金屬的結(jié)構(gòu)與缺陷

1、第一章 材料的結(jié)構(gòu)重點(diǎn)與難點(diǎn)： 在晶體結(jié)構(gòu)中，最常見的面心立方結(jié)構(gòu)（fcc）、體心立方結(jié)構(gòu)（bcc）、密排六方結(jié)構(gòu)（hcp）、金剛石型結(jié)構(gòu)及氯化鈉型結(jié)構(gòu)。內(nèi)容提要： 在所有固溶體中，原子是由鍵結(jié)合在一起。這些鍵提供了固體的強(qiáng)度和有關(guān)電和熱的性質(zhì)。例如，強(qiáng)鍵導(dǎo)致高熔點(diǎn)、高彈性系數(shù)、較短的原子間距及較低的熱膨脹系數(shù)。由于原子間的結(jié)合鍵不同，我們經(jīng)常將材料分為金屬、聚合物和陶瓷3類。在結(jié)晶固體中，材料的許多性能都與其內(nèi)部原子排列有關(guān)。因此，必須了解晶體的特征及其描述方法。根據(jù)參考軸間夾角和陣點(diǎn)的周期性，可將晶體分為7種晶系，14種晶胞。本章重點(diǎn)介紹了在晶體結(jié)構(gòu)中，最常見的面心立方結(jié)構(gòu)（fcc）、體心

2、立方結(jié)構(gòu)（bcc）、密排六方結(jié)構(gòu)（hcp）、金剛石型結(jié)構(gòu)及氯化鈉型結(jié)構(gòu)。務(wù)必熟悉晶向、晶面的概念及其表示方法（指數(shù)），因?yàn)檫@些指數(shù)被用來建立晶體結(jié)構(gòu)和材料性質(zhì)及行為間的關(guān)系。在工程實(shí)際中得到廣泛應(yīng)用的是合金。合金是由金屬和其它一種或多種元素通過化學(xué)鍵合而成的材料。它與純金屬不同，在一定的外界條件下，具有一定成分的合金其內(nèi)部不同區(qū)域稱為相。合金的組織就是由不同的相組成。在其它工程材料中也有類似情形。盡管各種材料的組織有多種多樣，但構(gòu)成這些組織的相卻僅有數(shù)種。本章的重點(diǎn)就是介紹這些相的結(jié)構(gòu)類型、形成規(guī)律及性能特點(diǎn)，以便認(rèn)識組織，進(jìn)而控制和改進(jìn)材料的性能。學(xué)習(xí)時(shí)應(yīng)抓住典型例子，以便掌握重要相的結(jié)構(gòu)中

3、原子排列特點(diǎn)、異類原子間結(jié)合的基本規(guī)律。 按照結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可以把固體中的相大致分為五類。 固溶體及金屬化合物這兩類相是金屬材料中的主要組成相。它們是由金屬元素與金屬元素、金屬元素與非金屬元素間相互作用而形成。固溶體的特點(diǎn)是保持了溶劑組元的點(diǎn)陣類型不變。根據(jù)溶質(zhì)原子的分布，固溶體可分為置換固溶體及間隙固溶體。一般來說，固溶體都有一定的成分范圍?；衔飫t既不是溶劑的點(diǎn)陣，也不是溶質(zhì)的點(diǎn)陣，而是構(gòu)成了一個(gè)新的點(diǎn)陣。雖然化合物通?？梢杂靡粋€(gè)化學(xué)式（如AxBy）表示，但有許多化合物，特別是金屬與金屬間形成的化合物往往或多或少由一定的成分范圍。材料的成分不同其性能也不同。對同一成分的材料也可通過改變內(nèi)部結(jié)構(gòu)

4、和組織狀態(tài)的方法，改變其性能，這促進(jìn)了人們對材料內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究。組成材料的原子的結(jié)構(gòu)決定了原子的結(jié)合方式，按結(jié)合方式可將固體材料分為金屬、陶瓷和聚合物。根據(jù)其原子排列情況，又可將材料分為晶體與非品體兩大類。本章首先介紹材料的晶體結(jié)構(gòu)?；疽螅?.認(rèn)識材料的3大類別：金屬、聚合物和陶瓷及其分類的基礎(chǔ)。2.建立原子結(jié)構(gòu)的特征，了解影響原子大小的各種因素。3.建立單位晶胞的概念，以便用來想像原子的排列；在不同晶向和鏡面上所存在的長程規(guī)則性;在一維、二維和三維空間的堆積密度。4.熟悉常見晶體中原子的規(guī)則排列形式，特別是bcc，fcc以及hcp。我們看到的面心立方結(jié)構(gòu)，除fcc金屬結(jié)構(gòu)外，還有NaCl

5、結(jié)構(gòu)和金剛石立方體結(jié)構(gòu)。5. 掌握晶向、晶面指數(shù)的標(biāo)定方法。一般由原點(diǎn)至離原點(diǎn)最近一個(gè)結(jié)點(diǎn)（u,v,w）的連線來定其指數(shù)。如此放像機(jī)定為u,v,w。u,v,w之值必須使互質(zhì)。晶面指數(shù)微晶面和三軸相交的3個(gè)截距系數(shù)的倒數(shù)，約掉分?jǐn)?shù)和公因數(shù)之后所得到的最小整數(shù)值。若給出具體的晶向、鏡面時(shí)會(huì)標(biāo)注“指數(shù)”時(shí)，會(huì)在三維空間圖上畫出其位置。6. 理解Hume-Rothery規(guī)則，能用事例說明影響固溶度（摩爾分?jǐn)?shù)）的因素（原子尺寸、電負(fù)性、電子濃度及晶體結(jié)構(gòu)）。7. 熟悉下列概念和術(shù)語：金屬學(xué)、材料科學(xué)基礎(chǔ)； 晶體、非晶體；結(jié)合能、結(jié)合鍵、鍵能；離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵、分子鍵、氫鍵；金屬材料、陶瓷材料、高分

6、子材料、復(fù)合材料；晶體結(jié)構(gòu)、晶格、晶胞、晶系、布拉菲點(diǎn)陣；晶格常數(shù)、晶胞原子數(shù)、配位數(shù)、致密度；晶面、晶向、晶面指數(shù)、晶向指數(shù)、晶面族、晶向族；各向異性、各向同性；原子堆積、同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變;陶瓷、離子晶體、共價(jià)晶體。1.1材料的結(jié)合方式111化學(xué)鍵 組成物質(zhì)整體的質(zhì)點(diǎn)(原子、分子或離子)問的相互作用力叫化學(xué)鍵。由于質(zhì)點(diǎn)相互作用時(shí)，其吸引和排斥情況的不同，形成了不同類型的化學(xué)控，主要有共價(jià)健、離子鍵和金屬鏈。1共價(jià)鍵 原子之間不產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移，此時(shí)借共用電子對所產(chǎn)生的力結(jié)合，形成共價(jià)鍵。金剛石、單質(zhì)硅、SiC等屬于共價(jià)鍵。共價(jià)鍵具有方向性，故共價(jià)鍵材料是脆性的。具有很好的絕緣性。2離子鍵 大部分鹽

7、類、堿類和金屬氧化物在固態(tài)下是不能導(dǎo)電的熔融時(shí)可以導(dǎo)電。這類化合物為離子化合物。當(dāng)兩種電負(fù)性相差大的原子(如堿金屬元素與鹵族元素的原子)相互靠近時(shí)，其中電負(fù)性小的原子失去電子，成為正離子，電負(fù)性大的原子獲得電子成為負(fù)離子，兩種離子靠靜電引力結(jié)合在一起形成離子鍵。在Nacl晶體中，離子型晶體中，正、負(fù)離子間有很強(qiáng)的電的吸引力，所以有較高熔點(diǎn)，故離子鎂材料是脆性的。故固態(tài)時(shí)導(dǎo)電性很差。3金屬鍵 金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)是外層電子少，容易失去。當(dāng)金屬原子相互靠近時(shí)，其外層的價(jià)電子脫離原子成為自由電子為整個(gè)金屬所共有，它們在整個(gè)金屬內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，形成電子氣。這種由金屬正離子和自由電子之間互相作用而結(jié)合稱為金屬鍵

8、。金屬鍵無方向性和飽和性，故金屬有良好的延展性，良好的導(dǎo)電性。因此金屬具有正的電阻溫度系數(shù)，更好的導(dǎo)熱性，金屬不透明，具有金屬光澤。4范德瓦爾鍵 許多物質(zhì)其分子具有永久極性 。分子的一部分往往帶正電荷，而另一部分往往帶負(fù)電荷，一個(gè)分子的正電荷部位和另一分子的負(fù)電荷部位間，以微弱靜電力相吸引，使之結(jié)合在一起，稱為范德瓦爾鍵也叫分子鍵。1.2.1工程材料的鍵性 金屬材料的結(jié)合主要是金屬鍵，陶瓷材料的結(jié)合鍵主要是離子鍵與共價(jià)鍵。高分子材料的鏈狀分子間的結(jié)合是范德瓦爾鍵，而鏈內(nèi)是共價(jià)鍵。1.2 晶體學(xué)基礎(chǔ)1.2.1晶體與非晶體 原子排列可分為三個(gè)等級，即無序排列，短程有序和長程有序。物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)（分子、

9、原子或離子）在三維空間作有規(guī)律的周期性重復(fù)排列所形成的物質(zhì)叫晶體。非晶體在整體上是無序的。晶體與非晶體中原子排列方式不同，導(dǎo)致性能上出現(xiàn)較大差異。晶體具有一定的熔點(diǎn)，非晶體則沒有。晶體的某些物理性能和力學(xué)性能在不同的方向上具有不同的數(shù)值成為各項(xiàng)異性。1.2.2空間點(diǎn)陣 便于研究晶體中原于、分子或離子的排列情況，近似地將晶體看成是無錯(cuò)排的理想晶體，忽略其物質(zhì)性，抽象為規(guī)則排列于空間的無數(shù)幾何點(diǎn)。這些點(diǎn)代表原子(分子或離子)的中心，也可是彼此等同的原子群或分子群的中心，各點(diǎn)的周圍環(huán)境相同。這種點(diǎn)的空間排列稱為空間點(diǎn)陣，簡稱點(diǎn)陣，從點(diǎn)陣中取出一個(gè)仍能保持點(diǎn)陣特征的最基本單元叫晶胞。將陣點(diǎn)用一系列平行

10、直線連接起來，構(gòu)成一空間格架叫晶格。晶胞選取應(yīng)滿足下列條件。(1)晶胞幾何形狀充分反映點(diǎn)陣對稱性。(2)平行六面體內(nèi)相等的棱和角數(shù)目最多。(3)當(dāng)棱間呈直角時(shí)，直角數(shù)目應(yīng)最多。(4)滿足上述條件，晶胞體積應(yīng)最小。 晶胞的尺寸和形狀可用點(diǎn)陣參數(shù)來描述，它包括晶胞的各邊長度和各邊之間的夾角。根據(jù)以上原則，可將晶體劃分為7個(gè)晶系。用數(shù)學(xué)分析法證明晶體的空間點(diǎn)陣只有14種，故這14種空間點(diǎn)陣叫做布拉菲點(diǎn)陣，分屬7個(gè)晶系， 空間點(diǎn)陣雖然只可能有14種，但晶體結(jié)構(gòu)則是無限多的。123晶向指數(shù)與晶面指數(shù) 常常涉及到晶體中某些原子在空間排列的方向（晶向）；和某些原子構(gòu)成的空間平面(晶面)為區(qū)分不同的晶向和晶面

11、，需采用一個(gè)統(tǒng)一的標(biāo)號來標(biāo)定它們，這種標(biāo)號叫晶向指數(shù)與晶面指數(shù)。1晶向指數(shù)和標(biāo)定(1)以晶格中某結(jié)點(diǎn)為原點(diǎn)，取點(diǎn)陣常數(shù)為三坐標(biāo)軸的單位長度，建立右旋坐標(biāo)系，定出欲求晶向上任意兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)。(2)“末”點(diǎn)坐標(biāo)減去“始”點(diǎn)坐標(biāo)，得到沿該坐標(biāo)系備軸方向移動(dòng)的點(diǎn)陣參數(shù)的數(shù)目。(3)將這三個(gè)值化成一組互質(zhì)整數(shù)，加上一個(gè)方括號即為所求的晶向指數(shù)u v w，如有某一數(shù)為負(fù)值，則將負(fù)號標(biāo)注在該數(shù)字上方。2晶面指數(shù)的標(biāo)定(1)建立如前所述的參考坐標(biāo)系，但原點(diǎn)應(yīng)位于待定晶 面之外，以避免出現(xiàn)零截距。(2)找出待定晶面在三軸的截距，如果該晶面與某軸平行，則截距為無窮大。(3)取截距的倒數(shù)，將其化為一組互質(zhì)的整數(shù)，加

12、圓括號得到晶面指數(shù)(h k l)。3晶面族與晶向族 在晶體中有些晶面原子排列情況相同，面間距也相等，只是空間位向不同，屬于同一晶面族用h k l表示。 晶向族用u v w表示，代表原子排列相同，空間位向不同的所有晶相。4六方系晶面及晶向指數(shù)標(biāo)定 坐標(biāo)系使用了四軸，四軸制中，晶面指數(shù)的標(biāo)定同前，采用四抽坐標(biāo)，晶向指數(shù)用u v t w表示，其中t= -(u+v)。原子排列相同的晶向?yàn)橥痪蜃濉Ａ较蛋磧煞N晶軸系所得的晶相指數(shù)可相互轉(zhuǎn)換如下。5.晶帶 相交于某一晶向直線或平行于此直線的晶面構(gòu)成一個(gè)晶帶，此直線稱晶帶軸。立方系某晶面（h k l）以u v w為晶帶軸必有hu+ kv+lw =0兩個(gè)不

13、平行的晶面（h1k1l1）,（h2k2l2）的晶帶軸u v w可如下求得6.晶面間距 對于不同的晶面族hkl其晶面間距也不同。晶面間距，見公式（1-6）。此公式用于復(fù)雜點(diǎn)陣（如體心立方， 面心立方等）時(shí)要考慮晶面曾數(shù)的增加。13材料的晶體結(jié)構(gòu) 金屬鍵具有無方向性特點(diǎn)，金屬大多趨于緊密，高對稱性的簡單排列。共價(jià)鍵與離子鍵材料為適應(yīng)鍵、離子尺寸差別和價(jià)引起的種種限制，往往具有較復(fù)雜的結(jié)構(gòu)。131典型金屬的晶體結(jié)構(gòu) 最常見的金屬的晶體結(jié)構(gòu)有體心立方、面心立方和密排立方。1晶胞中原子數(shù) 晶體由大量晶胞堆砌而成，故處于晶胞頂角或周面上的原子就不會(huì)為一個(gè)晶胞所獨(dú)，只有晶胞內(nèi)的原子才為晶胞所獨(dú)有。假設(shè)相同的

14、原子是等徑鋼球，最密排方向上原于彼此相切，兩球心距離之半便是原子半徑。體心立方晶胞在< l11>方向上原子被此相切，原子半徑r與晶格常數(shù)a的關(guān)系為：r40。2配位數(shù)與致密度 晶體中原子排列的緊密程度是反映晶體結(jié)構(gòu)特征的一個(gè)重要因素。為了定量地表示原子排列的緊密程度，通常應(yīng)用配位數(shù)和致密度這兩個(gè)參數(shù)。配位數(shù)是指晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原于最近鄰并且等距離的原子數(shù)。體心立方對面心立方結(jié)構(gòu)致密度為，的密排六方結(jié)構(gòu)(G1633)配位數(shù)也是12，致密度也是074。3晶體中原子的堆垛方式 面心立方與密排六方雖然晶體結(jié)構(gòu)不同，但配位數(shù)與致密度卻相同，為搞清其原因，必須研究晶體中原子的堆垛方式。面心立方

15、與密排六方的密排111與（0001）原子排列情況完全相同，密排六方結(jié)構(gòu)可看成由（0001）面沿001方向逐層堆垛而成，即按ABAB順序堆垛即為密排六方結(jié)構(gòu)。 面心立方結(jié)構(gòu)堆垛方式，它是以(111)面逐層堆垛而成的，即按ABCABC順序堆垛。原子排列的緊密程度，故兩者都是最緊密排列。4晶體體結(jié)構(gòu)中的間隙 由原子排列的剛球模型可看出球與球之間存在許多間隙，分析間隙的數(shù)量、大小及位置對了解材料的相結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散、相變等問題都是很重要的。面心立方八面體間隙比體心立方中間隙半徑較大的四方體間隙半徑還大，因此面心立方結(jié)構(gòu)的Fe的溶碳量大大超過體心立方結(jié)構(gòu)的。密排六方的間隙類型與面心立方相同，同類間隙的形狀完全

16、相同，僅位置不同，在原子半徑相同的條件下這兩種結(jié)構(gòu)同類間隙的大小完全相同。132共價(jià)晶體的晶體結(jié)構(gòu) 周期表中IVA，VA，VIA元素大多數(shù)為共價(jià)結(jié)合，配位數(shù)等于8N，N是族數(shù)。 Si，GeSn 和C具有金剛石結(jié)構(gòu)，依8N規(guī)則，配位數(shù)為4。 As，Sb，Bi為第V族元素，具有菱形的層狀結(jié)構(gòu)，配位數(shù)為3. Se，Te為VIA族元素，呈螺旋分布的鏈狀結(jié)構(gòu)，依8N規(guī)則，配位數(shù)為2。1.3.3離子晶體的晶體結(jié)構(gòu) 圖1-31（a）為CsCl結(jié)構(gòu)型，屬簡單立方點(diǎn)陣，負(fù)離子占陣點(diǎn)位置，正離子占立方體間隙位置，離子配位數(shù)為8，如CsCl， CsBr等，圖1-31（b）為NaCL結(jié)構(gòu)型，屬面心立方點(diǎn)陣，負(fù)離子占點(diǎn)

17、陣點(diǎn)位置，正離子占八面體間隙，配位數(shù)為6。每晶胞有4個(gè)負(fù)離子，4個(gè)正離子，如NaCL,KCL,MgO,CaO等。圖1-31（c）為閃鋅礦結(jié)構(gòu)，也屬面心立方點(diǎn)陣，負(fù)離子占點(diǎn)陣點(diǎn)位置，正離子占1/2四面體間隙，相當(dāng)于將金剛石結(jié)構(gòu)中處于在四面體間隙位置的原子換成異類原子而得到的，離子配位數(shù)為4。Zn,BeO,SiC等具有這種結(jié)構(gòu)。圖131(d)為熒石結(jié)構(gòu)即CaF2結(jié)構(gòu)，屬面心立方點(diǎn)陣。負(fù)離子位于所有四面體間隙位置上，正離子占陣點(diǎn)位置。正離子配位數(shù)為8，負(fù)離子配位數(shù)為4。分子式AX2，如CaF2，ZrO2電，CeO2等。若金屬與非金屬互換則叫反熒石結(jié)構(gòu)，如Li2,Na2O,K2O等。圖131(e)為纖

18、鋅礦結(jié)構(gòu)，負(fù)離子占密排六方的結(jié)點(diǎn)位置，正離子占四面體間隙的l2，如ZnS,ZnO等。如果負(fù)離子排成密排六方，正離子占其間隙，還可產(chǎn)生以密排六方為基礎(chǔ)的其他結(jié)構(gòu)，如砷化鎳結(jié)構(gòu)等。134合金相結(jié)構(gòu) 純金屬的強(qiáng)度較低，所以工業(yè)廣泛應(yīng)用的是合金。合金是兩種或兩種以上金屬元素，或金屬元素與非金屬元素，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成，并具有金屬特性的物質(zhì)，如黃銅是銅鋅合金，鋼、鑄鐵是鐵碳合金。組成合金最基本的獨(dú)立物質(zhì)叫組元，組元間由于物理的和化學(xué)的相互作用，可形成各種“相”?！跋唷笔呛辖鹬芯哂型痪奂癄顟B(tài)，成分和性能均一，并以界面互相分開的組成部分。由一種相組成的合金叫單相臺(tái)金，如含鋅30Wc的CuZn臺(tái)

19、金是單相合金。而含鋅40Wc時(shí)則是兩相合金，除生成了固溶體外，還形成了金屬間化合物。1固溶體 凡溶質(zhì)原子完全溶于固態(tài)溶劑中，并能保持溶劑元素的晶格類型所形成的合金相稱為固溶體。固溶體的成分可在一定范圍內(nèi)連續(xù)變化，隨異類原子的溶入，將引起溶劑晶格常數(shù)的改變及晶格畸變，致使合金性能發(fā)生變化。通常把形成固溶體使強(qiáng)度，硬度升高的現(xiàn)象叫固溶強(qiáng)化。根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑中是占結(jié)點(diǎn)位置，還是占間隙位置，可將其分為置換固溶體與間隙固溶體；若溶質(zhì)與溶劑以任何比例都能互溶，固溶度達(dá)100，則稱為無限固溶體，否則為有限固溶體；若溶質(zhì)原子有規(guī)則地占據(jù)溶劑結(jié)構(gòu)中的固定位置，溶質(zhì)與溶劑原子數(shù)之比為一定值時(shí)，所形成的固溶體稱為

20、有序固溶體。(1)置換固溶體(a)組元的晶體結(jié)構(gòu)類型 溶質(zhì)與溶劑晶格結(jié)構(gòu)相同則固溶度較大，反之較小。(b)原子尺寸因素 溶劑原子半徑rA與溶質(zhì)原子半徑rB的相對差(rArB)rA不超過14。15有利于大量固溶，反之固溶度非常有限。(c)電負(fù)性因素 兩元素的電負(fù)性相差越大，化學(xué)親和力越強(qiáng)，所生成的化合物也越穩(wěn)定。(d)電子濃度因素 電子濃度定義為合金中價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值。(2)間隙固溶體 一些原子半徑小于0.1nm的非金屬元素如H，O，N，C，B等受原子尺寸因素的影響，不能與過渡族金屬元素形成置換固溶體，卻可處于溶劑晶格結(jié)構(gòu)中的某些間隙位置，形成間隙固溶體。(3)固溶體的微觀不均勻性 固

21、溶體的溶質(zhì)原子分布無序分布、偏聚分布、短程有序分布。 對于某些合金，當(dāng)其成分接近一定原子比時(shí)，較高溫度時(shí)為短程有序，緩冷到某一溫度以下，會(huì)轉(zhuǎn)變?yōu)橥耆行驙顟B(tài)稱為有序固溶體，這一轉(zhuǎn)變過程稱為固溶體的有序化。固溶體又稱超結(jié)構(gòu)或起點(diǎn)陣。2中間相 兩組元組成的合金中，在形成有限固溶體，如果溶質(zhì)含量超過其溶解度時(shí)將會(huì)出現(xiàn)新相，其成分處在A在B中和B在A中的最大溶解度之間，故叫中間相。因此中間相具有金屬的性質(zhì)，又稱金屬間化合物。(1)正常價(jià)化合物 金屬與周期表一些元素形成的化合物為正常價(jià)化合物，符合化學(xué)上的原子價(jià)規(guī)律，所以正常價(jià)化合物包括從離子鍵，共價(jià)鍵過渡到金屬鍵為主的一系列化合物。正常價(jià)化合物一般具有

22、較高硬度和脆性，在合金中彌散分布在基體上，?？善饛浬?qiáng)化作用。(2)電子化合物 貴金屬Cu、Ag、Au與Zn，Al，Sn所形成的合金:在它們中，隨成分變化所形成的一系列中間相具行共同規(guī)律即晶體結(jié)構(gòu)決定于電子濃度，稱為休姆羅塞里定律。決定電子化合物結(jié)構(gòu)的主要因素是電子濃度，但并非唯一因素其他因素，特別是尺寸因素仍起一定作用。電子化合物的結(jié)合鍵為金屬鍵，熔點(diǎn)一般較高，硬度高，脆性大，是具有金屬中的重要強(qiáng)化相。(3)間隙相與間隙化合物 過渡族金屬可與H，B，C，N等原子半徑甚小的非金屬元素形成化合物?；衔锞哂泻唵蔚木w結(jié)構(gòu)稱為間隙相。當(dāng)其結(jié)構(gòu)復(fù)雜，通常稱為間隙化合物。(a) 間隙相 間隙相可用簡單

23、化學(xué)式表示，并且一定化學(xué)式對應(yīng)一定晶體結(jié)構(gòu)，間隙相具有極高硬度和熔點(diǎn)，雖然間隙相中非金屬原子占的比例很高，但多數(shù)間隙相具有明顯的金屬性，是合金工具鋼及硬質(zhì)合金的主要強(qiáng)化相。(b)間隙化合物 間隙化合物種類較多，具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。一般合金鋼中常出現(xiàn)的間隙化合物為Cr，Mn，Mo，F(xiàn)e的碳化物或它們的合金碳化物，主要類型有M3C，M7C3，M23C6等。間隙化合物晶體結(jié)構(gòu)十分復(fù)雜，例如Cr23C6具有復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)，包含92個(gè)金屬原了，24個(gè)碳原子?，F(xiàn)僅以結(jié)構(gòu)稍簡單的滲碳體(Fe3C)為例說明之，其晶體結(jié)構(gòu)如圖l41。屬正交晶系，晶胞中共有16個(gè)原子，其中鐵原子12個(gè)碳原子4個(gè)符合Fe：C3：1關(guān)

24、系。鐵原子接近密堆排列，碳原子位于其八面體間隙。間隙化合物的熔點(diǎn)及硬度，見表19。均比間隙相略低，是剛中最常見的強(qiáng)化合相。(4)拓?fù)涿芏严?拓?fù)涿芏严嗍怯纱笮〔煌脑舆m當(dāng)配合，得到全部或主要是四面體間隙的復(fù)雜結(jié)構(gòu)?？臻g利用率及配位數(shù)均很高，由于具有拓?fù)鋵W(xué)特點(diǎn)，故稱之為拓?fù)涿芏严?，簡稱TCP相。許多合金系能形成拉弗斯相如ZrFe2,TiFe2,TiFe2,MoFe,NbCo2,TiCo2,TiC2,ZrCr2等。一般講拉弗斯相往往呈針狀析出于基體，有時(shí)是有害的，但也有個(gè)別耐熱鐵基合金以為其強(qiáng)化相。習(xí)題解釋一下基本概念空間點(diǎn)陣、晶體結(jié)構(gòu)、晶胞、配位數(shù)、致密度、金屬鍵、缺位固溶體、電子化合物、間隙

25、相、間隙化合物、超結(jié)構(gòu)、固溶體、間隙固溶體、置換固溶體。第二章晶體缺陷重點(diǎn)與難點(diǎn)211內(nèi)容提要：實(shí)際晶體中的原子排列并不是完全理想狀態(tài)，其中存在由許多類型不同的缺陷。盡管這些缺陷很少，可能在1010個(gè)原子中只有1個(gè)脫離其平衡位置，但這些缺陷極為重要。材料的缺陷可用來解釋半導(dǎo)體的行為、金屬的延展性、金屬的強(qiáng)化、固體中的擴(kuò)散等。按照幾何特征，晶體中的缺陷可分為點(diǎn)缺陷（包括空位和間隙原子）、線缺陷（位錯(cuò)）和面缺陷（包括晶界和亞晶界）。學(xué)習(xí)晶體結(jié)構(gòu)缺陷理論應(yīng)以位錯(cuò)理論為核心，注意其基本特征和基本性質(zhì)（熱力學(xué)性質(zhì)、彈性性質(zhì)、運(yùn)動(dòng)性質(zhì)及缺陷的產(chǎn)生與增殖等性質(zhì)）。對于實(shí)際晶體終得位錯(cuò)，是以面心立方點(diǎn)陣晶體為

26、例進(jìn)行了討論。本章的難點(diǎn)則是位錯(cuò)周圍應(yīng)力場的分布及位錯(cuò)間的交互作用。學(xué)習(xí)時(shí)可以從基本概念出發(fā)加以理解，不要求作復(fù)雜的計(jì)算。陶瓷相是構(gòu)成陶瓷材料的基本項(xiàng)。它由金屬元素與非金屬元素化合組成。與金屬一樣，具有晶體結(jié)構(gòu)，但與金屬不同的是其結(jié)構(gòu)中并沒有大量的自由電子，而是以離子鍵或共價(jià)鍵為主。陶瓷相中最簡單的是具有立方體結(jié)構(gòu)的AX化合物，在這些化合物中具有相同數(shù)目的正離子預(yù)付離子；其次是AmXp型化合物，如CaF2。Ca2+與F-1的配位數(shù)不同，因?yàn)閙/p1.未被占據(jù)的間隙位置將會(huì)導(dǎo)致晶格的扭曲；AmBmXp型化合物被用來描述較復(fù)雜的陶瓷結(jié)構(gòu)。玻璃相是非結(jié)晶體材料（液體、玻璃、部分塑料、非晶態(tài)金屬等）中

27、的重要組成相。在微觀結(jié)構(gòu)上它不具有點(diǎn)陣特征，在性能上則表現(xiàn)為各向同性。分子相是聚合物材料中的重要組成相。它主要由非金屬元素組合而成，分子可?。ㄈ缂状?、甲醛、氨、苯、酚、乙烯等）可大（如35烷），大的分子可有幾百甚至幾千原子組成。不論分子的大小，分子內(nèi)鍵合很強(qiáng)（原子是由共價(jià)鍵的強(qiáng)吸引力而結(jié)合），而分子間的鍵卻較弱。分子相的結(jié)構(gòu)與特征，決定了這些分子固體的性能。212基本要求：1. 認(rèn)識晶體缺陷的基本類型、基本特征、基本性質(zhì)。注意位錯(cuò)線與柏氏矢量，位錯(cuò)線移動(dòng)方向、晶體滑移方向與外加切應(yīng)力方向之間的關(guān)系。2. 了解位錯(cuò)的應(yīng)力場和應(yīng)變能，位錯(cuò)的增殖、塞積與交割。3. 由晶體結(jié)構(gòu)及原子半徑，能夠計(jì)算物質(zhì)

28、的密度；已知密度和原子半徑，求堆積密度；能夠計(jì)算不同晶向之間的夾角；作用于單位長度位錯(cuò)線上的力；晶界的面積等。4. 比較間隙固溶體、間隙相及間隙化合物的結(jié)構(gòu)和性能特點(diǎn)。5. 熟悉金屬鍵化合物的分類、特點(diǎn)及性能。6. 認(rèn)識陶瓷相的3種結(jié)構(gòu)類型及性能特點(diǎn)。7. 了解AX化合物的結(jié)構(gòu)，CN=8,CN=6,CN=4時(shí)的原子排列及其密度的計(jì)算。8. 了解硅氧化四面體（SiO4）在硅酸鹽結(jié)構(gòu)中的意義。9. 熟悉構(gòu)成聚合物的分子相，包括分子大小的計(jì)算及在聚合反應(yīng)中鍵的變化。10. 了解導(dǎo)致線性和網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聚合體的成長機(jī)制。11. 熟悉下列概念及術(shù)語：點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷；空位、間隙原子、肖脫基缺陷、弗蘭克爾

29、卻線；刃形位錯(cuò)、螺形位錯(cuò)、混合位錯(cuò)、位錯(cuò)線、柏氏矢量、位錯(cuò)密度；滑移、攀移、交滑移、交割、塞積；位錯(cuò)的應(yīng)力場、應(yīng)變能、線張力、作用在位錯(cuò)上的力；位錯(cuò)源、位錯(cuò)的增殖；單位位錯(cuò)、不全位錯(cuò)、堆垛層錯(cuò)、肖克萊位錯(cuò)、弗蘭克爾位錯(cuò)；擴(kuò)展位錯(cuò)、固定位錯(cuò)、可動(dòng)位錯(cuò)、位錯(cuò)反應(yīng)；晶界、相界、界面能、大角度晶界、小角度晶界、孿晶界。相、固溶體、置換固溶體、間隙固溶體、有序固溶體、電負(fù)性、電子濃度；中間相、正常價(jià)化合物、電子化合物、間隙相、間隙化合物、超結(jié)構(gòu)；陶瓷、AX結(jié)構(gòu)、AmXp化合物、AmBnXp化合物：硅酸鹽結(jié)構(gòu)、氧橋、離子空位、熱穩(wěn)定性、化學(xué)穩(wěn)定性；玻璃、粘度（）、非晶態(tài)、玻璃轉(zhuǎn)變溫度；高聚物、單體、大分子

30、鏈、鏈節(jié)、鏈段聚合度；加聚反應(yīng)、縮聚反應(yīng)、均聚物、供聚物；線性高聚物、支化型到聚物、體型高聚物；熱固型高聚物、熱塑性高聚物。 所有的材料都包含著三種基本的點(diǎn)陣缺陷點(diǎn)缺陷，線缺陷（位錯(cuò)）和面缺陷。211點(diǎn)缺陷的類型及形成點(diǎn)缺陷特點(diǎn)是：三維方向上尺寸都很小，僅引起幾個(gè)原子范圍的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)的不完整，亦稱零維缺陷。212點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)及平衡濃度晶體在一定溫度下空位或間隙原子的平衡濃度C與C。2.2線缺陷晶體中的線缺陷是各種類型的位錯(cuò)。其特點(diǎn)是原子發(fā)生錯(cuò)排的范圍，在一個(gè)方向上尺寸較大，而另外兩個(gè)方向上尺寸較小，是一個(gè)直徑為35個(gè)原子間距，長幾百到幾萬個(gè)原于間距的管狀原子畸變區(qū)。，最基本的類型有兩種：一種是刃

31、型位鍺，另一種是螺型位錯(cuò)。位錯(cuò)是一種極為重要的晶體缺陷，對金屬強(qiáng)度、塑變、擴(kuò)散、相交等影響顯著。2. 2.1位錯(cuò)的基本概念1位錯(cuò)學(xué)說的產(chǎn)生2位錯(cuò)的基本類型以大拇指代表螺旋面前進(jìn)方向，其他四指代表螺旋面的旋轉(zhuǎn)方向，符合右手法則的稱右旋螺型位錯(cuò)，符合左手法則稱左旋螺型位錯(cuò)。(1)柏氏矢量的確定方法(2)柏氏矢量的物理意義及特征柏氏矢量是描述位錯(cuò)實(shí)質(zhì)的重要物理量。反映出柏氏回路包含的位錯(cuò)所引起點(diǎn)陣畸變的總積累。通常將柏氏矢量稱為位錯(cuò)強(qiáng)度。(3)混合位錯(cuò)3位錯(cuò)密度2.2.2位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有滑移與攀移兩種形式。1位錯(cuò)的滑移位錯(cuò)沿著滑移面的移動(dòng)稱為滑移。實(shí)際晶體中，位錯(cuò)的滑移要遇到多種阻力其中最基本的

32、固有阻力是晶格阻力派納力。因此位錯(cuò)移動(dòng)時(shí)晶格阻力，越過勢壘，此力稱派納力2位錯(cuò)的攀移還可在垂直滑移面的方向上運(yùn)動(dòng)即發(fā)生攀移。通常把多余半原子面向上移動(dòng)稱正攀移，向下移動(dòng)稱負(fù)攀移.223位錯(cuò)的彈性性質(zhì)1位錯(cuò)的應(yīng)力場晶體中存在位錯(cuò)時(shí)，位錯(cuò)線附近的原子偏離了正常位置引起點(diǎn)陣畸變，從而產(chǎn)生應(yīng)力場。（1）螺位錯(cuò)的應(yīng)力場（2）刃位錯(cuò)應(yīng)力場2.位錯(cuò)的應(yīng)變能位錯(cuò)的存在引起點(diǎn)陣畸變，導(dǎo)致能量增高，此增量稱為位錯(cuò)的應(yīng)變能。3.外力場中位錯(cuò)所受的力在切應(yīng)力作用下，晶體中的位錯(cuò)將發(fā)生運(yùn)動(dòng)，由于位錯(cuò)移動(dòng)的方向總是與位錯(cuò)線垂直，故可設(shè)想有一個(gè)垂直于位錯(cuò)線的力，造成了位錯(cuò)的移動(dòng)，這就是作用在位錯(cuò)線上的力。4位錯(cuò)線張力由于位

33、錯(cuò)線具有應(yīng)變能，所以位錯(cuò)線有縮短的趨勢以減小應(yīng)變能，這便產(chǎn)生了線張力T。線張力數(shù)值上等于單位長度位錯(cuò)的應(yīng)變能。5位錯(cuò)間的交互作用力位錯(cuò)之間的作用力是它們的應(yīng)力場互相作用的結(jié)果。(1)兩根平行螺位錯(cuò)的交互作用(2)兩平行刃位錯(cuò)的交互作用兩同號位錯(cuò)的作用力，可形象地表示在圖219中。當(dāng)兩位錯(cuò)為異號時(shí)，它們的受力方向和同號位錯(cuò)相反，穩(wěn)定平衡與不穩(wěn)定平衡位置互換。224實(shí)際晶體中的位錯(cuò)1實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)中的單位位錯(cuò)實(shí)際晶體中存在的位錯(cuò)的柏氏矢量限于少數(shù)最短的平移矢量，具有這種相氏矢量的位錯(cuò)稱單位位錯(cuò)。2不全位錯(cuò)柏氏矢量小于最短的平移矢量的位錯(cuò)稱為部分位錯(cuò)；柏氏矢量不等于最短的平移矢量的整數(shù)倍的位錯(cuò)叫不全位

34、錯(cuò)。不全位錯(cuò)沿滑移面掃過之后層錯(cuò)不產(chǎn)生點(diǎn)陣畸變，因此層錯(cuò)能比晶界能低得多。金屬出現(xiàn)層錯(cuò)的幾率與層錯(cuò)能r的大小有關(guān)，層錯(cuò)能越高出現(xiàn)層錯(cuò)的幾率越小。面心立方晶體，存在兩種不全位錯(cuò)。圖220為肖克菜不全位錯(cuò)，固221為弗蘭克不全位錯(cuò)。3位錯(cuò)反應(yīng)及湯普遜四面體位錯(cuò)之間的互相轉(zhuǎn)化稱為位錯(cuò)反應(yīng)。位錯(cuò)反應(yīng)能否進(jìn)行決定于以下二個(gè)條件：(1)必須滿足幾何條件即柏氏矢量的守恒性，反應(yīng)前后諸位錯(cuò)的柏氏矢量和相等。(2)必須滿足能量條件，即反應(yīng)后諸位錯(cuò)的總能量應(yīng)小于反應(yīng)前諸位錯(cuò)的總能量，面心立方晶體中所有重要位錯(cuò)的柏氏矢量和位錯(cuò)反應(yīng)可用Thompson提出的參考四面體和一套標(biāo)記清晰而直觀地表示出來。4.擴(kuò)展位錯(cuò)兩個(gè)不

35、完全位錯(cuò)夾住一片層錯(cuò)的組態(tài)稱為擴(kuò)展位錯(cuò)。5.位錯(cuò)的增值2.3面缺陷2.3.1外表面2.3.2晶界與亞晶界1小角度晶界2大角度晶界3.孿晶界孿晶關(guān)系指相鄰兩晶?；蛞粋€(gè)晶粒內(nèi)部相鄰兩部分沿一個(gè)公共晶面(孿晶界)構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系。4相界具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界叫相界。相結(jié)構(gòu)有三種：共格界面、半共格晶面和共格晶面。5晶界特性第二章 材料的結(jié)構(gòu)    在外界條件固定時(shí)，材料的性能取決于材料內(nèi)部的構(gòu)造。這種構(gòu)造便是組成材料的原子種類和分量，以及它們的排列方式和空間分布。習(xí)慣上將前者叫做成分，后者叫做組織結(jié)構(gòu)，而我們把這兩者統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)。物質(zhì)通常具有三種存

36、在形態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)，而在使用狀態(tài)下的材料通常都是固態(tài)。所以，要研究材料結(jié)構(gòu)與性能之間的關(guān)系，首先必須弄清楚材料在固態(tài)下結(jié)合方式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，這也是本章要著重介紹的內(nèi)容。第一節(jié) 材料的結(jié)合方式    在所有的固體中，原子靠鍵結(jié)合在一起。鍵使固體具有強(qiáng)度和相應(yīng)的電學(xué)和熱學(xué)性能。例如，強(qiáng)的鍵導(dǎo)致高熔點(diǎn)、高彈性模量、較短的原子間距和較低的熱膨脹系數(shù)。一、化學(xué)鍵1 離子鍵    離子鍵是由正負(fù)電荷的相互吸引造成的。例如，鈉原子的價(jià)軌道中有一個(gè)電子，它很容易將外層電子釋放而成為帶正電的離子。同樣，氯原子容易接受一個(gè)電子進(jìn)入

37、它們的價(jià)軌道直至達(dá)到八個(gè)電子而成為帶負(fù)電的離子。既然帶負(fù)電和帶正電的材料之間總存在靜電引力，那么在帶不同電荷的相鄰離子間就形成了鍵。離子鍵的特點(diǎn)是與正離子相鄰的是負(fù)離子，與負(fù)離子相鄰的是正離子，如NaCl晶體，見圖2-1。2 共價(jià)鍵    共價(jià)鍵是一種強(qiáng)吸引力的結(jié)合鍵。當(dāng)兩個(gè)相同原子或性質(zhì)相近的原子接近時(shí)，價(jià)電子不會(huì)轉(zhuǎn)移，原子間借共用電子對所產(chǎn)生的力而結(jié)合，形成共價(jià)鍵。共價(jià)鍵使原子間有很強(qiáng)的吸引力，這一點(diǎn)在金剛石中很明顯，金剛石是自然界中最硬的材料，而且它完全是由碳原子組成。每個(gè)碳原子有四個(gè)價(jià)電子，這些價(jià)電子與鄰近原子共用，形成完全由價(jià)電子對結(jié)合而成的三

38、維點(diǎn)陣。這些三維點(diǎn)陣使金剛石具有很高的硬度和熔點(diǎn)。3 金屬鍵    金屬是由金屬鍵結(jié)合而成的，它具有同非金屬完全不同的特性。金屬原子的外層電子少，容易失去。當(dāng)金屬原子相互靠近時(shí)，這些外層原子就脫離原子，成為自由電子，為整個(gè)金屬所共有，自由電子在金屬內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，形成電子氣。這種由自由電子與金屬正離子之間的結(jié)合方式稱為金屬鍵，見圖2-2。4 分子鍵    分子鍵又叫范德瓦爾斯鍵，是最弱的一種結(jié)合鍵。它是靠原子各自內(nèi)部電子分布不均勻產(chǎn)生較弱的靜電引力，稱為范德瓦爾斯力，由這種分子力結(jié)合起來的鍵叫做分子鍵。5 氫鍵    另一種范德瓦爾斯力實(shí)際上是極性分子的一種特殊情況。CH、OH或NH鍵端部暴露的質(zhì)子是沒有電子屏蔽的，所以，這個(gè)正電荷可以吸引相鄰分子的價(jià)電子，于是形成了一種庫侖型的鍵，稱為氫鍵，氫鍵是所有范德瓦爾斯鍵中最強(qiáng)的。氫鍵最典型的例子是水，一個(gè)水分子中氫質(zhì)子吸引相鄰分子中氧的孤對電子，氫鍵使水成為所有低分子量物質(zhì)中沸點(diǎn)最高的物質(zhì)。二、結(jié)合鍵對材料性能的影響1 金屬材料    金屬材料的結(jié)合鍵主要是金屬鍵。由于自由電子的存在，當(dāng)金屬受到外加電場作用時(shí)，其內(nèi)部的自由電子將沿電場方向作定向運(yùn)動(dòng)，