燃气轮机材料基础 课件 5金属和合金的固态结构(6 and 7)

燃气轮机材料基础第二章金属和合金的固态结构

第一节金属与合金第二节金属和合金的典型结构模型第三节晶体学简介第四节金属和合金中原子间的结合第五节金属和合金的晶体结构类型

第六节固溶体第七节结构缺陷第六节固溶体一、固溶体的分类1.按溶剂分类

（1）一次固溶体、边（端）际固溶体结构类型与主组元结构相同

（2）二次固溶体、中间固溶体结构类型与主、副组元结构都不同2.按固溶度（溶解度）分类

（1）有限固溶体溶质组元的浓度有限度

（2）无限固溶体溶质可以任何比例溶入溶剂3.按溶质原子在晶体点阵中所占的位置分类

（1）代位固溶体溶质原子与溶剂原子占据等同的点阵位置

（2）间隙固溶体溶质原子填入溶剂原子间的间隙位置

（3）缺位固溶体在一些二次固溶体中，当化合物的组元之一溶入化合物时，另一组元形成缺位，如FeO4.按溶质原子与溶剂原子的相对分布分类

（1）无序固溶体随机分布

（2）有序固溶体溶质原子按适当比例、并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布

第六节固溶体二、影响固溶度的因素针对一次固溶体，介绍主要影响因素及一般规律，会有例外。1.原子尺寸因素有利于形成具有显著固溶度的代位固溶体：（D溶剂-D溶质）组元原子直径间的相对差━━━━━━<±14～15％

D溶剂溶质与溶剂原子直径比D溶质/D溶剂=0.85～1.15

有利于形成具有相当固溶度的间隙固溶体：（D溶剂-D溶质）组元原子直径间的相对差━━━━━━>41％

D溶剂溶质与溶剂原子直径比D溶质/D溶剂

<0.59

不同类型的金属（开放型、封闭型）判据可能有差别第六节固溶体2.负电性因素元素的负电性：表示这个元素的原子在异类原子的集合体中或分子中能够吸引电子作为自身所有的一种能力。负电性的量化指标(泡林规定标准）：

若A-B两种原子以共价相结合，以△E表示A-B键能与A-A键能和B-B键能平均值之差：△E=UA-B-½

(UA-A+UB-B)则两元素负电性的差与△E成正比例，并以氟的负电性4.0来作为统一的对比标准。元素之间在周期表中相距越远，负电性相差越大，越不利于形成固溶体，但有利于形成化合物。组元间负电性相差越大，有利于形成化合物，不利于形成固溶体。形成的化合物越稳定，固溶体的固溶度越小。只有负电性相近的元素，才有可能获得较大的固溶度。

VIAS、Se、Te

金属元素+VAP、As、Sb、Bi

IVASi、Ge、Sn、Pb固溶度增大负电性减小元素周期表中同一周期原子序数

负电性

同一族原子序数

负电性

第六节固溶体3.电子浓度原子价效应：高价溶质原子加到低价溶剂原子中，溶质原子价越高，最大固溶度越小。

电子浓度的升高有限度，C电子接近定值。

2个1价原子被1个2价原子取代比4个1价原子被1个4价原子取代容易

Zn2+Ga3+Ge4+As5+inCu1+

38.5％19.5％11.8％7％相对价效应：高价组元在低价组元中的固溶度>

低价组元在高价组元中的固溶度电子浓度增加的限度>电子浓度减小的限度去除2个1价组元、加入1个2价组元→易Zn2+inCu1+38.5%Zn

去除1个2价组元、加入2个1价组元→难Cu1+inZn2+2.5%Cu

更敏感地反映到结构的不稳定。第六节固溶体第六节固溶体无限互溶固溶体的先决条件：两组元的原子价必须相等，晶体结构也应相同。4.晶体结构晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件；组元间的晶体结构类型不同，形成固溶体的溶解度有限。形成有限固溶体时，溶质元素与溶剂元素的结构类型相同，则溶解度通常比不同结构时为大。5.温度溶质元素在溶剂溶体中的溶解度随温度的高低而变化。6.压力溶质元素在溶剂溶体中的溶解度随压力的大小而变化。第六节固溶体第六节固溶体三、固溶体在结构上的变化

1.点阵畸变溶剂原子排列的正常规律性受到不同程度的干扰。大原子空位、小原子代位周围原子受张力大原子代位、小原子填隙

周围原子受压力

受张力受压力第六节固溶体2.点阵常数的变化点阵发生畸变则取得的平均点阵常数发生变化。代位固溶体的点阵常数，浓度很低时，视为理想代位溶体，溶质原子尺寸大，点阵常数增大。浓度高时与直线有或正或负的偏差。间隙固溶体的点阵常数一般总是随浓度而增大。3.偏聚与有序化同种原子间作用力>异种原子间作用力溶质原子易于分区聚拢，形成许多偏聚区━━━互不相溶异种原子间作用力>同种原子间作用力溶质原子易于彼此远离，紧邻、近邻为溶剂原子，小范围有序分布、短程有序━━━长程有序、有序固溶体、形成化合物极端极端第六节固溶体4.有序固溶体当固溶体有序化到这样一个程度，以致在整个晶体点阵中溶质和溶剂原子都按统一的确定顺序分布时，即达到长程有序时，这样的固溶体就叫有序固溶体，有时也叫超点阵或越结构。有序固溶体中，组元原子间的相对比例是确定的，像正常价化合物。几种常见的有序固溶体结构：①体心立方AB型━CsCl型以FeAl为代表

Fe━顶角

Al━体心e.g.AgZn、AgCd、CuZn、

CuBe、AuCd…

…。第六节固溶体②体心立方A3B型以Fe3Al为代表八个体心立方体构成一个大晶胞

Fe━八个体心立方顶角、四个不相邻的体心

Al━其余四个不相邻的体心

e.g.Cu3Al、Fe3Si

…

…。

③面心立方AB型以CuAu为代表

Cu原子与Au原子交替地沿[001]方向成层分布

Au原子>Cu原子,立方系变为正方系

e.g.AgTi、AlTi、CuAuI、NiPt、

……。第六节固溶体④面心立方A3B型以Cu3Au为代表

Cu━六个面心位置（A位）

Au━八个顶角位置（B位）

e.g.

Co3Al、Ni3Al、Ni3Si

…

…。⑤密集六方A3B型以Mg3Cd为代表四个六方晶胞构成一个大复合体（四个四棱柱）以（0001）面按ABABAB序列堆砌

e.g.

Cd3Mg、Mg3Cd、Co3Mo、Co3W、

Ni3In、Ni3Sn、Pt3V……。第六节固溶体四、固溶体在性能方面的特点

优越的综合力学性能：强度方面：屈服强度、抗拉强度、硬度

>（优于）两纯组元的平均值

<（低于）一般化合物的值范性（塑性）和韧性方面：

<≈（略低于）两纯组元的平均值、有时高

>>（高的多）一般化合物

Thatisway

作为结构材料的各种合金中，固溶体总是主体相。

金属学中将实际晶体中原子组合（原子、分子、离子或原子团）的不规则性、不完整性统称为结构缺陷或晶体缺陷。原子、分子热振动，能量涨落，跳出势阱外部作用，原子、分子离开原来的平衡位置一、缺陷的类型1.点缺陷特征：三个方向上的尺寸都很小，不越过几个原子间距。溶质原子空位引起周围点阵畸变和张、压应力间隙原子2.线缺陷特征：二个方向上的尺寸很小，第三个方向上的尺寸却很大。螺型位错刃型位错混合型位错第七节结构缺陷围绕晶体中的一条长线，在一定范围内原子都发生了有规律的错动。3.面缺陷特征：一个方向上尺寸很小，其余两个方向上的尺寸则很大。晶体的外表面各种内界面━晶界、孪晶界、亚晶界、相界、层错等。4.体缺陷特征：三个方向上的尺寸都较大。固溶体内的偏聚区分布弥散的第二相超显微颗粒超显微空洞金属晶体的规则性决定了晶体有别于非晶体的一些通性，也决定了各种材料各自所具有的基本性能，特别是非结构敏感的性能（如比重）。但对结构敏感的性能（如强度）来说，不规则性却可以扮演重要角色，变成决定材料实际性能的主要因素。第七节结构缺陷第七节结构缺陷二、晶体中的空位与间隙原子具有超额能量的原子摆脱其周围原子的约束，晶体表面上—肖脱基空位（空位）跳到别的位置上去点阵间隙中—弗兰克空位（空位+间隙）其它空位中—不增加新空位

点缺陷为什么会存在？

点缺陷存在，周围会产生畸变能，使体系能量升高。如果高温下加热达到热力学平衡，是否会消除点缺陷？空位拉应力

畸变应力场能量升高间隙原子压应力

一对矛盾,达到平衡体系熵值增大Gibbs自由能降低恒温恒压下体系达到平衡的判据为Gibbs自由能的变化为零，因为△G=△H-T△S，温度升高时，熵值增大对降低自由能的贡献占主导地位，点缺陷的平衡浓度增大。第七节结构缺陷二、晶体中的空位与间隙原子

第七节结构缺陷三、晶体中的位错位错—晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象，使长度达几百至几万个原子间距、宽约几个原子间距范围内的原子离开其平衡位置，发生了有规律的错动。1.位错的几何模型①刃型位错模型

晶体中的某一原子面在晶体内部中断，这个原子面中断处的边缘就形成一个刃型位错，犹如用一把锋利的钢刀将晶体部分切开，沿切口硬插入一额外半原子面一样。刃口处的原子列称之为刃型位错线。┻第七节结构缺陷正刃型位错的两种描述：只将晶体的上半部分用刀劈开，插入半个晶面，再粘合。给晶体上下两部分施加切应力，使其上半部硬挤入半个晶面。原子位置错动，上半部受挤压，下半部受拉伸。刃端部位原子错动最大，距中心愈远，错动愈小。正刃型位错

┻在上半部插入半个晶面负刃型位错

┳在下半部插入半个晶面第七节结构缺陷②螺型位错模型只将晶体的前半部分用刀劈开，沿劈开面以刃端为界使劈开部分的左右两半沿上下方向发生一个原子间距的相对切变。刃端部位出现约几个原子宽的已切变和未切变之间的过渡区。右螺型位错和左螺型位错：以大姆指表示位错线，以四指表示沿原子运动方向右手右螺旋螺旋前进方向==大姆指指向左手左螺旋第七节结构缺陷2.柏氏回路与柏氏矢量柏氏回路：人为规定位错线正向，以位错线为轴在位错线附近的原子错排区环绕位错线作右螺旋闭合回路。柏氏矢量：①环绕位错线作柏氏回路；②在没有位错的完整晶体中的相似部分作同样方向和步长的行走；③将不完全封闭的第二个回路的终点和起点相连。连接终点到始点的矢量就是位错线的柏氏矢量b。行走路线：

M→N→O→P→Q→(M)第七节结构缺陷位错的通性：具有一定的柏氏矢量。一条位错线只能有一个柏氏矢量。刃型位错的柏氏矢量垂直于位错线；螺型位错的柏氏矢量平行于位错线；混合型位错柏氏矢量与位错线斜交，分解为平行(螺型)与垂直(刃型)分量。位错线方向与柏氏矢量相同右螺位错线方向与柏氏矢量相反

左螺面对位错线正向作右旋回路，柏氏矢量向右为正刃位错（上半部插入半个晶面）；柏氏矢量向左为负刃位错（下半部插入半个晶面）。第七节结构缺陷3.晶体中位错线的组态和位错密度①一条单一的位错线必须横贯整个晶体，直至穿透表面而形成位错露头，很难中止在晶体内部。晶体内部不同类型的位错相互连接时：②组成一个三维网络各段位错类型不同，柏氏矢量也不一样，但走向任一节点的各位错线的柏氏矢量和必须等于离开这个节点的各位错线的柏氏矢量和。绕b1的位错的柏氏回路扩大，移动到包围其它2个位错的区域，这个回路所确定的柏氏矢量和不变，仍为b1。第七节结构缺陷位错密度增加，组态变得更为复杂。③自成一个封闭环线各段位错类型不同，柏氏矢量必须恒定。位错密度：通过单位面积上的位错线的根数（根/cm2）正常退火情况下，金属和合金中位错密度为104～107根/cm2；冷加工后，位错密度增至1012～1013根/cm2。位错的组态、复杂性增加，有时好象乱发似地纠结在一起，成为位错发团。面对位错线正向作右旋回路，柏氏矢量向右为正刃位错（上半部插入半个晶面）面对位错线正向作右旋回路，柏氏矢量向左为负刃位错（下半部插入半个晶面）第七节结构缺陷4.位错的应力场和应变能应力场：位错内部的每个原子都或多或少地离开了其原来的平衡位置，形成一个以位错线为中心的应力场。┻上半部，压应力；下半部，拉应力。┳上半部，拉应力；下半部，压应力。部分原子还相互间受到剪切作用，表现出切应力。螺型位错中原子只受到剪切，无压应力和张应力，仅表现为纯切应力问题。位错能：每种位错都有一个应力场，形成时必然需要做功，这种功即储存于位错中，而称为位错能（张力）。当位错为直线时，单位长度的能量为：W=Gb2

当位错为曲线时，单位长度的能量为：W=½Gb2G━切变模量，b━柏氏矢量的模数。第七节结构缺陷5.位错之间及位错与其它点缺陷之间的交互作用①两平行螺型位错间的交互作用同号相斥；异号相吸。②两平行刃型位错间的作用

滑移方向受力、且柏氏矢量相同（同号刃型位错）时：

θ=½π

稳定平衡，具有垂直排列的自发性。

θ=0相互排斥，距离越小，排斥力越大。

θ>¼π时，吸引

θ=¼π

不稳定平衡离开¼π位置

θ<¼π时，排斥

第七节结构缺陷滑移方向受力、且柏氏矢量相反（反号刃型位错）时：

θ=½π

不稳定平衡θ略大于或小于½π都相互排斥。

θ=0相互吸引，距离越小，吸引力越大。

θ>¼π时，排斥

θ=¼π

稳定平衡回到¼π位置

θ<¼π时，吸引

攀移方向受力时:同号相斥,异号相吸。异号位错的距离越小，吸引力越大，直到完全靠拢，相互消失。第七节结构缺陷③任意两平行位错间的相互作用若刃位错与螺位错平行，它们的柏氏矢量相互垂直，两者不会产生相互作用。任意柏氏矢量的两平行位错，可将每根位错的柏氏矢量分解为平行于和垂直于位错的两个分量，分别计算刃型部分和螺型部分的相互作用力，然后求出两部分作用力的矢量和。④位错与点缺陷的作用晶体中的点缺陷大多近似球面对称，处于三向拉伸或压缩状态，无切应力，与仅具有切应力场的螺型位错没有相互作用。压应力拉应力第七节结构缺陷间隙原子周围原子受到的应力场为压应力，大尺寸代位原子正下与刃位错的半部应力相反，相互吸引。负上点阵空位周围原子受到的应力场为拉应力，小尺寸代位原子正上与刃位错的半部应力相反，相互吸引。负下溶质原子刃型位错往往总是携带大量的，形成“柯氏气团”。点缺陷应力场非球面对称的点缺陷集聚到螺型位错中形成“史氏气团”。第七节结构缺陷四、金属晶体中的内外界面1.外表面受内部自身原子的作用力界面上的原子

不相平衡受外部介质分子/原子的作用力

表面及近邻原子偏离正常平衡位置表面层畸变表面层原子能量高于内部原子比表面能

表面张力表面能

将表面层原子高出内部原子的能量合起来，平均在单位面积上的超额能量称为比表面能，简称表面能，也叫表面张力。金属真空各空气种外部介质第七节结构缺陷

随接触介质不同而变表面能的影响因素裸露出的晶面表面能低的晶面最易裸露表面曲率曲率越大，表面能也越大大小低受周围环境的作用力越，原子的活动能力越，能量越。小大高2.同种晶粒间的界面━晶界晶界━同成分、同结构的晶粒间由于相对取向（即各晶轴在空间的方位）不同，而出现的接触界面。第七节结构缺陷晶界的五个自由度：①两相邻晶粒之间的取向关系确定一个晶界需要指明：②晶界相对于一个晶粒的取向关系从一个晶粒的某一晶向旋转至另一个晶粒的同一晶向，需要在球坐标系中旋转两个角度，或者说，在直角坐标系中要将矢量OA1（x1,y1,z1）旋转至OA2（x2,y2,z2），这时存在关系(x12+y12+z12)=(x22+y22+z22)上式的x2、y2、z2中只有两个可变参数。因而有两个自由度。相对一个晶粒的坐标系，晶界（面）的位置可由平面方程确定X/A+Y/B+Z/C=1上式的A、B、C为三个可变参数。因而有三个自由度。第七节结构缺陷（1）倾转晶界和扭转晶界倾转晶界━在所选平面内以任一直线为轴，使晶粒两部分相对转动任意角度θ。扭转晶界━在所选平面内以其法线为轴使晶粒两部分相对扭转任意角度η。倾转晶界扭转晶界第七节结构缺陷（2）小角度晶界倾转位错小角度晶界━取向差小于15°的晶界，由位错组成扭转位错扭转晶界对称倾转晶界不对称倾转晶界由平行的同号刃位错垂直堆砌由柏氏矢量相互垂直的刃位错交叉堆集晶界必需包含两组交叉的螺位错才可以松弛接合面的畸变第七节结构缺陷（3）大角度晶界大角度晶界━取向差大于15°的晶界≠晶界的位错模型

失去实际意义过渡结构模型：晶界原子处于两晶粒之间取向的折中位置。小岛结构模型：晶界区一部分原子是与两晶粒严格配合好的，称为好区；另一部分原子则与晶粒内部不相配合，称为坏区。坏区可以如小岛似地分布在好区中，或好区小岛分布在坏区的基体中。重合点阵模型：两晶粒之间将有较多的阵点在空间相互重合起来，这些重合阵点组成一个新的特殊点阵。晶界上有尽可能多的原子为两晶粒所共有，晶界能也最低。第七节结构缺陷3.异种晶粒之间的界面━相界面相界━成分或结构不同的、或成分和结构都不同的晶粒之间的接触界面。

共格界面：界面上原子所占据的位置相当于两个晶粒点阵的共有阵点。半共格界面：每隔一定距离有位错出现，以此来调节或维持共格