第一章第一章 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 11 11 金属的概念金属的概念 一、金属的特性一、金属的特性 ：金属元素的数量大：金属元素的数量大：83/10583/105固态金属的特性固态金属的特性：不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热：不透明、有光泽、有延展性、有良好的导电性和导热性，并且随着温度的升高，金属的导电性降低，电阻率增大，即金属具性，并且随着温度的升高，金属的导电性降低，电阻率增大，即金属具有正的电阻温度系数有正的电阻温度系数金属定义：金属定义：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固态金属特性，是由金属原子的结构特点和金属原子结合的特点所决定固态金属特性，是由金属原子的结构特点和金属原子结合的特点所决定的二、金属原子的结构特点、金属的结合二、金属原子的结构特点、金属的结合金属晶体正是依靠各正离子与公有化的自由电子之间的相互作用（吸引、金属晶体正是依靠各正离子与公有化的自由电子之间的相互作用（吸引、排斥）就形成了结合键，使原子紧凑而规则地排列在一起金属原子间排斥）就形成了结合键，使原子紧凑而规则地排列在一起金属原子间的结合键称为金属键。
的结合键称为金属键化学元素周期表化学元素周期表金属键模型金属键模型 金属原子越靠近，相互作用越强金属原子越靠近，相互作用越强电子气电子气金属塑性金属塑性发生塑性变形时，金属键并未破坏发生塑性变形时，金属键并未破坏利用金属键的性质解释金属的特性利用金属键的性质解释金属的特性三、金属的结合能三、金属的结合能1 1、金属的结合能、金属的结合能2 2、双原子作用模型、双原子作用模型 相邻二原子之间便发生两种相互作用；一种相邻二原子之间便发生两种相互作用；一种是相互吸引作用，另一种是相互排斥作用，是相互吸引作用，另一种是相互排斥作用，促使原子彼此离开排斥力是一种短程力；促使原子彼此离开排斥力是一种短程力；而吸引力是一种长程力，两者的大小与两个而吸引力是一种长程力，两者的大小与两个原子间的距离原子间的距离D D有关双原子作用模型双原子作用模型势能势能平衡位置平衡位置平衡距离平衡距离热振动热振动周期势场周期势场 势谷势谷 势垒势垒 激活能激活能 势垒高度势垒高度结合能结合能 原子间的结合力就是由吸引力与排斥力合成的同原子间的结合力就是由吸引力与排斥力合成的同样的，原子间的结合能也是由吸引能与排斥能合成样的，原子间的结合能也是由吸引能与排斥能合成的。
的固体的键合强度可以用其结合能来标志，它就等于固体的键合强度可以用其结合能来标志，它就等于将晶态拆散为等量的中性原子状态所需要吸收的能将晶态拆散为等量的中性原子状态所需要吸收的能量，也就是实验测定的升华热量，也就是实验测定的升华热范德瓦耳斯键的结合能最低，一般的金属晶体与共范德瓦耳斯键的结合能最低，一般的金属晶体与共价晶体的结合能是同一数量级，过渡金属的结合能价晶体的结合能是同一数量级，过渡金属的结合能最高12 12 金属晶体金属晶体 一、晶体的特点一、晶体的特点 晶体具有下列特点：晶体具有下列特点：第一、第一、原子在三维空间都是按一定规律整齐原子在三维空间都是按一定规律整齐排列的而非晶体中原子则是杂乱地分布着而非晶体中原子则是杂乱地分布着第二、第二、晶体具有一定熔点，非晶体则没有晶体具有一定熔点，非晶体则没有第三、晶体的性能具有各向异性，非晶体是第三、晶体的性能具有各向异性，非晶体是各向同性的各向同性的第四、第四、许多晶体具有规则的几何外形许多晶体具有规则的几何外形1 1 金属晶体金属晶体NaClNaCl等同点等同点NaNa+是一类等同点是一类等同点ClCl是另一类等同点是另一类等同点晶体结构中各类等晶体结构中各类等同点所构成的几何同点所构成的几何图形是相同的。
图形是相同的空间点阵空间点阵结点结点 空间点阵（点阵）空间点阵（点阵）晶格晶格 元胞（阵胞）元胞（阵胞）晶胞晶胞 如果只是为了表达空间点阵的周期性，则应该如果只是为了表达空间点阵的周期性，则应该选取最小的平行六面体作为单位阵胞选取最小的平行六面体作为单位阵胞二维阵胞二维阵胞晶胞晶胞 棱棱 棱面夹角棱面夹角 晶轴晶轴 晶胞常数（点阵常数）晶胞常数（点阵常数）晶轴间夹角晶轴间夹角 结点数结点数 结点坐标结点坐标复杂阵胞复杂阵胞 为了同时反映空间点阵的对称性和周期性，为了同时反映空间点阵的对称性和周期性，须选取比简单阵胞更大的复杂阵胞结点即须选取比简单阵胞更大的复杂阵胞结点即可以在顶点处，也可以在体心和面心处可以在顶点处，也可以在体心和面心处复杂阵胞的条件复杂阵胞的条件：1 1、同时反映空间点阵的对称性和周期性、同时反映空间点阵的对称性和周期性2 2、尽可能多的直角、尽可能多的直角3 3、体积最小、体积最小布拉菲点阵布拉菲点阵 四类点阵四类点阵 根据结点在阵胞中的位置不同，可将根据结点在阵胞中的位置不同，可将1414种种BravaisBravais点阵分为四类：点阵分为四类：1.1.简单点阵简单点阵 P P 2.2.底心点阵，底心点阵，C C 3.3.体心点阵体心点阵 I I 4.4.面心点阵面心点阵 F F七个晶系七个晶系 根据点阵常数的不同，可将晶体点阵分为七个晶系。
根据点阵常数的不同，可将晶体点阵分为七个晶系1 1、立方晶系、立方晶系 P P，I I，F F 2 2、正方晶系、正方晶系 P P，I I3 3、斜方晶系、斜方晶系 P P，I I，C C，F F4 4、菱方晶系、菱方晶系 R R 5 5、六方晶系、六方晶系 P P 6 6、单斜晶系、单斜晶系 P P，I I 7 7、三斜晶系、三斜晶系 课上习题课上习题 1 1、画出体心立方、面心立方点阵示意图画出体心立方、面心立方点阵示意图并标出结点的个数和坐标并标出结点的个数和坐标2 2、画出底心斜方点阵示意图并标出结点、画出底心斜方点阵示意图并标出结点的个数和坐标的个数和坐标二、晶面指数和晶向指数二、晶面指数和晶向指数 晶面晶面 晶向晶向 晶面指数晶面指数 晶向指数晶向指数空间点阵中的结点平面空间点阵中的结点平面和结点直线相当于晶体和结点直线相当于晶体结构中的晶面和晶向结构中的晶面和晶向1 1、立方晶格的晶面指数、立方晶格的晶面指数 确定立方晶格的晶面指数的步骤如下：确定立方晶格的晶面指数的步骤如下：1 1、设坐标、设坐标 2 2、求截距、求截距 3 3、取倒数、取倒数 4 4、化整数、化整数 5 5、列括号、列括号 晶面组晶面组 晶面族晶面族立方晶系中的晶面族：立方晶系中的晶面族：1001003 3个；个；111 111 4 42 2个；个；1101106 62 2个个在同一晶体中的不同晶面上原子分布状况及排在同一晶体中的不同晶面上原子分布状况及排列紧密程度是不同的列紧密程度是不同的晶面指数晶面指数晶面指数晶面指数晶面指数晶面指数课上习题图中给出立方晶体的图中给出立方晶体的4 4个晶个晶 面，求晶面指数。
面，求晶面指数2 2、立方晶格的晶向指数、立方晶格的晶向指数 确立立方晶格的晶向指数方法如下：确立立方晶格的晶向指数方法如下：（1 1）设坐标；（）设坐标；（2 2）求坐标值；）求坐标值；（3 3）化整数；（）化整数；（4 4）列括号）列括号晶向指数还具有以下规律：晶向指数还具有以下规律：（1 1）当晶向指数都乘以负号时，其晶向的方）当晶向指数都乘以负号时，其晶向的方向相反2 2）所有相互平行的晶向，其晶向指数相同所有相互平行的晶向，其晶向指数相同3 3）晶向族，用）晶向族，用表示4 4）在立方晶格中，如果晶面指数和晶向指）在立方晶格中，如果晶面指数和晶向指数的数字相同，则彼此相互垂直数的数字相同，则彼此相互垂直课上习题课上习题求出图中所示各晶向求出图中所示各晶向P P的晶向指数的晶向指数 3 3、六方晶格、六方晶格（1 1）晶面指数）晶面指数三轴坐标系中六个侧面的指数为三轴坐标系中六个侧面的指数为（010010）（）（1 11010）（）（1 10000）（）（0 01 10 0）（1 11 10 0）（）（100100）而在四轴坐标中，为（而在四轴坐标中，为（01011 10 0）（1 1100100）（）（1 1010010）（）（0 01 11010）（1 11 10000）（）（10101 10 0）（）（hkil)hkil)其中其中I I-(h+k)-(h+k)1 1代表的是代表的是负负指数。
指数2)(2)晶向指数晶向指数O OM和和ON在三轴中的坐标是（在三轴中的坐标是（011）（210）uvtw与与UVW的关系：的关系：13 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 一、三种晶体结构的特点一、三种晶体结构的特点、体心立方晶格；、体心立方晶格；2、面心立方晶格、面心立方晶格3、密排六方晶格密排六方晶格 二、表明晶体结构特征的参数二、表明晶体结构特征的参数 1、晶胞中的原子数、晶胞中的原子数 2、原子半径和原子体积、原子半径和原子体积 3、配位数与致密度配位数与致密度 4 4、晶体结构的间隙数、晶体结构的间隙数 三、三种晶体结构中原子的堆垛规律三、三种晶体结构中原子的堆垛规律 三种晶体结构三种晶体结构表明晶体结构特征的参数表明晶体结构特征的参数体心立方体心立方晶体中的原子数晶体中的原子数 2原子半径原子半径 ：原子体积：原子体积：配位数：配位数：8a,6个个 4/3a3163aa，12个个体心立方间隙体心立方间隙体心立方体心立方4.晶胞中晶胞中四四面体空隙面体空隙 代表四面体空隙，位置在代表四面体空隙，位置在6个面的如图所示位个面的如图所示位置个数个数=641/2=121234564.晶胞中晶胞中八八面体空隙面体空隙 代表八面体空隙，位置在代表八面体空隙，位置在6个面的中心，个面的中心，12棱的中心。
个数棱的中心个数=61/2+121/4=6面心立方晶格面心立方晶格面心立方间隙面心立方间隙a 4个个a,8个个5.晶胞中四面体空隙和八面体空隙晶胞中四面体空隙和八面体空隙八面体空隙个数八面体空隙个数=121/4+1=4四面体空隙个数四面体空隙个数=8密排六方间隙密排六方间隙密排六方间隙密排六方间隙三、三种晶体结构中原子的堆垛规律三、三种晶体结构中原子的堆垛规律密排面密排面体心的堆积体心的堆积密堆方式密堆方式二层密堆二层密堆ABCABC堆积堆积ABAB堆积堆积 A1：立方体的体对角线方向，共：立方体的体对角线方向，共4条，故有条，故有4个密堆积方向，易向不同方向滑动，而个密堆积方向，易向不同方向滑动，而具具有良好的延展性有良好的延展性如Cu.A3：只有一个方向，即六方晶胞的：只有一个方向，即六方晶胞的C轴方轴方向，延展性差，较脆，如向，延展性差，较脆，如Mg.A1、A3型堆积的不同型堆积的不同两种密堆结构的比较两种密堆结构的比较四、晶体的各向异性及同素异构转变四、晶体的各向异性及同素异构转变 晶体的伪各向同性晶体的伪各向同性 2、晶体的同素异构转变、晶体的同素异构转变 同素异构体同素异构体 重结晶过程重结晶过程 规律：规律：有一定的转变温度；转变时需要过冷有一定的转变温度；转变时需要过冷（或过热）；有结晶潜热产生；转变过程也（或过热）；有结晶潜热产生；转变过程也是由形核及核长大来完成的。
是由形核及核长大来完成的铁的同素异构转变 Fe 14 14 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构二、金属实际晶体结构二、金属实际晶体结构 一、金属晶体是多晶一、金属晶体是多晶体体金属材料都是由尺寸金属材料都是由尺寸大小不等，晶体结大小不等，晶体结构相同、空间结晶构相同、空间结晶方位不同的单晶体方位不同的单晶体（晶粒）组成的，（晶粒）组成的，单晶体（晶粒）之单晶体（晶粒）之间由界面相隔开间由界面相隔开纯铁的显微组织纯铁的显微组织点缺陷点缺陷 空位与间隙原子造成晶空位与间隙原子造成晶格畸变格畸变置换原子造成晶格畸变置换原子造成晶格畸变能量起伏能量起伏 晶格畸变晶格畸变 空位和间隙原子的形成是热运动的必然结果空位和间隙原子的形成是热运动的必然结果晶格畸变：畸变的结果将导致能量的升高，从而也晶格畸变：畸变的结果将导致能量的升高，从而也促进了晶体组织的转变另外畸变也使晶体的强度、促进了晶体组织的转变另外畸变也使晶体的强度、硬度和电阻增加硬度和电阻增加点缺陷是一种热力学平衡缺陷点缺陷是一种热力学平衡缺陷 从热力学中己知，一个过程是否能够自发进行，取从热力学中己知，一个过程是否能够自发进行，取决于体系的吉布斯自由能的变化。
决于体系的吉布斯自由能的变化GU+PVTS在固态的条件下，体积的在固态的条件下，体积的变化变化V常常可以忽略不计，因此可以近似地认为：常常可以忽略不计，因此可以近似地认为：GUTSF 假设在一个有假设在一个有N N个原子的理想晶体中，引入个原子的理想晶体中，引入n n个空位个空位内能将增加内能将增加nUv点缺陷是一种热力学平衡缺陷点缺陷是一种热力学平衡缺陷 另一方面，另一方面，n n个空位的形成也引起了体系熵值的变个空位的形成也引起了体系熵值的变化，熵变可分为两部分，一部分叫排列熵化，熵变可分为两部分，一部分叫排列熵 ScKln （3）结构熵结构熵振动熵振动熵结论：结论：空位是一种热力学平衡的缺陷空位是一种热力学平衡的缺陷是在一定的温度下，晶体中总是会存在着一定是在一定的温度下，晶体中总是会存在着一定数量的空位，这时体系的能量处于最低的状态数量的空位，这时体系的能量处于最低的状态具有平衡空位浓度的晶体比理想晶体在热力学具有平衡空位浓度的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定上更为稳定图示图示性质性质 空位和间隙原子的浓度是随温度升高而急剧增加空位和间隙原子的浓度是随温度升高而急剧增加空位是以较可观的数目存在，而间隙原子的数目很空位是以较可观的数目存在，而间隙原子的数目很少少 空位和间隙原子处于不断的运动和变化之中。
空位和间隙原子处于不断的运动和变化之中空位、间隙原子和置换原子的运动，是金属中原子空位、间隙原子和置换原子的运动，是金属中原子扩散的主要方式扩散的主要方式造成过饱和点缺陷的主要有造成过饱和点缺陷的主要有3 3个方面因素；个方面因素；(1)(1)高高温激冷；温激冷；(2)(2)大量的冷变形；大量的冷变形；(3)(3)高能粒子辐照高能粒子辐照点缺陷对金属的性能的影响点缺陷对金属的性能的影响 (1)(1)使电阻增大，使电阻增大，(2)(2)、点缺陷的增加还使金属的、点缺陷的增加还使金属的密度下降；密度下降；(3)(3)过饱和的点缺陷可提高金属的屈服过饱和的点缺陷可提高金属的屈服强度；强度；固溶强化 (4)(4)空位对于金属中以扩散为基本过程的许多现象空位对于金属中以扩散为基本过程的许多现象有重要的影响，特别是在高温条件下，例如高温氧有重要的影响，特别是在高温条件下，例如高温氧化、烧结、表面化学热处理，以及均匀化退火等等化、烧结、表面化学热处理，以及均匀化退火等等二）、线缺陷二）、线缺陷 金属晶体中的线缺陷就是位错位错就是晶体中的金属晶体中的线缺陷就是位错位错就是晶体中的一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。
它的一列或若干列原子发生了有规律的错排现象它的宽度大约是宽度大约是3 35 5个原子间距而位错的长度一般是个原子间距而位错的长度一般是几百个到几万个原子间距宽度和长度比较起来小几百个到几万个原子间距宽度和长度比较起来小得很多很多，因而称为线缺陷得很多很多，因而称为线缺陷两种类型：刃型位错，螺型位错两种类型：刃型位错，螺型位错刃型位错刃型位错弹性应力场弹性应力场压应力压应力拉应力拉应力刃型位错造成金属的强化刃型位错造成金属的强化 刃型位错的应力场会与间隙原子和置换原子发生弹性相互刃型位错的应力场会与间隙原子和置换原子发生弹性相互作用，吸引这些原子向位错区偏聚小的间隙原子，如钢作用，吸引这些原子向位错区偏聚小的间隙原子，如钢铁中的碳、氮原子，往往钻入位错管道；置换原子则富集铁中的碳、氮原子，往往钻入位错管道；置换原子则富集在位错管道周围这样会降低晶格畸变能，同时使位错难在位错管道周围这样会降低晶格畸变能，同时使位错难以运动，因而造成金属的强化以运动，因而造成金属的强化位错与缺陷的作用示意图位错与缺陷的作用示意图螺型位错螺型位错螺型位错周围螺型位错周围的弹性应力的弹性应力场呈轴对称场呈轴对称分布分布 右右螺型位错螺型位错左左螺型位错螺型位错螺型位错螺型位错混合型位错混合型位错 刃型位错和螺刃型位错和螺型位错混合而型位错混合而成的成的 钼中的六角位错网络钼中的六角位错网络柏氏向量柏氏向量 在切应力作用下，位错线很容易沿滑移面运动。
一根位错在切应力作用下，位错线很容易沿滑移面运动一根位错线扫过滑移面，滑移面两边的原子就相对移动一个原子间线扫过滑移面，滑移面两边的原子就相对移动一个原子间距大量位错扫过滑移面，就造成晶体的宏观切变大量位错扫过滑移面，就造成晶体的宏观切变柏氏向量的方向就是原子移动的方向，也就是晶体滑移的柏氏向量的方向就是原子移动的方向，也就是晶体滑移的方向柏氏向量的大小就是原子移动的距离它总是由一方向柏氏向量的大小就是原子移动的距离它总是由一个平衡位置指向另一个平衡位置个平衡位置指向另一个平衡位置,而不能是任意的方向和而不能是任意的方向和大小每一根位错线都有自己的柏氏向量每一根位错线都有自己的柏氏向量柏氏向量确定的步骤柏氏向量确定的步骤（1 1）规定位错线的正方向是任意选定的规定位错线的正方向是任意选定的2 2）作垂直于位错线的平面作垂直于位错线的平面3 3）在这个平面上沿相互垂直的四个方向各移动同样的步）在这个平面上沿相互垂直的四个方向各移动同样的步数，作出围绕位错的回路当沿位错的正方向朝前看时，数，作出围绕位错的回路当沿位错的正方向朝前看时，按顺时针方向进行这种回路通常称为柏氏回路按顺时针方向进行。
这种回路通常称为柏氏回路4 4）回路不封闭时就表明存在着位错柏氏矢量就是闭合）回路不封闭时就表明存在着位错柏氏矢量就是闭合回路所需要的矢量（图中回路所需要的矢量（图中b b所表示的矢量）柏氏矢量等于所表示的矢量）柏氏矢量等于滑移矢量位错在柏氏矢量方向上的运动称为滑移运动滑移矢量位错在柏氏矢量方向上的运动称为滑移运动柏氏向量确定示意图柏氏向量确定示意图单位位错单位位错 简单立方结构简单立方结构 111111方向，方向，b=a100)|b|b=a100)|b|a a面心立方：面心立方：方向方向 大小是大小是体心立方：体心立方：方向方向 大小是大小是位错的运动位错的运动位错沿滑移面运动时，尽管位错线的形状和类型可位错沿滑移面运动时，尽管位错线的形状和类型可能改变，但是它的柏氏向量恒定不变能改变，但是它的柏氏向量恒定不变无论是何种位错，都有一个共同特点，就是：在位无论是何种位错，都有一个共同特点，就是：在位错的一边是已滑移区，另一边是未滑移区位错就错的一边是已滑移区，另一边是未滑移区位错就是已滑移区和未滑移区上的边界线是已滑移区和未滑移区上的边界线位错密度：位错密度：式中式中VV晶体的体积；晶体的体积；SS体积为体积为V V的晶体中位错线的的晶体中位错线的总长度。
总长度一般经过适当退火的多晶体金属中，位错密度为一般经过适当退火的多晶体金属中，位错密度为10106 610108 8；超纯单晶体金属，其位错密度很低；超纯单晶体金属，其位错密度很低(10(103 3)而经剧烈冷变形金属，位错密度可增至而经剧烈冷变形金属，位错密度可增至1010111110101212位错对金属材料性能的影响位错对金属材料性能的影响（1 1）位错的运动及分布，可以引起晶体的宏观范性）位错的运动及分布，可以引起晶体的宏观范性形变2 2）晶须中不含有位错，不易塑性变形，故强度很）晶须中不含有位错，不易塑性变形，故强度很高而一般金属中含有位错，易于塑性变形，故强高而一般金属中含有位错，易于塑性变形，故强度低3 3）如果金属晶体中位错密度很高，由于位错之间）如果金属晶体中位错密度很高，由于位错之间的相互作用和制约，金属的强度也可以提高的相互作用和制约，金属的强度也可以提高4 4）晶体中的位错并不是固定不变的，当晶体中的原）晶体中的位错并不是固定不变的，当晶体中的原子发生热运动或晶体受外力作用而发生塑性变形时，子发生热运动或晶体受外力作用而发生塑性变形时，位错就可以从在晶体内运动。
位错就可以从在晶体内运动三）面缺陷（三）面缺陷 晶体的面缺陷包括晶体的外表面和晶体内部的晶粒晶体的面缺陷包括晶体的外表面和晶体内部的晶粒间界、亚晶界、相界等，后几种又称为晶体的内表间界、亚晶界、相界等，后几种又称为晶体的内表面1 1）晶体的外表面）晶体的外表面：（1 1）涉及几个原子层，这几层能量高的原子层都属于表面）涉及几个原子层，这几层能量高的原子层都属于表面2 2）表面能）表面能 ：在数值上，表面能等于表面张力在数值上，表面能等于表面张力金属表面能与晶体结构有关表面原子排列越紧密金属表面能与晶体结构有关表面原子排列越紧密越平整，其表面能越低另外，表面能还与表面曲越平整，其表面能越低另外，表面能还与表面曲率有关表面曲率越大，即曲率半径越小，表面能率有关表面曲率越大，即曲率半径越小，表面能越高这些特点对于金属的结晶和固态相变有着重越高这些特点对于金属的结晶和固态相变有着重要的作用要的作用晶体的内表面晶体的内表面 晶界的厚度，取决于相邻晶粒之间的位向差以及晶界的厚度，取决于相邻晶粒之间的位向差以及金属的纯度位向差越小，纯度越高，晶界层越金属的纯度位向差越小，纯度越高，晶界层越薄相邻晶粒位向差小于相邻晶粒位向差小于100的晶界，称的晶界，称小角度晶界小角度晶界；相邻位向差大于相邻位向差大于100的晶界，称为的晶界，称为大角度晶界大角度晶界。
界面能界面能大角度晶界示意图大角度晶界示意图 晶界界面能很低重合位置点晶界界面能很低重合位置点阵模型阵模型 界面的性质界面的性质（A A）、表面和晶界具有吸附和偏聚杂质原子的作用表面和晶界具有吸附和偏聚杂质原子的作用B B）晶界具有较高的强度和硬度因此，晶粒越细，）晶界具有较高的强度和硬度因此，晶粒越细，金属的强度、硬度也就越高金属的强度、硬度也就越高C)(C)晶界的熔点较低晶界的熔点较低D)(D)发生相变时，新相往往首先在母相的晶界上形核发生相变时，新相往往首先在母相的晶界上形核E E）晶界总比晶粒内部的腐蚀速度要快晶界总比晶粒内部的腐蚀速度要快F)(F)晶界的电阻高于晶粒内部晶界的电阻高于晶粒内部G G）晶界上扩散速度要比晶粒内部快晶界上扩散速度要比晶粒内部快H H）当温度升高、原子动能增大时，就能促使晶粒）当温度升高、原子动能增大时，就能促使晶粒的长大的长大亚晶界亚晶界 实际晶体的晶粒内部，存在许多尺寸很小，位向差很小实际晶体的晶粒内部，存在许多尺寸很小，位向差很小（一般是几十分到（一般是几十分到1 10 02 20 0）的小晶块，它们相互嵌镶成一颗）的小晶块，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为晶粒，这些小晶块称为亚结构亚结构（或称为（或称为亚晶、嵌镶块亚晶、嵌镶块）。
在亚结构的内部，原子的排列位向是一致的在亚结构的内部，原子的排列位向是一致的 亚晶界亚晶界 总结：总结：金属的实际晶体结构不是理想完整的，存在各种各金属的实际晶体结构不是理想完整的，存在各种各样的晶体缺陷它是非常重要的，金属中许多重要过程，样的晶体缺陷它是非常重要的，金属中许多重要过程，都是依靠晶体缺陷的运动来完成的；金属许多性能都与晶都是依靠晶体缺陷的运动来完成的；金属许多性能都与晶体缺陷有关所以要正确认识晶体缺陷体缺陷有关所以要正确认识晶体缺陷15 15 金属晶体中的扩散金属晶体中的扩散 一、概述一、概述（一）、扩散的实质（一）、扩散的实质固体扩散的微观过程固体扩散的微观过程：金属晶体的扩散是原子的热激活过程，依靠金属晶体的扩散是原子的热激活过程，依靠原子的热运动来完成原子的热运动来完成扩散推动力扩散推动力 大量原子无序跃迁的统计结果，就造成物质大量原子无序跃迁的统计结果，就造成物质的定向迁移，即发生扩散的定向迁移，即发生扩散二）金属晶体扩散的条件（二）金属晶体扩散的条件 1 1、温度要足够高、温度要足够高 2.2.时间要足够长时间要足够长mmmm时，需要长达时，需要长达8 81010小时才能完成。
小时才能完成3 3扩散原子要固溶扩散原子要固溶 4 4、扩散要有推动力、扩散要有推动力 扩散推动力扩散推动力 AB B A扩散推动力扩散推动力 扩散推动力的作用，就在于使对称的周期势场向自扩散推动力的作用，就在于使对称的周期势场向自由能降低方向倾斜，因此造成原子正向与反向跃迁由能降低方向倾斜，因此造成原子正向与反向跃迁几率不相等，从而发生扩散所以扩散要有推动力几率不相等，从而发生扩散所以扩散要有推动力扩散的推动力可以是浓度梯度造成的化学自由能差，扩散的推动力可以是浓度梯度造成的化学自由能差，也可是应力梯度造成的应变自由能差，还可以是表也可是应力梯度造成的应变自由能差，还可以是表面自由能差总之，扩散推动力是自由能差，扩散面自由能差总之，扩散推动力是自由能差，扩散总是向自由能降低的方向进行总是向自由能降低的方向进行三）、金属晶体扩散分类（三）、金属晶体扩散分类 晶体扩散两类：一类是互扩散、另一类是自扩散晶体扩散两类：一类是互扩散、另一类是自扩散互扩散互扩散就是伴有浓度变化的扩散，它与异类原子的就是伴有浓度变化的扩散，它与异类原子的浓度差相关在互扩散过程中，异类原子相对扩散，浓度差相关在互扩散过程中，异类原子相对扩散，互相渗透，所以又叫作互相渗透，所以又叫作“异扩散异扩散”或或“化学扩散化学扩散”。
互扩散总是在不均匀固溶体中进行的互扩散总是在不均匀固溶体中进行的互扩散又可分为互扩散又可分为“下坡扩散下坡扩散”和和“上坡扩散上坡扩散”两种下坡扩散是沿着浓度降低方向进行的扩散，使浓度下坡扩散是沿着浓度降低方向进行的扩散，使浓度趋于均匀化上坡扩散则是沿着浓度升高方向进行趋于均匀化上坡扩散则是沿着浓度升高方向进行的扩散，即由低浓度向高浓度方向扩散，使浓度发的扩散，即由低浓度向高浓度方向扩散，使浓度发生两极分化生两极分化硅钢中的上坡扩散硅钢中的上坡扩散应力作用下的上坡扩散应力作用下的上坡扩散自扩散自扩散 互扩散还可分为互扩散还可分为“原子扩散原子扩散”与与“反应扩散反应扩散”两种如果在扩散过程中，基体晶格始终不变，没有新相如果在扩散过程中，基体晶格始终不变，没有新相产生，这种扩散就称为产生，这种扩散就称为原子扩散原子扩散反之，在扩散过反之，在扩散过程中，当浓度变化到一定值时，引起基体晶格转变，程中，当浓度变化到一定值时，引起基体晶格转变，形成新相，这种扩散称为形成新相，这种扩散称为反应扩散反应扩散自扩散就是不伴有浓度变化的扩散，它与浓度梯度自扩散就是不伴有浓度变化的扩散，它与浓度梯度无关自扩散只发生在纯金属中和均匀固溶体中。
无关自扩散只发生在纯金属中和均匀固溶体中固态扩散是在自由能差推动下，依靠原子的热激活固态扩散是在自由能差推动下，依靠原子的热激活而进行的物质迁移过程物质总是向自由能降低的而进行的物质迁移过程物质总是向自由能降低的方向扩散方向扩散二、扩散机理二、扩散机理所谓扩散机理，就是扩散原子在晶体点阵中换位的具体方式所谓扩散机理，就是扩散原子在晶体点阵中换位的具体方式1 1、间隙扩散机理间隙扩散机理 2 2、空位扩散机理、空位扩散机理 3 3、换位扩散机理、换位扩散机理 4 4、位错扩散机理、位错扩散机理 5 5、晶界扩散机理、晶界扩散机理 6 6、表面扩散机理、表面扩散机理扩散激活能扩散激活能 扩散激活能扩散激活能 固态金属中的扩散主要是固态金属中的扩散主要是借助晶体缺陷来进行的，借助晶体缺陷来进行的，如果没有各种晶体缺陷存如果没有各种晶体缺陷存在，金属原子的扩散要困在，金属原子的扩散要困难多，甚至是难以进行的难多，甚至是难以进行的三、扩散定律三、扩散定律 扩散定律又叫菲克定律，第一定律用于稳定态扩散，扩散定律又叫菲克定律，第一定律用于稳定态扩散，第二定律用于非稳定态扩散第二定律用于非稳定态扩散稳定扩散：稳定扩散：扩散第一定律指出，在稳定态扩散过程中，扩散流扩散第一定律指出，在稳定态扩散过程中，扩散流量量J与浓度梯度成正比。
写成扩散方程则为：与浓度梯度成正比写成扩散方程则为：扩散定律扩散定律 式中，式中，D D是扩散系数，单位是是扩散系数，单位是cmcm2 2/s/s负号表示物质负号表示物质沿着浓度降低的方向扩散沿着浓度降低的方向扩散扩散系数扩散系数D D是描述扩散速度的重要物理量，它相当是描述扩散速度的重要物理量，它相当于浓度梯度为于浓度梯度为1 1时的扩散流量时的扩散流量D D值越大则扩散越快值越大则扩散越快对于固态金属中的扩散来说，对于固态金属中的扩散来说，D D值都是很小的例值都是很小的例如，如，10001000时碳在时碳在FeFe中的扩散系数中的扩散系数D D的数量级的数量级为为1010-7-7cmcms s11001100时钨在时钨在rFerFe中的扩散系数中的扩散系数D D的数量级为的数量级为1010-10-10cmcm2 2/s./s.扩散第二定律扩散第二定律四、影响扩散的因素四、影响扩散的因素（一）（一）扩散温度扩散温度 扩散温度越高，则扩散系数越大，二间存在如下指数关系扩散温度越高，则扩散系数越大，二间存在如下指数关系 式中式中D D0 0扩散常数（扩散常数（cmcm2 2/s/s）,与温度无关，主要决定于晶体结与温度无关，主要决定于晶体结构和原子振动频率。
构和原子振动频率Q Q是扩散激活能（是扩散激活能（J/molJ/mol）R R是气体常是气体常数，数，R=8.31J/mol KR=8.31J/mol KT T是扩散温度（是扩散温度（K K）二）基体的金属性质（二）基体的金属性质 同一元素在不同的基体金属中扩散时，同一元素在不同的基体金属中扩散时，D D和和Q Q值都不相同值都不相同一般规律是：基体金属原子的结合能越强，则熔点越高，一般规律是：基体金属原子的结合能越强，则熔点越高，同时，扩散激活能也越大，扩散越困难同时，扩散激活能也越大，扩散越困难四、影响扩散的因素四、影响扩散的因素 根据金属熔点根据金属熔点T Tm m(K)(K)来计算自扩散激活能来计算自扩散激活能Q Q的经验公的经验公式，比较准确的一个公式：式，比较准确的一个公式：（三）扩散元素的影响（三）扩散元素的影响 （四）、扩散元素的浓度（四）、扩散元素的浓度（五）、合金元素（五）、合金元素 （六）晶格类型（六）晶格类型（七）固溶体类型（七）固溶体类型(八八)晶体缺陷晶体缺陷 总之，影响扩散的因素是多方面的，在一些情况下总之，影响扩散的因素是多方面的，在一些情况下要利用那些加速扩散的因素，在另一些情况下则要要利用那些加速扩散的因素，在另一些情况下则要利用那些阻碍扩散的因素。
利用那些阻碍扩散的因素扩散元素的影响扩散元素的影响 扩散元素的浓度扩散元素的浓度扩散元素的浓度扩散元素的浓度 为了反映浓度对扩散系数的影响，有人把扩散常数为了反映浓度对扩散系数的影响，有人把扩散常数中增加一个随浓度增大的项例如，碳在中增加一个随浓度增大的项例如，碳在rFerFe中中的扩散系数为：的扩散系数为：。