第1章金属的结构与性能 教学提示:金属材料在性能方面所表现出的多样性、多变性和特殊性是其固有的内在 因素在一定外在条件下的综合反映。化学成分,原子集合体的结构以及内部组织是决定金 属材料性能的内在基本因素。一个完整的晶粒或亚晶内部,是由同类的原子或不同比例的 异类原子按一定规律结合在一起的,并可用严格的几何图案来表达出来。在金属学中用“晶 体结构”来概括它,简称“结构”,是指原子集合体中各原子的具体组合状态。成分、结 构和组织三者既相互区别,又相互渗透,并分别在不同程度上相互制约着,它们的综合作 用决定了金属材料的性能 教学要求:本章使学生掌握三种常见金属的晶体结构、实际金属中三类晶体缺陷、合 金中的两类基本相;了解常见金属材料的力学性能(也称杋械性能)试验方法及其应用;掌 握金属材料常用力学性能指标的物理意义、以便在机器零件设计时能根据零件的技术要求 合理地选用金属材料。 1.1金属的晶体结构 金属在固态下通常都是晶体。金属所表现的种种性能,同金属原子的结构、原子间结 合以及金属的晶体结构密切相关。要了解金属材料内部的组织结构,首先必须了解晶体中 原子的相互作用和结合方式、有关晶体学的一些基础知识、典型金属理想晶体的结构以及 实际晶体中的各种晶体缺陷。 11.1晶体的概念 1.晶体( crystal)与非晶体( noncrystal 自然界中的物质,按其内部粒子(原子、离子、分子、原子集团)排列情况可分为两大 类:晶体与非晶体。所谓晶体就是指其内部粒子呈規则排列的物质,如水晶、食盐、金属 等。由于晶体内的粒子呈规则排列,所以晶体具有下列特点: (1)一般具有规则的外形,但晶体的外形不一定都是规则的,这与晶体形成条件有关, 如果条件不具备,其外形也就变得不规则。所以不能仅从外观来判断,而应从其内部粒子 排列情况来确定是不是晶体。 (2)有固定的熔点,例如,铁(Fe)的熔点为1538℃;铜(Cu)的熔点为10845℃C;铝(AI) 的熔点为660.37℃ (3)具有各向异性。所谓各向异性,就是在同一晶体的不同方向上,具有不同的性能。 非晶体内部粒子呈无规则的堆积,因此没有晶体的上述特点。玻璃是一种典型的非晶 体,故往往将非晶体的固态物质(简称非晶态物质称为玻璃体
第 1 章 金属的结构与性能 教学提示：金属材料在性能方面所表现出的多样性、多变性和特殊性是其固有的内在 因素在一定外在条件下的综合反映。化学成分，原子集合体的结构以及内部组织是决定金 属材料性能的内在基本因素。一个完整的晶粒或亚晶内部，是由同类的原子或不同比例的 异类原子按一定规律结合在一起的，并可用严格的几何图案来表达出来。在金属学中用“晶 体结构”来概括它，简称“结构”，是指原子集合体中各原子的具体组合状态。成分、结 构和组织三者既相互区别，又相互渗透，并分别在不同程度上相互制约着，它们的综合作 用决定了金属材料的性能。 教学要求：本章使学生掌握三种常见金属的晶体结构、实际金属中三类晶体缺陷、合 金中的两类基本相；了解常见金属材料的力学性能(也称机械性能)试验方法及其应用；掌 握金属材料常用力学性能指标的物理意义、以便在机器零件设计时能根据零件的技术要求 合理地选用金属材料。 1.1 金属的晶体结构 金属在固态下通常都是晶体。金属所表现的种种性能，同金属原子的结构、原子间结 合以及金属的晶体结构密切相关。要了解金属材料内部的组织结构，首先必须了解晶体中 原子的相互作用和结合方式、有关晶体学的一些基础知识、典型金属理想晶体的结构以及 实际晶体中的各种晶体缺陷。 1.1.1 晶体的概念 1. 晶体(crystal)与非晶体(noncrystal) 自然界中的物质，按其内部粒子(原子、离子、分子、原子集团)排列情况可分为两大 类：晶体与非晶体。所谓晶体就是指其内部粒子呈规则排列的物质，如水晶、食盐、金属 等。由于晶体内的粒子呈规则排列，所以晶体具有下列特点： (1) 一般具有规则的外形，但晶体的外形不一定都是规则的，这与晶体形成条件有关， 如果条件不具备，其外形也就变得不规则。所以不能仅从外观来判断，而应从其内部粒子 排列情况来确定是不是晶体。 (2) 有固定的熔点，例如，铁(Fe)的熔点为 1538℃；铜(Cu)的熔点为 1084.5℃；铝(Al) 的熔点为 660.37℃。 (3) 具有各向异性。所谓各向异性，就是在同一晶体的不同方向上，具有不同的性能。 非晶体内部粒子呈无规则的堆积，因此没有晶体的上述特点。玻璃是一种典型的非晶 体，故往往将非晶体的固态物质(简称非晶态物质)称为玻璃体
金属学与热处理 晶体纯物质与非晶体纯物质在性质上的区别主要有两点 ①前者熔化时具有固定的熔点,而后者却存在一个软化温度范围,没有明显的熔点; ②前者具有各向异性,而后者却为各向同性 2.金属晶体的特性 金属一般均属晶体。但最近人们对某些金属采用特殊的工艺措施,也可使固态金属呈 非晶态。金属的晶体结构是指构成金属晶体中的原子(离子)具体结合与排列的情况。金属 原子的特点在于它的最外层的电子数较少,大多一个或两个,最多不超过四个,金属原子 易于丢失外层电子,以便达到与其相邻的前一周期的惰性元素相似的电子结构。 根据近代物理和化学的观点,处于集聚状态的金属原子,全部或大部分都将它们的价 电子贡献出来,作为整个原子集体所公有。这些公有化的电子也称自由电子,它们组成所 谓电子云或电子气,在点阵的周期场中按量子力学规律运动着:而贡献出电子的原子,则 变成正离子,它沉浸在电子云中,它们依靠运动于其间的公有化自由电子的静电作用而结 合起来。这种结合叫金属键,它无饱和性和方向性的问题。金属晶体中的原子(离子)之间 是靠金属键结合的。 金属晶体中原子(离子)排列的规律性,可由ⅹ射线结构分析方法测定,结果表明,原 子(离子)排列均有其周期性。金属晶体中原子排列的周期性可用其基本几何单元体“晶胞” 来描述 112金属的晶体结构 1.晶格与晶胞 晶体结构是指晶体中原子(或离子、分子、原子集团)的具体排列情况,也就是晶体中 的这些质点(原子、离子、分子、原子集团)在三维空间有规律的周期性的重复排列方式。 组成晶体的物质质点不同,排列的规则不同,或者周期性不同,就可以形成各种各样的晶 体结构,即实际存在的晶体结构可以有很多种。假定晶体中的物质质点都是固定的刚性小 球,那么晶体即由这些刚性小球按一定几何规则排列的紧密堆积,如图1.1(a)所示。由图可 见,原子在晶体中是有规则的、周期性的排列的。这种排列的形式称为空间点阵,简称点 阵( lattice)。为方便起见,人为地将点阵用直线连接起来形成空间格子,称之为晶格(unit lattice),如图1.(b)所示。 (a)原子堆垛模型 (b)晶格 (c)晶胞 图1.1晶体中原子排列示意
·2· 金属学与热处理 ·2· 晶体纯物质与非晶体纯物质在性质上的区别主要有两点： ① 前者熔化时具有固定的熔点，而后者却存在一个软化温度范围，没有明显的熔点； ② 前者具有各向异性，而后者却为各向同性。 2. 金属晶体的特性 金属一般均属晶体。但最近人们对某些金属采用特殊的工艺措施，也可使固态金属呈 非晶态。金属的晶体结构是指构成金属晶体中的原子(离子)具体结合与排列的情况。金属 原子的特点在于它的最外层的电子数较少，大多一个或两个，最多不超过四个，金属原子 易于丢失外层电子，以便达到与其相邻的前一周期的惰性元素相似的电子结构。 根据近代物理和化学的观点，处于集聚状态的金属原子，全部或大部分都将它们的价 电子贡献出来，作为整个原子集体所公有。这些公有化的电子也称自由电子，它们组成所 谓电子云或电子气，在点阵的周期场中按量子力学规律运动着；而贡献出电子的原子，则 变成正离子，它沉浸在电子云中，它们依靠运动于其间的公有化自由电子的静电作用而结 合起来。这种结合叫金属键，它无饱和性和方向性的问题。金属晶体中的原子(离子)之间 是靠金属键结合的。 金属晶体中原子(离子)排列的规律性，可由 X 射线结构分析方法测定，结果表明，原 子(离子)排列均有其周期性。金属晶体中原子排列的周期性可用其基本几何单元体“晶胞” 来描述。 1.1.2 金属的晶体结构 1. 晶格与晶胞 晶体结构是指晶体中原子(或离子、分子、原子集团)的具体排列情况，也就是晶体中 的这些质点(原子、离子、分子、原子集团)在三维空间有规律的周期性的重复排列方式。 组成晶体的物质质点不同，排列的规则不同，或者周期性不同，就可以形成各种各样的晶 体结构，即实际存在的晶体结构可以有很多种。假定晶体中的物质质点都是固定的刚性小 球，那么晶体即由这些刚性小球按一定几何规则排列的紧密堆积，如图 1.1(a)所示。由图可 见，原子在晶体中是有规则的、周期性的排列的。这种排列的形式称为空间点阵，简称点 阵(lattice)。为方便起见，人为地将点阵用直线连接起来形成空间格子，称之为晶格(unit lattice)，如图 1.1(b)所示。 (a)原子堆垛模型 (b)晶格 (c)晶胞 图 1.1 晶体中原子排列示意图
第1章金属的结构与性能 由于晶体中原子的规则排列具有周期性的特点,因此,为了简便起见,通常只从晶格 中选取一个能够完全反映晶格对称特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律, 这个最小的几何单元称为晶胞( unit lattice cel),如图1.l(c)所示。整个晶格就是由许多大小 形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、 b、c及棱间夹角a、B、y来表示,如图12所示。图中通过晶胞角上某一结点沿其三条棱 边作三个坐标轴x、y、,称为晶轴。晶胞的棱边长度,称为晶格常数( (lattice constant)或点 阵常数,晶胞的棱间夹角又称为晶轴间夹角。习惯上,以原点O的前、右、上方为轴的正 方向(反之为负方向)。 图12晶轴及晶胞的六个参 2.纯金属的典型晶体结构 金属晶体中原子在空间规则排列的方式称为金属的晶体结构。金属原子间的结合键为 金属键,由于金属键的无方向性和不饱和性,使金属原子(离子)趋于作高度对称的、紧密 的和简单的排列。 自然界中的晶体有成千上万种,它们的晶体结构各不相同,但若根据晶胞的三个晶格 常数和三个轴间夹角的相互关系对所有的晶体进行分析,则发现空间点阵只有14种类型, 进一步根据晶体的对称程度高低和对称特点,1855年,法国学者布拉维( Bravais用数学方 法证明了空间点阵共有且只能有14种(见图13),并归纳为七个晶系,见表1-1 表1-1晶系及其点阵特征 空间点阵特 晶体例证 三斜晶系 a≠b≠c,a≠B≠ KCrO 单斜晶系 CasO4·2H2O 正交晶系(斜方晶系) a≠b≠c,a=B=y=90° Fe3C 六方晶系 a=b≠c,a=B=90°,y=120° Zn、Mg、N E方晶系(四方晶系) a=b≠c,a=B=y=90 T1O,P-SI 方晶系 a=b=c,a=B=y=90 Fe、Cu、NaCI
第 1 章 金属的结构与性能 ·3· ·3· 由于晶体中原子的规则排列具有周期性的特点，因此，为了简便起见，通常只从晶格 中选取一个能够完全反映晶格对称特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律， 这个最小的几何单元称为晶胞(unit lattice cell)，如图 1.1(c)所示。整个晶格就是由许多大小、 形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度 a、 b、c 及棱间夹角 α、β、γ 来表示，如图 1.2 所示。图中通过晶胞角上某一结点沿其三条棱 边作三个坐标轴 x、y、z，称为晶轴。晶胞的棱边长度，称为晶格常数(lattice constant)或点 阵常数，晶胞的棱间夹角又称为晶轴间夹角。习惯上，以原点 O 的前、右、上方为轴的正 方向(反之为负方向)。 图 1.2 晶轴及晶胞的六个参数 2. 纯金属的典型晶体结构 金属晶体中原子在空间规则排列的方式称为金属的晶体结构。金属原子间的结合键为 金属键，由于金属键的无方向性和不饱和性，使金属原子(离子)趋于作高度对称的、紧密 的和简单的排列。 自然界中的晶体有成千上万种，它们的晶体结构各不相同，但若根据晶胞的三个晶格 常数和三个轴间夹角的相互关系对所有的晶体进行分析，则发现空间点阵只有 14 种类型， 进一步根据晶体的对称程度高低和对称特点，1855 年，法国学者布拉维(Bravais)用数学方 法证明了空间点阵共有且只能有 14 种(见图 1.3)，并归纳为七个晶系，见表 1-1。 表 1-1 晶系及其点阵特征 序 号 晶 系 空间点阵特征 晶体例证 1 三斜晶系 a ≠ b≠ c ，α≠ β≠ γ≠ 90° K2CrO7 2 单斜晶系 a ≠ b ≠ c，α = γ = 90°≠ β CaSO4•2H2O 3 正交晶系(斜方晶系) a ≠ b ≠ c，α = β = γ = 90° Fe3C 4 六方晶系 a = b ≠ c，α= β = 90°，γ=120° Zn、Mg、Ni 5 菱方晶系(三角晶系) a = b = c，α = β = γ≠90° Sb、Bi、As 6 正方晶系(四方晶系) a = b ≠ c，α = β = γ = 90° TiO2、β-Sn 7 立方晶系 a = b = c，α = β = γ = 90° Fe、Cu、NaCl
金属学与热处理 (a)简单三斜 (b)简单单斜 (c)底心单斜 (d简单正交 e)底心正交 (的)体心正交 (g)面心正交 (h)简单六方 (i)简单菱方 ()简单正方k)体心正方 (1)简单立方 (m)体心立方 (n)面心立方 图1314种平移点阵的单胞 由于金属原子趋向于紧密排列,所以在工业上使用的金属元素中,除了少数具有复杂 的晶体结构外,绝大多数金属具有面心立方(fc0、体心立方(bc)和密排六方hep)三种典型 的晶体结构。 (1)体心立方晶格( bodycentered cubic lattice):体心立方晶体的晶胞如图14所示。其晶 胞是一个立方体,晶格常数a=b=c,晶轴间夹角a=B=y=90°,所以通常只用一个晶 格常数a表示即可。在体心立方晶胞的每个角上和晶胞中心都有一个原子。在顶角上的原 子为相邻八个晶胞所共有,故每个晶胞只占1/8,只有立方体中心的那个原子才完全属于该 晶胞所独有,所以实际上每个体心立方晶胞所包含的原子数为:8×18+1=2个 具有体心立方晶体结构的金属有axFe、W、Mo、V、β-Ti等
·4· 金属学与热处理 ·4· (a)简单三斜 (b)简单单斜 (c)底心单斜 (d)简单正交 (e)底心正交 (f)体心正交 (g)面心正交 (h)简单六方 (i)简单菱方 (j)简单正方 (k)体心正方 (l)简单立方 (m)体心立方 (n)面心立方 图 1.3 14 种平移点阵的单胞 由于金属原子趋向于紧密排列，所以在工业上使用的金属元素中，除了少数具有复杂 的晶体结构外，绝大多数金属具有面心立方(fcc)、体心立方(bcc)和密排六方(hcp)三种典型 的晶体结构。 (1) 体心立方晶格(bodycentered cubic lattice)：体心立方晶体的晶胞如图 1.4 所示。其晶 胞是一个立方体，晶格常数 a＝b＝c，晶轴间夹角 α ＝ β ＝ γ ＝90°，所以通常只用一个晶 格常数 a 表示即可。在体心立方晶胞的每个角上和晶胞中心都有一个原子。在顶角上的原 子为相邻八个晶胞所共有，故每个晶胞只占 1/8，只有立方体中心的那个原子才完全属于该 晶胞所独有，所以实际上每个体心立方晶胞所包含的原子数为：8×1/8+1=2 个。 具有体心立方晶体结构的金属有 α-Fe、W、Mo、V、β-Ti 等
第1章金属的结构与性能 (a)刚性小球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数 图14体心立方晶胞 (2)面心立方晶胞( facecentered cubic lattice:面心立方晶体的晶胞如图1.5所示。其晶 胞也是一个立方体,晶格常数a=b=c,晶轴间夹角a=β=y=90°,所以也只用一个晶 格常数a表示即可。在面心立方晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都有一个原子。面 心立方晶胞所包含的原子数为:8×18+6×1/2=4个。 具有面心立方晶体结构的金属有yFe、Al、Cu、Ag、Au、Pb、Ni、β-Co等。 (a)刚性小球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数 图15面心立方晶胞 (3)密排六方晶胞( closepacked lattice hexagonal):密排六方晶体的晶胞如图16所示 它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成的一个六方柱体。因此,需要 用两个晶格常数表示,一个是正六边形的边长a,另一个是柱体的高c。在密排六方晶胞的 每个角上和上、下底面的中心都有一个原子,另外在中间还有三个原子。因此,密排六方 晶格的晶胞中所含的原子数为:6×1/6×2+2×1/2+3=6个。 (a)刚性小球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数 图16密排六方晶胞
第 1 章 金属的结构与性能 ·5· ·5· (a)刚性小球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数 图 1.4 体心立方晶胞 (2) 面心立方晶胞(facecentered cubic lattice)：面心立方晶体的晶胞如图 1.5 所示。其晶 胞也是一个立方体，晶格常数 a＝b＝c，晶轴间夹角 α ＝ β ＝ γ ＝90°，所以也只用一个晶 格常数 a 表示即可。在面心立方晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都有一个原子。面 心立方晶胞所包含的原子数为：8×1/8+6×1/2=4 个。 具有面心立方晶体结构的金属有 γ-Fe、A1、Cu、Ag、Au、Pb、Ni、β-Co 等。 (a)刚性小球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数 图 1.5 面心立方晶胞 (3) 密排六方晶胞(closepacked lattice hexagonal)：密排六方晶体的晶胞如图 1.6 所示。 它是由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成的一个六方柱体。因此，需要 用两个晶格常数表示，一个是正六边形的边长 a，另一个是柱体的高 c。在密排六方晶胞的 每个角上和上、下底面的中心都有一个原子，另外在中间还有三个原子。因此，密排六方 晶格的晶胞中所含的原子数为：6×1/6×2+2×1/2+3=6 个。 (a)刚性小球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数 图 1.6 密排六方晶胞
金属学与热处理 具有密排六方晶体结构的金属有Mg、Zn、Be、Cd、a-i、a℃o等。 密排六方晶体结构,因其体内三个原子和其他原子的环境是不同的,故不能同时作 为阵点,而是分别与另一个原子一起构成一个阵点,所以密排六方晶体结构属于简单六方 点阵。 3.晶面和晶向的表示方法 在晶体中,由一系列原子所组成的平面称为晶面,任意(两个原子之间连线)一列原子 所指的方向称为晶向。为了分析的方便,通常用一些晶体学指数来表示晶面和晶向,分别 称为晶面指数和晶向指数,其确定方法如下 1)晶面指数( indices of crystal faces) 晶面指数的确定步骤如下 ①选取三个晶轴为坐标系的轴,各轴分别以相应的点阵常数为量度单位,其正负关系 同一般常例 ②从欲确定的晶面组中,选取一个不通过原点的晶面,找出它在三个坐标轴上的截距; ③取各截距的倒数,按比例化为简单整数h、k、,而后用括号括起来成(hkD,即为 所求晶面的指数。 当某晶面与一晶轴平行时,它在这个轴上的截距可看成是∞,则相应的指数为0 当截距为负值时,在相应的指数上边加以负号 图17所示是立方系的几个晶面和它们的指数 (1l1) (100) (111) 图17立方系的几个晶面和它们的指数 由于对称关系,晶体中等同的晶面,即原子或分子排列相同的晶面,往往不只一组 例如立方系中和(111)面等同的还有三组,即(111)、(111)、(111等。这四组合称一个晶 面族或晶面系,取其中之一的指数,用大括号括上而成{111)来表示这个晶面族。推而 广之,则可用(hkⅠ}来泛指各晶面族。 2)晶向指数 orientation index) 晶向指数的确定步骤如下: ①以晶胞的三个棱边为坐标轴x、y、〓,以棱边长度(即晶格常数f作为坐标轴的长度 单位 ②通过坐标原点作一与所求晶向平行的另一晶向
·6· 金属学与热处理 ·6· 具有密排六方晶体结构的金属有 Mg、Zn、Be、Cd、α-Ti、α-Co 等。 密排六方晶体结构，因其体内三个原子和其他原子的环境是不同的，故不能同时作 为阵点，而是分别与另一个原子一起构成一个阵点，所以密排六方晶体结构属于简单六方 点阵。 3. 晶面和晶向的表示方法 在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面，任意(两个原子之间连线)一列原子 所指的方向称为晶向。为了分析的方便，通常用一些晶体学指数来表示晶面和晶向，分别 称为晶面指数和晶向指数，其确定方法如下。 1) 晶面指数 (indices of crystal faces) 晶面指数的确定步骤如下： ① 选取三个晶轴为坐标系的轴，各轴分别以相应的点阵常数为量度单位，其正负关系 同一般常例； ② 从欲确定的晶面组中，选取一个不通过原点的晶面，找出它在三个坐标轴上的截距； ③ 取各截距的倒数，按比例化为简单整数 h、k、l，而后用括号括起来成(h k l)，即为 所求晶面的指数。 当某晶面与一晶轴平行时，它在这个轴上的截距可看成是∞，则相应的指数为 0。 当截距为负值时，在相应的指数上边加以负号。 图 1.7 所示是立方系的几个晶面和它们的指数。 图 1.7 立方系的几个晶面和它们的指数 由于对称关系，晶体中等同的晶面，即原子或分子排列相同的晶面，往往不只一组， 例如立方系中和(1 1 1)面等同的还有三组，即(1 1 1)、(111)、(111)等。这四组合称一个晶 面族或晶面系，取其中之一的指数，用大括号括上而成｛1 1 1｝来表示这个晶面族。推而 广之，则可用｛h k l｝来泛指各晶面族。 2) 晶向指数(orientation index) 晶向指数的确定步骤如下： ① 以晶胞的三个棱边为坐标轴 x、y、z，以棱边长度(即晶格常数)作为坐标轴的长度 单位； ② 通过坐标原点作一与所求晶向平行的另一晶向；
第1章金属的结构与性能 ③求出这个晶向上任一质点的矢量在三个坐标标轴上的分量(即求出任一质点的坐 标数) ④将此数按比例化为简单整数、v、w,而后用方括号括起来成uvw],即得所求的 晶向指数。如坐标数为负值,即在相应指数上边加负号,例如[uvw] 图18所示为立方晶胞中的主要晶向。 与晶面相似,晶体中的相似晶向,即线周期等同的晶向,也是成族出现的,称之为晶 向族,以来表示 晶体中一系列晶面可相交于一条直线或几条相平行的线,这些晶面合称一个晶带,这些 直线所代表的晶向称晶带轴。晶带轴uvw]与其所属晶面(hkl}之间各指数满足式(1-1) hu +ky+l=0 (1- 在立方晶系中,晶面指数与晶向指数在数值上完全相同或成比例时,它们是互相垂直 的,例如[11(111),如图1.9所示 (111) [Il1 10 图18立方晶胞中的主要晶向 图19晶面与晶向互相垂直 11.3晶体结构缺陷 在实际应用的金属材料中,原子的排列不可能像理想晶体那样规则和完整,总是不可 避免地存在一些原子偏离规则排列的不完整性区域,金属学中将这种原子组合的不规则性 统称之为结构缺陷,或晶体缺陷。根据缺陷相对于晶体的尺寸,或其影响范围的大小,可 将它分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。 1.点缺陷( point defect) 点缺陷的特征是三个方向的尺寸都很小,不超过几个原子间距,晶体中的点缺陷主要 指空位、间隙原子和置换原子,如图1.10所示。这里所说的间隙原子是指应占据正常阵点 的原子跑到了点阵间隙中 在任何温度下,金属晶体中的原子都是以其平衡位置为中心不间断地进行着热振动 原子的振幅大小与温度有关,温度越高,振幅越大。在一定的温度下,每个原子的振动能 量并不完全相同,在某一瞬间,某些原子的能量可能高些,其振幅就要大些;而另一些原 子的能量可能低些,振幅就要小些。对一个原子来说,这一瞬间能量可能高些,另一瞬间 能量反而可能低些,这种现象称为能量起伏。根据统计规律,在某一温度下的某一瞬间 总有一些原子具有足够高的能量,以克服周围原子对它的约束,脱离开原来的平衡位置迁
第 1 章 金属的结构与性能 ·7· ·7· ③ 求出这个晶向上任一质点的矢量在三个坐标标轴上的分量(即求出任一质点的坐 标数)； ④ 将此数按比例化为简单整数 u、v、w，而后用方括号括起来成[u v w]，即得所求的 晶向指数。如坐标数为负值，即在相应指数上边加负号，例如[ u v w ]。 图 1.8 所示为立方晶胞中的主要晶向。 与晶面相似，晶体中的相似晶向，即线周期等同的晶向，也是成族出现的，称之为晶 向族，以来表示。 晶体中一系列晶面可相交于一条直线或几条相平行的线，这些晶面合称一个晶带，这些 直线所代表的晶向称晶带轴。晶带轴[u v w]与其所属晶面｛h k l｝之间各指数满足式(1-1)： hu kv lw ++= 0 (1-1) 在立方晶系中，晶面指数与晶向指数在数值上完全相同或成比例时，它们是互相垂直 的，例如[1 1 1] ⊥ (1 1 1)，如图 1.9 所示。 图 1.8 立方晶胞中的主要晶向 图 1.9 晶面与晶向互相垂直 1.1.3 晶体结构缺陷 在实际应用的金属材料中，原子的排列不可能像理想晶体那样规则和完整，总是不可 避免地存在一些原子偏离规则排列的不完整性区域，金属学中将这种原子组合的不规则性， 统称之为结构缺陷，或晶体缺陷。根据缺陷相对于晶体的尺寸，或其影响范围的大小，可 将它分为点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。 1. 点缺陷(point defect) 点缺陷的特征是三个方向的尺寸都很小，不超过几个原子间距，晶体中的点缺陷主要 指空位、间隙原子和置换原子，如图 1.10 所示。这里所说的间隙原子是指应占据正常阵点 的原子跑到了点阵间隙中。 在任何温度下，金属晶体中的原子都是以其平衡位置为中心不间断地进行着热振动。 原子的振幅大小与温度有关，温度越高，振幅越大。在一定的温度下，每个原子的振动能 量并不完全相同，在某一瞬间，某些原子的能量可能高些，其振幅就要大些；而另一些原 子的能量可能低些，振幅就要小些。对一个原子来说，这一瞬间能量可能高些，另一瞬间 能量反而可能低些，这种现象称为能量起伏。根据统计规律，在某一温度下的某一瞬间， 总有一些原子具有足够高的能量，以克服周围原子对它的约束，脱离开原来的平衡位置迁
金属学与热处理 移到别处,其结果,即在原位置上出现了空结点,这就是空位( vacancy)。显然,这种脱位 的原子越多,空位也就越多。脱位原子的去处大致有三:一是跑到晶体表面去,这样所产 生的空位称肖脱基( Schottky)空位:二是跑到点阵间隙中,所产生的空位称弗兰克空位;三 是跑到其他空位中,这当然不会增加新空位,但可使空位变换位置。 图1.10晶体中的各种点缺陷 l一大的置换原子2一肖脱基空位3一异类间隙原子 复合空位5一弗兰克空位6小的置换原子 产生空位后,其邻近原子由于失去了平衡,都会向着空位作一定程度的松弛,从而在 其周围出现一个波及到一定范围的畸变区,或弹性应变区。所以每个空位周围都会产生 个应力场,它与小的代位原子周围出现的应力场相似,只是程度要大。同样,间隙原子周 围也会出现一个与间隙式溶质原子或大的代位溶质原子相似的应力场,但程度要大得多 特别是在密集结构中。总之,无论哪一种点缺陷(空位、间隙原子或其他)的出现,都会引 起晶体能量的升高,这当然会增加晶体的不稳定性。但另一方面,它们的出现会引起晶体 熵值的显著增大,而熵值越大晶体应该越稳定。这两个相互矛盾的因素使得晶体中的空位 或间隙原子在每一温度都有一个相应的平衡浓度。温度越高其平衡浓度也将越大。通过由 高温激冷、冷加工、高能粒子轰击以及氧化等方法,可使它们的浓度显著高于平衡浓度, 即达到过饱和程度。过饱和的空位,当温度允许时,或凝聚为空位对或空位群,或与其他 缺陷相互作用而消失,或组成较稳定的复合体 2.线缺陷( linear defect) 线缺陷的特征是缺陷在两个方向上的尺寸很小(与点缺陷相似),而第三个方向上的尺 寸却很大,甚者可以贯穿整个晶体,属于这一类的主要是位错( dislocation)。位错可分为刃 型位错( blade dislocation)和螺型位错( spiral dislocation) 刃型位错的模型如图1.11所示,设有一简单立方晶体,某一原子面在晶体内部中断 这个原子平面中断处的边缘就是一个刃型位错,犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切 开,沿切口硬插入一额外半原子面一样,将刃口处的原子列称之为刃型位错线。刃型位错 有正负之分,若额外半原子面位于晶体的上半部,则此处的位错线称为正刃型位错,以符 号“⊥”表示。反之,若额外半原子面位于晶体的下半部,则称为负刃型位错,以符号“T” 表示
·8· 金属学与热处理 ·8· 移到别处，其结果，即在原位置上出现了空结点，这就是空位(vacancy)。显然，这种脱位 的原子越多，空位也就越多。脱位原子的去处大致有三：一是跑到晶体表面去，这样所产 生的空位称肖脱基(Schottky)空位；二是跑到点阵间隙中，所产生的空位称弗兰克空位；三 是跑到其他空位中，这当然不会增加新空位，但可使空位变换位置。 图 1.10 晶体中的各种点缺陷 1—大的置换原子 2—肖脱基空位 3—异类间隙原子 4—复合空位 5—弗兰克空位 6—小的置换原子 产生空位后，其邻近原子由于失去了平衡，都会向着空位作一定程度的松弛，从而在 其周围出现一个波及到一定范围的畸变区，或弹性应变区。所以每个空位周围都会产生一 个应力场，它与小的代位原子周围出现的应力场相似，只是程度要大。同样，间隙原子周 围也会出现一个与间隙式溶质原子或大的代位溶质原子相似的应力场，但程度要大得多， 特别是在密集结构中。总之，无论哪一种点缺陷(空位、间隙原子或其他)的出现，都会引 起晶体能量的升高，这当然会增加晶体的不稳定性。但另一方面，它们的出现会引起晶体 熵值的显著增大，而熵值越大晶体应该越稳定。这两个相互矛盾的因素使得晶体中的空位 或间隙原子在每一温度都有一个相应的平衡浓度。温度越高其平衡浓度也将越大。通过由 高温激冷、冷加工、高能粒子轰击以及氧化等方法，可使它们的浓度显著高于平衡浓度， 即达到过饱和程度。过饱和的空位，当温度允许时，或凝聚为空位对或空位群，或与其他 缺陷相互作用而消失，或组成较稳定的复合体。 2. 线缺陷(linear defect) 线缺陷的特征是缺陷在两个方向上的尺寸很小(与点缺陷相似)，而第三个方向上的尺 寸却很大，甚者可以贯穿整个晶体，属于这一类的主要是位错(dislocation)。位错可分为刃 型位错(blade dislocation)和螺型位错(spiral dislocation)。 刃型位错的模型如图 1.11 所示，设有一简单立方晶体，某一原子面在晶体内部中断， 这个原子平面中断处的边缘就是一个刃型位错，犹如用一把锋利的钢刀将晶体上半部分切 开，沿切口硬插入一额外半原子面一样，将刃口处的原子列称之为刃型位错线。刃型位错 有正负之分，若额外半原子面位于晶体的上半部，则此处的位错线称为正刃型位错，以符 号“⊥”表示。反之，若额外半原子面位于晶体的下半部，则称为负刃型位错，以符号“⊤” 表示
第1章金属的结构与性能 (a)立体示意图 (b)垂直于位错线的原子平面 111刃型位错模型 螺型位错模型如图1.12所示。仍举简单立方晶体为例,设将晶体的前半部用刀劈开, 然后沿劈开面,并以刃端为界使劈开部分的左右两半沿上下方向发生一个原子间距的相对 切变,这样,虽在晶体切变部分的上下表面各出现一个台阶AB和DC,但在晶体内部大部 分原子仍相吻合,就像未切变时一样,只是沿BC附近,出现了一个约相当于几个原子宽 的切变和未切变之间的过渡区。在这个过渡区域内,原子正常位置都发生了错动,它表示 切变面左右两边相邻的两层晶面中原子的相对位置。可以看出,沿BC线左边有三列原子 是左右错开的,在这个错开区,若环绕其中心线,由B按顺时针方向沿各原子逐一走去 最后将达到C,这就犹如沿一个右螺旋螺纹旋转前进一样,所以这样的一个宽仅几个原子 间距,长则穿透晶体上下表面的线性缺陷,叫右螺型位错。 若在图1.12中,使晶体左右两半沿劈开面上下切变的方向相反,或者劈开面在晶体的 后半部,其结果完全相似,只是交界区中原子按左螺旋排列,这样一种位错称左螺型位错 下上 (a)立体图 (b)沿ABCD面上下两面上原子的相对位置 图1.12螺型位错模型 3.面缺陷( plane defect 面缺陷的特征是缺陷在一个方向上的尺寸很小(同点缺陷),而其余两个方向上的尺寸 则很大,晶体的外表面及各种内界面——一般晶界、孪晶界、亚晶界、相界及层错等属于 这一类 1)晶体表面 金属或合金的晶体表面是指其与真空或各种外部介质,如空气、氢气、氮气等相接触
第 1 章 金属的结构与性能 ·9· ·9· 图 1.11 刃型位错模型 螺型位错模型如图 1.12 所示。仍举简单立方晶体为例，设将晶体的前半部用刀劈开， 然后沿劈开面，并以刃端为界使劈开部分的左右两半沿上下方向发生一个原子间距的相对 切变，这样，虽在晶体切变部分的上下表面各出现一个台阶 AB 和 DC，但在晶体内部大部 分原子仍相吻合，就像未切变时一样，只是沿 BC 附近，出现了一个约相当于几个原子宽 的切变和未切变之间的过渡区。在这个过渡区域内，原子正常位置都发生了错动，它表示 切变面左右两边相邻的两层晶面中原子的相对位置。可以看出，沿 BC 线左边有三列原子 是左右错开的，在这个错开区，若环绕其中心线，由 B 按顺时针方向沿各原子逐一走去， 最后将达到 C，这就犹如沿一个右螺旋螺纹旋转前进一样，所以这样的一个宽仅几个原子 间距，长则穿透晶体上下表面的线性缺陷，叫右螺型位错。 若在图 1.12 中，使晶体左右两半沿劈开面上下切变的方向相反，或者劈开面在晶体的 后半部，其结果完全相似，只是交界区中原子按左螺旋排列，这样一种位错称左螺型位错。 (a)立体图 (b)沿 ABCD 面上下两面上原子的相对位置 图 1.12 螺型位错模型 3. 面缺陷(plane defect) 面缺陷的特征是缺陷在一个方向上的尺寸很小(同点缺陷)，而其余两个方向上的尺寸 则很大，晶体的外表面及各种内界面——一般晶界、孪晶界、亚晶界、相界及层错等属于 这一类。 1) 晶体表面 金属或合金的晶体表面是指其与真空或各种外部介质，如空气、氢气、氮气等相接触
金属学与热处理 的界面。处于这种界面上的原子受内部自身原子的作用力和受外部介质分子(或原子)的作 用力显然是不相平衡的,若外部为真空,则更不平衡。这样,表面原子就会偏离正常的平 衡位置,并牵连到邻近的几层原子,这就造成表层的畸变,它们的能量比内部原子高,将 它们高出的能量合起来,平均在单位表面积上的超额能量称为比表面能,或简称表面能 它与表面张力同数值、同量纲。表面能既随接触介质的不同而变,也随裸露出的晶面不同 而异。此外,表面能还和表面曲率有关,曲率越大表面能也越大。 2)同种晶粒间的界面——晶界( crystal boundary) 纯金属或单相合金的组织是由同成分、同结构的许多晶粒组成的。各晶粒之间由于相 对取向(即各晶轴在空间的方位)不同而出现了接触界面,一般称为晶界。相邻晶粒的位向 差小于10°的晶界称为小角度晶界,相邻晶粒的位向差大于10°的晶界称为大角度晶界。 晶粒的位向差不同,则其晶界的结构和性质也不同。现已查明,小角度晶界基本上由位错 构成,大角度晶界的结构却十分复杂,目前还不十分清楚,而多晶体金属材料中的晶界大 部分属于大角度晶界 3)异种晶粒间的界面——相界面( phase interface) 具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界面。相界的结构有三类,即共格界面 半共格界面和非共格界面。所谓共格界面是指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。界面上原子的排列规律既符合这个相晶粒内原子排列的规律,又符合 另一个相晶粒内原子排列的规律 4)其他界面 ①孪晶界:它是纯金属或合金中,同成分同结构的两个晶粒之间的一种特殊界面,其 特点是完全共格的,并且两晶粒内部的原子都以界面为对称面而处于镜面对称位置,这样 对晶粒称之为孪晶。 差异的小块所组成的,称之为亚晶,其尺寸一般为10°cm-10cm,特殊情况下为0b ②晶粒内的界面。如前所述,一个晶粒内部并不是完全一致的,而是由一些取向略 102cm,有时将10°cm~10-cm的亚晶叫嵌镶块,它们之间的界面叫亚晶界,或嵌镶块界, 其结构相当于小角度晶界。 ③层错界:它与孪晶界很相似,但无对称关系,它是由于晶面的堆砌序列发生差错而 产生的 4.体缺陷( body defect 体缺陷的特征是缺陷在三个方向的尺寸都较大,但不是很大,例如固溶体内的偏聚区 分布极弥散的第二相超显微微粒以及一些超显微空洞等。当体缺陷较大时,即可归属于面 陷来讨论。 1.2合金的晶体结构 由于纯金属性能上的局限性,实际使用的金属材料绝大多数是合金。由两种或两种以 上的金属、或金属与非金属,经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质称 为合金。组成合金最基本的、独立的物质称为组元,简称为元。一般说来,组元就是组成
·10· 金属学与热处理 ·10· 的界面。处于这种界面上的原子受内部自身原子的作用力和受外部介质分子(或原子)的作 用力显然是不相平衡的，若外部为真空，则更不平衡。这样，表面原子就会偏离正常的平 衡位置，并牵连到邻近的几层原子，这就造成表层的畸变，它们的能量比内部原子高，将 它们高出的能量合起来，平均在单位表面积上的超额能量称为比表面能，或简称表面能， 它与表面张力同数值、同量纲。表面能既随接触介质的不同而变，也随裸露出的晶面不同 而异。此外，表面能还和表面曲率有关，曲率越大表面能也越大。 2) 同种晶粒间的界面——晶界(crystal boundary) 纯金属或单相合金的组织是由同成分、同结构的许多晶粒组成的。各晶粒之间由于相 对取向(即各晶轴在空间的方位)不同而出现了接触界面，一般称为晶界。相邻晶粒的位向 差小于 10°的晶界称为小角度晶界，相邻晶粒的位向差大于 10°的晶界称为大角度晶界。 晶粒的位向差不同，则其晶界的结构和性质也不同。现已查明，小角度晶界基本上由位错 构成，大角度晶界的结构却十分复杂，目前还不十分清楚，而多晶体金属材料中的晶界大 部分属于大角度晶界。 3) 异种晶粒间的界面——相界面(phase interface) 具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界面。相界的结构有三类，即共格界面、 半共格界面和非共格界面。所谓共格界面是指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。界面上原子的排列规律既符合这个相晶粒内原子排列的规律，又符合 另一个相晶粒内原子排列的规律。 4) 其他界面 ① 孪晶界：它是纯金属或合金中，同成分同结构的两个晶粒之间的一种特殊界面，其 特点是完全共格的，并且两晶粒内部的原子都以界面为对称面而处于镜面对称位置，这样 一对晶粒称之为孪晶。 ② 晶粒内的界面。如前所述，一个晶粒内部并不是完全一致的，而是由一些取向略有 差异的小块所组成的，称之为亚晶，其尺寸一般为 10-5 cm～10-3 cm，特殊情况下为 10-6 cm～ 10-2 cm，有时将 10-6 cm～10-4 cm 的亚晶叫嵌镶块，它们之间的界面叫亚晶界，或嵌镶块界， 其结构相当于小角度晶界。 ③ 层错界：它与孪晶界很相似，但无对称关系，它是由于晶面的堆砌序列发生差错而 产生的。 4. 体缺陷(body defect) 体缺陷的特征是缺陷在三个方向的尺寸都较大，但不是很大，例如固溶体内的偏聚区、 分布极弥散的第二相超显微微粒以及一些超显微空洞等。当体缺陷较大时，即可归属于面 缺陷来讨论。 1.2 合金的晶体结构 由于纯金属性能上的局限性，实际使用的金属材料绝大多数是合金。由两种或两种以 上的金属、或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质称 为合金。组成合金最基本的、独立的物质称为组元，简称为元。一般说来，组元就是组成
