金属的晶体结构ppt课件.ppt

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1、金属学与热处理金属学与热处理1.1.学习目的学习目的2.2.课程内容课程内容3.3.学习方法学习方法4.4.教材及参考书教材及参考书5.5.考核方式考核方式 晶体结构对材料性能的影响晶体结构对材料性能的影响石墨石墨金刚石金刚石Comparison of crystal structures for (a) aluminum and (b) magnesium.材料的结构材料的结构(Structure)晶体结构晶体结构Crystal Structure微观组织微观组织Microstructure机械工程材料机械工程材料用于机械制造的各种材料的总称用于机械制造的各种材料的总称机械工程材料机械工程材

2、料非金属材料非金属材料 高分子材料高分子材料（塑料、橡胶）（以高分子化合物为主要成分）陶瓷材料陶瓷材料普通：天然硅酸盐矿物为原料 复合材料复合材料（如钢筋、混凝土、玻璃钢）金属材料金属材料黑色金属黑色金属（铁、铸铁、钢）有色金属有色金属1. 1 金属的基本概念金属的基本概念1. 2 金属的晶体结构金属的晶体结构1. 3 材料的晶体缺陷材料的晶体缺陷1. 4 本章小结本章小结第一节：金属的基本概念第一节：金属的基本概念 ？ 什么是金属什么是金属 什么是金属键什么是金属键金属原子的外层电子少，容易失去，其外层的价电金属原子的外层电子少，容易失去，其外层的价电子脱离原子成为自由电子，为整个金属所共有

3、，形子脱离原子成为自由电子，为整个金属所共有，形成电子气。这种由金属正离子和自由电子之间的互成电子气。这种由金属正离子和自由电子之间的互相作用称为金属键。相作用称为金属键。金属键无方向性和饱和性。金属键无方向性和饱和性。 金属是具有正的电阻温度系数的物质金属是具有正的电阻温度系数的物质 根据金属键解释固态金属的一些特性根据金属键解释固态金属的一些特性 导热性导热性 导热性导热性 延展性延展性 金属光泽金属光泽 正的电阻温度系数正的电阻温度系数 材料的结合键材料的结合键u金属材料金属材料：主要以主要以金属键金属键结合，个别的有共价（如四价灰结合，个别的有共价（如四价灰锡）和离子键（如金属化合物锡

4、）和离子键（如金属化合物MgMg3 3SbSb2 2）的特点。具有）的特点。具有良好良好的导电性、导热性和塑性（延展性），并具有金属光泽的导电性、导热性和塑性（延展性），并具有金属光泽。 金属材料的键型及性能特点金属材料的键型及性能特点江阴长江大桥江阴长江大桥民用客机（波音民用客机（波音747747）拆叠自行车拆叠自行车u陶瓷材料陶瓷材料：无机非金属材料，无机非金属材料，以离子键和共价键为主，以离子键和共价键为主，熔点高、硬度大、导电性差熔点高、硬度大、导电性差，多为脆性材料。如，多为脆性材料。如Al2O3、SiO2、金刚石等。、金刚石等。 陶瓷材料的键型及性能特点陶瓷材料的键型及性能特点莫来

5、石复相陶瓷莫来石复相陶瓷SiO2晶体晶体金刚石晶体金刚石晶体 材料的结合键材料的结合键u高分子材料高分子材料：链间以分子键结合，链内组成分子的是链间以分子键结合，链内组成分子的是共价键和氢键；熔点低，强度和硬度低共价键和氢键；熔点低，强度和硬度低。如塑料、橡。如塑料、橡胶、合成纤维等。胶、合成纤维等。 高分子材料的键型及性能特点高分子材料的键型及性能特点聚四氟乙烯薄膜聚四氟乙烯薄膜通信电缆通信电缆绝缘材料绝缘材料UPVC高分子高分子增强复合瓦增强复合瓦 固态物质可分为晶体和非晶体固态物质可分为晶体和非晶体，金属在固态下通常都是晶体金属在固态下通常都是晶体，故，故研究金属应首先了解其晶体结构。研

6、究金属应首先了解其晶体结构。第二节：金属的晶体结构第二节：金属的晶体结构2.1 晶体和非晶体晶体和非晶体 晶晶 体体原子、离子或分子在三维空间按一定规律呈原子、离子或分子在三维空间按一定规律呈周期性重复排列，长程有序周期性重复排列，长程有序 ，规则排列规则排列。不同方向原子的排列方式不相同，因而其表不同方向原子的排列方式不相同，因而其表现的性能也有差异，现的性能也有差异，各向异性各向异性。具有固定的熔点具有固定的熔点。2.1 晶体和非晶体（续）晶体和非晶体（续） 非晶体非晶体原子、离子或分子长程无规则的堆积，原子、离子或分子长程无规则的堆积，长程长程无序无序，短程有序。，短程有序。各向同性各向

7、同性；无固定熔点无固定熔点，有一定软化温度范围。随温度，有一定软化温度范围。随温度的升高粘度减小，在液体和固体之间没有明的升高粘度减小，在液体和固体之间没有明显的温度界限。显的温度界限。玻璃结构（非晶态）玻璃结构（非晶态）晶体结构晶体结构晶体与非晶体熔化曲线晶体与非晶体熔化曲线2.2 晶体结构和空间点阵晶体结构和空间点阵晶格晶格：用假想的直线将原子（离子或分子）中心连接起来所形用假想的直线将原子（离子或分子）中心连接起来所形成的周期性规则排列的三维空间格架。成的周期性规则排列的三维空间格架。晶体结构晶体结构：指在晶体内部原子、离子或分子规则排列的方式。指在晶体内部原子、离子或分子规则排列的方式

8、。原子原子原子的原子的结合结合晶晶 体体晶体结构晶体结构空间点阵空间点阵2.3 晶胞与点阵常数晶胞与点阵常数晶胞晶胞: :构成晶格的最基本单元。在构成晶格的最基本单元。在三维空间重复堆砌可构成整个空间三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵。点阵。晶格常数晶格常数: :平行六面体的三个棱长平行六面体的三个棱长a a、b b、c c和其夹角和其夹角、，可决定，可决定平行六面体尺寸和形状，这六个量平行六面体尺寸和形状，这六个量亦称为点阵常数。亦称为点阵常数。2.2 晶体结构和空间点阵（续）晶体结构和空间点阵（续） 描述晶格结构的几个参数描述晶格结构的几个参数v 晶体学参数晶体学参数： a、b、c、v 晶

9、格常数晶格常数： a、b、cv晶胞原子数晶胞原子数：晶胞内所包含的原 子 数。v致致 密密 度度：晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。简单立方晶胞简单立方晶胞致密度越大，原子排列越紧密致密度越大，原子排列越紧密 按点阵常数的特征对晶体的分类按点阵常数的特征对晶体的分类。简单、体心、面心简单、体心、面心简单、体心简单、体心简单简单简单、底心、体心、面心简单、底心、体心、面心简单简单简单、底心简单、底心简单简单2.2 晶体结构和空间点阵（续）晶体结构和空间点阵（续）体心立方结构体心立方结构 bcc bcc （Body-centered cubic）面心立方结构面心立方结构 fcc fc

10、c （Face-centered cubic）密排六方结构密排六方结构 hcp hcp （Hexagonal close-packed）金属常见结构金属常见结构：bccbccfccfcchcphcp2.3 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构三种典型的晶格结构类型三种典型的晶格结构类型体心立方晶格体心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格面心立方晶格面心立方晶格晶晶 体体 结结 构构 的的 原原 子子 模模 型型原子位置：立方体的八个顶角和原子位置：立方体的八个顶角和体心体心典型金属：典型金属：-Fe、Mo、W、 V、Cr、 Ti、Nb晶格常数：晶格常数： abc 一、体心立方晶格一、体心立

11、方晶格 体心立方晶体结构的特征体心立方晶体结构的特征 Body Centered Cube （BCC） 体心立方结体心立方结构构.AVI在体心立方晶格中密排面为在体心立方晶格中密排面为110110，密排方向为，密排方向为l 体心立方晶格中的原子排列体心立方晶格中的原子排列四面体间隙四面体间隙八面体间隙八面体间隙体心立方体心立方结构结构中的间隙中的间隙立方体的八个顶角和每个侧面中心都立方体的八个顶角和每个侧面中心都有原子有原子 二、面心立方晶格二、面心立方晶格 面心立方晶体结构的特征面心立方晶体结构的特征 Face Centered Cube （FCC）典典型金属：型金属：-Fe、Al、Cu、

12、Ni、Au、Ag、Pbl 面心立方晶格中的原子排列面心立方晶格中的原子排列面心立方晶格中密排面为面心立方晶格中密排面为111111，密排方向为，密排方向为八面体间隙八面体间隙四面体间隙四面体间隙面面心立方心立方晶格晶格中的间隙中的间隙典型金属：典型金属：Mg、Zn、Co三、密排六方晶格三、密排六方晶格在密堆六方晶格中密排面为在密堆六方晶格中密排面为00010001，密排方向为，密排方向为密堆六方中的间隙密堆六方中的间隙XYZu晶面晶面：晶体中各方位上的原子面称为晶体中各方位上的原子面称为晶面晶面。u晶向晶向：各方向上的原子列称各方向上的原子列称晶向晶向。在分析和研究有关晶体的生长、在分析和研究

13、有关晶体的生长、塑性变形、相变以及性能方面的塑性变形、相变以及性能方面的问题时，常涉及到晶向和晶面。问题时，常涉及到晶向和晶面。为了方便表示各种晶面和晶向，为了方便表示各种晶面和晶向，国际上采用了统一的符号表示，国际上采用了统一的符号表示，表示晶面的为表示晶面的为晶面指数晶面指数，表示晶，表示晶向的为向的为晶向指数晶向指数。 2.4 晶向与晶面指数晶向与晶面指数晶面指数晶面指数晶面晶面空间中不在一直线任三个阵点的空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面，代表了晶体中原子构成的平面，代表了晶体中原子列的方向。列的方向。晶面指数晶面指数表示晶面方位的符号表示晶面方位的符号(Miller指指数），用数

14、），用(hkl)表示。表示。（1 1）选原点定坐标选原点定坐标：以晶胞中某一阵点为原点，对晶胞作以晶胞中某一阵点为原点，对晶胞作晶轴晶轴X、Y、Z，以，以晶胞的边长晶胞的边长为晶轴上的为晶轴上的单位长度单位长度1。（2）求截距求截距：求晶面在三个晶轴上的截距，求晶面在三个晶轴上的截距， 如：如：1、1、； 1/2、1/2、1。（3）取倒数取倒数: 取这些截距的倒数，取这些截距的倒数， 如：如：1、1、0； 2、2、1。（4）化为整数，加圆括号化为整数，加圆括号：将所得数值化为最简整数，并将所得数值化为最简整数，并加圆括号，即表示该晶面的指数，记为加圆括号，即表示该晶面的指数，记为（h k l）

15、。 如如：（110）、（221）。X XY YZ Z1(0)(0)(1)(100) 举例举例:(100):(100)晶面的确定晶面的确定v 课堂练习课堂练习1. 1. 求截距为求截距为1，2，3晶面的晶面指数。晶面的晶面指数。 （1）取倒数为）取倒数为1，1/2，1/3； （2）化为最小整数加圆括弧得）化为最小整数加圆括弧得(632)。2. 2. 画出（画出（111）晶面。）晶面。 (1) 取三指数的倒数取三指数的倒数1、1、1即为截距；即为截距； (2) 分别在分别在X，Y，Z三坐标三坐标轴上取截距轴上取截距1，1，1；连线成面；连线成面即得。即得。X XY YZ ZO立方晶系晶面指数的标定

16、立方晶系晶面指数的标定 晶面族与晶向族晶面族与晶向族p (hkl )与与 uvw 分别表示一组平行的晶向和晶面。分别表示一组平行的晶向和晶面。 那些指数不同，但那些指数不同，但原子排列完全相同的原子排列完全相同的晶面晶面 或或晶向晶向，分别称作，分别称作晶面族晶面族或或晶向族晶向族。 晶面族用晶面族用 h k l 表示表示 晶向族用晶向族用 表示表示 举例：举例：110110晶面族晶面族（110110）)011(（101）（011）（101）XZY)110( 晶向指数的确定方法晶向指数的确定方法（1）取原点，定坐标，晶胞的边长）取原点，定坐标，晶胞的边长作为晶轴上的单位长度。作为晶轴上的单位长

17、度。（2）从原点）从原点O，沿直线所指方向取，沿直线所指方向取最近一个点的坐标最近一个点的坐标 u v w，如：，如：100，111，110 等。等。（3）将此数值化为最小整数，并）将此数值化为最小整数，并加加方括号方括号，即为该晶向的晶向指，即为该晶向的晶向指数，一般用数，一般用uvw表示。表示。100、111、110。 l 晶向族：晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶向一组晶向的集合的集合。 表示方法：用尖括号表示方法：用尖括号表示，如表示，如 ：与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶向。与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶向。 l 晶向

18、指数特征晶向指数特征可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。都是该族的范围。v 举例：举例：晶向族晶向族111111111111XZY 立方晶系常见的晶向立方晶系常见的晶向 几点说明：几点说明：l遇到负指数，遇到负指数，“”号放在该指数的号放在该指数的上上方方。l晶向具有方向性晶向具有方向性,如如 110与与 方向相方向相反。反。XZY(111)111110110011l 六方晶系的晶向指数标定六方晶系的晶向指数标定六方晶系一般采用四轴六方晶系一般采用四轴 (a1、a2、a3、c) 坐标系坐标系进行标定。进行标定。四轴坐标系中，由

19、于多四轴坐标系中，由于多了一个坐标轴而有所不了一个坐标轴而有所不同。同。具体有以下两种方法：具体有以下两种方法：l 六方晶系的晶向指数标定六方晶系的晶向指数标定方法一方法一1）用三轴坐标系（）用三轴坐标系（a1, a2, c)求出晶向指数求出晶向指数U V W2）根据以下方程换算成四轴）根据以下方程换算成四轴体系的体系的u v t w: u = 2/3U-1/3V v = 2/3V-1/3U w = W, t = - (u+v)l 六方晶系的晶面指数标定六方晶系的晶面指数标定1）建立坐标系：底面用互成）建立坐标系：底面用互成120度的三个坐标轴度的三个坐标轴a1、a2、a3，其单位为晶格常数其

20、单位为晶格常数a，加上垂，加上垂直于底面的方向直于底面的方向Z轴一起构建轴一起构建坐标系，其单位为高度方向的坐标系，其单位为高度方向的晶格常数晶格常数c。注意。注意a1、a2、a3三三个坐标值不是独立的变量。个坐标值不是独立的变量。 2）方法同立方晶系，）方法同立方晶系， (h k i l)为为在四个坐标轴的截距倒数的化在四个坐标轴的截距倒数的化简，其中简，其中 hki0。l 六方晶系的晶向指数标定六方晶系的晶向指数标定方法二方法二1 1）将坐标原点平移使其与晶向中的一点重合。）将坐标原点平移使其与晶向中的一点重合。2 2）从原点出发，沿平行于四个坐标轴方向依次移动，使）从原点出发，沿平行于四

21、个坐标轴方向依次移动，使之最后到达要标定方向上的某一格点，移动时要使之最后到达要标定方向上的某一格点，移动时要使a3a3轴移动的距离是轴移动的距离是a1a1、a2a2两轴移动距离之和的负值。两轴移动距离之和的负值。3 3）将各轴移动距离简化为最小整数加上方括号。）将各轴移动距离简化为最小整数加上方括号。六方晶系中代表性晶面指数六方晶系中代表性晶面指数2.5 其它晶体学概念其它晶体学概念 晶向的原子密度：该晶向单位长度上的节点晶向的原子密度：该晶向单位长度上的节点(原子原子)数。数。晶面的原子密度：该晶面单位面积上的节点晶面的原子密度：该晶面单位面积上的节点(原子原子)数。数。立方晶系中，相同指

22、数的晶向和晶面垂直；立方晶系中，相同指数的晶向和晶面垂直； h k l （h k l）晶面间距：相邻两个平行晶面之间的垂直距离。晶面间距：相邻两个平行晶面之间的垂直距离。 晶面间距越大，该晶面上的原子密度也越大。晶面间距越大，该晶面上的原子密度也越大。 同一晶面族的原子排列方式相同，它们的晶面间同一晶面族的原子排列方式相同，它们的晶面间距也相同。距也相同。 不同晶面族的晶面间距也不相同。不同晶面族的晶面间距也不相同。体心立方体心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面& 金属的塑性与其晶格结构有关金属的塑性与其晶格结构有关 一般，具有一般，具有面心立方面心立方晶

23、格的金属塑性晶格的金属塑性最好最好，体心立方体心立方晶格的晶格的次之次之，密排六方密排六方晶格金属晶格金属最差最差。 同素异构转变同素异构转变大部分金属只有一种晶体结构，但也有大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如少数金属如FeFe、MnMn、TiTi、CoCo等具有两种等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。或几种晶体结构，即具有多晶型。同素异构转变同素异构转变当外部条件当外部条件( (如温度和压力如温度和压力) )改变时，金属改变时，金属由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变。称为多晶型转变或同素异构转变。u晶体具有晶体具

24、有各向异性的根本原因各向异性的根本原因是由于在不同是由于在不同晶向上的原子排列紧密程度不同所致。晶向上的原子排列紧密程度不同所致。u原子紧密程度不同，意味不同方向原子间结原子紧密程度不同，意味不同方向原子间结合力不同，从而使晶体在不同晶向的理化、机合力不同，从而使晶体在不同晶向的理化、机械性能不同。械性能不同。如：体心立方结构的如：体心立方结构的a-Fea-Fe单晶单晶方向方向的弹性模量是的弹性模量是方向的两倍多。方向的两倍多。各向异性各向异性 晶体在不同方向上的性能不同晶体在不同方向上的性能不同。晶面晶面100110111bccfcc晶向晶向 bccfcc思考：为什么在工业金属材料中，见不到

25、这种各向异性？思考：为什么在工业金属材料中，见不到这种各向异性？理想晶体理想晶体原子完全象晶体学中论述的原子完全象晶体学中论述的那样呈现周期性的规则重复那样呈现周期性的规则重复的排列。的排列。缺陷晶体缺陷晶体指晶体中原子排列的不完整指晶体中原子排列的不完整性，即实际晶体中存在着偏性，即实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规离（破坏）晶格周期性和规则性的那部分。则性的那部分。第三节第三节 晶体缺陷晶体缺陷p 实际晶体理想晶体晶体缺陷实际晶体理想晶体晶体缺陷晶体缺陷的分类晶体缺陷的分类点缺陷：点缺陷： 三维方向上原子尺寸大小级别的晶体三维方向上原子尺寸大小级别的晶体缺陷，如空位、间隙原子等。缺

26、陷，如空位、间隙原子等。线缺陷：线缺陷： 一个方向上的尺寸很大，另两个方向一个方向上的尺寸很大，另两个方向上的尺寸很小上的尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺的晶体缺陷，主要是晶体中的位错。陷，主要是晶体中的位错。面缺陷：面缺陷： 两个方向上的尺寸很大两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级晶粒数量级)，另外一个方向尺寸很小另外一个方向尺寸很小(原子尺寸大小原子尺寸大小)的晶体缺陷，如晶界、亚晶界等。的晶体缺陷，如晶界、亚晶界等。空位空位间隙原子间隙原子大置换原子大置换原子小置换原子小置换原子 类类 型型：空位空位、间隙原子间隙原子、置换原子置换原子。特特 征：征： 本身尺寸很小，但晶格畸变可

27、波及很远；本身尺寸很小，但晶格畸变可波及很远； 空位和间隙原子均处于不断的运动和变化之中。空位和间隙原子均处于不断的运动和变化之中。3.1 点缺陷点缺陷1 1）点缺陷的类型）点缺陷的类型2) 2) 点缺陷对材料性能的影响点缺陷对材料性能的影响l 电子在点缺陷处受到额外的散射，增大材料的电阻。电子在点缺陷处受到额外的散射，增大材料的电阻。 l 有利于原子扩散，空位可作为原子运动的周转站。有利于原子扩散，空位可作为原子运动的周转站。 l 形成其它晶体缺陷。过饱和的空位可集中在晶体内形成其它晶体缺陷。过饱和的空位可集中在晶体内部形成空洞，集中一片的塌陷形成位错。部形成空洞，集中一片的塌陷形成位错。

28、点缺陷的存在，会使其附近原子稍微偏离原结点位点缺陷的存在，会使其附近原子稍微偏离原结点位置，造成小区域的晶格畸变，对材料宏观性能产生置，造成小区域的晶格畸变，对材料宏观性能产生影响，使金属的影响，使金属的强度、硬度提高强度、硬度提高，塑性和韧性略降塑性和韧性略降低低 。位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。界线称作位错。主要类型主要类型：刃型位错刃型位错; 螺型位错螺型位错。刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错3.2 线缺陷线缺陷位错位错 1) 刃型位错刃型位错

29、 (Edge dislocation) 原子模型原子模型如图，将晶体的上半部分向左移动一个原子间距，再按原如图，将晶体的上半部分向左移动一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来，这样在分界线的上方将多出半个子的结合方式连接起来，这样在分界线的上方将多出半个原子面，这种原子错排缺陷称为原子面，这种原子错排缺陷称为刃型位错刃型位错，表记为，表记为“”或或“T”，错排原子列边缘为，错排原子列边缘为位错线位错线。 l 刃型位错有一额外半原子面。刃型位错有一额外半原子面。l 位错线不一定是直线，也可以是曲线。位错线不一定是直线，也可以是曲线。l 位错线与晶体的滑移方向相垂直，位错线运动的方位错线与晶体的

30、滑移方向相垂直，位错线运动的方向垂直于位错线。向垂直于位错线。l 刃型位错既有正应变，又有切应变。对于正刃型位刃型位错既有正应变，又有切应变。对于正刃型位错，滑移面上方为压应力，下方为拉应力。负刃型错，滑移面上方为压应力，下方为拉应力。负刃型位错与之相反。位错与之相反。1) 刃型位错刃型位错 (Edge dislocation)（续续 ） 刃刃型位错的特征概括型位错的特征概括在分界线的区域形成一在分界线的区域形成一螺旋面，这就是螺型位螺旋面，这就是螺型位错。错。 2) 螺型位错螺型位错 (Screw dislocation)A. A. 位错的原子模型位错的原子模型螺型位错滑移面两侧晶螺型位错滑

31、移面两侧晶面上原子的滑移情况面上原子的滑移情况 ：上层原子：上层原子 ：下层原子：下层原子l螺型位错没有额外半原子面。螺型位错没有额外半原子面。l螺型位错线是一个具有一定宽度的细长的螺型位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，只有切应变，没有正应变。晶格畸变管道，只有切应变，没有正应变。l螺型位错线与滑移方向平行。螺型位错线与滑移方向平行。l位错线运动方向与位错线垂直。位错线运动方向与位错线垂直。2) 螺型位错螺型位错 (Screw dislocation)（续）续）B. B. 螺型位错的特点螺型位错的特点 在外力作用下，在外力作用下，晶体两部分之间发生晶体两部分之间发生相对滑移，在晶体

32、内相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也分的交线既不垂直也不平行滑移方向（柏不平行滑移方向（柏氏矢量氏矢量b b），这样的位），这样的位错称为错称为混合型位错混合型位错。 3) 混合混合型位错型位错（Composite dislocation）（a a）混合型位错的形成）混合型位错的形成（b b）混合位错分解为刃）混合位错分解为刃位错和螺位错示意图位错和螺位错示意图(c) (c) 混合位错线附混合位错线附近原子滑移透视图近原子滑移透视图 位错的特征位错的特征： 在位错线方向尺寸大在位错线方向尺寸大 。 位错线周围产生位错线周围产生晶格畸变。晶格畸变。 位错密度

33、位错密度()：单位体积中所包含的单位体积中所包含的 位错线的位错线的总长度总长度，cm/cm3。 一般，金属中一般，金属中 =1041012cm/cm3刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错物理学家物理学家J. M. BurgersJ. M. Burgers提出用一矢量来提出用一矢量来表征位表征位错性质、错性质、晶格畸变的大晶格畸变的大小和方向小和方向。该矢量称为该矢量称为柏氏矢量柏氏矢量。4) 柏氏矢量（柏氏矢量（Burgers vector） 首先人为首先人为假设位错线的方向假设位错线的方向。对于刃位错目前有两种。对于刃位错目前有两种假定：一种是纸背到纸面的方向为正，另一种恰好相假定：一种是纸背

34、到纸面的方向为正，另一种恰好相反。应当注意不同假设不会导致位错线和柏氏矢量方反。应当注意不同假设不会导致位错线和柏氏矢量方向的相对位向关系发生改变。这里采用第一种假设。向的相对位向关系发生改变。这里采用第一种假设。A A、柏氏矢量的确定方法、柏氏矢量的确定方法 在原子排列基本正常区域在原子排列基本正常区域M M出发，作一个包含位错的出发，作一个包含位错的回路，也称为回路，也称为柏氏回路柏氏回路，这个回路包含了位错发生，这个回路包含了位错发生的畸变区。采用右手螺旋法则，使大拇指指向位错的畸变区。采用右手螺旋法则，使大拇指指向位错线的正向，右螺旋的走向为柏氏回路的走向，这样线的正向，右螺旋的走向为

35、柏氏回路的走向，这样就可以确定柏氏回路的方向为逆时针方向。就可以确定柏氏回路的方向为逆时针方向。在完整晶体中在完整晶体中以同样方向和步数以同样方向和步数作相同回路作相同回路，此时，此时回路不能封闭。回路不能封闭。由完整晶体的由完整晶体的回路终点回路终点Q Q到起点到起点M M引一矢量引一矢量b b使回路封使回路封闭，这个矢量就称为该位错的柏氏矢量。闭，这个矢量就称为该位错的柏氏矢量。 螺位错的柏氏矢量可用相同方法（即人为的确定由纸螺位错的柏氏矢量可用相同方法（即人为的确定由纸背指向纸面为螺位错的正向，再根据右手螺旋法则确背指向纸面为螺位错的正向，再根据右手螺旋法则确定柏氏回路的方向）确定。它的

36、柏氏矢量与位错线平定柏氏回路的方向）确定。它的柏氏矢量与位错线平行，规定位错线与矢量行，规定位错线与矢量b b同向时为右螺旋位错，反向同向时为右螺旋位错，反向是为左螺型位错。是为左螺型位错。bb正刃型正刃型位错位错负刃型负刃型位错位错bb右螺型右螺型位错位错左螺型左螺型位错位错bb1b2混合型混合型位错位错l 利用柏氏矢量可以简单判断位错类型。利用柏氏矢量可以简单判断位错类型。柏氏矢量与位错柏氏矢量与位错线相互垂直时为刃型位错；柏氏矢量与位错线相互平行线相互垂直时为刃型位错；柏氏矢量与位错线相互平行时为螺型位错；柏氏矢量与位错线的夹角在时为螺型位错；柏氏矢量与位错线的夹角在0 09090o o

37、为混为混合位错。合位错。l 柏氏矢量的大小可以表示晶格畸变总量的大小柏氏矢量的大小可以表示晶格畸变总量的大小。通过柏。通过柏氏回路将畸变叠加起来，总量的大小可用柏氏矢量表示氏回路将畸变叠加起来，总量的大小可用柏氏矢量表示出来。出来。柏氏矢量越大，晶格畸变越严重。柏氏矢量越大，晶格畸变越严重。l 柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错线是晶。位错线是晶体在滑移面上已滑移区和未滑移区的边界线。位错线运体在滑移面上已滑移区和未滑移区的边界线。位错线运动时扫过滑移面，晶体即发生滑移，动时扫过滑移面，晶体即发生滑移，滑移量的大小为柏滑移量的大小为柏氏矢量，方向为柏

38、氏矢量的方向氏矢量，方向为柏氏矢量的方向。B B、柏氏矢量的重要特征、柏氏矢量的重要特征l 同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和回路同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关，在位错线上的位置无关，每根位错具有唯一的每根位错具有唯一的柏氏矢量柏氏矢量。l 一根不分叉的位错线，不管其形状如何，对应一根不分叉的位错线，不管其形状如何，对应唯一柏氏矢量。唯一柏氏矢量。l 位错不可能终止于晶体的内部，只能到表面、位错不可能终止于晶体的内部，只能到表面、晶界和其他位错晶界和其他位错，在位错网的交汇点，必然是，在位错网的交汇点，必然是总的柏氏矢量之和为零。总的柏氏矢量之和为零。C C、柏

39、氏矢量守恒、柏氏矢量守恒l 在晶体内部，位错线一定是封闭的，或者自身封闭在晶体内部，位错线一定是封闭的，或者自身封闭成位错圈，或构成三维位错网络。成位错圈，或构成三维位错网络。l 晶体中位错数量可用位错密度晶体中位错数量可用位错密度、即单位体积位错、即单位体积位错线的总长度表示。线的总长度表示。 l 退火状态下金属材料位错密度较低，约在退火状态下金属材料位错密度较低，约在10106 6的数的数量级；经过较大的冷塑性变形，位错密度可达量级；经过较大的冷塑性变形，位错密度可达101010-10-12-12的数量级。的数量级。含位错试样抛光侵蚀后，含位错试样抛光侵蚀后，位错露头易侵蚀而出现规位错露头

40、易侵蚀而出现规则的多边型且排列有一定则的多边型且排列有一定规律的蚀坑。这种观察方规律的蚀坑。这种观察方法在晶粒较大，位错较少法在晶粒较大，位错较少时才有明显效果。时才有明显效果。 将试样减薄到几十到数将试样减薄到几十到数百个原子层百个原子层(500nm以以下下)，利用透射电镜进，利用透射电镜进行观察，可直接观察到行观察，可直接观察到位错线。位错线。 5) 位错的观察位错的观察 高温合金热机械疲劳后产生的位错网高温合金热机械疲劳后产生的位错网铝合金中的位错铝合金中的位错柱状单晶铜中的位错柱状单晶铜中的位错 金属的塑性变形主要金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此由位错运动引起，因此阻碍位错运动是

41、阻碍位错运动是强化金强化金属属的主要途径。的主要途径。 从从 - 关系可以看关系可以看出：出：大量增加位错密度，大量增加位错密度，使金属材料的强度提高。使金属材料的强度提高。v 位错对力学性能的影响位错对力学性能的影响：位错强化位错强化单晶体单晶体：由由一个晶核一个晶核生长而成生长而成的晶体称为单晶体。在单晶体的晶体称为单晶体。在单晶体中，原子都是按同一取向排列，中，原子都是按同一取向排列，具有具有各向异性各向异性。如天然金刚石、。如天然金刚石、人造单晶硅。人造单晶硅。多晶体多晶体：由由许多许多取向不同的取向不同的小小的单晶体的单晶体所组成的晶体称为多所组成的晶体称为多晶体。多晶体是晶体。多晶

42、体是各向同性各向同性的。的。3.3 面缺陷面缺陷 1) 单晶和多晶体单晶和多晶体 CeO2单晶纳米颗粒多晶Filled skutterudite 化合物的结构 组成多晶体的小单晶体称为组成多晶体的小单晶体称为晶粒晶粒； 晶粒之间的界面称为晶粒之间的界面称为晶界晶界； 多晶体多晶体中，各小的单晶体位向或取向不同，虽然每个小中，各小的单晶体位向或取向不同，虽然每个小晶粒具有各向异性，但整体材料则是它们的平均值，表现为晶粒具有各向异性，但整体材料则是它们的平均值，表现为各向同性各向同性。工程材料大多都为多晶体。工程材料大多都为多晶体。 光学金相显示的纯铁晶界 晶界就是空间取向晶界就是空间取向( (或

43、位向或位向) )不不同的相邻晶粒之间的分界面。同的相邻晶粒之间的分界面。l 小角度晶界小角度晶界。晶界两侧的晶。晶界两侧的晶粒位向差很小。可看成是一粒位向差很小。可看成是一系列刃位错排列成墙，晶界系列刃位错排列成墙，晶界中位错排列愈密，则位向差中位错排列愈密，则位向差愈大。愈大。 l 大角度晶界大角度晶界。晶界两侧的晶。晶界两侧的晶粒位向差较大，不能用位错粒位向差较大，不能用位错模型。模型。2) 晶晶 界界 晶界晶界: 是不同位向晶粒的过渡部位，宽度是不同位向晶粒的过渡部位，宽度510个原个原子间距子间距，位向差一般在，位向差一般在2040。亚晶界亚晶界: 位向差很小位向差很小 (102 )

44、的小晶块为亚晶粒，的小晶块为亚晶粒，亚晶粒之间的交界面称为亚晶界。亚晶粒之间的交界面称为亚晶界。亚晶界亚晶界晶界晶界晶界特性 具有界面能。 内吸附。 提高金属的强度和硬度。相界面的分类相界面的分类两种不同相的分界面。两种不同相的分界面。3) 相界面相界面v 晶体缺陷对性能的影响（共性）晶体缺陷对性能的影响（共性） 产生晶格畸变，使实际金属的强度远远小于理想金属产生晶格畸变，使实际金属的强度远远小于理想金属 晶界处位错密度高，使其局部晶界处位错密度高，使其局部s HBS 对实际金属，晶体缺陷越多（尤其位错），对实际金属，晶体缺陷越多（尤其位错），s HBS位错的滑移过程位错的滑移过程实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构位错滑移位错滑移.swf位错位错1.1. 。金属的概念。金属的概念2.2. 晶体的概念晶体的概念3.3. 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构4.4. 晶向指数与晶面指数表示方法。晶向指数与晶面指数表示方法。 5.5. 各向异性各向异性6.6. 晶体中常见的缺陷类型及对性能的影响。晶体中常见的缺陷类型及对性能的影响。 7.7. 柏氏回路和柏氏矢量的确定，柏氏矢量和柏氏回路和柏氏矢量的确定，柏氏矢量和位错类型的关系位错类型的关系小小 结结