1、第一章 金属的结构和结晶第一章 金属的结构和结晶1.1 几个基本概念和金属的特征一. 金属材料金属材料是指金属元素与金属元素，或金属元素与少量非金属元素所构成的，具有一般金属特性的材料，统称为金属材料。金属材料按其所含元素数目的不同，可分为纯金属（由一个元素构成）和合金（由两个或两个以上元素构成）。合金按其所含元素数目的不同，又可分为二元合金、三元合金和多元合金。大家知道物质按其形态不同，可分为固体、液体和气体。而固体又可分晶体和非晶体。二. 晶体组成固态物质的最基本的质点（如原子、分子或离子）在三维空间中，作有规则的周期性重复排列，即以长程有序方式排列。这样的物质称为晶体。如：金属，天然金刚
2、石，结晶盐，水晶，冰等三. 非晶体：组成固态物质的最基本的质点，在三维空间中无规则堆砌。这样的物质称为非晶体。如：玻璃，松香等。晶体通常又可分为金属晶体和非金属晶体，纯金属及合金都属于金属晶体，其原子间主要以金属键结合，而非金属晶体主要以离子键和共价键结合。如：食盐NaCl（离子键），金刚石（共价键）都是非金属晶体。四. 金属键金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金属原子结合成固体时，彼此失去最外层子电子（过渡族元素也失去少数次外层电子），成为正离子，而失去的外层电子穿梭于正离子之间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力（库仓引力），这种结合方式称为金
3、属键，见P2页图1-1。五. 金属特征金属材料主要以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征：1. 良好的导电、导热性：自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作用下）导热。2. 正的电阻温度系数：即随温度升高，电阻增大，因为金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自由电子的定向运动，从而使电阻升高。3. 不透明，有光泽： 自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见光能量辐射出来，产生金属光泽。4. 具有延展性：金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发生相对位移时，其结合键不会被破坏，从而具有延展性。
4、1.2 晶体结构不管是金属晶体还是非金属晶体，其晶体结构如何，与组成晶体的物质质点（可以是原子、分子或离子，也可以是原子群，分子群或离子群的中心）的具体排列方式和规律有关。科技工作者一般是用晶体结构模型进行描述。一. 晶体结构模型按晶体结构模型提出的先后，可将晶体结构模型分为球体模型、晶格模型和晶胞模型。1. 晶体的球体模型就是把组成晶体的物质质点，看作为静止的刚性小球，他们在三维空间周期性规则堆垛而成，见P3页图1.3（a）。该模型虽然很直观，立体感强，但不利于观察晶体内部质点的排列方式。针对这一缺陷科技工作者进一步提出了晶体的晶格模型。2. 晶体的晶格模型1) 空间点阵将组成晶体的物质质点
5、，进一步抽象为几何点，这些几何点在三维空间周期性、规则地排列成的阵列，称为空间点阵或布喇菲点阵；而这些几何点称为阵点或结点。2)晶体的晶格模型用假想的平行直线将阵点联结起来，就构成了晶体的晶格模型，也称空间格子，简称晶格。见P3页图1.3（b）。显然用抽象了的晶格模型来研究晶体结构就方便多了。3) 晶体的晶胞模型简称为晶胞。由于晶体的特点是，原子在三维空间有规则的周期性重复排列。因此，可以从晶格模型中取出一个具有代表性的最基本的结构单元，来研究晶体结构的特征。这个能够反映晶格结构的最基本的结构单元就称为晶胞。见P3页图1.3（c）。由于晶胞中原子的排列规律，能够完全代表晶格中原子的排列规律，所
6、以晶胞在三维空间的重复堆砌便构成了晶格。因此可以说，晶胞就是构成晶格的细胞。利用晶胞来反映晶体中原子的排列方式和特征，将更为方便。所以在研究晶体结构时，都是取它的晶胞进行研究。 反映晶胞的参数：由于不同的晶体其晶格结构不同，故取出的晶胞也不相同。为了反映各晶胞的特征，通常以晶胞的某一顶角为坐标原点，以x、y、z为晶轴，见图1.3 (c).用晶格常数（点阵常数）和晶轴夹角来反映晶胞的特征。a. 晶格常数：为晶胞各棱边长度，用a、b、c表示，称为点阵常数，单位用nm或埃1=10 8cm （1nm=10-9m）b.晶轴夹角：为晶胞各棱边间夹角，用、表示。当某一晶胞的晶格常数a=b=c，=900时，该
7、晶胞称为立方晶胞。4)晶系与空间点阵a. 晶系：是晶体分类的一种方式，具有相同晶胞特征参数的晶体属于同一晶系。根据晶胞特征参数的不同，晶体可分为七大晶系： 见P4页表1.1，即三斜、单斜、正交、正方、六方、菱方、立方晶系。b. 晶系与空间点阵：根据每个阵点具有相同的周围环境（距离、位向），法国晶体学家布喇菲用数学方法首先证明，空间点阵只能有14种，它分属上述七个晶系，见P4页图1.4或表1.1。其中有7种为简单晶胞，7种为复杂晶胞或复合晶胞。简单晶胞只在其平行六面体的八个顶角上有阵点，属于该晶胞的阵点数为1。因为晶胞顶角上的每一个阵点属于八个相邻晶胞所共有（即8x1/8=1）。而复合晶胞除在八
8、个顶角上有阵点外，还在其体心、面心（每个面的中心），或底心（上下底面的中心）有阵点，所以这种晶胞的阵点数2。由于空间点阵上的阵点，可以代表各种不同物质的原子、分子或离子，以及原子群、分子群或离子群；所以同一种空间点阵，可以有无限种实际晶体结构。见P5页图1.5（a），(b)，(c)三种不同的晶体结构都属于（d）这种空间点阵。因此可以说空间点阵是有限的（只能有14种），而晶体结构是无限的可以有很多种。二. 纯金属的三种典型晶体结构由元素周期表可知金属的种类很多，而且它们的晶体结构并不完全相同。工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构，其中最典型的为体心立方结构（bcc）、面心立方结构（fc
9、c）和密排六方结构（hcp），见P5页图1.6。1. 三种典型晶体结构的形貌图1.6中（a）为体心立方结构，即在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子，在体中心有一个原子，每个原子与空间点阵中的一个阵点相对应。属于这种晶体结构的纯金属有-Fe,Cr,Mo,W,V等。图1.6中（b）为面心立方结构，即在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子，每个面的中心各有一个原子，属于这种晶体结构的纯金属有Al，Cu，Au，Ag，Ni，Pb，-Fe等。图1.6中（c）为密排六方结构，它是在六棱柱体晶胞的十二个顶角上各有一个原子，上下顶面中心各有一个原子，在六棱柱中三个相间的三棱柱中心各有一个原子，属于这种晶体结构的纯金属
10、有Mg,Zn,Cd等。2. 描述金属晶体结构的一些重要参数由于在金属晶体中，一个原子与空间点阵中的一个阵点相对应，所以我们可以用刚性球体模型，计算出其晶体结构中的下列重要参数。1) 单位晶胞原子数：即一个晶胞所含的原子数目。2) 原子半径：是利用晶格常数，算出晶胞中两相切原子间距离的一半。3) 配位数：是晶体结构中任何一原子周围最近邻且等距离的原子数目，配位数越大，原子排列的越紧密。4) 致密度：是单位晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比，其表达式为 K=nv/V；K致密度；n单位晶胞原子数，v每个原子的体积，V晶胞体积，致密度越大，原子排列越紧密。5) 间隙半径： 指晶格空隙中能容纳的最大球体半
11、径。因为相同尺寸的原子，既使按最紧密方式排也会存在空隙。三种典型晶体结构的重要参数小结晶格类型 单位晶胞原子数 原子半径 配位数 致密度 间隙半径 体心立方 2 3/4a 8 0.68 0.29面心立方 4 2/4a 12 0.74 0.41密排六方 6 1/2a 12 0.74 0.41三. 金属晶体中晶面和晶向的表示晶面 是金属晶体中原子在任何方位所组成的平面。晶向 是金属晶体中原子在任何方向所组成的直线。晶面指数 表示晶面在晶体中方位的符号。晶向指数 表示晶向在晶体中方向的符号。1. 晶面指数的确定1) 立坐标,找出所求晶面的截距;(坐标原点不可设在所求晶面上)所求晶面与坐标轴平行时,截
12、距为；2) 取晶面与三个坐标轴截距的倒数；3) 将所得倒数按比例化为最小整数，放入圆括号内，即得所求晶面的晶面指数，一般用（hkl）表示。以P7页图1.9和立方晶系为例，画图说明晶面指数的具体确定方法。对于立方晶系由于其对称性高，所以可将其原子排列情况相同，而空间位向不同的晶面归为同一个晶面族，用hkl表示。如（100），（010），（001）就属于100晶面族。而（110），（101），（011），（10），（01），（01）就属于110晶面族。（111），（11），（11），（11）就属于111晶面族。对于非立方晶系由于其对称性较差，所以其晶面指数数字相同，而排列次序不同的晶面不属于同一个
13、晶面族。如在正交晶系中（100），（010），（001）晶面就不属于同一个晶面族100，因为其晶格常数abc。2. 晶向指数的确定1) 建立坐标,将所求晶向的一端放在坐标原点上(或从坐标原点引一条平行所求晶向的直线)；2) 求出所求晶向上任意结点的三个坐标值；3) 将所得坐标值按比例化为最小整数，放入方括号内，即得所求晶向的晶向指数一般用uvw表示。以P7页图1.10为例，画图说明晶向指数的具体确定方法。对于立方晶系由于其对称性高，也可将其原子排列情况相同，而空间位向不同的晶向归为同一个晶向族，用表示，如晶向100，010，001属于晶向族。在立方晶系中，当晶面指数与晶向指数相同时，即h=u,
14、 k=v, l=w时（hkl）uvw，如（111）111。但在对称性较差的非立方晶系中，一般不存在这种关系。由晶面指数和晶向指数的介绍，可以发现不同的晶面和晶向上，原子排列的紧密程度不同。晶面上原子排列的紧密程度，可用晶面的原子密度（单位面积上的原子数）表示；晶向上原子排列的紧密程度，可用晶向的原子密度（单位长度上的原子数）表示。以体心立方和面心立方为例，画图说明晶面和晶向原子密度的具体计算方法。通过计算和比较可以发现，在晶体中原子最密排晶面之间的距离最大，原子最密排晶向之间的距离最大；这是晶体在外力作用时，总是沿着原子最密排晶面和原子最密排晶向，首先发生相对位移的主要原因之一。3. 六方晶系
15、晶面和晶向指数的确定以上介绍的晶面和晶向指数的确定方法，是国际上通用的密勒指数法，它适用于各种晶系。但用它确定六方晶系的晶面和晶向指数时，从其各晶面指数和晶向指数中，却反映不出原子排列情况相同，而空间位向不同的各等同晶面和各等同晶向之间的关系。见P8页第56行。如果采用四个坐标轴，即a1,a2,a3,c就可较好地反映出各等同晶面和各等同晶向之间的关系。这样可用（hkil）表示晶面指数，用uvtw表示晶向指数。由于在二维平面最多只有两个独立的坐标，则a3=-(a1+a2)，因此有i=-(h+k), t=-(u+v)。用四个坐标轴确定六方晶系的晶面指数的方法，与用三个坐标轴时相同，只需多确定出在a
16、3轴上的截距。它也可以先用三个坐标确定，再根据i=-(h+k)的关系，加上第四个指数。而用四个坐标轴确定晶向指数时，必须从坐标原点出发，沿平行于四个坐标轴的方向依次移动，最后到达所求晶向上的某一结点。具体确定方法见P8页图1.12，应注意沿a3轴移动的距离，应等于沿a1,a2轴移动距离之和的负值，即满足t=-(u+v)。用三个坐标轴确定的晶向指数和用四个坐标轴确定的晶向指数，可根据P8页下的公式相互转换。用四个坐标轴确定出的六方晶系的晶面和晶向指数，就能较好地反映出各原子排列情况相同，而空间位向不同的各等同晶面和晶向之间的关系。见P8页第1011行和图1.11，图1.12。4. 金属晶体的各向
17、异性1) 单晶体由一个晶核所长成的大晶体,它的原子排列方式和位向完全相同,这样的晶体称为单晶体。2) 各向异性是单晶体沿各不同晶面或晶向具有不同性能的现象。如体心立方结构-Fe单晶体的弹性模量E，在方向E =2.8105 MPa，而在方向E =1.32105 MPa，两者相差两倍多。而且发现单晶体的屈服强度、导磁性、导电性等性能，也存在着明显的各向异性。单晶体具有各向异性的主要原因是，其晶体中原子在三维空间是规则排列的，造成各晶面和各晶向上原子排列的紧密程度不同（即晶面的原子密度和晶向的原子密度不同），使各晶面之间以及各晶向之间的距离不同，因此各不同晶面、不同晶向之间的原子结合力不同，从而导致
18、其具有各向异性。3) 多晶体由许多晶核长成的大晶体，因各晶核的原子排列方式相同，而位向不同，因此在各晶核长成的晶粒交界处存在着晶界，所以多晶体由许多晶粒组成，见图1.13。多晶体中各晶粒相当于一个小的单晶体，它具有各向异性。由于各晶粒位向不同，因此它们的各向异性相互抵消，表现为各向同性，多晶体的这种现象称为伪等向性（伪无向性）。非晶体由于原子排列无规则，所以沿各不同方向测得的性能相同，表现为各向同性。1.3 实际金属晶体中的晶体缺陷理想晶体理想晶体是指晶体中原子严格地成，完全规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体。实际晶体=多晶
19、体+晶体缺陷实际使用的金属材料绝大多数都是多晶体，即由许多不同位向的晶粒和晶界组成。在金相显微镜下一般如下图，各小晶粒可以近似地看作是一个小的单晶体。但是实际金属材料的每个晶粒中，还存在着各种晶体缺陷。晶体缺陷晶体缺陷是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域，按其几何尺寸特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。晶体缺陷在实际金属材料中所占的量很少（只占原子总数的千分之一），因此仍可把实际金属材料的结构看作是接近完整的。由于晶体缺陷在晶体中并不是静止不动的，它可以随外界条件的改变进行运动、增加、发生交互作用和消失，所以它对金属材料的性能、固态相变、扩散等过程，将产生重大影响。一. 点
20、缺陷1. 点缺陷的概念 是晶体中在X,Y,Z三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷。2. 点缺陷的类型 见P9页图1.14主要有四类，即空位；间隙原子（有同类和异类之分）；置换原子（有大小之分）；复合空位。3. 点缺陷的形成 可以是液态金属凝固时，少数原子发生偶然的错排而形成；也可以是晶体在高温或外力作用下形成。对于纯金属中只能形成空位、同类间隙原子和复合空位。而金属中含有少量杂质元素时，才可能形成异类间隙原子和置换原子；当有尺寸不同的两种杂质原子时，才可能形成大小不同的置换原子。一般认为组成晶体的原子在晶格结点上并不是静止不动的，而是以晶格结点为中心不停地作热振动，但受到周围原子的约束，它只能处在其
21、平衡位置上（即晶格结点上）。但是晶体中每个原子的振动能量是不同的，并随时间和外界条件而改变（如温度升高，振幅增大），即存在着能量起伏。当某一原子某一瞬间具有足够大的能量时，它将摆脱周围原子的约束，跳离其原平衡位置（即振动中心），形成空结点即空位。如果它跳到晶格间隙处，则形成同类间隙原子。空位、间隙原子、置换原子的存在都破坏了原子排列的规律性。使晶格发生局部弹性变形，晶格的这种弹性变形称为晶格畸变，见图1.14。空位和小置换原子使其周围原子向该位置靠拢，产生负畸变；而间隙原子和大置换原子使周围原子被挤开，产生正畸变。二. 线缺陷1. 线缺陷的概念 是晶体中在一维方向上尺寸很大，而在另外二维方向上
22、的尺寸很小的晶体缺陷，它的主要形式是位错。1) 位错的类型(1) 位错：是晶体中一列或若干列原子，发生某种有规律的错排现象。它的类型很多主要有刃型位错，螺型位错和混合型位错等。(2) 刃型位错：是在完整晶体中的某一个晶面上， 多出了半排原子面，这半排多出的原子面就象刀刃垂直切入完整晶体中一样，故称为刃型位错。见P10页图1.15。EFGH面为多余半原子面，EF线为位错线。通常用符号“”表示正刃型位错，既在晶体上半部有多余半原子面；而用符号“”表示负刃型位错，既在晶体的下半部有多余半原子面。由图可以看出，位错的存在使晶体中局部区域原子排列的规律性受到破坏，在ABCD晶面上位错线附近的原子受压应力
23、，在ABCD晶面下方位错线附近的原子受拉应力。因此在位错线周围产生了严重的晶格畸变，这说明位错不是一个原子列，而是一个晶格畸变“管道”，通常以该管道的中心作为位错线。(3) 螺型位错：见P10页图1.16是在简单立方晶体的右端（左端也行）加切应力，使晶体沿ABCD晶面上下局部发生一个原子间距的相对位移，所产生的原子错排现象，由于该错排区成螺旋型管道状，见图1.16(b) 、(c)故称为螺型位错。不管是刃型位错还是螺型位错，从微观看都是一个晶格畸变的管道区，其管道的直径较小，只有几个原子间距，而长度较长有几百到上万个原子间距，故称为线缺陷，可用其中心线表示。见图1.17。因为在实际晶体中存在着大
24、量的位错，一般以空间三维网状分布，（已用透射电子显微镜在铁中观察到），网络中的各线段可以是刃型，螺型或混合型位错。晶体中位错数目的多少一般用位错密度表示，= L/V，是单位晶体中所包含的位错线总长度，单位为cm /cm3 （1/cm2）。在退火态金属中 106-108cm-2 ，而经冷形变后到1011 1012 cm-2。因此晶体中的位错可以是在凝固过程中形成，也可以在塑性变形时形成。三. 面缺陷面缺陷的概念：是指晶体中在二维方向上尺寸很大，而在另一维方向上尺寸很小的晶体缺陷。面缺陷的类型：主要包括晶体的外表面、堆垛层错、晶界、亚晶界、孪晶界和相界面等。1. 晶界晶界是多晶体中晶粒与晶粒之间的
25、交界面，由于各晶粒中原子排列方式相同（如都是体心立方），只是晶格位向不同，因此晶界实际上是不同位向晶粒之间的过渡层。该过渡层有一定的厚度，为了同时适应两侧不同位向晶粒的过渡，而使过渡层处的原子总是不能规则排列，产生晶格畸变，见P11页图1.18，所以它是晶体中的一种重要的面缺陷。根据晶体中各晶粒之间的位向差不同，又可将晶界分为大角度晶界（10）和小角度晶界（S固，两曲线交点的温度为金属的理论结晶温度即熔点。这时液、固两相的自由能相等，液、固两相处于动态平衡状态，两相可以长期共存。当T=Tm时，G液=G固，两相共存；当TTm时，G液G固，金属熔化成液体；当TG固，金属结晶成固体，而G=G固-G液
26、0，为结晶的驱动力，由此可知过冷是结晶的必要条件，T越大，结晶驱动力越大，结晶速度越快。1.5 形核和长大一. 形核 液态金属在结晶时，其形核方式一般认为主要有两种：即均质形核（对称均匀形核）和异质形核（又称非均匀形核）。1. 均质形核均质形核是纯净的过冷液态金属依靠自身原子的规则排列形成晶核的过程。它形成的具体过程是液态金属过冷到某一温度时，其内部尺寸较大的近程有序原子集团达到某一临界尺寸后成为晶核。 由于过冷提供了结晶的驱动力，但晶核形成后会产生新的液固界面，使体系自由能升高，所以并不是一有过冷就能形核，而是要达到一定的过冷度后，才能形核。形核速度的快慢用形核率表示N，它是单位时间内单位体中形成的晶核数目，它与过冷度即结晶驱动力大小有关，还与原了活动能力（扩散稳迁移能力）有关，见图1.28。即N受两个相互制约的因素控制。T大，结晶驱动力大，但温度低，原
