北化大材料导论讲义第6章 金属学基础(共6学时)(彩色版)

SimpleFace–centeredBody-centered(Cubicsystem)(CrystalSystemsandLattices)zyaxβγαcOrthorhombicOrthorhombicbbSimpleBase-centeredFace–centeredBody-centeredTetragonalcaaaaSimpleBody-centeredac六方晶系Hexagonalac六方晶系Hexagonal三方(菱形)晶系RhombohedralαααaaaβcaαβcaαγbaaaabBase-bBase-centeredSimple6.1.2方向与平面6.1.2方向与平面确定晶体方向Miller指数的步骤1.方向必须通过原点。如果未通过原点，可以构造一个从原点出发，与原方向矢量平行的矢量。3.消除分数，并化简为最小整数。4.平面指数放在方括号中，负数用上划线表示。七个晶系的晶格参数6.1晶体结构6.1晶体结构6.1.2方向与平面一组性质相同的方向，Miller指数的数字相同，符号、排列不同沿立方晶胞棱的方向都由一个1与两个0组成，称作100方向族，用尖括号表示：<100>。<100>方向族包括66.1晶体结构6.1.2方向与平面例6－1解：A方向：端点为0，1，1。因A矢量不通过原点，必须从原点出发构造一个与其平行的将其化为最小的一组整数则x2x22z0,0,1BA’yA11例6－21,0,00,0,10,1,0232例6－21,0,00,0,10,1,02323B10213A,6.1晶体结构6.1.2方向与平面A：第一步：确定交点的坐标：x轴：1,y轴：1/2,z轴：1/3第二步：取倒数：1，2，3第三步：消除分数。因无分数，直接进入下一步。第四步：加圆括号，不加逗号，得到：(123)B：第一步：确定交点的坐标：x轴：1,y轴：2/3,z轴：2/3第三步：消除分数：得到：(233)6.1晶体结构6.1.2方向与平面确定晶体平面Miller指数的步骤1.确定平面与三个坐标轴上的交点。平面不能通过原点。2.取交点坐标的倒数（所以平面不能通过原点）。如果平3.消除分数，但不化简为最小整数。4.平面指数放在圆括号中。与方向指数相同，负数用上划(001)(100)(001)(001)(100)(001)211xx212常见平面的Miller指数zKMKMKMKMa3AMa3AMHBFCDaI KcGEJ6.1晶体结构6.1.2方向与平面六方晶体的Miller指数底面（0001）ABCDEF侧面(1100)AFHI侧面(1010)FEJH一组性质相同的平面，Miller指数的数字相同，符号、排列不同例如立方晶胞六个面所在的 K K..DacIML6.1.2方向与平面六方晶体的Miller指数I类I级GHJII类I级GHLII类2级KHLaaADGADcI六方晶体的Miller指数I类2级KJHII类I级GHLII类2级KHL K K.◉DacIML6.1.2方向与平面六方晶体的Miller指数I类I级GHJI类2级KJHII类I级GHLII类2级(1122)KHLaaADGADcI六方晶体的Miller指数I类I级GHJI类2级KJHII类I级(1121)GHLII类2级KHL 2aa6.1.3金属结构TherelationbetweencubeedgelengthaandtheatomicradiusR:Atomicpackingfactor,APF3 (4R/2)36.1.3金属结构FACE-CENTEREDCUBIC处于FCC晶格的元素有Al，Ca，Ni，Pd，Pt，Cu，Au，Pb以及高温下的Fe(γ-Fe）aaaaaTherelationbetweencubeTherelationbetweencubeedgelengthaandtheatomicradiusR:4R Atomicpackingfactor,APF (4R/3)3a2aBCC晶胞BODY-CENTEREDCUBIC在室温常压下为BCC结构的元素有碱金属Li，Na，K以及过渡金属V，Cr，Nb，Mo，Ta，W，Fe(α-Fe）等aaaaABA6.1ABA6.1晶体结构6.1.3金属六方密堆积结构（HCP）HexagonalClose-packedCrystalStructure(HCP)ccacaca6.1晶体结构6.1.3金属HCP的APF六棱锥体积=（3a2sin60°)c=(3a2sin60°)1.633aaa 3aa2c =c =理想HCP晶胞晶格参数比c/a=1.633Mg，Co，Ti的比值略低于理想值，说明处于略微压缩的状态。其它金属的c/a值略大于理想值a36.1.4碳结构6.1.4碳结构金刚石晶胞每亚晶胞2原子每晶胞8原子MetalStructureRadius(nm)MetalStructureRadius(nm)AluminumFCC0.1431MolybdenumBCC0.1363CopperFCC0.1278TungstenBCC0.1371GoldFCC0.1442Iron(α)BCC0.1241LeadFCC0.1750TantalumBCC0.1430NickelFCC0.1246TitaniumHCP0.1445PlatinumFCC0.1387CadmiumHCP0.1490SilverFCC0.1445ZincHCP0.1332ChromiumBCC0.1249CobaltHCP0.1253GraphiteGraphiteFullerenesAtomicpackingfactor,APF3 (8R/3)3tetrahedraltetrahedral24octahedral 22octahedral立方晶格中的间隙位置BCCBCC6.1.5陶瓷结构IonicCharacterofSomeCeramicMaterialsMaterialPercentIonicCharacterCaF289MgO73NaCl67Al2O363SiO251Si3N430陶瓷晶体结构的控制因素The陶瓷晶体结构的控制因素Thecrystalmustbeelectricallyneutral;thatis,allthecationpositivechargesmustbebalancedbyanequalnumberofanionnegativecharges.Eachcationpreferstohaveasmanynearest-neighboranionsaspossible.Theanionsalsodesireamaximumnumberofcationnearestneighbors.octahedral1octahedral12TetrahedralFCCoctahedraloctahedralFCCStableUnstableStableStableUnstableStableIonicRadii(foraCoordinationNumberof6)IonicRadiusIonicRadiusAnionAl3+0.053Br-0.196Ba2+0.1360.1810.100F-0.1330.1700.220Fe2+0.0770.140Fe3+0.0690.184K+0.138Mg2+0.072Mn2+0.067Na+0.102Ni2+0.0690.0400.061CesiumCesiumchloride(ScCl)CoordinationNumbersandCation-AnionRadiusRatios(rC/rA)<0.1550.155~0.2250.225~0.4140.732~1.00.414~0.732氟化钙（CaF2):MX2型rCa/rF=0.8，配位数＝8氟离子占据8个角钙离子占据间隙位置故一半间隙位是空的Ca++F-氯化钠:FCC(MgO,CaO,FeO,NiO)Cl-Na+Ti4+:atthebodycenterCa2+:atcornersO2-:atfacecentersStructure:perovskite(CaTiO3)typeBravaislattice:simplecubicIons/unitcell:1Ca2+Typicalceramics:CaTiO3,BaTiO36.1晶体结构6.1.5立方3-5（III族与V族）半导体：砷化镓（GaAs）、磷化镓（GaP）、锑化铟2-6（II族与VI族）半导体：硫化锌（ZnS）、硒化锌（ZnCe）、碲化镉2-Zn2-Zn2+ThearrangementofSiandOatomsincristobalite2-Two-Two-dimentionsilicatesheethavingrepeatunit(Si2O5)2-(SiO3(SiO3)n2n-O2-Si6O1812-SiOSiO44-Si2O76－Si3O96-SilicateionstructuresformedfromSiO44－tetrahedra.Tetrahedral1216,Tetrahedral1216,六方晶格中的间隙位置Octahedral1,4Al(OH)42+LayerAnionmidplane(Si2(Si2O5)2-LayerOH-ThestructureofkaoliniteclayAl3+2/3充满SubstitutionalSubstitutionalimpurityionsInterstitialimpuritySelfSelf-interstitialVacancyFrenkeldefectSchottkyFrenkeldefectSchottkydefectCationCationvacancyInterstitialAnionvacancyFe2+vacancy滑动系:金属中晶体平面的滑动发生在密堆积平面，且滑动方向为高线密度的方向。滑动系:金属中晶体平面的滑动发生在密堆积平面，且滑动方向为高线密度的方向。一个密堆积平面加上一个高线密度方向构成一个滑动系。在FCC晶体中的最密平面为{111}，包括4个不同平面；最密方向为<110>方向，包括3个不同方向。每个平面都有3个不同滑动方向，4个平面共有12个主滑动系。六方晶系的最密堆积平面是{1000}面，各有三个滑动方向<1120>，只有3个主滑动系。边缘位错通过边缘位错的移动实现的平面滑动FCC晶体中的主滑动系FCC晶体中的主滑动系6.3扩散过程6.3扩散过程原子扩散的两种机理：空穴扩散与间隙扩散。自扩散和取代原子的扩散都属于空穴扩散。温度空穴数目越多，空穴扩散越容易。间隙扩散是从一个间隙运动到另一个间隙的过程，这一过程不需要空穴。由于材料内部间隙的数目比空穴多得多，间隙扩散也远比空穴扩散容易。间隙原子体积较小，挤过邻近原子较容易，所以活6.3扩散过程lc0是常数，Q为原子运动的活化能6.3扩散过程铜与镍原子的相互扩散6.3扩散过程铜与镍原子的相互扩散6.3扩散过程空穴扩散与间隙原子扩散的能量变化6.36.3扩散过程例：0.5mm厚的MgO被夹在镍与钽之间，在1400°C镍离子会通过MgO向钽扩散。求每秒穿过MgO的镍离子数。镍在MgO中的扩散系数为9×10－16m2/s，镍在1400°C的晶格解：在Ni/MgO界面上的成分为100％镍，即：cNi=4Ni原子/晶胞(36×10__10)3在Ta/MgO界面上镍原子数为零。于是MgO上镍Δc/Δx=0_8.5_/m3=_1.71×1032原子/m3/m6.3扩散过程J为通量:单位时间内通过单位面积平面的原子数（原子/m2•sD为扩散系数，单位m2/s6.3扩散过程dcd6.3扩散过程dcd2cFick第二定律：dt=Ddx2这个方程的解取决于具体情况的边界条件。一个解为：6.3扩散过程通过MgO层的镍原子流量为：J=_DΔc=_(9×10_16m2/s)(_1.71×1032原子/m3/m=1.54×1017镍原子/m3•s6.3扩散过程扩散过程在材料的高温加工中的三个例子：2.2.扩散粘结3.烧结6.46.4相图6.4.1合金与固溶体生成取代固溶体的条件：1.溶剂与溶质半径相差不超过15%。2.处于周期表的相近位置，不易生成化合物。3.如果半径相差不超8%，再具有相同晶格，则可以在任例：铜和镍都为FCC晶格，原子半径分别为0.157和0.162nm，在周期表上分别处于29和28位，故全比例互溶。锌（序数30）原子半径为0.153nm，与铜不能以任意比例互溶，可以取代50%的铜原子。锡原子半径为0.146nm，与铜原子相差大，只能取代最多6.4相图6.4.1合金与固溶体(a)取代固溶体(b)间隙固溶体(r间隙位+RBCC)20202r间隙位 Rr24a/2a/46.4相图6.4.1合金与固溶体解：先计算（1/4,1/2,0）位的间隙尺寸。BCC铁原子半径RBCC为：(100)面6.4相图6.4.1合金与固溶体间隙固溶体中间隙原子的半径必须足够小，才能进入间隙位置。原子半径最小的5个元素是：氢、氦、硼、碳与氮。其中碳元素构成的间隙固溶体最为普遍。例6－9：在FCC铁中，碳原子处在晶格的边线上(1/2,0,0)或晶格的中央(1/2,1/2,1/2)；在BCC铁中，碳原子处在(1/4,1/2,0)的位置上。FCC与BCC的晶格参数分别为0.3571与0.2866。碳原子半径为0.071nm。求两种晶格中间隙位的6.4相图6.4相图6.4.1合金与固溶体超过溶解度的极限，就会生成化合物。非金属元素与金属元素间生成的化合物一般为离子化合物，金属元素为正离子，非金属元素为负离子。而金属元素之间的化合物不具有离子性质，称为中间化合物，其性质介于两种金属组分的中间。中间化合物又称为中间合金相，可以独立存在，可以与纯金属共存，也可以与6.4相图6.4.1合金与固溶体在FCC铁中，铁原子半径与（1/2,0,0）位的半径为：FCCFCC440.3571_2×0.1263