青島科技大學(xué)金屬學(xué)與熱處理課件1-3 實際金屬的晶體

§1—3實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、多晶體和亞組織上一級

1、單晶體—晶體內(nèi)部的晶格位向是完全一致的晶體，這樣的晶體稱為單晶體。實用材料中如半導(dǎo)體集成電路用的單晶硅、專門制造的金須和其他一些供研究用的材料。

2、多晶體—實際上金屬是由許多小晶粒組成，每個小晶體的內(nèi)部，晶格位向是均勻一致的，而各個小晶體之間，彼此的位向卻不相同。稱這種由多個小晶體組成的晶體結(jié)構(gòu)稱之為“多晶體”。3、晶?！庑尾灰?guī)則的小晶體。4、晶界—晶粒與晶粒之間的界面。5、顯微組織或金相組織—在金相顯微鏡下觀察到金屬組織。因為晶粒尺寸很小，如：鋼鐵材料的晶粒一般在10-1～10-3mm左右，故只有在金相顯微鏡下觀察到。上一級亞組織——一個晶粒內(nèi)部，其晶格也存在著許多尺寸更小，位向差很小的小晶塊，它們相互鑲嵌成一顆晶粒，這些小晶塊稱亞組織。因尺寸更小，需要在電子顯微鏡下才能看到。亞晶界——兩相鄰亞組織間的邊界。上一級實際晶體中，原子排列不完整，偏離理想分布的結(jié)構(gòu)區(qū)域稱為晶體的缺陷。這種局部存在的晶體缺陷，對金屬的性能影響很大。上一級二、晶體的缺陷晶體缺陷按范圍分類：點缺陷

在三維空間各方向上尺寸都很小（原子尺寸大?。┑木w缺陷。

線缺陷

一個方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級)，另外兩個方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。－－位錯（Dislocation）。

面缺陷

兩個方向上的尺寸很大(晶粒數(shù)量級)，另外一個方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶體缺陷。1、點缺陷（圖）

空位：當(dāng)原子具有的能量足以克服周圍原子對它的約束遷移到別處，即在原位置上出現(xiàn)了空結(jié)點，這就是空位(vacancy)。

脫位原子的去處大致有三：

一是跑到晶體表面去，這樣所產(chǎn)生的空位稱肖脫基(Schottky)空位；

二是跑到點陣間隙中，所產(chǎn)生的空位稱弗蘭克空位；

三是跑到其他空位中，這當(dāng)然不會增加新空位，但可使空位變換位置。上一級間隙原子：

在晶格的間隙處，出現(xiàn)了多余的原子。種類:同類原子（形成弗蘭克空位時產(chǎn)生的）；異類原子（原子半徑小的氫、氮、碳、硼等）。無論那類間隙原子，其半徑均大于間隙半徑，因此會造成嚴(yán)重的晶格畸變，間隙原子引起的晶格畸變遠(yuǎn)大于空位造成畸變。置換原子：

占據(jù)原來基體原子平衡位置上的異類原子。種類：異類原子半徑大于基體原子半徑；異類原子半徑小于基體原子半徑；點缺陷小結(jié)無論那一種點缺陷均會產(chǎn)生晶格畸變，晶格畸變將晶體性能發(fā)生改變，如強度，硬度和電阻增加等。各類點缺陷均為熱力學(xué)不穩(wěn)定缺陷，即：缺陷濃度與溫度有關(guān)。因此可以計算出某一溫度下的平衡濃度。上一級附：空位的平衡濃度

（平衡空位濃度:體系的自由能最低時，晶體處于平衡穩(wěn)定狀態(tài)，晶體中存在的空位濃度）

空位形成能

空位的出現(xiàn)破壞了其周圍的結(jié)合狀態(tài)，因而造成局部能量的升高，由空位的出現(xiàn)而高于沒有空位時的那一部分能量稱為“空位形成能”。

空位的出現(xiàn)提高了體系的熵值

在一摩爾的晶體中如存在n個空位，晶體中有N=6.023X1023個晶格位置，這時空位的濃度為x=n/N，系統(tǒng)熵值為：

推倒過程如下：過飽和空位晶體中含點缺陷的數(shù)目明顯超過平衡值。如高溫下停留平衡時晶體中存在一平衡空位，快速冷卻到一較低的溫度，晶體中的空位來不及移出晶體，就會造成晶體中的空位濃度超過這時的平衡值。過飽和空位的存在是一非平衡狀態(tài)，有恢復(fù)到平衡態(tài)的熱力學(xué)趨勢，在動力學(xué)上要到達(dá)平衡態(tài)還要一時間過程。如：時效處理2、線缺陷-位錯(圖）位錯定義：晶體中，某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。位錯概念的提出

用于解釋晶體的塑性變形晶體的理論切變強度：一般金屬理論值：

τm=104~105MPa實際金屬單晶：

1~10MPaGeoffreyTaylor爵士1934年提出位錯的概念，二十世紀(jì)五十年代，用投射電子顯微鏡觀察到位錯的存在。透射電子顯微鏡下觀察到不銹鋼316L(00Cr17Ni14Mo2)的位錯線與位錯纏結(jié)（照片由西南交通大學(xué)何國求教授提供）位錯的基本類型：

1.刃型位錯（edgedislocation）2.螺型位錯（screwdislocation）3.混合位錯（mixeddislocation）1)刃型位錯

在晶體的某一水平面上，多出一個垂直原子面，這個多余原子面像刀刃一樣切入晶體，使晶體上、下兩部分的原子發(fā)生了錯排現(xiàn)象。這就是刃型位錯。通常稱晶體上半部多出原子面的位錯為正刃型位錯，用符號“┴”表示，反之為負(fù)刃型位錯，用“┬”表示。但兩者沒有本質(zhì)上的區(qū)別。

返回位錯線返回返回刃型位錯的受力狀態(tài)：壓應(yīng)力壓應(yīng)力張應(yīng)力張應(yīng)力間隙原子總是受到壓應(yīng)力，所以其與刃型位錯相遇時，總是偏聚在位錯線附件，以減少晶格畸變。刃型位錯小結(jié)：（1）有一個多余的半原子面；（2）位錯線是一個具有一定寬度的細(xì)長晶格畸變管道，既有正應(yīng)變又有切應(yīng)變；（3）正刃型位錯，滑移面上部受壓應(yīng)力，下部受張應(yīng)力；負(fù)刃型位錯反之。（4）位錯線與晶體的滑移方向垂直，位錯線運動方向垂直于位錯線。2)螺型位錯(見圖）定義：晶體的一部分在一定的晶面上，沿一定晶向相對另一部分發(fā)生撕裂位移，在已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界處，有一個原子發(fā)生了錯排的區(qū)域，此種晶格缺陷被稱為螺型位錯。螺旋位錯分為左旋和右旋。

以大拇指代表螺旋面前進(jìn)方向，其他四指代表螺旋面的旋轉(zhuǎn)方向，符合右手法則的稱右旋螺旋位錯，符合左手法則的稱左旋螺旋位錯。兩種螺旋無本質(zhì)區(qū)別，如果將晶體進(jìn)行不同放置就會改變其左、右的性質(zhì)。返回螺型位錯示意圖返回螺型位錯小結(jié)：（1）沒有多余的半原子面；（2）位錯線是一個具有一定寬度的細(xì)長晶格畸變管道，只有切應(yīng)變而無正應(yīng)變；（3）位錯線與晶體的滑移方向平行，位錯線運動方向垂直于位錯線。3)柏氏矢量

1939年柏格斯提出了用柏氏矢量來定義位錯。確定方法：首先在原子排列基本正常區(qū)域，按逆時針方向作一個包含位錯的回路，也稱為柏氏回路，這個回路包含了位錯發(fā)生的畸變。然后將同樣大小的回路置于理想晶體中，回路當(dāng)然不可能封閉，需要一個額外的矢量將終點連接到起點才能封閉，這個矢量就稱為該位錯的柏氏(Burgers)矢量。

刃型位錯的柏氏矢量與其位錯線相垂直，這是刃型位錯的一個重要特征。有了位錯線和柏氏矢量，就可以確定位錯線的正負(fù)。通常先人為地規(guī)定位錯線的方向，然后用右手食指表示位錯線的方向，中指表示柏氏矢量的方向，當(dāng)拇指向上（外）時為正刃型位錯，向下（里）時為負(fù)刃型位錯。如圖1-21所示。螺型位錯的柏氏矢量與其位錯線相平行，這是螺型位錯的重要特征。

柏氏矢量與位錯線方向相同的為右螺型位錯，相反則為左螺型位錯。(也可按左右手法則：四指指向螺旋方向，拇指指向螺旋線前進(jìn)方向，符合那只手就是那種螺旋位錯)

柏氏矢量是描述位錯實質(zhì)的一個重要的標(biāo)志，它集中地反映了位錯區(qū)域內(nèi)畸變總量的大小和方向，現(xiàn)將它的一些重要特性歸納如下：⑴用柏氏矢量可以判斷位錯的類型，位錯線與柏氏矢量垂直就是刃型位錯，位錯線與柏氏矢量平行，就是螺型位錯。⑵用柏氏矢量可以表示位錯區(qū)域晶格畸變總量的大小。顯然，柏氏矢量越大，位錯周圍的晶格畸變越嚴(yán)重。因此，柏氏矢量是一個反映位錯引起的晶格畸變大小的物理量。⑶用柏氏矢量可以表示晶體滑移的方向和大小。其滑移量的大小即柏氏矢量b，滑移的方向即柏氏矢量的方向。⑷一條位錯線的柏氏矢量是恒定不變的，它與柏氏回路的大小和回路在位錯線的位置無關(guān)，回路沿位錯線任意移動或任意擴(kuò)大，都不會影響柏氏矢量。⑸位錯線和柏氏矢量所構(gòu)成的平面就是滑移面，刃型位錯的滑移面只有一個。但螺型位錯滑移面有無數(shù)個。附：位錯的運動

滑移面：過位錯線并和柏氏矢量平行的平面(晶面)是該位錯的滑移面。位錯的滑移運動：位錯在滑移面上的運動。

刃型位錯的滑移運動：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足夠大時，有使晶體上部有向右發(fā)生移動的趨勢。顯然位錯在晶體中發(fā)生移動比整個晶體移動要容易。位錯移動的特點：①位錯的運動在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生；②位錯移動的方向和位錯線垂直；③位錯運動掃過的區(qū)域使晶體的兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小的相對運動(滑移)；④位錯移出晶體表面將在晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量大小的臺階。

螺型位錯的滑移：在圖示的晶體上施加一切應(yīng)力，當(dāng)應(yīng)力足夠大時，有使晶體的左右部分發(fā)生上下移動的趨勢。假如晶體中有一螺型位錯，顯然位錯在晶體中由前向后發(fā)生移動，最后使右邊晶體向下移動一柏氏矢量。運動特點：①螺位錯也是在外加切應(yīng)力的作用下發(fā)生運動；②位錯移動的方向總是和位錯線垂直；③位錯運動掃過的晶體，兩部分發(fā)生了柏氏矢量大小的相對運動(滑移)；④位錯移過部分在表面留下部分臺階，全部移出晶體的表面上產(chǎn)生柏氏矢量大小的完整臺階。這四點同刃型位錯。刃位錯的特點：位錯線柏氏矢量‖滑移方向‖受力方向‖位錯線運動方向，正刃型位錯運動方向與受力方向相同，負(fù)刃型位錯運動方向與受力方向相反。螺型位錯的特點位錯線‖柏氏矢量‖滑移方向‖受力方向位錯線運動方向，位錯線與柏氏矢量相同為右螺型位錯，相反為左螺型位錯。右螺型位錯向左移動，左螺型位錯向右移動。刃位錯的攀移運動：刃型位錯在垂直于滑移面方向上的運動。刃位錯發(fā)生攀移運動時相當(dāng)于半原子面的伸長或縮短，通常把半原子面縮短稱為正攀移，反之為負(fù)攀移。

4.混合型位錯定義：如果柏氏矢量b和位錯線既不垂直又不平行而是交成任意角度，則位錯是刃型和螺型的混合類型，稱為混合型位錯。4）位錯密度定義：單位體積中所包含的位錯線的總長度稱為位錯密度，即：式中，V是晶體體積，s為該晶體中位錯線的總長度，單位為另一個定義是：穿過單位截面積的位錯線數(shù)目，單位也是。

理論值退火ρ＝1010－12加工硬化ρ＝1015－16位錯密度強度晶須(三)面缺陷面缺陷：晶體的外表面（表面或自由界面）和內(nèi)界面。內(nèi)界面：晶界、亞晶界、孿晶界、堆垛層錯和相界。1.晶體表面：定義：晶體表面是指金屬與真空或氣體、液體等外部介質(zhì)相接觸的界面。比表面能：由于在表面層產(chǎn)生了晶格畸變，所以其能量就要升高，將這種單位面積上升高的能量稱為比表面能，簡稱表面能，單位J/m2。影響表面能的因素：外部介質(zhì)的性質(zhì)、裸露晶面的原子密度、晶體表面的曲率（表面曲率越大，界面能越大）。2.晶界：定義：晶體結(jié)構(gòu)相同但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶粒間界，簡稱晶界。多晶體中兩個相鄰晶粒間的位向差大多在30°－40°，原子排列成無規(guī)則的過渡層。類型：小角度晶界、大角度晶界(1)小角度晶界：定義：相鄰晶粒的位相差小于10°，基本上由位錯構(gòu)成。類型：對稱傾側(cè)晶界、扭轉(zhuǎn)晶界對稱傾側(cè)晶界：兩個晶粒相互傾斜θ/2由一系列相隔等距離的同號刃型位錯所組成——位錯墻扭轉(zhuǎn)晶界：由互相交叉的螺型位錯所組成(2)大角度晶界：定義：相鄰晶粒的位相差大于10°相鄰晶粒在鄰接處的形狀是由不規(guī)則的臺階所組成大角度晶界可以看作是原子排列紊亂的區(qū)域（壞區(qū)）與原子排列較整齊的區(qū)域（好區(qū)）交替相間而成。純金屬中大角度晶界的厚度不超過三個原子間距。晶界特性：晶界上原子或多或少偏離了其平衡位置，因而會或多或少地具有晶界能；晶界能越高，晶界越不穩(wěn)定導(dǎo)致晶界的運動，大角度晶界的遷移速率大于小角度晶界。內(nèi)吸附：金屬中存在使晶界能降低的異類原子時，這些原子就向晶界偏聚。由于晶界上存在晶格畸變，因而在室溫下對金屬材料的塑性變形起著阻礙作用，在宏觀上表現(xiàn)為使金屬材料具有更高的強度和硬度。由于晶界能的存在，使晶界的熔點低于晶粒內(nèi)部，且易于腐蝕和氧化。晶界上的空位、位錯等缺陷較多，因此原子的擴(kuò)散速度較快，發(fā)生相變時，新相晶核往往首先在晶界形成。3.亞晶界：亞組織——一個晶粒內(nèi)部，其晶格也存在著許多尺寸更小，位向差很小的小晶塊，它們相互鑲嵌成一顆晶粒，這些小晶塊稱亞組織。因尺寸更小，需要在電子顯微鏡下才能看到。4.堆垛層錯：定義：實際晶體中，晶面堆垛順序發(fā)生局部差錯而形成的一種晶體缺陷稱為堆垛層錯，簡稱層錯。層錯能：產(chǎn)生單位面積層錯所需的能量稱為層錯能。金屬的層錯能越小，則層錯出現(xiàn)的幾率越大。亞晶界——兩相鄰亞組織間的邊界，是由一系列刃型位錯所形成的小角晶界。亞組織越細(xì)，金屬的屈服強度越高。5.相界：定義：具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為相界