青島科技大學(xué)金屬學(xué)與熱處理課件金屬

§1—1金屬一、金屬的特性和概念1、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。2、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)。即電阻隨溫度的升高而增加的物質(zhì)。第一章金屬的晶體結(jié)構(gòu)二、金屬鍵當(dāng)金屬與金屬原子結(jié)合在一起時，金屬原子失去外層和次外層電子變成正離子；這些電子成為自由電子，構(gòu)成電子云，為整個金屬所共有；金屬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。金屬特性的金屬鍵理論解釋(1)導(dǎo)電性：自由電子在電場的作用下定向運動形成電流。(2)導(dǎo)熱性：自由電子的運動和正離子的振動可以傳遞熱能。(3)正的電阻溫度系數(shù)：隨著溫度升高，正離子振動的振幅要加大，對自由電子通過的阻礙作用也加大，因此，金屬的電阻是隨溫度的升高而增加。⑷良好的塑性：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。⑸不透明和金屬光澤：自由電子能吸收可見光的能量，故金屬具有不透明性。吸收能量后的電子跳到較高能級，當(dāng)它重新回到原來低能級時，就把所吸收的可見光的能量以電磁波的形式輻射出來，在宏觀上就表示為金屬光澤?！?—2金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、晶體與非晶體1.概念：晶體：內(nèi)部質(zhì)點按一定的幾何規(guī)律呈周期性規(guī)則排列的物質(zhì)稱為晶體。非晶體：內(nèi)部質(zhì)點無規(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：內(nèi)部質(zhì)點排列是否規(guī)則。（規(guī)則排列是晶體，無規(guī)則的堆積是非晶體?？赏ㄟ^X－ray衍射，選取電子衍射測定）是否有固定的熔點（凝固點）。（晶體具有固定熔點（凝固點；非晶體不具有固定熔點（凝固點）；性能是否各向異性。單晶體具有各向異性，非晶體具有各向同性。晶體與非晶體在一定條件下可互相轉(zhuǎn)化。

二、晶格與晶胞1.

空間點陣（圖）將晶體中原子或原子團抽象為純幾何點（陣點latticepoint），即可得到一個由無數(shù)幾何點在三維空間排列成規(guī)則的陣列—空間點陣（spacelattice）特征：每個陣點在空間分布必須具有完全相同的周圍環(huán)境(surrounding)人為地將點陣用直線連接起來形成空間格子，稱之為晶格(unitlattice)，2．晶胞（Unitecells）(圖）

最小的能夠完全反映晶格特征的基本單元稱為晶胞。通常是最小平行六面體3、

晶格常數(shù)(unitlatticeparameter)

如圖，α、β、γ，a、b、c為晶格常數(shù)。返回晶胞選取應(yīng)滿足下列條件：(1)晶胞幾何形狀充分反映點陣對稱性；(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，直角數(shù)目應(yīng)最多；(4)滿足上述條件，晶胞體積應(yīng)最小。晶體中原子排列示意圖a)原子對垛模型b)晶格c)晶胞返回三、金屬中常見的晶格類型根據(jù)６個參數(shù)間的相互關(guān)系可將全部空間點陣歸為七大晶系，十四種點陣（稱為布拉菲點陣）。晶系布拉菲點陣晶系布拉菲點陣三斜Triclinica≠b≠c，α≠β≠γ單斜Monoclinica≠b≠c，α=γ=90o≠β正交a≠b≠c，α=β=γ＝90o

簡單三斜簡單單斜底心單斜簡單正交底心正交體心正交面心正交六方Hexagonala1=a2＝a3≠c，α=β＝90o，γ=120o菱方Rhombohedrala=b=c,α=β=γ≠90o

四方（正方）Tetragonala=b≠c,α=β=γ＝90o

立方Cubica=b=c，α=β=γ＝90o

簡單六方簡單菱方簡單四方體心四方簡單立方體心立方面心立方底心單斜簡單三斜a≠b≠c，α≠β≠γ簡單單斜（a≠b≠c，α=γ=90o≠β)底心正交簡單正交面心正交體心正交a≠b≠c，α=β=γ＝90oa≠b≠c，α=β=γ＝90o簡單菱方a=b=c,α=β=γ≠90o

簡單六方a1=a2＝a3≠c，α=β＝90o，γ=120o簡單四方a=b≠c,α=β=γ＝90o

體心四方簡單立方體心立方面心立方a=b=c，α=β=γ＝90o面心立方結(jié)構(gòu)

A1或

fcc（face—centeredcubic

）體心立方結(jié)構(gòu)

A2或

bcc（body—centeredcubic

）

密排六方結(jié)構(gòu)

A3或hcp

（hexagonalclose—packed）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(圖)晶胞中原子排列在立方體的八個頂角和六個面的面心都有原子。一個晶胞中原子數(shù):點陣參數(shù):a=b=c；α=β=γ=90o最近原子間距:原子半徑R:兩個相互接觸的原子中心距離一半n=8×1/8＋6×1/2=4個具有面心立方晶格的金屬有：γ-Fe、Al、Cu、Au、Ag、Pb、Ni等。2、體心立方晶格(圖)具有體心立方晶格的金屬有：α-Fe、Cr、W、Mo、V等。晶胞中原子排列在立方體的八個頂角和體心都有原子。一個晶胞中原子數(shù):點陣參數(shù):a=b=c；α=β=γ=90o最近原子間距:原子半徑R:兩個相互接觸的原子中心距離一半n=8×1/8＋1=2個3、

密排六方晶格(圖)具有密排六方晶格的金屬有：Mg、Zn、Be、Cd等。一個晶胞中原子數(shù):點陣參數(shù):α=β=90o,γ=120o;

a1=a2=a3≠c，理想狀態(tài)：c/a＝1.633最近原子間距:d＝an=12×1/6＋2×1/2+3=6個原子半徑R＝a/24.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。1）

體心立方的致密度

2）面心立方的致密度3）密排六方的致密度計算同面心立方，致密度為0.74致密度數(shù)值越大，則原子排列越緊密。上一級5、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距離的原子個數(shù)。體心立方：8；面心立方：12；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。最大配位數(shù)為12，最高致密度為0.74。因此，面心立方晶格和密排六方均屬于最緊密排列的晶格

問題：面心立方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……..2.三種典型晶體結(jié)構(gòu)的間隙1）面心立方的間隙八面體間隙由六個原子構(gòu)成，屬于正八面體間隙構(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。間隙中心位于晶胞體中心和每個棱邊的中點。一個晶胞的八面體間隙個數(shù)為：四面體間隙由四個原子構(gòu)成，屬于正四面體間隙構(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，在面心立方晶格中，八面體間隙比四面體間隙大得多。

間隙中心位于晶胞體對角線的1/4處。一個晶胞的四面體間隙個數(shù)為：8個八面體間隙是由六個原子所圍成，四個角上的原子至間隙中心的距離較遠，上下頂點的原子中心至間隙中心的距離較近。間隙的棱邊長度不全相等，是一個不對稱的扁八面體間隙，2）體心立方的間隙構(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。間隙中心位于各面的中心和每個棱邊的中點。一個晶胞的八面體間隙個數(shù)為：四面體間隙是由4個原子所圍成，間隙的棱邊長度不全相等，也是一個不對稱的四面體間隙構(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，在體心立方晶格中，四面體間隙比八面體間隙大得多。

立方體的每個面上都有4個四面體間隙位置一個晶胞的四面體間隙個數(shù)為：3）密排六方的間隙

密排六方晶格的八面體間隙和四面體的形狀與面心立方晶格的完全相似，當(dāng)原子半徑相等時，間隙大小完全相等，只是間隙中心在晶胞中的位置不同

八面體間隙四面體間隙八面體間隙6個四面體間隙12個密排六方間隙中心在晶胞中的位置6+2+（2*6/3)=12五、晶面指數(shù)與晶向指數(shù)

晶面（crystalplane）——晶體結(jié)構(gòu)一系列原子所構(gòu)成的平面。晶向（crystaldirections）——通過晶體中任意兩個原子中心連成直線來表示晶體結(jié)構(gòu)的空間的各個方向。晶向指數(shù)(indicesofdirections)和晶面指數(shù)(indicesofcrystal－plane)是分別表示晶向和晶面的符號，國際上用Ｍiller指數(shù)（Ｍillerindices）來統(tǒng)一標(biāo)定。1.立方晶系中晶面指數(shù)

確定立方晶系晶面指的步驟如下:設(shè)坐標(biāo)：原點設(shè)在待求晶面以外，盡量在低項限中。求截距：求晶面在三個軸上的截距。取倒數(shù)d)

化整數(shù)：h、k、le)

加括號：（hkl），如果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。晶面指數(shù)還有如下規(guī)律：（1）某一晶面指數(shù)代表了在原點同一側(cè)的一組相互平行且無限大的晶面。

(2)若晶面指數(shù)相同，但正負(fù)符號相反，則兩晶面是以原點為對稱中心，且相互平行的晶面。如（110）和（110）互相平行。

(3)凡晶面間距和晶面上原子分布完全相同，只是空間取向不同的晶面，可歸為同一晶面族（crystalplanegroup），用{hkl}表示。如{100}包括（100）、（010）、（001）、（100）、（010）、（001）。2、

立方晶系晶向指數(shù)求法①

設(shè)坐標(biāo)(原點應(yīng)在要標(biāo)定的晶向上)②

求坐標(biāo)值③

化整數(shù)④

列括號［ｕｖｗ］

若晶向上一坐標(biāo)值為負(fù)值則在指數(shù)上加一負(fù)號。

晶向指數(shù)還有如下規(guī)律：（1）某一晶向指數(shù)代表一組在空間相互平行且方向一致的所有晶向。（2）若晶向所指的方向相反，則晶向數(shù)字相同符號相反。（3）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晶向族(crystaldirectiongroup)

，用〈ｕｖｗ〉表示。如〈111〉晶向族包括[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]；〈100〉晶向族包括[100]、[010]、[001]、[100]、[010]、[001]。（4）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)中，若晶面指數(shù)和晶向指數(shù)的指數(shù)和符號相同，則該晶向與晶面必定是互相垂直。如：[111]⊥（111）、[110]⊥（110）、[100]⊥（100）。3.六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)定六方結(jié)構(gòu)的晶向指數(shù)時選擇四個坐標(biāo)軸：a1、a2、a3、Z其中a1、a2、a3處于同一底面上，且它們之間夾角為120°、Z軸垂直于底面。則有：

晶面指數(shù)（hkil）其中i=-（h+k）

晶向指數(shù)[uvtw]

其中t=-（u+v）六方晶系晶向指數(shù)的標(biāo)定：從原點出發(fā)，沿平行于四個晶軸的方向依次移動，使之最后達到要標(biāo)定方向上的某一節(jié)點，將各方向移動距離化為最小整數(shù)，加上方括弧[]。最簡單的方法是先用三坐標(biāo)軸求出U、V、W，然后用公式計算出來。六方晶系晶面指數(shù)的標(biāo)定與立方晶系的標(biāo)定步驟相似。六、