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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 h1k1l1 h2k2l2 可以求出它们所在晶带的晶带轴 uvw u k1l2 k2l1v l1h2 l2h1w 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 Ra 0 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 Ra 14 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 Rm 0 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 Rm 0 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