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文檔簡介
1、3.1 晶體的特征3.2 空間點陣與晶胞3.3 晶系與布喇菲點陣3.4 典型的晶體結(jié)構(gòu)3.5 晶向與晶向指數(shù)3.6 晶面與晶面指數(shù)3.7 三種典型晶體結(jié)構(gòu)的比較3.8 原子體密度、面密度和線密度3.9 多晶形性與同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變3.10 多晶與單晶材料3.11 微晶、準(zhǔn)晶與液晶3.12 合金相結(jié)構(gòu)3.13 晶體缺陷3.14 非晶態(tài)合金3.15 用X射線衍射法分析晶體結(jié)構(gòu)固態(tài)物質(zhì)按其原子或分子的排列特征,可分為晶體和非晶體兩大類。 晶體晶體: 原子(或分子)在三維空間呈有規(guī)律的周期性排列。 非晶體非晶體:原子則呈無規(guī)則排列,至多有局部區(qū)域呈短程規(guī)則排列。 晶體與非晶體的主要性能特點晶體與非晶體的主要
2、性能特點:晶體具有一定的熔點,而非晶體則沒有;晶體具有各向異性、偽各向同性,而非晶體為各向同性。 晶體與非晶體在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。 3.2.1 空間點陣和晶格空間點陣和晶格 3.2.2 晶胞晶胞 假設(shè)理想晶體中的原子(離子、分子或原子集團等質(zhì)點)都是固定不動的剛性球,則晶體是由這些剛球堆垛而成(圖3-1a)。將這些剛球抽象為純粹的幾何點,得到一個由無數(shù)幾何點在三維空間規(guī)則排列而成的陣列,稱之為空間點陣。為便于觀察,可用許多平行的直線將空間點陣的所有陣點連接起來,構(gòu)成一個三維的幾何格架(圖3-1b),稱為晶格。(a)原子堆垛模型圖3-1 原子堆垛與晶格示意圖晶胞的幾何特征可以用晶胞的三條棱
3、邊長a、b、c和三條棱邊之間的夾角、等六個參數(shù)來描述。其中a、b、c稱為晶格常數(shù)或點陣常數(shù),它們可通過X射線衍射分析求得。沿三條棱邊所作的坐標(biāo)軸X、Y、Z稱為晶軸,晶軸間夾角稱為軸間角,用、表示。 圖3-1 晶體中晶胞示意圖根據(jù)晶胞的三條棱邊是否相等、三個夾角是否相等以及是否為直角等關(guān)系,晶體學(xué)將所有晶體分為七個晶系,如下表所示。 序號晶系點陣參數(shù)特征舉例1三斜晶系abc,a90K2CrO72單斜晶系abc,a=90-S,CaSO42H2O3正交晶系(斜方)abc,a=90a-S,F(xiàn)e3C,Ga4六方晶系a=bc, a=90,=120Zn,Mg,Cd5菱方晶系(三角)a=b=c, a=90As
4、,Sb,Bi6正方晶系(四方)a=bc, a=90-Sn,TiO27立方晶系a=b=c, a=90Fe,Cr,Ag,Au七個晶系中,只能有14種空間點陣,稱為布喇菲點陣, 如下圖所示。圖3-2 14種布喇菲點陣的晶胞點陣中的每一個陣點可以由一個或一個以上的質(zhì)點(原子、離子或分子)所組成,而這些質(zhì)點的組合和排列又可以有多種不同的形式。因此,每種空間點陣都可以形成無限多的晶體點陣(晶體結(jié)構(gòu))。 圖圖3-3 3-3 晶體點陣與空間點陣晶體點陣與空間點陣 最典型、最常見的晶體結(jié)構(gòu)只有3種,即體心立方結(jié)構(gòu)、面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)。 圖圖3-4 體心立方晶胞體心立方晶胞 圖圖3-5 面心立方晶胞面心立
5、方晶胞 圖圖3-6 密排六方晶胞密排六方晶胞 晶向晶向:晶體中任意兩個原子之間的連線稱為原子列,其所指方向稱為晶向晶向。用晶向指數(shù)來確定晶向在晶體中的位向。 立方晶系的晶向指數(shù)可用uvw來表示。其確定步驟為:(1) 選定晶胞的某一陣點為原點,以晶胞的三條棱邊為坐標(biāo)軸,以棱邊的長度為單位長度;(2) 若所求晶向未通過坐標(biāo)原點,則過原點作一平行于所求晶向的有向直線;(3) 求出該有向直線上距原點最近的一個陣點的坐標(biāo)值u、v、和w;(4) 將三個坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù),依次放入方括號 內(nèi),即為所求晶向指數(shù)。 晶向族晶向族用表示。 圖圖3-7 立方晶系的一些晶向指數(shù)立方晶系的一些晶向指數(shù) 晶面晶面:
6、晶體中由一系列原子所組成的平面稱為晶面。晶面。通常,采用晶面指數(shù)來確定晶面在晶體中的位向。 立方晶系的晶面指數(shù)通常采用密勒指數(shù)法確定,即晶面指數(shù)是根據(jù)晶面與三個坐標(biāo)軸的截距來決定。晶面指數(shù)的一般表示形式為(hkl),其確定步驟為:(1)選定不不在欲求晶面上的某一晶胞陣點為坐標(biāo)原點,以避免出現(xiàn)零截距;(2)以晶胞三條棱邊為坐標(biāo)軸,以晶胞邊長為單位長度,求出待定晶面與三個軸的截距。若晶面與某軸平行,則認(rèn)為該晶面與該軸的截距為無窮大,其倒數(shù)為零;(3)取各軸截距的倒數(shù),并化為最小整數(shù),依次記入圓括號( )內(nèi),即得晶面指數(shù)。 圖圖3-9立方晶系的主要晶面指數(shù)立方晶系的主要晶面指數(shù) 圖圖3-10 立方晶
7、系立方晶系100、110和和111晶面族晶面族 當(dāng)某一晶向uvw位于或平行于某一晶面(hkl)時,必然滿足以下關(guān)系:hu+kv+lw=0反之,根據(jù)此關(guān)系也可判定某晶向是否位于或平行于某晶面。此外,具有相同指數(shù)的晶面與晶向必定是互相垂直的,如(111)111。 3.7.1 晶格常數(shù)3.7.2 晶胞原子數(shù)3.7.3 原子半徑3.7.4 配位數(shù)3.7.5 致密度3.7.6 晶體結(jié)構(gòu)中的間隙3.7.7 晶體的堆垛方式 晶胞的棱邊長度稱為晶格常數(shù)晶格常數(shù),用來表示晶胞的大小。對于立方晶系,各棱邊長度均相等,以a表示其晶格常數(shù)。密排六方晶胞的晶格常數(shù)有兩個,一個是正六邊形底面的邊長a,另一個是上下底面的距
8、離(即晶胞高度)c,c和a的比值(即c/a,稱為軸比)約為1.633。 金屬-TiVCr-Fe-ZrNbMoW晶格常數(shù)(nm) 0.329(900) 0.3020.289(1840) 0.286(390) 0.3520.3610.4080.3920.407表表3-4 某些密排六方結(jié)構(gòu)元素的晶格常數(shù)某些密排六方結(jié)構(gòu)元素的晶格常數(shù) 金屬Be-Ti-Zr-CoMgZnCd晶格常數(shù)(nm)a0.2280.2950.3230.2500.3210.2660.297c0.3570.4680.5140.4060.5210.4940.561軸比c/a1.561.581.591.621.621.851.88典型晶
9、體結(jié)構(gòu)的晶胞原子數(shù)n為: 體心立方結(jié)構(gòu):n=8 +1=2 面心立方結(jié)構(gòu):n=8 +6 =4 密排六方結(jié)構(gòu):n=12 +2 +3=6 18181612原子半徑 r通常是指晶胞中原子密度最大的方向上相鄰兩原子之間平衡距離的一半。它與晶格常數(shù) a有一定的關(guān)系:體心立方晶胞其原子半徑: a為晶格常數(shù);面心立方晶胞其原子半徑;密排六方晶胞其原子半徑 :ar43ar42ar21 配位數(shù)是指晶格中任一原子周圍與其最近鄰且等距離的原子數(shù)目。體心立方晶格中的配位數(shù)為8;面心立方晶格中的配位數(shù)12; 密排六方晶格配位數(shù)也為12。 圖圖3-12 三種典型晶格配位數(shù)示意圖三種典型晶格配位數(shù)示意圖 (a)體心立方(b)
10、面心立方 (c)密排六方 一個晶胞內(nèi)原子所占體積與晶胞體積之比,稱之為致密度。致密度K可用下式求出: 式中n為晶胞原子數(shù);v為一個原子的體積,(r為原子半徑);V為晶胞體積。 Kn vV體心立方晶格的致密度: 面心立方晶格的致密度:理想密排六方晶格的致密度 Kraaa243243340 683333.Kraaa443443240 743333.Kraacaa6436346431263416330 74333. 晶體中存在著許多未被原子占據(jù)的間隙。晶體中的間隙從幾何形狀上看有四面體和八面體兩種。間隙的位置、大小和數(shù)量均與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。圖圖3-13 體心立方結(jié)構(gòu)的間隙體心立方結(jié)構(gòu)的間隙(a)八面體
11、間隙;(b)四面體間隙 圖圖3-14 面心立方結(jié)構(gòu)的間隙面心立方結(jié)構(gòu)的間隙(a)八面體間隙;(b)四面體間隙 圖圖3-15 密排六方結(jié)構(gòu)的間隙密排六方結(jié)構(gòu)的間隙(a)八面體間隙;(b)四面體間隙 綜上所述,可將三種典型晶體結(jié)構(gòu)的幾何特征數(shù)據(jù)列于下表晶格類型晶胞中原子數(shù)原子半徑配位數(shù)致密度八面體間隙半徑四面體間隙半徑體心立方2 a80.680.067a0.126a面心立方4 a120.740.146a0.08a密排六方6 a120.740.207a0.112a432412表3-5三種典型晶格的幾何參數(shù) 密排六方結(jié)構(gòu):密排面堆垛順序為ABABABABC排列面心立方結(jié)構(gòu): 密排面堆垛順序為ABCAB
12、CABC排列圖3-16 面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)中原子堆垛的方式圖3-17 面心立方結(jié)構(gòu)密排面原子的堆垛方式 不同元素原子的質(zhì)量不同,不同晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的緊密程度不同,因而具有不同的原子體密度。不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列密度也不同,因而具有不同的原子面密度和線密度。原子體密度可利用下式計算:原子體密度v 單胞的質(zhì)量m單胞的體積V舉例:銅是面心立方金屬,其原子半徑為0.1278nm,原子質(zhì)量為63.54g/mol。試計算銅的原子體密度。解:對面心立方晶胞, ,因此 銅的單胞體積為: 面心立方晶胞有四個原子,每個銅原子的質(zhì)量為(63.54g/mol)/(6.021
13、023原子/mol),因此,單胞的質(zhì)量m為: 因此,銅的體密度為:24aRa44 0.1278 nm0.36122Ramabn3233631070. 4)10361. 0(cmnmcmnmaV2223463.54 /4.22 106.02 10/g molmgmol原子原子2232334.22 108.98 /4.70 10vmgPg cmvcm 原子的面密度是指某晶面單位面積的原子數(shù),確定方法:體心立方(110)晶面上的原子數(shù),等于用(110)面來切這個晶胞,在切面上所得的遮影面積拼合的圖,即得原子的數(shù)目為:41/4+1=2。 面心立方(111)晶面的遮影面積和單胞原子數(shù)。由圖可知,其(11
14、1)面原子數(shù)為31/2+31/6=2。圖3-18 體心立方單胞(110)面(a)遮影面(b)單胞原子數(shù)圖3-19 面心立方單胞(111)面(a)遮影面 (b)單胞原子數(shù)體心立方: 原子的數(shù)目為:4 +1=2面心立方: 原子的數(shù)目為:31/2+31/6=2 表3-6 體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度 晶面指數(shù)體心立方晶格 面心立方晶格 晶面原子排列示意圖晶面原子密度(原子數(shù)/面積) 晶面原子排列 示意圖 晶面原子密度(原子數(shù)/面積) 100110111221414aa224 . 121414aa2258. 023613aa2221414aa224 . 12212414aa223 .
15、 223213613aa可見,在體心立方晶格中,原子面密度最大的晶面為110;在面心立方晶格中,原子面密度最大的晶面為111。 原子的線密度是指某晶向單位長度所包含的原子數(shù)。圖3-20為面心立方單胞110晶向的原子數(shù),可知其原子數(shù)為:1+21/2=2,單胞晶向長度為,因此110晶向的原子線密度為: 圖3-20 面心立方110晶向的單胞原子數(shù) 221.42laaa表3-7 體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度 晶向指數(shù) 體心立方晶格 面心立方晶格 晶向原子排列示意圖 晶面原子密度(原子數(shù)/長度) 晶向原子排列 示意圖 晶向原子密度(原子數(shù)/長度) 可見,在體心立方晶格中,原子線密度最大
16、的晶向為;在面心立方晶格中,原子線密度最大的晶向為。 aa1212aa7 . 02212a16. 1a31212aa1212aa4 . 121212aa58. 03212 多晶型性或同素異構(gòu)性:具有兩種或兩種以上的晶體結(jié)構(gòu)的這種性質(zhì)。多晶型轉(zhuǎn)變或同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變: 具有多晶型性的金屬在溫度或壓力變化時,由一種晶體結(jié)構(gòu)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的過程。如:常壓下,a 鐵在912以下為體心立方結(jié)構(gòu),稱為-Fe;b 鐵在9121394間具有面心立方結(jié)構(gòu),稱為-Fe; c 鐵從1394到熔點之間, 又成為體心立方結(jié)構(gòu), 稱為-Fe。 在高壓下,鐵還可以呈現(xiàn)密排六方結(jié)構(gòu)。發(fā)生多晶型轉(zhuǎn)變時,材料的性能將發(fā)生突變。例如
17、:由于-Fe和-Fe的致密度均小于-Fe,所以當(dāng)-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe時,體積突然減??;當(dāng)-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe時,體積又突然增大;冷卻時則相反。 多晶體中的各個單晶體往往呈顆粒狀,不具有規(guī)則的外形。各相鄰晶粒之間存在著晶界。 多晶體的偽各向同性;單晶的各向異性。 單晶材料具有較高的強度、耐蝕性、導(dǎo)電性和其他特性,在工業(yè)上有較廣泛的應(yīng)用。圖3-21 工業(yè)純鐵的顯微組織照片 多晶體:由許多晶粒組成的晶體。單晶體:由一個核心(稱為晶核)生長而成的晶體。3.11.1 微晶3.11.2 準(zhǔn)晶3.11.3 液晶 快速凝固的晶態(tài)合金與普通鑄造合金相比,晶粒尺寸小得多。模鑄材料晶粒尺寸一般在mm級,而急冷凝固材料的
18、晶粒尺寸僅為微米(m)或納米(nm)級,稱為微晶合金或納晶合金。 微晶結(jié)構(gòu)材料因晶粒細(xì)小,成分均勻(使偏析范圍由模鑄的幾毫米減至0.10.25m),增加了空位、位錯和層錯等缺陷,形成了新的亞穩(wěn)態(tài)相等多種因素,使微晶合金材料具有高強度、高硬度、良好的韌性、較高的耐磨性、耐蝕性,抗氧化性、抗輻射穩(wěn)定性也比一般晶態(tài)金屬有很大的提高。 準(zhǔn)晶準(zhǔn)晶:介于晶體與非晶體之間的一類晶體稱為準(zhǔn)晶。準(zhǔn)晶不同于非晶態(tài),也是遵循形核長大規(guī)律完成液固轉(zhuǎn)變,相變過程受原子擴散控制。準(zhǔn)晶必須在一定冷卻速度范圍內(nèi)形成,如Al-Mn合金中冷速在1.7106-3106K/s的范圍內(nèi)才能獲得,超過這一范圍將出現(xiàn)非晶態(tài)。一般需要有15
19、0-200的過冷度。目前在Al-Mn、Al-Co、Al-Mn-Fe、Al-V、Pd-U-Si、Al-Mn-Si等合金中都已發(fā)現(xiàn)了準(zhǔn)晶,并測試了它們的一些物理性能。 圖3-22 二維晶胞的密排圖形 液晶液晶:又稱為介晶態(tài)相,其分子既不像固體中那樣三維有序,也不像液體中那樣完全無序,而是介于兩者之間的狀態(tài),由于液晶中呈現(xiàn)著某種有序狀態(tài),所以它是各向?qū)缘摹?圖圖3-23 3-23 幾種液晶分子的形態(tài)幾種液晶分子的形態(tài) (a) 液晶的盤形分子;(b) 由盤形分子構(gòu)成的柱在液 晶中的排列方式之一圖3-25 盤形分子液晶 (a)向列相;(b)膽甾相;(c)近晶相圖3-24 液晶中的分子安排 3.12.1
20、 固溶體固溶體3.12.2 中間相中間相 合金合金:由兩種或兩種以上元素(金屬與金屬,金屬與非金屬)經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并具有金屬特性的材料。組元組元:組成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)。通常,組元即為組成合金的各元素,但元素間所形成的穩(wěn)定化合物有時也可作為組元。由兩個組元組成的合金稱為二元合金二元合金,由三個組元組成的合金稱為三元合金三元合金,由三個以上組元組成的合金稱為多元合金多元合金。 相相:是指合金中具有同一聚集狀態(tài)、同一晶體結(jié)構(gòu),成分基本相同,并有明確界面與其它部分分開的均勻組成部分。這個界面叫相界面。固態(tài)合金如由均勻的單一相組成,則稱其為單相合金,由幾個不同相組成的合金稱為多
21、相合金。組織組織:是指用肉眼或顯微鏡所觀察到的不同組成相的形狀,分布及各相之間的組合狀態(tài),常稱之為具有特殊形態(tài)的微觀形貌。相是組織的基本組成部分。而組織是決定材料性能的一個重要因素。工業(yè)生產(chǎn)中經(jīng)常通過控制和改變合金的組織來改變和提高合金性能。合金相可分為固溶體固溶體和中間相中間相(又稱金屬化合物)兩大類。 定義定義:以合金某一組元為溶劑,在其晶格中溶入其它組元原子(溶質(zhì))后所形成的一種合金相,其特征是仍保持溶劑晶格類型,結(jié)點或間隙中含有其它組元原子。 置換固溶體置換固溶體:溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格的某些結(jié)點位置所形成的固溶體。 間隙固溶體間隙固溶體:溶質(zhì)原子進入晶格的某些間隙位置所形成的固溶體。
22、根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑中的固溶能力可分為: 有限固溶體和無限固溶體。 另外,根據(jù)溶質(zhì)原子在固溶體中的分布是否有規(guī)律,固溶體又分為無序固溶體和有序固溶體。 圖圖3-26固溶體的兩種類型固溶體的兩種類型(a)置換固溶體 (b)間隙固溶體 置換固溶體的固溶度主要受以下因素影響: (1)原子尺寸因素 (2)電負(fù)性因素 (3)電子濃度因素 (4)晶體結(jié)構(gòu)因素 原子尺寸因素可用溶劑、溶質(zhì)原子半徑之差與溶劑原子半徑之比描述,即rrA-rB/rA。r越小,即組元間原子半徑越相近,則固溶體的固溶度越大;反之,r越大,固溶度越小。 圖3-27 大(a)小(b)置換原子引起的晶格畸變 電負(fù)性電負(fù)性是指原子接受電子以形成
23、負(fù)離子的能力。在周期表中,同一周期里的元素的電負(fù)性由左到右依次遞增;而在同一族內(nèi),元素電負(fù)性從上至下遞減。兩元素的電負(fù)性愈相近,愈有利于形成無限固溶體。只能形成有限固溶體時,則電負(fù)性愈接近,固溶度也就愈大。兩元素的電負(fù)性相差越大,則它們之間的化學(xué)親和力越強,越傾向于形成化合物,而不利于形成固溶體。 電子濃度是指合金相中各組元價電子總數(shù)e與原子總數(shù)a之比(e/a),可用下式表示: 式中VA、VB分別為溶劑和溶質(zhì)的原子價,X為溶質(zhì)的原子百分?jǐn)?shù)。C= e / a =V (100- X)+V XAB電子100固溶體的固溶度與電子濃度密切相關(guān): 當(dāng)溶劑元素為一價的面心立方金屬時,不同溶質(zhì)元素的最大固溶度
24、所對應(yīng)的極限電子濃度均為1.36左右; 當(dāng)溶劑元素為一價的體心立方金屬時,其極限電子濃度約為1.48。超過該極限值,則由于固溶體結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定而引起新相出現(xiàn)。 所以,溶質(zhì)的原子價越高,其固溶度越低。 只有晶格類型相同,溶質(zhì)原子才有可能連續(xù)置換溶劑晶格中的原子,直至溶劑原子完全被溶質(zhì)原子所置換。如果組元的晶格類型不同,則只能形成有限固溶體。 圖3-28無限置換固溶體中兩組元原子連續(xù)置換示意圖 綜上所述,如果組元元素的晶格類型相同,原子半徑相差不大,它們在周期表中的位置鄰近時,其固溶度可能很大,甚至可以形成無限固溶體;反之,則固溶度較小。一般情況下,由于上述多因素的影響,各元素間大多只能形成有限固溶體
25、。 當(dāng)兩組元原子半徑差超過0.41,即溶質(zhì)與溶劑的原子半徑比rB/rA0.59時,兩者已不可能形成置換固溶體,此時溶質(zhì)原子就可能進入溶劑晶格的間隙而形成間隙固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素通常為原子半徑小于0.1nm的非金屬元素,如氫、氧、氮、碳、硼等(其相應(yīng)的原子半徑分別為0.046、0.060、0.071、0.077、0.097nm),而溶劑元素大都是過渡族金屬元素。 間隙固溶體均屬固溶度很小的有限固溶體。 圖3-26 間隙固溶體的晶格畸變 在熱力學(xué)平衡狀態(tài)下,固溶體的成分在宏觀上是均勻的,但從微觀來看,其溶質(zhì)原子的分布往往是不均勻的。 圖圖3-30 固溶體中溶質(zhì)原子分布示意圖固溶體中溶質(zhì)
26、原子分布示意圖(a)完全無序;(b)偏聚;(c)部分有序;(d)完全有序 定義:某些具有短程有序的固溶體,當(dāng)其成分接近一定原子比(如AB或AB3)時,可在低于某一臨界溫度時轉(zhuǎn)變?yōu)殚L程有序結(jié)構(gòu),即溶質(zhì)和溶劑原子在整個晶體中都按一定的順序和規(guī)律排列起來,如圖3-30(d)所示,這樣的固溶體稱為有序固溶體,又稱為超結(jié)構(gòu)或超點陣,這一轉(zhuǎn)變過程成為有序化,該臨界溫度叫有序化溫度。 (a)CuAu (b)Cu3Au圖3-31 有序固溶體的晶體結(jié)構(gòu) 固溶體中隨溶質(zhì)原子濃度的提高,晶格畸變程度提高,因而晶格常數(shù)變大。 固溶強化固溶強化:由于晶格畸變增大了位錯運動的阻力,塑性變形更加困難,從而使固溶體的強度與硬
27、度增加的現(xiàn)象。固溶強化是金屬強化的重要方式之一。 圖3-32各元素溶入鋁、銅、鐵中形成置換固體時的晶格常數(shù)的變化 中間相中間相(金屬化合物金屬化合物):合金組元間相互作用,當(dāng)超過固溶體的固溶極限時,可形成晶體結(jié)構(gòu)和特性完全不同于任一組元的新相,即金屬化合物;由于金屬化合物在二元合金相圖中總是處于兩個組元或端際固溶體區(qū)域之間的中間部位,故也稱之為中間相。中間相通常可用化學(xué)式表示其組成。但其成分通常可在一定范圍內(nèi)變化。 大多數(shù)中間相是以金屬鍵混以其它典型結(jié)合鍵(離子鍵、共價健和分子鍵)方式相結(jié)合,中間相一般具有較高的熔點、硬度和脆性,因此,含有中間相的合金強度、硬度、耐磨性及耐熱性提高,但塑性和韌
28、性降低。根據(jù)形成中間相時起主導(dǎo)作用的控制因素之不同,中間相可分為:主要受電負(fù)性因素控制的正常價化合物正常價化合物,以電子濃度為主要控制因素的電子化合物電子化合物,以原子尺寸因素為主要控制因素的間隙相間隙相、間隙化合物間隙化合物和和拓樸密拓樸密堆相堆相。 定義:符合一般化合物原子價規(guī)律的金屬化合物。它們具有嚴(yán)格的化合比,成分固定不變。如Mg2Si、Mg2Sn、ZnS、ZnSe、SiC等。正常價化合物一般有AB、A2B(或AB2)和A3B2三種類型,其晶體結(jié)構(gòu)往往與具有同類化學(xué)式的離子化合物的晶體結(jié)構(gòu)相似。例如:AB型具有NaCl或ZnS結(jié)構(gòu),AB2型具有CaF2結(jié)構(gòu),A2B型為反CaF2結(jié)構(gòu),A
29、3B2型則具有反M2O3型結(jié)構(gòu)(M表示金屬)。正常價化合物通常具有較高的硬度和脆性。如果它們彌散分布于固溶體基體上,則將使合金得到強化。 圖3-33幾種類型正常價化合物的晶體點陣(a)NaCl型 (b)CaF2型 (c)立方ZnS型 (d)六方ZnS型 按照一定電子濃度形成的金屬化合物叫電子化合物。 電子化合物的電子濃度與晶體結(jié)構(gòu)具有一定對應(yīng)關(guān)系:電子濃度為3/2(21/14)的電子化合物通常具有體心立方結(jié)構(gòu),稱為相;電子濃度為21/13時,為復(fù)雜立方結(jié)構(gòu),稱為相;電子濃度為7/4(21/12)時,則為密排六方結(jié)構(gòu),稱為相。 電子化合物主要為金屬鍵結(jié)合,具有明顯的金屬特性。熔點和硬度都很高,塑
30、性較差,是許多有色金屬中的強化相.表3-12常見的電子化合物及其結(jié)構(gòu)類型 合金系 電 子 濃 度 相 相 相 晶 體 結(jié) 構(gòu) 體心立方晶格復(fù)雜立方晶格密排六方晶格Cu-ZnCuZnCu5Zn8CuZn3Cu-SnCu5SnCu31Sn8Cu3SnCu-AlCu3AlCu9Al4Cu5Al3Cu-SiCu5SiCu31Si8Cu3SiFe-AlFeAlNi-AlNiAl322114()2113742112() 間隙相和間隙化合物是由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的金屬化合物??筛鶕?jù)組元間原子半徑比和化合物的結(jié)構(gòu)特征進行區(qū)分。 當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值小于
31、0.59時,將形成具有簡單晶體結(jié)構(gòu)(如面心立方、體心立方、密排六方和簡單六方等)的金屬化合物,稱為間間隙相隙相。在間隙相晶格中,金屬原子位于正常結(jié)點位置,非金屬原子則位于晶格的間隙處。應(yīng)當(dāng)指出,間隙相與間隙固溶體之間有本質(zhì)區(qū)別。前者是一種中間相,其晶體結(jié)構(gòu)與組元晶體結(jié)構(gòu)完全不同;而間隙固溶體則仍保持溶劑組元的晶格類型。 圖3-34 間隙相和間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)(a)間隙相VC (b)間隙化合物Fe3C 間隙相非常穩(wěn)定,具有極高的熔點和硬度,同時其脆性也較大。它們的合理存在,可有效地提高鋼的強度、熱強性、紅硬性和耐磨性。因而間隙相是高合金鋼和硬質(zhì)合金中的重要組成相。 類 型間 隙 相 復(fù)雜結(jié)構(gòu)間
32、隙化合物 成分TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23C6Fe3C硬度HV28502840201020501550173014801650800熔點30803472202650360850398327855252715771227表3-14 鋼中常見碳化物的硬度及熔點 當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時,則形成具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的金屬化合物,由于此時非金屬原子也位于晶格間隙中,故稱之為間隙化合物間隙化合物。這類中間相大多是由一些過渡族金屬元素和碳原子所形成的碳化物,常見的主要有M3C型(如Fe3C、Mn3C)、M7C3型(如Cr7C3)、M23C6(如Cr23C6)和M6C型
33、(如Fe4W2C、Fe3W3C)等,其中M代表金屬元素。 間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜。間隙化合物主要為金屬鍵結(jié)合,具有金屬特性。它們也具有很高的熔點和硬度,因而也是鋼中重要的強化相。但與間隙相比較,間隙化合物的熔點和硬度要低些,而且加熱時較易分解。 晶體缺陷晶體缺陷:實際晶體中,總是存在一些原子排列偏離理想狀態(tài)的不完整區(qū)域,出現(xiàn)原子排列的不完整性,稱為晶體缺陷晶體缺陷。 根據(jù)晶體缺陷的幾何特征,可將其分為點缺陷點缺陷、線缺陷線缺陷(即位錯即位錯)和面缺陷面缺陷三類。 點缺陷的特點是在三維尺度上都很小,一般不超過幾個原子間距。點缺陷主要有空位、間隙原子和置換原子等三種。 1.肖脫基空位 2.
34、弗蘭克爾空位 3. 同類間隙原子 4. 異類間隙原子 5. 大的置換原子 6. 小的置換原子圖3-35 晶體中的各種點缺陷 實際晶體中某些晶格結(jié)點因原子脫位而空著,這些空著的結(jié)點位置稱為空位空位??瘴坏男纬芍饕c原子的熱振動有關(guān),因此又稱熱空位。脫離平衡位置的原子大致有三個去處。一是遷移到晶體的外表面或內(nèi)表面(如晶界),如此形成的空位叫肖脫基空位肖脫基空位;二是擠入晶格間隙中,如此形成的空位叫弗蘭克爾空位弗蘭克爾空位;三是跳到其它空位中,這樣雖不增加空位數(shù)目,但可造成空位遷移。 在熱平衡狀態(tài)下,晶體中主要是形成肖脫基空位??瘴坏某霈F(xiàn),使其周圍原子相互間的作用力失去平衡,因而它們會向空位處偏移,
35、使空位周圍的晶格出現(xiàn)了一個彈性畸變(歪扭)區(qū),稱為晶格畸變。 圖3-36 空位(a)及間隙原子(b)的晶格畸變區(qū) 位于晶格間隙中的原子即為間隙原子間隙原子。同類間隙原子同類間隙原子:形成弗蘭克爾空位時出現(xiàn)的間隙原子,又叫自間隙原子,其濃度極低。 異類間隙原子異類間隙原子:大都是原子半徑很小的外來原子,如鋼中的碳、氮、硼、氫等,又叫雜質(zhì)間隙原子。間隙原子會使其周圍的原子偏離平衡位置,造成晶格脹大而產(chǎn)生彈性畸變區(qū)。 占據(jù)在原來基體原子平衡位置上的異類原子稱為置換原子置換原子。置換原子造成晶格畸變。置換原子與間隙原子,在材料的強化過程中起著很重要的作用。 點缺陷并非固定不動,而是處于不斷的運動變化之
36、中??瘴缓烷g隙原子的運動是晶體中產(chǎn)生擴散的重要方式。 晶體中的線缺陷線缺陷就是各種類型的位錯位錯。其特點是原子發(fā)生錯排的范圍在二維尺度上很小,而在第三維尺度上很大。這是晶體中極為重要的一類缺陷,它對晶體的塑性變形、強度和斷裂起著決定性的作用。 兩種基本類型:刃型位錯和螺型位錯。 (1) 刃型位錯 由多余半原子面產(chǎn)生的“管道”狀晶格畸變區(qū)稱為刃型位錯。晶格畸變“管道”的中心線,即多余半原子面端部刃口的原子列(圖中 處),稱為刃型位錯線。 圖3-37刃型位錯模型 刃型位錯的應(yīng)力場與間隙原子和置換原子發(fā)生彈性交互作用,吸引這些原子向位錯區(qū)偏聚,從而降低了晶格畸變能,并使位錯難于運動,從而造成材料的強
37、化。 圖3-38晶體局部滑移形成的刃型位錯 按螺旋形排列的原子錯排區(qū)域稱為螺型位錯。顯然,螺型位錯也是一條細(xì)長的晶格畸變“管道”,其彈性變力場呈軸對稱分布。 圖3-39 螺形位錯 根據(jù)位錯區(qū)螺旋形原子排列的旋轉(zhuǎn)方向不同,螺型位錯分左旋和右旋兩種。通常用姆指代表螺旋前進方向,其余四指代表螺旋旋轉(zhuǎn)方向。符合右手螺旋法則的稱為右螺型位錯,符合左手螺旋法則的稱為左螺型位錯。位錯線呈曲線狀,與滑移方向即不平行也不垂直,而是交成任意角度。 圖圖3-40 混合位錯混合位錯(a)晶體的局部滑移形成混合位錯 (b)混合位錯附近原子組態(tài)的俯視圖 柏氏矢量:用來描述位錯區(qū)域晶格畸變總量的大小和方向的矢量,用b表示。
38、 圖圖3-41 刃型位錯柏氏矢量的確定刃型位錯柏氏矢量的確定實際晶體的柏氏回路;(b)完整晶體的相應(yīng)回路 刃型位錯的柏氏矢量與其位錯線相垂直。這一特征可用于判斷一個位錯是否為刃型位錯。刃型位錯的正負(fù)也可借右手法則來確定。 圖3-42 用右手定則確定刃型位錯類型 螺型位錯的柏氏矢量也可用相同方法確定。螺型位錯的柏氏矢量與其位錯線平行,這一特征成為定義螺型位錯的判據(jù)。 圖3-43 螺型位錯柏氏矢量的確定實際晶體的柏氏回路 (b)完整晶體的相應(yīng)回路 混合位錯的柏氏矢量既不垂直也不平行于位錯線,而是與位錯線交成不同角度。因此,可將混合位錯的柏氏矢量分解為垂直和平行于位錯線的兩個分量,分別對應(yīng)于刃型位錯
39、和螺型位錯分量,如圖3-44所示。圖3-44 混合位錯的柏氏矢量 位錯的運動主要包括:(1)位錯的滑移 (2) 位錯的攀移 位錯沿滑移面的移動稱為滑移運動。當(dāng)位錯在切應(yīng)力作用下沿滑移面滑過整個滑移面時,就會使晶體表面產(chǎn)生一個原子間距的滑移臺階。 (a)刃型位錯的滑移 (b)螺型位錯的滑移 (c)混合位錯的滑移圖3-46位錯滑移導(dǎo)致晶體滑移的示意圖 晶體的滑移運動不是整個滑移面上的全部原子同時一齊移動,而是通過位錯中心及其附近的少量原子沿柏氏矢量作小于一個原子間距的微量位移而逐步實現(xiàn)的。因此,晶體通過位錯運動進行滑移變形所需的切應(yīng)力比剛性整體滑移所需切應(yīng)力小得多。 圖3-47 刃型位錯的滑動與晶
40、體滑移 刃型位錯可在垂直于滑移面方向上運動進行攀移。 (a)未攀移的位錯 (b)空位運動形成的正攀移 (c)間隙原子擴散引起負(fù)攀移圖3-48刃型位錯的攀移運動模型 面缺陷面缺陷是指二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。包括晶體的外表面(即通常所說的表面或自由表面)和內(nèi)界面兩類,其中內(nèi)界面又包括晶界、亞晶界、孿晶界、相界和層錯等。 自由表面自由表面是指晶體與氣體或液體相接觸的界面。處于這種界面上的原子,由于其周圍環(huán)境與晶體內(nèi)部不同,受力處于非平衡狀態(tài),其中受到的內(nèi)部原子作用力顯著大于外部介質(zhì)原子或分子的作用力。因此,界面原子將偏離其平衡位置,造成表面約幾個原子層范圍內(nèi)的晶格畸變及能量升高。將單位表
41、面面積上新增加的能量稱為表面能表面能,它與表面張力為同一數(shù)值。 相鄰晶粒之間的界面叫晶界晶界。每個晶粒內(nèi)存在著許多位向差極小(1)的亞結(jié)構(gòu),稱為亞晶粒亞晶粒。亞晶粒之間的界面叫亞晶界亞晶界。根據(jù)相鄰晶粒位向差的不同,晶界可分為兩類:相鄰晶粒位向差小于10的為小角度晶界小角度晶界;相鄰晶粒位向差大于10的為大角度晶界大角度晶界。亞晶界屬于小角度晶界。 小角度晶界可分為對稱傾側(cè)晶界、不對稱傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界等多種。 圖3-49 對稱傾側(cè)晶界 圖3-50 對稱傾側(cè)晶界的形成應(yīng)當(dāng)指出,對晶體中實際存在的許多小角度晶界(如亞晶界)來說,其結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,一般是由刃型位與螺型位錯組合而成。 圖3-51 簡單立方晶體的不對稱傾側(cè)晶界 大角度晶界的結(jié)構(gòu):相鄰晶粒在鄰接處的形狀是由不規(guī)則臺階組成的。 圖3-53 大角晶界模型 晶界上的原子由于排列不規(guī)則而處于較高的能量狀態(tài)。單位晶界面積上增加的能量稱為晶界能晶界能。晶粒長大和晶界的平直化都可以減小晶界的總面積,從而降低晶界的總能量。晶粒的長大和晶界的平直化是一個自發(fā)過程。 晶界具有一系列不
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