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金属材料及热处理,第一篇 金属材料的结构与缺陷,2,第一章 材料的结构,本章提要 结合键与材料的性质 晶体学的基本概念 纯金属的晶体结构 合金的晶体结构,3,第一章 材料的结构 第一节 材料的结合方式,1.1.1 化学键 化学键组成物质的质点的相互作用力。 共价键 共用电子对 有饱和性与方向性。 共价晶体 高熔点，高强度，较好绝缘性。,4,2. 离子键 得失电子形成 没有方向性和饱和性 离子晶体 高熔点，高硬度，导电（熔融）,5,3. 金属键 原子共用自由电子形成 无饱和性和方向性。 金属晶体 原子排列密度高，能变形，导电，导热。,6,金属原子结构的特点,外层电子少，易失去。 有自由电子。 金属离子与自由电子形成键。 金属键无方向性 有良好的塑性 有固溶能力,7,4. 范德瓦尔键 分子间静电引力形成，分子键 聚合物链间 没有方向性和饱和性 分子晶体 如冰、干冰等 熔点低，硬度小,8,1.1.2 工程材料的键性,图1-4,9,第二节 晶体学基础,1.2.1 晶体与非晶体 晶体：物质的质点在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质。 长程有序 晶体的特性： 各向异性、固定的熔点、产生电子衍射等。,10,Al 原子的微观排列,11,单晶体的各向异性,12,1.2.2 空间点阵,1. 点阵、阵点与晶格 空间点阵：将理想晶体抽象为无数相同的质点（原子等的中心），其在空间的排列称为空间点阵，简称点阵。 阵点：点阵中的单个质点。 晶格：将阵点用一系列平行的直线连接起来构成的空间格架。,13,2. 晶胞 晶胞：构成点阵的最基本单元。 晶胞选择的依据：反映点阵的规律 反映点阵对称性。 平衡六面体内各角与棱尽量相等。 棱之间尽量为直角。 晶胞体积最小。,14,3. 晶胞参数： 晶格常数 、 晶轴间角 、 4. 七个晶系与十四种Bravis点阵,15,16,1.2.3 晶向指数与晶面指数,基本概念 晶面： 晶体中由一系列原子组成的平面。 晶向： 任意两个原子之间连线所指的方向。 晶向指数与晶面指数： 标明晶面与晶向空间方位排列的统一方法。,17,1.晶向指数,晶格中的点 三步法确定晶向指数 建坐标，确定点 “末”- “始”，数字定 化整，加 ,18,试写出以下晶向指数uvw,19,晶向族 平行且同向的晶向指数相同。 方向相反晶向的指数为相反数。 用代表所有原子排列相同但空间位向不同的晶向，称晶向族。,20,正交系常用晶向指数,21,2.晶面指数,三步法确定晶面指数 （hkl） 取坐标 求截距 求倒数、化整,22,试写出以下晶面指数（hkl）,23,晶面族 平行晶面的指数相同 指数互为相反数时，晶面法线反向 用hkl代表空间位向不同，但原子排列情况完全相同的晶面，称为晶面族。,24,立方系常用晶面指数,25,111四面体,D,A,B,C,26,3. 六方晶系的晶面指数与晶向指数 四轴坐标,晶面指数 同于立方系方法 晶向指数 转换法 u=1/3（2U-V） v=1/3（2V-U） t= -(u+v） w=W,27,六方系常用晶面与晶向,28,4. 晶带与晶带定理,晶带：由与某一晶向直线平行及所有相交于该晶向直线的所有晶面构成的集合。该直线称为该晶体带轴。 晶带定理： 在立方晶系中，若晶面（hkl）的晶带轴是uvw，则必有 hu+kv+lw=0 反之亦然。,29,应用： 根据两不平行晶面的指数（h1 k1 l1），（h2 k2 l2） 可以求出它们所在晶带的晶带轴uvw。 u=k1l2 - k2l1 v=l1h2 - l2h1 w=h1k2 - h2k1,30,5.晶面间距,31,第三节 材料的晶体结构,1.3.1 典型金属的晶体结构 体心立方、面心立方、密排六方结构 B.C.C. F.C.C. H.C.P.,32,晶胞中的原子数 原子半径 配位数 致密度 原子堆垛方式 晶体结构中的间隙,33,1.晶胞中的原子数,34,2.原子半径,35,3. 配位数,配位数：一个原子周围最近邻并且等距离的原子的个数。,36,4.致密度晶胞中原子所占的体积,体心立方 面心立方 密排六方,37,5.原子堆垛,单击看动画,体心立方的原子堆垛密排面110,38,39,密排六方与面心立方的原子堆垛,密排面原子排列特点密排面111，（0001）,原子形成密集堆积的堆积位置可以是 A, B或者C,40,面心立方晶胞中的密堆积面,41,面心立方与密排六方堆垛的差异,42,密排六方的原子堆垛,43,面心立方的原子堆垛,44,6.晶体结构中的间隙,体心立方结构的间隙,45,面心立方结构的间隙,46,密排六方结构的间隙,47,7.多晶型性,多晶型性及多晶型转变： 一种材料具有几种不同晶体结构的性质称多晶型性。 当改变温度或压力时，晶体从一种结构转变为另一种结构，称多晶型转变。 意义： 热处理的工艺基础通过改变结构而改变性能 多晶型转变的体积变化,48,纯铁的多晶型转变及体积变化,49,1.3.2 共价晶体的晶体结构,特点： 配位数低（8-N），致密度低,50,51,1.3.3 离子晶体的晶体结构,特点： 配位数主要由离子的半径比决定。,52,简单离子晶体的结构,53,1.3.4 合金的相结构,基本概念 合金： 由两种或两种以上金属元素，或金属与非金属元素，经过熔炼、烧结或其他方法组合而成，具有金属特性的物质。 组元： 组成合金的最基本的独立物质，单质或化合物。 相： 聚集状态相同的，结构和性质一致，并以界面相互隔开的均匀的组成部分。,54,合金中的相的显微镜形貌,单相合金与两相合金,55,1.固溶体,概念： B组元的原子完全溶入固相的A组元，并保持A的晶体结构所形成的合金相。 A,B分别称为溶剂组元与溶质组元。 分类 置换固溶体与间隙固溶体 有限固溶体与无限固溶体 有序固溶体与无序固溶体,56,间隙固溶体 H,O,N,C,B等溶入过渡金属中形成 Rb/Ra0.59 晶格膨胀 固溶度有限 溶剂间隙的形状与大小影响固溶度,57,置换固溶体 常在过渡金属组元之间形成 也有晶格畸变 条件合适时组元浓度可以连续变化,58,影响置换固溶体固溶度的因素 晶体结构因素 相同时易实现无限互溶 原子尺寸因素 R/Ra14%-15%，易大量固溶 电负性因素 接近时易大量固溶 电子浓度因素 受极限电子浓度制约，价越高的溶 质其溶解度越小,59,电子浓度因素,现象：1价以上的金属原子溶于面心立方Cu（或者Ag,Au）中形成固溶体时，存在一极限电子浓度值。超过此值将有新相形成。 核心： 固溶体的固溶度受极限电子浓度制约。 电子浓度的定义 e/a(固溶体价电子数/原子数)= Va,Vb:溶剂与溶质的化合价 X: 溶质的原子数，100,60,固溶体的微观不均匀性 宏观均匀的固溶体微观可表现为无序、偏聚及短程有序的分布。,61,有序固溶体,62,63,固溶体的晶格畸变,64,固溶体的性能与应用 固溶强化 随溶质浓度提高，强度硬度增大同时塑性韧性下降。 作为合金组织的基体相使用 可以承力，可以变形。,65,2.中间相金属化合物,概念： 溶质含量超过溶解度极限时出现的具有全新晶体结构的新相。 键性： 主要金属键，兼有离子键、共价键。 种类： 正常价化合物、电子化合物、间隙相与间隙化合物,66,正常价化合物 符合化合价规律 金属IVA,VA,VIA元素间 电负性差越大，离子键比例越大，化合物越稳定 常见的离子晶体型的陶瓷材料 高硬度高脆性，可作弥散强化相,67,常见结构,68,电子化合物 Hume-Rothery定律 以贵金属为主的过渡金属间形成，成分有一定变化范围 金属键 硬度高脆性大 有色金属中的弥散强化相,69,间隙相与间隙化合物 过渡金属与H,B,C,N等形成 不是固溶体,70,间隙相 Rx/Rm0.59时形成的结构简单的金属化合物 成分可表现为一定范围 极高的硬度和熔点 硬质合金、高速钢的强化相,71,间隙化合物 Rx/Rm0.59，结构较复杂 过渡金属的碳化物 比间隙相略低的熔点和硬度 钢中弥散强化相,72,中间相的性能与应用 硬度高，熔点高 可作弥散强化相 提高合金的强度、硬度、耐磨性、耐热性 用于耐