第6章 固体材料热力学状态.ppt

1 第六章固体材料热力学状态 6 1材料系统中自由能与相平衡6 2材料系统影响自由能的因素6 3材料系统多项平衡的自由能曲线与材料相图6 4金属和陶瓷的一元相图与二元相图6 5金属与陶瓷材料中的相组成6 6单相与多相组织形貌及对材料性能的影响 2 6 1材料系统中自由能与相平衡 6 1 1原子排列的秩序假如忽略材料中的缺陷 那么原子的排列就有三种类型即无序 短程有序和长程有序 在氩气等单原子惰性气体中 其原子排列是无序的 假如材料中原子的某种特殊排列只延伸至原子的最邻近区域 则材料具有短程有序 如水蒸气中的氢原子和氧原子具有短程有序性 大多数聚合物具有类似的短程有序的原子排列 情况与非晶玻璃非常相似 在金属 许多陶瓷材料以及某些聚合物材料中 原子表现为长程有序 3 材料中原子排列的秩序图 a 情性气体原子的无规则排列 无序 b 和 c 表示有些材料 包括水蒸气和玻璃 只在短距离内有序 d 金属和许多其他固体材料的原子有序性遍及整个材料 4 晶体液晶液体有序性处在晶体和液体之间的液晶态分子堆砌示意图 5 6 1 2晶体与非晶体根据固体材料中原子排列规则与否 聚集状态 可将材料分为晶体和非晶体两大类 若材料中仅存在短程有序排列 则称之为非晶体或无定形材料 原子具有长程有序排列的材料称之为晶体 具有一定的凝固点 非晶体没有一定的凝固点 只存在一个软化温度范围 晶体具有各向异性 非晶体呈各向同性 6 根据晶体各节点上的微粒点种类的差异 可把晶体分为五种基本类型 如果晶格质点是阴 阳离子 就叫做离子晶体 如果是原子 就叫做原子晶体 如果是分子就叫做分子晶体 至于金属晶体 是由金属键和金属离子 原子而成 此外 有少数晶体比较特殊 叫做混合型晶体 7 溶液冷凝成晶态或非晶态时固体的体积变化 结晶高聚物的温度 形变曲线1 分子量较小 2 分子量较大3 轻度结晶高聚物 8 a 水晶 b 石英玻璃二氧化硅的两种状态 9 聚合物的分子链排列 a 非晶态排列 b 分子链排成结晶 c 分子链折叠成层状结晶 d 分子链呈螺旋型结晶 e PE经高锰酸刻蚀后在断面上表现出来的晶区边界 10 6 2 1晶体结构的构成与硬球模型当两种或两种以上的原子结合在一起形成一种晶体材料时 晶体结构将由几个因素决定 原子的键合性质 原子的相对大小 原子的化合价 最密堆积方式 把金属离子想象成为不可压缩的硬球 那么就可以将金属或离子晶体的晶体结构看成相等尺寸硬球或大小尺寸不等硬球的堆积 这就是原子硬球模型 6 2材料系统影响自由能的因素 11 6 2 2晶体的空间描述1 空间点阵阵点 将构成晶体的实际质点 原子 离子 分子 抽象成纯粹的几何点称为阵点 空间点阵 简称为点阵 阵点在空间呈周期性规则排列 并具有等同的周围环境的模型 原子在空间中分布的规律性就是空间点阵 12 2 晶胞晶胞是能保持整个点阵全部特征的点阵单元 相同晶胞的叠加就构成了整个点阵 总共只有14种类型的晶胞 即布拉维空间点阵 它们又分属于7种晶系 见表 点阵参数是描述晶胞尺寸和形状的参数 它包括晶胞的各棱边的长度和夹角 晶体内长程有序排列的重复距离称为点阵常数 它表示晶胞的大小 13 晶体 晶格和晶胞示意图 14 空间点阵按晶系的分类 15 空间点阵的14种形式1 简单三斜2 简单单斜3 底心单斜4 简单正交5 体心正交6 底心正交7 面心正交8 简单六方9 简单斜方10 简单立方11 体心正方12 简单正方13 体心立方14 面心立方 16 属于同一种空间点阵的几种晶体结构形式 17 常见金属的晶胞类型具有面心立方结构的有 Fe Al Co Ni Cu Ag Au Pt 等 具有体心立方结构的有 Ti V Cr Fe Zr Nb Mo Ta W等具有密排六方结构的有 Ti Zr Co Mg Zn等 18 金属的三种典型晶体结构 1 面心立方 19 2 体心立方A2或bcc 20 3 密排六方 属于简单六方点阵 21 4 简单六方 22 每个晶胞所含阵点数N的计算每个晶胞所含阵点数N可用下式计算 式中Ni Nf Nr分别为位于晶胞内部 胞面和角顶上的格点数 m为晶胞类型参数 对于立方晶系m 8 六方晶系m 6 23 Fcc面心立方 角原子 1 8 面心原子 1 2 24 bcc体心立方 角原子 1 8 体心原子 1 25 Hcp密排六方 角原子 1 6 体心原子 3 面心原子 1 2 26 3 原子半径 配位数及堆积因子 致密度 1 原子半径 27 面心立方 最密排方向即对角线方向 原子半径 28 体心立方 最密排方向为体对角线方向 原子半径 29 密排六方a c a 1 633 理想情况 底面上原子间距和上下层间距相等 原子半径b c a 1 633底面上原子间距和上下层间距不相等 原子半径 30 2 配位数与特定原子相接触的原子数 即最邻近的原子数 简单立方为6 体心立方为8 面心立方与密排立方为12 31 面心立方 CN 12 32 体心立方 CN 8 33 密排六方 c a 1 633 CN 12c a 1 633 CN 6 6 34 3 堆积因子 致密度 堆积因子是原子占据空间的分数 即晶胞内原子球所占体积与晶胞体积之比值堆积因子 K 的一般表达式为 堆积因子 原子数 晶胞 每个原子的体积 晶胞体积 35 面心立方 36 体心立方 37 密排六方 38 三种典型金属结构的晶体学特点 39 4 晶向指数和晶面指数 要求会标注 1 晶向指数及晶向族晶胞中某几个方向特别重要 例如 金属变形就是沿着原子排列最紧密的方向进行的 确定晶向指数的步骤如下 使用右手旋坐标系 定出该方向上两个点的坐标 从 末 点坐标减去 始 点坐标 就可得到沿该坐标系各轴方向所移动的点阵参数的数目 去掉分数 并约成最小整数 用方括号 将数字括起来 若有负号则在数字上面加一横线 40 确定晶向指数的示意图 41 晶向指数的例子 正交晶系一些重要晶向的晶向指数 42 下图的晶向指数 43 测验 答案 1 画出下图所示的晶向指数 100 110 010 101 001 111 101 110 110 210 44 晶向指数的意义 晶向指数表示着所有相互平行 方向一致的晶向 所指方向相反 则晶向指数的数字相同 但符号相反 晶体中因对称关系而等同的各组晶向可归并为一个晶向族 用表示 45 2 晶面指数及晶面族晶体中有些原子晶面也是重要的 例如 金属材料是沿着最密排的原子晶面发生变形的 晶面也用密勒指数表示 确定晶面指数的步骤如下 仍用右手旋坐标系 按照点阵参数的数目定出晶面与x y和z坐标轴相交的各点 若晶面通过原点 则必须移动坐标轴的原点 取这些相交点 截距 的倒数 若该晶面与某轴平行 则在此轴上截距为无穷大 若该晶面与某轴负方向相截 则在此轴上截距为一负值 取截距的倒数 并通分 化为最小的简单整数 将最终数放入圆括号 hkl 内 空间取向不同的同类晶面是等价的 称为晶面族 以符号 表示 如 100 表示 100 010 及 001 晶面 46 晶面指数的例子 正交点阵中一些晶面的面指数 47 晶面指数的例子 正交点阵中一些晶面的面指数 48 晶面指数的例子 正交点阵中一些晶面的面指数 49 晶面指数的例子 正交点阵中一些晶面的面指数 50 同一晶向族中不同晶向的指数 数字组成相同 已知一个晶向指数后 对 u v w进行排列组合 就可得出此晶向族所有晶向的指数 如 100 晶向族代表6个不同的晶向 111 晶向族代表8个不同的晶向 110 晶向族代表12个不同的晶向 51 52 53 晶面指数的意义 晶面指数所代表的不仅是某一晶面 而是代表着一组相互平行的晶面 在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同 只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族 以 hkl 表示 它代表由对称性相联系的若干组等效晶面的总和 立方晶系中 相同指数的晶向和晶面垂直 立方晶系中 晶面族 111 表示正八面体的面 立方晶系中 晶面族 110 表示正十二面体的面 54 3 六方晶系介绍 六方晶系的晶向指数和晶面指数同样可以应用上述方法标定 这时取a1 a2 c为晶轴 而a1轴与a2轴的夹角为120度 c轴与a1 a2轴相垂直 但这种方法标定的晶面指数和晶向指数 不能显示六方晶系的对称性 根据六方晶系的对称特点 对六方晶系采用a1 a2 a3及c四个晶轴 a1 a2 a3之间的夹角均为120度 这样 其晶面指数就以 hkil 四个指数来表示 55 6 3材料系统多项平衡的自由能曲线与材料相图 6 3 1多相平衡时的自由能一成分曲线前面曾阐述过多相平衡的条件 现仍假定二元合金中存在 两相 组元A与B在 两相中的化学势相等为两相平衡的条件 A A B B 即dG dn相等 也就是说两相的自由能对浓度变化的斜率相等 那么作两相自由能曲线的公切线 就满足了多相平衡的条件 而且切点成分表示了两平衡相的成分 图6一6 这就是公切线法则 56 57 6 3 2相图与自由能 成分曲线之间的关系材料相图与自由能 成分 G X 图有密切的关系 即由已知的G X曲线可以将相图作出来 通过热力学计算作出各温度下的自由能 成分曲线 再根据上述的公切线法则 找出平衡相的成分 然后综合画在一张温度 成分坐标图上 即得到相图 58 59 6 3 3材料相图的意义 相图亦称为状态图或平衡图 是用几何 图解 的方式来描述处于平衡状态下材料的成分 相和外界条件的相互关系 原则上相图可以用成分和任何外界条件的变量来绘制 但是在一般情况下只有温度和压力对多相平衡有显著影响 其他如电场 磁场等外界条件 影响很小 因此相图是以成分 温度和压力为变量来绘制的 并且工业上许多反应过程是在恒压条件下进行的 故材料的相图通常仅以成分和温度为变量 60 相图主要用于金属材料与陶瓷材料领域 相图是研究这些材料中各种微观结构及其变化规律的有效工具 它简练地描绘了平衡条件下的材料状态 为冶金及材料工作者提供了有益的资料 相图也是材料系统的热力学图示 相域 或相区 标明各相的存在范围 相界线必须满足相平衡的条件 相律规定了组元数 相数与自由度之间的关系 是相图必须遵循的基本原则 也在相图中得以充分体现 杠杆定律是质量守恒定律在相图中的应用 61 相图的表示如下 对于单元系 在T一P坐标系中表明相域和相线 对于二元系 一般是在恒压下用温度一浓度坐标系表明相域和相线 对于三元系 是在恒压条件下 用恒温截面的浓度等边三角形来表示相域和相线 对于更复杂的合金系 一般是采用局部的或近似的方法 如溶解度积法 当量法等 62 实际材料很少是纯元素的 而是由多种元素组成 这样就要弄清楚组元间的组成规律 要了解什么成分在什么条件下形成什么相 因而相平衡关系的研究就成为使用和研制材料的理论基础 拿合金来说 其在结晶之后可以获得单相的固溶体或中间相 在相图中部位置的单一相区存在 也可能是包含纯组元相与各种合金相的多相组织 那么某一成分的合金在某一温度下会形成什么样的组织呢 利用合金相图可以回答这一问题 另外 合金在许多加工 处理之后的组织状况也可用相图作为分析依据或参考资料 在科研及生产实践中 相图是研制新材料 正确选择和制定合金的熔炼 铸造 压力加工和热处理工艺 还有陶瓷材料的烧结工艺 以及进行材料各种状态金相分析的重要工具 63 但是相图一般只描述材料系统的平衡状态 有一定的局限性 不能完全说明生产实际中经常遇到的亚稳定和不稳定状态的组织 对于固态合金及固态相变尤为如此 固态合金难以达到整体的稳定平衡 常常可以长期地 局部地处于亚稳定状态 亚稳相是相当普遍的 例如 相对于石墨来说 渗碳体是亚稳相 常用的铁碳状态图实际上是Fe Fe3C相图 就是亚稳平衡的问题 所以说 相图是平衡条件下相的状态图解 不能完全适用于非平衡状态 为此 还需要其他方面的资料和研究工作 互相配合 共同解决问题 尤其是材料的动力学方面资料与研究结果 64 6 4金属和陶瓷的一元相图与二元相图 在多相系统中 如果各组元在各相中化学势相等 那么就没有物质的迁移 从微观来看 物质原子是有迁移的 只是两个相反的迁移过程以等速进行 由于多相平衡条件 6一22 的约束 处于平衡状态的多元系中可能存在的相数就有一定的限制 这就是吉布斯相律 多相系统 自由度f的一般表达式f n p 2 6一37 式中 n为组元数 p为相数 用文字叙述为 在只受外界温度和压力影响的材料系统中 平衡时它的自由度数等于系统的组元数与相数之差再加上2 65 6 4金属和陶瓷的一元相图与二元相图 在讨论不含气相的凝聚系统时 含固体与液体 材料问题通常如此 多数情况下都是等压过程 或通常压力的改变对平衡的影响极小 可略去不计 此时相律又可写成为f n p 1 6一38 66 6 4 2一元相图固相在低温高压下稳定 气相在高温低压下稳定 而液相存在两者之间 67 根据相律 对于单元系f n p 2 3 p 由于自由度数不能为负数 故p 3 也就是在外界条件数为2 T与P 的情况下 单元系中最多只有三相平衡共存 同时说明在单相区 即p 1时 系统有两个自由度 即在单相区内压力和温度可自由选择 这与图6 10中液 固 气中各单相均可在不同温度和压力范围内存在是相一致的 与此相对应的两相共存区为图中的AO BO及CO 在这些实线上固一气 固一液及液一气处于平衡状态 这些线叫做相区界线或者称相界 由相律可知 单元系两相平衡时自由度为1 此时的温度或压力 只有一个是可以自由选择的 选择其一 另一个就随之而定了 图中如果使系统在P1压力下达到平衡状态 则温度必须是T1别无选择 图中的O点为三相平衡点 f 0 因此温度 压力都已确定而不能任意选择 要记住违反相律的相图是错误的相图 68 此时 由于压力恒定 可算得f 1 故温度可在一定范围内变动 而不改变原来的相数和状态 在熔点和沸点处 两相平衡共存f 0 所以温度不能改变 相变为恒温过程 显然 在外界条件数只有1的情况下 单元系内平衡相的数目不能多于2 69 图6 12为碳的P T图 三个固相区和一个液相区 石墨在低压下稳定 而金刚石则在比石墨更高的压力和温度下稳定 70 6 4 3二元相图涉及固 液 固 固反应的二元系相图大都是在101 325kPa 即1个大气压下的温度 成分图 成分 横坐标 通常用质量分数 wt 或原子百分数 at 表示 有的相图上两者同时标出 它们之间可以互相换算 二元相图也是根据各成分材料的临界点给出的 测定临界点的方法很多 如热分析 硬度法 金相分析 X射线衍射 磁性法 膨胀法 电阻法等 目前最常用的是x射线衍射 金相和热分析法 并且互相配合使用 71 72 6 4 4几个材料相图实例 73 6 4 4几个材料相图实例 74 6 4 4几个材料相图实例 75 实际晶体材料几乎都是由很多小晶体组成的多晶体 相邻晶体的交界处形成晶界 用光学显微镜能观察到材料内部晶粒结构的细节 参见图4一2 因此把材料内部晶粒的组成 数量 大小及其形状与分布称为显微组织或金相组织 6 5金属与陶瓷材料中的相组成 76 6 5 1几个相关概念组元是组成材料最基本 独立的物质 组元可以是纯元素 也可以是稳定化合物 金属材料的组元多为纯元素 陶瓷材料的组元多为化合物 6 5金属与陶瓷材料中的相组成 77 材料中具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫相 可以讲 相 这个术语用来表示材料中结构均匀的一个部分 相即是材料所处的状态 即热力学状态 通常材料科学中不用 状态 而用名称 相 相与相之间有明显的分界面 即相界面 简称相界 若材料是由成分 结构相同的同种晶粒构成的 尽管晶粒之间有界面隔开 但它们仍属于同一种相 单相多晶体 若材料是由成分 结构都不同的几种晶粒构成的 则它们属于几种不同的相 78 79 材料内部的宏观与微观形貌称为组织 这些组织一般可借助仪器直接观察到 组织是与相有密切联系的概念 它实际上是指各个晶粒或各种相所形成的图案 形态或形貌 在不同条件下 相的晶粒大小 形态及分布会有所不同 从而材料内部会呈现不同的微观形貌 因而同样的相可以形成不同的组织 只含一种相的组织称为单相组织 反之称为复相组织或多相组织组织是材料性能的决定因素之一 相同条件下 材料的性能随其组织的不同而变化 80 通常金属材料均是合金 所谓合金是由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质 81 6 5 2金属材料中存在的相 固溶体与化合物是固态金属中的两类基本组成相 晶体 1 固溶体溶液是溶质 如食盐 溶入溶剂 如水 形成的单相液体 固体材料也有极相似的情况 溶质组元进入溶剂组元的晶格中所形成的单相固体称为固溶体 从热力学角度 也可称其为溶液 固溶体的结构保持溶剂组元的晶格类型 按照溶质原子在溶剂晶格中的位置不同 固溶体分为置换固溶体与间隙固溶体 82 6 5 2金属材料中存在的相 置换固溶体溶质原子取代溶剂晶格某些结点上的溶剂原子而形成的固溶体 当溶质原子与溶剂原子的直径 电化学性质等较为接近时 一般形成置换固溶体 金属元素之间常以置换方式进行固溶 间隙固溶体溶质原子进人溶剂晶格中的间隙位置而形成的固溶体 当溶质原子直径远小于溶剂原子时 一般形成间隙固溶体 金属材料中 I IV C和O等元素原子直径小 因而它们在许多金属的点阵中形成间隙固溶体 83 6 5 2金属材料中存在的相 固溶体的溶解度是一个极其重要的参数 间隙固溶体只能是有限固溶体 即获得有限的溶解度 通常不超过10 一般也明显小于置换固溶体的溶解度 这是由于间隙原子溶入后给溶剂晶格造成极其严重的歪扭 所以固溶度很小 另一方面 间隙原子较置换原子能显著地影响某些金属的性能 例如 碳在铁中的间隙固溶体是使钢淬火硬化的基础 在酸浸 洗 电镀或焊接过程中进人钢中很少量的氢 将使材料的延展性剧烈下降 称为氢脆 间隙氮不仅在材料表而氮化处理中有用 而且也可以在奥氏体不锈钢中得到有效利用 84 6 5 2金属材料中存在的相 置换固溶体可以是有限固溶体 抑或无限固溶体 如均一的液态Cu Ni合金凝固并冷却到室温 只能形成一个固体相 具有图6一13 a 类型的匀晶相图 凝固之后 Cu和Ni的原子并不分离出来 面是在面心立方点阵的阵点上随机排列的 恰好Cu Ni各自均是面心立方结构 无论成分如何变动 都不影响合金的原子按同一晶格类型进行排列 在这一固体相内 组织 性能和成分都是均匀的 Cu原子和Ni原子之间没有界面存在 但Cu Zn合金则不然 图6 20 尽管液态还是单相 而且若小于44 Zn 可形成具有面心立方的单一固溶体 但当更多的Zn加入 过量的Zn原子就同一些Cu原子化合 形成CaZn化合物 这时就有两种固体相共存 含约44 Zn的饱和固溶体 加上CuZn化合物 因此 Zn在Cu中的溶解度是有限的 85 6 5 2金属材料中存在的相 固溶体的强度 硬度高于其溶剂组元 产生了强化效果 塑性 韧性变化不大 因而固溶体具有较好的综合机械性能 一定的强度及很好的塑性 良好的塑性成形性能 常作为金属结构材料中的基本组成相 基体 86 6 5 2金属材料中存在的相 2 化合物在陶瓷材料中 通常材料的组元为某种化合物 在金属材料中 化合物是组元之间相互作用而生成新相 其晶体结构与溶剂 溶质均不同 除了金属原子与某些非金属原子碳 氮 硼等 形成相应的化合物 还有一大类是组元金属与金属之间形成的化合物 称金属间化合物 金属间化合物又称中间相 这种叫法与它处于相图 如二元系 的中部位置有关 87 6 5 2金属材料中存在的相 2 化合物实际情况是 当合金元素以超过溶解度的量加入时 第二相将同固溶体一起出现 这个第二相可能是以另一组元为溶剂的固溶体 这类固溶体又可称为边际固溶体 因为它们的位置处在相图的边端 与此相对应 更经常出现的第二相是中间相 金属材料中可能出现的化合物按它们的结构又可分为间隙化合物 正常价化合物以及电子相 88 6 5 2金属材料中存在的相 一般而言 金属材料中的化合物的熔点 硬度较高 脆性较大 这是因为除金属键外 它们之中尚含相当成分的离子键或共价键 但如果以较少数量与韧性的固溶体适当搭配 可以作为强化相 因此 合理控制合金中化合物的数量 尺寸 分布 可以极大地改善合金性能 合金系中形成化合物的条件 数量均可根据相图并结合动力学条件 温度 冷却速度 过冷度等 确定 89 6 5 3陶瓷材料中的相 陶瓷的晶体结构比金属复杂得多 结构转变时阻力也较大 另一方面 陶瓷的制作方法与金属不同 通常是采用粉末冶金烧结法成型 第九章 由于陶瓷材料在烧结时既有固态变化 也有液相到固相的变化 液相烧结时 而金属的熔炼则往往都一概是从液相到固相的凝固结晶转变 因此 从相的角度来看 陶瓷的相图往往比金属复杂 各类陶瓷的显微结构各不相同 但是它们都由晶相 玻璃相 气相 气孔 三部分组成 90 6 5 3陶瓷材料中的相 1 晶相晶相 晶体相 是陶瓷材料的基本组成部分 组成陶瓷晶相的晶体通常有三类 一类是氧化物 如氧化铝 氧化钦等 另一类是含氧酸盐 如硅酸盐 钦酸盐 错酸盐等 第三类是非氧化合物 主要为金属碳化物 氮化物 硼化物和硅化物 它们是特种陶瓷 特别是金属陶瓷的主要组成 陶瓷材料的晶相有时不止一个 而是多相多晶体材料 因此 常常将晶相进一步分为主晶相 次晶相 第三晶相等 决定陶瓷材料物理化学性质的主要是主晶相 91 6 5 3陶瓷材料中的相 2 玻璃相玻璃相是陶瓷烧结时各组成物和杂质产生一系列物理化学反应后所形成的液相冷却而形成的 玻璃相的成分为氧化硅和其他氧化物 玻璃相为非晶态 多为无规网络的硅酸盐结构 即由硅氧四面体通过共顶连接而形成向三维空间发展的网络 92 6 5 3陶瓷材料中的相 2 玻璃相玻璃相是一种低熔点固体 陶瓷中玻璃相的作用主要为 将分散的晶相粘结起来 降低烧结温度与改善工艺性 抑制晶体长大 提高陶瓷材料的致密程度 玻璃相一般为20 40 93 6 5 3陶瓷材料中的相 2 玻璃相玻璃相对陶瓷的性能也有不利的影响 由于其组成不均匀 会使材料的物化性质不均匀 玻璃相的机械强度比晶相低一些 热稳定也差一些 在较低温度下便开始软化 玻璃相过多 陶瓷的熔点也降低 因此 应根据陶瓷具体性能 对玻璃相的数量和组成予以控制 94 6 5 3陶瓷材料中的相 3 气相气相 气孔 是指陶瓷孔隙中的气体 也就是陶瓷组织内部残留下来的孔洞 它的形成过程复杂 主要是由于材料和工艺方面的原因造成的 陶瓷没有金属致密 其实际强度远低于晶体的理论强度 主要原因是其显微结构中存在比金属多得多的缺陷一气孔 除力学性能外 陶瓷材料的许多电性能和热性能随着气孔率 气孔尺寸及分布的不同可在很大范围内变化 合理控制陶瓷中气孔数量 形态和分布是非常重要的 95 6 6单相与多相组织形貌及对材料性能的影响 6 6 1单相多晶体的组织与性能许多广泛应用的金属是单相的 这些金属材料可以是只有一种组分的工业纯金属 例如制造导线的铜 镀于钢材表面的锌以及制作家用器具的铝等 正如前面讲过的 在许多情况下还有意地加人第二种组分 合金元素 以改进它们的性能 即合金的形式 这种不超过固溶极限的合金也是单相合金 96 97 98 6 6单相与多相组织形貌及对材料性能的影响 6 6 1单相多晶体的组织与性能合金的性能与组成这些合金的纯金属的性能是不同的 它们在强度和硬度上都有所增加 这是由于溶质质子的存在阻碍了塑性变形过程中晶体内位错的运动 微量的杂质原子会降低金属的电导率 因为外来原子使晶体点阵中的电场产生了不均匀性 因此使电子的运动发生了更多的偏斜或反射 电子的平均自由程变小 99 6 6单相与多相组织形貌及对材料性能的影响 6 6 1单相多晶体的组织与性能单相金属通常是多晶体 它的显微组织随晶粒的大小 形状和方位取向的不同而变化 图6 23 当然 这几个方面不是完全独立的 因为晶粒的大小 形状都是晶粒生长的结果 而晶粒的形状通常又取决于长大过程中的结晶取向 100 6 6单相与多相组织形貌及对材料性能的影响 6 6 1单相多晶体的组织与性能晶粒的大小通常用直径来表示 但单相金属中呈球形的晶粒却很少 更确切地说 晶粒必须完全填满空间而同时又要保持最小的晶界总面积 这样形成的晶粒称为等轴晶 图6 23A 因为在三个坐标方向上晶粒的尺寸几乎相等 除了等轴晶外 其他常见的晶粒形状有片状的 图6 23C 即单方向拉长的 柱状的或枝状的 即树枝状的 这些形状都是不同加工条件的结果 101 102 6 6单相与多相组织形貌及对材料性能的影响 6 6 1单相多晶体的组织与性能通常 金属内各晶粒的取向是完全任意的 A图 但也有例外 晶粒单方向排列的取向会造成性能的方向性 D图 也是一种各向异性 从工程的角度来看这点是很重要的 例如铁在 100 方向上比其他方向有着更高的磁导率 因而 在变压器硅钢片的多晶体中 如果晶粒的取向不是任意的 而是被加工成具有一定的择优取向 以使各晶粒的 100 方向与磁场方向一致 这样变压器的性能就得到显著的提高 因而在电力损耗方面每年节省了几十亿美元 103 6 6单相与多相组织形貌及对材料性能的影响 6 6 1单相多晶体的组织与性能单相多晶体材料的晶粒尺寸是一个十分重要的冶金参数 晶粒细小的材料有较高的强度 同时还有较好的塑性和韧性 因此 人们常采取各种工艺措施来细化金属的晶粒 详见第八章有关部分 反之 若尽量减少晶粒的数目 晶粒可以长得很大 甚至得到只有一颖晶粒的单晶体 这需要特殊的制备技术 单晶体一般只作为功能材料 如半导体中的硅片等 对一般结构材料没有什么实用价值 104 6 6单相与多相组织形貌及对材料性能的影响 6 6 1单相多晶体的组织与性能工程上 对晶粒大小常用参照标准图片评级的方法 国际上通用的ASTM晶粒度评级法 其数学关系是 根据放大100倍的金相照片测出每平方寸内的晶粒数N代入N 2n 1则ASTM晶粒度数值 便可计算出来 ASTM晶粒度数字大 则表明晶粒数目多 也就是晶粒变细 对钢材而言 通常把5 10级晶粒度的钢 称为细晶粒钢 把10级以上的称为超细晶粒钢 105 6 6单相与多相组织形貌及对材料性能的影响 6 6 1单相多晶体的组织与性能最后 需要指出的是 合金固溶体的组织特征与纯金属完全一样 显微镜无法区分两者的差别 只有用其他化学或物理的方法才能显示合金元素的存在 106 6 6 2多相材料的组织与性能前面讲过 如果合金元素的质量分数超过了它在基体金属中的溶解度 就会形成第二相 第二相可以是一种新的固溶体 以另一组元金属为基 也可能是一种由两组元组成的化合物 此时合金组织至少由两个相组成 绝大多数的钢铁材料