第一章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)

第一章金屬的晶體結(jié)構(gòu)第1頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三§1-1

金屬什么是金屬？傳統(tǒng)定義：金屬是具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤的物質(zhì)。嚴(yán)格定義：金屬是具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì)。合金定義：一種金屬元素與另一種或幾種其它元素，經(jīng)熔煉或其它方法結(jié)合而成的具有金屬特性的物質(zhì)第2頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三第3頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三一、金屬原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)典型金屬原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是原子結(jié)構(gòu)中最外層電子數(shù)較少，極易失去電子而形成正離子狀態(tài)；非金屬原子則最外層電子數(shù)較多，易于取得電子而形成負(fù)離子。故金屬為正電性原子，非金屬為負(fù)電性原子。由于金屬鍵既無飽和性又無方向性，因而每個(gè)原子有可能同更多的原子相結(jié)合，并趨于形成低能量的密堆結(jié)構(gòu)。第4頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三二、金屬鍵共價(jià)鍵有些同類原子，例如周期表IVA，VA，VIA族中大多數(shù)元素或電負(fù)性相差不大的原子互相接近時(shí)，原子之間不產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移，此時(shí)借共用電子對(duì)所產(chǎn)生的力結(jié)合。SiO2結(jié)構(gòu)示意圖第5頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三離子鍵當(dāng)兩種電負(fù)性相差大的原子(如堿金屬元素與鹵族元素的原子)相互靠近時(shí)，其中電負(fù)性小的原子失去電子，成為正離子，電負(fù)性大的原子獲得電子成為負(fù)離子，兩種離子靠靜電引力結(jié)合在一起形成離子鍵。NaCl結(jié)構(gòu)示意圖第6頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三金屬鍵“電子共有化”

金屬鍵：正離子之間、自由電子之間、正離子與自由電子之間的相互作用使金屬原子牢固的結(jié)合在一起，此種鍵結(jié)合成為金屬鍵。第7頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三良好的導(dǎo)電性：金屬在很小的外電場作用下，自由電子即可沿著電場方向流動(dòng)，形成電流；良好的導(dǎo)熱性：金屬正離子的振動(dòng)與自由電子的運(yùn)動(dòng)都可以傳遞熱能；正的電阻溫度系數(shù)：隨著溫度的升高，金屬正離子振動(dòng)的振幅增大，阻礙自由電子通過，使電阻升高；不透明性：自由電子很容易吸收可見光的能量．第8頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三具有光澤：吸收了能量從被激發(fā)態(tài)回到基態(tài)時(shí)所產(chǎn)生的幅射；良好的塑性：在固態(tài)金屬中，電子云好像是一種流動(dòng)的萬能膠，把所有的正離子都結(jié)合在一起，所以金屬鍵并不挑選結(jié)合對(duì)象，也無方向性。當(dāng)一塊金屬的兩部分發(fā)生相對(duì)位移時(shí)，金屬正離子始終“浸泡”在電子云中，因而仍保持著金屬鍵結(jié)合。這樣金屬便能經(jīng)受較大的變形而不斷裂。第9頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三三、結(jié)合力與結(jié)合能雙原子作用模型長程力－原子間的吸引力。短程力－原子間的排斥力。

平衡位置-d＝d0

的位置（即作用力為零，結(jié)合能最低）第10頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三用雙原子模型很容易理解，當(dāng)大量金屬原子結(jié)合成固體時(shí)，為使金屬具有最低的能量，以保持穩(wěn)定狀態(tài)，原子之間必須保持一定的平衡距離，這是固態(tài)金屬中原子趨于規(guī)則排列的原因。金屬中的原子總是自發(fā)地趨于緊密地排列，以保持最穩(wěn)定的狀態(tài)。第11頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三§1-2金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體的特性一晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣二典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)三晶向指數(shù)和晶面指數(shù)四晶體的各向異性五多晶型性六第12頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三一、晶體的特性玻璃純鐵Tt1538℃SLSL對(duì)比純鐵、玻璃發(fā)生固→液轉(zhuǎn)變時(shí)的不同玻璃純鐵比容溫度TmSLSL第13頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三晶體——原子（離子、分子等）在三維空間有規(guī)則地周期性重復(fù)排列的物質(zhì)

——通常固態(tài)金屬與合金都是晶體大部分陶瓷、少數(shù)高分子材料1晶體與非晶體的概念非晶體——原子（離子、分子等）在三維空間無規(guī)則排列的物質(zhì)

——玻璃、多數(shù)高分子材料等

固態(tài)物體按原子(離子、分子等)是否規(guī)則排列分為兩種：晶態(tài)、非晶態(tài)第14頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三2晶體與非晶體的區(qū)別晶體

非晶體組成物質(zhì)微粒規(guī)則排列

組成物質(zhì)微粒無規(guī)則排列

固定熔點(diǎn)

無固定熔點(diǎn)各向異性

各向同性二氧化硅結(jié)構(gòu)示意圖

a晶態(tài)b非晶態(tài)第15頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三3晶體與非晶體的相互轉(zhuǎn)化性

非晶新材料的發(fā)展：光、電、磁、耐蝕性、高強(qiáng)度等方面的高性能等長時(shí)間保溫

玻璃

“晶態(tài)玻璃”

金屬極快速凝固

“金屬玻璃”

第16頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三二晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣（1）假設(shè)：原子為固定不動(dòng)的剛性小球，原子在各個(gè)方向的排列都是很規(guī)則的，每個(gè)原子具有相同的環(huán)境1晶體結(jié)構(gòu)模型第17頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三空間點(diǎn)陣：幾何點(diǎn)(原子)在空間排列的陣列晶格：幾何點(diǎn)(原子)排列的空間格架（2）空間點(diǎn)陣、晶格空間點(diǎn)陣晶格為了清楚地表明原子在空間排列的規(guī)律性，將構(gòu)成晶體的原子抽象為純粹的幾何點(diǎn)，稱之為陣點(diǎn)。第18頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三（3）晶胞晶胞晶胞：晶格中體積最小，對(duì)稱性最高的平行六面體，是能代表原子排列形式特征的最小幾何單元晶胞在三維空間的重復(fù)構(gòu)成點(diǎn)陣在晶格中選取能夠完全反映晶格特征的最小幾何單元，建立晶胞等概念第19頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三（4）晶格常數(shù)在晶胞中建立三維坐標(biāo)體系，描述出晶胞的形狀與大小晶胞參數(shù)-晶格常數(shù):a、b、c棱間夾角:α、β、γ第20頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三2晶系與布拉菲點(diǎn)陣依據(jù)點(diǎn)陣參數(shù)的不同特點(diǎn)劃分為七種晶系(1)三斜晶系α≠β≠γ≠90°a≠

b≠

c(2)單斜晶系α=γ=90°≠βa≠

b≠

c復(fù)雜單胞底心單斜第21頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三(3)正交晶系α=β=γ=

90°a≠b≠c(4)四方晶系α=β=γ=

90°a=b≠c(5)立方晶系α=β=γ=

90°a=b=c體心立方面心立方簡單立方第22頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

(6)菱方晶系a=b=cα=β=γ≠

90°

(7)六方晶系a1=a2=a3≠cα=β=90°；γ=120°a1a2a3c——空間點(diǎn)陣類型只有14種，稱為布拉菲點(diǎn)陣(根據(jù)法國晶體學(xué)家Bravais命名)第23頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三三、金屬中常見的晶體結(jié)構(gòu)α－Fe(<912℃)、Cr、V、Mo、W等。

(一)體心立方結(jié)構(gòu)(body-centredcube,b.c.c)第24頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三演示第25頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三AEFCa體心立方晶體結(jié)構(gòu)特征分析BACDEFGHaaa

1、點(diǎn)陣參數(shù):a=b=cα=β=γ=90°2、晶胞中原子數(shù)=1+8×1/8=2個(gè)3、原子半徑第26頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

致密度：

晶胞中所含原子的體積總和/晶胞體積

=n·V原子/V晶胞=(2×4πr3/3)/a3=0.68——描述原子排列緊密程度4致密度第27頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三5配位數(shù)描述原子排列緊密程度：致密度、配位數(shù)

指晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原子最近鄰、等距離的原子數(shù)目,也可以理解為和任一原子接觸的原子數(shù)目

b.c.c中為8——配位數(shù)越大，原子排列越緊密第28頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三(二)面心立方結(jié)構(gòu)(face-centredcube,f.c.c)γ-Fe，Al，Cu，Ni，Au等二十多種

第29頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三第30頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三面心立方晶體結(jié)構(gòu)特征1點(diǎn)陣參數(shù)：a=b=cα=β=γ

2晶胞原子數(shù)：N=3+1=43原子半徑：4配位數(shù)=125致密度=nv/V=(4×3πr3/4)/a3=0.74

γ－Fe(912~1394℃)、Cu、Ni、Al、Ag等——塑性較高第31頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三a面心立方晶胞中原子半徑與晶格常數(shù)的關(guān)系第32頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

金屬：Zn、Mg、Be、α-Ti、α-Co等(三)密排六方結(jié)構(gòu)（

h.c.p）（

了解）第33頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三第34頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三晶體結(jié)構(gòu)特征原子半徑晶胞中原子數(shù)配位數(shù)12此時(shí)的軸比為1.633致密度fcc、hcp為最緊密排列，bcc為次緊密排列第35頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

（四）原子堆垛方式ABCABCA

…

ABA

B

A

…

（密排六方結(jié)構(gòu)）（面心立方結(jié)構(gòu)）第36頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三第37頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

體心立方晶格中的間隙演示（五）晶格中的間隙扁八面體間隙6個(gè)×0.067a四面體間隙12個(gè)×0.126a第38頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

面心立方晶格中的間隙演示正四面體間隙

8個(gè)×0.06a

正八面體間隙4個(gè)×0.146a第39頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三(1)盡管體心立方中間隙總體積大于面心立方，但數(shù)目多，尺寸相對(duì)平均，其最大間隙<面心立方晶體的——例：γ-Fe中溶碳量遠(yuǎn)大于α-Fe

γ-Fe：0.77%

(727℃)~2.11%

(1148℃)Cα—Fe:0.0008%

(20℃)~0.0218%

(727℃)C晶胞間隙比較結(jié)果與意義(2)間隙可溶雜質(zhì)或溶質(zhì)原子，體心立方與面心立方晶體可溶間隙原子的數(shù)量不同注：γ-Fe中R八面體間隙=0.535A﹤Rc=0.77A——須晶格畸變調(diào)整方可溶入第40頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

注：

（1）三種晶體結(jié)構(gòu)均為密排方式，其中f.c.c、h.c.p最密排金屬晶體選擇密排原因：金屬鍵強(qiáng)且無方向性與飽和性（2）三種晶體結(jié)構(gòu)原子排列不同，性能特點(diǎn)也有差別：

f.c.c：強(qiáng)度較低而塑性好

b.c.c：強(qiáng)度較大而塑性較f.c.c相對(duì)低

h.c.p：強(qiáng)度、塑性均差第41頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三（1）γ－Fe→α－Fe時(shí)發(fā)生體積膨脹

——淬火時(shí)的開裂現(xiàn)象（2）金屬中存在間隙

金屬中常見的三種晶體結(jié)構(gòu)特征小結(jié)第42頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三四、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)的標(biāo)定第43頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

晶向─晶體點(diǎn)陣中，由陣點(diǎn)組成的任一直線，代表晶體空間內(nèi)的一個(gè)方向，稱為晶向

晶面─晶體點(diǎn)陣中，由陣點(diǎn)所組成的任一平面，代表晶體的原子平面，稱為晶面第44頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三晶向指數(shù)─用數(shù)字符號(hào)定量地表示晶向，這種數(shù)字符號(hào)稱為晶向指數(shù)1晶向指數(shù)的標(biāo)定第45頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三Oxyzabcαβγ以晶胞為基礎(chǔ)建立三維坐標(biāo)體系第46頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三標(biāo)定步驟(1)以晶胞為基礎(chǔ)建立坐標(biāo)體系

(2)找出晶向上的任意兩個(gè)點(diǎn)的坐標(biāo)

(3)用晶向末端點(diǎn)坐標(biāo)減去起始點(diǎn)的坐標(biāo)得到三個(gè)坐標(biāo)值

(4)三個(gè)坐標(biāo)值最小整數(shù)化，[uvw]第47頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三A方向：(1)兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)（0,0,0）和（1,1,0）(2)（1,1,0）-（0,0,0）=1,1,0(3)不需整數(shù)化(4)[110]B方向：(1)兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)（0,0,0）和（1/2,1/2,1）(2)（1/2,1/2,1）-（0,0,0）=1/2,1/2,1(3)2（1/2,1/2,1）=1,1,2(4)[112]C方向：(1)兩個(gè)坐標(biāo)點(diǎn)（0,1,0）和（1/2,0,1）(2)（1/2,0,1）-（0,1,0）=1/2,-1,1(3)2（1/2,-1,1）=1,-2,2(4)[1-22]第48頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三2晶面指數(shù)標(biāo)定方法(1)建立坐標(biāo)系

(2)求出待定晶面在各軸上的截距

(3)取各截距的倒數(shù)，最小整數(shù)化:(hkl)第49頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三注意：晶面不能通過原點(diǎn)A面：(1)x=1，y=1，z=1；(2)1/x=1，1/y=1，1/z=1；(3)不需最小整數(shù)化；(4)（111）B面：(1)該面與z軸平行，因此x=1，y=2，z=∞；(2)1/x=1，1/y=1/2，1/z=0；(3)最小整數(shù)化1/x=2，1/y=1，1/z=0；(4)（210）C面：(1)該面過原點(diǎn)，必須沿y軸進(jìn)行移動(dòng)，因此x=∞

，y=-1，z=∞(2)1/x=0，1/y=-1，1/z=0；(3)不需最小整數(shù)化；(4)（010）第50頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三晶體中原子密度相同(即原子列中兩個(gè)原子間距相同)而空間位向不同的各組晶向——晶向族<uvw>立方晶系<100>晶向族：3、晶面族與晶向族（1）晶向族第51頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三立方晶系<111>晶向族：第52頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三晶體中原子排列分布相同而空間位向不同的各組等同晶面——

晶面族｛hkl｝（2）晶面族立方晶系中的｛100｝晶面族

(100)，(010)，(001)(100)，(010)，(001)——以上六面兩兩平行實(shí)質(zhì)只有三個(gè)面第53頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三立方晶系中的｛111｝晶面族(111),(111),(111),(111)(111),(111),(111),(111)——以上八面兩兩平行，故實(shí)質(zhì)只有四個(gè)面第54頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三試寫出｛110｝晶面族中所有晶面第55頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三晶面間距計(jì)算第56頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

（5）立方晶系中晶面間距計(jì)算

d=a/(h2+k2+l2)1/2——面間距大的晶面，其指數(shù)較低面間距小的晶面，其指數(shù)較高注：晶體外表面通常為低指數(shù)晶面

——面間距大的晶面——密排面第57頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

5六方晶系晶面與晶向指數(shù)標(biāo)定為清楚表達(dá)六方晶系對(duì)稱性——四軸坐標(biāo)系第58頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

晶面指數(shù)標(biāo)定方法與三軸坐標(biāo)系相同，但需用(hkil)四個(gè)數(shù)來表示，具體分別取晶面在四個(gè)軸上的截距，然后倒數(shù)即可其中：i=-(h+k)六方晶系晶面指數(shù)的標(biāo)定方法第59頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

一般比較方便又容易掌握的方法，是先用三軸坐標(biāo)系標(biāo)出晶向指數(shù)[UVW]，然后根據(jù)以下關(guān)系換算成四軸坐標(biāo)系中的晶向指數(shù)[uvtw]，其中：

六方晶系晶向指數(shù)的標(biāo)定方法(一)第60頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

如果已知四軸坐標(biāo)系中的晶向指數(shù)[uvtw]，確定晶體中的該晶向，則可根據(jù)以下關(guān)系換算成三軸坐標(biāo)系中的晶向指數(shù)[UVW]。其中

：

六方晶系晶向指數(shù)的標(biāo)定方法(二)第61頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

六晶體的各向異性1晶面與晶向原子密度晶向原子密度:單位長度上的原子數(shù)晶面原子密度:單位面積上的原子數(shù)ⅠⅡ第62頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

體心立方晶格中各主要晶面原子密度0.58/a21/6×3=1/2√3/2a2(111)(110)1.4/a21/4×4+1=2√2a2(110)1/a21/4×4=1a2(100)最密排面晶面原子密度

原子數(shù)

面積

形式晶面aaa√2a

√2a第63頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

體心立方晶格中各主要晶向原子密度〈111〉1.16/a1/2×2+1=2√3a〈111〉0.7/a1/2×2=1√2a〈110〉1/a1/2×2=1a

〈100〉最密排方向晶向原子密度

原子數(shù)長度形式

晶向——試計(jì)算面心立方晶格中各主要晶向、晶面的原子密度，指出最密排晶面、晶向第64頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

不同晶面和晶向上原子密度不同，原子間距離不同，結(jié)合力不同

——不同方向上的性能有所差異┗稱為各向異性。例如，α-Fe單晶體[111]的彈性模量E=2.9×105MN/m2[100]的E=1.35×105MN/m22晶體的各向異性第65頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

實(shí)際金屬材料一般不具有各向異性，例：Fe不同方向上E均為2.1×105MN/m2左右原因：實(shí)質(zhì)為單晶體才具有各向異性

3多晶體的偽無向性（偽同向性）

單晶體：晶格位向(或方向)一致的晶體晶格位向一致是指晶體中原子按一定幾何形狀作周期性排列的規(guī)律沒有破壞第66頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三——實(shí)際材料為多晶體，各單晶粒分布的方向不同，各向異性相互抵消，而呈現(xiàn)無向性，~偽各向同性注：多晶體中各晶粒取向一致時(shí)——各向異性第67頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三由一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶體結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象稱之為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

——隨溫度、壓力而變化例如：Ｃ由石墨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榻饎偸Y(jié)構(gòu)

七、晶體的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變(多晶型性轉(zhuǎn)變)室溫～912℃，體心立方，α-Fe912℃～1394℃，面心立方，γ-Fe1394℃～熔點(diǎn)1538℃，體心立方，δ-FeFe晶體的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變

只Fe,Mn,Ti,Co等少數(shù)金屬具有同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變——結(jié)構(gòu)變化，性能隨之變化第68頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)伴隨性能變化α-Feγ-Feδ-Fe第69頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

晶體結(jié)構(gòu)缺陷

——在實(shí)際晶體中、原子排列不可能那樣規(guī)則和完整，往往存在著偏離理想結(jié)構(gòu)的區(qū)域。

§1-3實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)第70頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三對(duì)金屬的性能起關(guān)鍵作用的是金屬中的缺陷。分類：①點(diǎn)缺陷：其特征是在三維方向上的尺寸都很小，亦稱零維缺陷。例如空位、間隙原子、雜質(zhì)原子。②線缺陷：其特征是在兩個(gè)方向上尺寸很小，而另一個(gè)方向上尺寸很大，亦稱一維缺陷。例如位錯(cuò)。③面缺陷：其特征是在一個(gè)方向上尺寸很小，而另兩個(gè)方向上尺寸很大。例如晶界、亞晶界。第71頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三一、點(diǎn)缺陷1.空位能量起伏造成原子的瞬間能量超過周圍原子對(duì)它的束縛能，原子脫離原位置轉(zhuǎn)移到其它位置，在原位置上出現(xiàn)空結(jié)點(diǎn)，為空位轉(zhuǎn)移位置：遷移到晶體表面：肖脫基空位遷移到晶格間隙：弗蘭克空位遷移到其它空位處：空位遷移。

第72頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三空位為熱平衡缺陷，溫度升高，空位增多。在一定溫度下，空位有一定的平衡濃度。平衡濃度是一個(gè)極小值。晶格畸變空位在固體金屬的擴(kuò)散中重要作用，可通過高能粒子輻照、高溫淬火、冷加工使空位處于過飽和狀態(tài)?？瘴灰鸬木Ц窕兊?3頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三間隙原子：處于晶格間隙的原子。形成：弗蘭克空位形成的同時(shí)，形成一個(gè)間隙原子。特點(diǎn)晶格畸變嚴(yán)重。遠(yuǎn)大于空位。固溶度/溶解度：間隙原子為異類原子時(shí)，異原子的平衡濃度。熱平衡缺陷。一定溫度對(duì)應(yīng)一定平衡濃度。難以制造純度高于99.9999%的材料；每立方米的體積有1022~1023個(gè)雜質(zhì)原子。2.間隙原子第74頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三3．置換原子

總結(jié)：三種缺陷都造成晶格畸變，影響合金性能，如屈服強(qiáng)度，電阻，體積。點(diǎn)缺陷加速擴(kuò)散，從而影響相變，化學(xué)熱處理，塑變、斷裂等。

占據(jù)在原來基體平衡位置上的異類原子稱為置換原子。造成晶格畸變，有一定的固溶度。第75頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三二、線缺陷位錯(cuò)：晶體中某處一列或若干列原子出現(xiàn)的有規(guī)律的錯(cuò)排，在一個(gè)方向上尺寸較大，而另外兩個(gè)方向上尺寸較小。分刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。

1.刃型位錯(cuò)晶體中，由于某種原因，晶體的一部分相對(duì)于另一部分出現(xiàn)一個(gè)多余的半原子面。這個(gè)多余的半原子面又如切入晶體的刀片，刀片的刃口線即為位錯(cuò)線。這種線缺陷稱為刃型位錯(cuò)。第76頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三第77頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三第78頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

刃型位錯(cuò)特征(1)有一額外半原子面

(2)位錯(cuò)線是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長晶格畸變管道，其中既有正應(yīng)變，又有切應(yīng)變。

(3)位錯(cuò)線與晶體滑移方向垂直。第79頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三螺型位錯(cuò)第80頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三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型位錯(cuò)，符合左手法則稱左旋螺型位錯(cuò)。第81頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三螺旋位錯(cuò)的特征應(yīng)力場：軸對(duì)稱分布重要特征：沒有額外半原子面；位錯(cuò)線是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長晶格畸變管道，只有切應(yīng)變，無正應(yīng)變。位錯(cuò)線與晶體滑移方向平行。第82頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三3.柏氏矢量柏氏矢量：可以確切地揭示位錯(cuò)的本質(zhì)并描述位錯(cuò)各種行為的矢量。柏氏矢量的確定：刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)

位錯(cuò)線方向NPRNPR第83頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三1)在實(shí)際晶體中，從任一原子出發(fā)，圍繞位錯(cuò)(但要避開位錯(cuò)線)沿逆時(shí)針方向以一定的步數(shù)作閉合回路，稱為柏氏回路；2）在完整的晶體中按與步驟(1)相同的方法和步數(shù)作相同的回路，該回路并不封閉；3)由完整晶體中回路的終點(diǎn)Q向起點(diǎn)M引一矢量b，使該回路閉合，該矢量即為實(shí)際晶體中位錯(cuò)的柏氏矢量。第84頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三刃位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線相互垂直，這是刃型位錯(cuò)的一個(gè)重要特征。右手法則：人為地規(guī)定位錯(cuò)線方向，然后用食指表示位錯(cuò)線方向，中指表示柏氏矢量，拇指向上為正刃位錯(cuò)，向下為負(fù)。第85頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三螺型位錯(cuò)：柏氏矢量與位錯(cuò)線平行，兩者相同為右，相反為左位錯(cuò)線方向NPRXY（b）螺型位錯(cuò)NPRXY第86頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三混合型位錯(cuò)第87頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三柏氏矢量的物理意義及特性物理意義：在于表示了位錯(cuò)區(qū)域點(diǎn)陣畸變總量的大小和方向。特性：可以判斷位錯(cuò)類型表示晶格畸變的大小。b越大，晶格畸變?cè)酱蟊硎揪w滑移的方向和大小，b方向是晶體滑移方向，滑移大小是b的大??；重要特性就是具有守桓性；柏氏矢量是唯一的，與柏氏回路的大小和回路在位錯(cuò)線上的位置無關(guān)；對(duì)刃型位錯(cuò)：位錯(cuò)線和與之垂直的柏氏矢量構(gòu)成滑移面，滑移面只有一個(gè)。對(duì)螺型位錯(cuò)：滑移面不固定，可以有很多個(gè)。第88頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三判斷A、B、C、D位錯(cuò)類型A為左螺型位錯(cuò)、C為右螺型位錯(cuò)B為負(fù)刃型位錯(cuò)、D為正刃性位錯(cuò)第89頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三位錯(cuò)在晶體中存在形態(tài)

形成位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)，密度高時(shí)互相纏繞，形成位錯(cuò)纏結(jié)第90頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三

金屬中各種形態(tài)位錯(cuò)第91頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三3位錯(cuò)密度和金屬材料強(qiáng)度的關(guān)系單位體積包含的位錯(cuò)總長度:

ρ=L/V(m/m3)或穿越單位截面積的位錯(cuò)線的數(shù)目:退火軟化金屬中ρ=1010～1012m-2冷變形金屬中ρ=1015～1016m-210～1000km/cm3100萬公里/cm3第92頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三(2)金屬強(qiáng)度和位錯(cuò)的關(guān)系300MPa

2000MPa13400MPa晶須第93頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三金屬鐵須晶(直徑1.6μm)：13400MPa退火工業(yè)純鐵：300MPa強(qiáng)化處理合金鋼：2000MPa位錯(cuò)的產(chǎn)生：金屬結(jié)晶、塑性變形、相變過程中

位錯(cuò)的觀察：透射電鏡等第94頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三三面缺陷面缺陷：兩維尺寸很大,第三向尺寸很小，兩類：晶體的外表面和內(nèi)界面，其中內(nèi)界面又包括了晶界、亞晶界、孿晶界、相界、堆垛層錯(cuò)等。第95頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三1．晶體表面晶體表面是指金屬與真空、氣體或液體等外部介質(zhì)相接觸的界面。界面原子受內(nèi)部原子的作用力顯著大于外部原子的作用力，表面原子偏離平衡位置，發(fā)生晶格畸變。第96頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三表面能：由于在表面層產(chǎn)生了晶格畸變，能量升高，單位面積上升高的能量為比表面能。（J/m2）也可用單位長度上的表面張力（N/m）表示。影響表面能的因素：（1）外部介質(zhì)的性質(zhì)介質(zhì)原子或分子對(duì)晶體表面原子的作用力與晶體內(nèi)部原子對(duì)表面原子的作用力相差越懸殊，表面能越大。（2）表面的原子密度

原子密排面具有最小的表面能；一般表面為密排面（3）晶體表面曲率：表面能大小與表面的曲率有關(guān)。一般地，表面曲率越大，表面能也越大。此外，表面能大小還與晶體性質(zhì)有關(guān)。若晶體本身的結(jié)合能高，則表面能較大。第97頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三2.晶界在多晶體金屬中，結(jié)構(gòu)、成分相同但位向不同的相鄰晶粒之間的界面稱為晶界。根據(jù)相鄰兩晶粒之間的晶體值位向差(θ角)可將晶界分為小角晶界、大角晶界、孿晶界、亞晶界等。第98頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三★晶界類型及模型1)小角度晶界─相鄰晶粒的位向差小于10°的晶界?；旧嫌晌诲e(cuò)構(gòu)成對(duì)稱傾側(cè)晶界：由一系列相隔一定距離的同號(hào)刃型位錯(cuò)垂直排列而成的。第99頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三扭轉(zhuǎn)晶界：將一塊晶體沿中間面切開，然后使右半部晶體y軸(垂直于晶界面)轉(zhuǎn)動(dòng)θ角，再與左半部晶體粘合在一起，形成(b)圖所示的扭轉(zhuǎn)晶界。第100頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三——相鄰晶粒的位向差大于10°的晶界。大約2~3個(gè)原子厚的薄層，原子排列較混亂，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜：由原子排列紊亂區(qū)域與原子排列較整齊區(qū)域交替相間而成。多晶體金屬中的絕大部分晶界2)大角度晶界大角晶界的厚度也很小，純金屬中大角晶界的厚度不超過三個(gè)原子間距。第101頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三第102頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三金屬中的亞晶組織3）亞晶界多晶體金屬中每個(gè)晶粒內(nèi)部的原子排列并不是十分整齊，會(huì)出現(xiàn)位相差極?。ㄐ∮?o）的亞結(jié)構(gòu)，亞結(jié)構(gòu)之間分界線即～。亞結(jié)構(gòu)和亞晶界的涵義是廣泛的，分別指尺寸比晶粒小的所有細(xì)微組織和組織間的分界面。第103頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三亞晶界通常由位錯(cuò)構(gòu)成亞晶界模型

圖為位錯(cuò)網(wǎng)絡(luò)構(gòu)成的亞晶界Au－Ni合金的亞晶

第104頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三4）堆垛層錯(cuò)在實(shí)際晶體中，晶體堆垛順序發(fā)生局部差錯(cuò)而產(chǎn)生的一種晶體缺陷稱～，簡稱層錯(cuò)。形成：晶體可看出許多密排面按一定順序堆垛而成，如面心為ABCABC，密排六方為ABABAB以▽表示AB，BC，CA，以△表示BA、CB、AC。則面心為▽▽▽▽▽▽…，在正常堆垛次序中抽出或插入一層原子，產(chǎn)生堆垛層錯(cuò)。

ABCABCACABC▽▽▽▽▽▽△▽▽▽越小層錯(cuò)能：產(chǎn)生單位面積層錯(cuò)所需的能量層錯(cuò)能越小，越易產(chǎn)生層錯(cuò)，如奧氏體不銹鋼和黃銅；層錯(cuò)能越大，越難產(chǎn)生層錯(cuò)，如Al。第105頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三5）孿晶界第106頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三6）相界def：具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面為～。三類：共格；半共格；非共格。共格：界面上的原子位于兩相晶格的結(jié)點(diǎn)上，為兩種晶格共有。能量低半共格：每隔一定距離存在一個(gè)刃位錯(cuò)。能量較高。非共格：能量最高。第107頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三(1)晶界有界面能，晶粒越細(xì)晶界越多，能量越高，越不穩(wěn)定。為降低能量、減少晶界長度，晶粒有長大的趨勢。(在一定的溫度下)(2)相變時(shí)新相晶核往往優(yōu)先在界面上形成αγ4晶界特性第108頁，共118頁，2023年，2月20日，星期三(3)晶界內(nèi)吸附現(xiàn)象

例：鋼中微量B(<0.005%)可顯著改善淬透性，是依靠B在晶界的偏聚、富集

另：