晶体结构、相结构.ppt

第二章工程材料结构 不同的金属材料具有不同的性能 同种材料 在不同的状态下其性能差别也很大 这种现象与其内部的微观结构密切相关 第一节金属的结构 金属材料是指以金属键结合并具有金属特征的一类物质 包括纯金属及合金 纯金属是指具有正电阻温度系数及金属特征的一类物质 合金是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属元素经熔炼 烧结或其它方法组合而成 具有金属特征的一类物质 例 钢铁 铁碳合金 黄铜 铜锌合金 一 纯金属的晶体结构 1 晶体的基本概念 1 晶体 内部原子有规律排列的物质 如固态金属及合金等 特点 结构有序 各向异性 有固定的熔点非晶体 内部原子没有规律的排列 如玻璃 松香等 特点 结构无序 各向同性 没有固定的熔点 一切固态物质可分为晶体与非晶体两大类 晶体 非晶体 简单立方体结构示意图 2 晶格 用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架 直线的交点 原子中心 称结点 3 晶胞 能代表晶格原子排列规律的最小几何单元 4 晶格常数 晶胞各边的尺寸a b c 各棱间的夹角用 表示 5 晶粒 晶体中晶格方位相同的区域 在一个晶粒内 由于各个方向上原子排列的状况不同 呈现出各向异性 实际金属由多晶体构成 因而呈现出各向同性 6 原子半径 晶胞中原子密度最大方向相邻原子间距的一半 7 晶胞原子数 一个晶胞内所包含的原子数目 8 配位数 晶格中与任一原子最近且等距的原子数目 9 致密度 晶胞中所包含的原子本身所占有的体积与该晶胞体积之比 原子半径 晶胞原子数 nv K V 2 常用金属的晶格及其主要参数 1 体心立方晶格 bcc晶格 1 原子排列特征 立方体 八个顶点各有一个原子 中心一个原子 2 晶格常数 a b c 90 3 原子半径 r a 3 4 4 原子数 8 1 8 1 25 配位数 86 致密度 K 0 68 68 7 常用金属 Fe Cr W Mo V Nb等 模型 晶胞 原子数 体心立方晶格的参数 2 面心立方晶格 fcc晶格 1 原子排列特征 立方体 八个顶点和六个面各有一个原子 2 晶格常数 a b c 90 3 原子半径 r a 2 4 4 原子数 8 1 8 6 1 2 45 配位数 126 致密度 K 0 74 74 7 常用金属 Fe Cu Al Ni Pb Au Ag等 模型 晶胞 原子数 面心立方晶格的参数 3 密排六方晶格 hcp晶格 1 原子排列特征 正六面柱体 上下层顶角和面心各一个 中间层3个 2 晶格常数 a b c 90 120 3 原子半径 r a 1 2 4 原子数 12 1 6 2 1 2 3 65 配位数 126 致密度 K 0 74 74 7 常用金属 Mg Cd Zn Be等 模型 晶胞 原子数 12 密排六方晶格的参数 常见晶格类型 原子排列 晶胞 晶面与晶向 体心立方 面心立方 密排六方 金属的三种典型晶格类型比较 面心立方晶格和密排六方晶格中原子排列紧密程度完全一致 K 0 74 是原子在空间排列最紧密的两种形式 体心立方晶格中排列的紧密程度要差些 K 0 68 面心立方晶格的 Fe向体心立方晶格的 Fe转变时将伴随着体积膨胀 3 晶面与晶向的表示方法 晶面 由一系列原子所组成的平面 晶向 任意两个原子之间的连线所指的方向 不同晶面和不同晶向上原子排列的状态是不同的 为了便于表示各种晶面和晶向 用统一的晶面指数和晶向指数来表示 国际上通用的是密勒 Miller 指数 在金属中 许多性能现象与特定的晶面和晶向关系很大 体心立方晶格 晶面 晶向 1 晶向指数的确定方法 1 选定晶胞中的任一结点为坐标原点 并以该点连接的三条棱边作为坐标轴 即ox oy oz 反向为负 2 以晶格常数为单位 求出该直线上任意一点的三个坐标值 3 将所求坐标值化为最简单整数 并加方括号 即为所求的晶向指数 晶向指数的一般形式写成 uvw 2 晶面指数的确定方法 1 选定晶胞中的任一结点为坐标系原点 以与该点连接的三条棱边为坐标轴 即ox oy oz 反向为负值 2 以相应的晶格常数为单位 求出待定晶面在三个坐标轴上的截距 3 求出三个截距的倒数并化为最小整数 4 将三个整数加圆括号 即为所求的晶面指数 其形式为 hkl A B C 立方晶系的 100 110 111 晶面 100 110 111 3 晶面及晶向的原子密度 不同晶体结构中的不同晶面 不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程式度是不一样的 体心立方晶格中 密排面为 110 密排方向为 111 面心立方晶格中 密排面为 111 密排方向为 110 体心立方晶格 面心立方晶格 晶面族 110 晶向族 111 4 晶体的各向异性 在晶体中 不同晶面和晶向上原子排列方式和密度不同 原子间结合力大小也不同 因而金属晶体不同方向上性能不同 这种性质叫做晶体的各向异性 晶体的各向异性不仅在物理 化学和力学性能上有所表现 而且在其他诸多方面都有所表现 单晶体 多晶体 工业上所用的金属材料为多晶体 多晶体由多个单晶体组成 在性能上呈各向同性的特点 4 金属的实际结构与晶体缺陷 晶体缺陷按缺陷几何特征分为 点缺陷 线缺陷 面缺陷 1 点缺陷 空位置换原子间隙原子 点缺陷的存在 使晶格发生了扭曲 晶格畸变 造成强度增加 点缺陷是指在三维尺度上都很小 不超过几个原子直径的缺陷 包括空位 置换原子 间隙原子等 2 线缺陷 线缺陷是指二维尺度很小 而另一维尺度相对很大的缺陷 线缺陷的主要形式是位错 位错是指晶体中的一部分晶体相对于另一部分晶体发生原子有规律错排的现象 位错的形式有两种 刃型位错 螺型位错 1 刃型位错 其特征是在某一晶面的一侧多出一个原子面 多余原子面的底部即为位错线 位错线 刃型位错示意图 其特征相当于从一个面AB切至另一个面CD 然后两边沿切开面作综合平移一个或几个原子距离 2 螺型位错 位错在金属的结晶 塑性变形和相变过程中形成 位错密度用单位体积中位错线的总长来表示 位错的存在极大地影响金属的力学性能 螺型位错示意图 3 面缺陷 面缺陷是指二维尺度很大 而在另一维尺度很小的缺陷 金属晶体中的面缺陷通常是 晶界和亚晶界 相邻晶粒的晶格位向不同 存在一个晶格位向的过渡区 过渡区内原子排列不规则 晶粒发生畸变并存在较多位错 在实际金属中 晶界处常存在一些低熔点的杂质原子 1 晶界 晶界 晶粒与晶粒之间的接触面 晶粒 晶格位向基本相同 外形不规则且呈颗粒状的小晶体 2 亚晶界 亚晶界 晶粒内亚晶粒之间的界面 晶粒不是完全理想的晶体 而是由许多位向差很小的亚晶粒组成 晶界与亚晶界处原子排列不规则 对位错运动起阻碍作用 使金属的强度提高 晶粒越细 金属的晶界面积越大 其强度就越高 塑性越好 细化晶粒是同时提高金属强度和塑性的有效途经 亚晶粒 在晶粒内相互间晶体学位向差很小 2 3 的小晶块 5 纯金属的结晶 金属的结晶过程是原子从无序排列的液态转变为有序排列的固态的过程 纯金属的结晶过程是在恒温情况 平衡条件 下进行的 温度 时间 纯金属的冷却曲线 理论冷却曲线 实际冷却曲线 T0 T1 T T T0 T1 理论结晶温度 过冷度 实际结晶温度 结晶时放出的结晶潜热补偿了冷却时向外散失的热量 故冷却曲线上出现了一水平线 液态 固态 A B 纯金属的结晶过程 液态金属结晶 形成晶核 晶核长大 形成晶核 晶核长大 形成晶粒 1 晶核的形成 1 自发形核 依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部自发形成结晶核心 需要很大的过冷度 如 纯铜结晶 T 236 非自发形核 晶核依附金属液体中未溶的固态杂质表面而形成晶核 所需的过冷度很小 晶核长大的实质就是原子由液体向固体表面的转移 2 晶核的长大 固相原子 液相原子 大多数晶核长大是以树枝状长大的 首先在晶核的棱角处以较大的速度迅速生成晶体的主干 称为一次晶轴 并不断分枝发展形成二次晶轴 再在二次晶轴的垂直方向形成三次晶轴 如此不断的形成 即构成了树枝状晶体 枝晶 晶核一旦形成就将迅速长大 树枝状晶体示意图 树枝状晶体显微组织 3 金属结晶后的晶粒大小 金属结晶后晶粒愈细 强度 硬度越高 塑性 韧性越好 结晶后的晶粒大小主要取决于形核率N和晶核长大速度G 凡能促进形核率 抑制长大速率的因素 都能细化晶粒 过冷度对N和G的影响 细化晶粒的方法 1 增加过冷度2 进行变质处理3 附加振动 二 合金的相结构 基本概念 两个组元组成的合金称为二元合金 三个组元组成的合金称为三元合金 合金的名称按其最主要的组元的名称命名 如铜合金 铝合金等 也可以按主要合金元素的名称命名 如铁 碳合金 铜 锌合金等 1 合金 以一种金属元素为基础 加入另一种或几种金属或非金属元素组成的具有金属特性的物质 2 组元 组成合金的基本单元 合金中的组元可以是金属元素和非金属元素 也可以是稳定化合物 3 相 合金中具有同一化学成分 同一结构和原子聚集状态 并以界面互相分开的 均匀的组成部分 显微组织示意图 4 显微组织 在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态 数量 大小和分布的组合 固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类 单相合金 两相合金 1 固溶体 合金在固态下 组元间能互相溶解而形成的均匀相溶剂 与固溶体晶格类型相同的组元 溶质 晶格消失的组元 溶剂A 溶质B C 例如 Fe C F 铁素体 体心立方六方立方体心立方 固溶体中的溶质的含量为固溶体的浓度 在一定温度 压力条件下 溶质在固溶体中的极限浓度称为固溶体的溶解度 根据溶解度不同 可分为有限固溶体和无限固溶体 以一种金属元素为基础 其它合金元素的原子溶入基础元素的晶格中所形成的结构 通常将基础元素作为溶剂 溶入元素作为溶质 溶质原子溶入溶剂原子即为固溶体 所以 固溶体结构的一个重要特征是保持溶剂的晶格类型 通常固溶体用 等符号表示 特点 根据溶质原子在溶剂晶格中所占的位置不同 又可以分为置换固溶体和间隙固溶体 置换固溶体 间隙固溶体 1 固溶体分类 当溶质原子与溶剂原子的大小相近且晶格类型相同时 则容易形成置换固溶体 置换固溶体可以是有限固溶体和无限固溶体 1 置换固溶体 溶质原子置换了溶剂原子存在于溶剂晶格的结点上 当溶质原子比溶剂原子尺寸小时 溶剂原子处于溶剂晶格的间隙中而形成的固溶体 间隙固溶体只能是有限固溶体 2 间隙固溶体 间隙原子的位置 置换原子的位置 例 黄铜 Cu Zn 白铜 Cu Ni 例 钢铁材料 Fe C 2 固溶体的性能 1 固溶体中由于溶质原子的存在 使晶格发生畸变 增大了位错运动的阻力 使塑性变形困难 从而提高了强度和硬度 2 固溶体的强度和硬度都要比纯金属高 但塑性和韧性变化不大 这种由于溶质原子进入溶剂中使得金属材料的强度和硬度上升的现象称为固溶强化 固溶强化是提高合金力学性能的重要途经之一 晶格畸变现象 2 金属化合物 合金中的两组元相互作用而形成的一种新相 它的晶体结构 性能 熔点与两组元都不同 并具有金属特征 这种相称为金属化合物 如 3Fe C Fe3C Fe3C的晶体结构 金属化合物分类 正常价化合物电子化合物间隙化合物 1 正常价化合物 2 电子化合物 正常价化合物是指符合化合物原子价规律的金属化合物 它们具有严格的化合比 成分固定不变 可用化学式表示 金属中常见的有 Mg2Si Cu2Se ZnS AlP等 这类化合物性能的特点是硬度高 脆性大 电子化合物是指符合一定价电子浓度规律组成的化合物 金属中常见的有 Cu Zn Cu Si Cu Al等 电子化合物主要以金属键结合 具有明显的金属特性 它们的熔点和硬度都较高 塑性较差 是有色金属中的重要强化相 间隙化合物是指过渡族金属元素与碳 氮 氢 硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物 根据其结构特点 可分为间隙相和复杂结构的间隙化合物两种 3 间隙化合物 当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0 59时 将形成具有简单晶格结构的简单化合物 间隙相具有金属特性 有极高的熔点和硬度 非常稳定 间隙相分布均匀 能有效地提高钢的强度 热强性 红硬性 耐磨性 是高合金钢和硬质合金的重要组成相 1 间隙相 间隙相VC的晶体结构 当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0 59时 将形成具有复杂晶格结构的间隙化