不能是任意的方向和大小。 每一根位错线都有自己的柏氏向量。,柏氏向量确定的步骤,（1）规定位错线的正方向。是任意选定的。 （2）作垂直于位错线的平面。 （3）在这个平面上沿相互垂直的四个方向各移动同样的步数，作出围绕位错的回路。当沿位错的正方向朝前看时，按顺时针方向进行。这种回路通常称为柏氏回路。 （4）回路不封闭时就表明存在着位错。柏氏矢量就是闭合回路所需要的矢量（图中b所表示的矢量）。柏氏矢量等于滑移矢量。位错在柏氏矢量方向上的运动称为滑移运动。,柏氏向量确定示意图,单位位错 简单立方结构 111方向

15、，b=a方向 大小是 体心立方：方向 大小是,位错的运动,位错沿滑移面运动时，尽管位错线的形状和类型可能改变，但是它的柏氏向量恒定不变。 无论是何种位错，都有一个共同特点，就是：在位错的一边是已滑移区，另一边是未滑移区。位错就是已滑移区和未滑移区上的边界线。 位错密度： 式中V晶体的体积；S体积为V的晶体中位错线的总长度。 一般经过适当退火的多晶体金属中，位错密度为106108；超纯单晶体金属，其位错密度很低(103)。而经剧烈冷变形金属，位错密度可增至10111012。,位错对金属材料性能的影响,（1）位错的运动及分布，可以引起晶体的宏观范性形变。 （2）晶须中不含有位错，不易塑性变形，故强

16、度很高。而一般金属中含有位错，易于塑性变形，故强度低。 （3）如果金属晶体中位错密度很高，由于位错之间的相互作用和制约，金属的强度也可以提高。 （4）晶体中的位错并不是固定不变的，当晶体中的原子发生热运动或晶体受外力作用而发生塑性变形时，位错就可以从在晶体内运动。,（三）面缺陷,晶体的面缺陷包括晶体的外表面和晶体内部的晶粒间界、亚晶界、相界等，后几种又称为晶体的内表面。 （1）晶体的外表面 ： （1）涉及几个原子层，这几层能量高的原子层都属于表面。 （2）表面能 ：在数值上，表面能等于表面张力。 金属表面能与晶体结构有关。表面原子排列越紧密越平整，其表面能越低。另外，表面能还与表面曲率有关。表

17、面曲率越大，即曲率半径越小，表面能越高。这些特点对于金属的结晶和固态相变有着重要的作用。,晶体的内表面,晶界的厚度，取决于相邻晶粒之间的位向差以及金属的纯度。位向差越小，纯度越高，晶界层越薄。 相邻晶粒位向差小于100的晶界，称小角度晶界；相邻位向差大于100的晶界，称为大角度晶界。,界面能,大角度晶界示意图,晶界界面能很低重合位置点阵模型,界面的性质,（A）、表面和晶界具有吸附和偏聚杂质原子的作用。 （B）晶界具有较高的强度和硬度。因此，晶粒越细，金属的强度、硬度也就越高。 (C) 晶界的熔点较低。 (D) 发生相变时，新相往往首先在母相的晶界上形核。 （E）晶界总比晶粒内部的腐蚀速度要快。

18、 (F) 晶界的电阻高于晶粒内部。 （G）晶界上扩散速度要比晶粒内部快。 （H）当温度升高、原子动能增大时，就能促使晶粒的长大。,亚晶界,实际晶体的晶粒内部，存在许多尺寸很小，位向差很小（一般是几十分到1020）的小晶块，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚结构（或称为亚晶、嵌镶块）。在亚结构的内部，原子的排列位向是一致的 亚晶界 总结：金属的实际晶体结构不是理想完整的，存在各种各样的晶体缺陷。它是非常重要的，金属中许多重要过程，都是依靠晶体缺陷的运动来完成的；金属许多性能都与晶体缺陷有关。所以要正确认识晶体缺陷。,15 金属晶体中的扩散,一、概述 （一）、扩散的实质固体扩散的微观过程：金

19、属晶体的扩散是原子的热激活过程，依靠原子的热运动来完成。 扩散推动力 大量原子无序跃迁的统计结果，就造成物质的定向迁移，即发生扩散。,（二）金属晶体扩散的条件,1、温度要足够高 2. 时间要足够长。 例如，向钢中渗碳，渗碳层达到0.8mm时，需要长达810小时才能完成。 3扩散原子要固溶 4、扩散要有推动力,扩散推动力,AB B A,扩散推动力,扩散推动力的作用，就在于使对称的周期势场向自由能降低方向倾斜，因此造成原子正向与反向跃迁几率不相等，从而发生扩散。所以扩散要有推动力。 扩散的推动力可以是浓度梯度造成的化学自由能差，也可是应力梯度造成的应变自由能差，还可以是表面自由能差。总之，扩散推动

20、力是自由能差，扩散总是向自由能降低的方向进行。,（三）、金属晶体扩散分类,晶体扩散两类：一类是互扩散、另一类是自扩散。 互扩散就是伴有浓度变化的扩散，它与异类原子的浓度差相关。在互扩散过程中，异类原子相对扩散，互相渗透，所以又叫作“异扩散”或“化学扩散”。互扩散总是在不均匀固溶体中进行的。 互扩散又可分为“下坡扩散”和“上坡扩散”两种。下坡扩散是沿着浓度降低方向进行的扩散，使浓度趋于均匀化。上坡扩散则是沿着浓度升高方向进行的扩散，即由低浓度向高浓度方向扩散，使浓度发生两极分化。,硅钢中的上坡扩散,应力作用下的上坡扩散,自扩散,互扩散还可分为“原子扩散”与“反应扩散”两种。如果在扩散过程中，基体

21、晶格始终不变，没有新相产生，这种扩散就称为原子扩散。反之，在扩散过程中，当浓度变化到一定值时，引起基体晶格转变，形成新相，这种扩散称为反应扩散。 自扩散就是不伴有浓度变化的扩散，它与浓度梯度无关。自扩散只发生在纯金属中和均匀固溶体中。 固态扩散是在自由能差推动下，依靠原子的热激活而进行的物质迁移过程。物质总是向自由能降低的方向扩散。,二、扩散机理,所谓扩散机理，就是扩散原子在晶体点阵中换位的具体方式。 1、 间隙扩散机理 2、空位扩散机理 3、换位扩散机理 4、位错扩散机理 5、晶界扩散机理 6、表面扩散机理 扩散激活能,扩散激活能,固态金属中的扩散主要是借助晶体缺陷来进行的，如果没有各种晶体缺陷存在，金属原子的扩散要困难多，甚至是难以进行的。,三、扩散定律,扩散定律又叫菲克定律，第一定律