金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)（V18版）

1-3金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)1-3Actualcrystalstructureofmetal無(wú)錫職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械技術(shù)學(xué)院無(wú)錫(中國(guó))Contact:yujc@

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iMT21-3Actualcrystalstructureofmetal前面討論的晶體是所謂的理想晶體，即原子或分子在空間呈絕對(duì)規(guī)則的排列。但實(shí)際上晶體的某些區(qū)域總是存在原子或分子的不規(guī)則排列，這就是晶體結(jié)構(gòu)缺陷，以下簡(jiǎn)稱晶體缺陷。

晶體缺陷對(duì)晶體的性能和物理化學(xué)變化(如強(qiáng)度、塑性、擴(kuò)散、固態(tài)相變等)都有著重大的影響。

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MetallgraphyIρm12341-3Actualcrystalstructureofmetal特別是晶體的力學(xué)性能，它是結(jié)構(gòu)敏感的。即使是同一材料，其力學(xué)性能也因其經(jīng)歷的熱的或冷的加工過(guò)程不同而不同。1：有晶體結(jié)構(gòu)及原子結(jié)合力計(jì)算得到的理論強(qiáng)度。2、3、4：實(shí)際測(cè)量的強(qiáng)度。1-3Actualcrystalstructureofmetal根據(jù)晶體結(jié)構(gòu)計(jì)算出來(lái)的強(qiáng)度（理論強(qiáng)度）遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于實(shí)際測(cè)量的強(qiáng)度，1920年的歐洲科學(xué)家們,推測(cè)晶體結(jié)構(gòu)并非完整，其內(nèi)部一定存在某種缺陷，這種缺陷的運(yùn)動(dòng)及交互作用決定了晶體的力學(xué)性質(zhì)。學(xué)習(xí)意義：對(duì)晶體的力學(xué)性能來(lái)說(shuō)，起主要作用的是晶體的非完整性，即晶體的結(jié)構(gòu)缺陷，而晶體的完整性退居于次要地位。（結(jié)構(gòu)特征）

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晶體結(jié)構(gòu)缺陷(crystaldefects)的類型缺陷的類型點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷其特點(diǎn)：在三維方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸處在一、兩個(gè)原子大小的級(jí)別，又稱零維缺陷。其特點(diǎn)：僅在一維方向上的尺寸較大，而另外二維方向上的尺寸都很小，故也稱一維缺陷，通常是指位錯(cuò)。其特點(diǎn)：僅在二維方向上的尺寸較大，而另外一維方向上的尺寸很小，故也稱二維缺陷。

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MetallgraphyI1.點(diǎn)缺陷的種類點(diǎn)缺陷主要有三種：空位、間隙原子、置換原子。a.空位:Vacancy

形成原因：原子的熱運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致能量起伏，使一些原子脫離原有位置遷移到別處，在原位形成空結(jié)點(diǎn)。脫離平衡位置的原子去處：移至表面——肖脫基空位間隙——弗蘭克爾空位其它空位處——使空位變換位置┕是一種熱平衡缺陷空位

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7肖脫基空位肖脫基空位:Schottkyvacancy

如原子在熱起伏過(guò)程中獲得足夠能量離開(kāi)平衡位置，跳躍到晶體的表面，在原位置上留下空位，這種缺陷稱為肖脫基空位。┕金屬中大部分為此空位。

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8弗蘭克爾空位：Frankelvacancy

在晶格內(nèi)原子熱振動(dòng)時(shí)，一些能量足夠大的原子離開(kāi)平衡位置后，進(jìn)入晶格點(diǎn)的間隙位置，變成間隙原子，而在原來(lái)的位置上形成一個(gè)空位，這種缺陷稱為弗蘭克爾空位。

弗蘭克爾缺陷

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9處于不斷的運(yùn)動(dòng)、消失和形成過(guò)程中遇到周圍空位換位遷移至晶體表面消失遇到間隙原子消失空位的移動(dòng)：空位的移動(dòng)abcdef

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10空位的濃度:溫度↑，濃度↑；溫度↓，濃度↓。但空位的平衡濃度是很小的(如銅：一般為10-5數(shù)量級(jí))。濃度隨溫度變化而改變，在空位周圍的原子會(huì)偏離平衡位置出現(xiàn)彈性畸變區(qū)。

┕晶格畸變空位引起的晶格畸變

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11b.間隙原子:Interstitialatom

間隙原子可以為晶格中的原子（發(fā)生嚴(yán)重晶格畸變），也可能為異類原子(如：H、N、C、B等，晶格畸變較空位嚴(yán)重）。

間隙原子也是一種熱平衡缺陷

┕平衡濃度為固溶度或溶解度┕產(chǎn)生晶格畸變┕處于晶格間隙中的原子

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12如果間隙原子是其它元素就稱為異類原子

（雜質(zhì)原子）間隙原子間隙原子引起的晶格畸變

MetallgraphyIb.間隙原子:Interstitialatom

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13c.置換原子:Substitutionalatom產(chǎn)生晶格畸變是一種熱平衡缺陷

┕平衡濃度為固溶度或溶解度（比間隙原子的固溶度要大得多）三種點(diǎn)缺陷均為熱平衡缺陷，均造成晶格畸變，對(duì)金屬的性能產(chǎn)生影響。小原子置換引起的晶格畸變┕占據(jù)原來(lái)基體原子平衡位置的異類原子

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MetallgraphyI晶體中的各種點(diǎn)缺陷1—大置換原子2—肖脫基空位3—異類間隙原子4—復(fù)合空位5—弗蘭克爾空位6—小的置換原子

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點(diǎn)缺陷對(duì)金屬性能的影響

1）點(diǎn)缺陷造成晶格畸變，使金屬屈服強(qiáng)度升高，電阻增大，體積膨脹等；2）點(diǎn)缺陷的存在加速了金屬中的擴(kuò)散過(guò)程，凡與擴(kuò)散有關(guān)的相變、化學(xué)熱處理、高溫下塑性變形和斷裂等都與點(diǎn)缺陷的存在和運(yùn)動(dòng)密切相關(guān)。

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171-3Actualcrystalstructureofmetal

MetallgraphyI2.線缺陷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)排的范圍只在一維方向上很大，是一個(gè)直徑為3～5個(gè)原子間距，長(zhǎng)數(shù)百個(gè)原子間距以上的管狀原子畸變區(qū)。位錯(cuò)：是指晶體某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。(Dislocation)位錯(cuò)的基本類型有刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。

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181-3Actualcrystalstructureofmetal位錯(cuò)理論英國(guó)皇家學(xué)會(huì)會(huì)員、中國(guó)科學(xué)院外籍院士R.W.Cahn在其《走進(jìn)材料科學(xué)》中，將位錯(cuò)的發(fā)現(xiàn)稱為材料科學(xué)史上最令人驚嘆的奇跡。位錯(cuò)研究是以晶體力學(xué)性質(zhì)的研究開(kāi)始的。

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MetallgraphyI1-3Actualcrystalstructureofmetal位錯(cuò)理論1920年的歐洲科學(xué)家們，如格里菲斯(A.A.Griffith)、約飛(A.A.Joffe)、馬辛(G.Masing)和普朗特(L.Prandtl)從固體力學(xué)性質(zhì)的觀察和實(shí)驗(yàn)出發(fā)，弗倫克爾(Y.I.Frenkel)、貝克爾(R.Becker)和波拉尼(M.Polanyi)從計(jì)算出發(fā)，研究實(shí)際晶體力學(xué)強(qiáng)度遠(yuǎn)低于完整晶體理論強(qiáng)度的問(wèn)題。直到1935年前后，才由泰勒(G.I.Taylor)、奧羅萬(wàn)(E.Orwan)、波拉尼(M.Polanyi)和伯格斯(J.M.Burgers)等把位錯(cuò)模型正確的建立起來(lái)。

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MetallgraphyI1-3Actualcrystalstructureofmetal位錯(cuò)理論簡(jiǎn)介J.P.Hirth在1984在美國(guó)底特律位錯(cuò)引入50周年紀(jì)念研討會(huì)上對(duì)位錯(cuò)理論的創(chuàng)立進(jìn)行的綜述。各種位錯(cuò)理論中涉及的概念、現(xiàn)象、公式等提出年代大致如下：1907年意大利數(shù)學(xué)家沃爾泰拉提出彈性介質(zhì)中線缺陷的概念和模型；1934年英國(guó)人G.I.Taylor、德國(guó)人E.Orowan和M.Polanyi提出晶體中的位錯(cuò)模型；1939年荷蘭人J.M.Burgers建立的確定柏氏矢量的方法；1947年R.W.Cahn將他的發(fā)現(xiàn)并由他導(dǎo)師E.Orowan命名的多邊形化過(guò)程，第一次用實(shí)驗(yàn)演示了位錯(cuò)的存在；1956年P(guān).B.Hirsch在劍橋大學(xué)決定性的工作是用透射電鏡在變形的鋁薄膜中直接觀察到了位錯(cuò)線；......

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iMT211-3Actualcrystalstructureofmetal位錯(cuò)理論簡(jiǎn)介1956年P(guān).B.Hirsch在劍橋大學(xué)決定性的工作是用透射電鏡在變形的鋁薄膜中直接觀察到了位錯(cuò)線；......

MetallgraphyI形成及定義：晶體在大于屈服值的切應(yīng)力τ作用下，以ABCD面為滑移面發(fā)生滑移?；坪螽a(chǎn)生額外半原子面EFGH，EF是晶體已滑移部分和未滑移部分的交線，EF線猶如砍入晶體的一把刀的刀刃，即刃位錯(cuò)(或棱位錯(cuò))。ABCDEFGH刃型位錯(cuò)示意圖

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iMT221-3Actualcrystalstructureofmetala.刃型位錯(cuò):Edgedislocation1-3Actualcrystalstructureofmetal刃型位錯(cuò)分類:正刃位錯(cuò)：額外半原子面位于晶體的上半部，“┻”；負(fù)刃位錯(cuò)：額外半原子面位于晶體的下半部，“┳”。正刃位錯(cuò)負(fù)刃位錯(cuò)

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MetallgraphyI刃型位錯(cuò)的特征：1）刃型位錯(cuò)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(zhǎng)的晶格畸變管道，其中既有正應(yīng)變，又有切應(yīng)變。對(duì)于正刃型位錯(cuò)，滑移面之上晶格受到壓應(yīng)力；負(fù)刃型位錯(cuò)與之相反；3）位錯(cuò)線與晶體滑移方向垂直，即位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向垂直于位錯(cuò)線。

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iMT241-3ActualcrystalstructureofmetalABCDττDADDAD位錯(cuò)線形成及定義：晶體在外加切應(yīng)力τ作用下，沿ABCD面滑移，由于位錯(cuò)線EF周圍的一組原子面形成了一個(gè)連續(xù)的螺旋形坡面，故稱為螺型位錯(cuò)。圖中EF線為已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的分界處。b.螺型位錯(cuò):ScrewdislocationEF

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iMT25螺型位錯(cuò)示意圖螺型位錯(cuò)的特征：1）螺型位錯(cuò)無(wú)額外半原子面；2）螺型位錯(cuò)線是一個(gè)具有一定寬度的細(xì)長(zhǎng)的晶格畸變管道，其中只有切應(yīng)變，沒(méi)有正應(yīng)變。3）位錯(cuò)線與滑移方向平行，位錯(cuò)線運(yùn)動(dòng)方向與位錯(cuò)線垂直。

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iMT26刃型位錯(cuò)與螺型位錯(cuò)的區(qū)別：1）螺型位錯(cuò)沒(méi)有額外半原子面，而刃型位錯(cuò)有；2）螺型位錯(cuò)只有切應(yīng)變，沒(méi)有正應(yīng)變，而刃型位錯(cuò)均有；3）螺型位錯(cuò)的位錯(cuò)線與晶體的滑移方向相平行，而刃型位錯(cuò)則垂直。4）刃型位錯(cuò)的滑移面是唯一的，而螺型位錯(cuò)可以從一個(gè)滑移面滑移到另一個(gè)滑移面。

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iMT27c.柏氏矢量:Burgersvector1）柏氏矢量的確定方法柏氏矢量是由柏格斯在1939年提出的，用來(lái)表征位錯(cuò)性質(zhì)及位錯(cuò)區(qū)晶格畸變特征的一個(gè)矢量。柏氏矢量的確定方法如下：a.在實(shí)際晶體中，從距位錯(cuò)一定距離的任一原子M出發(fā)，以至相鄰原子為一步，沿逆時(shí)針?lè)较颦h(huán)繞位錯(cuò)線做一閉和回路；b.在完整晶體中以同樣的方法和步驟做相同回路，此時(shí)回路沒(méi)有封閉；c.由完整晶體的回路終點(diǎn)Q到起點(diǎn)M引一矢量，使回路閉和，即為柏氏矢量M(Q)QM→b

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iMT282）柏氏矢量的特征a．可用來(lái)判斷位錯(cuò)類型：位錯(cuò)線與柏氏矢量垂直——刃型位錯(cuò)，

位錯(cuò)線與柏氏矢量平行——螺型位錯(cuò)；b．柏氏矢量的大小表示位錯(cuò)區(qū)晶格畸變總量大?。籧．柏氏矢量用來(lái)表示晶體滑移的方向和大?。夯品较?yàn)榘厥鲜噶糠较?，滑移大小為柏氏矢量大小。M(Q)QM→b

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在外力τ作用下，晶體兩部分之間發(fā)生相對(duì)滑移，在晶體內(nèi)部已滑移和未滑移部分的交線既不垂直也不平行滑移方向，而是一條曲線，它是刃型位錯(cuò)與螺旋位錯(cuò)的混合型，這樣的位錯(cuò)稱為混合位錯(cuò)。位錯(cuò)線上任意一點(diǎn)，經(jīng)矢量分解后，可分解為刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)分量。晶體中位錯(cuò)線的形狀可以是任意的，但位錯(cuò)線上各點(diǎn)的伯氏矢量相同，只是各點(diǎn)的刃型、螺型分量不同而已。d.混合位錯(cuò)（實(shí)際晶體中常見(jiàn)）

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30A處為螺型位錯(cuò)（位錯(cuò)線與b平行）C處為刃型位錯(cuò)（位錯(cuò)線與b垂直）AC之間為混合位錯(cuò)CbθA（a）混合位錯(cuò)τABCb（b）混合位錯(cuò)分解為刃位錯(cuò)和螺位錯(cuò)示意圖θb螺位錯(cuò)線b混b刃

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31金屬?gòu)?qiáng)度和位錯(cuò)的關(guān)系1—理論強(qiáng)度(不含位錯(cuò))2—晶須強(qiáng)度(幾乎不含位錯(cuò)的小晶體，變形抗力極高)3—未強(qiáng)化純金屬?gòu)?qiáng)度（或退火狀態(tài)）4—合金化、加工硬化或熱處理的合金強(qiáng)度晶體塑性變形抗力與位錯(cuò)密度的關(guān)系位錯(cuò)密度強(qiáng)度ρm1234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。

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32金屬?gòu)?qiáng)度和位錯(cuò)的關(guān)系1—理論強(qiáng)度(不含位錯(cuò))2—晶須強(qiáng)度(幾乎不含位錯(cuò)的小晶體，變形抗力極高)3—未強(qiáng)化純金屬?gòu)?qiáng)度（或退火狀態(tài)）4—合金化、加工硬化或熱處理的合金強(qiáng)度晶體塑性變形抗力與位錯(cuò)密度的關(guān)系位錯(cuò)密度強(qiáng)度ρm1234晶須中：ρ=10m/cm3——位錯(cuò)密度很小金屬鐵須晶(直徑1.6μm)：13400MPa，退火工業(yè)純鐵：300MPa，強(qiáng)化處理合金鋼：2000MPa。

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33線缺陷-位錯(cuò)刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)金屬塑性變形后，材料中的位錯(cuò)密度增加，使材料強(qiáng)度硬度提高，稱“加工硬化”。強(qiáng)化材料方法之一

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34(1)理論上：位錯(cuò)的存在是材料具有良好塑性變形的前提；

——低密度位錯(cuò)利于強(qiáng)度的提高。(2)實(shí)際中：位錯(cuò)密度較低時(shí)，↑ρ則σ↓，如：晶須

——無(wú)工業(yè)實(shí)際意義

位錯(cuò)密度較高時(shí)，↑ρ則σ↑

——工業(yè)意義：形變強(qiáng)化、馬氏體相變強(qiáng)化位錯(cuò)的產(chǎn)生：在金屬結(jié)晶、塑性變形和相變過(guò)程中。位錯(cuò)的觀察：X透射電鏡等。金屬?gòu)?qiáng)度和位錯(cuò)的關(guān)系：

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351-3Actualcrystalstructureofmetal透射電子顯微鏡-TEM，Transmissionelctonmicroscope

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363.面缺陷影響表面能的主要因素有：（1）外部介質(zhì)的性質(zhì)介質(zhì)不同，表面能不同；（2）裸露晶面的原子密度密排晶面，表面能??；（3）晶體表面的曲率曲率半徑越小，表面能越大。a.晶體表面:Planeofcrystal表現(xiàn)形式：處于晶體表面層原子受力不均，偏離平衡位置，并牽連鄰近幾層原子產(chǎn)生畸變，表面能升高。主要包括晶體外表面和內(nèi)界面(晶界、亞晶界、相界、堆垛層錯(cuò))。指金屬與真空或氣體、液體等外部介質(zhì)相接觸的界面。

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37b.晶界:Grainboubdary⑴小角度晶界

晶界與界面能：晶界是成分結(jié)構(gòu)相同的同種晶粒間的界面。界面上的原子處在斷鍵狀態(tài)，具有超額能量。在界面單位面積上平均的超額能量叫界面能。θ對(duì)稱傾斜晶界晶界的結(jié)構(gòu)和性質(zhì)與相鄰晶粒的取向差有關(guān)，當(dāng)取向差θ小于10o時(shí)，稱為小角度晶界。它由兩個(gè)晶粒各傾斜θ/2構(gòu)成的一系列位錯(cuò)組成(或稱為位錯(cuò)墻)。根據(jù)形成晶界時(shí)的行為不同，晶界分為對(duì)稱傾斜晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。

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MetallgraphyI傾斜晶界扭轉(zhuǎn)晶界晶界上的原子排列由相互交叉的螺旋位錯(cuò)組成

MetallgraphyI⑴小角度晶界

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39ABDC大角晶界模型⑵大角度晶界

相鄰晶粒間的位向差大于10°的晶界。大約2~3個(gè)原子厚，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。

即在界面上既包含不屬于任意晶粒度原子A，也包含同時(shí)屬于兩個(gè)晶粒度原子D；既包含有壓縮區(qū)B，也包含有擴(kuò)張區(qū)C。

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晶粒內(nèi)部位向差小于2°的亞結(jié)構(gòu)，也稱亞晶粒，亞晶之間的界面，稱為亞晶界。

通常由位錯(cuò)構(gòu)成，為小角度晶界。c.亞晶界:subgrainboundary金屬中的亞晶組織金屬晶粒內(nèi)的結(jié)構(gòu)示意圖

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41亞晶界通常由位錯(cuò)構(gòu)成

亞晶界模型

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42在多相組織中，具有不同晶體結(jié)構(gòu)的兩相之間的分界面稱為相界。d.相界:Phaseboundary

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