金属学与热处理总复习.pptx

1第第1 1章章 复习复习2金属键金属键n典型金属原子结构典型金属原子结构：最外层电子数很少，即价电子：最外层电子数很少，即价电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子极易挣脱原子核之束缚而成为自由电子，形成电子形成电子云。云。n金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金金属键属键。l特点特点：电子共有化，既无饱和性又无方向性，：电子共有化，既无饱和性又无方向性，形成低能量密堆结构形成低能量密堆结构l性质性质：良好导电、导热性能，延展性好：良好导电、导热性能，延展性好3n 空间点阵：空间点阵：将晶体中原子或原子团抽象为纯几何将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（点（阵点阵点 lattice point），），即可得到一个由无数几何即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列。点在三维空间排列成规则的阵列。空间点阵空间点阵n晶胞：晶胞：为了反映晶格为了反映晶格的对称性，常取最小重的对称性，常取最小重复单元的几倍作为重复复单元的几倍作为重复单元。单元。a c b 4晶系与布拉菲点阵晶系与布拉菲点阵晶系晶系晶系晶系布拉菲点阵布拉菲点阵布拉菲点阵布拉菲点阵晶系晶系晶系晶系布拉菲点阵布拉菲点阵布拉菲点阵布拉菲点阵三斜三斜三斜三斜TriclinicTriclinicabc abc，单斜单斜单斜单斜 MonoclinicMonoclinicabcabc，=90=90正交正交正交正交abcabc，=90 90 简单三斜简单三斜简单三斜简单三斜简单单斜简单单斜简单单斜简单单斜底心单斜底心单斜底心单斜底心单斜简单正交简单正交简单正交简单正交底心正交底心正交底心正交底心正交体心正交体心正交体心正交体心正交面心正交面心正交面心正交面心正交六方六方六方六方 HexagonalHexagonala a1 1=a=a2 2a a3 3cc，=90 90，=120=120菱方菱方菱方菱方 RhombohedralRhombohedrala=b=c,=90 a=b=c,=90 四方（正方）四方（正方）四方（正方）四方（正方）TetragonalTetragonala=bc,=a=bc,=90 90 立方立方立方立方 CubicCubica=b=ca=b=c，=90 90 简单六方简单六方简单六方简单六方简单菱方简单菱方简单菱方简单菱方简单四方简单四方简单四方简单四方体心四方体心四方体心四方体心四方简单立方简单立方简单立方简单立方体心立方体心立方体心立方体心立方面心立方面心立方面心立方面心立方5典型的金属晶体结构典型的金属晶体结构n 面心立方（面心立方（A1,FCC）n 体心立方（体心立方（A2,BCC）n 密排六方（密排六方（A3,HCP）6n n晶胞内的原子数晶胞内的原子数晶胞内的原子数晶胞内的原子数n n点阵常数与原子半径点阵常数与原子半径点阵常数与原子半径点阵常数与原子半径n n配位数：是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等配位数：是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等配位数：是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等配位数：是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。距离的原子数。距离的原子数。距离的原子数。n n致密度：晶体结构中原子体积占总体积的百分比。致密度：晶体结构中原子体积占总体积的百分比。致密度：晶体结构中原子体积占总体积的百分比。致密度：晶体结构中原子体积占总体积的百分比。K K为致密度为致密度 n n为晶胞中原子数为晶胞中原子数 v v是一个原子的体积是一个原子的体积 n n原子间隙原子间隙7原子个数：原子个数：2配位数：配位数：8致密度：致密度：0.68常见金属：常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子半径：体心立方体心立方体心立方体心立方8 a42r=：原子半径原子半径原子个数：原子个数：4配位数：配位数：12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常数：晶格常数：a面心立方面心立方面心立方面心立方9a21r=：原子半径原子半径原子个数：原子个数：6配位数：配位数：12致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等等晶格常数：底面边长晶格常数：底面边长 a 和高和高 c，c/a=1.633密排立方密排立方密排立方密排立方10n n面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序n n密排六方晶格的堆垛顺序为密排六方晶格的堆垛顺序为密排六方晶格的堆垛顺序为密排六方晶格的堆垛顺序为ABABABABABABn n面心立方晶格的堆垛顺序为面心立方晶格的堆垛顺序为面心立方晶格的堆垛顺序为面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABCABCABCABC晶体中原子的堆垛方式晶体中原子的堆垛方式11典型金属晶体中原子间的间隙典型金属晶体中原子间的间隙n n 四四四四面面面面体体体体空空空空隙隙隙隙（tetrahedraltetrahedral intersticeinterstice），由由由由4 4个个个个球球球球体体体体所所所所构构构构成成成成，球心连线构成一个正四面体；球心连线构成一个正四面体；球心连线构成一个正四面体；球心连线构成一个正四面体；n n 八八八八面面面面体体体体空空空空隙隙隙隙（octahedraloctahedral i intersticenterstice），由由由由6 6个个个个球球球球体体体体构构构构成成成成，球心连线形成一个正八面体。球心连线形成一个正八面体。球心连线形成一个正八面体。球心连线形成一个正八面体。12八面体间隙八面体间隙八面体间隙八面体间隙FCCFCCvv八面体间隙的数目八面体间隙的数目八面体间隙的数目八面体间隙的数目vv八面体间隙半径八面体间隙半径八面体间隙半径八面体间隙半径13四面体间隙四面体间隙四面体间隙四面体间隙FCCFCCv四面体间隙的数目四面体间隙的数目v四面体间隙半径四面体间隙半径14三种典型金属结构的晶体学特点三种典型金属结构的晶体学特点三种典型金属结构的晶体学特点三种典型金属结构的晶体学特点 15晶向指数和晶面指数晶向指数和晶面指数晶向晶向：连接晶体中任意原子列的直线。：连接晶体中任意原子列的直线。晶面晶面：穿过晶体的原子面（平面）。：穿过晶体的原子面（平面）。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。16(1)建立以晶轴建立以晶轴a，b，c为坐标轴的坐标系，各轴上的坐标长度为坐标轴的坐标系，各轴上的坐标长度单位分别是晶胞边长单位分别是晶胞边长a，b，c，坐标原点在待标晶向上；，坐标原点在待标晶向上；(2)选取该晶向上原点以外的任一点选取该晶向上原点以外的任一点P(xa，yb，zc)；(3)将将x，y，z化成最小的简单整数化成最小的简单整数u，v，w，且且u:v:w=x:y:z；(4)将将u，v，w三数置于方三数置于方括号括号2内就得到晶向指数内就得到晶向指数uvw。晶向指数求法晶向指数求法17晶面指数的标定晶面指数的标定n建立以建立以a，b，c为坐标轴的坐标系。为坐标轴的坐标系。n求待标晶面在求待标晶面在a，b，c轴上的截距轴上的截距x，y，z。如该晶面与某轴。如该晶面与某轴平行，则截距为平行，则截距为。n取截距的倒数取截距的倒数1/x,1/y,1/z。n将其化成最小的简单整数将其化成最小的简单整数h,k,l。n将将h，k，l置于圆括号内，写成置于圆括号内，写成(hkl)，即为待标晶面的晶面指数。，即为待标晶面的晶面指数。图 晶面指数的标定18u v w u v t w t=-(u+v)u v w u v t w t=-(u+v)或或六方晶系指数六方晶系指数19 所所有有相相交交于于某某一一晶晶向向直直线线或或平平行行于于此此直直线线的的晶晶面面构构成成一一个个“晶晶带带”（crystal zone）；此此直直线线称称为为晶晶带带轴轴（crystal zone axis），），所有的这些晶面都称为共带面。所有的这些晶面都称为共带面。晶带轴晶带轴u v w与该晶带的与该晶带的晶面（晶面（h k l）的关系的关系 hukvlw0 晶带定律晶带定律晶带定律晶带定律凡满足此关系的晶面都凡满足此关系的晶面都属于以属于以u v w为晶带轴的晶带。为晶带轴的晶带。晶带与晶带定理晶带与晶带定理20立方晶系中原子的排列及其面密度立方晶系中原子的排列及其面密度立方晶系中原子的排列及其面密度立方晶系中原子的排列及其面密度plane indicesBCCFCCatomic arrangementplanar densityatomic arrangementplanar density100110111晶体的各向异性晶体的各向异性21linear indicesBCCFCCatomic arrangementlinear densityatomic arrangementlinear density立方晶系中重要晶向的原子的排列及其线密度立方晶系中重要晶向的原子的排列及其线密度立方晶系中重要晶向的原子的排列及其线密度立方晶系中重要晶向的原子的排列及其线密度22多晶型性多晶型性 当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为多晶型转多晶型转多晶型转多晶型转变变变变，又称为，又称为，又称为，又称为同素异构转变同素异构转变同素异构转变同素异构转变。由同素异构转变所得的。由同素异构转变所得的。由同素异构转变所得的。由同素异构转变所得的不同晶格类型的晶体称为不同晶格类型的晶体称为不同晶格类型的晶体称为不同晶格类型的晶体称为同素异构体同素异构体同素异构体同素异构体。纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变n n铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。铁是典型的具有同素异构转变特性的金属。纯铁的结晶和同素异构转变的过程：纯铁的结晶和同素异构转变的过程：纯铁的结晶和同素异构转变的过程：纯铁的结晶和同素异构转变的过程：-Fe -Fe -Fe1394 912 23缺陷缺陷点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷(位错位错)面缺陷面缺陷分类：空位、间隙原子分类：空位、间隙原子热缺陷：弗仑克尔缺陷、肖特基缺陷热缺陷：弗仑克尔缺陷、肖特基缺陷点缺陷浓度点缺陷浓度 位错类型位错类型刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错混合位错混合位错柏氏矢量柏氏矢量表面表面晶界晶界相界相界实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构24n n点缺陷：点缺陷：点缺陷：点缺陷：三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的三维方向上尺寸都很小（远小于晶体或晶粒的线度），又称零维缺陷。典型代表有空位、间隙原子等。线度），又称零维缺陷。典型代表有空位、间隙原子等。线度），又称零维缺陷。典型代表有空位、间隙原子等。线度），又称零维缺陷。典型代表有空位、间隙原子等。n n 线缺陷：线缺陷：线缺陷：线缺陷：两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大（可以两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大（可以两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大（可以两个方向尺寸很小，一个方向尺寸较大（可以和晶体或晶粒线度相比拟），又称为一维缺陷。位错是和晶体或晶粒线度相比拟），又称为一维缺陷。位错是和晶体或晶粒线度相比拟），又称为一维缺陷。位错是和晶体或晶粒线度相比拟），又称为一维缺陷。位错是典型的线缺陷。典型的线缺陷。典型的线缺陷。典型的线缺陷。n n面缺陷：面缺陷：面缺陷：面缺陷：一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大，又称二一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大，又称二一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大，又称二一个方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大，又称二维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等。维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等。维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等。维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等。n n体缺陷：体缺陷：体缺陷：体缺陷：如果在三维方向上尺度都较大，那么这种缺陷就叫如果在三维方向上尺度都较大，那么这种缺陷就叫如果在三维方向上尺度都较大，那么这种缺陷就叫如果在三维方向上尺度都较大，那么这种缺陷就叫体缺陷，又称三维缺陷。如沉淀相、空洞等。体缺陷，又称三维缺陷。如沉淀相、空洞等。体缺陷，又称三维缺陷。如沉淀相、空洞等。体缺陷，又称三维缺陷。如沉淀相、空洞等。缺陷的分类缺陷的分类25n n间隙原子：原子进入晶格间隙原子：原子进入晶格间隙原子：原子进入晶格间隙原子：原子进入晶格中正常结点之间的间隙位中正常结点之间的间隙位中正常结点之间的间隙位中正常结点之间的间隙位置，成为间隙原子或称填置，成为间隙原子或称填置，成为间隙原子或称填置，成为间隙原子或称填隙原子。隙原子。隙原子。隙原子。n n空位：正常结点没有被原空位：正常结点没有被原空位：正常结点没有被原空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为空子或离子所占据，成为空子或离子所占据，成为空子或离子所占据，成为空结点，称为空位。结点，称为空位。结点，称为空位。结点，称为空位。点缺陷的分类点缺陷的分类26n弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷：在晶格内原子热振在晶格内原子热振动时，一些能量足够大的原子离开平动时，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，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，这种缺陷称为弗伦克尔成一个空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷。缺陷。n肖特基缺陷肖特基缺陷：如果正常格点上的原：如果正常格点上的原子，热起伏过程中获得能量离开平衡子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，跳跃到晶体的表面，在原正常位置，跳跃到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷。基缺陷。弗伦克尔缺陷弗伦克尔缺陷肖特基缺陷肖特基缺陷根据产生缺陷的原因来划分27点缺陷对材料性能的影响点缺陷对材料性能的影响u点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。点缺陷的存在使晶体体积膨胀，密度减小。u点点缺缺陷陷引引起起电电阻阻的的增增加加，这这是是由由于于晶晶体体中中存存在在点点缺缺陷陷时时，对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。对传导电子产生了附加的电子散射，使电阻增大。u空空位位对对金金属属的的许许多多过过程程有有着着影影响响，特特别别是是对对高高温温下下进进行行的的过程起着重要的作用。过程起着重要的作用。u金金属属的的扩扩散散、高高温温塑塑性性变变形形的的断断裂裂、退退火火、沉沉淀淀、表表面面化化学学热热处处理理、表表面面氧氧化化、烧烧结结等等过过程程都都与与空空位位的的存存在在和和运运动动有有着密切的联系。着密切的联系。u过过饱饱和和点点缺缺陷陷（如如淬淬火火空空位位、辐辐照照缺缺陷陷）还还提提高高了了金金属属的的屈服强度。屈服强度。28n n晶体中已滑移区与未滑移区的边界线垂直于滑移方向，则会晶体中已滑移区与未滑移区的边界线垂直于滑移方向，则会晶体中已滑移区与未滑移区的边界线垂直于滑移方向，则会晶体中已滑移区与未滑移区的边界线垂直于滑移方向，则会存在一多余半排原子面，使此处上下两部分晶体产生原子错存在一多余半排原子面，使此处上下两部分晶体产生原子错存在一多余半排原子面，使此处上下两部分晶体产生原子错存在一多余半排原子面，使此处上下两部分晶体产生原子错排，这种晶体缺陷称为排，这种晶体缺陷称为排，这种晶体缺陷称为排，这种晶体缺陷称为刃型位错刃型位错刃型位错刃型位错。n多余半排原子面在滑移面上方的称多余半排原子面在滑移面上方的称正刃型位错正刃型位错，记为，记为“”；相反，半排原子面在滑移面下方的称；相反，半排原子面在滑移面下方的称负刃型位错负刃型位错，记为，记为“”。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。符号中水平线代表滑移面，垂直线代表半个原子面。线缺陷线缺陷29n n刃型位错的结构特征刃型位错的结构特征刃型位错的结构特征刃型位错的结构特征有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；有一额外的半原子面，分正和负刃型位错；可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直；是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直；只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移；只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移；位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；位错周围点阵发生弹性畸变，有切应变，也有正应变；位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺位错畸变区只有几个原子间距，是狭长的管道，故是线缺陷。陷。30n n晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若平行于晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若平行于晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若平行于晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若平行于滑移方向，则在该处附近原子平面已扭曲为螺旋面，这种晶滑移方向，则在该处附近原子平面已扭曲为螺旋面，这种晶滑移方向，则在该处附近原子平面已扭曲为螺旋面，这种晶滑移方向，则在该处附近原子平面已扭曲为螺旋面，这种晶体缺陷称为体缺陷称为体缺陷称为体缺陷称为螺型位错螺型位错螺型位错螺型位错。n符合右手法则的称符合右手法则的称右螺旋位错右螺旋位错；符合左手法则的称为；符合左手法则的称为左螺旋左螺旋位错位错。CBADABC31n n螺型位错的结构特征螺型位错的结构特征螺型位错的结构特征螺型位错的结构特征无额外的半原子面，原子错排程轴对称，分右旋和左旋螺无额外的半原子面，原子错排程轴对称，分右旋和左旋螺型位错；型位错；一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑一定是直线，与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；移方向垂直；滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；的滑移面；位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；应变而无正应变，即不引起体积的膨胀和收缩；位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。位错畸变区也是几个原子间距宽度，同样是线位错。32位错的基本几何性质位错的基本几何性质位错的基本几何性质位错的基本几何性质n位错是一条细长的管状缺陷区，区内的原子严重地错排。位错是一条细长的管状缺陷区，区内的原子严重地错排。n位错可以看成是局部滑移或局部位移区的边界。位错可以看成是局部滑移或局部位移区的边界。nb与与之间的关系确定了三类位错。之间的关系确定了三类位错。b b的大小决定了位错中心区的大小决定了位错中心区的原子错配度和周围晶体的弹性形变，决定了能量大小。的原子错配度和周围晶体的弹性形变，决定了能量大小。n位错线必须是连续的。它或者起至于晶体表面（或晶界），位错线必须是连续的。它或者起至于晶体表面（或晶界），或形成封闭回路（位错环），或者在结点处和其他位错相连。或形成封闭回路（位错环），或者在结点处和其他位错相连。n刃位错的刃位错的b向上为正，反之为负（右手法则）。螺位错的向上为正，反之为负（右手法则）。螺位错的与与b同向为右螺型，反向为左螺型。同向为右螺型，反向为左螺型。nb的最重要性质是守恒性，即一条位错线只有一个的最重要性质是守恒性，即一条位错线只有一个b。33n表表征征位位错错线线的的性性质质：根根据据b b与与位位错错线线的的取取向向关关系系可可确确定定位位错错线线性质。性质。nb b表表征征了了总总畸畸变变的的积积累累：围围绕绕一一根根位位错错线线的的柏柏氏氏回回路路任任意意扩扩大大或或移移动动，回回路路中中包包含含的的点点阵阵畸畸变变量量的的总总累累和和不不变变，因因而而由由这这种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变。种畸变总量所确定的柏氏矢量也不改变。nb b表表征征了了位位错错强强度度：同同一一晶晶体体中中b b大大的的位位错错具具有有严严重重的的点点阵阵畸畸变，能量高且不稳定。变，能量高且不稳定。n用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导致用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错运动导致晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量晶体滑移时，滑移量大小即柏氏矢量b，滑移方向即为柏氏矢，滑移方向即为柏氏矢量的方向。量的方向。柏氏矢量柏氏矢量柏氏矢量柏氏矢量b b的物理意义的物理意义的物理意义的物理意义34 晶体表面结构与晶体内部不同，由于表面是原子晶体表面结构与晶体内部不同，由于表面是原子排列的终止面，另一侧无固体中原子的键合，其配位排列的终止面，另一侧无固体中原子的键合，其配位数少于晶体内部，导致表面原子偏离正常位置，并影数少于晶体内部，导致表面原子偏离正常位置，并影响了邻近的几层原子，造成点阵畸变，使其能量高于响了邻近的几层原子，造成点阵畸变，使其能量高于晶内。晶内。晶体表面晶体表面晶体表面晶体表面35晶界晶界晶界晶界n n属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为属于同一固相但位向不同的晶粒之间的界面称为晶界晶界晶界晶界；n n而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，而每个晶粒有时又由若干个位向稍有差异的亚晶粒所组成，相邻亚晶粒间的界面称为相邻亚晶粒间的界面称为相邻亚晶粒间的界面称为相邻亚晶粒间的界面称为亚晶界亚晶界亚晶界亚晶界36小角度晶界的结构小角度晶界的结构小角度晶界的结构小角度晶界的结构 n n对称倾斜晶界对称倾斜晶界对称倾斜晶界对称倾斜晶界：由一列平行的刃型位错所构成。：由一列平行的刃型位错所构成。：由一列平行的刃型位错所构成。：由一列平行的刃型位错所构成。n n不对称倾斜晶界不对称倾斜晶界不对称倾斜晶界不对称倾斜晶界：由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错交错由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错交错由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错交错由两组柏氏矢量相互垂直的刃型位错交错排列而构成的。排列而构成的。排列而构成的。排列而构成的。n n扭转晶界：扭转晶界：扭转晶界：扭转晶界：该晶界的结构可看成是由互相交叉的螺型位错所该晶界的结构可看成是由互相交叉的螺型位错所组成组成。37n n具有不同结构的两相之间的分界面称为具有不同结构的两相之间的分界面称为具有不同结构的两相之间的分界面称为具有不同结构的两相之间的分界面称为相界相界相界相界。n n相界面可分为相界面可分为相界面可分为相界面可分为共格相界共格相界共格相界共格相界、半共格相界半共格相界半共格相界半共格相界和和和和非共格相界非共格相界非共格相界非共格相界。相界相界相界相界38第第2 2章章 复习复习39n n 物质由液态到固态的转变过程称为物质由液态到固态的转变过程称为物质由液态到固态的转变过程称为物质由液态到固态的转变过程称为凝固凝固凝固凝固。n n 如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为如果液态转变为结晶态的固体，这个过程称为结晶结晶结晶结晶。n n 纯金属的实际凝固温度纯金属的实际凝固温度纯金属的实际凝固温度纯金属的实际凝固温度TnTn总比其熔点总比其熔点总比其熔点总比其熔点TmTm低，这种现低，这种现低，这种现低，这种现象叫做象叫做象叫做象叫做过冷过冷过冷过冷。n n T Tmm与与与与T Tn n的差值的差值的差值的差值T T叫做叫做叫做叫做过冷度过冷度过冷度过冷度。n n形成临界晶核所需的能量形成临界晶核所需的能量形成临界晶核所需的能量形成临界晶核所需的能量 G G*称为称为称为称为临界形核功临界形核功临界形核功临界形核功。40n n自发形核（均匀形核）自发形核（均匀形核）自发形核（均匀形核）自发形核（均匀形核）：在液态金属中，存在大量：在液态金属中，存在大量：在液态金属中，存在大量：在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。成为结晶核心。这个过程叫自发形核。成为结晶核心。这个过程叫自发形核。成为结晶核心。这个过程叫自发形核。n n非自发形核（非均匀形核）非自发形核（非均匀形核）非自发形核（非均匀形核）非自发形核（非均匀形核）：实际金属内部往往含：实际金属内部往往含：实际金属内部往往含：实际金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。自发形核。自发形核。自发形核。41n n所谓所谓所谓所谓能量起伏能量起伏能量起伏能量起伏是指体系中微小体积所具有的能量偏是指体系中微小体积所具有的能量偏是指体系中微小体积所具有的能量偏是指体系中微小体积所具有的能量偏离体系的平均能量，而且微小体积的能量处于时起时离体系的平均能量，而且微小体积的能量处于时起时离体系的平均能量，而且微小体积的能量处于时起时离体系的平均能量，而且微小体积的能量处于时起时伏，此起彼优状态的现象。伏，此起彼优状态的现象。伏，此起彼优状态的现象。伏，此起彼优状态的现象。n n液态金属中的规则排列的原子团总是处于时起时伏，液态金属中的规则排列的原子团总是处于时起时伏，液态金属中的规则排列的原子团总是处于时起时伏，液态金属中的规则排列的原子团总是处于时起时伏，此起彼伏的变化之中，人们把液态金属中这种规则排此起彼伏的变化之中，人们把液态金属中这种规则排此起彼伏的变化之中，人们把液态金属中这种规则排此起彼伏的变化之中，人们把液态金属中这种规则排列原子团的起伏现象称为列原子团的起伏现象称为列原子团的起伏现象称为列原子团的起伏现象称为相起伏相起伏相起伏相起伏或或或或结构起伏结构起伏结构起伏结构起伏。42相律相律自由度数自由度数独立组元数独立组元数相数相数外界因素外界因素 是表示在平衡条件下，系统的自由度数、组是表示在平衡条件下，系统的自由度数、组元数和平衡相数之间的关系式。元数和平衡相数之间的关系式。式中的式中的2 2，就是温度和压力，若还有其它因素，则为，就是温度和压力，若还有其它因素，则为n n；43纯金属的相图纯金属的相图组元数组元数 C=1 根据相律：根据相律：F=1-P+2=3-PF0,P3若，若，F=0，则，则P=3，即最多有三相平衡。，即最多有三相平衡。若，若，P=1，则，则F=2可以用温度和压力作坐标的平面图可以用温度和压力作坐标的平面图(p-T图图)来表示系统的相图。来表示系统的相图。44金属凝固的过程金属凝固的过程n n 当液态金属冷却到熔点当液态金属冷却到熔点当液态金属冷却到熔点当液态金属冷却到熔点T Tmm以下的某一温度开始结晶时，以下的某一温度开始结晶时，以下的某一温度开始结晶时，以下的某一温度开始结晶时，在液体中首先形成一些稳定的微小晶体，称为在液体中首先形成一些稳定的微小晶体，称为在液体中首先形成一些稳定的微小晶体，称为在液体中首先形成一些稳定的微小晶体，称为晶核晶核晶核晶核。随。随。随。随后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又形成后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又形成后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又形成后这些晶核逐渐长大，与此同时，在液态金属中又形成一些新的稳定的晶核并长大。这一过程一直延续到液体一些新的稳定的晶核并长大。这一过程一直延续到液体一些新的稳定的晶核并长大。这一过程一直延续到液体一些新的稳定的晶核并长大。这一过程一直延续到液体全部耗尽为止，形成了固态金属的晶粒组织。全部耗尽为止，形成了固态金属的晶粒组织。全部耗尽为止，形成了固态金属的晶粒组织。全部耗尽为止，形成了固态金属的晶粒组织。n n液态金属的结晶过程是由液态金属的结晶过程是由液态金属的结晶过程是由液态金属的结晶过程是由形核形核形核形核和和和和长大长大长大长大两个基本过程所组两个基本过程所组两个基本过程所组两个基本过程所组成，并且这两个过程是同时并进的。成，并且这两个过程是同时并进的。成，并且这两个过程是同时并进的。成，并且这两个过程是同时并进的。45纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线n n纯金属结晶有两个宏观现纯金属结晶有两个宏观现纯金属结晶有两个宏观现纯金属结晶有两个宏观现象：象：象：象：过冷过冷过冷过冷和和和和恒温恒温恒温恒温。n n纯金属的实际凝固温度纯金属的实际凝固温度纯金属的实际凝固温度纯金属的实际凝固温度T Tn n总比其熔点总比其熔点总比其熔点总比其熔点T Tmm低，这种现象低，这种现象低，这种现象低，这种现象叫做叫做叫做叫做过冷过冷过冷过冷。结晶的过冷现象结晶的过冷现象n nT Tmm与与与与T Tn n的差值的差值的差值的差值T T叫做叫做叫做叫做过冷度过冷度过冷度过冷度。n n过冷过冷过冷过冷是金属凝固的必要条件。是金属凝固的必要条件。是金属凝固的必要条件。是金属凝固的必要条件。n n 纯金属结晶的两个宏观现象就是纯金属结晶的两个宏观现象就是纯金属结晶的两个宏观现象就是纯金属结晶的两个宏观现象就是过冷过冷过冷过冷和和和和恒温恒温恒温恒温。46结晶的结构条件结晶的结构条件n n液态金属的结构是短程有序、长程无序。液态金属的结构是短程有序、长程无序。液态金属的结构是短程有序、长程无序。液态金属的结构是短程有序、长程无序。n n由于原子的热运动，它们只能维持短暂的时间很快就消由于原子的热运动，它们只能维持短暂的时间很快就消由于原子的热运动，它们只能维持短暂的时间很快就消由于原子的热运动，它们只能维持短暂的时间很快就消失，同时在其它地方又会出现新的尺寸不等的规则排列的失，同时在其它地方又会出现新的尺寸不等的规则排列的失，同时在其它地方又会出现新的尺寸不等的规则排列的失，同时在其它地方又会出现新的尺寸不等的规则排列的原子团，然后又立即消失。原子团，然后又立即消失。原子团，然后又立即消失。原子团，然后又立即消失。n n液态金属中的规则排列的原子团总是处于时起时伏，此液态金属中的规则排列的原子团总是处于时起时伏，此液态金属中的规则排列的原子团总是处于时起时伏，此液态金属中的规则排列的原子团总是处于时起时伏，此起彼伏的变化之中，人们把液态金属中这种规则排列原子起彼伏的变化之中，人们把液态金属中这种规则排列原子起彼伏的变化之中，人们把液态金属中这种规则排列原子起彼伏的变化之中，人们把液态金属中这种规则排列原子团的起伏现象称为团的起伏现象称为团的起伏现象称为团的起伏现象称为相起伏相起伏相起伏相起伏或或或或结构起伏结构起伏结构起伏结构起伏。47 吉布斯自由能随温度变化的关系吉布斯自由能随温度变化的关系 结晶的热力学条件结晶的热力学条件结晶的热力学条件：结晶的热力学条件：就是必须有一定的过冷度。就是必须有一定的过冷度。48n n自发形核（均匀形核）自发形核（均匀形核）自发形核（均匀形核）自发形核（均匀形核）：在液态金：在液态金：在液态金：在液态金属中，存在大量尺寸不同的短程有序属中，存在大量尺寸不同的短程有序属中，存在大量尺寸不同的短程有序属中，存在大量尺寸不同的短程有序的原子集团。当温度降到结晶温度以的原子集团。当温度降到结晶温度以的原子集团。当温度降到结晶温度以的原子集团。当温度降到结晶温度以下时，短程有序的原子集团变得稳定，下时，短程有序的原子集团变得稳定，下时，短程有序的原子集团变得稳定，下时，短程有序的原子集团变得稳定，不再消失，成为结晶核心。这个过程不再消失，成为结晶核心。这个过程不再消失，成为结晶核心。这个过程不再消失，成为结晶核心。这个过程叫自发形核。叫自发形核。叫自发形核。叫自发形核。n n非自发形核（非均匀形核）非自发形核（非均匀形核）非自发形核（非均匀形核）非自发形核（非均匀形核）：实际：实际：实际：实际金属内部往往含有许多其它杂质。当金属内部往往含有许多其它杂质。当金属内部往往含有许多其它杂质。当金属内部往往含有许多其它杂质。当液态金属降到一定温度后，有些杂质液态金属降到一定温度后，有些杂质液态金属降到一定温度后，有些杂质液态金属降到一定温度后，有些杂质可附着金属原子，成为结晶核心，这可附着金属原子，成为结晶核心，这可附着金属原子，成为结晶核心，这可附着金属原子，成为结晶核心，这个过程叫非自发形核。个过程叫非自发形核。个过程叫非自发形核。个过程叫非自发形核。均匀形核均匀形核 非均匀形核非均匀形核形核形核49均匀形核的能量条件均匀形核的能量条件晶胚形成时系统自晶胚形成时系统自由能的变化与半径的关系由能的变化与半径的关系50非均匀形核非均匀形核在实际金属液体中，存在许多微小的固相质点；另在实际金属液体中，存在许多微小的固相质点；另外，锭模的内壁总是与金属液体接触的，这些固体外，锭模的内壁总是与金属液体接触的，这些固体的表面为晶核的形成提供了方便，晶核优先依附于的表面为晶核的形成提供了方便，晶核优先依附于这些现成的表面而形成。这种形核方式称为这些现成的表面而形成。这种形核方式称为非均匀非均匀形核形核，也叫做，也叫做异质形核异质形核。51 不同润湿角的晶核形貌不同润湿角的晶核形貌 n n当当当当 0 0时，则时，则时，则时，则G*G*非非非非0 0，说明固体杂质或型壁可作，说明固体杂质或型壁可作，说明固体杂质或型壁可作，说明固体杂质或型壁可作为现成晶核，这是无核长大的情况，如图为现成晶核，这是无核长大的情况，如图为现成晶核，这是无核长大的情况，如图为现成晶核，这是无核长大的情况，如图a a所示。所示。所示。所示。n n当当当当 时，则时，则时，则时，则G*G*非非非非G*G*均均均均。n n当当当当 0 0 时，时，时，时，G*G*非非非非G*G*均均均均，这便是非均匀形核的，这便是非均匀形核的，这便是非均匀形核的，这便是非均匀形核的条件，如图条件，如图条件，如图条件，如图b b所示。所示。所示。所示。52均匀形核率和非均匀形核率随过冷度变化的对比均匀形核率和非均匀形核率随过冷度变化的对比 53（b b）形核率与温度的关系）形核率与温度的关系（a a）温度对）温度对N1、N2的影响的影响形核率形核率54晶核长大晶核长大n n晶体长大的驱动力：晶体长大的驱动力：晶体长大的驱动力：晶体长大的驱动力：系统总自由能随晶体体积的增加而下降。系统总自由能随晶体体积的增加而下降。系统总自由能随晶体体积的增加而下降。系统总自由能随晶体体积的增加而下降。n n晶体长大晶体长大晶体长大晶体长大：液体中原子迁移到晶体表面，即液：液体中原子迁移到晶体表面，即液：液体中原子迁移到晶体表面，即液：液体中原子迁移到晶体表面，即液-固界面向液体固界面向液体固界面向液体固界面向液体中推移的过程。中推移的过程。中推移的过程。中推移的过程。n n动态过冷度动态过冷度动态过冷度动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。：晶核长大所