纯金属的晶体结构.ppt

第一章 纯金属的晶体结构,11 金属的概念 一、金属的特性：金属元素的数量大：83/105固态金属的特性：不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性，并且随着温度的升高，金属的导电性降低，电阻率增大，即金属具有正的电阻温度系数。金属定义：金属是具有正的电阻温度系数的物质。固态金属特性，是由金属原子的结构特点和金属原子结合的特点所决定的。二、金属原子的结构特点、金属的结合金属晶体正是依靠各正离子与公有化的自由电子之间的相互作用（吸引、排斥）就形成了结合键，使原子紧凑而规则地排列在一起。金属原子间的结合键称为金属键。,化学元素周期表,金属键模型,金属原子越靠近，相互作用越强。电子气,金属塑性,发生塑性变形时，金属键并未破坏,利用金属键的性质解释金属的特性。,三、金属的结合能1、金属的结合能2、双原子作用模型 相邻二原子之间便发生两种相互作用；一种是相互吸引作用，另一种是相互排斥作用，促使原子彼此离开。排斥力是一种短程力；而吸引力是一种长程力，两者的大小与两个原子间的距离D有关。,双原子作用模型,势能平衡位置平衡距离热振动,周期势场,势谷 势垒 激活能 势垒高度,结合能,原子间的结合力就是由吸引力与排斥力合成的。同样的，原子间的结合能也是由吸引能与排斥能合成的。固体的键合强度可以用其结合能来标志，它就等于将晶态拆散为等量的中性原子状态所需要吸收的能量，也就是实验测定的升华热。范德瓦耳斯键的结合能最低，一般的金属晶体与共价晶体的结合能是同一数量级，过渡金属的结合能最高。,12 金属晶体,一、晶体的特点晶体具有下列特点：第一、原子在三维空间都是按一定规律整齐排列的。而非晶体中原子则是杂乱地分布着。第二、晶体具有一定熔点，非晶体则没有。第三、晶体的性能具有各向异性，非晶体是各向同性的。第四、许多晶体具有规则的几何外形。,1 金属晶体,NaCl,等同点,Na+是一类等同点Cl是另一类等同点晶体结构中各类等同点所构成的几何图形是相同的。,空间点阵,结点空间点阵（点阵）晶格元胞（阵胞）晶胞,如果只是为了表达空间点阵的周期性，则应该选取最小的平行六面体作为单位阵胞。,二维阵胞,晶胞,棱 棱面夹角晶轴 晶胞常数（点阵常数）晶轴间夹角结点数 结点坐标,复杂阵胞,为了同时反映空间点阵的对称性和周期性，须选取比简单阵胞更大的复杂阵胞。结点即可以在顶点处，也可以在体心和面心处。,复杂阵胞的条件：1、同时反映空间点阵的对称性和周期性2、尽可能多的直角3、体积最小,布拉菲点阵 四类点阵,根据结点在阵胞中的位置不同，可将14种Bravais点阵分为四类：1.简单点阵 P 2.底心点阵，C3.体心点阵 I4.面心点阵 F,七个晶系,根据点阵常数的不同，可将晶体点阵分为七个晶系。1、立方晶系 P，I，F 2、正方晶系 P，I3、斜方晶系 P，I，C，F4、菱方晶系 R 5、六方晶系 P 6、单斜晶系 P，I 7、三斜晶系,课上习题,1、画出体心立方、面心立方点阵示意图。并标出结点的个数和坐标。2、画出底心斜方点阵示意图。并标出结点的个数和坐标,二、晶面指数和晶向指数,晶面 晶向 晶面指数 晶向指数,空间点阵中的结点平面和结点直线相当于晶体结构中的晶面和晶向。,1、立方晶格的晶面指数,确定立方晶格的晶面指数的步骤如下：1、设坐标 2、求截距 3、取倒数 4、化整数 5、列括号 晶面组 晶面族立方晶系中的晶面族：1003个；111 42个；11062个在同一晶体中的不同晶面上原子分布状况及排列紧密程度是不同的,晶面指数,晶面指数,晶面指数,课上习题,图中给出立方晶体的4个晶 面，求晶面指数。,2、立方晶格的晶向指数,确立立方晶格的晶向指数方法如下：（1）设坐标；（2）求坐标值；（3）化整数；（4）列括号晶向指数还具有以下规律：（1）当晶向指数都乘以负号时，其晶向的方向相反。（2）所有相互平行的晶向，其晶向指数相同。（3）晶向族，用表示。（4）在立方晶格中，如果晶面指数和晶向指数的数字相同，则彼此相互垂直。,课上习题,求出图中所示各晶向P的晶向指数,3、六方晶格,（1）晶面指数三轴坐标系中六个侧面的指数为（010）（110）（100）（010）（110）（100）。而在四轴坐标中，为（0110）（1100）（1010）（0110）（1100）（1010）（hkil)其中I-(h+k)1代表的是负指数。(2)晶向指数OM和ON在三轴中的坐标是（011）（210）,uvtw与UVW的关系：,13 纯金属的晶体结构,一、三种晶体结构的特点、体心立方晶格；2、面心立方晶格3、密排六方晶格 二、表明晶体结构特征的参数 1、晶胞中的原子数 2、原子半径和原子体积 3、配位数与致密度 4、晶体结构的间隙数 三、三种晶体结构中原子的堆垛规律,三种晶体结构,表明晶体结构特征的参数,体心立方,晶体中的原子数 2原子半径：原子体积：配位数：8致密度：0.68 八面体间隙半径：0.067a,6个,四面体间隙半径：0.126a，12个,体心立方间隙,体心立方,4.晶胞中四面体空隙,代表四面体空隙，位置在6个面的如图所示位置。个数=641/2=12,1,2,3,4,5,6,4.晶胞中八面体空隙,代表八面体空隙，位置在6个面的中心，12棱的中心。个数=61/2+121/4=6,面心立方晶格,面心立方间隙,八面体：0.146a 4个四面体：0.08a,8个,5.晶胞中四面体空隙和八面体空隙,八面体空隙个数=121/4+1=4四面体空隙个数=8,密排六方间隙,密排六方间隙,三、三种晶体结构中原子的堆垛规律,密排面,体心的堆积,密堆方式,二层密堆,ABC堆积,AB堆积,A1：立方体的体对角线方向，共4条，故有4个密堆积方向，易向不同方向滑动，而具有良好的延展性。如Cu.A3：只有一个方向，即六方晶胞的C轴方向，延展性差，较脆，如Mg.,A1、A3型堆积的不同,两种密堆结构的比较,四、晶体的各向异性及同素异构转变,晶体的伪各向同性2、晶体的同素异构转变同素异构体 重结晶过程规律：有一定的转变温度；转变时需要过冷（或过热）；有结晶潜热产生；转变过程也是由形核及核长大来完成的。,铁的同素异构转变,Fe,14 金属的实际晶体结构二、金属实际晶体结构,一、金属晶体是多晶体金属材料都是由尺寸大小不等，晶体结构相同、空间结晶方位不同的单晶体（晶粒）组成的，单晶体（晶粒）之间由界面相隔开。,纯铁的显微组织,点缺陷,空位与间隙原子造成晶格畸变,置换原子造成晶格畸变,能量起伏 晶格畸变,空位和间隙原子的形成是热运动的必然结果。晶格畸变：畸变的结果将导致能量的升高，从而也促进了晶体组织的转变。另外畸变也使晶体的强度、硬度和电阻增加。,点缺陷是一种热力学平衡缺陷,从热力学中己知，一个过程是否能够自发进行，取决于体系的吉布斯自由能的变化。G0。GU+PVTS。在固态的条件下，体积的变化V常常可以忽略不计，因此可以近似地认为：GUTSF假设在一个有N个原子的理想晶体中，引入n个空位内能将增加nUv。,点缺陷是一种热力学平衡缺陷,另一方面，n个空位的形成也引起了体系熵值的变化，熵变可分为两部分，一部分叫排列熵 ScKln（3）,结构熵振动熵,结论：,空位是一种热力学平衡的缺陷。是在一定的温度下，晶体中总是会存在着一定数量的空位，这时体系的能量处于最低的状态。具有平衡空位浓度的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。,图示,性质,空位和间隙原子的浓度是随温度升高而急剧增加。空位是以较可观的数目存在，而间隙原子的数目很少 空位和间隙原子处于不断的运动和变化之中。空位、间隙原子和置换原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式。造成过饱和点缺陷的主要有3个方面因素；(1)高温激冷；(2)大量的冷变形；(3)高能粒子辐照。,点缺陷对金属的性能的影响,(1)使电阻增大，(2)、点缺陷的增加还使金属的密度下降；(3)过饱和的点缺陷可提高金属的屈服强度；固溶强化(4)空位对于金属中以扩散为基本过程的许多现象有重要的影响，特别是在高温条件下，例如高温氧化、烧结、表面化学热处理，以及均匀化退火等等。,(二）、线缺陷,金属晶体中的线缺陷就是位错。位错就是晶体中的一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。它的宽度大约是35个原子间距。而位错的长度一般是几百个到几万个原子间距。宽度和长度比较起来小得很多很多，因而称为线缺陷。两种类型：刃型位错，螺型位错。,刃型位错,弹性应力场压应力拉应力,刃型位错造成金属的强化,刃型位错的应力场会与间隙原子和置换原子发生弹性相互作用，吸引这些原子向位错区偏聚。小的间隙原子，如钢铁中的碳、氮原子，往往钻入位错管道；置换原子则富集在位错管道周围。这样会降低晶格畸变能，同时使位错难以运动，因而造成金属的强化。,位错与缺陷的作用示意图,螺型位错,螺型位错周围的弹性应力场呈轴对称分布 右螺型位错左螺型位错,螺型位错,混合型位错,刃型位错和螺型位错混合而成的,钼中的六角位错网络,柏氏向量,在切应力作用下，位错线很容易沿滑移面运动。一根位错线扫过滑移面，滑移面两边的原子就相对移动一个原子间距。大量位错扫过滑移面，就造成晶体的宏观切变。柏氏向量的方向就是原子移动的方向，也就是晶体滑移的方向。柏氏向量的大小就是原子移动的距离。它总是由一个平衡位置指向另一个平衡位置,而不能是任意的方向和大小。每一根位错线都有自己的柏氏向量。,柏氏向量确定的步骤,（1）规定位错线的正方向。是任意选定的。（2）作垂直于位错线的平面。（3）在这个平面上沿相互垂直的四个方向各移动同样的步数，作出围绕位错的回路。当沿位错的正方向朝前看时，按顺时针方向进行。这种回路通常称为柏氏回路。（4）回路不封闭时就表明存在着位错。柏氏矢量就是闭合回路所需要的矢量（图中b所表示的矢量）。柏氏矢量等于滑移矢量。位错在柏氏矢量方向上的运动称为滑移运动。,柏氏向量确定示意图,单位位错 简单立方结构 111方向，b=a方向 大小是体心立方：方向 大小是,位错的运动,位错沿滑移面运动时，尽管位错线的形状和类型可能改变，但是它的柏氏向量恒定不变。无论是何种位错，都有一个共同特点，就是：在位错的一边是已滑移区，另一边是未滑移区。位错就是已滑移区和未滑移区上的边界线。位错密度：式中V晶体的体积；S体积为V的晶体中位错线的总长度。一般经过适当退火的多晶体金属中，位错密度为106108；超纯单晶体金属，其位错密度很低(103)。而经剧烈冷变形金属，位错密度可增至10111012。,位错对金属材料性能的影响,（1）位错的运动及分布，可以引起晶体的宏观范性形变。（2）晶须中不含有位错，不易塑性变形，故强度很高。而一般金属中含有位错，易于塑性变形，故强度低。（3）如果金属晶体中位错密度很高，由于位错之间的相互作用和制约，金属的强度也可以提高。（4）晶体中的位错并不是固定不变的，当晶体中的原子发生热运动或晶体受外力作用而发生塑性变形时，位错就可以从在晶体内运动。,（三）面缺陷,晶体的面缺陷包括晶体的外表面和晶体内部的晶粒间界、亚晶界、相界等，后几种又称为晶体的内表面。（1）晶体的外表面：（1）涉及几个原子层，这几层能量高的原子层都属于表面。（2）表面能：在数值上，表面能等于表面张力。金属表面能与晶体结构有关。表面原子排列越紧密越平整，其表面能越低。另外，表面能还与表面曲率有关。表面曲率越大，即曲率半径越小，表面能越高。这些特点对于金属的结晶和固态相变有着重要的作用。,晶体的内表面,晶界的厚度，取决于相邻晶粒之间的位向差以及金属的纯度。位向差越小，纯度越高，晶界层越薄。相邻晶粒位向差小于100的晶界，称小角度晶界；相邻位向差大于100的晶界，称为大角度晶界。,界面能,大角度晶界示意图,晶界界面能很低重合位置点阵模型,界面的性质,（A）、表面和晶界具有吸附和偏聚杂质原子的作用。（B）晶界具有较高的强度和硬度。因此，晶粒越细，金属的强度、硬度也就越高。(C)晶界的熔点较低。(D)发生相变时，新相往往首先在母相的晶界上形核。（E）晶界总比晶粒内部的腐蚀速度要快。(F)晶界的电阻高于晶粒内部。（G）晶界上扩散速度要比晶粒内部快。（H）当温度升高、原子动能增大时，就能促使晶粒的长大。,亚晶界,实际晶体的晶粒内部，存在许多尺寸很小，位向差很小（一般是几十分到1020）的小晶块，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚结构（或称为亚晶、嵌镶块）。在亚结构的内部，原子的排列位向是一致的 亚晶界 总结：金属的实际晶体结构不是理想完整的，存在各种各样的晶体缺陷。它是非常重要的，金属中许多重要过程，都是依靠晶体缺陷的运动来完成的；金属许多性能都与晶体缺陷有关。所以要正确认识晶体缺陷。,15 金属晶体中的扩散,一、概述（一）、扩散的实质固体扩散的微观过程：金属晶体的扩散是原子的热激活过程，依靠原子的热运动来完成。扩散推动力 大量原子无序跃迁的统计结果，就造成物质的定向迁移，即发生扩散。,（二）金属晶体扩散的条件,1、温度要足够高 2.时间要足够长。例如，向钢中渗碳，渗碳层达到0.8mm时，需要长达810小时才能完成。3扩散原子要固溶4、扩散要有推动力,扩散推动力,ABB A,扩散推动力,扩散推动力的作用，就在于使对称的周期势场向自由能降低方向倾斜，因此造成原子正向与反向跃迁几率不相等，从而发生扩散。所以扩散要有推动力。扩散的推动力可以是浓度梯度造成的化学自由能差，也可是应力梯度造成的应变自由能差，还可以是表面自由能差。总之，扩散推动力是自由能差，扩散总是向自由能降低的方向进行。,（三）、金属晶体扩散分类,晶体扩散两类：一类是互扩散、另一类是自扩散。互扩散就是伴有浓度变化的扩散，它与异类原子的浓度差相关。在互扩散过程中，异类原子相对扩散，互相渗透，所以又叫作“异扩散”或“化学扩散”。互扩散总是在不均匀固溶体中进行的。互扩散又可分为“下坡扩散”和“上坡扩散”两种。下坡扩散是沿着浓度降低方向进行的扩散，使浓度趋于均匀化。上坡扩散则是沿着浓度升高方向进行的扩散，即由低浓度向高浓度方向扩散，使浓度发生两极分化。,硅钢中的上坡扩散,应力作用下的上坡扩散,自扩散,互扩散还可分为“原子扩散”与“反应扩散”两种。如果在扩散过程中，基体晶格始终不变，没有新相产生，这种扩散就称为原子扩散。反之，在扩散过程中，当浓度变化到一定值时，引起基体晶格转变，形成新相，这种扩散称为反应扩散。自扩散就是不伴有浓度变化的扩散，它与浓度梯度无关。自扩散只发生在纯金属中和均匀固溶体中。固态扩散是在自由能差推动下，依靠原子的热激活而进行的物质迁移过程。物质总是向自由能降低的方向扩散。,二、扩散机理,所谓扩散机理，就是扩散原子在晶体点阵中换位的具体方式。1、间隙扩散机理 2、空位扩散机理 3、换位扩散机理 4、位错扩散机理 5、晶界扩散机理 6、表面扩散机理扩散激活能,扩散激活能,固态金属中的扩散主要是借助晶体缺陷来进行的，如果没有各种晶体缺陷存在，金属原子的扩散要困难多，甚至是难以进行的。,三、扩散定律,扩散定律又叫菲克定律，第一定律用于稳定态扩散，第二定律用于非稳定态扩散。稳定扩散：扩散第一定律指出，在稳定态扩散过程中，扩散流量J与浓度梯度成正比。写成扩散方程则为：,扩散定律,式中，D是扩散系数，单位是cm2/s。负号表示物质沿着浓度降低的方向扩散。扩散系数D是描述扩散速度的重要物理量，它相当于浓度梯度为1时的扩散流量。D值越大则扩散越快。对于固态金属中的扩散来说，D值都是很小的。例如，1000时碳在Fe中的扩散系数D的数量级为10-7cms。1100时钨在rFe中的扩散系数D的数量级为10-10cm2/s.,扩散第二定律,四、影响扩散的因素,（一）扩散温度扩散温度越高，则扩散系数越大，二间存在如下指数关系式中D0扩散常数（cm2/s）,与温度无关，主要决定于晶体结构和原子振动频率。Q是扩散激活能（J/mol）。R是气体常数，R=8.31J/mol K。T是扩散温度（K）。（二）基体的金属性质同一元素在不同的基体金属中扩散时，D和Q值都不相同。一般规律是：基体金属原子的结合能越强，则熔点越高，同时，扩散激活能也越大，扩散越困难。,四、影响扩散的因素,根据金属熔点Tm(K)来计算自扩散激活能Q的经验公式，比较准确的一个公式：,（三）扩散元素的影响（四）、扩散元素的浓度（五）、合金元素（六）晶格类型（七）固溶体类型(八)晶体缺陷总之，影响扩散的因素是多方面的，在一些情况下要利用那些加速扩散的因素，在另一些情况下则要利用那些阻碍扩散的因素。,扩散元素的影响 扩散元素的浓度,扩散元素的浓度,为了反映浓度对扩散系数的影响，有人把扩散常数中增加一个随浓度增大的项。例如，碳在rFe中的扩散系数为：,