工程材料基礎(chǔ)-3晶體結(jié)構(gòu)ppt課件

1、3 晶體構(gòu)造3.1 晶體的特征3.2 空間點(diǎn)陣與晶胞3.3 晶系與布喇菲點(diǎn)陣3.4 典型的晶體構(gòu)造3.5 晶向與晶向指數(shù)3.6 晶面與晶面指數(shù)3.7 三種典型晶體構(gòu)造的比較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 多晶與單晶資料3.11 微晶、準(zhǔn)晶與液晶3.12 合金相構(gòu)造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構(gòu)造.3.1晶體的特征 固態(tài)物質(zhì)按其原子或分子的陳列特征，可分為晶體和非晶體兩大類。 晶體: 原子(或分子)在三維空間呈有規(guī)律的周期性陳列。 非晶體:原子那么呈無(wú)規(guī)那么陳列，至多有部分區(qū)域呈短程規(guī)那么陳列。 晶體與非晶體的

2、主要性能特點(diǎn)：晶體具有一定的熔點(diǎn)，而非晶體那么沒有；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 空間點(diǎn)陣與晶胞 3.2.1 空間點(diǎn)陣和晶格 3.2.2 晶胞 .3.2.1 空間點(diǎn)陣和晶格假設(shè)理想晶體中的原子(離子、分子或原子集團(tuán)等質(zhì)點(diǎn))都是固定不動(dòng)的剛性球，那么晶體是由這些剛球堆垛而成(圖3-1a)。將這些剛球籠統(tǒng)為純粹的幾何點(diǎn)，得到一個(gè)由無(wú)數(shù)幾何點(diǎn)在三維空間規(guī)那么陳列而成的陣列，稱之為空間點(diǎn)陣。為便于察看，可用許多平行的直線將空間點(diǎn)陣的一切陣點(diǎn)銜接起來，構(gòu)成一個(gè)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

3、垛與晶格表示圖.3.2.2 晶胞 晶胞的幾何特征可以用晶胞的三條棱邊長(zhǎng)a、b、c和三條棱邊之間的夾角、等六個(gè)參數(shù)來描畫。其中a、b、c稱為晶格常數(shù)或點(diǎn)陣常數(shù)，它們可經(jīng)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 晶體中晶胞表示圖.33 晶系與布喇菲點(diǎn)陣 根據(jù)晶胞的三條棱邊能否相等、三個(gè)夾角能否相等以及能否為直角等關(guān)系，晶體學(xué)將一切晶體分為七個(gè)晶系，如下表所示。 序號(hào)晶系點(diǎn)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

4、系a=bc, a=90,=120Zn，Mg，Cd5菱方晶系(三角)a=b=c， a=90As，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(gè)晶系中，只能有14種空間點(diǎn)陣，稱為布喇菲點(diǎn)陣, 如以下圖所示。圖3-2 14種布喇菲點(diǎn)陣的晶胞.點(diǎn)陣中的每一個(gè)陣點(diǎn)可以由一個(gè)或一個(gè)以上的質(zhì)點(diǎn)原子、離子或分子所組成，而這些質(zhì)點(diǎn)的組合和陳列又可以有多種不同的方式。因此，每種空間點(diǎn)陣都可以構(gòu)成無(wú)限多的晶體點(diǎn)陣晶體構(gòu)造。 圖3-3 晶體點(diǎn)陣與空間點(diǎn)陣 .3.4 典型的晶體構(gòu)造 最典型、最常見的晶體構(gòu)造只需3種，即體心立方構(gòu)造、面心立方構(gòu)

5、造和密排六方構(gòu)造。 .3.4.1 體心立方晶胞 圖3-4 體心立方晶胞 .3.4.2 面心立方晶胞 圖3-5 面心立方晶胞 .3.4.3 密排六方晶胞 圖3-6 密排六方晶胞 .3.5 晶向與晶向指數(shù) 晶向：晶體中恣意兩個(gè)原子之間的連線稱為原子列，其所指方向稱為晶向。用晶向指數(shù)來確定晶向在晶體中的位向。 .3.5.1 立方晶系的晶向指數(shù) 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(diǎn)為原點(diǎn)，以晶胞的三條棱邊為坐標(biāo)軸，以棱邊的長(zhǎng)度為單位長(zhǎng)度；(2) 假設(shè)所求晶向未經(jīng)過坐標(biāo)原點(diǎn),那么過原點(diǎn)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(diǎn)最近的一個(gè)陣點(diǎn)的坐標(biāo)

6、值u、v、和w；(4) 將三個(gè)坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)，依次放入方括號(hào) 內(nèi)，即為所求晶向指數(shù)。 晶向族用表示。 圖3-7 立方晶系的一些晶向指數(shù) .3.6 晶面與晶面指數(shù) 晶面：晶體中由一系列原子所組成的平面稱為晶面。通常，采用晶面指數(shù)來確定晶面在晶體中的位向。 .3.6.1 立方晶系的晶面指數(shù) 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(gè)坐標(biāo)軸的截距來決議。晶面指數(shù)的普通表示方式為(hkl)，其確定步驟為：(1)選定不在欲求晶面上的某一晶胞陣點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn)，以防止出現(xiàn)零截距；(2)以晶胞三條棱邊為坐標(biāo)軸，以晶胞邊長(zhǎng)為單位長(zhǎng)度，求出待定晶面與三個(gè)軸的截距。假設(shè)晶面與某軸平

7、行，那么以為該晶面與該軸的截距為無(wú)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(hào)( )內(nèi)，即得晶面指數(shù)。 .圖3-9立方晶系的主要晶面指數(shù) .圖3-10 立方晶系100、110和111晶面族 .晶面與晶向的關(guān)系 當(dāng)某一晶向uvw位于或平行于某一晶面(hkl)時(shí)，必然滿足以下關(guān)系：hu+kv+lw=0反之，根據(jù)此關(guān)系也可斷定某晶向能否位于或平行于某晶面。此外，具有一樣指數(shù)的晶面與晶向必定是相互垂直的，如(111)111。 .3.7 三種典型晶體構(gòu)造的比較 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 晶體構(gòu)

8、造中的間隙3.7.7 晶體的堆垛方式.3.7.1 晶格常數(shù) 晶胞的棱邊長(zhǎng)度稱為晶格常數(shù)，用來表示晶胞的大小。對(duì)于立方晶系，各棱邊長(zhǎng)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(gè)，一個(gè)是正六邊形底面的邊長(zhǎng)a，另一個(gè)是上下底面的間隔即晶胞高度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3-4 某些密排六方構(gòu)造元素的晶格常數(shù) 金屬Be-Ti-Zr-CoMgZnCd晶格常數(shù)(nm)a0.228

9、0.2950.3230.2500.3210.2660.297c0.3570.4680.5140.4060.5210.4940.561軸比c/a1.561.581.591.621.621.851.88.3.7.2 晶胞原子數(shù) 典型晶體構(gòu)造的晶胞原子數(shù)n為： 體心立方構(gòu)造：n=8 +1=2 面心立方構(gòu)造：n=8 +6 =4 密排六方構(gòu)造：n=12 +2 +3=6 18181612.3.7.3 原子半徑 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間隔的一半。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 :.

10、3.7.4 配位數(shù) 配位數(shù)是指晶格中任一原子周圍與其最近鄰且等間隔的原子數(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3-12 三種典型晶格配位數(shù)表示圖 典型晶格配位數(shù)表示圖(a)體心立方(b)面心立方 (c)密排六方.3.7.5 致密度 一個(gè)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(gè)原子的體積，(r為原子半徑)；V為晶胞體積。 .三種晶格的致密度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 .3.7.6 晶體構(gòu)造中的間隙 晶體中存在著許多未被原子占據(jù)的間隙。

11、晶體中的間隙從幾何外形上看有四面體和八面體兩種。間隙的位置、大小和數(shù)量均與晶體構(gòu)造有關(guān)。.圖3-13 體心立方構(gòu)造的間隙a八面體間隙；b四面體間隙 .圖3-14 面心立方構(gòu)造的間隙a八面體間隙；b四面體間隙 .圖3-15 密排六方構(gòu)造的間隙a八面體間隙；b四面體間隙 . 綜上所述,可將三種典型晶體構(gòu)造的幾何特征數(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 a120.740.207a0.112a表3-5三種典型晶格的幾何參數(shù) .3.7.7 晶體的堆垛方式

12、密排六方構(gòu)造：密排面堆垛順序?yàn)锳BABABABC陳列面心立方構(gòu)造: 密排面堆垛順序?yàn)锳BCABCABC陳列圖3-16 面心立方構(gòu)造和密排六方構(gòu)造中原子堆垛的方式圖3-17 面心立方構(gòu)造密排面原子的堆垛方式 .3.8 原子體密度、面密度和線密度 不同元素原子的質(zhì)量不同，不同晶體構(gòu)造中原子陳列的嚴(yán)密程度不同，因此具有不同的原子體密度。不同晶體構(gòu)造中不同晶面、不同晶向上的原子陳列方式和陳列密度也不同，因此具有不同的原子面密度和線密度。.3.8.1 原子體密度原子體密度可利用下式計(jì)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/

13、mol。試計(jì)算銅的原子體密度。解：對(duì)面心立方晶胞， ，因此 銅的單胞體積為： 面心立方晶胞有四個(gè)原子，每個(gè)銅原子的質(zhì)量為63.54g/mol/6.021023原子/mol，因此，單胞的質(zhì)量m為： 因此，銅的體密度為：.3.8.2 原子面密度 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(gè)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111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

14、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陳列和密度 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） 100110111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。 .3.8.3 原子線密度 原子的線密度是指某晶向單位長(zhǎng)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(zhǎng)度為，因此1

15、10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) .表3-7 體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子陳列和密度 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(zhǎng)度) 晶向原子排列 示意圖 晶向原子密度（原子數(shù)/長(zhǎng)度） 可見，在體心立方晶格中，原子線密度最大的晶向?yàn)?；在面心立方晶格中，原子線密度最大的晶向?yàn)椤?.3.9 多晶型性與同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 多晶型性或同素異構(gòu)性:具有兩種或兩種以上的晶體構(gòu)造的這種性質(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(shí)，由一種晶體構(gòu)造變?yōu)榱硪环N晶體構(gòu)造的過程。如：常壓下，a 鐵在912以下為體心

16、立方構(gòu)造，稱為-Fe；b 鐵在9124間具有面心立方構(gòu)造,稱為-Fe； c 鐵從4到熔點(diǎn)之間, 又成為體心立方構(gòu)造, 稱為-Fe。 在高壓下，鐵還可以呈現(xiàn)密排六方構(gòu)造。.發(fā)生多晶型轉(zhuǎn)變時(shí)，資料的性能將發(fā)生突變。例如：由于-Fe和-Fe的致密度均小于-Fe，所以當(dāng)-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe時(shí)，體積忽然減??；當(dāng)-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe時(shí)，體積又忽然增大；冷卻時(shí)那么相反。 .3.10 多晶與單晶資料 多晶體中的各個(gè)單晶體往往呈顆粒狀，不具有規(guī)那么的外形。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。 單晶資料具有較高的強(qiáng)度、耐蝕性、導(dǎo)電性和其他特性，在工業(yè)上有較廣泛的運(yùn)用。圖3-21 工業(yè)純鐵的

17、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(gè)中心(稱為晶核)生長(zhǎng)而成的晶體。.3.11 微晶、準(zhǔn)晶與液晶 3.11.1 微晶3.11.2 準(zhǔn)晶3.11.3 液晶.3.11.1 微晶 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。模鑄資料晶粒尺寸普通在mm級(jí)，而急冷凝固資料的晶粒尺寸僅為微米m或納米nm級(jí)，稱為微晶合金或納晶合金。 微晶構(gòu)造資料因晶粒細(xì)小，成分均勻使偏析范圍由模鑄的幾毫米減至0.10.25m，添加了空位、位錯(cuò)和層錯(cuò)等缺陷，構(gòu)成了新的亞穩(wěn)態(tài)相等多種要素，使微晶合金資料具有高強(qiáng)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)定性也比普通晶態(tài)金屬有

18、很大的提高。.3.11.2 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)，也是遵照形核長(zhǎng)大規(guī)律完成液固轉(zhuǎn)變，相變過程受原子分散控制。準(zhǔn)晶必需在一定冷卻速度范圍內(nèi)構(gòu)成，如Al-Mn合金中冷速在1.7106-3106K/s的范圍內(nèi)才干獲得，超越這一范圍將出現(xiàn)非晶態(tài)。普通需求有150-200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(cè)試了它們的一些物理性能。 圖3-22 二維晶胞的密排圖形 .3.11.3 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(wú)序，而

19、是介于兩者之間的形狀，由于液晶中呈現(xiàn)著某種有序形狀，所以它是各導(dǎo)游性的。 圖3-23 幾種液晶分子的形狀 .液晶的盤形分子；(b) 由盤形分子構(gòu)成的柱在液 晶中的陳列方式之一圖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 合金相構(gòu)造 3.12.1 固溶體3.12.2 中間相.合金和組元 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資料。組元：組成合金的最根本的、獨(dú)立的物質(zhì)。通常，組元即為組成合金的各元素，但元素間所構(gòu)成的穩(wěn)定化合物有時(shí)也可作為組元。由兩個(gè)組元組成的合金稱為二元合金，由

20、三個(gè)組元組成的合金稱為三元合金，由三個(gè)以上組元組成的合金稱為多元合金。 .相和組織 相：是指合金中具有同一聚集形狀、同一晶體構(gòu)造，成分根本一樣，并有明確界面與其它部分分開的均勻組成部分。這個(gè)界面叫相界面。固態(tài)合金如由均勻的單一相組成，那么稱其為單相合金，由幾個(gè)不同相組成的合金稱為多相合金。組織：是指用肉眼或顯微鏡所察看到的不同組成相的外形，分布及各相之間的組合形狀，常稱之為具有特殊形狀的微觀形貌。相是組織的根本組成部分。而組織是決議資料性能的一個(gè)重要要素。工業(yè)消費(fèi)中經(jīng)常經(jīng)過控制和改動(dòng)合金的組織來改動(dòng)和提高合金性能。合金相可分為固溶體和中間相(又稱金屬化合物)兩大類。 .3.12.1 固溶體 定

21、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))后所構(gòu)成的一種合金相，其特征是仍堅(jiān)持溶劑晶格類型，結(jié)點(diǎn)或間隙中含有其它組元原子。 .固溶體的分類 置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)位置所構(gòu)成的固溶體。 間隙固溶體：溶質(zhì)原子進(jìn)入晶格的某些間隙位置所構(gòu)成的固溶體。 根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑中的固溶才干可分為: 有限固溶體和無(wú)限固溶體。 另外，根據(jù)溶質(zhì)原子在固溶體中的分布能否有規(guī)律，固溶體又分為無(wú)序固溶體和有序固溶體。 圖3-26固溶體的兩種類型(a)置換固溶體 (b)間隙固溶體 .1. 置換固溶體 置換固溶體的固溶度主要受以下要素影響： 1原子尺寸要素 2電負(fù)性要素 3電子濃度要素

22、4晶體構(gòu)造要素 .1原子尺寸要素 原子尺寸要素可用溶劑、溶質(zhì)原子半徑之差與溶劑原子半徑之比描畫，即rrA-rB/rA。r越小，即組元間原子半徑越相近，那么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 .2電負(fù)性要素 電負(fù)性是指原子接受電子以構(gòu)成負(fù)離子的才干。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，愈有利于構(gòu)成無(wú)限固溶體。只能構(gòu)成有限固溶體時(shí)，那么電負(fù)性愈接近，固溶度也就愈大。兩元素的電負(fù)性相差越大，那么它們之間的化學(xué)親和力越強(qiáng)，越傾向于構(gòu)成化合物，而不利于構(gòu)成固溶體。

23、 .3電子濃度要素 電子濃度是指合金相中各組元價(jià)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(jià)，X為溶質(zhì)的原子百分?jǐn)?shù)。.固溶度與電子濃度的關(guān)系固溶體的固溶度與電子濃度親密相關(guān)： 當(dāng)溶劑元素為一價(jià)的面心立方金屬時(shí)，不同溶質(zhì)元素的最大固溶度所對(duì)應(yīng)的極限電子濃度均為1.36左右； 當(dāng)溶劑元素為一價(jià)的體心立方金屬時(shí)，其極限電子濃度約為1.48。超越該極限值，那么由于固溶體構(gòu)造不穩(wěn)定而引起新相出現(xiàn)。 所以，溶質(zhì)的原子價(jià)越高，其固溶度越低。.4晶體構(gòu)造要素 只需晶格類型一樣，溶質(zhì)原子才有能夠延續(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。假設(shè)組元的

24、晶格類型不同，那么只能構(gòu)成有限固溶體。 圖3-28無(wú)限置換固溶體中兩組元原子延續(xù)置換表示圖 . 綜上所述，假設(shè)組元元素的晶格類型一樣，原子半徑相差不大，它們?cè)谥芷诒碇械奈恢门R近時(shí)，其固溶度能夠很大，甚至可以構(gòu)成無(wú)限固溶體；反之，那么固溶度較小。普通情況下，由于上述多要素的影響，各元素間大多只能構(gòu)成有限固溶體。 .2. 間隙固溶體 當(dāng)兩組元原子半徑差超越0.41，即溶質(zhì)與溶劑的原子半徑比rB/rA0.59時(shí)，兩者已不能夠構(gòu)成置換固溶體，此時(shí)溶質(zhì)原子就能夠進(jìn)入溶劑晶格的間隙而構(gòu)成間隙固溶體。構(gòu)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

25、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 . 3. 有序固溶體及固溶體的微觀不均勻性 在熱力學(xué)平衡形狀下，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3-30 固溶體中溶質(zhì)原子分布表示圖(a)完全無(wú)序；(b)偏聚；(c)部分有序；(d)完全有序 .有序固溶體 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(shí)，可在低于某一臨界溫度時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)殚L(zhǎng)程有序構(gòu)造，即溶質(zhì)和溶劑原子在整個(gè)晶體中都按一定的順序和規(guī)律陳

26、列起來，如圖3-30d所示，這樣的固溶體稱為有序固溶體，又稱為超構(gòu)造或超點(diǎn)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 有序固溶體的晶體構(gòu)造 .4固溶體的性能特點(diǎn) 固溶體中隨溶質(zhì)原子濃度的提高，晶格畸變程度提高，因此晶格常數(shù)變大。 固溶強(qiáng)化：由于晶格畸變?cè)龃罅宋诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，塑性變形更加困難，從而使固溶體的強(qiáng)度與硬度添加的景象。固溶強(qiáng)化是金屬?gòu)?qiáng)化的重要方式之一。 圖3-32各元素溶入鋁、銅、鐵中構(gòu)成置換固體時(shí)的晶格常數(shù)的變化 .3.12.2 中間相 中間相(金屬化合物)：合金組元間相互作用，當(dāng)超越固溶體的固溶極限時(shí)，可構(gòu)成晶體構(gòu)造和特性完全不

27、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(gè)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?？稍谝欢ǚ秶鷥?nèi)變化。 .中間相的特點(diǎn)和分類 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(jià)健和分子鍵)方式相結(jié)合，中間相普通具有較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，因此，含有中間相的合金強(qiáng)度、硬度、耐磨性及耐熱性提高，但塑性和韌性降低。根據(jù)構(gòu)成中間相時(shí)起主導(dǎo)作用的控制要素之不同，中間相可分為：主要受電負(fù)性要素控制的正常價(jià)化合物，以電子濃度為主要控制要素的電子化合物，以原子尺寸要素為主要控制要素的間隙相、間隙化合物和拓樸密堆相。

28、 . 1. 正常價(jià)化合物 定義：符合普通化合物原子價(jià)規(guī)律的金屬化合物。它們具有嚴(yán)厲的化合比，成分固定不變。如Mg2Si、Mg2Sn、ZnS、ZnSe、SiC等。正常價(jià)化合物普通有AB、A2B(或AB2)和A3B2三種類型，其晶體構(gòu)造往往與具有同類化學(xué)式的離子化合物的晶體構(gòu)造類似。例如：AB型具有NaCl或ZnS構(gòu)造，AB2型具有CaF2構(gòu)造，A2B型為反CaF2構(gòu)造，A3B2型那么具有反M2O3型構(gòu)造(M表示金屬)。.正常價(jià)化合物通常具有較高的硬度和脆性。假設(shè)它們彌散分布于固溶體基體上，那么將使合金得到強(qiáng)化。 圖3-33幾種類型正常價(jià)化合物的晶體點(diǎn)陣(a)NaCl型 (b)CaF2型 (c)立

29、方ZnS型 (d)六方ZnS型 .2電子化合物 按照一定電子濃度構(gòu)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構(gòu)造具有一定對(duì)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構(gòu)造，稱為相；電子濃度為21/13時(shí)，為復(fù)雜立方構(gòu)造，稱為相；電子濃度為7/4(21/12)時(shí)，那么為密排六方構(gòu)造,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(diǎn)和硬度都很高,塑性較差,是許多有色金屬中的強(qiáng)化相.表3-12常見的電子化合物及其構(gòu)造類型 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-ZnCuZnCu5Zn8CuZn3C

30、u-SnCu5SnCu31Sn8Cu3SnCu-AlCu3AlCu9Al4Cu5Al3Cu-SiCu5SiCu31Si8Cu3SiFe-AlFeAlNi-AlNiAl. 3間隙相與間隙化合物 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構(gòu)成的金屬化合物?？筛鶕?jù)組元間原子半徑比和化合物的構(gòu)造特征進(jìn)展區(qū)分。 .(1) 間隙相 當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值小于0.59時(shí)，將構(gòu)成具有簡(jiǎn)單晶體構(gòu)造(如面心立方、體心立方、密排六方和簡(jiǎn)單六方等)的金屬化合物，稱為間隙相。在間隙相晶格中，金屬原子位于正常結(jié)點(diǎn)位置，非金屬原子那么位于晶格的間隙處。該當(dāng)指出，間隙相與間隙

31、固溶體之間有本質(zhì)區(qū)別。前者是一種中間相，其晶體構(gòu)造與組元晶體構(gòu)造完全不同；而間隙固溶體那么仍堅(jiān)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構(gòu)造(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(diǎn)和硬度，同時(shí)其脆性也較大。它們的合理存在，可有效地提高鋼的強(qiáng)度、熱強(qiáng)性、紅硬性和耐磨性。因此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)間隙化合物 成分TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23C6Fe3C硬度HV28502840201020501550173014801650800熔點(diǎn)3080347220265036085039

32、8327855252715771227表3-14 鋼中常見碳化物的硬度及熔點(diǎn) .2間隙化合物 當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.59時(shí)，那么構(gòu)成具有復(fù)雜晶體構(gòu)造的金屬化合物，由于此時(shí)非金屬原子也位于晶格間隙中，故稱之為間隙化合物。這類中間相大多是由一些過渡族金屬元素和碳原子所構(gòu)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(如Fe4W2C、Fe3W3C)等，其中M代表金屬元素。 間隙化合物的晶體構(gòu)造都很復(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(diǎn)和硬度，因此也是鋼中重要的強(qiáng)化相。但與間

33、隙相比較，間隙化合物的熔點(diǎn)和硬度要低些，而且加熱時(shí)較易分解。 .3.13晶體缺陷 晶體缺陷：實(shí)踐晶體中，總是存在一些原子陳列偏離理想形狀的不完好區(qū)域，出現(xiàn)原子陳列的不完好性，稱為晶體缺陷。 根據(jù)晶體缺陷的幾何特征，可將其分為點(diǎn)缺陷、線缺陷(即位錯(cuò))和面缺陷三類。 .3.13.1 點(diǎn)缺陷 點(diǎn)缺陷的特點(diǎn)是在三維尺度上都很小，普通不超越幾個(gè)原子間距。點(diǎn)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. 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(diǎn)缺陷 . 1. 空位 實(shí)踐晶體中某些晶格結(jié)點(diǎn)因原子脫位而空著，這些空

34、著的結(jié)點(diǎn)位置稱為空位。空位的構(gòu)成主要與原子的熱振動(dòng)有關(guān)，因此又稱熱空位。脫離平衡位置的原子大致有三個(gè)去處。一是遷移到晶體的外外表或內(nèi)外表(如晶界)，如此構(gòu)成的空位叫肖脫基空位；二是擠入晶格間隙中，如此構(gòu)成的空位叫弗蘭克爾空位；三是跳到其它空位中，這樣雖不添加空位數(shù)目，但可呵斥空位遷移。 .在熱平衡形狀下，晶體中主要是構(gòu)成肖脫基空位。空位的出現(xiàn)，使其周圍原子相互間的作用力失去平衡，因此它們會(huì)向空位處偏移，使空位周圍的晶格出現(xiàn)了一個(gè)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) .2間隙原子 位于晶格間隙中的原子即為間隙原子。同類間隙原子：構(gòu)成弗蘭克爾空位時(shí)

35、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：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(huì)使其周圍的原子偏離平衡位置，呵斥晶格脹大而產(chǎn)生彈性畸變區(qū)。 .3置換原子 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。置換原子呵斥晶格畸變。置換原子與間隙原子，在資料的強(qiáng)化過程中起著很重要的作用。 .4點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng) 點(diǎn)缺陷并非固定不動(dòng)，而是處于不斷的運(yùn)動(dòng)變化之中?？瘴缓烷g隙原子的運(yùn)動(dòng)是晶體中產(chǎn)生分散的重要方式。 .3.13.2 線缺陷 晶體中的線缺陷就是各種類型的位錯(cuò)。其特點(diǎn)是原子發(fā)生錯(cuò)排的范圍在二維尺度上很小，而在第三維尺度上很大。這是晶體中

36、極為重要的一類缺陷，它對(duì)晶體的塑性變形、強(qiáng)度和斷裂起著決議性的作用。 .1. 位錯(cuò)的類型 兩種根本類型：刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。 (1) 刃型位錯(cuò) 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(cuò)。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(cuò)線。 圖3-37刃型位錯(cuò)模型 .刃型位錯(cuò)的構(gòu)成與晶體部分滑移刃型位錯(cuò)的應(yīng)力場(chǎng)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(cuò)區(qū)偏聚，從而降低了晶格畸變能，并使位錯(cuò)難于運(yùn)動(dòng)，從而呵斥資料的強(qiáng)化。 圖3-38晶體部分滑移構(gòu)成的刃型位錯(cuò) .(2)螺型位錯(cuò) 按螺旋形陳列的原子錯(cuò)排區(qū)域稱為螺型位錯(cuò)。顯然，螺型位錯(cuò)也是一條細(xì)長(zhǎng)

37、的晶格畸變“管道，其彈性變力場(chǎng)呈軸對(duì)稱分布。 圖3-39 螺形位錯(cuò) .左螺型和右螺型位錯(cuò)根據(jù)位錯(cuò)區(qū)螺旋形原子陳列的旋轉(zhuǎn)方向不同，螺型位錯(cuò)分左旋和右旋兩種。通常用姆指代表螺旋前進(jìn)方向，其他四指代表螺旋旋轉(zhuǎn)方向。符合右手螺旋法那么的稱為右螺型位錯(cuò)，符合左手螺旋法那么的稱為左螺型位錯(cuò)。.(3) 混合位錯(cuò) 位錯(cuò)線呈曲線狀，與滑移方向即不平行也不垂直，而是交成恣意角度。 圖3-40 混合位錯(cuò)(a)晶體的部分滑移構(gòu)成混合位錯(cuò) (b)混合位錯(cuò)附近原子組態(tài)的俯視圖 .2. 柏氏矢量與柏氏回路 柏氏矢量：用來描畫位錯(cuò)區(qū)域晶格畸變總量的大小和方向的矢量，用b表示。 圖3-41 刃型位錯(cuò)柏氏矢量確實(shí)定實(shí)踐晶體的柏氏

38、回路；(b)完好晶體的相應(yīng)回路 .刃型位錯(cuò)的柏氏矢量與其位錯(cuò)線相垂直。這一特征可用于判別一個(gè)位錯(cuò)能否為刃型位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)的正負(fù)也可借右手法那么來確定。 圖3-42 用右手定那么確定刃型位錯(cuò)類型 .螺型位錯(cuò)的斷定 螺型位錯(cuò)的柏氏矢量也可用一樣方法確定。螺型位錯(cuò)的柏氏矢量與其位錯(cuò)線平行，這一特征成為定義螺型位錯(cuò)的判據(jù)。 圖3-43 螺型位錯(cuò)柏氏矢量確實(shí)定實(shí)踐晶體的柏氏回路 (b)完好晶體的相應(yīng)回路 .混合位錯(cuò)的特點(diǎn) 混合位錯(cuò)的柏氏矢量既不垂直也不平行于位錯(cuò)線，而是與位錯(cuò)線交成不同角度。因此，可將混合位錯(cuò)的柏氏矢量分解為垂直和平行于位錯(cuò)線的兩個(gè)分量，分別對(duì)應(yīng)于刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)分量，如圖3-44所示

39、。圖3-44 混合位錯(cuò)的柏氏矢量 .3位錯(cuò)運(yùn)動(dòng) 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)主要包括：1位錯(cuò)的滑移 2 位錯(cuò)的攀移 .1位錯(cuò)的滑移 位錯(cuò)沿滑移面的挪動(dòng)稱為滑移運(yùn)動(dòng)。當(dāng)位錯(cuò)在切應(yīng)力作用下沿滑移面滑過整個(gè)滑移面時(shí)，就會(huì)使晶體外表產(chǎn)生一個(gè)原子間距的滑移臺(tái)階。 (a)刃型位錯(cuò)的滑移 (b)螺型位錯(cuò)的滑移 (c)混合位錯(cuò)的滑移圖3-46位錯(cuò)滑移導(dǎo)致晶體滑移的表示圖 .位錯(cuò)的滑移與晶體的滑移晶體的滑移運(yùn)動(dòng)不是整個(gè)滑移面上的全部原子同時(shí)一齊挪動(dòng)，而是經(jīng)過位錯(cuò)中心及其附近的少量原子沿柏氏矢量作小于一個(gè)原子間距的微量位移而逐漸實(shí)現(xiàn)的。因此，晶體經(jīng)過位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)進(jìn)展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

40、位錯(cuò)的滑動(dòng)與晶體滑移 .2 位錯(cuò)的攀移 刃型位錯(cuò)可在垂直于滑移面方向上運(yùn)動(dòng)進(jìn)展攀移。 (a)未攀移的位錯(cuò) (b)空位運(yùn)動(dòng)構(gòu)成的正攀移 (c)間隙原子分散引起負(fù)攀移圖3-48刃型位錯(cuò)的攀移運(yùn)動(dòng)模型.3.13.3 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。包括晶體的外外表(即通常所說的外表或自在外表)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(cuò)等。 .1自在外表 自在外表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，受力處于非平衡形狀，其中遭到的內(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，呵

41、斥外表約幾個(gè)原子層范圍內(nèi)的晶格畸變及能量升高。將單位外表面積上新添加的能量稱為外表能，它與外表張力為同一數(shù)值。 .2晶界 相鄰晶粒之間的界面叫晶界。每個(gè)晶粒內(nèi)存在著許多位向差極小(1)的亞構(gòu)造，稱為亞晶粒。亞晶粒之間的界面叫亞晶界。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；相鄰晶粒位向差大于10的為大角度晶界。亞晶界屬于小角度晶界。 .1小角度晶界 小角度晶界可分為對(duì)稱傾側(cè)晶界、不對(duì)稱傾側(cè)晶界和改動(dòng)晶界等多種。 圖3-49 對(duì)稱傾側(cè)晶界 圖3-50 對(duì)稱傾側(cè)晶界的構(gòu)成.該當(dāng)指出，對(duì)晶體中實(shí)踐存在的許多小角度晶界(如亞晶界)來說，其構(gòu)造比較復(fù)雜，普通是由刃型位與螺型位錯(cuò)組合而成。 圖3-51 簡(jiǎn)單立方晶體的不對(duì)稱傾側(cè)晶界 .2大角度晶界 大角度晶界的構(gòu)造：相鄰晶粒在鄰接處的外形是由不規(guī)那么臺(tái)階組成的。 圖3-53 大角晶界模型 .3晶界特性 晶界上的原子由于陳列不規(guī)那么而處于較高的能量形狀。單位晶界面積上添加的能量稱為晶界能。晶粒長(zhǎng)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(zhǎng)大和晶界的平直化是一個(gè)自發(fā)過程。 .晶界具有一系列不同于晶粒內(nèi)部的特性： 1常