金属的晶体结构.ppt

1.1金属1.2金属的晶体结构1.3实际金属的晶体结构,第1章金属的晶体结构,本章重点与难点金属键；建立金属原子的结构模型。建立晶格和晶胞的概念；最常见的晶体结构：体心立方结构、面心立方结构、密排六方结构；立方晶系的晶向指数和晶面指数。晶体中存在的缺陷：点缺陷、线缺陷（位错）、面缺陷。,1.1金属,一、金属原子的结构特点金属原子最外层电子少，一般1-2个，最多不超过3个。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，此时原子变为正离子。因此金属元素常称为正电性元素。过渡族金属元素（钛、钒、铬、锰、铁、钴、镍等）的原子不仅容易丢失最外层的电子，还容易丢失次外层12个电子。,二、金属键,在金属晶体中，金属原子失去价电子后成为正离子，所有价电子成为自由电子并为整个原子集团所公有，所有自由电子围绕所有原子核运动，形成电子云或电子气。金属正离子沉浸在电子云中，并依靠与自由电子之间的静电作用结合起来，这种结合方式称为金属键。,金属键没有方向性和饱和性。,结合键,组成物质整体的质点(原子、分子或离子)间的相互作用力。,原子间相互作用时，其吸引和排斥情况的不同，从而形成了不同类型的结合键,结合键,共价键,离子键,金属键,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，其中正电性元素钠失去电子成为正离子，负电性元素氯获得电子成为负离子，正负离子依靠静电引力结合在一起形成离子键。,以NaCl晶体为例，离子晶体中，正负离子间有很强的吸引力，故离子晶体材料硬度高，强度大，脆性大，导电性差。,共价键,碳的价电子是4个，得失电子的机会近似。原子之间不产生电子的转移，相邻原子以共用价电子形成稳定的电子满壳层，这种由共用价电子对产生的结合键称为共价键。,共价键结合力大，具有方向性，故共价键材料强度高，硬度高，脆性大，具有很好的绝缘性。,金刚石、单质硅、SiC等属于共价键。,金属的一些特性，如具有良好的导电性、导热性、塑性（延展性），具有金属光泽、不透明、正的电阻温度系数等都与金属键有关。,金属特性的金属键理论解释,金属特性的金属键理论解释,（4）金属键没有方向性和饱和性，当金属的两部分发生相对位移时，金属正离子始终被包围在电子云中，结合键不会遭到破坏，这样金属就能经受变形而不断裂，使其具有良好的塑性变形能力。,三、结合力与结合能,d0为原子的平衡距离，此时吸引力与排斥力相等，任何对平衡位置的偏离，都会立刻受到一个力的作用，促使其回到平衡位置。,双原子作用模型固态金属中两个原子之间的相互作用力包括：正离子与周电子间的吸引力，正离子与正离子之间以电子与电子之间的相互排斥力，吸引力力图使两个原子拉近，而排斥力却力图使两个子分开。,结合能EAB（键能）是排斥能和吸引能的代数和。当原子移至平衡距离d0时，原子能量最低，最稳定。,双原子作用模型说明：1、当吸引力与排斥力相等时原子处于平衡位置。2、当原子在平衡距离时，原子的能量最低、最稳定。3、常见金属中的原子总是自发的趋于紧密排列，以保持最稳定的状态。4、所有的离子和原子都在各自的平衡位置上以平衡位置为中心作微弱的热振动。温度越高热振动的振幅越大。,原子（离子、分子等）在三维空间有规则地周期性重复排列的物质称为晶体。通常固态金属与合金都是晶体。,1、晶体的概念,非晶体的概念：原子（离子、分子等）在三维空间无规则排列的物质。玻璃、多数高分子材料等。,1.2金属的晶体结构,一、晶体的特性,固态物体按原子(离子、分子等)是否规则排列分为两种：晶态、非晶态。,晶态是热力学稳定的状态，而非晶态是热力学不稳定的状态。理论上固态物体均应形成晶态，但当动力学条件不具备时，就可能转变为非晶态。,晶体中原子等质点是规则排列的，非晶体中原子等质点无规则堆积在一起的。,2、晶体与非晶体的区别,如：Tm(Fe)=1538,Tm(Cu)=1083,晶体具有明显、固定的熔点，伴有体积与性能的突变。非晶体没有固定的熔点。,晶体有各向异性，非晶体则各向同性。各向异性：不同方向上的性能有差异。,3、晶体与非晶体的相互转化性,非晶态新材料的发展：光、电、磁、耐蚀性、高强度等方面的高性能。,金属玻璃是使金属熔体在瞬间冷凝，以致金属原子还处在杂乱无章的状态，来不及排列整齐就被“冻结”。它兼有金属和玻璃的优点，又克服了各自的弊病。金属玻璃具有一定的韧性和刚性，强度高于钢，硬度超过高硬工具钢，断裂强度也比一般的金属材料高得多。由于避免了晶间腐蚀，有着良好的化学稳定性；还有良好的磁学性质。金属玻璃可用以制造高压容器、火箭等关键部位的零部件。非晶态软磁材料还可以制造录音、录像的磁头、磁带。人们赞扬金属玻璃为“敲不碎、砸不烂”的“玻璃之王”。美国、西欧称之为“21世纪的材料”。不象玻璃板，金属玻璃不透明，不发脆，它们罕见的原子结构使它们有着特殊的机械特性及磁力特性。普通金属由于晶格缺陷而容易变形或弯曲导致永久性地变形。相比之下，金属玻璃在变形后更容易弹回到初始形状。没有结晶缺陷使得金属玻璃成为卓有成效的磁性材料。2000年9月20日，在北京钢铁研究总院的非晶带材生产线上成功地喷出了宽220mm、表面质量良好的非晶带材，它标志着我国在该材料的研制和生产上达到国际先进水平。,二、晶体结构与空间点阵1、晶体结构模型的建立,（1）假设：原子为固定不动的刚球，每个原子具有相同的环境。,空间点阵：几何质点(原子)在空间排列的阵列。晶格：用假想的线连接各原子中心所构成的描述原子排列方式的空间格架。,（2）将原子、离子等抽象为几何点（阵点），建立空间点阵、晶格的概念。,晶体的刚球模型,（3）在晶格中选取能够完全反映晶格特征的最小几何单元，建立晶胞概念。,晶胞,晶格中体积最小，对称性最高的平行六面体，称为晶胞，是能代表原子排列特征的最小几何单元。,晶胞在三维空间的重复排列构成晶体点阵。,点阵（晶格）模型,（4）在晶胞中建立三维坐标体系，描述出晶胞的形状与大小。,晶胞的棱边长度一般称为晶格常数或点阵常数，用a、b、c表示。晶胞的棱间夹角叫轴间夹角。用、表示。,依据空间点阵的基本特点划分为七大晶系：,(1)三斜晶系：90abc,(2)单斜晶系：=90abc,2、七大晶系和十四种布拉菲点阵,(3)正交晶系：=90abc,(4)四方晶系：=90a=bc,(5)立方晶系：=90a=b=c,简单立方,(6)菱方晶系a=b=c=90,布拉菲,奥古斯特布拉菲（AugusteBravais，（18111863年），法国物理学家，于1845年得出三维晶体原子排列的所有14种布拉菲点阵结构，首次将群的概念应用到物理学，为固体物理学做出了奠基性的贡献。,晶体点阵又称为布拉菲点阵（根据法国晶体学家Bravais命名，以纪念他用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种）。,按点阵常数的特征对晶体的分类7大晶系和14种点阵,简单、体心、面心,简单、体心,简单,简单、底心、体心、面心,简单,简单、底心,简单,体心立方bccBody-centeredcubic面心立方fccFace-centeredcubic密堆六方hcpHexagonalclose-packed,常见金属晶体结构：,bcc,fcc,hcp,三、3种典型的金属晶体结构,几个重要的概念晶胞原子数(n)：一个晶胞中包含的原子数目。原子半径(r)：晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半，沿原子密度最大的方向上相邻两个原子之间距离的一半。致密度（又称密集系数）：晶胞中所包含原子占有的体积与该晶胞体积之比（用体积百分数表示）。致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞的体积;Va:晶胞中原子占有的总体积，Va=nV1，n:晶胞原子数；V1:一个原子的体积。配位数：晶体结构中，与任一原子最近邻、等距离的原子数目，也可以理解为和任一原子相互接触的原子数目。致密度、配位数用来描述原子排列的紧密程度。,体心立方晶格（body-centredcubic）,体心立方金属有：-Fe、Cr、V、W、Mo等30种。,体心立方晶胞,晶格常数：a=b=c；=90,晶胞原子数：,原子半径：,致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va=nV1=24r3/3,X,Y,Z,a,b,c,2r,2r,a,a,21+8*1/8=2,配位数：8配位数越大，原子排列越紧密。,面心立方晶格（face-centredcubic）,面心立方金属有：-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等20种。,面心立方晶胞,晶格常数：a=b=c；=90,晶胞原子数：,原子半径：,致密度：0.74Vc:晶胞体积a3Va=nV1=44r3/3,X,Y,Z,a,b,c,密排方向,48*1/8+6*1/2=4,配位数：12,密排六方晶格（hexagonalclose-packed）,密排六方金属有：Mg、Zn等，还有C（石墨）。,正六棱柱体,密排六方晶格,晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角90a=bc；=90；=120,晶胞原子数：612*1/6+2*1/2+3=6,原子半径：a/2,致密度：0.74,配位数：12,轴比c/a1.633,金属中常见的三种晶体结构特征小结,（1）FeFe时发生体积膨胀钢铁淬火时出现开裂现象的原因。（2）金属中存在间隙。,体心立方晶格的原子堆垛方式为：ABABAB,体心立方晶体中原子堆垛方式,原子堆垛方式：原子密排面的排列形式，即原子面的堆垛方式。,面心立方晶格的原子堆垛方式为：ABCABCABC,面心立方晶体中原子堆垛方式,密排六方晶体中原子堆垛方式,密排六方晶格的原子堆垛方式为：ABABABAB,晶体结构中的间隙,不管原子以哪种方式进行堆垛，在原子刚球之间都必然存在间隙，这些间隙对金属的性能以及形成合金后的晶体结构都有很重要的影响。分析间隙的数量、大小及位置对了解材料的相结构、扩散、相变等问题都很重要。,间隙半径：间隙中所能容纳的最大圆球的半径。,体心立方晶格中的间隙,八面体间隙:6个0.067a,四面体间隙:12个0.126a,面心立方晶格中的间隙,正四面体间隙:8个0.06a,正八面体间隙:4个0.146a,密堆六方晶格中的间隙,密排六方结构的八面体间隙和四面体间隙与面心立方结构的完全相似，当原子半径相等时，间隙大小完全相等。,面心立方晶格八面体间隙半径（0.146a）比体心立方晶格中间隙半径较大的四方体间隙半径（0.126a）还要大，因此面心立方结构容纳其他原子的能力大。如-Fe中最多可容纳2.11%的碳原子，而-Fe中最多只能容纳0.02%的碳原子。这在钢的化学热处理（渗碳）过程中有很重要的实际意义。为什么20CrMnTi的渗碳温度一般为930左右？,间隙可溶入杂质或溶质原子，尽管体心立方晶格中间隙总体积大于面心立方晶格，但数目多，尺寸相对平均，其最大间隙小于面心立方晶体的。,四、金属晶体中的晶面和晶向,X,Y,Z,a,b,c,晶面晶体点阵中，通过阵点的任一平面，代表晶体的原子平面，称为晶面。,晶向晶体点阵中，通过阵点的任一直线，代表晶体空间的一个方向，称为晶向。,国际上通用的是用密勒指数表示晶面及晶向。,立方晶系的晶向与晶面指数,建立步骤：建立直角坐标系。以某一阵点为坐标原点O，三个棱边为坐标轴，并以点阵常数(a、b、c)作为各个坐标轴的单位长度；过坐标原点作有向直线平行与待定晶向(OP/AB)；确定P点的坐标值（求垂直投影）；将坐标值化为互质的最小整数，依次写入中，则uvw即为所求的晶向指数。,(1)晶向指数uvw,如：AB:XYZ1,uvw112,Z,112,举例:(1)以晶胞为基础建立坐标体系；（2）过坐标原点作有向直线平行于待定晶向；（3）确定有向直线上某点的坐标值；（4）三个坐标值最小整数化，uvw。,一个晶向指数并不表示一个晶向，而是一组原子排列相同、相互平行的晶向。晶向指数uvw中如果某一个数字为负，则将负号标注在该数字的上方。如果两个晶向指数的数字相同而正负号相反，则这两个晶向相互平行，方向相反。,晶向族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶向的统称，用表示。,(2)晶面指数,建立步骤：建立直角坐标系。坐标原点不能位于所求的平面内，其余与求晶向指数时相同。求晶面在各个坐标轴上的截距。求截距的倒数，并化为最小的整数，放入（）中,则（hkl）即为所求的晶面指数。,注意：1、原点应位于待定晶面之外，以避免出现零截距。2、找出待定晶面在三轴的截距，如果该晶面与某轴平行，则截距为无穷大。,一个晶面指数并不表示一个晶面，而是一组原子排列相同、相互平行的晶面。晶面指数（hkl）中如果某一个数字为负，则将负号标注在该数字的上方。如果两个晶向指数的数字相同而正负号相反，则这两个晶面相互平行，用一个晶面指数表示。,晶面族：原子排列相同但空间位向不同的所有晶面的统称，用hkl表示。如：100=（100）+（010）+（001）,试写出110晶面族中所有晶面。,其它晶体学概念,晶带和晶带轴：相交和平行于某一晶向的所有晶面的组合称为晶带，此直线叫做它们的晶带轴。晶带用晶带轴的晶向指数表示。,晶带定律：立方晶系中晶面(hkl)和其晶带轴uvw的指数之间满足关系：hu+kv+lw=0,立方晶系中指数相同的晶面与晶向互相垂直：如：100(100)；121(121)；(111)丄111,六方晶系的晶面指数与晶向指数标定为清楚表达六方晶系对称性四轴坐标系,晶面和晶向指数标定复杂，通常不要求。,五、晶体的各向异性,晶面与晶向原子密度晶向原子密度:单位长度上的原子数。晶面原子密度:单位面积上的原子数。,体心立方晶格中各主要晶面的原子密度,体心立方晶格中各主要晶向的原子密度,试计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。,晶体的各向异性不同晶面和晶向上原子密度不同，原子间距离不同，因而结合力不同。不同方向上的性能有所差异称为各向异性。,如：-Fe单晶体，111的弹性模量E=2.9105MN/m2;100的弹性模量E=1.35105MN/m2。,多晶体的伪各向同性实际金属材料一般不具有各向异性，例：铁块不同方向上E均为2.1105MN/m2左右。原因：实质上单晶体才具有各向异性，而实际金属是多晶体。单晶体：晶格位向(或方向)一致或基本一致的晶体。,单晶体与多晶体的区别,a、单晶体质点按同一取向排列。由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体。b、多晶体通常由许多不同位向的小晶体(晶粒)所组成。c、多晶体晶粒与晶粒之间的界面称为晶界,多晶体材料一般显示出各向同性。,实际金属材料为多晶体，其中各单晶粒分布的方向不同，许多晶粒统计分布的结果使各向异性相互抵消，结果呈现出无向性。伪各向同性。,实际金属多晶体结构示意图,由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象称之为同素异构转变。随温度、压力而变化。例如：由石墨结构转变为金刚石结构。又如Fe晶体：室温912，体心立方，-Fe，9121394，面心立方，-Fe，1394熔点1538，体心立方，-Fe。,六、晶体的同素异构转变(多晶型),-Fe（fcc）-Fe（bcc）,912C,912C,固态转变伴随着体积变化，易造成很大的内应力。如-Fe向-Fe转变时体积会膨胀1%。,Fe,Mn,Ti,Co等少数金属具有同素异构转变结构变化，性能随之变化。,完美晶体,原子完全象晶体学中论述的(理想晶体)那样呈现周期性的规则重复的排列。,缺陷晶体,实际晶体中可能在某个格位出现缺位，某些位置出现原子错排等缺陷。,尽管实际晶体中缺陷很少，可能在1010个原子中只有1个脱离其平衡位置，但这些缺陷极为重要。晶体缺陷的种类、数量将给材料的性能带来巨大的影响。,1.3实际金属的晶体结构,晶体缺陷的分类,点缺陷：三维方向上原子尺寸大小级别的晶体缺陷，如空位、间隙原子等。,线缺陷：一个方向上的尺寸很大，另两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷，主要是晶体中的位错。,面缺陷：两个方向上的尺寸很大，另外一个方向尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷，如晶界、亚晶界等。,一、点缺陷,点缺陷的类型,空位,肖脱基空位弗兰克尔空位空位变换,由于空位的存在，其周围原子失去了一个近邻原子而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，就会在空位周围出现一个涉及几个原子间距范围的弹性畸变区。,空位引起晶格畸变,间隙原子(Frenkel缺陷)同类间隙原子异类原子(杂质原子)置换原子,点缺陷的类型,晶格畸变,小原子置换引起的晶格畸变,间隙原子引起的晶格畸变,点缺陷对材料性能的影响,电子在点缺陷处受到额外的散射，增大材料的电阻。晶格畸变造成能量上升，使屈服强度升高。点缺陷有利于原子扩散，空位可作为原子运动的周转站。点缺陷形成其它晶体缺陷。空位集中在晶体内部形成空洞，集中一片形成位错。,点缺陷会使其附近原子稍微偏离原结点位置，造成小区域的晶格畸变，对材料宏观性能产生影响。,晶体中的线缺陷是各种类型的位错。其特点是原子发生错排的范围，在其中一个方向上尺寸较大，而另外两个方向上尺寸较小，是一个直径为35个原子间距，长几百到几万个原子间距的管状原子畸变区。位错是一种极为重要的晶体缺陷，对金属强度、塑变、扩散、相交等有显著的影响。,二、位错理论基础,位错的类型,根据位错线取向和位错线周围原子排列的几何特征，位错分为:刃位错螺位错混合位错,刃型位错(Edgedislocation),原子模型,正刃位错与负刃位错,正刃位错,负刃位错,正负刃位错是相对的，没有本质的区别，旋转180度就互相对换了。,刃型位错示意图,位错线周围存在应力场，对附近其它位错有力的作用和影响，如一对在同一滑移面上平行刃位错，当其方向相同时互相排斥；当其方向相反时则互相吸引，最后可能互相中和而消失。螺型位错也有相同的行为。,位错间的交互作用,刃型位错有一额外半原子面。刃型位错线是一条具有一定宽度的细长晶格畸变管道。刃型位错既有正应变，又有切应变。对于正刃型位错，滑移面上方为压应力，下方为拉应力。负刃型位错与之相反。刃型位错线与晶体滑移方向垂直，位错线运动方向垂直于位错线。,刃型位错的特征概括,若将晶体的上半部分向后移动一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来，在分界线的区域形成一螺旋面，这就是螺型位错。除分界线附近的一管形区域外，其它部分基本也都是完好的晶体。,螺型位错(Screwdislocation),螺位错的原子模型,螺位错滑移面两侧晶面上原子的滑移情况：上层原子：下层原子,与螺位错垂直的晶面的形状,螺位错的原子模型,在EF以左没有变动，在BC以右晶体上下两部分虽然相对错动了一个原子间距，但原子排列是对齐的。在EF和BC之间，上下原子发生了错排和不对齐现象。,螺型位错,螺型位错线附近的原子是按螺旋形式排列的。根据原子旋转方向的不同，螺型位错可分为左螺型和右螺型位错，通常用拇指代表螺旋前进方向，其余四指代表螺旋方向，符合右手法则的称右螺旋位错；符合左手法则的称为左螺旋位错。与正负刃位错的相对性不同，左右螺位错却是绝对的。,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。螺型位错只有切应变，没有正应变。螺型位错线与晶体滑移方向平行，位错线运动方向与位错线垂直。,螺型位错的特点,在外力作用下，晶体两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线，既不垂直也不平行滑移方向，这样的位错称为混合位错。它是实际晶体中较常见的一种位错线。,混合位错（Compositedislocation）,混合位错分解为刃位错和螺位错的示意图,在研究位错时，为了摆脱位错区域内原子排列具体细节的约束，1939年物理学家J.M.Burgers（柏格斯）提出用一矢量来表征位错性质，而且还可以表示晶格畸变的大小和方向。该矢量称为柏氏矢量。柏氏矢量不仅可以表示位错的类型，而且可以表示晶格畸变的大小和方向，从而摆脱位错区域内原子排列的具体细节的约束。,柏氏矢量（Burgersvector）,首先人为假设位错线的方向。对于刃位错目前有两种假定：一种假设是纸背到纸面的方向为正，另一种假设恰好相反。注意：假设不同不会导致位错线和柏氏矢量方向的相对位向关系的改变。这里采用第一种假设，即位错线的正方向是人为规定的。,A、柏氏矢量的确定方法,在原子排列基本正常的区域，从任一原子M出发，至相邻原子为一步，沿逆时针方向作一个包含位错的回路，称为柏氏回路，这个回路包含了位错发生的畸变区。柏氏回路是按右手螺旋法则进行的。,在完整晶体中以同样的方向和步数作相同回路，此时回路没有封闭。由完整晶体的回路终点Q到起点M引一矢量b，使回路闭合，这个矢量就称为该位错的柏氏矢量。,螺型位错的柏氏矢量可用相同方法（即假设由纸背指向纸面为螺位错的正向）确定。螺型位错的的柏氏矢量与位错线平行，规定位错线与矢量b同向时为右螺旋位错，反向是为左螺型位错。,b,b,正刃错,负刃错,b,b,右螺型,左螺型,b,b1,b2,混合型,用柏氏矢量可以简单判断位错类型。柏氏矢量与位错线相互垂直时为刃型位错；柏氏矢量与位错线相互平行时为螺型位错；柏氏矢量与位错线的夹角在0-90o为混合位错。用柏氏矢量可以表示晶格畸变的大小（位错的强度）。通过柏氏回路将畸变叠加起来，总量的大小可用柏氏矢量表示出来。柏氏矢量越大，晶格畸变越严重。柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错线是晶体在滑移面上已滑移区和未滑移区的边界线。位错线运动时扫过滑移面，晶体即发生滑移，滑移量的大小为柏氏矢量，方向为柏氏矢量的方向。一条位错线的柏氏矢量是恒定不变的。,B、柏氏矢量的重要特征,同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关，每根位错具有唯一的柏氏矢量。一根不分叉的位错线，不管其形状如何，对应唯一柏氏矢量。位错不可能终止于晶体的内部，只能终止于表面、晶界和其他位错处。,C、柏氏矢量守恒,金属中各种形态的位错,位错的观察,含位错试样抛光侵蚀后，位错露头易侵蚀而出现规则的多边型且排列有一定规律的蚀坑。,将试样减薄到几十到数百个原子层(500nm以下)，利用透射电镜进行观察，可直接观察到位错线。,高温合金热机械疲劳后产生的位错网,铝合金中的位错,柱状单晶铜中的位错,位错密度位错密度是指单位体积中位错线的总长度，表示晶体中位错多少的量。晶体中位错线的总长度L位错密度=-（m-2）晶体的体积V位错密度是理论上的概念，实际上测量不到，工程上用通过单位截面积位错线的数目（位错线露头）计算位错密度。,退火状态下金属材料位错密度较低，约在10101012m-2的数量级；经过较大的冷塑性变形增加，位错密度可达10151016m-2的数量级。,晶体强度与位错密度的关系,金属强度和位错的关系(1)理论上：位错的存在是材料具有良好塑性变形的前提；低密度位错利于强度的提高。(2)实际中：位错密度较低时，则，晶须，无工业实际意义。位错密度较高时，则，工业意义：形变强化、马氏体相变强化。,三、面缺陷两维尺寸很大，第三向尺寸很小。,（1）晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面。,晶界类型及模型：大角度晶界相邻晶粒的位向差大于10的晶界。大约23个原子厚的薄层，原子排列较混乱，结构较复杂。大角度晶界模型：由原子排列紊乱区域与原子排列较整齐区域交替相间而成。,小角度晶界相邻晶粒的位向差小于10的晶界。小角度晶界模型：基本上由位错构成。,金属中的亚晶组织,（2）亚晶界：晶粒内部存在位向差极小的亚结构（晶块），也称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面，称为亚晶界。亚晶界为小角度晶界，一般小于2，通常由位错构成。,晶界与亚晶界结构示意图,（3）堆垛层错晶体结构可以看成由许多密排晶面按一定顺序堆垛而成：如面心立方晶体（fcc）中密排面(111)按ABCABCABCABC.堆垛变成了ABCABABABC.堆垛。,晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一种晶体缺陷称为堆垛层错。,堆垛层错破坏了晶体周期性的完整性，引起能量升高。,界面结构类型:共格界面,半共格,非共格,共格界面:界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，为两种晶格所共有。,（5）晶体表面,晶体表面：指金属与真空、气体、液体等外部介质相接触的界面。特点：a、表面层原子间存在晶格畸变：同时受晶体内部自身原子和外部介质原子或分子的作用，二者不平衡；b、存在表面能：单位面积表面上升高的能量称为比表面能简称表面能,J/m2。c、晶体外表面通常为密排晶面。,(1)晶界有界面能，晶粒越细晶界越多，晶界能越高，晶界越不稳定。为降低能量、减少晶界长度，晶粒有长大的趋势。,(2)相变时新相晶核往往优先在界面上形成。,晶界特性,(3)晶界内吸附现象：能降低晶界能的异类原子（杂质原子）向晶界的偏聚，。,例：钢中微量B(0.005%)可显著改善淬透性，是依靠B在晶界的偏聚、富集。,另P、Sb、Sn等元素在晶界的富集。,(4)晶界上存在晶格畸变，对材料的塑性变形起阻碍作用，晶粒越细，界面积越大，材料的强度越高晶界强化或细晶强化。,(5)晶界有界面能，且低熔点杂质含量较高，故晶界熔点低于晶内，容易被腐蚀和氧化。,名词概念,内容要求,晶体晶胞晶格常数晶面晶向晶面族晶向族位错位错密度晶界,1、三种常见的金属晶体结构。2、立方晶系晶向指数与晶面指数表示方法。3、晶体缺陷（点缺陷、线缺陷、面缺陷）。,小结,TheEnd,ofChapter1,OOAA晶面指数,截距分别为：，1，倒数后得晶面指数：（010）,求CCBB即可。,第一章习题课一、标出下图中给定晶面和晶向的指数。,OOBB的晶面指数,截距分别为：-1/2，1/2，倒数、求整后，得晶面指数为：,求DDEE即可,E,E,1/2,1/2,1/2,ODC的晶面指数,截距分别为：1/2，-1，1倒数后，得晶面指数为：,求PFO即可,1/2,1,三、已知铜原子直径为0.256nm，试计算1mm3铜中的原子数以及Cu的晶格常数。,答：a=1.4140.256=0.362(nm)1mm3中的原子数为：1/a34=4/(0.36210-6)3=8.431019(个),四、已知铁的原子量为55.85，1g铁有多少个原子?计算1g铁在室温和1000时各有多少个晶胞?,