用上述方法,可求出图中OB、0C和0D的晶向指数分别为[110、[201和[010]。 与晶面指数类似,晶向指数是代表一组在空间相互平行的晶向,其一般式用[a门表示。 对于那些方向不同而原子排列相同的晶向族,则用(D)表示。 在图2-11中,[010]⊥(010),可以证明在立方晶格中,若晶面指数和晶向指数的数字相 同,则彼此垂直。 (三)品面及晶向的原子密度 所谓晶面的原子密度,是指单位面积中的原子数;而晶向原子密度,则指单位长度上的原 子数。表2-1给出了体心立方晶格中主要晶面及晶向的原子密度。 2-1体心立方晶格中主赛晶面和晶向的取子密度 晶面示意图 晶面密度(原子数面积)品向指数晶向密度〔原子数/长度) {f00 4+1 4110} N2a x2+1 1t1} 由表可见,在体心立方晶格中,{110}晶面及〈111)晶向原子蜜度最大,而{11}晶面及 110)晶向原子密度最小。 由于晶体中不同晶面和晶向的原子密度不同,所以晶体在不同方向上的性能也不同。晶体 的这种性质称为“各向异性”。例如,体心立方的铁品体,在111方向,E=2,9X105MPa,在 〈100)方向,E=1.35×105MPa 应该指出,在工程上使用的金属材料,一般不具有这种各向异性的特征。例如,上述铁的 弹性模量在各个方向大致保持在E=2.1×10°MPa左右。这是因为金属的实际晶体结构与 上述理想的晶体结构有很大的差别。因此还必须进一步讨论金属的实际晶体结构。 五、金属的实际晶体结构 上面所述,品体是原子按规则排列的固态物质。这种内部晶格位向完全一致的晶体称为 单晶体,是种理想的情况。金属的实际晶体结构,不是单晶体而是多晶体,并且存在着各种
晶体缺陷。 (一)多晶体结构 将实际使用的金属材料制备成金相试样,在显微镜下观察,可以看到它是由许多小的晶 体组成(图2-12a)。这种外形不规则的小晶体称为品粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界 这种由许多晶粒组成的晶体结构称为多品体。工业用纯铁的弹性模量在各个方向上大致相同, 就是因为其中各晶粒内的品格位向不同(图2-12b),结果只表现出它们的平均性能。 如果深入研究到晶粒的内部,用电子显微镜还能发现品粒内部的晶格位向在不同区域上 也有微小差别,一般仅10~20′,最多达1~2°。这种在品粒内部存在微小位向差别的小区域, 称为“亚晶”或“嵌镶块”,如图2-13所示 a)显微组织照片 b)示意图 图2-12金属的多品体结构 y 图2-13金属中的亚晶组织 (二)晶体缺陷 金属的实际品体结构,不仅是多晶体,而且在晶界附近的原子排列极不规则,即使在晶粒 内部,原子排列也存在着局部的不规则和不完整性,形成晶体缺陷。根据晶体缺陷的特征,可 归纳为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。 1。点缺陷
常见的点缺陷有晶格空位和间隙原子两种。 由于晶体中的原子并非静止不动,而是以平衡位置为中心不断地进行热振动,温度愈高则 振动得愈激烈。由于每个原子的能量并不完全相同,存在着能量起伏的现象。随着蠱度升高, 某些能量较高的原子有可能克服周围原子对它的束缚作用,跳离原来的平衡位置留下“晶格 空位”。而离开原来位置的原子,有可能跳到晶格原子之间,形成“间隙原子”,如图2-14所 在晶格空位和间隙原子的周围,由于原子间作用力发生变化,使邻近原子靠拢或撑开,晶 格发生畸变,引起金属的强度和硬度增加 品格室位和间隙原子还会不断地移动。例如,晶格空位附近的原子在获得足够能量时,有 可能跳入该空位,而在原来原子位置上留下新的空位,相当于晶格空位的移动。间隙原子也 能从一个间隙跳到另一个间隙中。这样通过品格空位和间隙原子的移动,使扩散不断进行,能 加速固态时组织转变。因此,点缺陷的存在对金属的物理、化学和机械性能都有一定的影响 昂格空位 位 间隙原子 888.3 图2-14品体中的原子空位和隙原子 图2-15可型位错示意图 2.线缺陷 位错是晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律错排的现象。位错在晶体中呈线性分 布,阀于线缺陷。位错的种类很多,最基本的有刃型位错和螺型位两种 图2-15为刃型位错示意图。该晶体在剪力作用下,由于右上部分相对于右下部分发生局 部滑移,结在晶体的上半部分挤出了一层多余的原子面,犹如刀刃插入到晶体之中。该多余 原子面的边緣就是位错线。在位错线附近,由于晶格畸变产生应力集中。距位错线愈远,晶格 畸变愈小,应力也愈小,原子排列逐渐趟于正常 图2-16为螺型位错示意图。从图2-16a)中可以看出,晶体在剪力r作用下,上下两部分 原子沿滑移面ABCD发生了错动,使ad右方的晶体的上下层原子相对错动一个原子间距, 但在bb和a'之间出现了一个约有几个原子宽度的上下原子不相吻合的过渡区。其中,已滑 移区和未滑移区的边界线,即位错线b,不是垂直而是平行于滑移方向,如图216b所示如 果以位错线b为轴线,从a开始,按顺时针方向依次连接该过渡区内的各个原子,则其走 和螺旋的前进方向…致(图2-16C)。因此,在螺旋型位错的附近,原子的正常排列遵到破坏, 原子排列成螺旋面故把这种位错称为螺型位错
上层原子·下层原 图2-16螺型位错示意图 3.面缺陷 面缺陷主要指晶界和亚品界上原子排列不规则。这是因为晶界和亚晶界分别是晶粒和亚 晶粒之间的交界面,该处原子同时受到相邻不同位向晶格的影响,必须从一种位向逐步过渡到 另一种位向,成为相邻不同位向品格间的过渡层。一般地说,晶粒间的位向差大都在30~40° 范图内,晶界大都属于大角度晶界,如图2-17a)所示;亚晶间的位向差则小得多。亚晶界实际 上是由一系列刃型位错组成的小角度晶界,可以把它们看成是一种位错线的难积,或称“位错 图2-17b)所示。 b)亚最界 图2-17面缺陷示意图 第三节金属的结晶 固态金属一般是由液体金属结晶而成的。由于结晶条件不同,其组织绪构及性能也不一 样。虽然金属坯料可以通过一系列加工过程改变其内部的组织和性能,但很难完全消除原始 组织对性能的影响,而且金属在固态时的组织转变都是在金属结晶的基础上进行的。所以有 必要对金属的结晶过程进行研究。 结晶的概念 一)结品及过冷度
由液体状态转变成晶体状态的过程,称为“结晶”。结晶的实质是原子由无规则变成有规则 排列状态的过程。 任何金属从液态转变到固态都要有一定的平衡结晶温度T所调平衡结晶温度,是指金 属原子由液体转变成晶体与由品体转变成液体的速度相等的那个温度。可见,处于平衡结晶 温度的金属不能有效结晶。只有当温度降到T以下某一温度T时,结晶才能有效进行 T,称为实际结晶温度。因此,实际结晶温度总低于平衡结晶温度,二者之差,即T-T △T,称为“过冷度”。过冷度的大小取决于冷却速度和金属纯度,冷却速度愈大,金属纯皮愈 高,则过冷度就愈大。 (二)金属的冷却曲线 金属的结晶温度可以通过测绘冷却曲线来确定。测绘冷却曲线常用熟分析法。热分析法 是将要测定的金属放在坩锅中熔化,然后以极慢的速度冷却,在冷却过程中,每隔一个短时 间记录一次温度,并将记录数据标记在“温度-时间”坐标系中,连成曲线,如图2-18所示冷 却曲线中水平线段所对应的温度就是金属的实际结晶温度。由于冷却速度非常綬慢,金属结 晶时放出的结晶灌热补偿了散失到外界的热量,所以冷却曲线上出现了温度不变的水平线 段。结晶完成后,结晶潜热消失,随着时间的推移,混度继续下降,直至与外界平衡 (三)结晶的必要条件 自然界的一切物质,总是由不稳定状态趋向于稳定的状态,金属之所以在一定温度下 晶,就是因为结晶后固态金属处于较低能量的稳定状态。由热力学可知,一个状态的稳定与 否,取决于自由能的高低,自由能愈高,状态愈不稳定;自由能愈低,状态愈稳定。所谓自由能 是指物质在某种条件下能够自动释放并对外作功的这一部分能量。 △F=F-F 图2-8纯金属结晶时的冷却曲线 图2-19液态和态自由能温变化的示意图 对结晶来说,只有当固态的自由能F。低于液态的自由能Fz时,结晶才能自发地进行 图2-19为液态和固态的自由能随温度而变化的示意图。由图可见,液态和固态的自由能都随 温度的升高而降低,但液态的自由能降低得更快一些,因此。两条曲线相交于平衡錯晶温度 T。在该温度时,液态和固态的自由能恰好相等,既不结晶,也不熔化。当温度低于T。时 态的自由能低于液态的自由能,液体结晶成晶体;反之,当温度高于T时,固体将熔化为液 体