金屬學(xué)--第1章：金屬及合金的固態(tài)結(jié)構(gòu)

1、金屬學(xué)-第1章：金屬及合金的 固態(tài)結(jié)構(gòu)第一章：金屬及合金的固態(tài)結(jié)構(gòu)1. 純金屬的典型結(jié)構(gòu)模型：面心立方（fee）、密集六方（hep）和體心立方（bee）結(jié)構(gòu)模型。2. 合金中的典型結(jié)構(gòu)：（1）代位固溶體和有序固溶體一一異類(lèi)原子按任意比例（在一定成分范圍內(nèi)）統(tǒng)計(jì)式的分布在各類(lèi)結(jié)構(gòu)中各相應(yīng)晶面上，并處于與主組元相似的正常位置，猶如主組元的一部分原子被其它組元的原子所取代似的，但始終保持著主組元的結(jié)構(gòu)類(lèi)型。這類(lèi)結(jié)構(gòu)叫代位固溶體結(jié)構(gòu)。若異類(lèi)原子不是統(tǒng)計(jì)式的分布，而是按一定的順序分布，這類(lèi)結(jié)構(gòu)叫有序固溶體結(jié)構(gòu)。（2）異類(lèi)原子分布在主組元原子間的空隙中，這種結(jié)構(gòu)屬于間隙固溶體結(jié)構(gòu)。（3）各組元原子按一定比

2、例和一定順序，共同組成一個(gè)新的，不同于其任一組元的典型結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)屬于金屬化合物類(lèi)型。3. 空間點(diǎn)陣：在空間由點(diǎn)排列成的無(wú)限陣列，其中每一個(gè)點(diǎn)都和其他所有的點(diǎn)具有相同的環(huán)境，這種點(diǎn)的排列就稱(chēng)為空間點(diǎn)陣。4. 單胞：我們?cè)诳臻g點(diǎn)陣中選取一個(gè)能夠點(diǎn)陣特點(diǎn)的最小單元來(lái)作為分析代表，一般來(lái)說(shuō)，只要取最令P近的這樣八個(gè)陣點(diǎn)，以其為頂點(diǎn)能夠構(gòu)成一個(gè)體積最小，對(duì)稱(chēng)性最高的平行六面體，這個(gè)六面體構(gòu) 成了點(diǎn)陣的基元，稱(chēng)之為單胞，有時(shí)也叫基胞。5. 點(diǎn)陣參數(shù)：選取單胞的一個(gè)頂點(diǎn)作為參考坐標(biāo)原點(diǎn)，并以通過(guò)此頂點(diǎn)的三個(gè)棱邊分別作為坐標(biāo)的三個(gè)軸X、Y、Z,，稱(chēng)之為晶軸。晶軸分別以單胞各相應(yīng)邊的長(zhǎng)度 a、b、e作為量度

3、單位。對(duì)一定的點(diǎn)陣來(lái) 說(shuō)，各晶軸之間的夾角為定值，通常以a、B、Y本別表示YZ ZX XY軸間的夾角。這六個(gè)量就是表征點(diǎn)陣特征的六個(gè)參量，通常叫點(diǎn)陣參數(shù)，前三個(gè)有時(shí)叫點(diǎn)陣常數(shù)。6. 七大晶系：三斜、單斜、正交、六方、棱方、正方、立方。7. 復(fù)合單胞：?jiǎn)伟腥舫税藗€(gè)頂角上的陣點(diǎn)外，還在其它位置，如面心、體心或棱的中心等處也分布著陣點(diǎn)，那么這種單胞就叫復(fù)合單胞。復(fù)合單胞沿三個(gè)晶軸在空間重復(fù)平移而組成的點(diǎn)陣稱(chēng)復(fù)合點(diǎn)陣。8 布喇菲點(diǎn)陣：布喇菲證明除了7種簡(jiǎn)單單胞外，還可以有 7種不同的復(fù)合單胞，即共有 14種點(diǎn)陣，這14種點(diǎn)陣，無(wú)論是簡(jiǎn)單的或復(fù)合的，都可以看做是單胞中的陣點(diǎn)沿三個(gè)晶軸，分別以三個(gè)點(diǎn)陣

4、常 數(shù)為單位矢量做平移運(yùn)動(dòng)而組成的，稱(chēng)布喇菲點(diǎn)陣。9. 空間點(diǎn)陣與晶體結(jié)構(gòu)的關(guān)系：空間點(diǎn)陣+結(jié)構(gòu)基元=晶體結(jié)構(gòu)?？臻g點(diǎn)陣只具有幾何意義，它可以用來(lái) 描敘晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律性。當(dāng)在空間點(diǎn)陣中按大小比例安置具體物質(zhì)的原子、分子、離子或原子群時(shí)，它便成為這一物質(zhì)的理想晶體結(jié)構(gòu)模型。如果在空間點(diǎn)陣上，用一些點(diǎn)標(biāo)岀具體物質(zhì)的原子、分子、離子或原子集團(tuán)的中心位置時(shí)，那么這種點(diǎn)陣可稱(chēng)之為晶體點(diǎn)陣，它的單胞稱(chēng)晶胞。晶體點(diǎn)陣 是用來(lái)表示具體物質(zhì)的理想結(jié)構(gòu)的。空間點(diǎn)陣只有14種，但可以描敘許多相似的晶體結(jié)構(gòu)，因?yàn)?1)點(diǎn)陣參數(shù)可以變化(2)每個(gè)陣點(diǎn)既可以是單原子或但離子，也可以是分子或原子群?？傊w點(diǎn) 陣

5、或晶胞是表示具體晶體結(jié)構(gòu)的，而14種空間點(diǎn)陣或單胞則是用來(lái)區(qū)分晶體結(jié)構(gòu)類(lèi)型的。10. 晶面指數(shù)和晶向指數(shù)。11. 原子結(jié)合鍵的類(lèi)型(1) 離子鍵：當(dāng)一正電性元素和一負(fù)電性元素相接觸時(shí)，由于電子一失一得，使它們各自變成正離子和負(fù)離子，二者靠 靜電作用互相結(jié)合起來(lái)，這種結(jié)合方式叫離子鍵。(2) 共價(jià)鍵：處于周期表偏中間的一些元素，得失電子的機(jī)會(huì)近似，大多既可形成正離子也可形成負(fù)離子。這些元素化合時(shí)多形成共價(jià)鍵。所謂共價(jià)鍵，其特點(diǎn)是相鄰原子各給岀一個(gè)電子， 作為二者所共有，兩個(gè)正離子即靠運(yùn)動(dòng)于期間的這對(duì)共有電子作用而相互結(jié)合起來(lái)。(3) 金屬鍵：處于集聚狀態(tài)的金屬原子，全部或大部分將它們的價(jià)電子貢獻(xiàn)

6、岀來(lái)，作為整個(gè)原子集體所公有。這些公有化的電子也稱(chēng)自由電子，它們組成電子云，在點(diǎn)陣的周期場(chǎng)中按量子力學(xué)規(guī)律運(yùn)動(dòng)著；而貢獻(xiàn)岀電子的原子則變成正離子，它沉浸在電子云中，它們 依靠運(yùn)動(dòng)于其間的公有化自由電子的靜電作用 而結(jié)合起來(lái)，它無(wú)所謂飽和性和方向性的問(wèn)題。(4) 極化鍵：當(dāng)一些不易得失電子的中性原子和分子接觸時(shí)，若各自?xún)?nèi)部的電子發(fā)生不均勻的重分布，那么便會(huì)岀現(xiàn)電荷的不均勻性，使其一端呈現(xiàn)負(fù)電荷，另一端呈現(xiàn)正電荷，這種現(xiàn)象 叫原子或分子的極化。被極化了的原子或分子之間，依靠正、負(fù)極的相互作用而結(jié)合起來(lái)叫極化鍵。12. 金屬鍵的來(lái)源：正離子和自由電子之間的引力；正離子之間各自?xún)?nèi)部已滿(mǎn)額的電子層的斥力

7、；正離子之間由于電荷相似而引起的斥力；當(dāng)原子接近到一定距離時(shí)，由于電子云的重疊而引起的泡里斥力。13. 開(kāi)放型金屬與封閉型金屬：不同金屬間的差別在于作用力曲線(xiàn)或作用能曲線(xiàn)的曲率或勢(shì)阱深度不同。 曲線(xiàn)在原子平衡點(diǎn)附近較平緩，勢(shì)阱也小，說(shuō)明原子間作用力弱或結(jié)合能小，此類(lèi)金屬原子在平衡時(shí) 內(nèi)層電子實(shí)際上并沒(méi)有相接觸，正離子之間還有相當(dāng)大的間隔，原子易壓縮，剛度小，稱(chēng)之為開(kāi)放型 金屬；另一類(lèi)作用力強(qiáng)，結(jié)合能大，內(nèi)層電子已有相當(dāng)?shù)闹丿B，原子很不易壓縮，剛度大，因此稱(chēng)為 封閉型金屬。封閉型金屬一般彈性模量大，熱膨脹系數(shù)小，熔點(diǎn)高，比熱大，強(qiáng)度高。14. 原子半徑：通常多沿晶體中原子線(xiàn)密度最大的晶向，取相鄰

8、兩原子平衡距離之半作為原子半徑，這是 原子半徑的物理含義，它與晶體的點(diǎn)陣常數(shù)有密切關(guān)系。15. 影響合金結(jié)構(gòu)的基本因素：(1) 異類(lèi)原子間的相互作用因素(電化學(xué)因素)：異類(lèi)原子之間的作用大致可分為三種：和同類(lèi)原子作用相同，相互間吸引力較大，相互間排斥力較大，與此對(duì)應(yīng)，當(dāng)異類(lèi)原子原子數(shù)增加時(shí)，引起的能量變化也是 三種：不變，降低，升高，原子間的分布也相應(yīng)岀現(xiàn)三種情況異類(lèi)原子可以統(tǒng)計(jì)式的均勻混合在一起， 就好象同種原子一樣不會(huì)引起能量的變化，因而也不會(huì)影響結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，合金始終保持著純組元原來(lái)的 結(jié)構(gòu)類(lèi)型當(dāng)異類(lèi)原子吸引力大于同類(lèi)原子間的吸引力時(shí)，異類(lèi)原子會(huì)相互為鄰，將使能量降低。當(dāng)異類(lèi)原子電化性相

9、差不大時(shí)，可形成有序固溶體結(jié)構(gòu)，電化性相差增大，會(huì)形成金屬化合物甚至正常價(jià)化合物 結(jié)構(gòu)當(dāng)異類(lèi)原子吸引力小于同類(lèi)原子吸引力時(shí)，它們將力求各自聚集在一起，并形成各自固有的晶體結(jié) 構(gòu)，這樣，合金中將會(huì)岀現(xiàn)兩種不同成分和不同結(jié)構(gòu)的晶粒，內(nèi)部各自聚集著一類(lèi)原子，外部則通過(guò)晶界 相互結(jié)合在一起。(2) 原子相對(duì)尺寸因素：原子相對(duì)尺寸的變化將引起配位數(shù)的變化，配位數(shù)變化，結(jié)構(gòu)類(lèi)型就會(huì)改變，若 配位數(shù)不變，至少也會(huì)使點(diǎn)陣發(fā)生畸變，畸變引起能量升高，從而結(jié)構(gòu)不穩(wěn)定。這里還有一個(gè)異類(lèi)原子相 對(duì)量的的問(wèn)題。 電子濃度因素：電子濃度是指金屬晶體中平均一個(gè)原子所具有的自由電子數(shù)。在金屬晶體結(jié)構(gòu)的單位 體積中，能容納的自

10、由電子數(shù)是有限的，超過(guò)這個(gè)限度，能量上升引起結(jié)構(gòu)的不穩(wěn)定甚至改組。(4) 其他因素如溫度、壓力等對(duì)結(jié)構(gòu)也有影響。16. 中間相：在合金中所形成的那些 與其純組元結(jié)構(gòu)類(lèi)型不相同的相 ，統(tǒng)稱(chēng)中間相，或金屬化合物。17. 固溶體的概念：固溶體是指溶質(zhì)組元溶于溶劑點(diǎn)陣中而組成的單一的均勻固體。固溶體溶質(zhì)只能以原 子狀態(tài)溶解，在結(jié)構(gòu)上的特點(diǎn)是必須保證溶劑組元的點(diǎn)陣類(lèi)型。18. 固溶體的分類(lèi)：按溶劑一次固溶體，二次固溶體；按固溶度有限固溶體，無(wú)限固溶體；按 溶質(zhì)原子在晶體點(diǎn)陣中所占的位置分類(lèi)一一代位固溶體，間隙固溶體，缺位固溶體；按溶質(zhì)原子與溶劑原子的相對(duì)分布進(jìn)行分類(lèi)無(wú)序固溶體，有序固溶體。19. 有序固

11、溶體：溶質(zhì)原子按適當(dāng)比例按一定順序和一定方向，圍繞著溶劑原子分布時(shí)，叫有序固溶體， 既可以是代位式的有序，也可以是間隙式的有序。20. 影響固溶度的因素：(1) 原子尺寸因素：組元原子間的相對(duì)尺寸對(duì)形成固溶體起重要作用，大量實(shí)驗(yàn)表明，具有相當(dāng)固溶度的代位固溶體和間隙固溶體其溶質(zhì)原子與溶劑原子的相對(duì)差都有一定范圍。而定性考慮，不同尺寸的異類(lèi)原子組合在一起，會(huì)引起點(diǎn)陣畸變，畸變能升高，而原子尺寸相差越大，畸變能也越大，應(yīng)力 也越大，點(diǎn)陣也越不穩(wěn)定，直到溶劑點(diǎn)陣不能在進(jìn)一步維持時(shí)即達(dá)到固溶極限。(2) 負(fù)電性因素：元素的負(fù)電性表示這個(gè)元素的原子在異類(lèi)原子的集合體中或分子中能吸引電子作為 自身所有的一

12、種能力。當(dāng)進(jìn)行合金化時(shí)，組元之間負(fù)電性相差越大，越有利于形成化合物，而不利于 形成固溶體，所形成的化合物越穩(wěn)定，固溶度也必越小。派生岀一個(gè)規(guī)律：如果溶質(zhì)組元在給定合金 中能夠以不同狀態(tài)存在的話(huà)，溶質(zhì)存在的狀態(tài)越穩(wěn)定，其固溶度就越小。（3）電子濃度因素：其一是原子價(jià)效應(yīng)，即在一些以一價(jià)金屬為溶劑的固溶體里，溶質(zhì)的原子價(jià)越高，貝康最大固溶度便越小。其二是相對(duì)價(jià)效應(yīng)，即對(duì)給定的兩組元來(lái)說(shuō)，當(dāng)其它條件相同時(shí)，高價(jià)組元 在低價(jià)組元中的固溶度較之相反的固溶度要大。一般先考慮尺寸因素，再考慮其它因素，另外還會(huì)有次要因素會(huì)影響固溶度。21. 晶體缺陷類(lèi)型：點(diǎn)缺陷一一三個(gè)方向的尺寸都很小，不超過(guò)幾個(gè)原子的間距，

13、如各種溶質(zhì)原子所引起的畸變，空位、間隙原子以及這幾類(lèi)缺陷的復(fù)合體等。線(xiàn)缺陷一一在兩個(gè)方向上的尺寸很小，而在第三個(gè)方向上尺寸則很大，甚至可以貫穿整個(gè)晶體，這一類(lèi)缺陷主要是位錯(cuò)。面缺陷一一缺陷在一個(gè)方向上尺寸很小，而在其余兩個(gè)方向上的尺寸責(zé)很大，晶體的外表面及各種內(nèi)表面，一般晶界、孿晶界、亞晶界、相界及層錯(cuò)等屬于這一類(lèi)。體缺陷一一缺陷在三個(gè)方向的尺寸都較大，但不是很大，如固溶體內(nèi)的偏聚區(qū)等。22. 點(diǎn)陣畸變：無(wú)論是在代位固溶體或間隙固溶體中，在每個(gè)溶質(zhì)原子周?chē)囊欢ǚ秶鷥?nèi)，溶劑原子排列 的正常規(guī)律性都會(huì)受到不同程度的干擾，這就叫點(diǎn)陣畸變。23. 偏聚與有序化：當(dāng)同種原子間的作用力比異種原子間的作用

14、力大時(shí)，溶質(zhì)原子易于分區(qū)聚攏在一起， 形成許多偏聚區(qū)；反之當(dāng)異種原子間的作用力較大時(shí)，則溶質(zhì)原子大多易于彼此遠(yuǎn)離，其緊鄰或近鄰 都為溶劑原子，由此岀現(xiàn)了小范圍內(nèi)的有序分布，稱(chēng)短程有序。24. 固溶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：點(diǎn)陣畸變，點(diǎn)陣常數(shù)的變化，偏聚與有序化，有序固溶體。25. 固溶體在性能方面的特點(diǎn)：（1） 一般來(lái)說(shuō)，在強(qiáng)度方面，如硬度、屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度等，比其兩個(gè) 純組元的平均值高，但比一般化合物低；在范性和韌性方面，如延伸率、面縮率等，比其兩個(gè)純組元 的平均值略低，但比一般化合物要高的多，而且有的固溶體其范性和韌性比其組元的還要高。因此，固溶體具有較為優(yōu)越的綜合力學(xué)性能。（2）在其它物理性能方面也

15、有變化， 如導(dǎo)電率下降，電阻升高,電阻溫度系數(shù)減小。（3）固溶體的性能除了受溶質(zhì)組元的不同及起含量多少而變化，還受溶質(zhì)組元分 布狀況及結(jié)構(gòu)和組織方面的各種因素影響，如偏聚或有序化都會(huì)使固溶體的硬度、強(qiáng)度進(jìn)一步提高， 而范性、韌性進(jìn)一步下降。26. 位錯(cuò)是一種特殊的晶體缺陷，其特點(diǎn)是圍繞著一條很長(zhǎng)的線(xiàn)（相對(duì)于晶體來(lái)說(shuō)），在一定范圍內(nèi)原子 都發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)動(dòng)，都離開(kāi)了它們?cè)瓉?lái)的平衡位置，所以叫位錯(cuò)。27. 刃型位錯(cuò)：舉簡(jiǎn)單立方晶體為例，設(shè)想給晶體的上下兩部分施以切應(yīng)力，使上半部硬擠入半個(gè)晶面， 便形成了正刃型位錯(cuò)，其特點(diǎn)是上半部受擠壓，下半部受拉伸，而以中心的錯(cuò)動(dòng)為最大，約半個(gè)原子 間距，距中心

16、愈遠(yuǎn)，錯(cuò)動(dòng)愈小，直至恢復(fù)正常位置，就是這樣一個(gè)長(zhǎng)度由晶前到晶后，寬度波及幾個(gè)原子間距的區(qū)域，正好與晶體中實(shí)際存在的某些位錯(cuò)相似，稱(chēng)之為正刃型位錯(cuò)。 反之則是負(fù)刃型位錯(cuò)。28. 螺型位錯(cuò)：舉簡(jiǎn)單立方晶體為例，設(shè)想只將晶體的前半部用刀劈開(kāi)，而后沿劈開(kāi)面，并以刃端為界使 劈開(kāi)部分的左右兩半沿上下方向發(fā)生一個(gè)原子間距的相對(duì)切變，而后再將它們粘合起來(lái)。這樣在晶體 切變部分的上下表面?zhèn)€出現(xiàn)一個(gè)臺(tái)階，在晶體內(nèi)部大部分原子仍相吻合，就象未切變一樣，只是出現(xiàn) 了一個(gè)約幾個(gè)原子寬的切變和未切變之間的過(guò)度區(qū)，在這個(gè)過(guò)渡區(qū)，原子的正常位置發(fā)生了錯(cuò)動(dòng)，這 樣一個(gè)寬僅幾個(gè)原子間距，長(zhǎng)則穿透晶體上下表面，猶如一個(gè)右螺旋紋旋

17、轉(zhuǎn)前進(jìn)的線(xiàn)形缺陷，稱(chēng)右螺 旋位錯(cuò)。反之則為左螺旋位錯(cuò)。29. 柏氏回路與柏氏矢量：設(shè)想圍繞位錯(cuò)線(xiàn)在晶體內(nèi)走一圈，比如繞一正刃型位錯(cuò)依逆時(shí)針?lè)较蛟诰w 內(nèi)作了一個(gè)封閉回路，稱(chēng)柏氏回路，而后在選一個(gè)沒(méi)有位錯(cuò)的相似部分，取相似起點(diǎn)，同一方向，同 一大小，同一步驟做第二個(gè)回路，則發(fā)現(xiàn)第二個(gè)回路不能封閉，作岀自其終點(diǎn)向起點(diǎn)的矢量，該矢量 稱(chēng)柏氏矢量。對(duì)任何位錯(cuò)都是如此，可見(jiàn)位錯(cuò)都具有一定的柏氏矢量，一條位錯(cuò)線(xiàn)只能有一個(gè)柏氏矢30. 金屬晶體中的內(nèi)外界面:外表面一一金屬或合金的外表面是指其與真空或各種外部介質(zhì)，如空氣，氫氣，氮?dú)獾认嘟佑|的界面。比表面能一一界面上的原子受內(nèi)部自身原子的作用力和受外部介質(zhì)分子

18、（或原子）的作用力顯然是不 相平衡的，若外部為真空，則更不平衡，這樣表面原子就會(huì)偏離正常的平衡位置，并牽連到臨近的幾層原 子，這就造成表層的畸變，它們的能量比內(nèi)部原子高，將它們高岀的能量合起來(lái)，平均在單位表面積上的 超額能量稱(chēng)為比表面能，或簡(jiǎn)稱(chēng)表面能。晶界一一同種晶粒間的界面，純金屬或單相合金的組織是由同成分、同結(jié)構(gòu)的許多晶粒組成的，各晶 粒之間，由于相對(duì)取向（即各晶軸在空間的方位）不同，而出現(xiàn)了接觸界面，一般稱(chēng)為晶界。相界面 異種晶粒間的界面，許多合金的組織往往是復(fù)相的，即這種組織是由成分或結(jié)構(gòu)不同的， 或二者都不相同的晶粒組成的，它們之間的接觸界面是一種特殊界面，通常稱(chēng)相界面。共格界面共格是指界面上的原子所占據(jù)的位置相當(dāng)于這兩個(gè)晶粒點(diǎn)陣的共有陣點(diǎn)，這樣，可使兩個(gè)晶粒的點(diǎn)陣在界面上完全連貫起來(lái)，這種界面稱(chēng)為共格界面，完全共格的界面其界面能最低。孿晶界：它是純金屬或單相合金中，同成分同結(jié)構(gòu)的兩個(gè)晶粒 之間的一種特殊界面，其特點(diǎn)是 完全共格的，并且在兩晶粒內(nèi)部的原子都以界面為對(duì)稱(chēng)面而處于鏡面對(duì)稱(chēng)位置，這樣一對(duì)晶粒稱(chēng)之為孿晶。亞晶一一一個(gè)晶粒內(nèi)部并不是完全一致的，而是由一些取向略有差異的小塊組成的，稱(chēng)為亞晶。 界面能一一金屬和合金