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1、材料的结构组织与性能 二 材料学院 物质世界的尺度 世界是物质的世界基本属性 空间和时间物质世界空间的描述 物质的尺度地球太阳系银河系宇宙 上百亿个银河系 还在膨胀原子 人头发宽度的百万分之一 原子核 原子尺寸的万分之一 材料结构与组织研究的尺度 基本数据 1nm 10 3mm 10 6mm 10 9m 1纳米是1米的10亿分之一 1 10 10m 10nm 用来度量原子尺寸 金相显微镜分辨极限2 10 7m电子显微镜分辨极限3 10 9m 金属的键结构 金属的原子结构特征是最外层电子少 易于脱落 而形成自由电子 freeelectron 自由电子可以在金属中移动而形成所谓的电子云 cloud
2、ofelectrons 电子云带有负电 另一方面失去电子的金属原子带有正电而成为阳离子 因此 电子云和阳离子之间所作用的引力和离子相互间及电子相互间的斥力之间形成平衡而发生结合 这种结合叫做金属键 metallicbond 金属晶体因为有自由电子的存在 其导电性 导热性好 并且结合力的方向性小 原子会尽量高密度排列 富于延展性 强度的变化范围大 金属的晶体结构一晶体结构的基本概念金属在固态下通常都是晶体 晶体指其内部原子 分子或离子 在三维空间作有规则的周期性重复排列的物体 晶体结构 crystalstructure 金属的许多特性都与晶体中原子 分子或离子 的排列方式有关 因此分析金属的晶体
3、结构是研究金属材料的一个重要方面 晶体的钢球模型为了便于研究和描述晶体内原子 分子或离子 的排列规律 通常把原子 分子或离子 视为刚性小球 并把不停地热振动的原子 分子或离子 看成在其平衡位置上静止不动 且处在振动中心 即如图2 1 a 所示 阵点 latticepoint 把晶体中的原子 分子或离子 抽象为规则排列于空间的几何点 晶格 crystallinelattice 用一系列平行直线将阵点连接起来 形成一个三维的空间格架 如图2 1 b 所示 晶胞 unitcell 从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元来研究晶体结构 这个最小的几何单元称为 如图2 1 c 所示 晶格常数
4、 latticeconstant 为了描述单位晶胞的大小和形状 以单位晶胞角上的某一阵点为原点 以该单位晶胞上过原点的三个棱边为三个坐标轴X Y Z 称为晶轴 则单位晶胞的大小和形状就由这三条棱边的长度a b c描述 称为晶格常数 轴间夹角通常 和 分别表示Y Z轴 Z X轴和X Y轴之间的夹角 晶格常数 a b c 和轴间夹角 是描述晶体结构的6个参数 晶系与布拉菲晶格自然界中的晶体有成千上万种 它们的晶体结构各不相同 根据单位晶胞中上述六个参数 a b c 将晶体进行分类 分类时只考虑a b c是否相等 是否相等以及它们是否呈直角等方面的特征 而不涉及单位晶胞内原子的具体排列情况 这样就将
5、晶体划分成七种类型即七个晶系 crystalsystem 所有的晶体均可归纳在这七个晶系中 布拉菲 A Bravais 1948年根据 每个阵点具有相同的周围环境 的要求 用数学分析方法证明晶体中的阵点排列方式只有14种 这14种晶格就叫做布拉菲 Bravais 晶格 它们分别属于七个晶系 它们的单位晶胞如图2 2所示 典型的金属晶体结构在金属晶体中 金属键使原子 分子或离子 的排列趋于尽可能地紧密 构成高度对称性的简单晶体结构 最常见的金属晶体结构有三种类型 即面心立方结构 face centeredcubic 简写为 fcc 体心立方结构 body centeredcubic 简写为 bc
6、c 和密排六方结构 hexagonalclosed packed 简写为 hcp 前两种属于立方晶系 后一种属于六方晶系 除了少数例外 绝大多数金属属于这三种结构 1 面心立方结构面心立方结构的单位晶胞如图所示 除单位晶胞的八个角上各有一个原子外 在各个面的中心还有一个原子 具有面心立方晶格的金属有 Fe Al Cu Ni Au Ag Co Pb等 2 体心立方结构体心立方结构的单位晶胞如图所示 除单位晶胞的八个角上各有一个原子外 在中心还有一个原子 具有体心立方晶格的金属有 Fe Cr W V Ti Mo等 3 密排六方结构密排六方结构的单位晶胞如图所示 在六方单位晶胞的十二个角上以及上下底
7、面的中心各有一个原子 单位晶胞内部还有三个原子 具有密排六方晶格的金属有 Ti Co Mg Zn Be Cd等 a 剛球模型 b 質點模型 c 單位晶胞原子數圖2 7密排六方結構的單位晶胞 晶体结构的几个问题 晶向指数和晶面指数在晶体中 由一系列原子所构成的平面称为晶面 latticeplane 任意两个原子之间连线所指的方向称为晶向 latticedirections 为了便于研究和表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的位向 需要确定一种统一的表示方法 称为晶面指数和晶向指数 国际上通用的是密勒指数 Millerindex 确定晶向指数的步骤如下 第一步 以单位晶胞的某一阵点为原点 过
8、原点的晶轴为坐标轴 以单位晶胞的边长作为坐标轴的长度单位 第二步 过原点O作一直线OP 使其平行于待定晶向AB 第三步 在直线OP上选取距原点O最近的一个阵点P 确定P点的三个坐标值 第四步 将这三个坐标值化为最小整数u v w 加上方括号 uvw 即为待定晶向的晶向指数 如果u v w中某一数为负值 则将负号记于该数的上方 o p 确定晶面指数的步骤如下 第一步 以单位晶胞的某一阵点为原点 过原点的晶轴为坐标轴 以单位晶胞的边长作为坐标轴的长度单位 第二步 求出待定晶面在坐标轴上的截距 如果该晶面与某坐标轴平行 则截距为 第三步 取三个截距的倒数 第四步 将这三个倒数化为最小整数h k l
9、加上圆括号 hkl 即为待定晶面的晶面指数 如果h k l中某一数为负值 则将负号记于该数的上方 晶向族显然晶向指数表示着所有相互平行 方向一致的晶向 若晶体中两晶向相互平行但方向相反 则晶向指数中的数字相同 符号相反 由于晶体的对称性 有些晶向上原子排列情况相同 因而性质也相同 晶体中原子排列情况相同的一组晶向称为晶向族 fimilyoflatticedirections 用表示 晶面族 hkl 所有相互平行的晶面 其晶面指数相同 或数字相同而正负号相反 在晶体中 有些晶面的原子排列情况相同 面间距完全相等 其性质完全相同 只是空间位向不同 这样的一组晶面称为晶面族 用 hkl 表示 单位晶
10、胞中的原子数单位晶胞中的原子数是指一个单位晶胞内所包含的原子数目 由图可知 单位晶胞顶角处的原子为几个单位晶胞所共有 而位于单位晶胞面上的原子则为两个相邻的单位晶胞所共有 只有位于单位晶胞内部的原子才为一个单位晶胞所独有 这样 金属中常见的三种晶体结构中每个单位晶胞所占有的原子数n分别为 面心立方晶格n 4体心立方晶格n 2密排六方晶格n 6 原子半径如果把金属原子视为半径为r的刚性球 则r与晶格常数有一定的关系 面心立方结构单位晶胞中原子相距最近的方向是面对角线 体心立方结构单位晶胞中原子相距最近的方向是体对角线 密排六方结构单位晶胞中原子相距最近的方向是上下底面的对角线 所以原子半径 配位
11、數 coordinationnumber 緻密度 packingfactor 晶體中原子排列的緊密程度與晶體結構類型有關 爲了定量地表示原子排列的緊密程度 採用配位數和緻密度兩個參數 配位數是指晶體結構中 與任一原子最近鄰並且等距的原子數 配位數越大 則原子排列的緊密程度越高 由圖可見體心立方晶格的配位數為8 面心立方晶格和密排六方晶格的配位數都是12 a 體心立方晶格 b 面心立方晶格 密排六方晶格圖2 8金屬三種典型晶格配位數示意圖 致密度若把金属晶体中的原子视为直径相等的刚球 原子排列的紧密程度可以用刚球所占空间的体积百分数来表示 称为致密度 如以一个单位晶胞来计算 致密度K就等于单位晶
12、胞中原子所占体积与单位晶胞体积之比 即 因此 金属中常见的三种晶体结构的致密度分别为 面心立方晶格致密度 0 74体心立方晶格致密度 0 68密排六方晶格致密度 0 74 晶体的各向异性晶体与非晶体 玻璃 塑料等 最根本的差别之一 就是单晶体的性质上呈现 各向异性 anisotropy 现象 即单晶体的力学 物理和化学等方面的性质在不同的方向上是不一样的 而非晶体则不然 在各个方向上性质完全相同 即呈 各向同性 isotropy 晶体具有各向异性的原因 是由于在不同晶向上的原子紧密程度不同所致 原子的紧密程度不同 意味着原子之间的距离不同 则导致原子间结合力不同 从而使晶体在不同晶向上性质不同
13、 单晶体与多晶体實際應用的金屬材料通常都是由很多晶粒組成的 叫多晶體 圖為純鐵的顯微鏡組織 是由許多類似多角形的顆粒組成 這些小顆粒稱爲晶粒 crystalgrain 晶粒之間的界面稱爲晶界 grainboundary 每一晶粒相當於一個單晶體 在這樣的多晶體中 金屬中各個晶粒的原子排列雖然相同 但每個晶粒原子排列的位向是不相同的 晶界实际上是原子错排的地方 晶界实际上是原子错排的地方 多晶体地伪各向同性多晶體金屬的性質在各個方向上基本上是一致的 這種現象稱之爲 偽各向同性 這是由於在多晶體中 雖然每個晶體都是各向異性的 但它們是任意分佈的 晶體的性質在各個方向相互補充和抵消 再加上晶界的作用
14、 就掩蓋了每個晶粒的各向異性 实际金属中的晶体缺陷前面所述的晶体结构是理想晶体的结构 但是在实际应用的金属中 总是不可避免地存在着不完整性 即原子的排列都不是完美无缺的 实际金属中原子排列的不完整性称为晶体缺陷 按照晶体缺陷的几何形态特征 可以将其分为以下三类 1 点缺陷 pointdefect 其特征是三个方向上的尺寸都很小 相当于原子的尺寸 例如空穴 vacancy 间隙型原子 interstitialatom 置换型原子 substitionalatom 等 2 线缺陷 linedefect 其特征是在两个方向上的尺寸很小 另一个方向上的尺寸相对很大 属于这一类缺陷的主要是位错 disl
15、ocation 3 面缺陷 interfacialdefect 其特征是在一个方向上的尺寸很小 另两个方向上的尺寸相对很大 例如晶界 亚晶界 subgrainboundary 等 1点缺陷常见的点缺陷有三种 即空穴 间隙型原子和置换型原子 如图所示 1 空穴在实际晶体的晶格中 并不是每个平衡位置都为原子所占据 总有极少数位置是空着的 这就是空穴 由于空穴的出现 使其周围的原子偏离平衡位置 发生晶格畸变 distortion 所以说空穴是一种点缺陷 2 间隙型原子间隙型原子就是处于晶格空隙中的原子 晶格中原子间的空隙是很小的 一个原子硬挤进去 必然使周围的原子偏离平衡位置 造成晶格畸变 因此间隙
16、型原子也是一种点缺陷 间填隙型原子有两种 一种是同类原子的间隙型原子 另一种是异类原子的间隙型原子 3 置换型原子许多异类原子溶入金属晶体时 如果占据在原来基体原子的平衡位置上 则称为置换型原子 由于置换型原子的大小与基体原子不可能完全相同 因此其周围临近原子也将偏离其平衡位置 造成晶格畸变 因此置换型原子也是一种点缺陷 由上可知 不管是哪类点缺陷 都会造成晶格畸变 这将对金属的性质产生影响 如使屈服强度升高 电阻增大 体积膨胀等 此外 点缺陷的存在 还将加速金属中的扩散过程 从而影响与扩散有关的相变化 化学热处理 高温下的塑性变形和断裂等 2线缺陷晶体中的线缺陷就是各种类型的位错 位错是一种极重要的晶体缺陷 它是在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 位错有多种类型 其中最简单 也是最基本的有两种 刃型位错 edgedislocation 和螺型位错 screwdislocation a 完整晶體 b 刃型位错 c 螺型位错圖2 12完整晶體和位错 刃型位错螺型位错 用电镜观察
