章金属晶体结构.pptx

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1、1一、金属原子的结构特点1正电性元素（金属）：外层电子数1-2个，易脱离原子核2负电性元素（非金属）：外层电子数4-7个，易获得电子3过渡族金属：铁、钴、镍、锰、钛、钒、铬（熔点高、强度高）：次外层未填满，外层电子易丢失，次外层易丢失1-2个电子，化合价可变。原子彼此相互结合时，结合力强，则熔点高、强度高。第1页/共86页2二、金属键1离子键:正离子和负离子如NaCl2共价键:得失电子的机会均等，如金刚石中的碳原子3金属键：价电子共有，形成电子云（没有方向性和饱和性）如P2图1-1（下）第2页/共86页3三、结合力与结合能三、结合力与结合能双原子模型：图1-2排斥力（短程力）与吸引力（长程力）

2、平衡间距：排斥力=吸引力时的距离d0第3页/共86页42 金属的晶体结构金属的晶体结构1含义：晶体是由许多质点（包括原子、离子或分子）在三维空间作有规则的周期性重复排列而构成的固体，非晶体则不呈这种周期性的规则排列。一、晶体的特性第4页/共86页52晶体与非晶体的区别：a.根本区别：质点是否在三维空间作有规则的周期性重复排列。b.晶体熔化时具有明显、固定的熔点，伴有体积与性能的突变;而非晶体无明显熔点,只存在一个软化温度范围。c.晶体具有各向异性,非晶体呈各向同性。第5页/共86页6二、晶体结构和空间点阵晶体结构 指晶体中质点（原子、分子 等）排列的具体方式属于同一种空间点阵的几种晶体结构形式

3、第6页/共86页7阵点 将构成晶体的实际质点（原子、离子、分子）抽象成纯粹的几何点称为阵点3空间点阵（简称为点阵）阵点在空间呈周期性规则排列，并具有等同的周围环境的模型。4晶格（空间格子）作许多平行的直线把阵点连接起来，构成一个三维的几何格架称为晶格。第7页/共86页8晶胞 在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的小平行六面体。整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。第8页/共86页9a.晶格常数（点阵常数）：晶胞三条棱边的长度a、b、cb.轴间夹角：晶轴之间的夹角、c.晶胞参数：a、b、c及、d.基矢：a、b、c任一阵点的位置，ruvw=Ua+Vb+Wc U、V、W：阵点坐标第9页/共86

4、页10 6.七大晶系和十四种空间点阵（七大晶系和十四种空间点阵（P6表表1-1）根据晶胞的外形，即棱边长度之间的关系和晶轴夹角的情况,将晶体分为七大晶系。第10页/共86页117.晶向与晶面晶向与晶面）晶向：晶体中的某些方向，涉及到晶体中原子的位置，原子列方向，表示的是一组相互平行、方向一致的直线的指向。）晶面：晶体中原子所构成的平面。第11页/共86页12三、三种典型的金属晶体结构三、三种典型的金属晶体结构（一）体心立方（一）体心立方第12页/共86页13（二）面心立方第13页/共86页14（三）密排六方第14页/共86页15结构类型结构类型晶胞原晶胞原子数子数晶格晶格常数常数原子半原子半径

5、径配位配位数数致密度致密度体心立方体心立方 2 a3a/4 8 0.68面心立方面心立方 4 a2a/4 12 0.74密排六方密排六方 6 a，c a/2 12 0.74 金属中常见的三种晶体结构特征小结金属中常见的三种晶体结构特征小结（1）Fe Fe 时发生体积膨胀时发生体积膨胀 淬火时的开裂现象淬火时的开裂现象（2）金属中存在间隙）金属中存在间隙第15页/共86页16（四）晶体结构中的原子堆垛方式 1）密排六方：密排面为（0001）ABABAB第16页/共86页172)面心立方：密排面为111 ABCABCABC第17页/共86页18第18页/共86页19（五）晶体结构中的间隙第19页/

6、共86页201)体心立方：a.八面体间隙：位于立方体每个面中心和每根棱中间，数目为6。rB/rA=0.15 rB/rA=0.633 b.四面体间隙：位于两个体心原子和两个顶角原子所组成的四面体中心，数目为12。rB/rA=0.29第20页/共86页212)面心立方a.八面体间隙：位置是立方体的正中心和每一个棱边中心，其数目 棱边长度 设原子半径为rA，间隙中能容纳的最大圆球子半径rB，则rB/rA=0.414b.四面体间隙：位于由一个顶角原子和三个面中心原子连接成的正四面体中心，数目为8 rB/rA=0.225第21页/共86页223)密排六方：与面心立方结构相比，这两种结构的八面体和四面体的

7、形状完全相似，但位置不同a.八面体间隙 rB/rA=0.414b.四面体间隙 rB/rA=0.225第22页/共86页23三种典型晶体中的间隙总结体心面心密排（与面心r相同时）八面体四面体八面体四面体八面体四面体间隙半径0.067a0.126a0.146a0.06a0.146a0.06arB/rA0.154,0.6330.2910.4140.2250.4140.225间隙位置面心，棱边中点面中心线1/4与3/4处体心，棱边中点体对角线1/4与3/4处间隙数目6*1/2+12*1/466*4*1/2=121+12*1/4=44*2=8第23页/共86页24四、晶面指数与晶向指数四、晶面指数与晶向

8、指数国际上通用的是用密勒指数表示晶面及晶向。第24页/共86页25（一）晶向指数（一）晶向指数 1.晶向指数的确定步骤 a.以晶胞为基础建立三维坐标体系：以某一阵点为原点O,以三个基矢为坐标轴,以晶胞边长作为坐标轴的长度单位。b.作直线OP平行与待标志的晶向或待标定晶向的直线通过坐标原点。c.确定通过原点直线上任一点的坐标值。d.将坐标值化为最小整数并加上方括号UVW第25页/共86页26OxyzabcABBA OCCA点坐标（1,0,0）B点坐标（1,1,0）B坐标（1,1,1）OA、OB、OB晶向晶向B(1,1,0)110 OB：B(1,1,1)111OB：O(0,0,1)001OO：OC

9、：C(0,1,0)010A(1,0,0)100 OA：第26页/共86页27方法二、用晶向箭头的坐标减箭尾坐标方法二、用晶向箭头的坐标减箭尾坐标OxyzABBA OCC求：求：ACC(0,1,0),A(1,0,1)-1,1,-1 111第27页/共86页28第28页/共86页292.晶向族 5 晶体结构中那些原子密度相同、而空间位向不同的等同晶向称为晶向轴，用表示。适用于立方晶系 立方晶系中：100 010 001 ：111 第29页/共86页30（二）晶面指数（二）晶面指数 1步骤：建立坐标系；确定晶面在各坐标轴上的截距；取截距的倒数，并通分，化为最小的简单整数（hkl）。注意：晶面不能通过

10、原点注意：晶面不能通过原点第30页/共86页31OxyzABBA OCC OAC晶面晶面:（111）AABB晶面晶面:（100）求求OOAA的晶面指数的晶面指数求求CCBB即可即可截距分别为：截距分别为：，1，倒数后得晶面指数：倒数后得晶面指数：（0 1 0）第31页/共86页322晶面族：晶体中具有等同条件（这些晶面的原子排列情况和面间距完全相同），而只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族，用 hkl 表示。适用于立方晶系 立方晶系中的立方晶系中的 100晶面族：晶面族：(100)，(010)，(001)，(100)，(010)，(001)以上六面两两平行，实质只有三个面以上六面两两平行，实质

11、只有三个面立方晶系中的立方晶系中的 111晶面族晶面族:(111),(111),(111),(111)(111),(111),(111),(111)以上八面两两平行，故实质只有四个面以上八面两两平行，故实质只有四个面第32页/共86页33第33页/共86页34 在立方结构的晶体中：晶向平行于晶面时，hu+kv+lw=0晶向垂直于晶面时，h=u，k=v，l=w第34页/共86页35（三）晶带（三）晶带所有相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面的组合构成一个晶带，此直线称为晶带轴。设晶带轴的指数为UVW，则晶带中任何一个晶面的指数（hkl）都必须满足：hu+kv+lw=0，满足此关系的晶面都属于以

12、UVW为晶带轴的晶带OxyzABBA OCC晶带轴晶带轴101(010)晶晶 面面(101)晶晶 面面(111)晶晶 面面第35页/共86页36第36页/共86页37（四）六方晶系的晶面指数与晶向指数 1晶面指数：若按照以前的方法确定晶面指数，可取a1、a2、C为晶轴，a1、a2之间夹角为120，Ca1，a2 b 晶面，晶面指数为（100）C 晶面()第37页/共86页38从晶面指数上不能明确表示等同晶面，为了克服这一缺点，采用a1、a2、a3及C四个晶轴，a1、a2、a3之间的夹角均为120，晶面指数以（hkil）表示。上述六个柱面的指数可确定为：截距 指数1，-1，（），1，-1，（）-1

13、，1，（）-1 ，1，（）-1 1 （）1 -1 ()这六个晶面可归并为 1100 晶面族。根据立体几何，在三维空间中独立的坐标轴不会超过三个，可证明i=-(h+k)或 h+k+i=0第38页/共86页392晶向指数晶向指数设晶向指数在三轴坐标系UVW，四轴坐标系中为uvtw在平面上表示一个点只用两个坐标，则u+v+t=0，所以t=-(u+v)(1)且a1+a2+a3=0（2）任一晶向中为OR=ua1+va2+ta3+wC（3）将（2）式代入：OR=ua1+va2-t(a1+a2)+wC =(u-t)a1+(v-t)a2+wC （4）若用三轴坐标，则OR=Ua1+Va2+WC（5）比较（4）（

14、5）（6）将（1）式代入（6）式，得：（7)第39页/共86页40（五）晶面间距：定义：两近邻平行晶面间的垂直距离，用dhkl表示正交晶系立方晶系六方晶系注：以上公式是针对简单晶胞而言的，如为复杂晶胞，例如体心、面心，在计算时应考虑晶面层数增加的影响，如体心立方、面心立方、上下底（001）之间还有一层同类型晶面，实际 。第40页/共86页41一一般般是是晶晶面面指指数数数数值值越越小小，其其面面间间距距较较大大，并并且且其其阵阵点点密密度度较较大大，而而晶晶面面指指数数数数值值较较大大的则相反的则相反。第41页/共86页42五、晶体的各向异性 1.晶面与晶向原子密度 晶向原子密度:单位长度上的

15、原子数。晶面原子密度:单位面积上的原子数。第42页/共86页43 体心立方体心立方晶格中各主要晶格中各主要晶面晶面原子密度原子密度 0.58/a21/6 x 3=1/23/2a2(111)(110)1.4/a21/4 x4+1=22a2(110)1/a21/4 x 4=1 a2(100)最密最密排面排面晶面原晶面原子密度子密度 原子数原子数 面积面积 形式形式晶面晶面a a a 2a 2a 第43页/共86页44 体心立方体心立方晶格中各主要晶格中各主要晶向晶向原子密度原子密度111 1.16/a 1/2x2+1=2 3a 111 0.7/a 1/2 x 2=1 2a 1101/a 1/2 x

16、 2=1 a 100最密排最密排方向方向晶向原晶向原子密度子密度 原子数原子数长度长度形式形式 晶向晶向试计算面心立方晶格中各主要晶向、试计算面心立方晶格中各主要晶向、晶面的原子密度，指出最密排晶面、晶向？晶面的原子密度，指出最密排晶面、晶向？第44页/共86页452 晶体的各向异性晶体的各向异性 不同晶面和晶向上原子密度不同，不同晶面和晶向上原子密度不同，原子间距离不同，结合力不同。原子间距离不同，结合力不同。不同方向上的性能有所差异不同方向上的性能有所差异 称为各向异性。称为各向异性。-Fe单晶体，单晶体，111 的弹性模量的弹性模量E=2.9105MN/m2 100 的的E=1.3510

17、5MN/m2。第45页/共86页463 多晶体的伪无向性（伪同向性）多晶体的伪无向性（伪同向性）实际金属材料一般不具有各向异性，例：实际金属材料一般不具有各向异性，例：Fe不同方向上不同方向上E均为均为2.1105MN/m2左右。左右。原因：原因：实质为单晶体才具有各向异性实质为单晶体才具有各向异性 单晶体单晶体：晶格位向：晶格位向(或方向或方向)一致的晶体。一致的晶体。晶格位向一致是指晶体中原子按一定几晶格位向一致是指晶体中原子按一定几何形状作周期性排列的规律没有破坏。何形状作周期性排列的规律没有破坏。质点按同一取向排列。由一个核心（称质点按同一取向排列。由一个核心（称为晶核）生长而成的晶体

18、为晶核）生长而成的晶体第46页/共86页47多晶体 通常由许多不同位向的小晶体(晶粒）所组成。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界 伪等向性：多晶体材料一般显示出各向同性第47页/共86页48六、同素异晶性（多型性）六、同素异晶性（多型性）当 外 界 条 件（温度、压力）改变时，元素的晶体结构可以发生转变，这种性能称作同素异晶性，或称多型性，这种转变则称为同素异晶转变或多型性转变，转变的产物叫同素异晶体。第48页/共86页493 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构 晶体缺陷：晶体缺陷：原子偏离规则排列晶体缺陷的分类：晶体缺陷的分类：点缺陷：空位，置换/间隙原子 线缺陷：刃型/螺型位错 面缺陷：外表面

19、，内界面（晶界，亚晶界，孪晶界，堆垛层错，相界）第49页/共86页50一、一、空位空位 空位和间隙原子经常是同时出现和同时存在的两类点缺陷 第50页/共86页51 一定温度下，原子热振动能量一定，呈统计分布，某一瞬间一些能量大的原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处，形成空位。空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形成需能量，空位形成能（EV）为形成一个空位所需能量。第51页/共86页52第52页/共86页531 1空位的热力学分析空位的热力学分析 线线、面面缺缺陷陷为为热热力力学学不不稳稳定定的的缺缺陷陷，而点缺陷是热力学稳定的缺陷。而点缺陷是热力学稳定的缺陷。一一定定温温度度下下，晶晶

20、体体中中有有一一定定平平衡衡数数量量的空位和间隙原子，其数量可近似算出的空位和间隙原子，其数量可近似算出第53页/共86页541 1）晶晶体体中中空空位位在在热热力力学学上上是是稳稳定定的的，一一定定温温度度T T对应一平衡浓度对应一平衡浓度C C2 2）温度升高，空位浓度增大）温度升高，空位浓度增大3 3）空位形成能大，空位浓度小）空位形成能大，空位浓度小T100K300K 500K700K900K 1000K n/N 10-57 10-19 10-11 10-8.1 10-6.3 10-5.7第54页/共86页552过饱和空位过饱和空位下述几种条件下，产生过饱和空位。1）高温淬火把 空位保

21、留到室温；2）塑性变形3）高能粒子辐射；4）形成金属间化合物 空位在晶体中的分布是一个动态平衡，其不断地与周围原子交换位置，使空位移动所必需的能量，叫空位移动能Em。下图所示为空位移动第55页/共86页563空位的迁移空位的迁移 空位移动所造成的原子迁移，即金属晶体中的自扩散。自扩散激活能相当于空位形成能与移动能的总和。第56页/共86页574空位对金属性能的影响空位对金属性能的影响 1）对电阻的影响对电阻的影响 空位引起点阵畸变，使传导电子受到散射，产生附加电阻2）对力学性能的影响3）对高温蠕变的影响第57页/共86页58二、二、位错的基本类型及特征位错的基本类型及特征 位错理论及其发展 刃

22、型位错 螺型位错 混合位错1刃型位错刃型位错 刃位错结构示意图第58页/共86页59第59页/共86页60 位错线：晶体中已滑移区与未滑移区的边界 正/负刃型位错：额外半原子面位于晶体的上/下半部 弹性畸变：压/拉/切应力基本点如下：位错宽度，25个原子间距位错是一管道额外（多余）半原子面滑移矢量滑移面刃位错不一定是直线右图为纯刃型位错环 第60页/共86页61刃型位错特征：1）刃型位错有一额外半原子面 2）位错线不一定是直线，可以是折线或曲线，但刃型位错线必与滑移矢量垂直，且滑移面是位错线和滑移矢量所构成的唯一平面。3）位错是一管道，周围的点阵发生弹性畸变，既有正应变，又有切应变第61页/共

23、86页622.螺型位错螺型位错 第62页/共86页63特征：1）螺型位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称 2）螺型位错与滑移矢量平行，故一定是直线，但位错线的移动方向与晶块滑移方向互相垂直 3）包含螺位错的面必然包含滑移矢量，故螺位错可以有无穷个滑移面，但实际上滑移通常是在原子密排面上进行，故有限 4）螺位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变，无正应变（在垂直于位错线的平面投影上，看不出缺陷）第63页/共86页64 位错线上任一点的滑移矢量相同，但两者方向夹角呈任意角度图为混合位错的产生3混合位错第64页/共86页654.柏氏矢量柏氏矢量 b 柏氏矢量是1939年Burge

24、rs提出的用于描述位错性质的一个重要物理量 1 1）柏氏矢量的确定）柏氏矢量的确定 （1）人为假定位错线方向，一般是从纸背向纸面或由上向下为位错线正向 （2）用右手螺旋法则来确定柏格斯回路的旋转方向，使位错线的正向与右螺旋的正向一致 （3）将含有位错的实际晶体和理想的完整晶体相比较 （4）在实际晶体中作一柏氏回路，在完整晶体中按其相同的路线和步伐作回路，自路线终点向起点的矢量，即“柏氏矢量”。第65页/共86页66第66页/共86页672 2）柏氏矢量）柏氏矢量b b的物理意义的物理意义（1）表征位错线的性质 根据b与位错线的取向关系可确定位错线性质（2）b表征了总畸变的积累 围绕一根位错线的

25、柏氏回路任意扩大或移动，回路中包含的点阵畸变量的总累和不变，因而由这种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变。（3）b表征了位错强度 同一晶体中b大的位错，点阵畸变严重，能量高且不稳定。位错的许多性质，如位错的能量，应力场，位错受力等，都与b有关。第67页/共86页683）特征 （1）柏氏矢量与回路起点选择无关，也与柏氏回路的具体路径，大小无关 （2）几根位错相遇于一点，其方向朝着节点的各位错线的柏氏矢量 b之和等于离开节点之和。如有几根位错线的方向均指向或离开节点，则这些位错线的柏氏矢量之和值为零第68页/共86页69 位错的存在，在其周围的点阵发生不同程度的畸变。中心部分畸变程度最为严重，为位错

26、中心区，这部分超出了弹性应变范围，中心区以外为弹性畸变区。5.位错的应力场（位错的弹性行为)第69页/共86页70 6.晶体中的位错密度晶体中的位错密度1）位错网络第70页/共86页71第71页/共86页722）位错密度：单位体积中包含的位错线的总长度，或者是穿过单位截面积的位错线数目 退火状态金属的位错密度为106108/cm2。冷加工状态金属的位错密度为10101012/cm2。第72页/共86页73三、界面三、界面 二维缺陷 界面、晶体表面 界面：晶界、亚晶界、孪晶界层错界、相界、胞壁第73页/共86页74一）晶体表面一）晶体表面 1表面的结构 表面原子一侧没有固体原子与之键合，而与周围

27、气相或液相接触，有较高能量。几个原子层厚，结构、性能与晶体内部不相同。2表面能 晶体表面原子与周围原子键合数减少，多余的未结合的键使内能增加 表面能V（J/m2）=dw/dA，即为增加单位表面积所作的功。影响表面能的因素：1）外部介质。外部与内部对界面原子的作用力相差悬殊，则表面能大。2）裸露晶面的原子密度。密排面作表面，晶体表面能最低。故晶体表面易于为密排面。3）晶体表面的曲率。曲率越大，表面能越大。4）晶体的性质。晶体本身结合能高，则表面能越大。第74页/共86页75 3 实际晶体表面 实际晶体外表面台阶化 第75页/共86页76 4表面吸附 表面原子结合键不饱和 通过吸附可达到平衡状态，

28、吸附层几个原子层厚 正吸附：吸附原子浓度高于其在晶内浓度，反之负吸附 驱动力：表面自由能的降低第76页/共86页77二）晶界、亚晶界二）晶界、亚晶界 晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面 1 1晶界晶界 1）小角度晶界：位向差为2-10（位错墙）第77页/共86页782)大角度晶界：位向差10第78页/共86页792 2亚晶界亚晶界 每个晶粒中直径10-100m的晶块（亚晶粒或亚结构）之间的界面 亚晶界：位向差1 溶质原子优先聚集和第二相优生析出地，可阻碍位错运动，影响材料力学性能第79页/共86页803.3.堆垛层错堆垛层错晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的。如：面心立方密排面按ABC

29、ABC顺序，从中抽掉一层C，变成ABABC第80页/共86页814 4.孪晶界：共格孪晶界：共格/非共格孪晶界非共格孪晶界A.A.共共格格孪孪晶晶界界：界面上原子正好在两侧晶粒点阵位置上多通过形变后退火而形成，与堆垛层错密切相关，如fcc(111)面通常是ABCABCABC，从某一层开始堆垛变成ABC ACBACBA，则形成孪晶，CAC为堆垛层错界面B.B.非共格孪晶界非共格孪晶界：由许多位错构成第81页/共86页825.5.晶界的特性晶界的特性a.晶界熔点低，易过烧 b.晶界是易扩散通道 c.晶界易形核d.晶界易受腐蚀 e.晶界常温下强化，高温下弱化第82页/共86页83三）相界：不同结构的

30、两固相间界面三）相界：不同结构的两固相间界面1.1.1.1.共共共共格格格格相相相相界界界界：界面是两相点阵的共有点阵面，界面完全有序，无错配区域。仅在少数情况下出现，如钴相变中fcc相与hcp相的相界 第83页/共86页842 2 2 2非共格相界：非共格相界：非共格相界：非共格相界：与大角晶界相似，界面基本无序3.3.3.3.半半半半共共共共格格格格相相相相界界界界：与小角度晶界类似，错配区为界面上位错，如两种结构相同的晶体，点阵参数或夹角有少量差异第84页/共86页85复习1.为什么固态金属具有与非金属不同的特性？2.晶体与非晶体的不同？3.三种典型金属的晶体结构：原子个数、原子半径、配位数、致密度、四/八面体间隙4.晶面指数和晶向指数的确定5.实际金属中的晶体缺陷6.柏氏矢量7.其它基本概念第85页/共86页86感谢您的观看！第86页/共86页