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<uv>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< u v w >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