金属学与热处理

同时又可能在个别空隙处出现多余的 原子，这种不占有正常的晶格位置， 原子，这种不占有正常的晶格位置，而处 在晶格空隙之间的原子称为间隙原子 间隙原子； 在晶格空隙之间的原子称为间隙原子； 许多异类原子溶入金属晶体时， 许多异类原子溶入金属晶体时 ， 如果 占据在原来基体原子的平衡位置上， 占据在原来基体原子的平衡位置上 ， 则称 置换原子。 为置换原子。 由于空位、间隙原子和置换原子 置换原子的存 由于空位、间隙原子和置换原子的存 使晶体发生了晶格畸变， 在，使晶体发生了晶格畸变，晶体性能发 生改变， 强度、硬度增加，电阻增大， 生改变，如强度、硬度增加，电阻增大， 体积膨胀等。 体积膨胀等。
面缺陷(其特征是在一个方向上的尺寸很小， 3、面缺陷(其特征是在一个方向上的尺寸很小， 另两个方向上的尺寸相对很大的缺陷 ) 晶体表面：金属与真空或气体、 晶体表面：金属与真空或气体、液体等外部介 质相接触的界面。 质相接触的界面。 表面能：由于在表面层产生了晶格畸变， 表面能：由于在表面层产生了晶格畸变，所以 其能量升高，这种单位面积上升的能量。 其能量升高，这种单位面积上升的能量。
柏氏矢量的特性： 柏氏矢量的特性： 柏氏矢量可以判断位错类型， （1）柏氏矢量可以判断位错类型，位错线与 柏氏矢量垂直是刃型位错， 柏氏矢量垂直是刃型位错，位错线与柏氏 矢量平行是螺型位错。 矢量平行是螺型位错。 （2）用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变 总量的大小。 总量的大小。 柏氏矢量可以表示滑移的方向和大小， （3）柏氏矢量可以表示滑移的方向和大小， 滑移方向即是柏氏矢量方向。 滑移方向即是柏氏矢量方向。 一条位错线的方向是恒定不变的。 （4）一条位错线的方向是恒定不变的。 （5）刃型位错线和与之垂直的柏氏矢量所构 成的平面就是滑移面， 成的平面就是滑移面，刃型位错的滑移面 只有一个。 只有一个。
负刃型位错
刃型位错特征： 刃型位错特征： 刃型位错有一个额外的半原子面； （1）刃型位错有一个额外的半原子面； （2）位错线是一个具有一定宽度的细长晶格 畸变管道，既有正应变，又有切应变。 畸变管道，既有正应变，又有切应变。对 于正刃型位错，滑移面之上晶格受到压应 于正刃型位错， 滑移面之下为拉应力。 力，滑移面之下为拉应力。负刃型位错与 此相反； 此相反； 位错线与晶体滑移方向相垂直， （3）位错线与晶体滑移方向相垂直，即位错 线运动方向垂直于位错线。 线运动方向垂直于位错线。
螺型位错 设想在立方晶体的右端施加一切应力， 设想在立方晶体的右端施加一切应力， 使右端上下两部分沿滑移面发生了一个原 子间距的相对切变， 子间距的相对切变，于是就出现了已滑移 和未滑移去的边界BE BE就是螺型位错线 BE， 就是螺型位错线。 和未滑移去的边界BE，BE就是螺金属晶体结构 （一）单晶体和多晶体 晶体内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体。 晶体内部的晶格位向完全一致的晶体称为单晶体。金 属的单晶体只能靠特殊的方法制得（单晶硅、单晶锗等）。 属的单晶体只能靠特殊的方法制得（单晶硅、单晶锗等）。 实际使用的金属材料都是由许多晶格位向不同的微小 晶体组成的：每个小晶体都相当于是一个单晶体， 晶体组成的：每个小晶体都相当于是一个单晶体，晶体内 部的晶格位向是一致的；小晶体之间的位向却不相同。 部的晶格位向是一致的；小晶体之间的位向却不相同。这 种外形呈多面体颗粒状的小晶体称为晶粒。 种外形呈多面体颗粒状的小晶体称为晶粒。晶粒与晶粒之 间的界面称为晶界。由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。 间的界面称为晶界。由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。
多晶体示意图
晶体缺陷( （二） 晶体缺陷( crystal defect ) 晶体内部的某些局部区域， 晶体内部的某些局部区域，原子的规则排列受到干扰 而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。 而破坏，不象理想晶体那样规则和完整。把这些区域称 晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（ 为晶体缺陷。这些缺陷的存在，对金属的性能（物理性 化学性能、机械性能）将产生显著影响。 能、化学性能、机械性能）将产生显著影响。 根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为三类： 根据晶体缺陷的几何形态特征，可将其分为三类：点 线缺陷、 面缺陷。 缺陷 、线缺陷、 面缺陷。
线缺陷（其特征是在两个方向上的尺寸很小， 2. 线缺陷（其特征是在两个方向上的尺寸很小， 另一个方向上尺寸相对很大的缺陷） 另一个方向上尺寸相对很大的缺陷） 主要是指各种类型的位错。晶体中， 主要是指各种类型的位错。晶体中，某处有一列 位错。 或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错 或若干列原子发生有规律的错排现象，称为位错。主 要类型有螺旋型位错和刃型位错， 要类型有螺旋型位错和刃型位错，晶体中位错的数量 通常用位错密度表示，位错密度是指单位体积内 通常用位错密度表示，位错密度是指单位体积内，位 错线的总长度。 错线的总长度。 位错的存在以及位错密度的变化， 位错的存在以及位错密度的变化 ， 对金属的性能 如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。 如强度 、 塑性 、 疲劳等都起着重要影响 。 如金属材料 的塑性变形与位错的移动有关。 的塑性变形与位错的移动有关 。 冷变形加工后金属出 现了强度提高的现象（加工硬化） 现了强度提高的现象 （ 加工硬化 ） ， 就是由于位错密 度的增加所致。 度的增加所致。
根据位错线附近呈现螺旋形排列的原 子的旋转方向的不同， 子的旋转方向的不同，螺旋位错可以分为 左螺旋位错和右螺旋位错。 左螺旋位错和右螺旋位错。 通常用拇指表示螺旋线前进方向， 通常用拇指表示螺旋线前进方向，四 指表示螺旋线旋转方向。 指表示螺旋线旋转方向。 凡符合左手法则的称为左螺旋位错， 凡符合左手法则的称为左螺旋位错， 符合右手法则的称为右螺旋位错。 符合右手法则的称为右螺旋位错。
点缺陷 线缺陷 面缺陷
点缺陷（其特征是三个方向上的尺寸都很小， 1、点缺陷（其特征是三个方向上的尺寸都很小，相当 于原子尺寸的缺陷） 于原子尺寸的缺陷） 在实际晶体结构中，晶格的某些结点， 在实际晶体结构中 ，晶格的某些结点 ，往往未被 原子所占据，这种空着的位置称为空位； 原子所占据 ， 这种空着的位置称为空位 ； 许多异类原 子溶入金属晶体时， 子溶入金属晶体时， 如果占据在原来基体原子的平衡 位置上，则称为置换原子。 位置上，则称为置换原子。 脱离平衡位子的原子有三大去处： 脱离平衡位子的原子有三大去处： （1）迁移到晶体表面，产生肖脱基空位； 迁移到晶体表面，产生肖脱基空位； 迁移到晶格间隙，产生弗兰克空位； （2）迁移到晶格间隙，产生弗兰克空位； 迁移到其他空位处。 （3）迁移到其他空位处。
刃位错与螺位错的区别 刃型位错具有一个额外的半原子面， （1）刃型位错具有一个额外的半原子面，而螺 型位错无； 型位错无； 刃型位错必须与滑移方向垂直， （2）刃型位错必须与滑移方向垂直，也垂直与 滑移矢量；而螺型位错线与滑移矢量平行， 滑移矢量；而螺型位错线与滑移矢量平行，且位 错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。 错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。 刃型位错的滑移线不一定是直线， （3）刃型位错的滑移线不一定是直线，可以是 折线或曲线；而螺位错的滑移线一定是直线。 折线或曲线；而螺位错的滑移线一定是直线。 刃位错的滑移面只有一个， （4）刃位错的滑移面只有一个，其不能在其他 面上进行滑移；而螺位错的滑移面不是唯一的。 面上进行滑移；而螺位错的滑移面不是唯一的。 刃位错周围的点阵发生弹性畸变， （5）刃位错周围的点阵发生弹性畸变，既有切 应变，又有正应变； 应变，又有正应变；而螺位错只有切应变而无正 应变
刃型位错示意图
刃型位错有正负之分， 刃型位错有正负之分，若额外半原子面 位于晶体的上半部，则此处位错线称为正 位于晶体的上半部，则此处位错线称为正 刃型位错；反之， 刃型位错；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 负刃型位错。 体的下半部，则称为负刃型位错。
刃型位错示意图
正刃型位错
位错密度
在实际晶体中经常含有大量的位错， 在实际晶体中经常含有大量的位错，通常把 单位体积中所包含的位错线的总位错线的总长度 称为位错密度： 称为位错密度：
L p = V
位错的存在会对金属的力学性能如强度、 位错的存在会对金属的力学性能如强度、塑性等产 生重要影响。如图所示是金属强度与位错密度的关系。 生重要影响。如图所示是金属强度与位错密度的关系。 由图可见，晶体没有位错（如晶须，相当于理想晶 由图可见，晶体没有位错（如晶须，相当于理想晶 ），不易塑性变形 强度极高。 不易塑性变形， 体），不易塑性变形，强度极高。 当晶体有位错存在时，由于结构的不完整性， 当晶体有位错存在时，由于结构的不完整性，有助于 塑性变形进行，使得实际金属材料的强度低得多。 塑性变形进行，使得实际金属材料的强度低得多。
四、多晶型性 大部分金属只有一种晶体结构，但也有一些金 大部分金属只有一种晶体结构， 属具有两种或两种类型以上的晶体结构。 属具有两种或两种类型以上的晶体结构 。 当外界 条件(主要指温度和压力)改变时， 条件 ( 主要指温度和压力 )改变时 ， 元素的晶体结 构可以发生转变， 构可以发生转变 ， 把金属的这种性质称为多晶型 这种转变称为多晶型转变或同素异构转变。 性 。 这种转变称为多晶型转变或同素异构转变 。 例如铁在912 以下为体心立方结构，称为α Fe 912℃ Fe； 例如铁在912℃以下为体心立方结构，称为α—Fe； 912~1394℃之间为面心立方结构，称为γ Fe Fe； 在 912~1394℃之间为面心立方结构，称为γ—Fe； 1394℃ 又变为体心立方结构， 当温度超过 1394℃时，又变为体心立方结构，称 Fe。 为δ—Fe。当晶体结构改变时，金属的性能(如体 Fe 当晶体结构改变时，金属的性能( 强度、塑性、磁性、导电性等) 积、强度、塑性、磁性、导电性等)往往要发生突 变 。 钢铁材料之所以能通过热处理来改变性能， 钢铁材料之所以能通过热处理来改变性能， 原因之一就是因其具有多晶型转变。 原因之一就是因其具有多晶型转变。
影响表面能的因素主要有： 影响表面能的因素主要有： 外部介质的性质。 （1）外部介质的性质。 裸露晶面的原子密度。 （2）裸露晶面的原子密度。 晶体表面的曲率。 （3）晶体表面的曲率。
晶界和亚晶界都是面缺陷。 晶界和亚晶界都是面缺陷。 实际金属材料是多晶体材料， 实际金属材料是多晶体材料 ， 则在晶 体内部存在着大量的晶界和亚晶界。 体内部存在着大量的晶界和亚晶界 。 亚晶 界实际上是一个相邻晶粒位向很小( 界实际上是一个相邻晶粒位向很小 ( 一般 的小角度晶界。 1～2°)的小角度晶界。其原子排列不规则 的区域（ 如图1 21、 22） 的区域 （ 如图 1 － 21 、 1 － 22 ） ， 该处晶体 的晶格处于畸变状态， 能量高于晶粒内部， 的晶格处于畸变状态 ， 能量高于晶粒内部 ， 在常温下强度和硬度较高， 在常温下强度和硬度较高 ， 在高温下则较 晶界容易被腐蚀等。 低，晶界容易被腐蚀等。
刃型位错 设有一简单立方晶体， 设有一简单立方晶体，某一原子面在 晶体内部中断， 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， 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， 钢刀将晶体上半部分切开，沿切口硬插入 一额外半原子面， 一额外半原子面，将刃口处的原子排列称 为刃型位错线。 为刃型位错线。
柏氏矢量 用以表示位错的性质， 用以表示位错的性质，同时表示晶格 畸变的大小和方向。 畸变的大小和方向。 柏氏矢量确定方法： 柏氏矢量确定方法： （1）在实际晶体中从距位错一定距离的任意 一原子出发，以至相邻原子为一步， 一原子出发，以至相邻原子为一步，沿逆 时针方向环绕位错线做一闭合回路， 时针方向环绕位错线做一闭合回路，称为 柏氏回路。 柏氏回路。 （2）在完整晶体中以同样的方向和步数做相 同的回路，此回路没有封闭。 同的回路，此回路没有封闭。 实际晶体与完整晶体间的步差方向， （3）实际晶体与完整晶体间的步差方向，即 为矢量方向。 为矢量方向。
螺型位错特征： 螺型位错特征： 螺型位错没有额外半原子面； （1）螺型位错没有额外半原子面； （2）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， 的晶格畸变管道，只有切应变，没有正应 变； 位错线与滑移方向平行， （3）位错线与滑移方向平行，位错线运动方 向与位错线垂直。 向与位错线垂直。