金属的晶体结构.ppt

2020 1 15 1 第一章金属与合金的晶体结构 2020 1 15 2 金属材料的化学成分不同 其性能也不同 对于同一种成分的金属材料 通过不同的加工处理工艺 改变材料内部的组织结构 也可以使性能发生极大的变化 可见 除化学成分外 金属的内部结构和组织状态也是决定金属材料性能的重要因素 金属和合金在固态下通常都是晶体 要了解金属及合金的内部结构 首先应了解晶体的结构 其中包括 晶体中原子是如何相互作用并结合起来的 原子的排列方式和分布规律 各种晶体结构的特点及差异等 2020 1 15 3 金属的传统定义 良好导电性 导热性 延展性 塑性 和金属光泽的物质 但锑延展性不好 铈和镨导电性还不如非金属 如石墨 由性能确定 不具有共性 没揭示金属与非金属的本质区别 1 1金属 严格定义 具有正的电阻温度系数的物质 非金属的电阻都随温度升高而下降 由原子结构和原子间的结合方式确定 2020 1 15 4 金属的最外层电子数很少 1 3 外层电子与原子核的结合力弱 容易脱离原子核的束缚而变成自由电子 原子成为正离子 将这些元素称为正电性元素 过渡族金属元素的核外电子先填充次外层再填充最外层电子 很容易失去 化合价可变 结合力特强 表现为熔点 强度高 1 金属原子的结构特点 原子 10 10m 10 1nm 带正电的原子核 质子 中子 10 14m 带负电的按能级排布核外电子 最外层与次外层为价电子 非金属外层电子数较多 最多7个 最少4个 易获得电子 原子成为负离子 故非金属元素又称为负电性元素 可见原子外层参与结合的电子数决定着结合键的本质 对化学性能 强度等特性有重要影响 2020 1 15 5 2 金属键 处于集聚状态的金属原子将价电子贡献出来 为整个原子集体所共有 形成电子云 贡献出价电子的原子 变成正离子 沉浸于电子云中 依靠运动于其间的公有化自由电子的静电作用而结合 形成金属键 没有饱和性和方向性 中性原子 正离子 电子云 用金属键的特点解释金属特性 导电性 自由电子在电场作用下定向移动形成电流 导热性 自由电子的运动和正离子振动 正电阻温度系数 正离子或原子的振幅随温度的升高增大 可阻碍电子通过 使电阻升高 金属光泽 电子跃迁吸收或放出可见光 延展性 无饱和性和方向性 2020 1 15 6 共价键相邻原子共用其外部价电子 形成稳定的电子满壳层 金刚石中的碳原子间即为共价键 离子键正电性元素与负电性元素相遇时 电子一失一得 各自成为正 负离子 正 负离子间靠静电作用结合而成 NaCl 2020 1 15 7 3 结合力与结合能 双原子作用模型图解 原子间结合力是由自由电子与金属正离子间的引力 长程力 以及正离子间 电子间的排斥力 短程力 合成的 当两原子间距较大 引力 斥力 两原子自动靠近 当两原子自动靠近 使电子层发生重叠时 斥力 直到两原子间距为d0时 引力 斥力 任何对平衡位置d0的偏离 都将受到一个力的作用 促使其回到平衡位置 原子间最大结合力不是出现在平衡位置d0而是在dc位置 最大结合力与金属的理论抗拉强度相对应 结合能是吸引能和排斥能的代数和 当原子处于平衡距离d0时 其结合能达到最低值 此时原子的势能最低 最稳定 任何对d0的偏离 都会使原子势能增加 使原子处于不稳定状态 原子就有力图回到低能状态 即恢复到平衡距离的倾向 2020 1 15 8 1 2金属的晶体结构 1 晶体的特性 天然晶体 宝石 规则外型金属一般无规则外型晶体 原子在三维空间按照一定的规律周期性的重复排列 具有固定的熔点 各向异性 不同方向上的性能 表现出差异 称为各向异性 非晶体 内部原子杂乱无章 至多有局部或短程规则排列 无固定熔点 各向同性 一定条件晶体 非晶体 玻璃高温长时间保温 非晶体 晶态玻璃 液态金属急快冷却 冷速107 s 可形成非晶态金属 性能发生显著变化 用双原子模型解释形成晶体的原因 原子之间保持一定的平衡距离 原子周围要保持尽可能多的近邻原子 2020 1 15 9 晶体结构 指晶体中原子 或离子 分子 原子集团 的具体排列情况 也就是晶体中的质点 也叫基元 可以是原子 离子 分子或者原子集团 在三维空间中有规律的周期性重复排列方式 原子堆垛模型 假定晶体中的物质质点都是固定的刚球 晶体由刚球堆垛而成 优点 直观 立体感强 缺点 很难看清内部原子排列的规律和特点 2 晶体结构与空间点阵 2020 1 15 10 阵点有规则地周期性重复排列所形成的空间几何图形 人为地将阵点用直线连接起来形成空间格子 称空间点阵 简称点阵或晶格 为清楚地表明原子在空间的排列规律性 常将构成晶体的实际质点忽略 而将它们抽象为纯粹的几何点 称为阵点或结点 晶格 空间点阵 2020 1 15 11 同一点阵 可因阵胞选择方式不同 得到不同的阵胞 晶胞选取应满足下列条件 1 晶胞几何形状充分反映点阵对称性 2 平行六面体内相等的棱和角数目最多 3 当棱间呈直角时 直角数目应最多 4 满足上述条件 晶胞体积应最小 晶胞能够完全反映阵点排列规律的最小几何单元 晶胞 晶格 大小 形状棱边长度 a b c棱边夹角 表示 2020 1 15 12 简单三斜 底心单斜 简单单斜 底心正交 体心正交 面心正交 简单正交 3 三种典型晶体结构 根据晶格常数与夹角关系空间点阵分为14种布拉菲格子 2020 1 15 13 简单三方 六方 90 a a2 a3 90 120 90 90 2020 1 15 14 a b c 90 构成立方体 晶胞的8个角顶各有1个原子 立方体的中心有1个原子 体心立方结构的金属有 Fe Cr V Nb Mo W等 体心立方晶格 body centeredcube bcc 原子数 n 8 1 8 1 2原子半径 配位数 指晶体结构中 与任一个原子最近邻 等距离的原子数目 bcc配位数 8 致密度 原子排列的紧密程度 晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比 用下式表示 2020 1 15 15 面心立方晶格 face centeredcube fcc 晶胞的8个角顶各有1个原子 构成立方体 立方体6个面的中心各有1个原子 面心立方结构的金属有 Fe Cu Ni Al Ag等 原子数 n 8 1 8 6 1 2 4原子半径 致密度 配位数 4 3 12 2020 1 15 16 密排六方晶格 hexagonalclose packed hcp 晶胞的12个角顶各有1个原子 构成六方柱体 上 下底面中心各有1个原子 晶胞内还有3个原子 有 Zn Mg Ti Co Cd等 原子数 n 12 1 6 2 1 2 3 6 晶格常数有两个 上下底面间的距离c与正六边形边长a 比值c a称为轴比 典型密排六方晶格的轴比为1 633 实际轴比往往偏离这一数值 大约在1 57 1 64之间波动 原子半径 配位数 12 6 6 致密度 2020 1 15 17 大小相同的圆球在二维的最密排方式 称为六方最密排面 每个球的周围有六个间隙 可分为B C两组 每组分别构成一等边三角形 密堆结构中的某一层密排面由中心在A的原子构成 第二层密排面的原子中心可放在间隙B上 也可放在间隙C上 第三层有两种方式 由于空间的限制 只能取一种方案 晶体中的原子堆垛方式和间隙 对各类晶体分析表明 配位数最大为12 致密度最高为0 74 为何会出现fcc和hcp不同的晶体结构 2020 1 15 18 如密排面的堆垛次序为ABAB 得到hcp结构 如密排面的堆垛次序为ABCABC 得到fcc结构 2020 1 15 19 2020 1 15 20 立方次密排面 在体心立方晶胞中 原子排列较为紧密的面相当于连接晶胞立方体的两个斜对角线所组成的面 在该面上 除了位于体心的原子与位于顶角的原子相切外 顶角的原子彼此间并不相互接触 原子面的空隙由四个互不接触的原子组成 原子排列的紧密程度较差 在三维方向上 第二层次密排面 B层 坐落在第一层 A层 的空隙中心上 第三层的原子位于第二层的原子空隙处 并与第一层的原子中心相重复 依次类推 因而堆垛次序为ABAB 得到体心立方结构 2020 1 15 21 六个原子的中心构成了正八面体的顶角 六个原子之间就形成一个八面体间隙 晶体中的间隙在密堆结构中 四个原子的中心构成了正四面体的顶角 四个原子之间就形成一个四面体间隙 2020 1 15 22 fcc 两种间隙 正八面体原子至间隙中心的距离为a 2 原子半径为 正四面体 原子至间隙中心的距离为 0 08a 0 146a 数量 4 数量 8 金属原子 八面体间隙 金属原子 四面体间隙 间隙半径为 间隙半径为 2020 1 15 23 bcc 不是密堆积结构 但也有两类间隙 扁八面体间隙 角顶至间隙中心的距离较远为上下原子至间隙中心的距离较近为a 2 原子半径为 非正四面体间隙 原子至间隙中心的距离为 数量 6 数量 12 金属原子 八面体间隙 金属原子 四面体间隙 间隙半径 间隙半径 2020 1 15 24 hcp 与面心立方晶格完全相似 当原子半径相等时 轴比为1 633时 间隙大小完全相等 只是间隙中心在晶胞中的位置不同 数量 6 数量 12 金属原子 四面体间隙 金属原子 八面体间隙 2020 1 15 25 4 晶向指数和晶面指数 晶体中 由一系列原子所组成的平面称晶面 任意两个原子之间的连线所指的方向称晶向 为便于研究和表述不同晶面和晶向原子的排列情况和空间取向 需统一表示方法 晶向指数 确定步骤 以晶胞三棱边为坐标轴x y z 以棱边长度为坐标轴的长度单位 从坐标原点引一有向直线平行于待定晶向 在这条直线上取一适当结点 并求出此点的位置坐标 将三坐标值化为最简整数 写入方括号内 如 uvw 原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族 用尖括号表示 如 uvw 如坐标值为负值 则相应数字之上冠以负号 2020 1 15 26 111 2020 1 15 27 晶面指数确定步骤 以晶胞三棱边为参考坐标轴x y z 原点应位于待定晶面之外 以免出现零截距 以各晶轴点阵常数为度量单位 求出晶面与三个晶轴的截距 取各截距的倒数 化为最简整数比 放在圆括号内 如 hkl 如截距为负值 则相应数字之上冠以负号 2020 1 15 28 原子排列相同 但空间位向不同的所有晶面称为晶面族 用大括号表示 如 hkl 110 晶面族中的晶面组 2020 1 15 29 111 晶面族中的晶面组 2020 1 15 30 FCC和BCC晶格典型晶向的线密度 2020 1 15 31 FCC和BCC晶格典型晶面的面密度 2020 1 15 32 六方晶系的晶面指数与晶向指数 可用上述方法 但确定六方晶系的晶面指数时 如用a1 a2 c三个坐标轴 令a1 a2的夹角为120 c轴与a1 a2垂直 标定的晶面指数中 同类型的晶面指数不相类同 如6个柱面属同一平面族 但指数为 因此用a1 a2 a3及c四个坐标轴 a1 a2 a3之间夹角均为120 晶面指数以 hkil 四个指数表示 前三个指数中只有两个是独立的 它们之间有以下关系 i h k 四轴坐标系6个柱面指数为 2020 1 15 33 2020 1 15 34 2020 1 15 35 三轴平面指数 HKL 转换成四轴坐标 hkil 时h Hk Ki H K l L三轴晶向指数 UVW 转换成四轴坐标 uvtw 时u 1 3 2U V v 1 3 2V U t 1 3 U V w W 2020 1 15 36 同一晶带的晶面指数 hkl 与晶带轴的晶向指数 uvw 存在以下关系 hu kv lw 0 晶带与晶带轴 如一系列非平行晶面都平行于 或包含 某一特定方向 则这些晶面同属一个晶带 这个特定方向称为晶带轴 两个晶面 h1k1l1 和 h2k2l2 的晶带轴指数 uvw 可由下式确定 2020 1 15 37 5 晶体的各向异性和多晶型性 各向异性 晶体的一个重要特征 与非晶体的重要区别 是不同晶向上的原子紧密程度不同所致 紧密程度不同 原子间距离不同 结合力不同 性能 弹性摸量 强度 电阻率等 不同 一般工业金属材料 由多晶体组成 各向异性特征不明显 因多晶体中的晶粒位向是任意的 晶粒的各向异性被相互抵消 如体心立方 Fe单晶 100 晶向原子密度为1 a 110 为0 7 a 111 为1 16 a 111 密度最大 E 290000N mm2 而 100 E 135000N mm2 多晶体的晶粒位向 2020 1 15 38 当外部条件 如温度 压强 改变时 晶体内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型性转变或同素异构转变 纯铁加热时的膨胀曲线 多晶型性 一般金属只有一种晶体结构 但少数金属 Fe Mn Ti Co等 具有两种或几种晶体结构 即具有多晶型性 纯铁在912 以下为 Fe bcc912 1394 为 Fe fcc1394 以上为 Fe bcc不同晶型密度不同 故同素异构转变时伴有比容或体积变化 2020 1 15 39 1 3实际金属的晶体结构 实际金属材料中 原子排列不能象理想晶体那样规则和完整 总不免存在一些原子偏离规则排列的不完整性区域 即晶体缺陷 晶体缺陷的产生 发展 运动及交互作用 在晶体的强度 塑性 扩散 相变塑性变形与再结晶等问题中扮演着主要的角色 根据晶体缺陷的几何特征 可分为三类 点缺陷 在三个方向的尺寸都很小 相当于原子尺寸 如空位 间隙原子 置换原子等 线缺陷 在两个方向的尺寸很小 另一个方向的尺寸相对很大 主要是位错 面缺陷 在一个方向的尺寸很小 另外两个方向的尺寸相对很大 如晶界 亚晶界等 2020 1 15 40 1 点缺陷 常见的有空位 间隙原子 置换原子 空位 原子是以其平衡位置为中心不间断地进行热振动 振幅与温度有关 原子热振动的能量是温度的函数 温度越高 能量越大 但一定温度下 各原子在同一瞬间或同一原子在不同瞬间的振动能量并不相同 即存在能量起伏 大置换原子 肖脱基空位 复合空位 弗兰克空位 异类间隙原子 小置换原子 同类间隙原子 Pt表面STM像 2020 1 15 41 在某温度下的某一瞬间 总有一些原子具有足够高的能量 以克服周围原子的束缚 离开原来的平衡位置迁移到别处 其结果 即在原位置上出现了空结点 即空位 空位性质 位置不固定 处于运动 消失和形成的不断变化中 是一种热平衡缺陷 虽使晶体的内能升高 但也增加晶体结构的混乱程度 使熵值增加 温度 平衡浓度 一定温度下 对应着一定的平衡浓度 空位的平衡浓度极小 但在固态金属的扩散过程中起极为重要的作用 通过某些处理 高能粒子辐照 高温淬火及冷加工 可使晶体中的空位浓度高于平衡浓度而处于过饱和状态 2020 1 15 42 空位使周围原子失去一个近邻原子 使相互间的作用失去平衡 因而它们朝空位方向稍有移动 偏离其平衡位置 产生晶格畸变 空位的运动 2020 1 15 43 间隙原子 处于晶格间隙中的原子 即为间隙原子 原子硬挤入很小的晶格间隙中后 会造成严重的晶格畸变 间隙原子尽管很小 但仍比晶格中的间隙大得多 造成的晶格畸变远较空位严重 间隙原子也一种热力学平衡的晶体缺陷 在一定温度下有一平衡浓度 常将这一平衡浓度称为固溶度或溶解度 2020 1 15 44 置换原子 占据原基体原子平衡位置上的异类原子 称为置换原子 由于置换原子的大小与基体原子不可能完全相同 因此其周围邻近原子也偏离其平衡位置 造成晶格畸变 置换原子也是一种热力学平衡的缺陷 在一定温度下有一平衡浓度 一般称为固溶度或溶解度 2020 1 15 45 2 线缺陷 刃型位错 某一原子面在晶体内部中断 象刀一样插入晶体 并且终止于滑移面上 使滑移面上下的原子产生错排 特别是使刃口附近的原子完全失去了正常的相邻关系 形成晶体缺陷 即刃口处的原子列 称为刃型位错 2020 1 15 46 刃型位错的弹性性质在位错线周围一有限区域内 原子离开了原平衡位置 即产生了晶格畸变 且在额外半原子面左右的畸变是对称的 就正刃型位错而言 滑移面上面的原子间距变小 晶格受压应力 滑移面下面的原子间距变大 晶格受拉应力 而在滑移面上 晶格受到切应力 在位错中心 即额外半原子面的边缘处 晶格畸变最大 距离位错中心距离逐渐增加 晶格畸变程度逐渐减小 通常把晶格畸变程度大于其正常原子间距1 4的区域称为位错宽度 其值约为3 5个原子间距 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 刃型位错往往总是携带大量的溶质原子 形成所谓的 柯氏气团 2020 1 15 47 刃型位错的特征 刃型位错有一个额外半原子面 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 滑移面上面的晶格受到压应力 滑移面下面的晶格受到拉应力 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 2020 1 15 48 螺型位错 切应力使晶体右端上下两部分沿滑移面发生一个原子间距的相对切变 已滑移区和未滑移区的边界线就是螺型位错线 2020 1 15 49 螺形位错周围滑移面上下相邻的两个晶面的原子错排情况 已滑移区 未滑移区 过渡区 2020 1 15 50 螺型位错的特征 螺型位错没有额外半原子面 位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道 其中没有正应变 只有切应变 位错线与晶体滑移的方向相平行 即位错线运动的方向垂直于位错线 2020 1 15 51 柏氏矢量 表示位错的性质的量 即表示不同类型位错晶格畸变的大小和方向 确定方法 在实际晶体中 从距位错线一定距离的无畸变区的任一原子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 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 这个矢量即为这条位错线的柏氏矢量b 在完整的晶体中以同样的方向和步数做相同的回路 此时的回路没有封闭 2020 1 15 52 螺型位错的柏氏矢量 在含有螺型位错的实际晶体中 围绕位错线作一个闭合的回路 后在完整的晶体中作相似的回路 回路不闭合 由终点向始点引出的矢量使回路闭合 此矢量即为该螺型位错的柏氏矢量b 2020 1 15 53 螺型位错的柏氏矢量 在含有螺型位错的实际晶体中 围绕位错线作一个闭合的回路 后在完整的晶体中作相似的回路 回路不闭合 由对比终点向始点引出的矢量使回路闭合 此矢量即为该螺型位错的柏氏矢量b 2020 1 15 54 柏氏矢量的特性 用柏氏矢量可以判断位错的类型 而不要再去分析晶体中原子排列的具体细节 柏氏矢量 位错线 是刃位错 柏氏矢量 位错线 是螺位错 用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量的大小 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 与回路的大小 形状 起点和具体路径无关 刃型位错线和与之垂直的柏氏矢量所构成的平面是滑移面 刃位错的滑移面只有一个 因螺位错的位错线 柏氏矢量 所以包含柏氏矢量和位错线的平面可以有无限个 螺位错的滑移面是不定的 它可以在更多的滑移面上进行滑移 2020 1 15 55 混合型位错在实际晶体中 当柏氏矢量与位错线既不平行又不垂直 而是交成任意角度时 则位错是刃型和螺型的混合类型 称为混合型位错 2020 1 15 56 位错的滑移特征 2020 1 15 57 位错密度单位体积中包含的位错线的总长度 用 v表示 v L V 也可表示为单位面积上位错的露头数 用 s表示 s n s 位错密度的量纲为L 2 实际晶体中位错线的方向完全是任意的 实验结果证明 退火良好的金属晶体 位错密度为108 1012m 2 剧烈冷加工金属位错密度约为1015 10 6m 2 和淬火低碳马氏体中位错密度相近 2020 1 15 58 位错的存在 对金属材料的机械性能 扩散及相变等过程有着重要的影响 理论强度 晶须强度 合金化 加工 热处理等 未处理的纯金属 而工业上应用的退火纯铁 抗拉强度低于300MPa 几乎不含位错的结构完整的小晶体 晶须 的抗拉强度达13400MPa 冷塑性变形等方法可使金属中的位错密度大大提高 则金属的强度也随之提高 2020 1 15 59 2020 1 15 60 2020 1 15 61 3 面缺陷晶体表面 指金属与真空或气体 液体等外部介质相接触的界面 界面上的原子 同时受晶体内自身原子和外部介质原子或分子的作用力 内部原子对界面原子的作用力 外部原子或分子的作用力 表面原子就会偏离其正常平衡位置 并因而牵连到邻近的几层原子 造成表面层的晶格畸变 由于晶格畸变 故其能量就会升高 将单位面积上升高的能量称为比表面能 简称表面能 它与表面张力同数值 同量纲 单位为J m2 单位长度上的表面张力单位为N m 2020 1 15 62 影响表面能的主要因素有 外部介质的性质 外部介质的分子或原子对晶体界面原子的作用力与晶体内部分子或原子对界面原子的作用力相差越悬殊 则表面能越大 裸露晶面的原子密度 当裸露的表面是密排晶面时 则表面能最小 非密排晶面的表面能则较大 晶体表面的曲率 表面的曲率越大 曲率半径越小 则表面能越高 2020 1 15 63 晶界 晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面 称为晶粒间界 或简称晶界 当相邻晶粒的位向差 10 称小角度晶界 位向差 10 称大角度晶界 小角度晶界 对称倾侧晶界由两个晶粒相互倾斜 2角 10 所构成 对称倾侧晶界是由一系列相隔一定距离的刃型位错所组成 有时将这一列位错称为 位错墙