青島科技大學(xué)金屬學(xué)與熱處理課件1-1金屬

1、11 金金 屬屬一、金屬的特性和概念一、金屬的特性和概念1、特性、特性金屬通常表現(xiàn)出的特性：金屬通常表現(xiàn)出的特性： 良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、塑性、金屬光澤、不透明。良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、塑性、金屬光澤、不透明。2、概念、概念傳統(tǒng)意義上的概念。傳統(tǒng)意義上的概念。嚴(yán)格意義上的概念：具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。即電阻嚴(yán)格意義上的概念：具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。即電阻隨溫度的升高而增加的物質(zhì)。隨溫度的升高而增加的物質(zhì)。第一章第一章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬鍵二、金屬鍵當(dāng)金屬與金屬原子結(jié)合在一起時(shí)，金屬原子失去外層和次外當(dāng)金屬與金屬原子結(jié)合在一起時(shí)，金屬原子失去外層和次外層電子變成正離子；這

2、些電子成為自由電子，構(gòu)成電子云，層電子變成正離子；這些電子成為自由電子，構(gòu)成電子云，為整個(gè)金屬所共有；金屬離子為整個(gè)金屬所共有；金屬離子和自由電子之間的引力與離子和自由電子之間的引力與離子間和電子間的斥力相平衡，從間和電子間的斥力相平衡，從而構(gòu)成穩(wěn)定的金屬晶體。這種而構(gòu)成穩(wěn)定的金屬晶體。這種結(jié)合方式稱之為金屬鍵。結(jié)合方式稱之為金屬鍵。金屬特性的金屬鍵理論解釋金屬特性的金屬鍵理論解釋(1)(1) 導(dǎo)電性：導(dǎo)電性：自由電子在電場(chǎng)的作用下定向運(yùn)動(dòng)形成自由電子在電場(chǎng)的作用下定向運(yùn)動(dòng)形成電流。電流。(2)(2)導(dǎo)熱性：導(dǎo)熱性：自由電子的運(yùn)動(dòng)和正離子的振動(dòng)可以傳自由電子的運(yùn)動(dòng)和正離子的振動(dòng)可以傳遞熱能。遞

3、熱能。(3)(3)正的電阻溫度系數(shù)：正的電阻溫度系數(shù)：隨著溫度升高，正離子振動(dòng)隨著溫度升高，正離子振動(dòng)的振幅要加大，對(duì)自由電子通過(guò)的阻礙作用也加的振幅要加大，對(duì)自由電子通過(guò)的阻礙作用也加大，因此，金屬的電阻是隨溫度的升高而增加。大，因此，金屬的電阻是隨溫度的升高而增加。良好的塑性：良好的塑性：當(dāng)金屬發(fā)生塑性變形后，正離子當(dāng)金屬發(fā)生塑性變形后，正離子與自由離子間仍能保持金屬鍵的結(jié)合。與自由離子間仍能保持金屬鍵的結(jié)合。不透明和金屬光澤：不透明和金屬光澤：自由電子能吸收可見(jiàn)光的自由電子能吸收可見(jiàn)光的能量，故金屬具有不透明性。吸收能量后的電能量，故金屬具有不透明性。吸收能量后的電子跳到較高能級(jí)，當(dāng)它重

4、新回到原來(lái)低能級(jí)時(shí)，子跳到較高能級(jí)，當(dāng)它重新回到原來(lái)低能級(jí)時(shí)，就把所吸收的可見(jiàn)光的能量以電磁波的形式輻就把所吸收的可見(jiàn)光的能量以電磁波的形式輻射出來(lái)，在宏觀上就表示為金屬光澤。射出來(lái)，在宏觀上就表示為金屬光澤。12 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與非晶體一、晶體與非晶體1.概念：概念： 晶體：晶體： 內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)按一定的幾何規(guī)律呈周期性規(guī)則排列的物質(zhì)稱內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)按一定的幾何規(guī)律呈周期性規(guī)則排列的物質(zhì)稱為晶體。為晶體。 非晶體：非晶體： 內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)無(wú)規(guī)則的堆積在一起的物質(zhì)稱為非晶體。內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)無(wú)規(guī)則的堆積在一起的物質(zhì)稱為非晶體。2.晶體與非晶體的區(qū)別：晶體與非晶體的區(qū)別：內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)排列是否規(guī)則。（內(nèi)部

5、質(zhì)點(diǎn)排列是否規(guī)則。（規(guī)則排列是晶體，無(wú)規(guī)則的堆規(guī)則排列是晶體，無(wú)規(guī)則的堆積是非晶體?？赏ㄟ^(guò)積是非晶體?？赏ㄟ^(guò)Xray衍射，選取電子衍射測(cè)定）衍射，選取電子衍射測(cè)定）是否有固定的熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)）。是否有固定的熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)）。（晶體具有固定熔點(diǎn)（晶體具有固定熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)；非晶體不具有固定熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)）；（凝固點(diǎn)；非晶體不具有固定熔點(diǎn)（凝固點(diǎn)）；性能是否各向異性。性能是否各向異性。單晶體具有各向異性，非晶體具有各單晶體具有各向異性，非晶體具有各向同性。向同性。晶體與非晶體在一定條件下可互相轉(zhuǎn)化晶體與非晶體在一定條件下可互相轉(zhuǎn)化。 二、晶格與晶胞二、晶格與晶胞1.空間點(diǎn)陣（圖）（圖）將晶體中原子或原子團(tuán)

6、抽象為純幾何點(diǎn)（陣點(diǎn) latticepoint），即可得到一個(gè)由無(wú)數(shù)幾何點(diǎn)在三維空間排列成規(guī)則的陣列空間點(diǎn)陣（spacelattice）特征：每個(gè)陣點(diǎn)在空間分布必須具有完全相同的周圍環(huán)境(surrounding)人為地將點(diǎn)陣用直線連接起來(lái)形成空間格子，稱之為晶格(unitlattice)，2晶胞（Unitecells） (圖）圖） 最小的能夠完全反映晶格特征的基本單元稱為晶胞。通常是最小最小的能夠完全反映晶格特征的基本單元稱為晶胞。通常是最小平行六面體平行六面體3、 晶格常數(shù)(unitlatticeparameter)如圖，如圖，、，a a、b b、c c為晶格常數(shù)為晶格常數(shù)。返回晶胞選取應(yīng)滿

7、足下列條件晶胞選取應(yīng)滿足下列條件 ：(1)(1)晶胞幾何形狀充分反映點(diǎn)陣對(duì)稱性；晶胞幾何形狀充分反映點(diǎn)陣對(duì)稱性； (2)(2)平行六面體內(nèi)相等的棱和角數(shù)目最多；平行六面體內(nèi)相等的棱和角數(shù)目最多； (3)(3)當(dāng)棱間呈直角時(shí)，直角數(shù)目應(yīng)最多；當(dāng)棱間呈直角時(shí)，直角數(shù)目應(yīng)最多； (4)(4)滿足上述條件，晶胞體積應(yīng)最小。滿足上述條件，晶胞體積應(yīng)最小。晶體中原子排列示意圖晶體中原子排列示意圖a)原子對(duì)垛模型b)晶格c)晶胞返回三、金屬中常見(jiàn)的晶格類型三、金屬中常見(jiàn)的晶格類型根據(jù)個(gè)參數(shù)間的相互關(guān)系可將全部空間點(diǎn)陣歸為根據(jù)個(gè)參數(shù)間的相互關(guān)系可將全部空間點(diǎn)陣歸為七大晶系，十四種點(diǎn)陣七大晶系，十四種點(diǎn)陣（稱為

8、（稱為布拉菲點(diǎn)陣布拉菲點(diǎn)陣）。）。晶系布拉菲點(diǎn)陣 晶系布拉菲點(diǎn)陣三斜Triclinicabc ，單斜 Monoclinicabc， =90正交abc，=90 簡(jiǎn)單三斜簡(jiǎn)單單斜底心單斜簡(jiǎn)單正交底心正交體心正交面心正交六方 Hexagonala1=a2a3c，=90 ， =120菱方 Rhombohedrala=b=c, =90 四方（正方）Tetragonala=bc, =90 立方 Cubica=b=c， =90 簡(jiǎn)單六方簡(jiǎn)單菱方簡(jiǎn)單四方體心四方簡(jiǎn)單立方體心立方面心立方底心單斜簡(jiǎn)單三斜abc ，簡(jiǎn)單單斜（abc， =90)底心正交簡(jiǎn)單正交面心正交體心正交abc，=90abc，=90簡(jiǎn)單菱方a=

9、b=c, =90 簡(jiǎn)單六方a1=a2a3c，=90，=120簡(jiǎn)單四方a=bc, =90 體心四方簡(jiǎn)單立方體心立方面心立方a=b=c， =90面心立方結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu) A1 或或 fcc （facecentered cubic）體心立方結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu) A2 或或 bcc （bodycentered cubic） 密排六方結(jié)構(gòu)密排六方結(jié)構(gòu) A3 或或 hcp （hexagonal closepacked ）三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu) 由于金屬原子趨向于緊密排列，所以工業(yè)中使用的金屬元素，除了少數(shù)具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)外，絕大多數(shù)都具有如下三種晶體結(jié)構(gòu)：1、面心立方晶格、面心立方晶格

10、(圖圖)晶胞中原子排列晶胞中原子排列 在立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面的面心都在立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面的面心都有原子。一個(gè)晶胞中原子數(shù)有原子。一個(gè)晶胞中原子數(shù): :點(diǎn)陣參數(shù)點(diǎn)陣參數(shù): : a=b=a=b=c c；=90=90最近原子間距最近原子間距: :原子半徑原子半徑 R:R:兩個(gè)相互接觸的原子中心距離一半兩個(gè)相互接觸的原子中心距離一半n=8n=81/81/86 61/2=4 1/2=4 個(gè)個(gè)aRaR42,2422222aada具有面心立方晶格的金屬有：-Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pb、Ni等。等。2、體心立方晶格、體心立方晶格(圖圖)具有體心立方晶格的金屬有：-Fe、Cr、W、Mo、V等。

11、等。晶胞中原子排列晶胞中原子排列 在立方體的八個(gè)頂角和體心都有原子。在立方體的八個(gè)頂角和體心都有原子。一個(gè)晶胞中原子數(shù)一個(gè)晶胞中原子數(shù): :點(diǎn)陣參數(shù)點(diǎn)陣參數(shù): : a=b=a=b=c c；=90=90最近原子間距最近原子間距: :原子半徑原子半徑 R:R:兩個(gè)相互接觸的原子中心距離一半兩個(gè)相互接觸的原子中心距離一半n=8n=81/81/81=2 1=2 個(gè)個(gè)222332aaaad34aR 3、 密排六方晶格密排六方晶格(圖圖)具有密排六方晶格的金屬有：具有密排六方晶格的金屬有：Mg、Zn、Be、Cd等。等。一個(gè)晶胞中原子數(shù)一個(gè)晶胞中原子數(shù): :點(diǎn)陣參數(shù)點(diǎn)陣參數(shù): : =90=90, =120,

12、 =120; ; a1=a2=a3c，理想狀態(tài)：理想狀態(tài)：c/ac/a1.6331.633最近原子間距最近原子間距: :d da an=12n=121/61/62 21/2+3=6 1/2+3=6 個(gè)個(gè)原子半徑原子半徑 R Ra/2a/24.致密度致密度致密度：是指晶胞中原子所占體積與該晶胞體積之比。致密度：是指晶胞中原子所占體積與該晶胞體積之比。1） 體心立方的致密度體心立方的致密度333422a）（晶胞體積個(gè)原子體積68. 0834334233aa）（）（2）面心立方的致密度）面心立方的致密度3）密排六方的致密度）密排六方的致密度計(jì)算同面心立方，致密度為計(jì)算同面心立方，致密度為0.74致密

13、度數(shù)值越大，則原子排列越緊密。致密度數(shù)值越大，則原子排列越緊密。上一級(jí)331460.74dnvkVa5、配位數(shù)的概念、配位數(shù)的概念配位數(shù)是指晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原于最近鄰且等配位數(shù)是指晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原于最近鄰且等距離的原子個(gè)數(shù)。距離的原子個(gè)數(shù)。體心立方體心立方：8；面心立方面心立方：12；密排六方密排六方：12配位數(shù)的多少也可以反映原子排列的緊密程度。配位數(shù)的多少也可以反映原子排列的緊密程度。最大配位數(shù)為最大配位數(shù)為1212，最高致密度為，最高致密度為0.740.74。因此，面心。因此，面心立方晶格和密排六方均屬于最緊密排列的晶格立方晶格和密排六方均屬于最緊密排列的晶格 問(wèn)題：?jiǎn)栴}：面心立方

14、與密排六方具有相同的致密度和配位數(shù)但其結(jié)構(gòu)不同，為什么？四、晶體中原子堆垛方式及間隙四、晶體中原子堆垛方式及間隙 1.原子的堆垛方式三種結(jié)構(gòu)的密排面如下:面心立方（111）密排六方（0001）體心立方（110）面心立方（111）面心立方（111）：ABCABCABC密排六方（0001）：ABABABAB.兩種典型晶體結(jié)構(gòu)的原子堆垛方式：體心立方（110）：ABABABABAB.八面體間隙八面體間隙由六個(gè)原子構(gòu)由六個(gè)原子構(gòu)成，屬于正八成，屬于正八面體間隙面體間隙 構(gòu)成八面體間隙的原子至間隙中心的距離為 原子半徑為所以間隙半徑為。12a24a12220.146244aaaa24a間隙中心位于間隙中

15、心位于晶胞體中心晶胞體中心和每個(gè)和每個(gè)棱邊的中點(diǎn)。棱邊的中點(diǎn)。一個(gè)晶胞的八面體間隙個(gè)數(shù)為：111 244四面體間隙四面體間隙由四個(gè)原子構(gòu)由四個(gè)原子構(gòu)成，屬于正四成，屬于正四面體間隙面體間隙 構(gòu)成四面體間隙的原子至間隙中心的距離為:所以間隙半徑為:可見(jiàn)，在面心立方晶格中，八面體間隙比四面體間隙大得多。34a32320.06444aaaa24a間隙中心位于間隙中心位于晶胞體對(duì)角晶胞體對(duì)角線的線的1/41/4處。處。一個(gè)晶胞的四面體間隙個(gè)數(shù)為：8個(gè)八面體間隙八面體間隙是由六個(gè)原子所圍是由六個(gè)原子所圍成，四個(gè)角上的原成，四個(gè)角上的原子至間隙中心的距子至間隙中心的距離較遠(yuǎn)，上下頂點(diǎn)離較遠(yuǎn)，上下頂點(diǎn)的原子

16、中心至間隙的原子中心至間隙中心的距離較近。中心的距離較近。間隙的棱邊長(zhǎng)度不間隙的棱邊長(zhǎng)度不全相等，是一個(gè)不全相等，是一個(gè)不對(duì)稱的對(duì)稱的扁八面體間扁八面體間隙隙，構(gòu)成八面體間隙的原子至間隙中心的距離為 原子半徑為所以間隙半徑為。34a34a2a13230.067244aaaa間隙中心位于各間隙中心位于各面的中心面的中心和每個(gè)和每個(gè)棱邊的中點(diǎn)。棱邊的中點(diǎn)。一個(gè)晶胞的八面體間隙個(gè)數(shù)為：1161 2624四面體間隙四面體間隙是由是由4 4個(gè)原子個(gè)原子所圍成，間所圍成，間隙的棱邊長(zhǎng)隙的棱邊長(zhǎng)度不全相等，度不全相等，也是一個(gè)不也是一個(gè)不對(duì)稱的對(duì)稱的四面四面體間隙體間隙構(gòu)成四面體間隙的原子至間隙中心的距離為

17、:所以間隙半徑為:可見(jiàn)，在體心立方晶格中，四面體間隙比八面體間隙大得多。立方體的每個(gè)面上都有立方體的每個(gè)面上都有4 4個(gè)個(gè)四面體間隙位置四面體間隙位置一個(gè)晶胞的四面體間隙個(gè)數(shù)為：54a530 .1 2 644aaa1461 22 密排六方晶格的密排六方晶格的八面八面體間隙和體間隙和四面四面體體的的形狀形狀與與面心立方晶格的完全相似面心立方晶格的完全相似， 當(dāng)當(dāng)原子半徑相等原子半徑相等時(shí)，時(shí)，間隙大小完全相間隙大小完全相等等，只是，只是間隙中心間隙中心在晶胞中的在晶胞中的位置不同位置不同八面體間隙八面體間隙四面體間隙四面體間隙八面體間隙八面體間隙6個(gè)個(gè)四面體間隙四面體間隙12個(gè)個(gè)密排六方密排六方

18、間隙中心間隙中心在晶胞中的在晶胞中的位置位置6+2+（2*6/3)=12五、晶面指數(shù)與晶向指數(shù)五、晶面指數(shù)與晶向指數(shù) 晶面（晶面（crystal planecrystal plane）晶體結(jié)構(gòu)一系列原子所晶體結(jié)構(gòu)一系列原子所構(gòu)成的平面。構(gòu)成的平面。晶向（晶向（crystal directionscrystal directions）通過(guò)晶體中任意兩通過(guò)晶體中任意兩個(gè)原子中心連成直線來(lái)表示晶體結(jié)構(gòu)的空間的各個(gè)個(gè)原子中心連成直線來(lái)表示晶體結(jié)構(gòu)的空間的各個(gè)方向。方向。晶向指數(shù)晶向指數(shù)(indices of directions)(indices of directions)和和晶面指數(shù)晶面指數(shù)(in

19、dices of crystal(indices of crystalplane)plane)是分別表示晶向和是分別表示晶向和晶面的符號(hào)，國(guó)際上用晶面的符號(hào)，國(guó)際上用illeriller指數(shù)（指數(shù)（illeriller indices indices ）來(lái)統(tǒng)一標(biāo)定。來(lái)統(tǒng)一標(biāo)定。1.立方晶系中晶面指數(shù)立方晶系中晶面指數(shù) 確定確定立方晶系晶面指立方晶系晶面指的步驟的步驟如下如下: :a)a) 設(shè)坐標(biāo)：原點(diǎn)設(shè)在待求晶設(shè)坐標(biāo)：原點(diǎn)設(shè)在待求晶面以外，盡量在低項(xiàng)限中。面以外，盡量在低項(xiàng)限中。b)b) 求截距：求晶面在三個(gè)軸求截距：求晶面在三個(gè)軸上的截距。上的截距。c)c) 取倒數(shù)取倒數(shù)d)d) 化整數(shù)：化

20、整數(shù)：h h、k k、l le)e) 加括號(hào)：（加括號(hào)：（hklhkl），如果），如果所求晶面在晶軸上截距為所求晶面在晶軸上截距為負(fù)數(shù)則在指數(shù)上加一負(fù)號(hào)。負(fù)數(shù)則在指數(shù)上加一負(fù)號(hào)。 （1）某一晶面指數(shù)代表了在）某一晶面指數(shù)代表了在原點(diǎn)同一側(cè)原點(diǎn)同一側(cè)的一組相的一組相互互平行平行且無(wú)限大的晶面。且無(wú)限大的晶面。 (2) 若晶面指數(shù)相同，但正負(fù)符號(hào)相反，則兩晶面若晶面指數(shù)相同，但正負(fù)符號(hào)相反，則兩晶面是以原點(diǎn)為對(duì)稱中心，且相互平行的晶面。如（是以原點(diǎn)為對(duì)稱中心，且相互平行的晶面。如（110）和（和（110）互相平行。）互相平行。 (3) 凡晶面間距和晶面上原子分布完全相同，只是凡晶面間距和晶面上原子

21、分布完全相同，只是空間取向不同的晶面，可歸為同一空間取向不同的晶面，可歸為同一晶面族（晶面族（ crystal plane group），用，用hkl表示。如表示。如100包括（包括（100）、）、（010）、（）、（001）、（）、（100）、（）、（010）、（）、（001）。）。2、 立方晶系晶向指數(shù)求法立方晶系晶向指數(shù)求法 設(shè)坐標(biāo)設(shè)坐標(biāo)(原點(diǎn)應(yīng)在要標(biāo)原點(diǎn)應(yīng)在要標(biāo) 定的晶向上定的晶向上) 求坐標(biāo)值求坐標(biāo)值 化整數(shù)化整數(shù) 列括號(hào)列括號(hào) 若晶向上一坐標(biāo)值為若晶向上一坐標(biāo)值為負(fù)值則在指數(shù)上加一負(fù)號(hào)。負(fù)值則在指數(shù)上加一負(fù)號(hào)。（1 1）某一晶向指數(shù)代表一組在空間）某一晶向指數(shù)代表一組在空間相互平行

22、相互平行且且方向一致方向一致的所有的所有晶向。晶向。（2 2）若晶向所指的）若晶向所指的方向相反方向相反，則晶向數(shù)字相同，則晶向數(shù)字相同符號(hào)相反符號(hào)相反。（3 3）有些晶向在空間位向不同，但晶向原子排列相同，這些晶）有些晶向在空間位向不同，但晶向原子排列相同，這些晶向可歸為一個(gè)向可歸為一個(gè)晶向族晶向族(crystal direction group)(crystal direction group) ，用，用表示。如表示。如111111晶向族包括晶向族包括111111、111111、111111、111111、111111、111111、111111、111111；100100晶晶向族包括向族

23、包括100100、010010、001001、100100、010010、001 001 。（4 4） 同一晶向族中晶向上原子排列因?qū)ΨQ關(guān)系而等同。同一晶向族中晶向上原子排列因?qū)ΨQ關(guān)系而等同。在立方結(jié)構(gòu)在立方結(jié)構(gòu)中，若中，若晶面指數(shù)和晶向指數(shù)的指數(shù)和符號(hào)相同，晶面指數(shù)和晶向指數(shù)的指數(shù)和符號(hào)相同，則該晶向與晶面必定是則該晶向與晶面必定是互相垂直互相垂直。如：。如：111 111 （111111）、）、 110 110 （110110）、）、100 100 （100100）。）。3.六方晶系的晶向和晶面指數(shù)六方晶系的晶向和晶面指數(shù) 確定步驟和立方晶系一樣，但一般在標(biāo)定確定步驟和立方晶系一樣，但一般在標(biāo)定六方結(jié)構(gòu)的晶向指數(shù)時(shí)選擇四個(gè)坐標(biāo)軸：六方結(jié)構(gòu)的晶向指數(shù)時(shí)選擇四個(gè)坐標(biāo)軸：a a1 1、a a2 2、a a3 3、Z Z其中其中a a1 1、a a2 2、a a3 3處于同一底面上，且處于同一底面上，且它們之間夾角為它們之間夾角為120120、Z Z軸垂直于底面。則有：軸垂直于底面。則有： 晶面指數(shù)（晶面指數(shù)（hkilhkil）其中其中i=-i=-（h+kh+k） 晶向指數(shù)晶向指數(shù) uvtwuvtw 其中其中t=-t=-（u+vu+v）六方晶系晶向指數(shù)的標(biāo)定：六方晶系晶向指數(shù)的標(biāo)