第1章 金属与合金结构

材料学第1章 金属与合金结构笔记，包括金属原子间的结合、金属的晶体结构、合金相结构、金属晶体的缺陷等。

金属与合金结构

• 一、金属原子间的结合
  • 1.金属原子的结构特点
    • （1）金属原子的最外层电子
      • 定义
        • 金属原子的最外层电子数很少，一般为一两个，不超过三个
      • ①正电性元素
        • 金属原子的外层电子很容易脱离原子核的束缚而变成自由电子，此时的原子变为正离子，故金属元素又称正电性元素
          • 金属原子最外层电子数量少，容易失去，因此成为正电性元素
      • ②负电性元素
        • 非金属元素的外层电子数较多，易于获得电子变为负离子，故非金属元素又称负电性元素
          • 非金属原子最外层电子数量多，容易吸收，因此成为负电性元素
    • （2）元素的化学特性
      • 最外层电子吸收或失去决定元素化学特性
      • 决定于最外层的电子（价电子）数，与内壳层的结构无关
    • （3）过渡族金属的特性
      • ①过渡族金属化合价可变
      • ②过渡族金属的原子彼此相互结合时，最外层电子和次外层电子均参与结合
      • ③过渡族金属的原子间结合力特别强，熔点高、强度高
      • ④价电子决定其主要性能
  • 2.金属键
    • （1）电子云（电子气）
      • 处于聚集体状态的金属原子，全部或大部分将他们的价电子贡献出来为整个原子集体所共有，称为电子云或电子气
        • 一堆金属原子凑到一起，基本上都把自己的价电子贡献出来形成电子云，本身金属原子失去自由电子变为正电子稳定态
    • （2）金属键
      • 贡献出价电子的金属原子变成正离子沉浸在电子云中，他们依靠运动与其间的公有化的自由电子的静电作用而结合起来，这种结合方式称为金属键。
      • 金属键特点
        • 1、大多数金属均以金属键方式结合，它的基本特点是电子的公有化
        • 2、由于金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有可能与更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆结构。
        • 3、当金属受力变形而改变原子之间的相互位置时不至于破坏金属键，这就使金属具有良好的延展性。
        • 4、由于自由电子的存在，金属一般都具有良好的导电和导热性能
        • 金属键解释金属的性能
          • 导电性
            • 自由电子在电场下定向移动形成电流
          • 导热性
            • 自由电子的运动和正离子振动
          • 正电阻温度系数
            • 正离子或原子的振幅随温度的升高而增大，阻碍电子通过，使电阻升高
          • 金属光泽
            • 电子跃迁吸收或放出可见光
          • 延展性
            • 无饱和性和方向性
    • （3）金属键模型
      • • 在固态金属中，绝大部分原子处于正离子状态，少数原子处于中性原子状态
• 二、金属的晶体结构
  • 1.晶体与非晶体
    • 晶体
      • 晶体是指原子（或离子、分子）在三维空间按一定规律呈周期性排列的固体
    • 非晶体
      • 非晶体是指原子（或离子、分子）在三维空间不呈周期性排列的固体
    • 晶体和非晶体的区别
      • 晶体熔化时具有固定的熔点，而非晶体存在一个软化温度范围，没有明显的熔点
      • 晶体具有各向异性，而非晶体却为各向同性
        • 各向异性：不同方向上的性能各有差异
  • 2.晶体结构与空间点阵
    • （1）晶体结构
      • 定义
        • 晶体结构是指晶体中的原子（或离子、分子、原子集团）在三维空间有规律的周期性的重复排列方式
      • 原子堆垛模型
        • 定义
          • 假定晶体中的物质质点都是固定的刚球，晶体由刚球堆垛而成
        • 优点
          • 立体感强，很直观
        • 缺点
          • 难以看清内部原子排列的规律和特点，不便于研究
    • （2）空间点阵
      • 阵点或结点
        • 将构成晶体的实际质点忽略，把它们抽象为纯粹的集合点，则该几何点阵称为阵点或结点
      • 空间点阵
        • 阵点有规则地周期性重复排列所形成的空间几何图形称为空间点阵
      • 晶格
        • 将阵点用直线连接起来形成的空间格子称为晶格
      • 晶胞
        • 概念
          • 从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的最小几个单元来分析阵点排列的规律性，这个最小的几何单元称为晶胞
            • 同一点阵，可因阵胞选择方式不同，得到不同的阵胞
              • 晶胞的选取应满足下列条件:
                • 晶胞几何形状充分反应点阵对称性
                • 平行六面体内相等的棱和角数目最多
                • 当棱间成直角时，直角数目应最多
                • 满足上述条件，晶胞体积应最小
        • 变量表示
          • 晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a、b、c及棱边夹角α、β、γ表示
          • 晶胞的棱边长度一般称为晶格常数或点阵常数，在x、y、z轴上分别以a、b、c表示
          • 晶胞的棱间夹角又称轴间夹角，通常y一z轴、z一x轴和x一y轴的夹角分别用α、β、γ表示。
          • 配位数是指晶体结构中与任一个原子最近邻、等距离的原子数目,可用来表示原子排列的紧密程度。
          • 致密度是指晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比，可用来表示原子排列的紧密程度。
            • 式中，K为晶体的致密度;n为一个晶胞实际包含的原子数;为一个原子的体积；V为晶胞的体积
  • 3.三种典型的金属晶体结构
    • 体心立方晶格 bcc
      • 晶胞模型
        • 晶胞的三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90°，构成立方体。
        • 除了在晶胞的八个角上各有一个原子外，在立方体的中心还有一个原子。
        • 应用:具有体心立方结构的金属有α一Fe、Cr、V、Nb、Mo、W等30多种。
      • 相关参数
        • 原子半径，a为点阵常数
        • 晶胞的原子数为8×1/8十1=2
        • 晶格的配位数为8
          • 指晶体结构中 ，与任一个原子最近邻、等距离的原子数目
        • 晶格的致密度为
          • 32%是间隙位置
          • 致密度：原子排列的紧密程度。晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比
      • 间隙
        • 八面体间隙
          • 由6个原子所围成，4个角上的原子至间隙中心的距离较远，为，上下顶点的原子至间隙中心的距离较近，为
          • 间隙的棱边长度不全相等，是一个不对称的扁八面体间隙，间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径，即
          • 间隙中心位于立方体各面的中心和棱边的中点处
        • 四面体间隙
          • 由4个原子围成，棱边的长度不全相等，也是不对称间隙。原子中心至间隙中心的距离皆为
          • 间隙半径为
    • 面心立方晶格 fcc
      • 晶胞模型
        • 晶胞的三个棱边长度相等，三个轴间夹角均为90°，构成立方体
        • 在晶胞的8个角上各有1个原子，在6个面的中心各有1个原子
        • 应用:γ-Fe、Cu、Ni、Al、Ag等约20种金属具有这种晶体结构
      • 相关参数
        • 面心立方晶胞的原子半径，其中a为晶胞点阵常数。
        • 面心立方晶胞中的原子数为
        • 面心立方晶格的配位数为12
        • 面心立方晶格的致密度为
      • 间隙
        • 间隙半径
          • 八面体间隙的原子至间隙中心的距离为，间隙半径为
          • 四面体间隙的原子至间隙中心的距离为，间隙半径为
    • 密排六方晶格 hcp
      • 晶胞模型
        • 在晶胞的12个角上各有1个原子，构成六方柱体，上底面和下底面的中心各有1个原子，晶胞内还有3个原子
        • 应用:具有密排六方晶胞的金属有Zn、Mg,Be,α-Ti、α-Co、Cd
      • 相关参数
        • 晶胞中的原子数为
        • 密排六方晶格的晶格常数有两个：一是正六边形的边长a；另一个是上、下两底面之间的距离c。c与a之比
        • 在典型的密排六方晶格中，其配位数为12，轴比
        • 对于典型的密排六方晶格金属，其原子半径为，间隙半径为
      • 间隙
        • 密排六方晶格的八面体间隙和四面体间隙的形状与面心立方晶格的完全相似
        • 当原子半径相等时，间隙大小完全相等，只是间隙中心在晶胞中的位置不同
    • 晶体中的原子堆垛方式
      • 体心立方晶格
        • 立方次密排面：在体心立方晶胞中，原子排列较 为紧密的面相当于连接晶胞立方体的两个斜对角 线所组成的面，在该面上，除了位于体心的原子与位于顶角的原子相切外，顶角的原子彼此间并不相互接触；原子面的空隙由四个互不接触的原子组成，原子排列的紧密程度较差。
        • 在三维方向上，第二层次密排面（B层）坐落在第 一层（A层）的空隙中心上，第三层的原子位于第二层的原子空隙处，并与第一层的原子中心相重复，依次类推。因而堆垛次序为ABAB，得到体心立方结构。
      • 密排六方晶格
      • 面心立方晶格
  • 4.晶向指数和晶面指数
    • 定义
      • 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所指的方向称为晶向
    • 晶向指数
      • 晶向指数用中括号
      • 确定步骤
        • 以晶胞的三个棱边为坐标轴x、y、z,以棱边长度作为坐标轴的长度单位。
        • 从坐标原点引一有向直线平行于待定晶向。
        • 在所引有向直线上任取一点(可取距原点最近的那个原子)，求出该点在x、y、z上的坐标值。
        • 将三个坐标值按比例化为最小简单整数，依次写入方括号[ ]中，即得所求的晶向指数。
      • 表示形式
        • 通常以[u, v，w ]表示晶向指数的普遍形式，若晶向指向坐标的负方向时，则坐标值中出现负值，这时在晶向指数的这一数字之上冠以负号。
      • 晶向族
        • 定义
          • 原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族
            • 晶向族用尖括号
        • 注意事项
          • 只有立方结构的晶体改变其晶向指数的顺序，晶向上的原子排列情况才完全相同，这种方法对于其他结构的晶体不一定适用
    • 晶面指数
      • 晶面指数用圆括号
      • 确定步骤
        • 以晶胞的三条相互垂直的棱边为参考坐标轴x、y、z，坐标原点O应位于待定晶面之外，以免出现零截距。
        • 以棱边长度为度量单位，求出待定晶面在各轴上的截距。
        • 取各截距的倒数，并化为最小简单整数，放在圆括号内，即为所求的晶面指数。
      • 表示形式
        • 晶面指数的一般表示形式为(h ,k ,l)
        • 如果所求晶面在坐标轴上的截距为负值，则在相应的指数上加一负号，如
        • 当晶面与坐标轴平行时，就认为在该轴上的截距为∞，其倒数为0。
        • 与晶向指数相似，某一晶面指数代表一组相互平行的晶面，即所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。
          • 相互平行的晶面可以用一个晶面指数确定
      • 晶面族
        • 晶面族用大括号
        • 定义
          • 在同一种晶体结构中，有些晶面的原子排列情况完全相同，这些晶面组成的族称为晶面族，其晶面指数用大括号{h，k，l}表示
        • 示例
        • 注意事项
          • 在立方晶系中，{h，k，l}晶面族所包括的晶面可以用h、k、l数字的排列组合方法求出，但这一方法不适用于非立方晶系的晶体。
    • 六方晶系的晶面指数和晶向指数
      • 晶面指数
        • 在确定晶面指数时，采用a1、a2、a3及c四个坐标轴，且 a1、a2、a3之间的夹角均为120°
        • 晶面指数以(h,k,i,1)四个指数表示，六个柱面的指数分别为
        • 晶面指数(h,k,i,l）中，前三个指数中只有两个是独立的，它们之间有以下关系
      • 晶向指数
        • 用三个坐标轴求出晶向指数[UVW]
        • 根据如下关系换算成四个坐标轴的晶向指数[u,v,t,w]，其中
          • 三轴平面指数（HKL）转换成四轴坐标（hkil）时 h=H，k=K，i=-（H+K），l=L 三轴晶向[UVW]转换成四轴坐标[uvtw]时 u=1/3（2U-V） v=1/3（2V-U） t=-1/3（U+V） w=W
    • 面密度线密度
  • 5.晶带
    • 定义
      • 平行于或相交于同一直线的一组晶面组成一个晶带，这一组晶面称为共带面，而该直线（用晶向指数表示)称为晶带轴
        • 一系列非平行晶面都平行于（或包含于）某一特定方向，则这些晶面同属一个晶带，这个特定方向称为晶带轴
    • 性质
      • 同一晶带中各共带面的法线均与晶带轴垂直。
      • 在立方晶系中，晶向指数与晶面指数的数字和顺序相同时，该晶向就是该晶面的法线方向。
      • 共带面中各面的法线必定都垂直于晶带轴，且处于同一平面上。
      • 若晶带轴的指数为[u，v，w]，共带面中任一晶面的指数为(h，k，l)。因二者互相平行，必然具有下列关系
      • 任何两个非平行的晶面都属于同一晶带，其交线即为其晶带轴。
      • 如果两个非平行的晶面的指数分别为(h1，k1，11〉和(h2，k2，l2)，则其晶带轴的指数[u，v，w]可按下式求得
  • 6.晶体的各向异性
    • 意义
      • 各向异性是晶体的一个重要特性，是区别于非晶体的一个重要标志。
    • 原因
      • 在不同晶向上原子的紧密程度不同，意味着原子之间的距离不同，从而导致原子之间的结合力不同，使晶体在不同晶向上的物理、化学和机械性能不同。
    • 伪各向同性
      • 一般工业金属材料由多晶体组成，各向异性特征不明显，因多晶体中的晶粒位向是任意的，晶粒的各向异性被相互抵消
  • 7.多晶型性
    • 定义
      • 多晶型性
        • 少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体结构，则金属的这种性质称为多晶型性。
      • 多晶型转变或同素异构转变
        • 当外部条件(如温度和压强）改变时，金属内部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。
    • Fe的多晶型性
      • Fe在912℃以下为体心立方晶格，称为α-Fe;在912~1394℃具有面心立方晶格，称为γ-Fe;从 1394℃至熔点，转变为体心立方晶格，称为δ-Fe。
      • 不同的晶体结构具有不同的致密度，因而当发生多晶型转变时，将伴有比热容或体积的突变。
• 三、合金相结构
  • 合金
    • 定义
      • 两种或两种以上的金属，或金属与非金属，经熔炼或烧结、或用其它方法组合而成的具有金属特性的物质。
    • 组元
      • 组成合金的最基本的、独立的物质叫组元。
      • 组元可以是构成合金的元素，也可以是化合物。
      • 纯金属中溶入另一组元后（假设不会产生新相)会带来哪些微观结构上的变化﹖这些变化如何引起性能上的变化
        • 纯金属中溶入另一组元后微观结构变化
          • 引起点阵畸变，点阵常数会改变
          • 会产生局部偏聚或有序，甚至出现超结构
        • 由以上显微结构的变化造成的性能变化
          • 产生固溶强化，使合金强度提高，塑性降低。
          • 一般固溶体的电阻率升高，但形成超结构之后，硬度和屈服强度升高、电阻率下降
    • 合金系
      • 由给定组元以不同比例制成一系列不同成分的合金，这一系列合金就构成了一个合金系
      • 单相合金由一种固相组成，而多相合金由几种不同固相组成。
  • 固溶体
    • 按溶质原子在晶格中所占位置分类
      • 置换固溶体
        • 定义
          • 置换固溶体是指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体
        • 影响置换固溶体的因素
          • 原子尺寸
            • ，△r越小，固溶体的固溶度越大;△r越大，则固溶体的固溶度越小。
            • 溶质与溶剂的原子半径比在0.85～1.15之间有利于大量固溶。当超过以上数值时，就不能大量固溶
            • 当溶质原子溶入溶剂晶格后，会引起晶格畸变，即与溶质原子相邻的溶剂原子要偏离其平衡位置
              • 形成这样的状态必然引起能量的升高，对应产生晶格畸变能。
            • 组元间的原子半径相差越大，晶格畸变能越高，晶格便越不稳定
              • 组元间的原子半径相差越大，晶格畸变能越高，晶格便越不稳定；溶质原子溶入越多，则单位体积的晶格畸变能也越高，直至溶剂晶格不能再维持 时，便达到了固溶体的固溶度极限
          • 电负性
            • 定义
              • 电负性因素是指组成合金的组元原子，吸引电子形成负离子的倾向。
            • 影响
              • 当组元间的电负性之差小时，则其固溶度较大。
              • 当溶质原子与溶剂原子的电负性相差很大时，它们往往倾向形成比较稳定的金属化合物，即使形成固溶体，其固溶度也较小。
              • 在元素周期表中，两元素的电负性相差越大，即在元素周期表中的位置相距越远，表示越不利于形成固溶体，反之亦然。
          • 电子浓度
            • 固溶体的电子浓度有一极限值
            • 元素的原子价越高，则其固溶度越小。
            • 极限电子浓度值与固溶体的晶体结构类型有关，
          • 晶体结构因素
            • 溶质与溶剂的晶体结构类型是否相同，是其能否形成无限固溶体的必要条件。
            • 即使晶格类型相同的组元间不能形成无限固溶体，其固溶度也将大于晶格类型不同的组元间的固溶度。
          • 小结
            • 原子尺寸、电负性、电子浓度、晶体结构因素是影响固溶体固溶度大小的四个主要因素.
            • 当以上四个因素都有利时，所形成的固溶体的固溶度可能较大，甚至形成无限固溶体
            • 上述四个条件只是形成无限固溶体的必要条件，不是充分条件
            • 固溶体的固溶度除与以上因素有关外，还与温度有关。温度越高，固溶度越大。
      • 间隙固溶体
        • 定义
          • 原子半径很小的溶质原子溶入溶剂中时，不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是填入溶剂晶格的间隙中,形成的这种固溶体称为间隙固溶体
        • 性质
          • 只有当溶质与溶剂的原子半径比值才可能形成间隙固溶体
          • 间隙固溶体的固溶度不仅与溶质原子的大小有关，而且与溶剂的晶格类型有关。
          • 晶格类型不同，其中的间隙形状、大小也不同。
          • 溶质原子（间隙原子）溶入溶剂后，使晶格发生畸变，溶入的溶质原子越多，引起的晶格畸变越大。
          • 当畸变量达到一定数值后，溶剂晶格将变得不稳定。当溶质原子较小时，引起的晶格畸变也较小.
          • 溶剂晶格中的间隙是有一定限度的，间隙固溶体只能是有限固溶体
    • 按固溶度分类
      • 有限固溶体
        • 在一定条件下，溶质组元在固溶体中的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再溶解，这一限度称为溶解度或固溶度，这种固溶体称为有限固溶体
      • 无限固溶体
        • 溶质能以任意比例溶入溶剂的固溶体称为无限固溶体。无限固溶体只可能是置换固溶体。
    • 按溶质原子与溶剂原子的相对分布分类
      • 无序固溶体
        • 溶质原子统计地或随机地分布于溶剂的晶格中，无论它是占据与溶剂原子等同的一些位置，还是在溶剂原子的间隙中，均没有次序性或规律性，这类固溶体称为无序固溶体。
      • 有序固溶体
        • 当溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布时，这种固溶体称为有序固溶体。
    • 固溶体的结构
      • 晶格畸变
        • 空位使周围原子失去一个近邻原子，使相互间的作用失去平衡，因而它们朝空位方向稍有移动，偏离其平衡位置，产生晶格畸变
        • 晶格畸变的大小可通过晶格常数的变化反映。对置换固溶体来说，当溶质原子大于溶剂原子时，晶格常数增加;反之，晶格常数减小。
      • 偏聚与有序
        • 溶质原子在固溶体中的分布，总是在一定程度上偏离完全无序状态，存在着分布的不均匀性。
        • 当同种原子间的结合力大于异种原子间的结合力时，溶质原子倾向于成群地聚集在一起，形成许多偏聚区
        • 异种原子间的结合力较大时，溶质原子倾向于按一定的规则有序分布，但通常只在短距离小范围内存在，称之为短程有序
      • 有序固溶体
        • 定义
          • 具有短程有序的固溶体,当低于某一温度时,可能使溶质和溶剂原子在整个晶体中都按一定的顺序排列起来，即由短程有序转变为长程有序，这样的固溶体称为有序固溶体。
        • 性质
          • 有序固溶体有确定的化学成分，可以用化学式来表示。
          • 当有序固溶体加热至某一临界温度时，将转变为无序固溶体，而在缓慢冷却至这一温度时，又可转变为有序固溶体。这一转变过程称为有序化，发生有序化的临界温度称为固溶体的有序化温度。
          • 发生有序化转变时会引起晶格类型的改变。
          • 有序固溶体实质上是介于固溶体和化合物之间的一种相。但更接近于金属化合物。
          • 当无序固溶体转变为有序固溶体时，性能发生突变，即硬度和脆性显著增加，而塑性和电阻则明显降低。
      • 固溶体与纯组元相比，结构发生了变化，主要表现在这几个方面
    • 固溶体的性能
      • 溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，所引起的晶格畸变也越大，强化效果越好。
      • 间隙原子造成的晶格畸变比置换原子大得多，所以其强化效果也大得多
      • 固溶体的塑性和韧性虽比组成它的纯金属的平均值低，但比一般的化合物高得多
    • 固溶强化
      • 固溶强化是指在固溶体中，随着溶质浓度的增加，固溶体的强度硬度提高，而塑性、韧性有所下降的现象。
      • 间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体的强化效果。原因如下:溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，所引起的晶格畸变就越大，强化效果越好。间隙固溶体的晶格畸变大于置换固溶体的晶格畸变。
  • 金属化合物
    • 正常价化合物
      • 正常价化合物通常由金属元素与周期表中第Ⅳ、V、VI族元素所组成。
      • 成分符合原子价规律，具有严格的化合比，成分固定不变，可用化学式表示。
      • 通常具有较高的硬度和脆性，且其中一部分具有半导体性质。
    • 电子化合物
      • 电子化合物是由第Ⅰ族或过渡族金属元素与第Ⅱ至第V族金属元素形成的金属化合物。
      • 他是按照一定电子浓度的比值形成的化合物，电子浓度不同，所形成的金属化合物的晶体结构也不同
      • 可以用化学式表示，把它看作是以化合物为基的固溶体
      • 电子化合物具有很高的熔点和硬度，但脆性很大
    • 间隙相和间隙化合物
      • 间隙相
        • 当化合物具有比较简单的晶体结构，称为间隙相
        • 间隙相具有比较简单的晶体结构
        • 不但可以溶解组元元素，而且可以溶解其它间隙相，有些具有相同结构的间隙相甚至可以形成无限固溶体
        • 间隙相是一种化合物，它具有与其组元完全不同的晶体结构，具有极高的熔点和硬度，但很脆，许多间隙相具有明显的金属特性
        • 间隙相的结合既具有共价键性质，又带有金属键性质
      • 间隙化合物
        • 当其结构很复杂，称为间隙化合物。
        • 间隙化合物一般具有复杂的晶体结构
      • 间隙相和间隙固溶体的区别
        • 间隙相和间隙固溶体有本质的区别，间隙相是一种化合物，它具有与其组元完全不同的晶格结构,而间隙固溶体则仍保持着溶剂组元的晶格类型
        • 间隙相与间隙化合物相比具有比较简单的晶格结构，间隙相一般比间隙化合物硬度更高，更稳定。
• 四、金属晶体的缺陷
  • 定义
    • 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，这些区域称为晶体缺陷
  • 分类
    • 点缺陷
      • 定义
        • 三个方向上的尺寸都很小，相当于原子尺寸，例如空位、间隙原子、置换原子等。
      • 空位
        • 定义
          • 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，脱离原来的平衡位置迁移到别处，即在原位置上出现了空结点，该空结点称为空位。
        • 分类
          • 迁移到晶体的表面上，这样所产生的空位称为肖脱基空位
          • 迁移到晶格的间隙中，这种空位称为弗兰克尔空位
          • 迁移到其它空位处，这样虽然不产生新的空位，但可使空位变换位置
        • 性质
          • 空位是一种热平衡缺陷，即在一定温度下，它有一定的平衡浓度。
            • 虽使晶体的内能升高，但也增加晶体结构的混乱程度
          • 温度升高，原子的振动能量升高，振幅增犬，使脱离其平衡位置往别处迁移的原子数增多，空位浓度提高。反之，则空位的浓度减小。
          • 空位的位置在晶体中不是固定不变的，而是处于运动、消失和形成的不断变化之中
            • 一方面,周围原子可以与空位换位,使空位移动一个原子间距，当这种换位不断进行时,就造成空位的运动;另一方面，空位迁移至晶体表面或与间隙原子相遇而消失，但在其它地方又会有新的空位形成。
          • 形成肖脱基空位所需能量要比弗兰克尔空位小得多，所以在固态金属中，主要是形成肖脱基空位
          • 空位还会两个、三个或多个聚在一起，形成复合空位。
          • 空位的浓度很小，但它在固态金属的扩散过程中起着极为重要的作用。
            • 通过某些处理（高能离子辐照、高温淬火及冷加工），可使晶体中的 空位浓度高于平衡浓度而处于过饱和状态
      • 间隙原子
        • 定义
          • 处于晶格间隙中的原子称为间隙原子
            • 原子硬挤入很小的晶格间隙中后，会造成严重的晶格畸变。间隙原子尽管很小，但仍比晶格中的间隙大的多，造成的晶格畸变远比空位严重
        • 性质
          • 间隙原子是一种热平衡缺陷，在一定温度下有一平衡浓度
            • 这一平衡浓度称为固溶度或溶解度
      • 置换原子
        • 定义
          • 占据在原来基体原子平衡位置上的异类原子称为置换原子
        • 性质
          • 置换原子的大小与基体原子不可能完全相同，造成晶格畸变。
          • 置换原子在一定温度下也有一个平衡浓度值，一般称之为固溶度或溶解度。
      • 点缺陷对金属性能的影响
        • 点缺陷的出现，使周围的原子发生靠拢或撑开，造成晶格畸变
        • 使材料的强度、硬度和电阻率增加
        • 点缺陷越多,金属的强度、硬度越高
    • 线缺陷
      • 定义
        • 在两个方向的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大，属于这一类的主要是位错。
      • 分类
        • 刃型位错
          • 定义
            • 某一原子面在晶体内部中断，像刀一样插入晶体，并且终止于滑移面上，使滑移面上下的原子产生错排，特别是使刃口附近的原子完全失去了正常的相邻关系，形成晶体缺陷，即刃口处的原子列，称为刃型位错
          • 性质
            • 刃型位错有一额外半原子面。
            • 位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，其中既有正应变，又有切应变。对于正刃型位错,滑移面之上晶格受到压应力，滑移面之下为拉应力，负刃型位错与此相反。
            • 位错线与晶体滑移的方向相垂直，即位错线运动的方向垂直于位错线。
            • 刃型位错的弹性性质
              • 在位错线周围一有限区域内，原子离开了原平衡位置，即产生了晶格畸变，且在额外半原子面左右的畸变是对称的。就正刃型位错而言，滑移面上面的原子间距变小，晶格受压应力；滑移面下面的原子间距变大，晶格受拉应力；而在滑移面上，晶格受到切应力
              • 在位错中心，即额外半原子面的边缘处，晶格畸变最大，距离位错中心距离逐渐增加，晶格畸变程度逐渐减小。通常把晶格畸变程度大于其正常原子间距1/4的区域称为位错宽度，其值约为3~5个原子间距。
              • 刃型位错的应力场可以与间隙原子和置换原子发生弹性交互作用。刃型位错往往总是携带大量的溶质原子，形成所谓的“柯氏气团”。
          • 对金属力学性能有何影响
            • 刃型位错的应力场可以与间隙原子发生弹性交互作用，各种间隙及尺寸较大的置换原子聚集于正刃型位错的下半部分，或者负刃型位错的上半部分
            • 对于较小的置换原子，则易于聚集于刃型位错的另一半受压应力的位置。
            • 刃型位错往往携带大量的溶质原子，形成所谓的“柯氏气团”，使得位错的晶格畸变降低，同时使位错难于运动，从而造成金属的强化
        • 螺型位错
          • 定义
            • 切应力使晶体右端上下两部分沿滑移面发生一个原子间距的相对切变，已滑移区和未滑移区的边界线就是螺型位错线
          • 性质
            • 螺型位错没有额外半原子面
            • 螺型位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，其中只有切应变，而无正应变。
            • 位错线与滑移方向平行，位错线运动的方向与位错线垂直。
        • 柏氏矢量
          • 定义
            • 在研究位错时为了摆脱位错区域内原子排列具体细节的约束,设想存在一个量,其不但可以表示位错的性质,而且可以表示晶格畸变的大小和方向，这个量称为柏氏矢量。
          • 确定方法
          • 性质
            • 用柏氏矢量可以判断位错的类型,不需要再去分析晶体中是否存在额外半原子面等原子排列的具体细节。如:位错线与柏氏矢量垂直，就是刃型位错;位错线与柏氏矢量平行，就是螺型位错。
            • 用柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量的大小。柏氏矢量越大，位错周围的晶格畸变越严重,
            • 用柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。其滑移量的大小即柏氏矢量b，滑移的方向即柏氏矢量的方向
            • 一条不分叉的位错线的柏氏矢量是恒定不变的，它与柏氏回路的大小、形状、起点、路径和回路在位错线上的位置无关
            • 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，刃型位错的滑移面只有一个。螺型位错线与柏氏矢量平行，其滑移面是不定的。
        • 位错密度
          • 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长度称为位错密度，即。V是指晶体体积；L是指晶体中位错线的总长度；ρ的单位是
      • 位错在金属材料中的作用
        • 位错在金属材料中可以起到强化作用
        • 金属材料的塑性变形往往通过位错运动来完成
        • 合金中位错与溶质原子发生作用形成气团造成屈服现象和应变时效
        • 位错是第二相形核的择优场所
        • 位错影响扩散速度
    • 面缺陷
      • 定义
        • 在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸相对很大，例如晶界、亚晶界。晶体的面缺陷包括晶体的外表面(表面或自由界面)和内界面两类，其中的内界面又有晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。
      • 分类
        • 晶体表面
          • 定义
            • 晶体表面是指金属与真空或气体、液体等外部介质相接触的界面。
          • 表面能
            • 定义
              • 处于晶体表面上的原子，会同时受到晶体内部的自身原子和外部介质原子或分子的作用力，这两个作用力不会平衡，故造成表面层的晶格畸变，能量升高，将这种单位面积上升的能量称为比表面能。
                • 不平衡：内部原子对界面原子的作用力＞＞外部原子或分子的作用力
                • 晶格畸变：表面原子偏离其正常平衡位置，并因而牵连到邻近的几层原子
            • 影响因素
              • 外部介质的性质
                • 外部介质的分子或原子对晶体界面原子的作用力与晶体内部分子式或原子对界面原子的作用力相差越悬殊,则表面能越大，反之则表面能越小。
              • 裸露晶面的原子密度
                • 当裸露的表面是密排晶面时，则表面能最小，非密排晶面的表面能则较大，因此，晶体易于使其密排晶面裸露在表面。
              • 晶体表面的曲率
                • 表面能的大小与表面的曲率有关,表面的曲率越大，则表面能越大,即表面的曲率半径越小，则表面能越高。
              • 表面能的大小还与晶体的性质有关。
        • 晶界
          • 定义
            • 晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶粒间界，或简称晶界
          • 分类
            • 小角度晶界
              • 当相邻晶粒的位向差小于10°时，称为小角度晶界。一种类型是对称倾侧晶界，另一种类型是扭转晶界
            • 大角度晶界
              • 当相邻晶粒间的位向差大于10°时，晶粒间的界面属于大角度晶界。
              • 相邻晶粒在邻接处的形状由不规则的台阶组成,界面上既包含有不属于任一晶粒的原子，也含有同时属于两个晶粒的原子;既包含有压缩区,也包含有扩张区。
        • 亚晶界
          • 定义
            • 晶粒内的原子排列并不是十分齐整，而是由位向差很小（通常小于1°)的晶块（亚结构)组成，这些晶块之间的界面就称为亚晶界。
          • 亚结构和亚晶界泛指尺寸比晶粒更小的所有细微组织及其分界线。
          • 可在凝固、塑性形变、回复 再结晶、固态相变时形成。
        • 堆垛层错
          • 定义
            • 在实际晶体中，晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一种晶体缺陷称为堆垛层错，简称层错，它也是一种面缺陷
          • 层错的存在破坏了晶体周期性的完整性，引起能量升高，通常把产生单位面积层错所需的能量称为层错能。
        • 相界
          • (a）原子匹配好，几乎无畸变。(b)原子间距有差别，产生畸变，差别，畸变↑，界面能↑。界面能最低
          • 定义
            • 具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界。
          • 分类
            • 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。
            • 当相界的畸变能高至不能维持共格关系时，则共格关系破坏，变成非共格相界
              • 界面能最高
            • 介于共格与非共格之间的是半共格相界，界面上的两相原子部分地保持着对应关系，其特征是在相界面上每隔一定距离就存在一个刃型位错。
            • 非共格界面的界面能最高，半共格的次之，共格界面的界面能最低。
      • 晶界特性
        • 高的界面能有向低的界面能转化的趋势，这就导致了晶界的运动。
        • 晶粒长大和晶界的平直化都可减少晶界的总面积，从而降低晶界的总能量。
        • 大角度晶界的迁移速率较小角度晶界大。
        • 晶界的迁移是原子的扩散过程，只在比较高的温度下才有可能进行。
        • 内吸附和反内吸附现象对金属和合金的性能以及相变过程有着重要的影响。
        • 晶粒越细，金属材料的强度和硬度越高。
        • 晶界的熔点低于晶粒内部，易于腐蚀和氧化。
        • 晶界上的空位、位错等缺陷较多，因此，原子的扩散速度较快，在发生相变时，新相晶核往往首先在晶界
        • 晶界上的原子或多或少地偏离了其平衡位置,因而或多或少地具有界面能。界面能越高,界面越不稳定。
        • 由于界面能的存在，当金属中存在能降低界面能的异类原子时，这些原子就向晶界偏聚,这种现象称为内吸附。
        • 由于成分偏析和内吸附现象，晶界容易聚集杂质和溶质原子，因此晶界熔点低，易过烧;
        • 在室温下，晶界对金属材料的塑性变形起阻碍作用,使材料的强度升高
          • 细晶强化
        • 晶界的熔点低于晶粒内部，易于腐蚀和氧化;晶界上缺陷较多，原子扩散速度快;发生相变时,新相易于在晶界形核
        • 晶界处点阵畸变大，存在着晶界能，有自发长大和平直化倾向
        • 可以影响多晶材料中的第二相的形状
        • 晶界处能量较高，且缺陷较多，是易扩散通道，晶界上的原子处于不稳定状态，易形核，晶界易受腐蚀;
        • 晶界处原子排列不规则，常温下晶界会阻碍位错的运动，提高材料的强度，而高温下，晶界存在一定的粘滞性，易使相邻晶界产生相对滑动，降低材料的强度。
• 固溶体和金属化合物在晶体结构和机械性能方面的区别
  • 晶体结构方面的区别
    • 固溶体晶体结构与组成它的溶剂相同，是简单点阵晶体;金属化合物的晶体结构与组成它的组元都不同，通常较复杂，是复合点阵晶体。
  • 机械性能方面的区别
    • 固溶体相对来说塑韧性较好，硬度较低;金属化合物硬而脆。
• 间隙相和间隙固溶体的异同
  • 相同点
    • 两者中的合金组元都在间隙位置，本身尺寸都很小。
  • 不同点
    • 结构差异，前者为固溶体，保持溶剂的晶体结构，且溶解度很低;后者是中间相(尺寸因素化合物)，且两种原子的原子数成比例，与任一组元的晶体结构均不相同。
    • 性能差异，前者韧、塑性较好;后者硬度高，塑性差。
• 为什么固溶体的强度常比纯金属高
  • 原因在于固溶体中溶质和溶剂的原子尺寸不同，引起点阵畸变，在晶体进行塑性变形过程中会阻碍位错的运动,即抵抗塑性变形的能力增强,使固溶体的强度提高，产生固溶强化效应,因此固溶体强度常比纯金属高。
• (以金属为基的）固溶体与中间相的主要差异（如结构、键性、性能）是什么
  • 固溶体保持组元的晶体结构，中间相的结构一般与两组元的结构都不同
  • 固溶体的化学键以金属键为主，中间相以共价键或离子键为主
  • 固溶体塑、韧性较好，中间相的强度高，韧性较差
• 点缺陷（如间隙原子或代位原子）和线缺陷（如位错）为何会发生交互作用?这种交互作用如何影响力学性能?
  • 点缺陷和线缺陷（如位错）发生交互作用的原因如下
    • 点缺陷产生畸变，使局部能量提高，附近有弹性应变场
    • 位错也是如此，但位错周围不同位置应力场状态不同，有的为压应力，有的为拉应力
    • 点缺陷会聚集到位错上使应变能降低，使系统的能量下降，吸附溶质的位错是一种稳定组态。
  • 交互作用对力学性能的影响
    • 此时位错被钉扎而难以运动，使强度提高，会产生上下屈服点效应。
• 晶体内若有较多的线缺陷（位错）或面缺陷（晶界、孪晶界等)，其强度会明显升高，这些现象称为什么?强度提高的原因是什么?
  • 现象
    • 晶体中有较多的线缺陷（位错）时，其强度明显升高的现象称为形变强化;
    • 晶体中有较多的面缺陷（晶界、孪晶界等）时，其强度明显升高的现象称为晶界强化(或细晶强化)。
  • 强度提高的原因
    • 形变强化:在金属进行塑性变形过程中，若晶体中有较多的线缺陷（位错)，则位错在运动过程中相互交割加剧并产生固定割阶、位错缠结等障碍，这会阻碍位错的运动，使塑性变形的抗力增加，从而强度提高。
    • 晶界强化（或细晶强化):同样大小的金属，晶粒大小与晶界成反比，晶界越多，晶粒越细小，由霍尔佩奇公式