金属学 第一章 绪论金属的晶体结构.ppt

1、欢迎来到材料工程学院金属材料系的金相和热处理世界，学习重点：一个中心：金属和合金的成分和组织结构之间的变化规律；两幅图：相图和曲线；五种转变：珠光体转变、奥氏体转变、贝氏体转变、马氏体转变和回火转变；四火：正火、退火、淬火和回火；八种钢材：渗碳钢、调质钢、轴承钢、刀具钢、模具钢、量具钢和特殊性能钢。第一章是金属的晶体结构，第一节是金属1。金属特性：外观特性：金属光泽和不透明度；电阻的正温度系数；良好的机械性能，良好的导电性和导热性；2.金属的原子结构：最外层只有1-2个电子，第二外层不满足。金属键：正离子浸没在电子云中，并通过在它们之间运动的公共自由电子的静电作用而结合的方式称为金属键；无方向

2、性和饱和度。3.固体金属的特性：导电性、导热性、电阻、光泽和不透明性；4.结合力：包括：正离子与周围自由电子之间的吸引力；正离子和电子之间的排斥力；吸引力和排斥力的代数和，从图中可以看出：当d=d0时，吸引力排斥力和结合力为0，d0相当于原子的平衡位置；当d做时，排斥力吸引原子相互排斥，这使得原子回到d0的位置；当dd0时，吸引力和排斥力相互吸引，这使得原子回到d0位置。原子间的最大结合力不在平衡位置，但在直流位置，最大结合力对应于金属的理论抗拉强度。5.结合能：结合能：吸引能和排斥能的代数和，如图所示；当d=d0时，结合能最低，因此任何偏离平衡位置的情况都会增加原子的势能，从而使其回到平衡位

3、置。EAB:原子间的结合能或键能；固体金属中的原子倾向于规则排列的原因是广义的。第2节金属的晶体结构，1。晶体和非晶：晶体：内部原子按照一定的规则周期性地重复排列在三维空间中；例如：DIA、冰、盐、各种金属成分等。无定形的：内部原子是分散的，至多是一些局部的短程规则排列；例如：玻璃、棉花、松香等。2.晶体的性能特点：晶体有一定的熔点；晶体具有各向异性。晶体通常有特定的几何形状；相互转化。结晶学概念介绍：空间晶格：描述晶体中原子(离子或分子)排列的空间晶格，也称为晶格。如图单元所示：从晶格中选出的能充分反映原子排列规律的最小几何单位。晶胞晶格参数：坐标轴：轴，轴，轴晶格常数：晶胞的边长表示为，轴

4、夹角：单元边的夹角分别表示为、和。晶系：根据六个参数之间的关系，晶体可分为七个晶系和十四种布雷迪晶格，如第六册表11所示；有三种典型而常见的金属晶体结构：体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构；在本文中，晶体的实际粒子被忽略，抽象为纯几何点，称为阵列点或节点。这些阵列点由许多平行线连接形成三维空间网格。4.三种典型的金属晶体结构：1)体心立方晶格(bcc):如原子分布所示：晶胞的八个顶点各有一个原子，在立方体的中心还有一个原子；原子序数：晶格常数：a=b=c；=90；原子半径：立方体对角线方向的原子彼此紧密排列；R=密度：用于描述晶胞中原子排列的紧密度；是单位晶胞中所含原子的体积与单位晶胞的

5、体积之比，用k表示。密度：k=nv1/V n:单位晶胞中实际所含原子的数量；V1:原子的体积(配位数：晶格中离任何原子最近且等距的原子数，表示为N。例如：bcc的N=8。含钡铜的金属包括铁、铬、钼、钨、钒等。2) fcc单元：如图所示，在八个顶点的每一个上都有一个原子，在立方体的每个面的中心也有一个原子。原子数量：每个顶点上的原子同时属于8个单元，而平面中心的原子被两个相邻的单元共享；原子数是晶格常数：a=b=c；=90原子半径：原子在每个面的对角线上紧密接触；R=密度和配位数：K=nv1/V0.74，N=12。如图所示，fcc金属有：铁、铝、铜、镍、银等。3)密排六方晶格(hcp)显示为原子

6、分布：六方体的12个顶点各有一个原子，上下底面中心有一个原子，晶胞中有三个原子。原子序数：原子半径：r=a/2密度和配位数：K=nv1/V0.74，N=12。晶格常数：底边长度A，两底面之间的高度C，c/a在轴向比例上称为含hcp的金属：铍、镁、锌等。5.晶体中的原子堆积模式：1)问题：为什么fcc和hcp具有不同的晶体结构，但具有相同的配位数和密度？原因由晶体中原子的堆积方式决定。从图110可以看出：图a)显示了原子在平面上最密集的排列，这是最密集的排列表面，对于hcp结构，最密集的排列表面是其底面；对于面心立方结构，最密集的平面是由对角线组成的平面；紧密堆积表面的原子中心被连接成六边形网格

7、，该网格可以被分成六个等边三角形，并且这六个等边三角形的中心与原子的六个空隙的中心重合，如b)所示；这六个等边三角形可以分成两组，B组和C组，每组形成一个等边三角形，如C)所示；从图111可以看出，为了获得最接近的排列，第二层(层)的每个原子应该落在下一层(层)的b组(或c组)间隙上；第三层原子有两种堆叠方式：第三层的每个原子中心对应第一层(层)的原子中心，堆叠顺序如下：hcp结构，如图112所示；第三层(层)的每个原子中心位于第二层原子和第一层原子的间隙中心，堆积顺序如下：fcc结构，如图113所示。因此，fcc和hcp有不同的结构和堆积方式，但显然它们的致密性是完全相同的，所以它们的致密性

8、和配位数是相同的；2)bcc中原子的堆积模式：BCC中原子密集排列的平面是由两条对角线连接立方体构成的平面，如图114所示，通常称为亚密集平面；它被四个原子紧紧包裹着。bcc中原子的堆积方式如下：第二层中的原子应落在第一层的空穴中心，第三层中的原子位于第二层的空穴中心并与第一层的原子中心重合。堆叠顺序为：如114所示；6.晶体中的间隙：无论晶体中的原子堆叠得多么紧密，也有间隙：bcc中有两种间隙：八面体间隙和四面体间隙，它们是不对称间隙；八边形间隙：如图115所示，它被6个原子包围，是一个不对称的八面体间隙；从四个角上的原子中心到间隙中心的距离是间隙半径；从顶点原子到间隙中心减去原子半直径的距

9、离是间隙中心位置：每个面的面中心和每个边的边中心；四面体间隙：如图115所示，这个间隙被四个原子包围，是一个不对称的四面体间隙；原子中心到间隙中心的距离：间隙半径：很明显，四面体间隙大于八面体间隙；间隙位置：在每个平面中线的1/4和3/4处，每个平面上有四个间隙；面心立方有两种间隙：八面体间隙和四面体间隙，它们是对称间隙；八头间隙：如图116所示，每条边的长度相等；从每个原子的中心到间隙中心的距离相等，这就是规则的八面体间隙；间隙半径：间隙中心位置：单元中心和边缘中心；四面体间隙：如图116)特征：每条边的长度相等；从每个原子的中心到间隙中心的距离相等，这是一个正四面体间隙；间隙半径：间隙中心

10、位置：每个物体对角线的1/4或3/4。显然，八面体间隙大于四面体间隙；概要：7，晶体取向指数和晶体平面指数：晶体中由一系列原子组成的平面；晶体取向：任何两个原子之间的连线所指向的方向1)晶体取向指数：一种用来表示晶体中原子排列和取向的符号，用uvw表示；确定步骤：设置坐标轴：以晶胞的三条边为坐标轴x、y、z计算坐标值：通过原点引出一条平行于待确定晶体方向的有向直线，以晶格常数为测量单位，计算该方向最近原子的坐标值。整数约简：三个坐标值被约简为最小的简单整数，放在方括号内，一般用uvw表示。找到如图所示的晶体取向指数。AB取向的取向指数为110。注：所有相互平行且方向相同的晶体取向具有相同的晶体

11、取向指数。当晶体取向指数的某个坐标在负方向时，坐标值为负。例如，同一条线有两个相反的晶向，其晶向指数的数目是相同的，但符号是相反的。例如，对于晶体取向族，具有相同原子排列但不同空间取向的所有晶体取向构成晶体取向族，其由uvw表示。特征：在立方晶体中，取向指数的数目是相同的，但排列顺序不同，所以它们具有相同的原子排列；例如，100包括6个晶体取向，它们是：110包括12个晶体取向，它们是：2)晶面指数：表示晶体中晶面的原子排列和取向的符号；确定步骤：设置坐标轴：以晶胞的三条边为坐标轴，坐标轴的原点应在待确定的晶面之外。求截距：以晶格常数a、b和c为测量单位，求晶面在各轴上的截距。倒计时：倒计时每

12、个截距值。整数缩减：将前三个倒数数字缩减为最小的简单整数，并将它们放在括号中。通常表示为(hkl)，如果截距为负，则在相应的指数上加上负号，如(kl)。注：如果晶面平行于坐标轴，截距被认为是0，其倒数是0；晶面指数不仅指晶格中的某个晶面，还指晶格中所有平行的晶面。当两个晶面的指数的数量和顺序相同且完全不同时，两个晶面相互平行，可以简化为相同的晶面指数；如：(100)和晶面族：在同一个晶格中，虽然有些晶面在空间位置上不同，但它们的原子排列是完全相同的，所以这些晶面被归为同一晶面族，用hkl表示；特点：在立方晶系中，晶面的数目是相同的，但顺序不同，所以这些数目是排列组合在一起的；例如，110晶面族

13、包括6个晶面：在立方晶体中，当一个晶向uvw位于或平行于某一晶面(hkl)时，则Hukvlw=0；当某一晶体方向垂直于某一晶面时，U=h，v=k，w=l。例如，111晶体取向垂直于(111)晶面。如图8所示。晶体的各向异性：1)几个基本概念：晶粒：固体金属通常由许多称为晶粒的晶体颗粒组成；单晶：由一个颗粒组成的晶体；多晶的：由许多颗粒组成的晶体；晶界：晶粒间的界面；2)晶体的各向异性：定义：晶体在各个方向具有不同性质的现象是晶体和非晶晶体区别的重要标志；原因：单晶的各向异性是由于原子在不同晶向的排列密度不同，所以原子间的结合力不同，导致各向异性；在具有不同-Fe1.16/a和方向1/a，e的多

14、晶中，每个晶粒的取向是任意的，如图所示，晶粒的各向异性被抵消，所以它在多晶中不显示各向异性，这被称为伪各向同性；9。金属的同构转变(金属的多态性):定义：某些金属(铁、锰、钛、钴等)的现象。当外部条件(温度、压力)改变时，从一种晶体结构变为另一种晶体结构；例如，铁的同分异构转变：有三种同分异构的晶型，-铁，-铁，-铁：912:-铁(BCC)-铁(FCC)；1394:-铁(FCC)-铁(bcc)；如图所示，不同的晶体结构具有不同的密度，因此当发生多晶型转变时，会伴随着比容或体积的突然变化；第三节实际金属晶体缺陷的晶体结构：实际金属中原子排列不完整的区域通常称为晶体缺陷；根据几何特征，晶体缺陷可分

15、为点缺陷、线缺陷和表面缺陷。1.点缺陷：特征：三个方向尺寸都很小；包括三种类型：空位、间隙原子和置换原子；如图137，1.1空位：能量波动：原子不断热振动-空位：当晶格中的一些原子由于某种原因(如热振动的偶然偏离)偏离初始平衡位置时，一个称为空位的空节点出现在它的位置。空位原子去哪里：原子迁移到晶体表面，这种空位称为肖特基空位，如图132所示；原子迁移到晶格的间隙中，这种空位称为弗兰克空位，如图132所示)；原子迁移到其他空位，这可以改变空位的位置；空位的特征如下：(1)在一定温度下，空位有一定的平衡浓度；例如，Cu1350k10-5，晶体中的空位位置不是固定的，而是在不断的运动、消失和形成的

16、变化中；如图133所示；1.2间隙原子：晶格间隙中的原子，称为间隙原子；图；同种原子的间隙原子：例如，弗兰克空位产生的间隙原子；异质原子的间隙原子：小半径的杂质原子或合金原子，如：等。对于异质间隙原子，它们的平衡浓度称为固体溶解度或溶解度；1.3取代原子：如果异质原子占据了原始节点的平衡位置，则称之为取代原子；平衡浓度也称为溶解度或固体溶解度，但它通常比间隙原子的固体溶解度大得多；1.4缺陷造成的后果：导致晶格畸变和性质改变；强度和电阻晶格畸变：空位和间隙原子的存在使周围原子偏离平衡位置，有几个或几个原子间距范围的弹性畸变区，称为晶格畸变；图；2.线缺陷：它们是各种各样的位错；特点：两个方向尺

17、寸较小，另一个方向相对较大；位错：晶体中某处有一列或几列原子的规则位错，这使得长度在几百至数万原子距离范围内、宽度在几个原子距离范围内的原子离开它们的平衡位置，引起规则位错。简单地说，晶体的滑动部分和非滑动部分之间的分界线叫做位错。最基本的类型是“边缘错位”和“螺钉错位”。1)边缘位错：模型：如图所示，有一个简单的立方晶体，晶体内部有一个原子面被打断。这个原子平面的中断部分是边缘位错；这就像用刀子切割晶体的上部，沿着切割的硬边插入一个额外的半原子表面，把切割边缘的原子柱称为边缘位错线；边缘位错：额外的半原子表面位于晶体的上部，表示为：如图所示，负边缘位错：额外的半原子表面位于晶体的下半部分，用t表示；队形：如图所示；局部区域晶体滑移引起的位错；如图所示；由于滑移，滑移区和非滑移区之间的边界出现在晶体中，原子的规则性在边界附近被破坏，这是一种边缘位错；位错：晶体中滑移区和非滑移区之间的边界；特征：有一个额外的半原子表面，如图所示，位错线是一个有一定宽度的细长晶格畸变管(位错也有一个宽度，大约35个原子间距)。位错线周围的晶格畸变区存在弹性应力场。既有剪切应