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1、第一章 纯金属的晶体结构第1页，共102页，编辑于2022年，星期二化学元素周期表化学元素周期表第2页，共102页，编辑于2022年，星期二金属键模型金属键模型金属原子越靠近，相互作用越强。金属原子越靠近，相互作用越强。电子气电子气第3页，共102页，编辑于2022年，星期二金属塑性金属塑性发生塑性变形时，金属键并未破坏发生塑性变形时，金属键并未破坏第4页，共102页，编辑于2022年，星期二利用金属键的性质解释金属的特性。利用金属键的性质解释金属的特性。三、金属的结合能三、金属的结合能1 1、金属的结合能、金属的结合能2 2、双原子作用模型、双原子作用模型 相邻二原子之间便发生两种相互作用；
2、一种相邻二原子之间便发生两种相互作用；一种是相互吸引作用，另一种是相互排斥作用，是相互吸引作用，另一种是相互排斥作用，促使原子彼此离开。排斥力是一种短程力；促使原子彼此离开。排斥力是一种短程力；而吸引力是一种长程力，两者的大小与两个而吸引力是一种长程力，两者的大小与两个原子间的距离原子间的距离D D有关。有关。第5页，共102页，编辑于2022年，星期二双原子作用模型双原子作用模型势能势能平衡位置平衡位置平衡距离平衡距离热振动热振动第6页，共102页，编辑于2022年，星期二周期势场周期势场 势谷势谷 势垒势垒 激活能激活能 势垒高度势垒高度第7页，共102页，编辑于2022年，星期二结合能结
3、合能原原子子间间的的结结合合力力就就是是由由吸吸引引力力与与排排斥斥力力合合成成的的。同同样样的，原子间的结合能也是由吸引能与排斥能合成的。的，原子间的结合能也是由吸引能与排斥能合成的。固固体体的的键键合合强强度度可可以以用用其其结结合合能能来来标标志志，它它就就等等于于将将晶晶态态拆拆散散为为等等量量的的中中性性原原子子状状态态所所需需要要吸吸收收的的能能量量，也就是实验测定的升华热。也就是实验测定的升华热。范德瓦耳斯键的结合能最低，一般的金属晶体与共价范德瓦耳斯键的结合能最低，一般的金属晶体与共价晶体的结合能是同一数量级，过渡金属的结合能最高。晶体的结合能是同一数量级，过渡金属的结合能最高
4、。第8页，共102页，编辑于2022年，星期二12 12 金属晶体金属晶体 一、晶体的特点一、晶体的特点晶体具有下列特点：晶体具有下列特点：第一、第一、原子在三维空间都是按一定规律整齐原子在三维空间都是按一定规律整齐排列的。而非晶体中原子则是杂乱地分布着。排列的。而非晶体中原子则是杂乱地分布着。第二、第二、晶体具有一定熔点，非晶体则没有。晶体具有一定熔点，非晶体则没有。第第三三、晶晶体体的的性性能能具具有有各各向向异异性性，非非晶晶体体是是各向同性的。各向同性的。第四、第四、许多晶体具有规则的几何外形。许多晶体具有规则的几何外形。第9页，共102页，编辑于2022年，星期二1 1 金属晶体金属
5、晶体第10页，共102页，编辑于2022年，星期二NaClNaCl等同点等同点NaNa+是一类等同点是一类等同点ClCl是另一类等同点是另一类等同点晶体结构中各类等同晶体结构中各类等同点所构成的几何图形点所构成的几何图形是相同的。是相同的。第11页，共102页，编辑于2022年，星期二空间点阵空间点阵结点结点空间点阵（点阵）空间点阵（点阵）晶格晶格元胞（阵胞）元胞（阵胞）晶胞晶胞如果只是为了表达空间点阵的周期性，则应该选取如果只是为了表达空间点阵的周期性，则应该选取最小的平行六面体作为单位阵胞。最小的平行六面体作为单位阵胞。第12页，共102页，编辑于2022年，星期二二维阵胞二维阵胞第13页
6、，共102页，编辑于2022年，星期二晶胞晶胞棱棱 棱面夹角棱面夹角晶轴晶轴 晶胞常数（点阵常数）晶胞常数（点阵常数）晶轴间夹角晶轴间夹角结点数结点数 结点坐标结点坐标第14页，共102页，编辑于2022年，星期二复杂阵胞复杂阵胞为了同时反映空间点阵的对称性和周期性，为了同时反映空间点阵的对称性和周期性，须选取比简单阵胞更大的复杂阵胞。结点即须选取比简单阵胞更大的复杂阵胞。结点即可以在顶点处，也可以在体心和面心处可以在顶点处，也可以在体心和面心处。复杂阵胞的条件复杂阵胞的条件：1 1、同时反映空间点阵的对称性和周期性、同时反映空间点阵的对称性和周期性2 2、尽可能多的直角、尽可能多的直角3 3
7、、体积最小、体积最小第15页，共102页，编辑于2022年，星期二布拉菲点阵布拉菲点阵 四类点阵四类点阵根据结点在阵胞中的位置不同，可将根据结点在阵胞中的位置不同，可将1414种种BravaisBravais点阵点阵分为四类：分为四类：1.1.简单点阵简单点阵 P P 2.2.底心点阵，底心点阵，C C3.3.体心点阵体心点阵 I I4.4.面心点阵面心点阵 F F第16页，共102页，编辑于2022年，星期二七个晶系七个晶系根据点阵常数的不同，可将晶体点阵分为七个晶系。根据点阵常数的不同，可将晶体点阵分为七个晶系。1 1、立方晶系、立方晶系 P P，I I，F F 2 2、正方晶系、正方晶系
8、 P P，I I3 3、斜方晶系、斜方晶系 P P，I I，C C，F F4 4、菱方晶系、菱方晶系 R R 5 5、六方晶系、六方晶系 P P 6 6、单斜晶系、单斜晶系 P P，I I 7 7、三斜晶系、三斜晶系 第17页，共102页，编辑于2022年，星期二第18页，共102页，编辑于2022年，星期二第19页，共102页，编辑于2022年，星期二课上习题课上习题1 1、画出体心立方、面心立方点阵示意图。、画出体心立方、面心立方点阵示意图。并标出结点的个数和坐标。并标出结点的个数和坐标。2 2、画出底心斜方点阵示意图。并标出结点、画出底心斜方点阵示意图。并标出结点的个数和坐标的个数和坐标
9、第20页，共102页，编辑于2022年，星期二二、晶面指数和晶向指数二、晶面指数和晶向指数 晶面晶面晶向晶向晶面指数晶面指数晶向指数晶向指数空间点阵中的结点平面和空间点阵中的结点平面和结点直线相当于晶体结构结点直线相当于晶体结构中的晶面和晶向。中的晶面和晶向。第21页，共102页，编辑于2022年，星期二1 1、立方晶格的晶面指数、立方晶格的晶面指数确定立方晶格的晶面指数的步骤如下：确定立方晶格的晶面指数的步骤如下：1 1、设坐标、设坐标 2 2、求截距、求截距 3 3、取倒数、取倒数 4 4、化整数、化整数 5 5、列括号、列括号 晶面组晶面组 晶面族晶面族立方晶系中的晶面族：立方晶系中的晶
10、面族：1001003 3个；个；111 111 4 42 2个；个；1101106 62 2个个在同一晶体中的不同晶面上原子分布状况及排在同一晶体中的不同晶面上原子分布状况及排列列紧紧密程度是不同的密程度是不同的第22页，共102页，编辑于2022年，星期二晶面指数晶面指数第23页，共102页，编辑于2022年，星期二晶面指数晶面指数第24页，共102页，编辑于2022年，星期二晶面指数晶面指数第25页，共102页，编辑于2022年，星期二课上习题图中给出立方晶体的图中给出立方晶体的4 4个晶个晶 面，求晶面指数。面，求晶面指数。第26页，共102页，编辑于2022年，星期二2 2、立方晶格的
11、晶向指数、立方晶格的晶向指数 确立立方晶格的晶向指数方法如下：确立立方晶格的晶向指数方法如下：（1 1）设坐标；（）设坐标；（2 2）求坐标值；）求坐标值；（3 3）化整数；（）化整数；（4 4）列括号）列括号晶向指数还具有以下规律：晶向指数还具有以下规律：（1 1）当晶向指数都乘以负号时，其晶向的方）当晶向指数都乘以负号时，其晶向的方向相反。向相反。（2 2）所有相互平行的晶向，其晶向指数相同。）所有相互平行的晶向，其晶向指数相同。（3 3）晶向族，用）晶向族，用表示。表示。（4 4）在立方晶格中，如果晶面指数和晶向指）在立方晶格中，如果晶面指数和晶向指数的数字相同，则彼此相互垂直。数的数字
12、相同，则彼此相互垂直。第27页，共102页，编辑于2022年，星期二第28页，共102页，编辑于2022年，星期二课上习题课上习题求出图中所示各晶向求出图中所示各晶向P P的晶向指数的晶向指数第29页，共102页，编辑于2022年，星期二3 3、六方晶格、六方晶格（1 1）晶面指数）晶面指数三轴坐标系中六个侧面的指数为（三轴坐标系中六个侧面的指数为（010010）（）（1 11010）（）（1 10000）（）（0 01 10 0）（1 11 10 0）（）（100100）。而在四轴坐标中，为（而在四轴坐标中，为（01011 10 0）（）（1 1100100）（1 1010010）（）（0
13、01 11010）（）（1 11 10000）（）（10101 10 0）（hkil)hkil)其中其中I I-(h+k)-(h+k)1 1代表的是代表的是负负指数。指数。(2)(2)晶向指数晶向指数O OM和和ON在三轴中的坐标是（在三轴中的坐标是（011）（210）第30页，共102页，编辑于2022年，星期二uvtw与与UVW的关系：的关系：第31页，共102页，编辑于2022年，星期二13 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构一、三种晶体结构的特点一、三种晶体结构的特点、体心立方晶格；、体心立方晶格；2、面心立方晶格、面心立方晶格3、密排六方晶格密排六方晶格二、表明晶体结构特征的参数二、表
14、明晶体结构特征的参数1、晶胞中的原子数、晶胞中的原子数2、原子半径和原子体积、原子半径和原子体积 3、配位数与致密度配位数与致密度 4 4、晶体结构的间隙数、晶体结构的间隙数三、三种晶体结构中原子的堆垛规律三、三种晶体结构中原子的堆垛规律第32页，共102页，编辑于2022年，星期二三种晶体结构三种晶体结构第33页，共102页，编辑于2022年，星期二表明晶体结构特征的参数表明晶体结构特征的参数第34页，共102页，编辑于2022年，星期二体心立方体心立方晶体中的原子数晶体中的原子数2原子半径原子半径：原子体积：原子体积：配位数：配位数：8致密度：致密度：0.68八面体间隙半径：八面体间隙半径
15、：0.067a,6个个四面体间隙半径：四面体间隙半径：0.126a，12个个第35页，共102页，编辑于2022年，星期二体心立方间隙体心立方间隙体心立方体心立方第36页，共102页，编辑于2022年，星期二4.晶胞中晶胞中四四面体空隙面体空隙 代表四面体空隙，位置在代表四面体空隙，位置在6个面的如图所示位置。个面的如图所示位置。个数个数=641/2=12123456第37页，共102页，编辑于2022年，星期二4.晶胞中晶胞中八八面体空隙面体空隙 代表八面体空隙，位置在代表八面体空隙，位置在6个面的中心，个面的中心，12棱的中棱的中心。个数心。个数=61/2+121/4=6第38页，共102
16、页，编辑于2022年，星期二面心立方晶格面心立方晶格第39页，共102页，编辑于2022年，星期二面心立方间隙面心立方间隙八面体：八面体：0.146a4个个四面体：四面体：0.08a,8个个第40页，共102页，编辑于2022年，星期二5.晶胞中四面体空隙和八面体空隙晶胞中四面体空隙和八面体空隙八面体空隙个数八面体空隙个数=121/4+1=4四面体空隙个数四面体空隙个数=8第41页，共102页，编辑于2022年，星期二密排六方间隙密排六方间隙第42页，共102页，编辑于2022年，星期二密排六方间隙密排六方间隙第43页，共102页，编辑于2022年，星期二三、三种晶体结构中原子的堆垛规律三、三
17、种晶体结构中原子的堆垛规律密排面密排面第44页，共102页，编辑于2022年，星期二体心的堆积体心的堆积第45页，共102页，编辑于2022年，星期二密堆方式密堆方式第46页，共102页，编辑于2022年，星期二二层密堆二层密堆第47页，共102页，编辑于2022年，星期二ABCABC堆积堆积第48页，共102页，编辑于2022年，星期二ABAB堆积堆积第49页，共102页，编辑于2022年，星期二A1：立方体的体对角线方向，共：立方体的体对角线方向，共4条，故有条，故有4个密堆积方向，易向不同方向滑动，而个密堆积方向，易向不同方向滑动，而具具有良好的延展性有良好的延展性。如。如Cu.A3：只
18、有一个方向，即六方晶胞的：只有一个方向，即六方晶胞的C轴方向轴方向，延展性差，较脆，如，延展性差，较脆，如Mg.A1、A3型堆积的不同型堆积的不同两种密堆结构的比较两种密堆结构的比较第50页，共102页，编辑于2022年，星期二四、晶体的各向异性及同素异构转变四、晶体的各向异性及同素异构转变 晶体的伪各向同性晶体的伪各向同性2、晶体的同素异构转变、晶体的同素异构转变同素异构体同素异构体重结晶过程重结晶过程规律：规律：有一定的转变温度；转变时需要过冷有一定的转变温度；转变时需要过冷（或过热）；有结晶潜热产生；转变过程也（或过热）；有结晶潜热产生；转变过程也是由形核及核长大来完成的。是由形核及核长
19、大来完成的。第51页，共102页，编辑于2022年，星期二铁的同素异构转变Fe第52页，共102页，编辑于2022年，星期二 14 14 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构二、金属实际晶体结构二、金属实际晶体结构 一、金属晶体是多晶体一、金属晶体是多晶体金属材料都是由尺寸大小金属材料都是由尺寸大小不等，晶体结构相同、不等，晶体结构相同、空间结晶方位不同的单空间结晶方位不同的单晶体（晶粒）组成的，晶体（晶粒）组成的，单晶体（晶粒）之间由单晶体（晶粒）之间由界面相隔开。界面相隔开。第53页，共102页，编辑于2022年，星期二纯铁的显微组织纯铁的显微组织第54页，共102页，编辑于2022年，星
20、期二点缺陷点缺陷空位与间隙原子造成晶格畸空位与间隙原子造成晶格畸变变第55页，共102页，编辑于2022年，星期二置换原子造成晶格畸变置换原子造成晶格畸变第56页，共102页，编辑于2022年，星期二能量起伏能量起伏 晶格畸变晶格畸变空位和间隙原子的形成是热运动的必然结果空位和间隙原子的形成是热运动的必然结果。晶格畸变：畸变的结果将导致能量的升高，从而也促进了晶格畸变：畸变的结果将导致能量的升高，从而也促进了晶体组织的转变。另外畸变也使晶体的强度、硬度和电阻晶体组织的转变。另外畸变也使晶体的强度、硬度和电阻增加。增加。第57页，共102页，编辑于2022年，星期二点缺陷是一种热力学平衡缺陷点缺
21、陷是一种热力学平衡缺陷从热力学中己知，一个过程是否能够自发进行，取决于从热力学中己知，一个过程是否能够自发进行，取决于体系的吉布斯自由能的变化。体系的吉布斯自由能的变化。G0。GU+PVTS。在固态的条件下，体积的变化。在固态的条件下，体积的变化V常常可以忽略不计，因此可以近似地认为：常常可以忽略不计，因此可以近似地认为：GUTSF假设在一个有假设在一个有N N个原子的理想晶体中，引入个原子的理想晶体中，引入n n个空位内个空位内能将增加能将增加nUv。第58页，共102页，编辑于2022年，星期二点缺陷是一种热力学平衡缺陷点缺陷是一种热力学平衡缺陷另一方面，另一方面，n n个空位的形成也引起
22、了体系熵值的变化，熵个空位的形成也引起了体系熵值的变化，熵变可分为两部分，一部分叫排列熵变可分为两部分，一部分叫排列熵 ScKln （3）第59页，共102页，编辑于2022年，星期二结构熵结构熵振动熵振动熵第60页，共102页，编辑于2022年，星期二结论：结论：空位是一种热力学平衡的缺陷。空位是一种热力学平衡的缺陷。是在一定的温度下，晶体中总是会存在着一定数量是在一定的温度下，晶体中总是会存在着一定数量的空位，这时体系的能量处于最低的状态。的空位，这时体系的能量处于最低的状态。具有平衡空位浓度的晶体比理想晶体在热力学上更为具有平衡空位浓度的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定稳定。第61页，共
23、102页，编辑于2022年，星期二图示图示第62页，共102页，编辑于2022年，星期二性质性质空位和间隙原子的浓度是随温度升高而急剧增加。空位和间隙原子的浓度是随温度升高而急剧增加。空位是以较可观的数目存在，而间隙原子的数目很少空位是以较可观的数目存在，而间隙原子的数目很少 空位和间隙原子处于不断的运动和变化之中。空位和间隙原子处于不断的运动和变化之中。空位、间隙原子和置换原子的运动，是金属中原子扩空位、间隙原子和置换原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式。散的主要方式。造造成成过过饱饱和和点点缺缺陷陷的的主主要要有有3 3个个方方面面因因素素；(1)(1)高高温温激激冷；冷；(2)(2)大
24、量的冷变形；大量的冷变形；(3)(3)高能粒子辐照。高能粒子辐照。第63页，共102页，编辑于2022年，星期二点缺陷对金属的性能的影响点缺陷对金属的性能的影响 (1)(1)使电阻增大，使电阻增大，(2)(2)、点缺陷的增加还使金属的密度下、点缺陷的增加还使金属的密度下降；降；(3)(3)过饱和的点缺陷可提高金属的屈服强度；过饱和的点缺陷可提高金属的屈服强度；固溶强化(4)(4)空位对于金属中以扩散为基本过程的许多现象有重要的空位对于金属中以扩散为基本过程的许多现象有重要的影响，特别是在高温条件下，例如高温氧化、烧结、表面影响，特别是在高温条件下，例如高温氧化、烧结、表面化学热处理，以及均匀化
25、退火等等化学热处理，以及均匀化退火等等。第64页，共102页，编辑于2022年，星期二(二）、线缺陷二）、线缺陷金属晶体中的线缺陷就是位错。位错就是晶体中的一列或金属晶体中的线缺陷就是位错。位错就是晶体中的一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。它的宽度大约是若干列原子发生了有规律的错排现象。它的宽度大约是3 35 5个原子间距。而位错的长度一般是几百个到几万个原个原子间距。而位错的长度一般是几百个到几万个原子间距。宽度和长度比较起来小得很多很多，因而称子间距。宽度和长度比较起来小得很多很多，因而称为线缺陷。为线缺陷。两种类型：刃型位错，螺型位错。两种类型：刃型位错，螺型位错。第65页，共10
26、2页，编辑于2022年，星期二刃型位错刃型位错弹性应力场弹性应力场压应力压应力拉应力拉应力第66页，共102页，编辑于2022年，星期二刃型位错造成金属的强化刃型位错造成金属的强化刃型位错的应力场会与间隙原子和置换原子发生弹性相互作用，刃型位错的应力场会与间隙原子和置换原子发生弹性相互作用，吸引这些原子向位错区偏聚。小的间隙原子，如钢铁中的碳、吸引这些原子向位错区偏聚。小的间隙原子，如钢铁中的碳、氮原子，往往钻入位错管道；置换原子则富集在位错管道周围。氮原子，往往钻入位错管道；置换原子则富集在位错管道周围。这样会降低晶格畸变能，同时使位错难以运动，因而造成金属这样会降低晶格畸变能，同时使位错难
27、以运动，因而造成金属的强化的强化。第67页，共102页，编辑于2022年，星期二位错与缺陷的作用示意图位错与缺陷的作用示意图第68页，共102页，编辑于2022年，星期二螺型位错螺型位错螺型位错周围的螺型位错周围的弹性应力场呈弹性应力场呈轴对称分布轴对称分布右右螺型位错螺型位错左左螺型位错螺型位错第69页，共102页，编辑于2022年，星期二第70页，共102页，编辑于2022年，星期二螺型位错螺型位错第71页，共102页，编辑于2022年，星期二混合型位混合型位错错 刃型位错和螺刃型位错和螺型位错混合而型位错混合而成的成的 第72页，共102页，编辑于2022年，星期二钼中的六角位错网络钼中
28、的六角位错网络第73页，共102页，编辑于2022年，星期二柏氏向量柏氏向量在切应力作用下，位错线很容易沿滑移面运动。一根位错线扫在切应力作用下，位错线很容易沿滑移面运动。一根位错线扫过滑移面，滑移面两边的原子就相对移动一个原子间距。大量过滑移面，滑移面两边的原子就相对移动一个原子间距。大量位错扫过滑移面，就造成晶体的宏观切变。位错扫过滑移面，就造成晶体的宏观切变。柏氏向量的方向就是原子移动的方向，也就是晶体滑移的方向。柏氏向量的方向就是原子移动的方向，也就是晶体滑移的方向。柏氏向量的大小就是原子移动的距离。它总是由一个平衡位置指柏氏向量的大小就是原子移动的距离。它总是由一个平衡位置指向另一个
29、平衡位置向另一个平衡位置,而不能是任意的方向和大小。而不能是任意的方向和大小。每一根位错线都有自己的柏氏向量。每一根位错线都有自己的柏氏向量。第74页，共102页，编辑于2022年，星期二柏氏向量确定的步骤柏氏向量确定的步骤（1 1）规定位错线的正方向。是任意选定的。）规定位错线的正方向。是任意选定的。（2 2）作垂直于位错线的平面。）作垂直于位错线的平面。（3 3）在在这这个个平平面面上上沿沿相相互互垂垂直直的的四四个个方方向向各各移移动动同同样样的的步步数数，作作出出围围绕绕位位错错的的回回路路。当当沿沿位位错错的的正正方方向向朝朝前前看看时时，按按顺顺时时针针方向进行。这种回路通常称为柏
30、氏回路。方向进行。这种回路通常称为柏氏回路。（4 4）回回路路不不封封闭闭时时就就表表明明存存在在着着位位错错。柏柏氏氏矢矢量量就就是是闭闭合合回回路路所所需需要要的的矢矢量量（图图中中b b所所表表示示的的矢矢量量）。柏柏氏氏矢矢量量等等于于滑滑移移矢矢量量。位错在柏氏矢量方向上的运动称为滑移运动。位错在柏氏矢量方向上的运动称为滑移运动。第75页，共102页，编辑于2022年，星期二柏氏向量确定示意图柏氏向量确定示意图单位位错单位位错简单立方结构简单立方结构 111111方向，方向，b=a100)|b|b=a100)|b|a a面心立方：面心立方：方向方向 大小是大小是体心立方：体心立方：方
31、向方向 大小是大小是第76页，共102页，编辑于2022年，星期二位错的运动位错的运动位错沿滑移面运动时，尽管位错线的形状和类型可能改变，位错沿滑移面运动时，尽管位错线的形状和类型可能改变，但是它的柏氏向量恒定不变。但是它的柏氏向量恒定不变。无论是何种位错，都有一个共同特点，就是：在位错的无论是何种位错，都有一个共同特点，就是：在位错的一边是已滑移区，另一边是未滑移区。位错就是已滑移一边是已滑移区，另一边是未滑移区。位错就是已滑移区和未滑移区上的边界线。区和未滑移区上的边界线。位错密度：位错密度：式中式中VV晶体的体积；晶体的体积；SS体积为体积为V V的晶体中位错线的总长的晶体中位错线的总长
32、度。度。一般经过适当退火的多晶体金属中，位错密度为一般经过适当退火的多晶体金属中，位错密度为10106 610108 8；超纯单晶体金属，其位错密度很低；超纯单晶体金属，其位错密度很低(10(103 3)。而经剧烈冷。而经剧烈冷变形金属，位错密度可增至变形金属，位错密度可增至1010111110101212。第77页，共102页，编辑于2022年，星期二位错对金属材料性能的影响位错对金属材料性能的影响（1 1）位位错错的的运运动动及及分分布布，可可以以引引起起晶晶体体的的宏宏观观范范性性形形变。变。（2 2）晶晶须须中中不不含含有有位位错错，不不易易塑塑性性变变形形，故故强强度度很很高高。而一
33、般金属中含有位错，易于塑性变形，故强度低。而一般金属中含有位错，易于塑性变形，故强度低。（3 3）如如果果金金属属晶晶体体中中位位错错密密度度很很高高，由由于于位位错错之之间间的的相相互作用和制约，金属的强度也可以提高。互作用和制约，金属的强度也可以提高。（4 4）晶体中的位错并不是固定不变的，当晶体中的原子发生）晶体中的位错并不是固定不变的，当晶体中的原子发生热运动或晶体受外力作用而发生塑性变形时，位错就可以从热运动或晶体受外力作用而发生塑性变形时，位错就可以从在晶体内运动。在晶体内运动。第78页，共102页，编辑于2022年，星期二（三）面缺陷（三）面缺陷晶体的面缺陷包括晶体的外表面和晶体
34、内部的晶粒间晶体的面缺陷包括晶体的外表面和晶体内部的晶粒间界、亚晶界、相界等，后几种又称为晶体的内表面。界、亚晶界、相界等，后几种又称为晶体的内表面。（1 1）晶体的外表面）晶体的外表面：（1 1）涉及几个原子层，这几层能量高的原子层都属于表面）涉及几个原子层，这几层能量高的原子层都属于表面。（2 2）表面能）表面能 ：在数值上，表面能等于表面张力。：在数值上，表面能等于表面张力。金属表面能与晶体结构有关。表面原子排列越紧密越金属表面能与晶体结构有关。表面原子排列越紧密越平整，其表面能越低。另外，表面能还与表面曲率有平整，其表面能越低。另外，表面能还与表面曲率有关。表面曲率越大，即曲率半径越小
35、，表面能越高。关。表面曲率越大，即曲率半径越小，表面能越高。这些特点对于金属的结晶和固态相变有着重要的作用。这些特点对于金属的结晶和固态相变有着重要的作用。第79页，共102页，编辑于2022年，星期二晶体的内表面晶体的内表面晶界的厚度，取决于相邻晶粒之间的位向差以及金属晶界的厚度，取决于相邻晶粒之间的位向差以及金属的纯度。位向差越小，纯度越高，晶界层越薄。的纯度。位向差越小，纯度越高，晶界层越薄。相邻晶粒位向差小于相邻晶粒位向差小于100的晶界，称的晶界，称小角度晶界小角度晶界；相邻；相邻位向差大于位向差大于100的晶界，称为的晶界，称为大角度晶界大角度晶界。第80页，共102页，编辑于20
36、22年，星期二界面能界面能第81页，共102页，编辑于2022年，星期二大角度晶界示意图大角度晶界示意图晶界界面能很低重合位置点阵模晶界界面能很低重合位置点阵模型型 第82页，共102页，编辑于2022年，星期二界面的性质界面的性质（A A）、表面和晶界具有吸附和偏聚杂质原子的作用。）、表面和晶界具有吸附和偏聚杂质原子的作用。（B B）晶界具有较高的强度和硬度。因此，晶粒越细，金）晶界具有较高的强度和硬度。因此，晶粒越细，金属的强度、硬度也就越高。属的强度、硬度也就越高。(C)(C)晶界的熔点较低。晶界的熔点较低。(D)(D)发生相变时，新相往往首先在母相的晶界上形核。发生相变时，新相往往首先
37、在母相的晶界上形核。（E E）晶界总比晶粒内部的腐蚀速度要快。）晶界总比晶粒内部的腐蚀速度要快。(F)(F)晶界的电阻高于晶粒内部。晶界的电阻高于晶粒内部。（G G）晶界上扩散速度要比晶粒内部快。）晶界上扩散速度要比晶粒内部快。（H H）当温度升高、原子动能增大时，就能促使晶粒的长）当温度升高、原子动能增大时，就能促使晶粒的长大大。第83页，共102页，编辑于2022年，星期二亚晶界亚晶界实际晶体的晶粒内部，存在许多尺寸很小，位向差很小（一般是几十实际晶体的晶粒内部，存在许多尺寸很小，位向差很小（一般是几十分到分到1 10 02 20 0）的小晶块，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块）的小晶块
38、，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为称为亚结构亚结构（或称为（或称为亚晶、嵌镶块亚晶、嵌镶块）。在亚结构的内部，原子的）。在亚结构的内部，原子的排列位向是一致的排列位向是一致的 亚晶界亚晶界 总结：总结：金属的实际晶体结构不是理想完整的，存在各种各样的金属的实际晶体结构不是理想完整的，存在各种各样的晶体缺陷。它是非常重要的，金属中许多重要过程，都是依靠晶体缺陷。它是非常重要的，金属中许多重要过程，都是依靠晶体缺陷的运动来完成的；金属许多性能都与晶体缺陷有关。晶体缺陷的运动来完成的；金属许多性能都与晶体缺陷有关。所以要正确认识晶体缺陷。所以要正确认识晶体缺陷。第84页，共102页，编辑于20
39、22年，星期二15 15 金属晶体中的扩散金属晶体中的扩散 一、概述一、概述（一）、扩散的实质（一）、扩散的实质固体扩散的微观过程固体扩散的微观过程：金属晶体的扩散是原子的热激活过程，依靠金属晶体的扩散是原子的热激活过程，依靠原子的热运动来完成。原子的热运动来完成。扩散推动力扩散推动力大大量量原原子子无无序序跃跃迁迁的的统统计计结结果果，就就造造成成物物质质的定向迁移，即发生扩散。的定向迁移，即发生扩散。第85页，共102页，编辑于2022年，星期二（二）金属晶体扩散的条件（二）金属晶体扩散的条件1 1、温度要足够高、温度要足够高 2.2.时间要足够长。时间要足够长。例例如如，向向钢钢中中渗渗
40、碳碳，渗渗碳碳层层达达到到0.8mm0.8mm时时，需需要要长长达达8 81010小时才能完成。小时才能完成。3 3扩散原子要固溶扩散原子要固溶4 4、扩散要有推动力、扩散要有推动力 第86页，共102页，编辑于2022年，星期二扩散推动力扩散推动力ABB A第87页，共102页，编辑于2022年，星期二扩散推动力扩散推动力扩散推动力的作用，就在于使对称的周期势场向自由扩散推动力的作用，就在于使对称的周期势场向自由能降低方向倾斜，因此造成原子正向与反向跃迁几率能降低方向倾斜，因此造成原子正向与反向跃迁几率不相等，从而发生扩散。所以扩散要有推动力。不相等，从而发生扩散。所以扩散要有推动力。扩散的
41、推动力可以是浓度梯度造成的化学自由能差，也可扩散的推动力可以是浓度梯度造成的化学自由能差，也可是应力梯度造成的应变自由能差，还可以是表面自由能差。是应力梯度造成的应变自由能差，还可以是表面自由能差。总之，扩散推动力是自由能差，扩散总是向自由能降低的总之，扩散推动力是自由能差，扩散总是向自由能降低的方向进行。方向进行。第88页，共102页，编辑于2022年，星期二（三）、金属晶体扩散分类（三）、金属晶体扩散分类 晶体扩散两类：一类是互扩散、另一类是自扩散。晶体扩散两类：一类是互扩散、另一类是自扩散。互互扩扩散散就就是是伴伴有有浓浓度度变变化化的的扩扩散散，它它与与异异类类原原子子的的浓浓度度差差
42、相相关关。在在互互扩扩散散过过程程中中，异异类类原原子子相相对对扩扩散散，互互相相渗渗透透，所所以以又又叫叫作作“异异扩扩散散”或或“化化学学扩扩散散”。互互扩扩散散总总是是在在不不均匀固溶体中进行的。均匀固溶体中进行的。互扩散又可分为互扩散又可分为“下坡扩散下坡扩散”和和“上坡扩散上坡扩散”两种。两种。下坡扩散是沿着浓度降低方向进行的扩散，使浓度趋于下坡扩散是沿着浓度降低方向进行的扩散，使浓度趋于均匀化。上坡扩散则是沿着浓度升高方向进行的扩散，均匀化。上坡扩散则是沿着浓度升高方向进行的扩散，即由低浓度向高浓度方向扩散，使浓度发生两极分化。即由低浓度向高浓度方向扩散，使浓度发生两极分化。第89
43、页，共102页，编辑于2022年，星期二硅钢中的上坡扩散硅钢中的上坡扩散第90页，共102页，编辑于2022年，星期二应力作用下的上坡扩散应力作用下的上坡扩散第91页，共102页，编辑于2022年，星期二自扩散自扩散互互扩扩散散还还可可分分为为“原原子子扩扩散散”与与“反反应应扩扩散散”两两种种。如如果果在在扩扩散散过过程程中中，基基体体晶晶格格始始终终不不变变，没没有有新新相相产产生生，这这种种扩扩散散就就称称为为原原子子扩扩散散。反反之之，在在扩扩散散过过程程中中，当当浓浓度度变变化化到到一一定定值值时时，引引起起基基体体晶晶格格转转变变，形形成成新新相，这种扩散称为相，这种扩散称为反应扩
44、散反应扩散。自扩散就是不伴有浓度变化的扩散，它与浓度梯度无关。自扩散就是不伴有浓度变化的扩散，它与浓度梯度无关。自扩散只发生在纯金属中和均匀固溶体中。自扩散只发生在纯金属中和均匀固溶体中。固态扩散是在自由能差推动下，依靠原子的热激活而进行固态扩散是在自由能差推动下，依靠原子的热激活而进行的物质迁移过程。物质总是向自由能降低的方向扩散。的物质迁移过程。物质总是向自由能降低的方向扩散。第92页，共102页，编辑于2022年，星期二二、扩散机理二、扩散机理所谓扩散机理，就是扩散原子在晶体点阵中换位的具体方式。所谓扩散机理，就是扩散原子在晶体点阵中换位的具体方式。1 1、间隙扩散机理间隙扩散机理 2
45、2、空位扩散机理、空位扩散机理 3 3、换位扩散机理、换位扩散机理 4 4、位错扩散机理、位错扩散机理5 5、晶界扩散机理、晶界扩散机理6 6、表面扩散机理、表面扩散机理扩散激活能扩散激活能第93页，共102页，编辑于2022年，星期二扩散激活能扩散激活能固固态态金金属属中中的的扩扩散散主主要要是是借借助助晶晶体体缺缺陷陷来来进进行行的的，如如果果没没有有各各种种晶晶体体缺缺陷陷存存在在，金金属属原原子子的的扩扩散散要要困困难难多多，甚甚至是难以进行的。至是难以进行的。第94页，共102页，编辑于2022年，星期二三、扩散定律三、扩散定律扩散定律又叫菲克定律，第一定律用于稳定态扩散，扩散定律又
46、叫菲克定律，第一定律用于稳定态扩散，第二定律用于非稳定态扩散。第二定律用于非稳定态扩散。稳定扩散：稳定扩散：扩扩散散第第一一定定律律指指出出，在在稳稳定定态态扩扩散散过过程程中中，扩扩散散流流量量J与浓度梯度成正比。写成扩散方程则为：与浓度梯度成正比。写成扩散方程则为：第95页，共102页，编辑于2022年，星期二扩散定律扩散定律式式中中，D D是是扩扩散散系系数数，单单位位是是cmcm2 2/s/s。负负号号表表示示物物质质沿沿着着浓度降低的方向扩散。浓度降低的方向扩散。扩扩散散系系数数D D是是描描述述扩扩散散速速度度的的重重要要物物理理量量，它它相相当当于于浓浓度度梯梯度度为为1 1时时
47、的的扩扩散散流流量量。D D值值越越大大则则扩扩散散越越快快。对对于于固固态态金金属属中中的的扩扩散散来来说说，D D值值都都是是很很小小的的。例例如如，10001000时时碳碳在在FeFe中中的的扩扩散散系系数数D D的的数数量量级级为为1010-7-7cmcms s。11001100时时钨钨在在rFerFe中中的的扩扩散散系系数数D D的的数数量量级级为为1010-1010cmcm2 2/s./s.第96页，共102页，编辑于2022年，星期二扩散第二定律扩散第二定律第97页，共102页，编辑于2022年，星期二四、影响扩散的因素四、影响扩散的因素（一）（一）扩散温度扩散温度扩散温度越高，
48、则扩散系数越大，二间存在如下指数关系扩散温度越高，则扩散系数越大，二间存在如下指数关系式式中中D D0 0扩扩散散常常数数（cmcm2 2/s/s）,与与温温度度无无关关，主主要要决决定定于于晶晶体体结结构构和和原原子子振振 动动 频频 率率。Q Q是是 扩扩 散散 激激 活活 能能（J/molJ/mol）。R R是是 气气 体体 常常 数数，R=8.31J/mol KR=8.31J/mol K。T T是扩散温度（是扩散温度（K K）。）。（二）基体的金属性质（二）基体的金属性质同一元素在不同的基体金属中扩散时，同一元素在不同的基体金属中扩散时，D D和和Q Q值都不相同。一般值都不相同。一般
49、规律是：基体金属原子的结合能越强，则熔点越高，同时，扩散激规律是：基体金属原子的结合能越强，则熔点越高，同时，扩散激活能也越大，扩散越困难。活能也越大，扩散越困难。第98页，共102页，编辑于2022年，星期二四、影响扩散的因素四、影响扩散的因素根据金属熔点根据金属熔点T Tm m(K)(K)来计算自扩散激活能来计算自扩散激活能Q Q的经验公式，比的经验公式，比较准确的一个公式：较准确的一个公式：第99页，共102页，编辑于2022年，星期二（三）扩散元素的影响（三）扩散元素的影响 （四）、扩散元素的浓度（四）、扩散元素的浓度（五）、合金元素（五）、合金元素 （六）晶格类型（六）晶格类型（七）
50、固溶体类型（七）固溶体类型(八八)晶体缺陷晶体缺陷总之，影响扩散的因素是多方面的，在一些情况下要利用总之，影响扩散的因素是多方面的，在一些情况下要利用那些加速扩散的因素，在另一些情况下则要利用那些阻碍那些加速扩散的因素，在另一些情况下则要利用那些阻碍扩散的因素。扩散的因素。第100页，共102页，编辑于2022年，星期二扩散元素的影响扩散元素的影响 扩散元素的浓度扩散元素的浓度第101页，共102页，编辑于2022年，星期二扩散元素的浓度扩散元素的浓度为了反映浓度对扩散系数的影响，有人把扩散常数中增为了反映浓度对扩散系数的影响，有人把扩散常数中增加一个随浓度增大的项。例如，碳在加一个随浓度增大