实际金属的晶体结构.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第三节 实际金属的晶体结构,前面讨论的晶体是所谓的,理想晶体,，即原子或分子在空间呈绝对规则的排列但实际上晶体的某些区域总是存在原子或分子的不规则排列，这就是晶体结构缺陷，以下简称,晶体缺陷,晶体缺陷,对晶体的性能和物理化学变化(如强度、塑性、扩散、固态相变等)都有着重大的影响引言,晶体结构缺陷的类型,缺陷的,类型,点缺陷,线缺陷,面缺陷,其特点：,在三维方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸处在一、两个原子大小的级别，又称,零维缺陷其特点：,仅在一维方向上的尺寸较大，而另外二维方向上的尺寸都很小，故也称一维缺陷，通常是指,位错,其特点：,仅在二维方向上的尺寸较大，而另外一维方向上的尺寸很小，故也称,二维缺陷,点缺陷,间隙原子、空位、置换原子,面缺陷,晶体表面、晶界、相界面等,线缺陷,位错（刃型、螺旋）,晶体中的各种点缺陷,1大置换原子 2肖脱基空位 3异类间隙原子,4复合空位 5弗兰克尔空位 6小的置换原子,点缺陷,1 空位,形成原因：,原子的热运动,导致能量起伏，,使一些原子脱离原有位置迁移到别处，在原位形成空结点。

脱离平衡位置的原子去处：,移至表面,肖脱基空位,间隙,弗兰克尔空位,其它空位处,使空位变换位置,是一种热平衡缺陷,空位,肖脱基空位,肖脱基空位:,如原子在,热起伏,过程中获得足够能量离开平衡位置，跳跃到晶体的,表面,，在原位置上留下空位，这种缺陷称为,肖脱基空位,金属中大部分为此空位,弗兰克尔空位：,在晶格内,原子热振动,时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，进入晶格点的,间隙位置,，变成间隙原子，而在原来的位置上形成一个空位，这种缺陷称为,弗兰克尔空位弗兰克尔缺陷,处于不断的运动、消失和形成过程中,遇到周围空位 换位,迁移至晶体表面 消失,遇到间隙原子 消失,空位的移动：,空位的移动,a,b,c,d,e,f,空位的浓度:,温度，浓度；温度，浓度但空位的平衡浓度是很小的(,如铜：,一般为10,-5,数量级)浓度随温度变化而改变,在空位周围的原子会偏离平衡位置出现弹性畸变区晶格畸变,空位引起的晶格畸变,2 间隙原子,处于晶格间隙中的原子,间隙原子,可以为,晶格,中的原子（发生严重晶格畸变），也可能为,异类,原子(如：H、N、C、B等，晶格畸变较空位严重）间隙原子也,是一种热平衡缺陷,平衡浓度为固溶度或溶解度,产生晶格畸变,如果间隙原子是其它,元素就称为,异类原子,（杂质原子）,间隙原子,间隙原子引起的,晶格畸变,3 置换原子,占据原来基体原子平衡位置的异类原子,产生晶格畸变,是一种热平衡缺陷,平衡浓度为固溶度或溶解度,（比间隙原子的固溶度要大得多）,三种点缺陷,均为,热平衡缺陷，均造成晶格畸变，对金属的性能产生影响。

小原子置换引起的,晶格畸变,线缺陷,线缺陷：,即位错(分为,刃型,位错,和螺旋,位错,),它是指晶体中的,原子,发生了有规律的,错排,现象特点：,原子发生,错排的范围,只在,一维,方向上很大，,直径,为35个原子间距，,长,数百个原子间距以上的,管状原子畸变区,1 刃型位错,形成及定义,：晶体在,大于屈服值,的切应力,作用下，以,ABCD,面,为,滑移面,发生滑移滑移后产生额外半原子面,EFGH,，,EF,是晶体已滑移部分和未滑移部分的,交线,，,EF,线,犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错(或棱位错)A,B,C,D,E,F,G,H,刃型位错示意图,刃型位错分类:,正刃位错：,额外半原子面位于晶体的上半部，“,”,负刃位错：,额外半原子面位于晶体的下半部，“,”,正刃位错,负刃位错,刃型位错的重要特征：,刃型位错有一,额外半原子面,位错线是一个具有一定,宽度,的,细长,晶格畸变管道，既有切应变，又有正应变，对于正刃型位错，滑移面之,上,晶格受到,压应力,，滑移面之,下,受到,拉应力,负刃型位错与此相反注意：,额外半原子面不一定是平面，可以是曲面但是位错线一定是垂直于滑移方向的，这是刃型位错的特征之一。

位错线与晶体的滑移方向相垂直，位错线运动的方向垂直于位错线A,B,C,D,D,A,D,D,A,D,位错线,形成及定义：,晶体在外加切应力,作用下，沿,ABCD,面滑移，由于位错线,EF,周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺型位错图中,EF,线为已滑移区与未滑移区的分界处2,螺型位错,E,F,分类：,有左螺旋和右螺旋根据螺旋面旋转方向，,符合右手法则,（即以右手拇指代表螺旋面前进方向，其他四指代表螺旋面的旋转方向）的称为右旋螺型位错符合左手法则,的称为左旋螺型位错.,M,Q,P,O,N,左旋螺型位错,A,B,C,D,D,A,D,D,A,D,右旋螺型位错,螺型位错的重要特征：,螺型位错,没有,额外半原子面位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中,只有切应变，没有正应变,位错线EF与晶体的滑移方向,相平行,位错线运动的方向垂直于位错线位错线运动方向,位,错,线,F,E,刃型位错与螺型位错的区别：,螺型位错,没有,额外半原子面，而,刃型位错,有；,螺型位错,只有切应变，没有正应变，而,刃型位错,均有；,螺型位错,的位错线与晶体的滑移方向相平行，而,刃型位错,则垂直刃型位错,的滑移面是,唯一,的，而,螺型位错,可以从一个滑移面滑移到另一个滑移面。

在,实际晶体,中，从距离位错一定距离的任一原子,M,出发，以到相邻原子为一步，沿逆时针方向环绕位错线作一闭合回路，称之为柏氏回路在,完整晶体,中以同样方向和步数作回路，但未封闭由完整晶体的回路终点,Q,到始点,M,引一矢量,b,，使该回路闭合，矢量,b,即为,柏氏矢量,3 柏氏矢量,柏氏矢量的确定方法：P,24,图1-36,柏氏矢量：,既可表示位错的性质，也可表示晶格畸变的大小和方向从柏氏回路可知：刃型位错的柏氏矢量与其位错线相垂直,刃位错的重要特征,刃型位错柏氏矢量的确定,从柏氏回路可知：螺型位错的柏氏矢量与其位错线相平行,螺位错的重要特征,位错线,柏氏矢量,螺旋位错柏氏矢量的确定,柏氏矢量的特征：,可判定位错性质：,位错线,柏氏矢量,刃型,位错线,柏氏矢量,螺旋型,描述了晶格畸变总量的大小b与晶体滑移的方向，即指出了滑移后晶体上下部相对位移的大小与方向一条位错线的柏氏矢量是恒定不变的对于一个位错来说，同时包含位错线和柏氏矢量的晶面是潜在的滑移面在外力,作用下，晶体两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的,交线,既不垂直也不平行滑移方向，,而是一条,曲线,，它是,刃型位错与螺旋位错,的混合型，这样的位错称为,混合位错,。

位错线上任意一点，经,矢量分解,后，可分解为,刃位错和螺位错,分量晶体中,位错线的形状,可以是任意的，但位错线上各点的,伯氏矢量,相同，只是各点的,刃型、螺型,分量不同而已4,混合位错（实际晶体中常见）,A处为螺型位错（位错线与b平行）,C处为刃型位错（位错线与b垂直）,AC之间为混合位错,C,b,A,（a）混合位错,A,B,C,b,（b）混合位错分解为刃位错和螺位错示意图,b,螺,位错线,b,混,b,刃,5 位错的性质,已滑移区与未滑移区的边界线就是,位错线位错线不能终止于晶体内部，只能露头于晶体表面或晶界上，或与其它位错线相连接、或自成封闭线.,位错线的连续性柏氏矢量与位错线垂直的位错是刃型位错，分为正、负刃型位错柏氏矢量与位错线平行的位错是螺型位错，分为左、右旋螺位错定义：,单位体积内位错线包含的总长度（或穿过单位截面积的位错线数目）,=l/,V,式中,l,为晶体长度，,n,为位错线数目，,s,晶体截面积一般退火金属晶体中,为10,10,10,12,cm,-2,数量级，经剧烈冷加工的金属晶体中，,为10,15,10,16,cm,-2,，即在cm,3,的金属内含有千百万公里长的位错线！,6 位错密度,位错的存在对金属的力学性能、扩散和相变有重要影响。

金属强度和位错的关系,1理论强度(不含位错),2晶须强度(几乎不含位错的小晶体，变形抗力极高),3未强化纯金属强度（或退火状态）,4合金化、加工硬化或热处理的合金强度,晶体塑性变形抗力与位错密度的关系,位错密度,强度,m,1,2,3,4,晶须中：,=10m/cm,3,位错密度很小,金属铁须晶(直径1.6m)：13400MPa，,退火工业纯铁：300MPa，,强化处理合金钢：2000MPa1)理论上：位错的存在是材料具有,良好塑性变形,的前提；,低密度位错利于强度的提高2)实际中：,位错密度较低时，,则，如：晶须,无工业实际意义,位错密度较高时，,则,工业意义：形变强化、马氏体相变强化,位错的产生,：在金属结晶、塑性变形和相变过程中位错的观察,：X透射电镜等金属强度和位错的关系：,面缺陷,影响表面能的主要因素有：,（1）外部介质的性质 介质不同，表面能不同,（2）裸露晶面的原子密度 密排晶面，表面能小,（3）晶体表面的曲率 曲率半径越小，表面能越大,1 晶体表面,表现形式：,处于晶体表面层原子受力不均，偏离平衡位置，并牵连邻近几层原子产生畸变，表面能升高主要包括晶体外表面和内界面(晶界、亚晶界、相界、堆垛层错)。

指金属与真空或气体、液体等外部介质相接触的界面2 晶界,小角度晶界,晶界与界面能：,晶界,是成分结构相同的同种晶粒间的界面界面上的原子处在断键状态，具有超额能量在界面单位面积上平均的超额能量叫,界面能,对称倾斜晶界,晶界的结构和性质,与相邻晶粒的,取向,差有关，当取向差小于10,o,时，称为小角度晶界它由两个晶粒各倾斜/2构成的一系列,位错组成(或称为位错墙,)根据形成晶界时的,行为,不同，晶界分为,对称倾斜晶界,和,扭转晶界,倾斜晶界,扭转晶界,晶界上的原子排列,由相互交叉的螺旋位错组成,A,B,D,C,大角晶界模型,大角度晶界,相邻晶粒间的,位向差大于10,的晶界大约23个原子厚，原子排列较混乱，结构较复杂，由原子排列紊乱区域与原子排列较整齐区域交替相间而成即在界面上既包含不属于任意晶粒度原子A，也包含同时属于两个晶粒度原子D；既包含有压缩区B，也包含有扩张区C晶粒内部位向差小于2的亚结构，也称亚晶粒，亚,晶之间的界面，称为亚晶界,通常由,位错,构成，,为小角度晶界3 亚晶界,金属中的亚晶组织,金属晶粒内的结构示意图,亚晶界通常由位错构成,亚晶界模型,晶体结构可以看成由许许多多密排晶面按一定顺序堆垛而成。

堆垛层错：是指在实际晶体中,晶面堆垛顺序,发生局部,差错,而产生的一种晶体缺陷4 堆垛层错,面心立方易发生：,正常顺序为ABC ABC ABC,异常顺序可能为ABC AB ABC ABC,引起能量（层错能）升高,原因是：晶体的周期性完整性被破坏，从而引起能量升高奥氏体和,黄铜,中存在大量层错，而,铝,中则看不到层错原因是：,铝的,层错能大，不易产生层错金属材料内部的晶粒,(a)固溶处理的1Cr18Ni9Ti不锈钢中同一类的等轴晶粒（600）,(b)黄铜H62（62%Cu,38%Zn)的两种晶粒（120）,相界,晶界,5 相界,不同晶体结构的两相之间的分界面,完全共格关系的相界,半共格界面示意图,非共格界面示意图,相界面结构类型,:,共格界面、半共格界面、非共格界面共格界面:,界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，为两种晶格所共有完全共格,能量最低，畸变最小，但此相界很少或多或少都存在差异，存在弹性畸变非共格界面：,界面两边原子排列差异很大，弹性畸变大，界面能很高，畸变能高至无法维持共格关系晶界有界面能原因是晶界原子或多或少地偏离平衡位置晶粒越细晶界越多，能量越高，越不稳定在一定的温度下，为降低能量、减少晶界长度，晶粒有长大的趋势。

相变时新相晶核往往优先在界面上形成原因是晶界。