金属与合金的晶体结构ppt课件.ppt

第一章金属与合金的晶体结构 1 1 1金属原子间的结合 2 一 金属原子的结构特点 一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的 分子 原子或离子 近代科学实验证明 原子是由质子和中子组成的原子核 以及核外的电子所构成的 原子的体积很小 直径约为10 10m数量级 而其原子核直径更小 仅为10 15m数量级 然而 原子的质量恰主要集中在原子核内 3 每个质子和中子的质量大致为1 67 10 24g 而电子的质约为9 11 10 28g 仅为质子的1 1836 电子云 电子在原子核外空间作高速旋转运动 就好像带负电荷的云雾笼罩在原子核周围 电子运动没有固定的轨道 但可根据电子的能量低 用统计方法判断其在核外空间某一区域内出现的几率的大小能量低的 通常在离核近的区域 壳层 运动 能量高的 通常在离核远的区域运动 4 二 金属键 共价键有些同类原子 例如周期表IVA VA VIA族中大多数元素或电负性相差不大的原子互相接近时 原子之间不产生电子的转移 此时借共用电子对所产生的力结合 SiO2结构示意图 5 离子键当两种电负性相差大的原子 如碱金属元素与卤族元素的原子 相互靠近时 其中电负性小的原子失去电子 成为正离子 电负性大的原子获得电子成为负离子 两种离子靠静电引力结合在一起形成离子键 NaCl结构示意图 6 金属键由金属正离子和自由电子之间互相作用而结合称为金属键 金属键型晶体的特征良好的延展性良好的导电性具有正的电阻温度系数导热性好金属不透明 具有金属光泽 7 三 结合力与结合能 用双原子模型很容易理解 当大量金属原子结合成固体时 为使金属具有最低的能量 以保持稳定状态 原子之间必须保持一定的平衡距离 这是固态金属中原子趋于规则排列的原因 金属中的原子总是自发地趋于紧密地排列 以保持最稳定的状态 8 1 2金属的晶体结构 9 一 晶体与非晶体 晶体的定义物质的质点 分子 原子或离子 在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体 晶体的特征周期性有固定的凝固点和熔点各向异性 10 二 晶体结构与空间点阵 空间点阵 阵点为了便于研究晶体中原子 分子或离子的排列情况 近似地将晶体看成是无错排的理想晶体 忽略其物质性 抽象为规则排列于空间的无数几何点 这些点代表原子 分子或离子 的中心 也可是彼此等同的原子群或分子群的中心 各点的周围环境相同 这种点的空间排列称为空间点阵 简称点阵 这些点叫阵点 可能在每个结点处恰好有一个原子 也可能围绕每个结点有一群原子 原子集团 11 上图所示分别为 Fe 金刚石 NaCl CaF2四种晶体的晶体结构 空间点阵和结构基元 尽管它们的晶体结构完全不同 但是它们的点阵类型相同 都是面心立方 12 a 原子堆垛模型 b 晶格 c 晶胞图晶体中原子排列示意图 13 晶胞从点阵中取出一个仍能保持点阵特征的最基本单元叫晶胞在空间点阵中 能代表空间点阵结构特点的是小平行六面体整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成 1 晶胞的选取原则a 晶胞几何形状能够充分反映空间点阵的对称性 b 平行六面体内相等的棱和角的数目最多 c 当棱间呈直角时 直角数目应最多 d 满足上述条件 晶胞体积应最小 2 描述晶胞的六参数a 晶胞的三条棱的长度a b和cb 棱边夹角 和 14 三 三种典型的金属晶体结构 晶胞的大小显然取决于三条棱的长度a b和c 而晶胞的形状则取决于这些棱之间的夹角 和 按照晶胞的大小和形状的特点 共有7种晶系由7种晶系可以形成多少种空间点阵呢 似乎每种晶系包括4种点阵 即简单点阵 底心点阵 面心点阵和体心点阵 7种晶系总共似乎可以形成4 7 28种点阵 按照 每个阵点的周围环境相同 的要求 最先是布拉菲 A Bravais 用数学方法证明了只能有14种空间点阵 通常人们所说的点阵就是指布拉菲点阵 15 三斜晶系 特征a b c 90 简单三斜点阵 16 单斜晶系 特征a b c 90 简单单斜点阵 底心单斜点阵 17 正交晶系 特征a b c 90 简单正交点阵 底心正交点阵 体心正交点阵 面心正交点阵 18 六方晶系 特征a1 a2 a3 c 90 120 简单六方点阵 19 菱方晶系 特征a b c 90 简单菱方点阵 20 四方晶系 特征a b c 90 简单四方点阵 体心四方点阵 21 立方晶系 特征a b c 90 简单立方点阵 体心立方点阵 面心立方点阵 22 1 体心立方晶格 图体心立方晶胞示意图 a 刚球模型 b 质点模型 c 晶胞中原子数示意图 23 1 原子半径晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半 或晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半称为原子半径 r 体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线 所以原子半径与晶格常数a之间的关系为 2 原子数 24 3 配位数和致密度配位数为晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目 配位数越大 原子排列紧密程度就越大 体心立方晶格的配位数为8 晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度 也称密排系数 致密度越大 原子排列紧密程度越大 体心立方晶胞的致密度为 25 图面心立方晶胞示意图 a 刚球模型 b 质点模型 c 晶胞中原子数示意图 2 面心立方 26 1 原子半径 2 原子数 27 3 配位数和致密度配位数为12 28 a 刚球模型 b 质点模型 c 晶胞中原子数示意图图密排六方晶胞示意图 3 密排六方 29 1 原子半径 2 原子数 30 3 配位数和致密度配位数为12 31 32 4 晶体中原子堆垛方式和间隙 1 晶体中原子堆垛方式面心立方和密排六方结构的致密度均为0 74 是纯金属中最密集的结构面心立方结构中 111 晶面和密排六方结构中 0001 晶面上的原子排列情况完全相同面心立方与密排六方虽然晶体结构不同 但配位数与致密度却相同 为搞清其原因 必须研究晶体中原子的堆垛方式面心立方与密排六方的最密排面原子排列情况完全相同 但堆垛方式不一样 33 ABA ABCA 34 图密排六方晶格密排面的堆垛方式 A B A 35 图密排六方晶格密排面的堆垛方式 36 A B C A 图面心立方晶格密排面的堆垛方式 37 2 晶体中间隙间隙半径 rx 间隙中所能容纳的最大圆球半径 从晶体原子排列的刚球模型可以看到 在原子球与原子球之间存在着不同形貌的间隙晶体结构中间隙的数量 位置和每个间隙的大小等也是晶体的一个重要特征 对于了解金属的性能 合金相结构 扩散 相变等问题很有用处 38 图体心立方点阵中的间隙 39 40 图面心立方点阵中的间隙 41 42 图面心立方晶体中间隙的刚球模型 43 图密排六方晶格的间隙位置 44 四 晶向指数和晶面指数 1 晶向指数 1 建立以晶轴a b c为坐标轴的坐标系 各轴上的坐标长度单位分别是晶胞边长a b c 坐标原点在待标晶向上 2 选取该晶向上原点以外的任一点P xa yb zc 3 将xa yb zc化成最小的简单整数比u v w 且u v w xa yb zc 4 将u v w三数置于方括号内就得到晶向指数 uvw 45 晶向指数的说明 a 指数意义 代表相互平行 方向一致的所有晶向 b 负值 标于数字上方 表示同一晶向的相反方向 c 晶向族 晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向 用表示 数字相同 但排列顺序不同或正负号不同的晶向属于同一晶向族 晶体结构中那些原子密度相同的等同晶向称为晶向轴 用表示 46 47 2 晶面指数 1 建立一组以晶轴a b c为坐标轴的坐标系 令坐标原点不在待标晶面上 各轴上的坐标长度单位分别是晶胞边长a b c 2 求出待标晶面在a b c轴上的截距xa yb zc 如该晶面与某轴平行 则截距为 3 取截距的倒数1 xa 1 yb 1 zc 4 将这些倒数化成最小的简单整数比h k l 使h k l 1 xa 1 yb 1 zc 5 如有某一数为负值 则将负号标注在该数字的上方 将h k l置于圆括号内 写成 hkl 则 hkl 就是待标晶面的晶面指数 48 晶面指数的说明 晶面指数所代表的不仅是某一晶面 而是代表着一组相互平行的晶面 a 指数意义 代表一组平行的晶面 b 0的意义 面与对应的轴平行 c 平行晶面 指数相同 或数字相同但正负号相反 d晶面族 晶体中具有相同条件 原子排列和晶面间距完全相同 空间位向不同的各组晶面 用 hkl 表示 e 若晶面与晶向同面 则hu kv lw 0 f 若晶面与晶向垂直 则u h k v w l 49 50 51 52 53 54 55 五 晶带 相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个晶带 此直线称为晶带轴 设晶带轴的指数为 uvw 则晶带中任何一个晶面的指数 hkl 都必须满足 hu kv lw 0 满足此关系的晶面都属于以 uvw 为晶带轴的晶带 56 六 晶体的各向异性 在晶体中 不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同 它们之间的结合力的大小也不相同 因而金属晶体不同方向上的性能不同 这种性质叫做晶体的各向异性 单晶体铁 只含一个晶粒 的弹性模量 在方向上为2 90 105MPa 而在方向上只有1 35 105MPa 体心立方晶格的金属最易拉断或劈裂的晶面 称解理面 就是 100 面 对于实际使用的金属 内部有许许多多个晶粒组成 每个晶粒在空间分布的位向不同 因而在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同 晶体的各向异性显示不出来 57 58 七 多晶型性 有些金属在固态时会发生晶格类型的转变 这种在固态下随温度的变化由一种晶格转变为另一种晶格的现象称为同素异构转变或多晶型转变 59 1 3合金的相结构 60 1 合金 两种或两种以上的金属元素 或金属元素与非金属元素 经熔炼 烧结或其他方法组合而成的具有金属特性的物质 如黄铜是铜锌合金 钢 铸铁是铁碳合金 2 组元 组成合金最基本的独立物质 一般是组成合金的元素 也可以是稳定化合物 一元 二元 三元合金 3 相 材料中结构相同 成分和性能均一 并以界面互相分开的组成部分 如单相 两相 多相合金 由一种相组成的合金叫单相合金 如含锌30 w 质量分数 的Cu Zn合金是单相合金 而含锌40 w时则是两相合金 除生成了固溶体外 还形成了金属间化合物 相根据晶体结构特点可以分为固溶体和金属化合物 中间相 61 一 固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的 且结构与组元之一相同的固相称为固溶体 与固溶体晶格相同的组元为溶剂 另一组元为溶质 固溶体用 等符号表示 A B组元组成的固溶体也可表示为A B 其中A为溶剂 B为溶质 1 固溶体的分类 1 按溶质原子在溶剂晶格中的位置分置换固溶体溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子 间隙固溶体溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中 62 图纯铜的晶体结构和Cu Ni置换固溶体 图间隙固溶体 63 2 按溶质原子在溶剂中的溶解度分固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种 若超过溶解度有其它相形成 则此种固溶体为有限固溶体 若溶质可以任意比例溶入 即溶质溶解度可达100 则固溶体为无限固溶体 图形成无限固溶体时两组元原子连续置换示意图 64 3 按溶质原子与溶剂原子的相对分布固溶体分无序固溶体和有序固溶体两种 溶质原子有规则分布的为有序固溶体 无规则分布的为无序固溶体 在一定条件 如成分 温度等 下 一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体 这种转变叫做有序化 65 2 置换固溶体金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体 但溶解度视不同元素而异 有些能无限溶解 有的只能有限溶解 影响置换固溶体溶解度的因素 1 晶体结构因素晶体结构类型相同是组元间形成无限固溶体的必要条件 结构相同 溶解度大 2 原子尺寸因素溶剂原子半径rA与溶质原子半径rB的相对差 rA rB rA对固溶体的固溶度起重要影响 当相对差不超过 14 15 有利于大量固溶 反之固溶度非常有限 以铁为基的固溶体中 当相对差小于8 且其他因素满足也较好时 才能形成无限固溶体 66 3 电负性因素元素的电负性是表示它在和其他元素形成化合物或固溶体时吸引电子的能力两元素间的电负性相差越小 越易形成固溶体 溶解度越大 4 电子浓度因素价电子浓度 或简称电子浓度 是指合金中每个原子平均的价电子数 用e a表示对于一价金属的每种晶体结构都有一极限电子浓度 面心立方为1 36 体心立方为1 48 密排六方为1 75 67 3 间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体 原子半径小于0 1nm的非金属元素如H O N C B占据间隙位置 溶剂多为过渡族元素 一般间隙半径较小 非金属原子溶入时 将使晶胞胀大 造成点阵畸变 故固溶度受到限制 只有溶质与溶剂的原子半径比值小于0 59 才有可能形成间隙固溶体 68 图形成置换固溶体时的点阵畸变 4 固溶体的结构 1 晶格畸变 69 2 偏聚与有序 完全无序 偏聚 部分有序图固溶体中溶质原子分布示意图 70 5 固溶体的性能固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变 晶格畸变增大位错运动的阻力 使金属的滑移变形变得更加困难 从而提高合金的强度和硬度 通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化 在溶质含量适当时 可显著提高材料的强度和硬度 而塑性和韧性没有明显降低 71 二 金属化合物 金属化合物是由金属与金属 或金属与类金属元素之间形成的化合物 也称为金属间化合物或中间相 金属化合物的结合键主要为金属键 兼有离子键 共价键 金属化合物具有金属的性质 通常具有高熔点 高硬度 常作合金中的强化相 72 1 正常价化合物形成 金属与周期表中IVA VA VIA族的一些元素形成的化合物为正常价化合物 由元素周期表中相距较远 电负性相差较大的两元素组成 严格遵守化合价规律 可用确定的化学式表示 大多数金属和 A族 族 A族元素生成Mg2Si Mg2Sb3 Mg2Sn Cu2Se ZnS AlP及 SiC等 性能特点是硬度高 脆性大 73 2 电子化合物不遵守化合价规律但符合于一定电子浓度 化合物中价电子数与原子数之比 的化合物叫做电子化合物 一定电子浓度的化合物相应有确定的晶体结构 并且还可溶解其组元 形成以电子化合物为基的固溶体 生成这种合金相时 元素的每个原子所贡献的价电子数Au Ag Cu为1个 Be Mg Zn为2个 Al为3个 Fe Ni为0个 电子化合物主要以金属键结合 具有明显的金属特性 可以导电 它们的熔点和硬度较高 塑性较差 在许多有色金属中为重要的强化相 74 3 间隙相与间隙化合物过渡族金属可与H B C N等原子半径甚小的非金属元素形成化合物 间隙相 间隙化合物 当金属 M 与非金属 X 的原子半径比rx rM0 59时 其结构复杂 通常称为间隙化合物 75 间隙相 VC 和复杂结构的间隙化合物 Fe3C 76 1 4金属晶体的缺陷 77 与理想晶体相比 实际晶体中会有正常位置空着或空隙位置填进一个额外质点 或杂质进入晶体结构中等等不正常情况 热力学计算表明 这些结构中对理想晶体偏离的晶体才是稳定的 而理想晶体实际上是不存在的 缺陷存在的比例毕竟只是一个很小的量 从占有原子百分数来说 晶体中的缺陷在数量上是微不足道的 认为一般晶体是近乎完整的 78 晶体缺陷 点缺陷 线缺陷 面缺陷 空位 间隙原子 置换原子 刃型位错 螺型位错 晶体表面 晶界 亚晶界 实际晶体中的缺陷 79 一 点缺陷 点缺陷 在三维方向上尺寸都很小 远小于晶体或晶粒的线度 的缺陷 金属中常见的基本点缺陷有 空位 间隙原子和置换原子 空位 空位就是未被占据的原子位置 间隙原子 间隙原子可以是晶体中正常原子离位产生 也可以是外来杂质原子 置换原子 位于晶体点阵位置的异类原子 80 81 1 空位原子的热振动 以一定的频率和振幅作振动 原子被束缚在它的平衡位置上 但原子却在做着挣脱束缚的努力在外界驱动力作用下 哪个原子能够挣脱束缚 脱离平衡位置是不确定的 宏观上说这是一种几率分布在某一温度下的某一瞬间 总有一些原子具有足够的能量 以克服周围原子对它的约束 脱离开原来的平衡位置迁移到别处 在原来的位置上形成了空位 82 图 a 肖脱基空位 b 弗兰克尔空位 a 原来位置 b 中间位置 c 迁移后位置图空位从位置A迁移到B 83 点缺陷对性能的影响1 电阻的变化引起电阻的增加2 密度的变化引起密度的减小3 屈服强度的变化过饱合点缺陷 如淬火空位 辐照产生的大量间隙原子 空位对 还可提高金属屈服强度 84 二 线缺陷 晶体中的线缺陷就是各种类型的位错 位错的特点 是一个直径为3 5个原子间距 长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区 晶体中某处一列或若干列原子发生的有规律的错排现象 位错种类很多 但最简单 最基本的类型有两种 一种是刃型位错 另一种是螺型位错 位错对于金属的强度 断裂和塑性变形有重要影响 85 a 立体模型 b 平面图图刃型位错示意图 1 刃型位错 86 图含有刃型位错的晶体结构 87 88 晶体在塑性变形时 局部区域的晶体发生滑移 即可形成错 可以把位错理解为晶体中已滑移区和未滑移区的边界 在位错线周围一个有限区域内 原子离开了原来的平衡位置 即产生了晶格畸变 并且在额外半原子面左右两边的畸变是对称的 刃型位错的应力场可以与间隙原子和置换原子发生弹性交互作用 各种间隙原子及尺寸较大的置换原子 它们的应力场是压应力 这些点缺陷大多易于被吸引而跑到正刃型位错的下半部分 或者负刀型位错的上半部分聚集起来 对于尺寸较小的置换原子来说 则易于聚集于刃型位错的另一半受压应力的地方 正因为如此 所以刃型位错往往总是携带着大量的溶质原子 形成所谓的 柯氏气团 89 90 从以上的刃型位错模型中 可以看出其具有以下几个重要持征 刃型位错有一额外半原子面 位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道 其中既有正应变 又有切应变 对于正刃型位错 滑移面之上晶格受到压应力 滑移面之下为拉应力 滑移面上为切应力 负刃型位错与此相反 位错线与晶体滑移的方向相垂直 即位错线运动的方向垂直于位错线 91 a 立体图 b 顶视图图螺型位错的原子组态 2 螺型位错 92 93 螺位错同样是晶体中已滑移区和未滑移区的边界 由于位错线附近的原于是按螺旋型排列的 所以这种位错叫做螺型位错 根据位错线附近呈螺旋型排列的原子的旋转方向的不同 螺型位错可分为左螺型位错和右螺型位错两种 通常用拇指代表螺旋的前进方向 而以其余四指代表螺旋的旋转方向 凡符合右手法则的称为右螺型位错 符合左手法则的称为左螟型位错 螺型位错与刃型位错不同 它没有额外半原子面 在晶格畸变的细长管道中 只存在切应变 而无正应变 并且位错线周围的弹性应力场呈轴对称分布 94 螺位错的特点 螺型位错没有额外半原子面 螺型位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道 其中只有切应变 而无正应变 位错线与滑移方向平行 位错线运动的方向与位错线垂直 95 柏氏矢量 不但可以表示位错的性质 而且可以表示晶格畸变的大小和方向 确定方法为 在实际晶体中 从距位错一定距离的任一原子M出发 以至相邻原子为一步 沿逆时针方向环绕位错线作一闭合回路 称之为柏氏回路 在完整晶体中以同样的方向和步数作相同的回路 此时的回路没有封闭 由完整晶体的回路终点Q到始点M引一矢量b 使该回路闭合 这个矢量b即为这条位错线的柏氏矢量 3 柏氏矢量 96 97 a 围绕一刃型位错的柏氏回路 b 围绕完整晶体的柏氏回路 图刃型位错柏氏矢量的确定 98 a 实际晶体的柏氏回路 b 完整晶体的相应回路 图螺型位错柏氏矢量的确定 99 用柏氏矢量可以判断位错的类型 用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量的大小 柏氏矢量越大 位错周围的晶格畸变越严重 用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小 一条位错线的柏氏矢量是恒定不变的 刃型位错线和与之垂直的柏氏矢量所构成的平面就是滑移面 刃型位错的滑移面只有一个 由于螺型位错线与柏氏矢量平行 所以包含柏氏矢量和位错线的平面可以有无限个 螺型位错的滑移面