材料科学基础课件VIP

材料科学基础,welcome,合肥工业大学刘宁,一、自我介绍,刘宁手机公室地址：材料楼201室Email:jackliuning,二、课程介绍,第18章金属学原理第9、10章金属热处理第1113章金属材料学讲课80学时，8学时实验（1）铁碳合金平衡组织分析（2）碳钢非平衡组织观察（3）碳钢的热处理操作（4）合金钢、铸铁、有色金属组织观察,三、教材及参考书,教材：崔忠圻.金属学与热处理（第2版）.机械工业出版社参考书及实验指导书：（1）石得珂.材料科学基础.机械工业出版社（2）李超.金属学原理.哈尔滨工业大学出版社（3）张廷楷.金属学及热处理实验指导书.重庆大学出版社（4）林昭淑.金属学及热处理实验.湖南大学出版社,四、特点及要求,成绩评定卷面70%+实验15%+平时15%上课章节顺序以及内容编排与教材不完全一致，建议记笔记，课前预习章节内容多，每章内容及时消化，不要欠账如果听课掉班，实验以及考试依然在本班,五、材料的定义和发展,1.1定义材料是指人类可接受、能经济地制造有用器件（或物品）的固体物质。1.2发展人类社会的历史就是一部利用材料和制造材料的历史（正是形形色色的材料构成了世间万物）。新材料的品种正在以每年大约5%的速度增长。,人类使用材料的历史已经历了七个时代:(1)石器时代(2)青铜器时代(3)铁器时代(4)水泥时代(5)钢时代(6)硅时代(7)新材料时代,材料是人类社会进步的里程碑,材料的研究和应用促进了人类社会的进步，而人类社会的不断发展刺激了材料的不断创新。随着社会的进步和科学的发展，人们逐渐开始了材料的改性和研制新材料，形成了材料工程。“材料工程”就是把基础知识应用于材料的研制、生产、改性和应用，解决技术上、经济上、社会上不断出现的问题。,20世纪20年代以前，材料工程与基础科学的联系并不紧密，固体物理与材料工程各有自己的独立体系。20世纪20年代：分立20世纪40年代：已有交叉20世纪60年代：两者结合材料科学20世纪70年代：材料科学与工程材料科学与工程是关于材料成分、结构、工艺和性能与用途之间有关知识和应用的科学。,第一部分金属学原理,绪论1、定义：金属学是一门有关金属材料本质与性能方面的科学。2、任务：金属学的任务在于研究金属和合金中各相和组织的形成及其变化规律，以及成分、组织和性能之间的关系。3、发展：金属学这个名词是从金相学推广出来的，金属学是从工业生产实践中发展起来的。这个学科的形成和发展是与研究工具（主要是研究金属组织和性能）和基本理论（主要是物理学和物理化学）的应用密切联系。,中国很早就从事炼制金属殷商时代（公元前16世纪前1066年）制造应用青铜春秋、战国时代（公元前770前221年）宝剑采用了白口铁制造，并且进行了热处理（淬火）从西汉（公元前206公元23年）到明朝（13681644年）我国钢铁生产技术和其它金属材料的工艺水平处于世界领先地位。,早期人们对于金属内部组织的认识，主要来源于工匠的长期实践经验。而现代金相分析方法开始于1808年，奥地利的矿物学家Von.Widmanstatten通过磨光、侵蚀一块陨石，应用光学显微镜显示出它的组织，后人称为魏氏组织。应用光学显微镜来显示金属的显微组织是奠定金相学的重要工具。,英国科学家R.Austen和法国科学家F.Osmond应用相律完成了FeC相图的工作，这是合金相图建立的先驱。钢中的一种组织以奥氏体命名就是表示纪念R.Austen。上个世纪初，X射线衍射技术（1913年）、电子显微镜（1932年）以及随后场离子显微镜、探针（电子、离子）、中子衍射、俄歇电子能谱AES、X射线光电子谱XPS、STM、核磁共振、AFM、HRTEM等手段，对于金属和合金的研究达到了新的水平，使得金属学有了大发展。,4、目的、意义：金属材料作为社会生产的重要物质基础，起到了重要的作用。目前，虽然无机非金属材料、高分子材料得到了广泛的应用和发展，但是金属材料仍然以其综合性能在国民经济和社会发展中得到应用。目前，我国钢产量已经超过6亿吨（产能7.5亿吨），是世界第一产钢大国。本课程是专业基础课，将为后续其它课程的学习奠定基础。同时也是某些单位的考研课程，其重要性不言而喻。,金属学在欧美被称为物理冶金学（Physicalmetallurgy）。根据近代冶金学科的划分，有关提取、精炼等冶金反应过程的工艺与原理为主的学科，称为化学冶金；而以研究冶金后金属材料在加工和使用过程中的性能及其影响因素的学科，称为物理冶金。,第一章金属的晶体结构,概论材料是国民经济的物质基础。通过实践和研究表明：决定材料性能的最根本的因素是组成材料的各元素的原子结构，原子间的相互作用、相互结合，原子或分子在空间的排列分布和运动规律以及原子集合体的形貌特征等。为此，我们需要了解材料的微观构造，即其内部结构和组织状态，以便从其内部的矛盾性找出改善和发展材料的途径。,第一节原子结构一、物质的组成一切物质都是由无数微粒按一定的方式聚集而成的。这些微粒可能是分子、原子或离子。原子结构直接影响原子间的结合方式。二、原子的结构近代科学实验证明：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。因为每个质子和中子的质量大致为1.67x10-24g，而电子的质量约为9.11x10-28g，仅为质子的1/1836。,三、原子的电子结构量子力学研究发现，描述原子中一个电子的空间位置和能量可用四个量子数表示。多电子的原子中，核外电子的排布规律遵循三原则，即能量最低原理、pauli不相容原理和hund规则。从内到外，依次为k壳层(n=1),l壳层(n=2),m壳层(n=3).1).主量子数n（=1、2、3。）决定原子中电子能量以及与核的平均距离，即电子所处的量子壳层。2).次量指数（轨道角量子数）l（=0、1、2。）给出电子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚层），反映了轨道形状。3).磁量子数m（=0、1、）给出每个轨道角动量量子数的能级数或轨道数，确定了轨道的空间取向。4).自旋角量子数ms反映电子不同的自旋方向。,第二节原子结合键,什么是金属？传统定义：金属是具有良好的导电性、导热性、延展性（塑性）和金属光泽的物质。严格定义：金属是具有正的电阻温度系数的物质。已发现的105种元素中，有83种是金属元素，占79%，约为五分之四。,一、金属原子的结构特点,金属原子结构特点是结构中最外层电子数很少（一般为12个，最多不超过4个），极易失去电子而形成电子层结构稳定的正离子状态。而非金属原子正好相反，最外层电子数较多（做多7个，最少4个），容易取得电子而形成稳定结构的负离子状态。故金属为正电性原子，而非金属为负电性原子。,二、金属原子间的结合,1、原子间的结合键1.1离子键大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。离子键键合的基本特点是以离子而不是以原子为结合单元。（外层电子重新分布）金属+非金属离子键（离子间静电作用）,一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。这类化合物通常变形能力差，具有硬而脆的性质。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。,1.2共价键两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。共价键键合的基本特点是核外电子云达到最大的重叠，形成“共用电子对”，有确定的方位，且配位数较小。,共价键的结合极为牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价形成的材料一般是绝缘体，其导电性能差。,1.3金属键金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合称为金属键。金属键的基本特点是电子的共有化。,金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能。,金属键的经典模型有两种：一是认为金属原子全部是离子化的，即正离子与自由电子的结合形成金属键。另外一种模型认为，金属键包括中性原子间的共价键以及正离子与自由电子间的静电引力的复杂结合。用上述经典的金属键模型可以解释金属性能的一般特点。,金属由金属键结合，因此金属具有下列特性：1.良好的导电性和导热性。金属中有大量自由电子存在，当金属的两端存在电势差或外加电场时，电子可以定向地流动，使金属表现出优良的导电性。金属的导热性很好，一是由于自由电子的活动性很强，二是依靠金属离子振动的作用而导热。2.正的电阻温度系数。即随温度升高电阻增大。绝大多数金属具有超导性，即在温度接近于绝对零度时电阻突然下降，趋近于零。3.不透明并呈现特有的金属光泽。金属中的自由电子能吸收可见光的能量，因而具有不透明性。而吸收了能量被激发的电子随后会辐射出具有一定波长的光能，从而具有一定光泽。4.良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在受外力作用而发生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏。,1.4范德华力属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性。比化学键的键能少12个数量级。不同的高分子聚合物有不同的性能，分子间的范德华力不同是一个重要因素。,1.5氢键是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子（，等）相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，具有饱和性和方向性。氢键在高分子材料中特别重要。,2.原子间的结合力与结合能,原子能够结合为晶体的原因是原子结合起来后体系的能量可以降低，在原子结合成晶体的过程中，会有一定的能量E释放出来，这个能量叫做结合能。假设fa代表引力（attraction），fb代表斥力(repulsion)，d代表原子间距离(distance)，则有：原子间净作用力式中a、b、m、n均为常数，且mn，m、n均为大于2的常数。,当d较大时，fr很小，fa较大，故f0,即相互排斥。在d=d0处，fa=fr，f=0，即晶体内原子间距保持恒定。上述双原子结合模型虽然很粗糙，但用于描述大量原子组成的聚集状态，还是较为简明的。,在金属原子键合情况下，以过渡族金属（B、B、B、B、B、元素）的结合能最大，约为100-200KCal/mol，Cu、Ag、Au约为70-80KCal/mol，Na、K、Li等碱金属约为20-40KCal/mol.所以过渡族金属通常具有较高的熔点和弹性模量，而热膨胀系数与压缩系数均较小（原子内层电子云已有相当重叠而不易压缩）。,第三节、金属的晶体结构前言为了便于对材料进行研究，常常将材料进行分类。如果按材料的状态进行分类，可以将材料分成晶态材料，非晶材料及准晶材料。,一、晶体与非晶体,晶体学基础晶体最本质的特点是原子或离子，以周期性重复方式在三维空间作有规则的排列。晶体学对晶体的研究首先是从研究晶体几何外形的特征开始的。随着科学技术的发展，新的实验仪器和方法不断得到应用。x射线晶体衍射实验的成功，对晶体的研究从晶体的外部进入到晶体的内部，人们对晶体的认识有了质的变化。目前，晶体学研究的内容主要包括晶体生成学、几何晶体学、晶体结构学、晶体化学以及晶体物理学等。,非晶体：原子在三维空间内呈杂乱随机无规律地排列。研究原子排列主要方法：HRTEM高分辨电子显微镜、XRD、AFM。1912年英国的W.H.Bragg和W.L.Bragg导出了公式2dsin=n光程差=波长整数倍时，射线彼此加强凭借此公式，父子俩获得了诺贝尔奖,准晶体的介绍,准晶体合金（quasicrystallinealloy）:熔体快速凝固后，保留合金的一种新的存在状态，它具有晶体所不具有的二十面体为基的对称点群。对于急冷的Al6Mn合金进行电子衍射，具有5重轴（360/n）。准晶没有周期性，但比非晶态有序性要高，电子衍射谱和晶体一样是由分别的电子衍射点所构成。,二、晶体结构与空间点阵,1、晶体结构、晶体点阵与空间点阵晶体结构：是指组成质点的具体分布情况。为便于了解晶体中原子排列的规律性，通常将实际晶体结构简化为完整无缺的理想晶体，若将其中每个原子或原子团抽象为纯几何点，即可得到一个由无数几何点在三维空间排列的规整的整列，这种整列称为空间点阵，而这些抽象的几何点称为阵点或者结点。,空间点阵主要用于描述理想晶体中原子等排列的规律性，而仅具有几何意义。若组成晶体的质点是单个原子，当用几何点表示晶体中质点的具体排列情况时，则由此所构成的空间排列，称为晶体点阵。与此相应，上述空间格子称为晶格。,2、晶胞具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵。为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞。,（1）晶胞定义晶胞：单位格子圈出的晶体结构.即将单位格子中的格点换成基元该格子就成为晶胞.（2）晶格常数晶胞的边长度一般称为晶格常数或点阵常数，在x,y,z轴上分别以a,b,c表示。（3）棱间夹角晶胞间夹角又称轴间夹角，通常用y-z轴，z-x轴和x-y轴之间的夹角分别用表示。,为了统一与方便，规定在选择晶胞时应满足如下条件：（1）晶胞的几何形状应与宏观晶体具有相同的对称性；（2）平行六面体内相等的棱和角的数目应最多；（3）当平行六面体的棱间存在直角时，直角的数目应最多；（4）满足上述条件时前提下晶胞应具有最小的体积。,倘若用三个点阵矢量a、b、c为晶胞基矢来描述，则ruvw=ua+vb+wc。式中ruvw为从原点到某一阵点的矢量，u、v、w分别为沿三个点阵矢量的平移量，也即坐标。,3、晶系在晶体学中，通常是按照晶系划分晶体的类别。由于晶系是以空间点阵类型划分，而空间点阵主要取决于晶胞三个基矢的长度a、b、c及其夹角（b、c间）、（a、c间）、（a、b间）的不同组合形式，而不涉及原子排列的具体情况。这样一来，所有晶体只能够划分成七种类型，称为七个晶系。即三斜晶系、单斜晶系、正交晶系、六方晶系、菱方晶系、四方（正方）晶系、立方晶系。,三斜晶系（14）单斜晶系（12）、（13）正交晶系（8）、（9）、（10）、（11）六方晶系（7）菱方晶系（6）四方晶系（4）、（5）立方晶系（1）、（2）、（3）,4、布拉菲点阵（Bravaislattice）空间点阵可以有多少种排列方式呢？按照每个阵点的周围环境相同的要求，法国物理学家A.Bravais用数学方法证明了只能够有14种空间点阵，这14种空间点阵以后就被称为布拉菲点阵。除了以上14种布拉菲点阵点阵以外，出现任何形式的空间点阵均可以划归其中。,例如，四方晶系中未列出底心四方点阵，从右上图中可以看出，底心正方点阵可以用简单正方点阵来表示。,三、晶向指数和晶面指数,在晶体点阵中，通过阵点可以连接表示不同方向的直线，称为晶向；也可以组成许多表示原子排列的二维平面，称为晶面。晶向指数是表示晶体中点阵方向的指数。晶面指数是表示晶体中点阵平面的指数。为了便于表示各种晶向和晶面，需要确定一种统一的标号，称为晶向指数和晶面指数，国际上通用的是密勒（Miller）指数。,1、晶向指数的标定晶向指数是按照以下几个步骤来确定的：（1）以晶胞的某一阵点为原点，三个基矢为坐标轴，并以点阵基矢的长度作为三个坐标的单位长度；（2）过原点作一直线OP，使其平行于待标定的晶向AB，这一直线必定会通过某些阵点；（3）在直线OP上选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点的坐标值；（4）将此值乘以最小公倍数化为最小整数u、v、w，加上方括号，uvw即为AB晶向的晶向指数。如u、v、w中某一数为负值，则将负号标注在该数的上方。,读出坐标1、1、2，加上方括号即为112。如果反向，求直线BA晶向指数怎么办？,晶体中因对称关系而等同的各组晶向可归并为一个晶向族，用表示。例如，对立方晶系来说，100、010、001和00、00、00等六个晶向，它们的性质是完全相同的，用符号表示。同理111、11、1、11以及、1、11、1八个不同晶向（立方体中四个对角线方向）归属于晶向族。,2、晶面指数的标定在晶体中，原子的排列构成了许多不同方位的晶面，故要用晶面指数来分别表示这些晶面。晶面指数的确定方法如下：1对晶胞作晶轴X、Y、Z，以晶胞的边长作为晶轴上的单位长度；2求出待定晶面在三个晶轴上的截距(如该晶面与某轴平行，则截距为)，例如l、1、；1、1、1；1、1、1/2等；3取这些截距数的倒数，例如110，111，112等；4将上述倒数化为最小的简单整数，并加上圆括号，即表示该晶面的指数，一般记为（hkl），例如（110），（111），（112）等。,下面举例来加以说明：如图中所标出的晶面a1b1c1，相应的截距为1/2、1/3、2/3，其倒数为2、3、3/2，化为简单整数为4、6、3，所以晶面a1b1c1的晶面指数为(463)。,在晶体中有些晶面具有共同的特点，其上原子排列和分布规律是完全相同的，晶面间距也相同，唯一不同的是晶面在空间的位向，这样的一组等同晶面称为一个晶面族，用符号hkl表示。,在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定是相垂直的，即hkl垂直于（hkl）。例如：100垂直于（100），110垂直于（110），111垂直于（111）等等。但是，此关系不适用于其它晶系。,3、晶面间距不同的hkl晶面，其面间距(即相邻的两个平行晶面之间的距离)各不相同。总的来说，低指数的晶面其面间距较大，而高指数面的面间距小。,必须注意，按以上这些公式所算出的晶面间距是对简单晶胞而言的，如为复杂晶胞，在计算时应考虑到晶面层数增加的影响。例如，在体心立方或面心立方晶胞中，上、下底面（001）之间还有一层同类型的晶面可称为(002)晶面，故实际的晶面间距应为d001/2。对于体心立方：当h+k+l=奇数。对于面心立方：当h、k、l不全为奇数或者不全为偶数时。,4、六方晶系的晶面指数与晶向指数六方晶系的晶面指数和晶向指数同样可以采用前述的方法标定。如晶胞六个柱面的指数分别为（100）、（010）、（10）（00）、（00）、（10）。虽然它们属于同一晶面族，但指数各不相同。,用这种方法标定的晶向指数也有类似情况，例如100和110是等同晶向，但晶向指数却不相同。为了解决这一问题，可采用专用于六方晶系的指数标定方法。,这一方法是以a1、a2、a3和c四个轴为晶轴，a1、a2、a3彼此间的夹角均为120度。晶面指数的标定方法与前述基本相同，但须用(hkil)四个数字表示。根据立体几何，在三维空间中独立的坐标轴不会超过三个。上述方法中位于同一平面上的h、k、i中必定有一个不是独立的。可以证明，h、k、i之间存在着下列关系：i（hk）,此时六个柱面的指数就成为（100）、（010）、（100）、（010）、（010）、（100），数字全部相同，于是可以把它们归并为1010晶面族。,采用这种四轴坐标时，晶向指数的确定方法也和采用三轴系时基本相同，但须用uvtw四个数来表示。同理u、v、t三个数中也只能有两个是独立的，仿照晶面指数的标注方法，它们之间的关系被规定为：t（uv）,三轴坐标系标出的晶向指数UVW与四轴坐标系标出的晶向指数uvtw存在下列关系：u（2UV）/3v（2VU）/3t（uv）wW,四、三种典型金属的晶体结构,几乎所有的元素的晶体结构都被测量过，对于金属来讲大都具有以下三种典型的晶体结构：体心立方、面心立方、密排六方。1、体心立方晶格(胞)(B.C.C.晶格)体心立方晶格的晶胞中,八个原子处于立方体的角上,一个原子处于立方体的中心,角上八个原子与中心原子紧靠。具有体心立方晶格的金属有钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、-铁(-Fe,912)等。,体心立方晶胞特征：（1）晶格常数a=b=c,=90（2）晶胞原子数在体心立方晶胞中,每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞,因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1/8,而中心的那个原子则完全属于这个晶胞。所以一个体心立方晶胞所含的原子数为2个。（3）原子间距晶胞中相距最近的两个紧密接触原子之间的距离,或晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间距离（相当于原子直径)。体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线111，所以有：,d=3a/2(4)配位数指晶体中任一原子周围与其最近邻且等距离的原子数。配位数为8，距离3a/2；此外，还有6个体心次近邻原子（相距为a），有时也将其列上。,（5）致密度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：即晶胞(或晶格)中有68%的体积被原子所占据,其余为空隙。,2、面心立方晶格(胞)(F.C.C.晶格)金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心。面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠。具有这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、-铁(-Fe,9121394)等。,面心立方晶胞的特征：（1）晶格常数a=b=c,=90（2）晶胞原子数(个)（3）原子间距(110原子紧密接触)d=2a/2（4）致密度x4=0.74(74%),(5)配位数配位数为12，相距2a/2。,3、密排六方晶格(胞)(hexagonalclosepacked-H.C.P.晶格)十二个金属原子分布在六方体的十二个角上,在上下底面的中心各分布一个原子,上下底面之间均匀分布三个原子。具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等。,4、金属晶体结构中的间隙从晶体中原子排列的刚球模型可以看到，在球与球之间存在有许多间隙。分析间隙的数量、位置和每个间隙的大小对于了解金属的性能、合金相结构和扩散、相变等问题都很重要。,（1）体心立方晶体中的间隙如图所示，可见有两种间隙，一种是八面体间隙，另外一种是四面体间隙。八面体间隙是由体心原子+四个顶角原子+另外一个相邻晶胞中体心原子构成。而四面体间隙是由两个顶角原子+上下体心原子所组成。通常用能够容纳最大圆球半径rb表示间隙的大小，用ra表示组成晶体的原子半径。,八面体间隙：rb=a/2ra=a/23a/4,rb/ra=0.154四面体间隙：rb=5a/4ra=5a/43a/4,rb/ra=0.291,八面体间隙数：6个面心x1/2+12个棱边x1/4=6个四面体间隙数：每个面4个x6个面x=12个,（2）面心立方晶体中的间隙面心立方晶体中也有两种类型的间隙，一种是由6个面心原子组成的八面体间隙；另外一种是由1个顶角原子+3个相邻的面心原子组成的正四面体间隙。,八面体间隙：rb=a/2ra=a/22a/4,rb/ra=0.414四面体间隙：rb=3a/4ra=3a/42a/4,rb/ra=0.225,八面体间隙数：1个中心+12个棱边x1/4=4个四面体间隙数：每个顶角原子1个x8个=8个,（3）密排六方晶体中的间隙八面体间隙和四面体间隙的形状和面心立方晶体完全一样，间隙大小也一样，只是间隙中心在晶胞中的位置不同。经分析：正八面体数量6个，rb/ra=0.414。正四面体数量12个，rb/ra=0.225。由于面心立方晶胞中原子数为4，而密排六方晶胞中原子数为6，所以，平均到每个原子的八面体间隙数和四面体间隙数是一样的。,5、金属晶体中原子的堆垛方式在纯金属的晶体点阵中，面心立方与密排六方结构是原子排列的紧密形式，它们的致密度相同，但原子的堆垛方式却不同。在密排六方与面心立方晶体中都有一个原子密排程度最高的晶面，这就是密排面，对于hcp和fcc晶体来说，就是0001面和111面。为了获得最紧密的堆垛，第二层密排面的每一个原子应该落在第一层密排面每3个原子之间的“低谷”中。,到了第3层时就可以有两种选择：（1）重复第1层位置（依然在第2层3个黄球球心之间的低谷中）；（2）选择红球球心所在位置。,6、金属的同素异晶性（多晶型性）很多元素可以具有多种类型的晶体结构，当外界条件（温度、压力等）发生转变，这种性能称作同素异晶性，这种转变称作同素异晶转变。-Fe(15381394)-Fe(1394912)-Fe(912以下)在高压下（150KPa），Fe还可以呈现密排六方结构。,7、晶体的各向异性各向异性是晶体的一个重要特性，是区别于非晶体的一个重要标志。晶体具有各向异性的原因是由于在不同晶向上的原子排列紧密程度不同所致。晶体的物理、化学、力学性能在不同晶向上表现出明显的差异。,工业用金属材料中通常见不到这种各向异性特征，主要原因工程上所用材料一般都是多晶体，由于多晶体中各个晶粒之间有几十度取向差，并且是任意的，因此，整个性能被平均化了，因而不显现各向异性，称为伪各向同性。,第四节、晶体缺陷,为了研究晶体中原子的排列规律，我们把晶体处理成完全理想晶体，认为晶体中是没有缺陷的。而在实际晶体结构中，原子的排列不可能这样规则和完整，而是或多或少地存在着偏离理想结构的区域，出现了不完整性，通常把这种偏离完整性的区域称为晶体缺陷。根据缺陷在空间几何形态特征，将晶体缺陷分为三大类型：,（1）点缺陷特点是在x、y、z三个方向上的尺寸都很小，称为零维缺陷。包括空位、间隙原子、置换原子。（2）线缺陷特点是在两个方向上的尺寸很小，另外一个方向上的尺寸相对很长，称为一维缺陷。主要是位错。（3）面缺陷特点是在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸很大。包括晶界、相界、亚晶界等。,一、点缺陷,1、点缺陷的类型,离开平衡位置的原子可以有两个去处：（1）迁移到晶体的表面上或者晶界上，这样形成的空位称为肖脱基（Schottky）空位；（2）迁移到晶体点阵的间隙中，这样形成的空位称为弗兰克尔（Frenkel）空位。,二、位错的基本概念1、位错学说的产生,2、晶体中的位错模型及位错的易动性,（1）刃型位错（edgedislocation）,上述的刃型位错是最简单的情形，实际上刃型位错不一定是直线。刃型位错的特性是位错线与切应力所引起的滑移方向相垂直。,3、螺型位错（screwdislocation）,通常根据螺型位错区原子排列的旋进方向不同，可以分为右旋和左旋两种。以拇指代表螺旋前进的方向，其余四指代表旋转方向，凡符合右手法则者称为右旋螺型位错，凡符合左手法则者称为左旋螺型位错。由于螺型位错线具有与切应力引起的滑移方向相平行的特征，故螺型位错只能是一条直线，而且有可能处于一系列与滑移方向相平行的晶面中。含有螺型位错的晶体虽然没有多余的半原子面，但位错区同样存在点阵畸变，这是由原子错排所引起的。,4、混合型位错,5、柏氏矢量,柏氏矢量的特性：（1）柏氏矢量与回路的起点无关，也与所作的回路的具体途径无关，只要是绕着位错一周，所得到的柏氏矢量是不变的。（2）一条不分岔的位错线，不论下形状如何，只有一个恒定不变的柏氏矢量，即位错线各部分的柏氏矢量都相同。（3）当柏氏回路包含有几个位错时，则回路的柏氏矢量是各位错柏氏矢量之总和。若几条位错线交于一点，其中指向节点的各位错的柏氏矢量之和必等于离开节点的各位错的柏氏矢量之和。,6、位错的密度,7、位错的运动,滑移面：对于刃型位错，位错线与柏氏矢量垂直，所以位错线与柏氏矢量组成的原子面就是滑移面。对于螺型位错，位错线与柏氏矢量平行，任何通过（包含）位错线的晶面都满足滑移面的条件，所以，螺型位错可以有多个滑移面。位错除了滑移以外，还可以有攀移（仅限于刃位错）。多余半原子面的向上、向下运动分别称为正攀移和负攀移。由于攀移是借助于空位的运动实现的，室温时攀移不容易实现，中高温时才可以实现。,8、位错的能量,晶体中位错的存在导致了点阵畸变和弹性应力场的产生，与此相应也增加了晶体中的能量，统称为位错的应变能。对于螺型位错而言，应力场数学表达式简单，位错周围的晶格应变是纯剪切，并且，具有径向对称性。下面就以螺型位错为例分析位错的应变能。,根据弹性力学，单位体积内弹性应变能为：dW/dv=/2,dW=dv/2=(Gb)b(2rdrL)/8rrWs=W/L=(Gbb/4)dr/r=即为单位长度螺型位错的应变能。对于刃型位错计算结果稍复杂，但结果形式相当：/（1），为泊桑系数，大约0.33。可见刃型位错的能量大约比螺型位错高50%。可以简写为Gbb；0.51。,9、作用在位错上的力,（1）作用在位错线上的力在切应力的作用下，晶体借其内部位错的移动而发生滑移，由于位错的移动方向总是与位错线方向相垂直，故可以设想有一个垂直于位错线的作用力造成了位错的滑移，这个“作用在位错上的力”可以求得如下：假设有切应力使得一小段位错线dl移动了ds距离，此段位错线移动的结果使晶体中dA面积（dA=dlds）沿着滑移面产生了滑移，滑移量等于位错的柏氏矢量b，故切应力所作的功为：,dW=（dA）b=dldsb另外一方面，此功也（等于）相当于作用在位错线上的力F使位错线移动ds距离所作的功，即：dW=dldsb=FdsF=bdlFd=F/dl=bFd是作用在单位长度位错线上的力，它与外加切应力和位错的柏氏矢量b呈正比，其方向与位