金属材料的晶体结构v金属的基本特性 v金属的晶体结构 v晶体结构的一些重要概念 v原子的堆垛方式及间隙 v晶向指数和晶面指数 v晶体的各向异性和多晶型性 v金属晶体的缺陷课程内容金属的基本特性v具有良好的导热性v具有良好的导电性v具有良好的塑性v具有较高的强度 v具有金属光泽,但是不透明v具有正的电阻温度系数e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e- e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-e-金属键金属晶体中原子(或阳离子) 共用漂浮在 电子云中的电子所形成的化学键。金属键模型晶格和单胞金属的晶体结构w 立方 P I F w 六方 P w 四方 P I w 菱方 P w 正交 P I F C w 单斜 P C w 三斜 PP=简单格子 I =体心格子 F=面心格子 C=底心格子七大晶系和十四种布喇菲空间点阵三种典型金属晶体结构BCC(体心立方) a-Fe, Cr, Nb, W, VFCC(面心立方) g-Fe, Cu, Ni, Au, Ag, Al, Pt, PbHCP(密排六方) a-Ti, Mg, Be, Zn, Cd, Co, Zr要点 空间点阵，晶格，晶格常数，14种布喇菲空间点阵，七大晶系，体心立方结构，面心立方结构，密排六方结构每个晶胞中的原子数BCC1/81每个晶胞中包含1+1/88=2个原子晶体结构的一些重要概念FCC每个晶胞中包含1/26+1/88=4个原子1/21/8HCP1/21/61每个晶胞中包含13+1/612+1/22=6个 原子晶格中两个相接触的原子间距离的一 半称为原子半径。a原子半径BCC aaaaa4rFCC4raaaHCPa=2racBCC=8 FCC=12 HCP=12 晶格中任意原子周围所紧邻的最近且等距离的原子数配位数致密度晶体结 构晶格常数 ()原子数/晶 胞原子半径配位数致密度轴比BCCa2868%FCCa41274%HCPa, c61274%c/a= 1.633常见金属晶体的特征要点 配位数, 致密度, 原子半径原子的堆垛方式 如果原子球在一个平面内最紧密排列, 则这个面称为密排面 密排六方结构中，原子的堆垛顺序为 ABABAB. 面心立方结构中，原子的堆垛顺序为ABCABCABC. 体心立方结构中，原子的堆垛顺序堆垛顺序为ABABAB.原子的堆垛方式及间隙A B A B A B密排六方结构的堆垛方式 A B C A B C A B C面心立方结构的堆垛方式 A B A : 密排六方结构A B C : 面心立方结构密排六方结构和面心立方结构堆垛方式的比较AB AABC体心立方结构堆垛方式A B A B A BABA晶体中的间隙体心立方晶格的八面体间隙体心立方晶格的四面体间隙面心立方的八面体间隙面心立方的四面体间隙密排六方中的八面体间隙密排六方结构中的四面体间隙晶体结构八面体间隙四面体间隙 BCC0.155r0.291rFCC0.414r0.225r HCP0.414r0.225r要点 l密排六方结构和面心结构中密排面的堆垛方式l体心立方结构，面心立方结构和密排六方结构中四面体间隙位和八面体间隙位的大小晶向指数和晶面指数n n在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为 晶面。晶面。n n在晶体中，任意两个原子之间连线所指的方在晶体中，任意两个原子之间连线所指的方 向称为晶向。向称为晶向。n n晶向和晶面是用米勒指数表示的。晶向和晶面是用米勒指数表示的。XYZ晶向指数晶向指数的确定步骤如下： 1. 以晶胞的某一阵点O为原点，过 原点O的晶轴为坐标轴x, y , z, 以晶胞点阵矢量的长度作为坐标 轴的长度单位。 2. 过原点O作一直线OP，使其平行 于待定晶向。 3. 在直线OP上选取距原点O最近的 一个阵点P，确定P点的3个坐标 值。 4. 将这3个坐标值化为最小整数u， v，w，加以方括号，u v w即 为待定晶向的晶向指数。 OP (1,1,0)1 1 0晶向族晶体中基元排列存在这样的情况 ，即在不同的晶向上但原子排列 的情况一样，而且这些晶向指数 的数字相同 ，只是正负号有所区 别 。将晶体中基元排列情况相同，但空间位向不同的一组晶向称 为晶向族，用表示.YZ1. 晶面在X,Y,Z轴上 的截距: 1, 1, 2. 截距的导数:1/1, 1/1, 1/ X晶面指数标定步骤如下： 1. 在点阵中设定参考坐标系， 设置方法与确定晶向指数时 相同；2. 求得待定晶面在三个晶轴上 的截距，若该晶面与某轴平 行，则在此轴上截距为无穷 大；若该晶面与某轴负方向 相截，则在此轴上截距为一 负值；3. 取各截距的倒数；4. 将三倒数化为互质的整数比 ，并加上圆括号，即表示该 晶面的指数，记为(h k l )。晶面指数(1 1 0)晶面族在晶体内凡晶面间距和晶面上 原子的分布完全相同，只是空 间位向不同的晶面可以归并为 同一晶面族，以h k l表示 ，它代表由对称性相联系的若 干组等效晶面的总和。XYZ(1 1 1)111晶面族: (111),o当两个晶面指数的数字和顺序完全相同而符 号相反，则这两个晶面相互平行。如(1 0 0)晶面平行于(1 0 0)o立方结构的晶体中当一晶向u v w位于或 平行于某一晶面(h k l)时，必须满足以下关 系：hu+kv+lw=0o当某一晶向与某一晶面垂直时，则其晶向指 数和晶面指数必须完全相等，即u=h、v=k 、w=l。如1 0 0 (1 0 0)晶向和晶面的一些几何规律六方晶系的晶面指数和晶向指数a1a2a3c1 2 1 02 1 1 00 0 0 1采用四轴坐标 u v t w来 表示，这里 u + v =- t。晶向指数四轴坐标u v t w与三轴 坐标U V W存在换算关系U = u - t u= (2U - V)/3 V= v - t v= (2V - U)/3 W=w t= -(U + V)/3w = W 晶面指数(h k i l), i=- (h+k)a1a2a3c120(0 0 0 1)(1 1 0 0)在a1,a2,a3,c上截距 1, 1, -1/2, 1 倒数为1, 1, -2, 1 晶面指数为 (1 1 2 1)要点 l立方晶系晶向指数和晶面指数的定义l六方晶系中晶向指数和晶面指数的定义 晶体的各向异性 1. 各向异性是晶体的一个重要特性，是区别于非晶体的一个重要 标志。2. 晶体具有各向异性的原因是由于沿晶格的不同方向，原子排列 的周期性和疏密程度不尽相同，由此导致晶体在不同方向的物 理化学特性也不同。晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向 上的弹性膜量、硬度、热膨胀系数、导热性、电阻率、磁化率 等都是不同的。3. 通常的金属材料见不到各向异性特征,主要因为一般固态金属 是由多晶体构成,其晶粒位向是任意的,所以各向异性被相互抵 消,表现出伪等向性。晶体的各向异性和多晶型性具有体心立方晶格的a-Fe 单晶体在上的弹 性模量为E=290GPa,而 晶向的 E=135GPa,前者是后者的 两倍。多晶型性1. 少数金属如Fe、Mn、Ti、Be、Sn等具有两种或几种晶体 结构，即具有多晶型性。2. 当外部条件(如温度和压强)改变时，金属内部由一种晶体 结构向另一种晶体结构转变称为多晶型转变。u金属无论从宏观还是微观来说都是不完美的。 u在原子层次上，包含了多种不同类型的晶体缺陷。 u缺陷在很多过程中，如扩散，变形等，是非常重要的。缺陷的种类: 点缺陷(零维缺陷) 线缺陷(一维缺陷) 面缺陷(二维缺陷)金属晶体的缺陷 点缺陷1.大的置换原子2.肖特基空位3.异类间隙原子4.复合空位 5.弗仑克尔空位6.小的置换原子线缺陷 位错刃形位错螺形位错完整晶体的相应回路柏氏矢量的确定在刃形位错中,伯氏矢量的方向垂直于位错线的方向。包含刃形位错的晶 体的伯氏回路伯氏矢量含有螺形位错的晶体的伯氏回路在螺形位错中,伯氏矢量的方向垂直于位错线的方向。完整晶体的相应回路实际晶体中，位错线一般是弯曲的，具有各种各样的形状， 其位错是刃性和螺形的混合类型，称为混合型位错。1. 可用柏氏矢量判断位错类型。2. 用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量的大小。柏氏 矢量越大,位错周围晶体畸变越严重。3. 柏氏矢量可表示晶体滑移方向和大小。晶体滑移量的大小 即伯氏矢量b,滑移方向即伯氏矢量的方向。4. 柏氏矢量的唯一性，即一根位错线具有唯一的柏氏矢量。 5. 对于任一位错来说，同时包含位错线和伯氏矢量的晶面是 潜在的滑移面。柏氏矢量的特性o位错线不可能中断于晶体内部。在晶体内部，位 错线要么自成环状回路，要么与其它位错相交于 节点，要么穿过晶体终止于晶界或晶体表面。o位错密度：单位体积内位错线的总长度r=L/V n一般退火金属晶体中为105106cm-2数量级，经 剧烈冷加工的金属晶体中，为10101012cm-2位错线的连续性及位错密度 要点 空位 间隙原子 置换原子 空位的形成 刃形位错 螺形位错 伯氏矢量 位错密度 伯氏矢量的特性面缺陷 a. 晶界小角度晶界：当相邻晶粒的位向差小于10o,晶粒之间的界面 称为小角度晶界对称倾侧晶界扭转晶界当相邻晶粒间的位向差大于10o 时，晶粒间的界面属于大角度 晶界。b. 亚晶界实际晶体中，每个晶粒间的 原子排列并不是十分整齐的 ，往往存在这样的亚结构， 由直径为10-100um的晶块组 成，彼此间存在极小的位向 差(2o)。这些晶块之间的内 界面称为亚晶界。c.堆垛层错在实际晶体中，晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一 种晶体缺陷称为堆垛层错，简称层错，它也是一种面缺 陷,通常发生在面心立方金属中。fcc晶体中抽出型层错fcc晶体中插入型层错ABCABCABC ABCACABC ABCABCABC ABCABCACBC fcc结构是每三层原子构成一个周期，所以插入一层原子相当于 抽掉两层原子。抽出一层原子，相当于插入两层原子。d.相界在多相组织中，具 有不同晶体结构的两 相之间的分界面称为 相界。a) 无畸变共格相界b) 有畸变共格相界 c) 半共格相界d) 非共格相界 要点 晶界，堆垛层错，相界，小角度晶界的结构，大角度晶界的结构，3种相界的结构