金屬的晶體結構

1、第一章 金屬的晶體結構（）密排六方結構密排六方結構l晶胞中原子數: n=121/621/2 + 3 = 6 個l密排面： 0001l密排方向：l點陣常數與原子半徑的關系： a=2r (c/a=1.633) l配位數 CN=12；l致密度 K=0.74。0211證明：理想密排六方晶胞中的軸比c/a=1.633。 OD=c/2，AB=BC=CA=CD=a。ABC是等邊三角形，OC=2/3CE (BC)2=(CE)2+(BE)2， ，又有(CD)2=(OC)2+(c/2)2，即 c/a= =1.633 2222)21()33()(acaCDaCE23aaOC3323323/8密排六方結構密排六方結構

2、l八面體間隙有6個，當c/a=1.633時，rB=0.414rA。l四面體間隙有12個，當c/a=1.633時，rB=0.225rA。原子堆垛方式&為什么面心立方和密排立方具有相同的配位數和為什么面心立方和密排立方具有相同的配位數和致密度，（具有相同的緊密程度），卻具有致密度，（具有相同的緊密程度），卻具有不同不同的晶體結構的晶體結構？密排面原子排列最緊密的晶面密排方向原子排列最緊密的晶向堆垛方向密排面一層層堆疊的方向(密排面的法線方向)堆垛次序密排面循環(huán)堆疊的周期fcc111ABC密排面密排面密排方向密排方向堆垛方向堆垛方向堆垛次序堆垛次序bcc110ABhcp0001AB0211原

3、子堆垛方式原子的堆垛方式 原子的密排面的形式：在平面上每個原子與六個原子相切。原子的密排面的形式：在平面上每個原子與六個原子相切。 A層B層C層 面心立方結構的原子堆垛方式 密排六方結構的原子堆垛方式 面心立方晶胞原子堆垛方式 密排六方晶胞原子堆垛方式A層B層C層原子的堆垛方式 多晶型性多晶型性 大部分金屬只有一種晶體結構，但也有少數金屬如Fe、Mn、Ti、Co等具有兩種或幾種晶體結構，即具有多晶型。當外部條件(如溫度和壓力)改變時，金屬內部由一種晶體結構向另一種晶體結構的轉變稱為多晶型轉變或同素異晶轉變。鐵的同素異晶轉變在熱處理中有非常重大的意義。在高壓下，鐵還可以呈現密排六方結構！多晶型性

4、多晶型性例如： 由于-Fe和-Fe的致密度均小于-Fe，所以u當-Fe轉變?yōu)?Fe時，體積突然減??；u當-Fe轉變?yōu)?Fe時，體積又突然增大；冷卻時則相反。實際金屬的晶體結構實際金屬的晶體結構理想晶體與實際晶體之間的不同點？理想晶體與實際晶體之間的不同點？完美完美與否與否理想晶體理想晶體實際晶體的理想化。實際晶體的理想化。三維空間無限延續(xù)，無邊界三維空間無限延續(xù)，無邊界嚴格按周期性規(guī)則排列嚴格按周期性規(guī)則排列原子在其平衡位置靜止不動原子在其平衡位置靜止不動晶體缺陷原子排列偏離規(guī)則排列的不完整性原子排列偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域。區(qū)域。根據晶體缺陷的幾何形態(tài)特征分為三種：點缺陷、線缺根據晶體缺陷

5、的幾何形態(tài)特征分為三種：點缺陷、線缺陷、面缺陷。陷、面缺陷。單晶單晶體體單晶體：由一個晶粒構成。 顯示出各向異性。 晶粒：組成晶體的結晶顆粒。（由于在不同方向上的原子排列的緊密程度不同）多晶體多晶體多晶體多晶體：由兩顆以上晶粒組成的晶體。一般金屬都是多晶體，不顯示各向異性，稱偽等向性。（構成多晶體的晶粒位向是任意的，晶粒的各向異性相互被抵消，顯示出偽等向性）點缺陷點缺陷形成形成引起引起能量起伏能量起伏點缺陷點缺陷是是在三維尺度上都很小而不超過幾個原子直徑的缺陷。在三維尺度上都很小而不超過幾個原子直徑的缺陷。 晶體中的點缺陷 空位； 間隙原子； 置換原子發(fā)現問題促使核心結果晶體的理論剪切強度：2

6、Gm估算一般金屬：估算一般金屬：m=103105MPa實際金屬單晶：實際金屬單晶：110MPa線缺陷線缺陷位錯位錯定義：在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現象。分類：刃型位錯（edge dislocationedge dislocation）螺型位錯（screw dislocationscrew dislocation）混合位錯混合位錯（mixed dislocationmixed dislocation）形成原因：多種。 如：塑性變形形成已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的交界線。 G H E F刃型位錯刃型位錯刃型位錯刃位錯有一額外的半原子面。位錯線是一個具有一定寬度的細長晶格畸變管道，其中

7、既有正應變，又有切應變。位錯線與晶體滑移的方向垂直，位錯線運動的方向垂直于位錯線。刃型位錯刃型位錯原子面部分錯動原子面部分錯動一個原子間距一個原子間距螺位錯螺位錯不吻合不吻合過渡區(qū)過渡區(qū)形成形成畸變區(qū)畸變區(qū)形成形成稱作稱作螺型位錯螺型位錯螺型位錯螺型位錯螺型位錯螺型位錯沒有額外的螺型位錯沒有額外的半原子面。半原子面。螺型位錯是一個具有螺型位錯是一個具有一定寬度的細長晶格畸一定寬度的細長晶格畸變管道。變管道。位錯線與晶體滑移的位錯線與晶體滑移的方向方向平行平行，位錯線運動，位錯線運動的方向垂直于位錯線。的方向垂直于位錯線。(a) 有位錯的晶體有位錯的晶體 (b) 完整晶體完整晶體2 23 34

8、41 12 23 34 41 12 23 34 41 12 23 31 12 23 34 41 12 23 34 41 12 23 3b b2 23 34 4位錯的柏氏矢量位錯的柏氏矢量刃型位錯的柏氏回路刃型位錯的柏氏回路 (a) (a) 有位錯的晶體有位錯的晶體 (b) (b) 完整晶體完整晶體2 23 34 4 5 56 67 78 810109 9111112121313141415152 23 34 4 5 56 67 78 89 9101011111212131314141515位錯的柏氏矢量位錯的柏氏矢量螺型位錯的柏氏回路螺型位錯的柏氏回路表示方法：在晶向指數基礎上把矢量的模表示出

9、來。 一般表達式為：uvwna其模為：wvunab222柏氏矢量的表示方法柏氏矢量的表示方法單位體積晶體中所有位錯線的總長度。單位體積晶體中所有位錯線的總長度。VS穿過單位截面積的位錯線數目。穿過單位截面積的位錯線數目。（穿過單位面積的位錯線根數，將位錯簡化（穿過單位面積的位錯線根數，將位錯簡化為直線）為直線）An位錯密度位錯密度位錯的運動方式位錯的運動方式 位錯在晶體中運動有兩種方式：滑移和攀移，其中滑移最為重要。攀移攀移滑移滑移 晶體中位錯處的原子處于能量較高的狀態(tài)，在切應力作用下原子很容易移動。含有位錯晶體的滑移過程實質上是位錯的運動過程位錯的滑移位錯的滑移位錯的滑移位錯的滑移類型類型

10、柏氏向量柏氏向量 位錯線位錯線運動方向運動方向 晶體晶體滑移方向滑移方向 切應力切應力方向方向 刃型位錯刃型位錯 于位錯線于位錯線于位錯線于位錯線本身本身與與b b一致一致與與b b一致一致螺型位錯螺型位錯 于位錯線于位錯線于位錯線于位錯線本身本身與與b b一致一致與與b b一致一致混合位錯混合位錯與位錯線成與位錯線成一定角度一定角度 于位錯線于位錯線本身本身與與b b一致一致與與b b一致一致攀移的概念與本質攀移的概念與本質 攀移的本質是刃型位錯的半原子面向上或向下攀移的本質是刃型位錯的半原子面向上或向下移動，于是位錯線就跟著向上或是向下運動，因移動，于是位錯線就跟著向上或是向下運動，因此攀

11、移時位錯線的運動方向正好與柏氏矢量垂直。此攀移時位錯線的運動方向正好與柏氏矢量垂直。 只有刃型位錯才能發(fā)生攀移運動，螺型位錯只有刃型位錯才能發(fā)生攀移運動，螺型位錯是不會攀移的。是不會攀移的。攀移的分類攀移的分類 通常把半原子面向上移動稱為正攀移，半原子通常把半原子面向上移動稱為正攀移，半原子面向下運動稱為負攀移。面向下運動稱為負攀移。 位錯的攀移位錯的攀移（a）正攀移（半原）正攀移（半原子面縮短）子面縮短）(b)未攀移未攀移（c）負攀移）負攀移（半原子面伸長）（半原子面伸長）位錯的攀移位錯的攀移面缺陷面缺陷晶 界孿晶界相 界小角度晶界大角度晶界外表面內表面表面和自由界面表面表面晶體表面是指金屬與真空或氣體等外部介質相接觸的界面。單位面積升高的能量稱表面能。表面晶格畸變能量升高表面能。晶界晶界晶界兩個空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面。小角度晶界小角度晶界（low-angle boundary）根據形成晶界時的操作不同，小角度晶界分為傾斜晶界和扭轉晶界?；居晌诲e線構成。相鄰晶粒的位相差小于1010；大角度晶界大角度晶界 （high-angle boundary）相鄰晶粒的位相差大于10 情況復雜，尚不清楚；多晶體金屬材料中的晶界大都屬于大角度晶界。亞晶界亞晶界（subgrain boundary）晶界特點晶界特點晶界畸變晶界能向低能量狀態(tài)轉化晶粒長大、