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1、第五节 实际金属的晶体结构与晶体缺陷,一.单晶体与多晶体的基本概念 1.单晶体(single crystal)的特征*晶体由一个晶格排列方位完全一致的晶粒组成。*晶体具有各向异性(aeolotropy)。例如:单晶硅、单晶锗等。,单晶体结构示意图,2.多晶体(polycrystal)的特征,*晶体是由许多颗晶格排列方位不 相同的晶粒组成。*晶体具有各向同性(isotropy)。例如:常用的金属等。,多晶体结构示意图,二.晶体缺陷(crystal defect),点缺陷,线缺陷,面缺陷,点缺陷(point defect),空位(vacancy)间隙原子(gap atom)异类原子(foreign
2、 atom),1.点缺陷 在三维尺度上都很小的的缺陷。,（1）空位 晶格中某结点上没有原子。有利于金属内部原子的扩散。,（2）间隙原子 位于晶格间隙之中的原子叫间隙原子。,（3）异类原子 纯金属中存在的其它元素。异类原子与金属原子的半径接近时,占据晶格的一些结点;,异类原子,提示：点缺陷造成局部晶格畸变,使金属的屈服强度、电阻率增加,密度发生变化。,异类原子的半径比金属原子的半径小得多,位于晶格的空隙中。,点缺陷示意图,2.线缺陷 指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，叫位错。由晶体中原子平面的错动引起。,（1）刃型位错 晶体的一部分出现一个多余的半原子面。如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位
3、错线。这种线缺陷称刃型位错。,半原子面在上面的称正刃型位错。半原子面在下面的称负刃型位错。,（2）螺型位错 晶体右边的上部相对于下部向后错动一个原子间距。晶面发生错动。错动区的原子用线连接起来，成螺旋状。这种线缺陷称螺型位错。,位错的形成 位错能够在金属的结晶、塑性变形和相变等过程中形成。位错可以用透射电镜观察到。,不锈钢中的位错线,位错特点 a.位错导致晶格畸变，产生内应力。对于刃型位错：原子较密区域原子受到压应力。原子较疏区域原子受到拉应力。,b.刃型位错容易吸纳异类原子。原子较密区域吸纳小直径的异类原子。原子较疏区域吸纳大直径的异类原子。,c.位错具有易动性。在外力作用下，位错能产生移动
4、。刃型位错移动的方向与切应力的方向相同。螺型位错移动的方向与切应力的方向垂直。,d.在外力或热的作用下位错移动，正、负刃型位错能够复合而消失。,e.位错可以与间隙原子或空位复合，而使刃型位错半原子面扩大或者缩小。这种现象叫作位错攀移。,提示 位错理论是金属材料强化的重要理论基础。金属材料的许多强化机制都与位错有关。如：固溶强化 细晶强化 形变强化 弥散强化 将在后面的课程中详细介绍。,位错的量：用位错线长度来表示。位错密度：单位体积中位错线的总长度。式中：为位错密度,单位为m-2，L 为位错线总长度,单位为m,V为体积,单位为m3。,位错对性能的影响 金属为理想晶体或含极少量位错时,金属的屈服
5、强度s 很高。当含有一定量的位错时,强度降低。退火金属中位错密度为 1068 cm-2，强度最低。,金属的强度与位错密度的关系,形变加工时,位错密度增加,s 增高。,3.面缺陷 二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。,（2）亚晶界 晶粒由许多位向相差很小的亚晶粒(嵌镶块)组成。亚晶粒之间的位向差只有几秒、几分，最多达12度。亚晶界 亚晶粒之间的边界。亚晶界由位错垂直排列成位错墙构成。,亚晶界,晶界与亚晶界结构示意图,晶界与亚晶界结构示意图,晶界与亚晶界结构示意图,Cu-Ni 合金中的亚结构,晶界、亚晶界对金属的影响 在晶界、亚晶界上，晶格畸变较大，原子处于较高的能量状态。晶界、亚晶界对金属中的许
6、多过程的进行,具有极为重要的作用。,b.晶界处存在较多的空位、位错，容易吸附异类原子，导致某些元素产生晶界偏聚。,a.晶界处原子的平均能量比晶内高，晶粒长大和晶界的平直化可以降低晶界的总能量。因此在高温时，晶粒容易长大。,c.发生相变时，新相往往在母相的晶界处形成。母相晶粒越细，晶界越多，新相晶粒的数目就越多，晶粒也就越细。,d.晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多,晶粒越细,金属的塑性变形能力就越大,塑性越好。,第六节 合金的晶体结构,合金 一种金属元素同另一种或几种其它元素,通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。,组元：组成合金的独立的、最基本的单元。组元可以是金属、
7、非金属元素或稳定化合物。,二元合金：由两个组元组成的合金。如铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。,合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多；某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理、化学性能。合金的应用比纯金属广泛得多。,相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。液态物质为液相。固态物质为固相。,固态合金中有两类基本相：固溶体 金属化合物,一、固溶体,固溶体 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相。溶剂 与固溶体晶格相同的组元溶质 其他另一组元（含量较少）,固溶体用、等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A
8、(B),其中A为溶剂,B为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用表示,亦可表示为Cu(Zn)。,1.固溶体的分类（1）按溶质原子在溶剂晶格中的位置分 置换固溶体:溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子;间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。,置换固溶体 间隙固溶体,（2）按溶质原子在溶剂中的溶解度分 有限固溶体、无限固溶体两种。固溶体中溶质的含量即为固溶体的浓度，用质量分数或摩尔分数表示。在一定温度和压力条件下，溶质在固溶体中的极限浓度即为溶质在固溶体中的溶解度。有限固溶体 超过溶解度有其它相形成。无限固溶体 溶质可以任意比例溶入，即溶质溶解度可达100%。,（3）按溶质原子在
9、固溶体中分布有否规律分 无序固溶体：溶质原子无规则分布 有序固溶体：溶质原子规则分布,无序固溶体,有序固溶体,有序化转变：在一定条件下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体。,2.固溶体的性能 固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。,通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。,固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。,如：纯铜的b为220 MPa,硬度为40 HB,断面收缩率为70%。当加入1%的镍形成单相固溶体后,强度升高到390
10、 MPa,硬度升高到70 HB,而断面收缩率仍有50%。,固溶体综合机械性能很好,常作为结构合金的基体相。固溶体与纯金属相比,物理性能有较大的变化,如电阻率上升,导电率下降,磁矫顽力增大。,二、金属化合物,合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物,或称中间相。,金属化合物一般熔点较高,硬度高,脆性大。合金中含有金属化合物时,强度、硬度和耐磨性提高,而塑性和韧性降低。,1.正常价化合物 严格遵守化合价规律的化合物。由元素周期表中相距较远、电负性相差较大的两元素组成，可用确定的化学式表示。大多数金属和A族、族、A族元素生成Mg2Si、Mg2Sb3、Mg2Sn、Cu
11、2Se、ZnS、AlP及-SiC等。性能特点是硬度高、脆性大。,2.电子化合物 不遵守化合价规律但符合于一定电子浓度(化合物中价电子数与原子数之比)的化合物叫做电子化合物。由B族或过渡族元素与B族、A族、A族、A族元素所组成。一定电子浓度的化合物相应有确定的晶体结构,并且还可溶解其组元,形成以电子化合物为基的固溶体。,生成电子化合物时,元素每个原子所贡献的价电子数：Au、Ag、Cu为1个 Be、Mg、Zn为2个 Al为3个 Fe、Ni为0个,Cu-Zn合金中电子化合物：,性能：主要以金属键结合,具有明显的金属特性,导电，熔点和硬度较高，但塑性较差，有色金属中重要的强化相。,CuZn 体心立方晶
12、格，电子浓度21/14（3/2）Cu5Zn8 复杂立方晶格，电子浓度21/13CuZn3 密排六方晶格，电子浓度21/12（7/4）,3.间隙化合物 由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。,性能：具有金属特性，有极高的熔点和硬度,非常稳定。提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。,（2）复杂结构的间隙化合物 当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。如钢中的Fe3C、Fe4W2C、Cr7C3、FeB等。,复杂结构的间隙化合物(Fe3C),Fe3C具有复杂的晶体结构。铁原子可以部分地被Mn、Cr等金属原子置换,形成以间隙化合物为基的固溶体,如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C。,性能：具有很高的熔点和硬度,但比间隙相稍低些。在钢中起强化相作用。,
