第一章固态金属和合金的结构

1、第一章 固态金属和合金的结构在绪论中介绍过，金属材料的性能取决于化学成分、组织和结构三个内在因素。这意味着，即使化学成分相同的金属材料，如果加工工艺不同（比如热处理工艺不同），那么得到的组织或结构也不同，从而使金属材料具有不同的性能。因此，组织和结构是理解许多金属材料问题的关键，是金属学的基本内容之一。一般情况下，固态金属和合金大多数是晶体，所以其结构又称晶体结构。本章只讨论结构的问题，不涉及组织。1 金属和合金从广义的角度来说，具有金属特性的物质都可以称为金属，因此合金也是金属。但在本章中，为方便学习，金属这一概念是指纯金属。一、 纯金属、合金和组元在人类发现的一百多种元素中，金属元素约占五

2、分之四，有80多种。在常温下，除汞为液态外，其余的均为固态。通常将基本上由一种金属元素组成的材料称为纯金属，而将由两种或两种以上元素组成的、具有金属特性的材料称为合金。组成合金的元素称为组元。由两种元素组成的合金称二元合金，由三种元素组成的合金称三元合金，由多种元素组成的合金称多元合金。迄今为止，人类创造和使用的金属材料，绝大多数是合金。纯金属只有在现代科学技术的基础上，才有可能进行生产和使用，而且“纯”只有相对意义，没有纯度100%的金属。无论纯金属的“纯度”有多高，总是或多或少含有微量的其它杂质元素。因此，很难在纯金属和合金之间划出一条严格的界线。二、 合金元素和杂质元素在金属材料中，为提

3、高金属材料的性能而有意添加的元素称合金元素，而恶化金属材料性能、偶尔混入或难于除尽的元素称为杂质元素。但必须指出，同种元素对某一材料来说可能是杂质元素，而对另一种材料来说就可能是合金元素。例如，钢中的硫一般是有害的杂质元素，应尽力除去，但在易切削钢中它却是有益的合金元素，能提高钢的切削性能。2 金属原子间的结合一、 单个金属原子的结构特点原子结构理论指出，孤立原子是有带正电的原子核和带负电的电子组成，每个电子都位于原子核外的一定轨道上，围绕原子核运动，形成不同的电子层。单个金属原子的结构特点是，最外层电子数（即价电子数）很少，一般1到2个，不超过3个。由于金属原子的最外层电子数少，它们和原子核

4、的结合力最弱，很容易摆脱原子核的束缚而成为自由电子，而失去电子的金属原子就变成正离子。正是由于金属原子的这一结构特点，决定了固态金属原子之间的结合方式是金属键。二、 固态金属原子间的结合方式金属键1. 金属键及其特点当大量金属原子聚集在一起是，由于金属原子的结构特点，大多数原子的最外层电子很容易摆脱原子核的束缚，成为自由电子。这些自由电子不属于任何一个原子，而属于整个金属“共有”，它们在金属中形成所谓的“电子云”或“电子气”。如图1.1所示。金属就是依靠正离子和运动于其中的自由电子的静电作用结合起来的。这种结合方式为金属所特有的，故称金属键。金属键的特点是没有饱和性和方向性。当然，在金属和合金

5、中也存在着其它结合方式，如共价键、离子键等，只是它们不是主要的结合方式。2. 固态金属的特性由于金属原子之间的结合方式主要是金属键，这就决定了固态金属具有不同于其它物质的一些特性。金属特性主要表现在以下几方面。l 具有良好的导热性和导电性；l 具有正的电阻温度系数l 具有金属光泽，不透明；l 具有延展性。三、 固态金属原子的结构特征1. 固态金属的结构特征金属原子或正离子在三维空间呈有规则、周期性的紧密排列。这一描述中有两层含义，一是有规则周期性排列，二是紧密排列。前者可用双原子作用模型解释，后者可用金属键的特点解释。2. 有规则、周期性排列的原因双原子作用模型双原子作用模型见图1.2。上图表

6、示两原子的结合力随原子间距的变化情况，下图是两原子的结合能随原子间距的变化情况。由图中可见，两原子的结合力是排斥力和吸引力之和。当两原子间距较大时，吸引力大于排斥力，促使两原子相互靠近；当两原子间距较小时，排斥力大于吸引力，促使两原子分开；当两原子间距为时，吸引力等于排斥力，两原子结合力为零，这说明当两原子间距为时，两原子处于稳定的平衡状态。此时，对应下图，两原子结合能最低。这意味着结合能最低的状态是最稳定的。（这就是物理化学中的自由能最小原理。）若原子偏离平衡位置，原子间距变大或变小，都使结合能增大（见下图），那么两原子是不稳定的。推而广之，当大量金属原子聚集在一起时，为了使它们具有最低能量

7、，保持最稳定的状态，原子之间必须一定的距离。这就是固态金属原子有规则周期性排列的原因。3. 紧密排列的原因金属键的特点金属键的特点是没有饱和性和方向性。对于固态金属中的任何一个原子，它总是在各个方向上，同尽可能多的原子发生相互作用。因为该原子周围的原子数越多，它受到的束缚作用越强，越稳定，结合能也就越低。这就是固态金属原子紧密排列的原因。本节小结：3 晶体学基础上节中我们了解到，固态金属的结构特征是金属原子（或正离子）在三维空间呈有规则周期性的紧密排列。一、 晶体和非晶体自然界的物质可分为晶体和非晶体。凡是内部粒子（包括原子、离子、分子、分子集团）在三维空间呈有规则周期性排列的物质，称为晶体。

8、宝石和钻石是晶体，大多数金属和合金也是晶体。而非晶体内部粒子的排列则是无规则的、杂乱无章的。玻璃、液态金属都是非晶体。由此可见，判断一种物质是否是晶体，应研究其内部粒子的排列是否是规则的。由于晶体和非晶体在结构上存在重大差别，因此在性能上迥然不同。晶体和非晶体在性能上的区别组要有两点：l 晶体有固定的熔点，而非晶体无固定熔点，只有一个软化温度范围。l 晶体具有各向异性，而非晶体却是各向同性。二、 晶体学的几个基本概念1. 晶体结构晶体中的内部粒子在三维空间中有规则周期性的排列方式。2. 阵点（或结点）不同的晶体，内部粒子的排列方式不同，晶体结构也不同。为了研究晶体内部粒子的排列方式，往往忽略内

9、部粒子的运动性和物质性，把它们视作“静止”的几何点，并使每个几何点具有“相同的环境”。这种几何点称为阵点（或结点）。所谓“相同的环境”是指人们站在任意一个阵点上，观察到的情景是一样的。3. 空间点阵和晶格阵点在三维空间有规则周期性排列所形成的空间几何图形，称空间点阵。若用直线将空间点阵中的阵点连接起来，形成的空间格子，称晶格。实际上，空间点阵和晶格是两个相同的概念，并无本质的区别。4. 晶胞晶胞是指从晶格中选取的、能够完全反映晶格结构特征的最小几何单元。很显然，晶胞在三维中反复堆垛就形成了晶格或空间点阵。通过以上基本概念的建立，可以得到这样一个结论：要研究某一晶体的结构，只需研究其晶胞就足够了

10、。因为晶胞完全反映了晶格（或空间点阵）的结构特征，而晶格中阵点的排列方式代表了晶体中内部粒子的排列方式。三、 决定晶胞形状、大小的6各参数要学习和研究晶胞，首先要知道它的形状和大小。确定晶胞形状和大小需要6个参数（如图1.4），即三个棱边夹角和三条棱边长度。棱边长度也称晶格常数或点阵常数。四、 14种空间点阵（或晶胞）和7种晶系自然界的晶体有成千上万种，其晶体结构各不相同。但法国晶体学家布拉菲用数学方法推导出，空间点阵只有14种，也就是说，所有晶体的结构都可转化为14种空间点阵（或14种晶胞）。再根据晶体对称程度的高低和对称特点，将14种空间点阵归纳为7个晶系。见表1-1.值得注意的是，六方晶

11、系中的密排六方结构、立方晶系中的体心立方结构和面心立方结构是金属中三种典型的晶体结构。五、 晶向指数和晶面指数1. 晶向和晶面、晶向指数u v w和晶面指数(h k l)的定义在晶体（或空间点阵）中，任意两个内部粒子（或阵点）之间的连线所指的方向叫晶向。由一系列内部粒子（或阵点）所组成的平面称晶面。晶向和晶面分别反映了内部粒子（或阵点）在一定晶向和一定晶面上的排列情况。为了方便研究、了解这种排列情况，有必要对晶向和晶面在空间的位置和方向（简称位向）进行标注。表示晶向和晶面的空间位向的符号分别称为晶向指数和晶面指数，分别用u v w和(h k l)表示。2. 晶向指数1) 晶向指数的标定l 方法

12、一 见教科书 晶向指数的符号应注意三点，一是括号为方括号，二是三个数值之间无标点，三是若某一数值为负数，则负号要标注于该数值的上方。 l 方法二A. 建立三维坐标系B. 求出待定晶向始点和终点的坐标值。C. 用终点坐标值减去始点坐标值。D. 把所得差值化为最小简单整数。E. 将最小简单整数按规定列于方括号中。2) 晶向指数的意义从晶向指数的标定过程中可知，相互平行的晶向有相同的晶向指数，即晶向指数不仅仅代表某一晶向的空间位向，而是代表无数相互平行的晶向的空间位向。3) 晶向族u v w3. 晶面指数1) 晶面指数的标定 标定方法见教科书。晶面指数的符号应注意三点，一是括号为圆括号，二是三个数值

13、之间无符号，三是若某一数值为负数，则负号要标注于该数值的上方。2) 晶面指数的意义同晶向指数一样，晶面指数不只是代表某一晶面，而是代表无数相互平行的晶面，也就是说，相互平行的晶面具有相同的晶面指数。应当注意，晶面无方向性，而晶向有方向性，因此晶面指数和相同，是指同一组晶面，而晶向指数和不同，是指方向相反的两组不同的晶向。3) 晶面族h k l在晶体中，原子排列相同，但空间位向不同的所有晶面，称为晶面族，用符号表示。4金属的三种典型晶体结构根据固态金属的结构特征可知，金属原子在三维空间的排列是紧密的，因此，大多数金属的晶体结构很简单。金属典型的晶体结构有三种：体心立方结构、面心立方结构和密排六方

14、结构。前两种属于立方晶系，后一种属于六方晶系。由于晶体结构是由晶胞在空间反复堆垛而成，因此要了解金属的这三种晶体结构，只需了解它们的晶胞就足够了。本节主要介绍这三种晶体结构的主要结构参数。一、 体心立方结构1. 晶胞体心立方结构的晶胞是立方体，看图。三条棱边长度（即晶格常数）都为，三个棱边夹角均为90。立方体的8个顶角上各有一个原子，此外，在体心处还有一个原子。具有这种晶体结构的金属有等。2. 晶胞原子数由于晶格是由晶胞反复堆垛而成，顶角上的原子由8个晶胞共有，而体心处的原子由该晶胞独有（图1.5（c）。所以一个晶胞的原子数为：3. 密排方向和密排面晶体中，单位长度上原子数最多的方向，称密排方

15、向；而单位面积上原子数最多的晶面，称密排面。通过计算可知，在体心立方结构的晶胞中，密排方向是，而密排面是。注意：应用晶面族和晶向族的符号来表示。4. 原子半径由于金属原子紧密排列，在密排方向上相邻两原子应该是紧密接触的，相切的。所以，原子半径定义为密排方向上相邻两原子圆心距离的一半。体心立方结构的密排方向是，在此方向上相邻两原子圆心距离为，则原子半径为。5. 原子排列的紧密程度晶体中原子排列的紧密程度用配位数和致密度两个参数来表示。这两个参数数值越大，原子排列越紧密。l 配位数它是指晶体中与任意一个原子最近邻、等距离的原子数目。在体心立方结构晶胞中（见图1.5），以体心原子为例，与它最近邻、等

16、距离的原子位于立方体顶角上，共有8个，所以其配位数是8。l 致密度它是指晶胞中的原子体积和晶胞体积的比值。体心立方结构的致密度为：6. 堆垛方式堆垛方式是指沿垂直于密排面的方向观察到的各层密排面上原子排列的相对情况。体心立方结构的堆垛方式是。如何理解？如图是三个体心立方结构的晶胞。晶面是三个相互平行的密排面，晶面指数为。如果沿垂直于密排面的方向观察，A层和B层原子不重合，而层原子和层原子重合，因此体心立方结构的堆垛方式是。7. 晶胞中的间隙体心立方结构的致密度为0.68，这表明原子之间存在间隙。间隙可以容纳尺寸较小的原子（如氢、氧、氮、碳、硼等原子），这对金属和合金的晶体结构及其性能有重要的影

17、响，因此了解晶体中的间隙有重要的意义。体心立方结构中的间隙有八面体间隙和四面体间隙两种，见图1.15，图中实心黑点代表金属原子的位置，空心点代表间隙的位置。可以计算：l 八面体间隙的半径为：；四面体间隙的半径为：。l 一个晶胞中八面体间隙的个数为：个； 一个晶胞中四面体间隙的个数为：个二、 面心立方结构1. 晶胞面心立方结构的晶胞也是立方体，三条棱边长度（即晶格常数）为，三个棱边夹角均为90。在立方体的8个顶角和6个面的面心各有一个原子。具有这种结构的金属有等。2. 晶胞原子数顶角上的每个原子由8个晶胞共有，而面心上的每个原子由两个晶胞共享，因此面心立方结构的晶胞的原子数为：个3. 密排方向和

18、密排面面心立方结构的密排方向和密排面分别为4. 原子半径面心立方结构的密排方向是，在此方向上相邻两原子的圆心距离为，所以原子半径为。5. 原子排列的紧密程度l 配位数 面心立方结构的配位数是12，见图1.7.l 致密度 面心立方结构的致密度为l 比较面心立方结构和体心立方结构的配位数和致密度可知，面心立方结构的原子排列紧密程度大于体心立方结构。6. 堆垛方式面心立方结构的堆垛方式是。如何理解？如图所示，晶面是四个相互平行的密排面，晶面指数为。如果沿垂直于密排面的方向观察，层和层原子不重合，而层原子和层原子重合，因此面心立方结构的堆垛方式是。7. 晶胞中的间隙面心立方结构中同样存在八面体间隙和四

19、面体间隙，如图1.16所示。可以计算：l 八面体间隙的半径为：；四面体间隙的半径为：。l 一个晶胞中八面体间隙的个数为：个；一个晶胞中四面体间隙的个数为：个l 比较面心立方结构和体心立方结构的间隙尺寸和间隙数量可知，虽然面心立方结构的原子排列紧密程度大于体心立方结构，但由于它的间隙数量少，每个间隙的相对体积比较大，因此在面心立方结构中填入的小尺寸杂质或溶质原子的数量比体心立方结构的多。例如，碳原子在面心立方结构的中的溶解度比在体心立方结构的中大。三、 密排六方结构1. 晶胞密排六方结构属于六方晶系，其晶胞是一个正六方柱体（如图所示）。为了更方便地表示晶向和晶面，密排六方结构采用4轴坐标，图中三

20、轴在同一平面上，其中任意两轴之间的夹角120。轴垂直于三轴构成的平面。三轴的晶格常数为，而轴的晶格常数为，且。在晶胞的12个顶点和上、下底面的中心各有一个原子，此外晶胞内有三个原子（坐标为（）。具有密排六方结构的金属有等。不同的金属，比值略有不同。可以计算，理想密排六方结构的，下面以此为例，介绍密排六方结构的结构参数。2. 晶胞原子数顶角上的原子由6个晶胞共享，上、下底面的原子由两个晶胞共有，晶胞内的三个原子由该晶胞独有。因此晶胞中的原子数为：个3. 密排方向和密排面4. 原子半径在密排方向上，两原子圆心之间的距离为晶格常数，则原子半径就是。5. 原子排列的紧密程度l 配位数 见图1.9。以图

21、中红色原子为例，与它最近邻、等距离的原子数是12。配位数为12 。l 致密度 l 理想密排六方结构的原子排列的紧密程度和面心立方结构完全相同，因为两者的配位数和致密度相同。6. 堆垛方式如图所示，沿垂直于密排面的方向从上向下观察，可以发现，层原子和层原子不重合，而层原子和层原子重合，所以此结构的堆垛方式为。7. 晶胞中的间隙密排六方结构中同样有八面体和四面体两种间隙。若将密排六方结构和面心立方结构两者进行比较，可发现一个共同点，即上层密排面的每个原子均位于下层密排面的3个原子围成的空间中（如图所示）。这也正是两结构的配位数和致密度相同的原因。因此理想密排六方结构和面心立方结构的晶胞中，间隙数量

22、和原子数的比值完全相同。所以可以计算出密排六方结构中间隙数量。l 一个晶胞中八面体间隙的个数为：6个；一个晶胞中四面体间隙的个数为：12个若密排六方结构的原子半径和面心立方结构的原子半径相同，则两结构的八面体间隙和四面体间隙半径也应该相同。面心立方结构的八面体和四面体间隙为：l 八面体间隙的半径为：；四面体间隙的半径为：。而密排六方结构的八面体和四面体间隙为：l 八面体间隙的半径为：；四面体间隙的半径为：。四、 晶体的各向异性和多晶体的伪等向性五、 金属的多晶型性5 合金中相的结构一、 基本概念1. 合金和组元由两种或两种以上的元素组成的、具有金属特性的物质，称为合金。合金同纯金属相比，具有较

23、高的强度和硬度，广泛用作结构材料。组成合金最基本的、独立的物质称为组元。组元通常就是组成合金的元素，有时也可以是化合物。2. 相、单相合金和多相合金相是指在合金中，由于各组元之间的相互作用而形成的具有一定晶体结构和化学成分的、性能均一的并以界面相互分开的部分。不同的相，晶体结构、化学成份和性能也不同。合金中只有一个相的，称单相合金；有两个相的，称两相合金；有多个相的称多相合金。3. 相的分类根据晶体结构的特点，合金中的相分为两大类：固溶体和金属化合物。二、 固溶体1. 固溶体的相关概念和分类合金中的相，若其晶体结构与合金中某一组元的晶体结构相同，则这种相就叫固溶体，而某一组元就是溶剂，其余的是

24、溶质。换句话说，固溶体的晶体结构和溶剂相同，固溶体中一般量多的是溶剂，量少的是溶质。根据固溶体的不同特点，可以进行分类。l 按溶质原子在晶格占据的位置，分为置换固溶体和间隙固溶体溶质原子取代溶剂原子占据溶剂晶格阵点位置，形成的固溶体，称为置换固溶体，又称代位固溶体（见图1.29）。通常金属元素之间均能形成置换固溶体。溶质原子填入溶剂晶格的间隙中，形成的固溶体，称为间隙固溶体（见图1.29）。由于受间隙尺寸所限，能填入金属晶格间隙的原子一般是原子尺寸较小的非金属元素（如氢、氧、氮、碳、硼等）。l 按固溶度的不同，分为有限固溶体和无限固溶体所谓“固溶度”是指溶质在溶剂中的最大溶解度。超过它，溶质就

25、不能在溶入溶剂中。溶质和溶剂能以任意比例互溶的固溶体，称为无限固溶体。溶质在溶剂中的溶解度是有限度的固溶体，称为有限固溶体。实际上，能形成无限固溶体的组元一定具有相同的晶体结构，此时很难分清谁是溶剂，谁是溶质。l 按溶质和溶剂原子的相对分布，分为有序固溶体和无序固溶体溶质原子无规律地、随机地分布于溶剂晶格中而形成的固溶体，称为无序固溶体。溶质原子按一定的比例、顺序和方向，围绕溶剂原子分布而形成的固溶体，称为有序固溶体。l 按固溶体基体的不同，分为一次固溶体和二次固溶体以纯金属为基体(或溶剂)的固溶体，称为一次固溶体。而以金属化合物为基体的固溶体称为二次固溶体。2. 影响置换固溶体的固溶度的因素

26、如前所述，金属元素之间一般都能形成置换固溶体。但在相同的溶剂中，不同溶质元素的固溶度有很大的差别。例如，在铜中铅几乎不溶，锌的固溶度为39%，而镍与铜则能形成无限固溶体。影响置换固溶体的固溶度的因素主要有以下几方面。1) 原子尺寸因素原子尺寸因素可用下式表示，式中溶剂原子半径，溶质原子半径。反映的是溶剂、溶质原子在尺寸上的差别。原子尺寸因素值越大，溶质在溶剂中的固溶度越小。 当溶质原子溶入溶剂晶格后，由于原子尺寸的差别，必然引起晶格常数发生变化（见图1.31）。这种现象称为晶格畸变。若溶质原子大于溶剂原子，则晶格膨胀，晶格常数增大；反之，晶格缩小，晶格常数减小。晶格畸变使溶质原子周围一定范围内

27、的溶剂原子偏离平衡位置，引起结合能升高(双原子模型)。升高的结合能称为晶格畸变能。若溶质与溶剂原子半径之差（）越大，晶格畸变能越高，晶格越不稳定，固溶度也就越小。2) 电负性因素电负性是指合金中的各组元原子吸引电子，形成负离子的倾向。若溶剂和溶质电负性差别很大，则表明它们之间的化学亲和力很强，容易形成金属化合物，即使能形成固溶体，固溶度也很小。因此原子电负性差别大的组元，形成的固溶体固溶度小。3) 电子浓度因素电子浓度是指合金晶胞中溶剂和溶质的价电子数之和与原子数之比，可用下式表述，式中分别是溶剂和溶质的价电子数，是溶质的原子百分比。 在一定晶体结构的单位体积金属中，能容纳的价电子数是有一定限

28、度的。电子浓度超过这一限度，能量升高，晶体结构不稳定。因此在一定的溶剂中，溶质价电子数越高，电子浓度越大，固溶度越小。例如，4) 晶体结构因素溶质和溶剂的晶体结构相同，是形成无限固溶体的必要条件。晶体结构相同的组元之间即使不能形成无限固溶体，其固溶度也要大于晶体结构不同的组元之间的固溶度。因此，晶体结构相同的组元，固溶度大；反之，固溶度小。5) 温度因素温度是影响固溶度的一个重要外因。通常温度升高，原子热运动加强，固溶度增大。3. 影响间隙固溶体的固溶度的因素间隙固溶体中，溶质原子填入溶剂晶格的间隙后，总是引起晶格常数增大（见图），并产生晶格畸变能。同置换固溶体相比，在溶质量相同的条件下，间隙

29、原子产生的晶格畸变能更大。因此并不是每个间隙都能填入间隙溶质原子的。所以，间隙固溶体不可能是无限固溶体，只能是有限固溶体。而影响间隙固溶体固溶度的因素有以下两方面。l 间隙原子（溶质原子）的大小和置换固溶体不同，溶质原子填入溶剂晶格的间隙中，总是使晶格常数增大（见图1.34），产生晶格畸变。尺寸小的溶质原子产生的晶格畸变小，它溶入到固溶体中的数量也多，固溶度较大。l 溶剂的晶格类型 见教科书4. 固溶体的偏聚和有序从宏观上看，固溶体成分是均匀的，而从微观上，溶质原子的分布总是不均匀的。原因是，当同种原子间的结合力大时，溶质原子倾向于成群聚集，形成溶质原子偏聚区（图1.35（b）；而当异种原子间

30、的结合力大时，溶质原子近邻多是溶剂原子，即溶质原子倾向于按一定规则有序分布，但这种分布只在小范围内存在，我们称之为短程有序。5. 固溶体中的有序转变短程有序的固溶体在低于某一温度时，溶质和溶剂原子在整个晶体中会按一定的顺序排列起来，即由短程有序转变为长程有序，得到有序固溶体。这一转变过程称为有序化，发生有序化的临界温度称为有序化温度。如合金中就会发生有序化转变（见图1.36）。有序化转变可使合金性能发生突变，硬度和脆性增大，而塑性和电阻降低6. 固溶体的性能l 力学性能在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度、硬度提高，而塑性、韧性降低。这种现象称为固溶强化。固溶体之所以能产生固溶强化，是

31、因为晶格畸变引起的。对置换固溶体来说，溶质与溶剂原子尺寸差别越大，晶格畸变也越大，固溶强化效应越强。由于间隙原子造成晶格畸变比置换原子大得多，所以其固溶强化效应也大得多。l 物理性能随溶质浓度的增加，固溶体电阻率升高，导电性能变差，但电阻温度系数降低。因此精密电阻材料和电热材料，广泛应用固溶体合金来制备。三、 金属化合物（中间相）合金中的另一种相是金属化合物，由于它位于相图中间，又称中间相。它是合金组元之间交互作用形成的、晶体结构不同于合金中任何组元的新相。当合金中溶质组元的含量超过它在固溶体中的固溶度时，就会形成金属化合物。金属化合物的主要特点：l 原子的结合方式既有离子键、共价键，又有金属

32、键。l 晶体结构不同于合金中的任何组元。l 组成大致按一定的原子比结合，可用分子式来表示。l 具有一定的金属性能，熔点高，硬而脆。金属化合物种类繁多，通常可以分为三种：正常价化合物、电子化合物和尺寸因素化合物，尺寸因素化合物又包括间隙相和间隙化合物以及拓朴密堆相。1. 正常价化合物此类化合物在电负性差别较大的元素之间形成。其特点是，正离子的价电子正好能使负离子有稳定的电子层结构，符合原子价规律，成分固定不变，可用化学式表示。 正常价化合物具有较高的熔点和硬度，但脆性较大。2. 电子化合物这类化合物的特点是其晶体结构取决于电子浓度，见表1.2。当电子浓度为时，形成体心立方结构的相；当电子浓度为2

33、1/13时，形成复杂立方结构的相；当电子浓度为21/12时，形成密排六方结构的相。电子化合物虽然可以用化学式表示，但成分可以在一定范围内变化。电子化合物可以溶解组元元素，形成以化合物为基体的二次固溶体。电子化合物有明显的金属特性，很高的熔点和硬度，但脆性大而塑性低。3. 间隙相和间隙化合物前面讲过，原子半径较小的非金属元素（如氢、氧、氮、碳、硼）和金属元素可以形成间隙固溶体，同时，它们之间也能形成金属化合物。当非金属原子半径与金属原子半径之比时，形成简单结构的间隙相；当，形成复杂结构的间隙化合物。l 间隙相 具有简单的晶体结构，多数面心立方结构和密排六方结构，少数体心立方和简单六方结构。非金属

34、原子填充在晶格的间隙位置。间隙相虽然可以用化学式表示，但其成分可以在一定范围内变化。间隙相可以溶解组元元素，也可以溶解其它间隙相，形成新的固溶体。间隙相有明显的金属特性，极高的熔点和硬度，但脆性大。l 间隙化合物具有复杂的晶体结构。如钢中的渗碳体（）和化学式比较复杂的碳化物（如，是一种或多种金属元素）多属于间隙化合物。同间隙相相比，间隙化合物熔点、硬度低一些，脆性小一些。4. 金属化合物对金属材料力学性能的影响金属化合物一般具有高熔点、高硬度、脆性大的特点。当它呈细小颗粒均匀分布于固溶体中时，可以提高合金的强度、硬度和耐磨性,但会降低塑性和韧性，这种现象称弥散强化，因此金属化合物强化合金必不可

35、少的强化相。但是当合金中的金属化合物数量多、形状粗大、分布不均时，会显著降低合金的塑性和韧性。6 实际金属中的晶体缺陷一、 概述1. 什么是晶体缺陷？前面讨论的晶体结构都假设晶体是完整的，原子处于平衡位置，排列是有规则的，这是理想情况。实际应用的金属材料中，总是不可避免地存在一些原子偏离平衡位置的不规则排列的区域，这就是晶体缺陷。2. 产生晶体缺陷的原因晶体缺陷产生的原因有2个。一是原子的热振动，二是金属材料在加工和使用过程中形成的。3. 研究晶体缺陷的重要性晶体缺陷虽然在金属材料中所占比例很小，但是它的存在不仅严重地影响金属材料的性能，而且还在相变、扩散和塑性变形等过程中起着重要的作用。因此

36、研究晶体缺陷具有重要的意义。4. 晶体缺陷的分类根据晶体缺陷的几何形态特征，晶体缺陷可分为三类：点缺陷、线缺陷和面缺陷。二、 点缺陷点缺陷有三种:空位、间隙原子和置换原子。间隙原子和置换原子前面已讨论过，这里仅介绍空位。1. 什么是空位晶体中未被原子占据的阵点位置2. 产生空位的原因产生空位的原因两个，一是原子的热振动，二是原子的能量起伏。见教科书。3. 空位的性质l 空位是一种热平衡缺陷。一定温度下，金属中的空位浓度有一定的数值。温度升高，原子的振动能增大，离开阵点的原子数增多，空位浓度增大；温度降低，空位浓度减小。l 空位运动产生原子扩散。原子很容易跳入空位。一旦原子跳入某个空位，该空位就

37、消失了，同时在原子原来的位置产生了一个新的空位，这就是空位的运动。伴随空位的运动，原子产生扩散。图1.39说明了空位运动产生原子扩散的过程。l 空位产生晶格畸变。见图1.37中的2、5空位。当空位出现后，其周围原子将失去平衡，向空位方向作一定程度的松弛，偏离平衡位置，从而产生晶格畸变。4. 空位的作用l 同间隙原子和置换原子一样，空位产生晶格畸变，使金属强度提高，电阻增大，体积膨胀。l 空位会加速金属中原子的扩散，影响和扩散有关的各种变化。如相变、化学热处理和金属的高温变形。三、 线缺陷1. 线缺陷的特点和分类所谓“线缺陷”是指，围绕一根相对很长的线，一定范围内的原子都偏离了平衡位置，发生了有

38、规律的错动，因此线缺陷也称位错。位错基本的类型有两种：刃型位错和螺型位错。位错对金属材料的强度、断裂和塑性变形起着决定性的作用，是相当重要的晶体缺陷。2. 刃型位错l 刃型位错的几何模型我们先从几何模型来认识刃型位错。见图1.41（a）是一个简单立方结构的单晶体。若在晶体的右上端施加一个切应力，使晶体的上半部分沿着滑移面由右向左逐步滑动一个原子间距。如果滑移在晶体EF处停止下来，则会在已滑移区和未滑移区的交界处产生交界线EF。图1.41（b）是交界线EF处的放大图。图中EF线上方出现了一个多余的半原子面。围绕EF线，一定范围的原子都偏离了平衡位置，发生了错动，因此EF是一根位错线。这种位错就好

39、像是用刀把晶体劈开，硬插入一个半原子面，所以这种称为刃型位错。若半原子面在晶体的上部，称正刃型位错；在晶体的下部，则称负刃型位错。从刃型位错的形成模型来看，可以将刃型位错定义为，位错线和晶体滑移方向相垂直的位错l 刃型位错和点缺陷的交互作用图1.41(b)是正刃型位错，滑移面上部因为存在多余的半原子面，原子间距变小，原子拥挤，间隙尺寸也变小；而在滑移面下部，原子间距变大，原子松散，间隙尺寸也变大。对于尺寸较大的置换原子和间隙原子，它们总是倾向于跑到松散的地方，聚集在正刃型位错的下方。而对于空位和尺寸较小的置换原子，它们总是倾向于跑到拥挤的地方，聚集在正刃型位错的上方。刃型位错和点缺陷的这种交互

40、作用，使刃型位错周围的点缺陷浓度远高于其平均浓度，形成所谓的“柯氏气团”。实际上，形成“柯氏气团”可以降低晶格畸变能，从而降低金属和合金的能量，因此它是一个自发的过程。以后会了解到，塑性变形的实质是位错的运动，由于“柯氏气团”对刃型位错的运动有阻碍作用，因此它提高了金属的强度。注意：只有刃型位错能形成“柯氏气团”。3. 螺型位错若上述晶体按另一种方式滑移，见图1.42（a），在晶体的右上端施加一个切应力，使晶体的上半部分沿滑移面向后逐步滑动一个原子间距。如果滑动在处停止，则在已滑移区和未滑移区产生一条交界线。如图（b）所示，围绕交界线，一定范围的原子都偏离了平衡位置，发生了错动，因此也是一根位

41、错线。在（a）图上，如果从点沿顺时针方向绕位错线做一个回路，这个回路是不闭合的（注意：两点的距离是一个原子间距），它是一条螺旋线。螺型位错因此而得名。螺型位错中，螺旋线旋转前进符合右手定则的，称右螺型位错；螺旋线旋转前进符合左手定则的，左螺型位错。从螺型位错的形成模型来看，可以将螺型位错定义为，位错线和晶体滑移方向平行的位错4. 实际晶体中的位错以上介绍的两种位错，位错线都是平直的。而在实际晶体中，大多数位错线都是弯曲的，如图1.45（a）图中所示的位错线。在点附近，位错线和晶体的滑移方向平行，是螺型位错；在附近，位错线和晶体的滑移方向垂直，是刃型位错；而其它部分，位错线和晶体的滑移方向既不垂

42、直，也不平行，这种位错称混合位错。混合位错可以分解为刃型位错和螺型位错。所以实际晶体中的位错都是有刃型位错和螺型位错组成的混合位错。5. 位错密度1) 什么是位错密度 教科书2) 位错密度和晶体强度的关系位错密度和晶体强度的关系如图1.49所示。从图中可见；l 若晶体没有位错，其强度相当高。目前，已经能够制备出不含位错的铁晶须，其抗拉强度高达13400MPa。l 若晶体有一定数量的位错，其强度急剧降低。如退火纯铁中含有一定数量的位错，其抗拉强度低于300MPal 随着晶体中位错密度的增大，晶体强度逐渐提高。若对退火金属进行冷变形，则其中的位错密度会增大，相应地强度、硬度会提高，而塑性、韧性会降

43、低，这种现象称加工硬化。四、 面缺陷晶体的面缺陷也称界面。晶体界面有内外之分。晶体的外界面就是晶体表面；内界面就是晶体内部的各种界面，它包括晶界、相界、亚晶界、堆垛层错和孪晶界等。这里仅介绍晶体的各种内界面。1. 晶界1) 晶界的定义晶体结构相同，但空间位向不同的晶粒之间的界面，称为晶界。简单地说，晶界就是同相晶粒之间的界面。纯金属和单相合金中只有一个相，各晶粒之间的界面，就是晶界。一般认为，晶界是有一定厚度的、原子无规则排列的过渡带。2) 晶界分类根据晶界两侧晶粒位向差的大小，晶界分为小角度晶界和大角度晶界。位向差小于10的称小角度晶界；位向差大于10的称大角度晶界。小角度晶界由位错组成；而大角度晶界的结构目前尚不清楚。金属材料中的晶界大多数是大角度晶界。2. 相界1) 相界定