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金属学及热处理 第二版 哈工大崔忠圻覃耀春主编 第一章金属的晶体结构 内容提要 本章介绍金属材料的结构与组织 包括金属原子间的结合 原子的结构特点 金属键的本质 结合力与结合能 金属的晶体结构 点阵 晶格 晶胞 晶系 晶面 晶向等 晶体缺陷 点 线 面 体缺陷 合金的相结构 固溶体 化合物 金属学及热处理 第一章 学习目标 重点掌握金属材料的晶体结构 晶体缺陷和合金的相结构结构 1 1金属原子间的结合 学习目标 根据金属键的本质 解释固态金属的一些特性 导电性 正的电阻温度系数 传热性及延展性等 利用双原子作用模型 分析两个原子间的相互作用 P3的图1 2 1 2金属的晶体结构 1晶体的特性 规则排列 各向异性 一定条件下晶态与非晶态可以互换 晶体结构 晶体中原子 离子或分子 规则排列的方式 晶格 通过金属原子 离子 的中心划出许多空间直线 由这些直线形成的空间格架 假想的格架 晶格的结点 金属原子 或离子 平衡中心的位置 晶体晶格 1 2金属的晶体结构 2晶体结构与空间点阵 1 材料性能取决于材料的化学成分和其内部的组织结构 晶胞unitcell 反映晶格特征的最小组成单元 晶胞在三维空间的重复排列构成晶格 晶胞的基本特性反映晶体结构 晶格 的特点 晶胞的几何特征 六个参数来描述三条棱边长a b c 晶格常数 三条棱边之间的夹角 金属的晶格常数一般为 1 10 10m 7 10 10m 1 2金属的晶体结构 2晶体结构与空间点阵 2 不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数不同 其物理 化学和力学性能也不同 金属的晶体结构可用X射线 X ray 结构分析技术进行测定 体心立方晶格 胞 Body CenteredCubic B C C 晶格 面心立方晶格 胞 Face CenteredCubic F C C 晶格 密排六方晶格 胞 HexagonalClose Packed H C P 晶格 提示 由于原子排列紧密程度不一样 当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时 体积会发生变化 钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因 不同晶体结构中原子排列的方式不同 将会使它们的形变能力不同 1 2金属的晶体结构 3三种典型的晶体结构 1 体心立方结构 BCC晶格 Page1 5 原子排列 八个原子分别处于立方体的八个角上 一个原子处于立方体的中心 角上八个原子与中心原子紧靠一起 体心立方晶胞原子排列 Eg 钼 Mo 钨 W 钒 V 铁 Fe 912 体心立方晶胞特征 1 晶格常数latticeconstantsa b c 90 2 晶胞原子数Thenumberoftheatomsbelongingtooneunitcell 2个 每个角上的原子在晶格中同时属于8个相邻的晶胞 因而每个角上的原子属于一个晶胞仅为1 8 而中心的那个原子则完全属于这个晶胞 3 原子半径atomicradius 4 致密度atomicpackingfactor APF 0 68 5 空隙半径gapradius 6 配位数coordinationnumber 最近邻等距离原子数 体心立方晶格的配位数为8 配位数越大 原子排列紧密程度就越大 BCC Page2 5 3 原子半径晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半 或晶胞中原子密度最大的方向上相邻两原子之间距离的一半称为原子半径 r原子 体心立方晶胞中原子相距最近的方向是体对角线 所以原子半径与晶格常数a之间的关系为 BCC Page3 5 4 致密度 APF 晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比 也称密排系数 致密度越大 原子排列紧密程度越大 体心立方晶胞的致密度为 即晶胞 或晶格 中有68 的体积被原子所占据 其余为空隙 式中 BCC Page4 5 5 间隙半径若在晶胞空隙中放入刚性球 则能放入球的最大半径为空隙半径 体心立方晶胞中有两种间隙 四面体间隙半径为 r四 0 29r原子 八面体间隙半径为 r八 0 15r原子 BCC Page5 5 2 面心立方结构 FCC晶格 Page1 4 原子排列 金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心 面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠 铝 Al 铜 Cu 镍 Ni 金 Au 银 Ag 铁 Fe 912 1394 等具有这种晶格 面心立方晶胞原子排列 面心立方晶胞特征 1 晶格常数a b c 90 2 晶胞原子数 个 FCC Page2 4 3 原子半径 or FCC Page3 4 4 致密度0 74 74 5 配位数12 6 空隙半径四面体空隙半径为 r四 0 225r原子八面体空隙半径为 r八 0 414r原子 FCC Page4 4 3 密排六方结构 HCP晶格 Page1 2 原子排列 十二个金属原子分布在六方体的十二个角上 在上下底面的中心各分布一个原子 上下底面之间均匀分布三个原子 镁 Mg 镉 Cd 锌 Zn 铍 Be 等具有这种晶格 密排六方晶胞原子排列 密排六方晶胞特征 1 晶格常数用底面正六边形的边长a和两底面之间的距离c来表达 两相邻侧面之间的夹角为120 侧面与底面之间的夹角为90 2 晶胞原子数 3 原子半径 4 致密度0 74 74 5 空隙半径四面体空隙半径为 r四 0 225r原子八面体空隙半径为 r八 0 414r原子 6 配位数12 HCP Page2 2 ImportantCharacteristicsofthreeCrystalStructure 4 晶体中的晶面和晶向 Page1 8 通过晶体中原子中心的平面叫做晶面 通过原子中心的直线为原子列 其所代表的方向叫做晶向 晶面或晶向可用晶面指数或晶向指数来表达 以图中的晶面ABB A 为例 晶面指数的标定过程如下 1 设定一空间坐标系 原点在欲定晶面外 并使晶面在三条坐标轴上有截距或无穷大 2 以晶格常数a为长度单位 写出欲定晶面在三条坐标轴上的截距 1 3 截距取倒数 100 4 截距的倒数化为最小整数 100 5 将三整数写在圆括号内 100 晶面ABB A 的晶面指数即为 100 立方晶胞中的主要晶面 晶面和晶向 Page2 8 同样可得晶面ACC A 和ACD 的晶面指数分别为 110 111 晶面指数的一般标记为 hkl hkl 实际表示一组原子排列相同的平行晶面 晶面的截距可以为负数 在指数上加负号 如 若某个晶面 hkl 的指数都乘以 1 则得到晶面 则晶面 hkl 与属于一组平行晶面 如晶面ACD 111 与晶面A C B 这两个晶面一般用一个晶面指数 111 来表示 晶面和晶向 Page3 8 在立方晶系中 由于原子的排列具有高度的对称性 往往存在许多原子排列完全相同但在空间位向不同 即不平行 的晶面 这些晶面总称为晶面族 用大括号表示 即 hkl 在立方晶胞中 同属 111 晶面族 可用下式表示 晶面和晶向 Page4 8 以图中的晶向OA为例 说明晶向指数的标定过程 1 设定一空间坐标系 原点在欲定晶向的一结点上 2 写出该晶向上另一结点的空间坐标值 100 3 将坐标值按比例化为最小整数 100 4 将化好的整数记在方括号内 100 得到晶向OA的晶向指数为 100 立方晶胞中的主要晶向 晶面和晶向 Page5 8 同样方法可得晶向OB OC的晶向指数分别为 110 111 晶向指数的一般标记为 uvw uvw 实际表示一组原子排列相同的平行晶向 晶向指数也可能出现负数 若两组晶向的全部指数数值相同而符号相反 如 110 与 则它们相互平行或为同一原子列 但方向相反 若只研究该原子列的原子排列情况 则晶向 110 与可用一指数 110 表示 晶面和晶向 Page6 8 原子排列情况相同而在空间位向不同 即不平行 的晶向统称为晶向族 用尖括号表示 即 如 100 010 001 在立方晶系中 一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时 则该晶面与该晶向互相垂直 如 111 111 晶面与晶向互相垂直 对立方晶系而言 Page7 8 对六方晶系而言 Page8 8 四指数方法表示晶面和晶向水平坐标轴选取互相成120 夹角的三坐标轴a1 a2和a3 垂直轴为c轴 六方晶系的几个主要晶面和晶向 晶面表示为 hkil 晶面族为 hkil 晶向表示为 uvtw 晶向族为 5 密排面和密排方向 Page1 4 不同晶体结构中不同晶面 不同晶向上原子排列方式和排列密度不一样 体心立方晶格密排面 原子密度最大的晶面为 110 体心立方晶格 密排方向原子密度最大的晶向 面心立方晶格 密排面 111 密排方向 面心立方晶格的 111 面 5 密排面和密排方向 Page2 4 体心立方 面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度 5 密排面和密排方向 Page3 4 体心立方 面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度 5 密排面和密排方向 Page4 4 6 晶体的各向异性 Page1 2 非晶体的各向同性 非晶体在各个方向上性能完全相同的性质 晶体的各向异性 在晶体中 不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同 它们之间的结合力的大小也不相同 因而金属晶体不同方向上的性能不同的性质 例如单晶体铁 只含一个晶粒 的弹性模量 在方向上为2 90 105MPa 而在方向上只有1 35 105MPa 体心立方晶格的金属最易拉断或劈裂的晶面 称解理面 就是 100 面 2 金属晶体具有各向异性例如变压器用的硅钢片的方向应平行于导磁方向 以降低变压器的铁损 单晶体铁在磁场中沿方向磁化 比沿方向磁化容易 锌在盐酸中溶解时 晶面的溶解速度的次序从大到小是 金属晶体的力学 物理和化学等方面的性能在不同的方向上是不一样的 实际使用的金属晶体的各向异性就显示不出来了 6 晶体的各向异性 Page2 2 7 多晶型性 多晶型性转变或同素异构转变 金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变 往往伴随有体积的突变 引起变形 如 Fe C等 1 3实际金属的晶体结构P26 39 实际金属不是理想完美的单晶体 结构中存在有许多不同类型的缺陷 按照几何特征 三类 点缺陷 指在三维尺度上都很小的 不超过几个原子直径的缺陷 如 空位 间隙原子 异类原子 会造成局部晶格畸变 使金属的电阻率 屈服强度增加 密度发生变化 线缺陷 指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷 这就是位错 由晶体中原子平面的错动引起 如 刃型位错 螺型位错 如为混合位错 面缺陷 指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷 如 晶界 亚晶界 1 点缺陷 1 2P19 21 点缺陷 空位在晶体晶格中 若某结点上没有原子 则这结点称为空位 空位附近的原子会偏离正常结点位置 造成晶格畸变 空位的存在有利于金属内部原子的迁移 即扩散 点缺陷 间隙原子位于晶格间隙之中的原子叫间隙原子 间隙原子会造成其附近晶格的很大畸变 点缺陷 异类原子纯金属中存在的杂质 即其它元素原子称为异类原子 或杂质原子 当异类原子与金属原子的半径接近时 则异类原子可能占据晶格的一些结点 当异类原子的半径比金属原子的半径小得多 则异类原子位于晶格的空隙中 它们都会导致附近晶格的畸变 b 异类原子半径比金属原子半径小 a 异类原子半径比金属原子半径大 1 点缺陷 2 2 2 线缺陷 1 4P21 26 线缺陷 刃型位错 晶体中已滑移区和未滑移区的边界 2 线缺陷 2 4 在金属晶体中 由于某种原因 晶体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面 这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀片 刀片的刃口线即为位错线 这种线缺陷称刃型位错 半原子面在上面的称正刃型位错 半原子面在下面的称负刃型位错 线缺陷 螺型位错晶体右边的上部点相对于下部的距点向后错动一个原子间距 即右边上部相对于下部晶面发生错动 若将错动区的原子用线连接起来 则具有螺旋型特征 这种线缺陷称螺型位错 螺旋位错俯视 2 线缺陷 3 4 金属的强度与位错密度的关系 不锈钢中的位错线 退火金属中位错密度一般为1010 12m 2左右 位错的存在极大地影响金属的机械性能 当金属为理想晶体或仅含极少量位错时 金属的屈服强度 s很高 当含有一定量的位错时 强度降低 当进行形变加工时 位错密度增加 s将会增高 2 线缺陷 4 4 位错能够在金属的结晶 塑性变形和相变等过程中形成晶体中位错的量可用位错线长度来表示 位错密度是指单位体积中位错线的总长度 即式中 为位错密度 单位为m 2 L为位错线总长度 单位为m V为体积 单位为m3 3 面缺陷 1 2 实际金属为多晶体 是由大量外形不规则的小晶体即晶粒组成的 每个晶粒基本上可视为单晶体 一般尺寸为10 5 10 4m 但也有大至几个或十几个毫米的 所有晶粒的结构完全相同 但彼此之间的位向不同 位向差为几十分 几度或几十度 晶界原子排列的示意图 1Cr17不锈钢的多晶体 面缺陷 晶界晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界 晶界在空中呈网状 晶界上原子的排列规则性较差 面缺陷 亚晶界由许多位向相差很小的所谓亚晶粒组成的 晶粒内的亚晶粒又叫晶块 或嵌镶块 亚晶粒之间的位向差只有几秒 几分 最多达1 2度 亚晶粒之间的边界叫亚晶界 亚晶界是位错规则排列的结构 例如 亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成 亚晶界是晶粒内的一种面缺陷 亚晶界 3 面缺陷 2 2 晶界和亚晶界均可提高金属的强度 晶界越多 晶粒越细 金属的塑性变形能力越大 塑性越好 1 4合金中的相结构 相关概念 P18 26 合金 由两种或两种以上的元素组成 其中至少有一种为金属 通过熔化或其它方法组成具有金属性的材料称为合金 组元 通常把组成材料的最简单 最基本 能够独立存在的物质称为组元 组元大多数情况下是元素 在研究的范围内既不分解也不发生任何化学反应的稳定化合物也可成为组元 相 凡成分相同 结构相同并与其它部分有界面分开的物质均匀组成部分 称之为相 在固态材料中 按其晶格结构的基本属性来分 可分为固溶体和化合物两大类 组织 人们用肉眼或借助某种工具 放大镜 光学显微镜 电子显微镜等 所观察到的材料形貌 它决定于组成相的类型 形状 大小 数量 分布等 组织组成物 组织中形貌相同的组成部分 1 3 1固溶体A 概念1 8 当材料由液态结晶为固态时 组成元素间会象溶液那样互相溶解 形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其它元素原子的新相 称为固溶体 与固溶体的晶格相同的组成元素称为溶剂 在固溶体中一般都占有较大的含量 其它的组成元素称为溶质 其含量与溶剂相比为较少 固溶体即一些元素进入某一组元的晶格中 不改变其晶体结构 形成的均匀相 溶质原子溶入固溶体中的量称为固溶体的浓度 在一定的条件下 溶质元素在固溶体中的极限浓度叫做溶质元素在固溶体中的溶解度 浓度或溶解度一般用溶质元素所占的重量百分比来表示 Wt 有时也用溶质元素所占的原子数量百分比来表示 这时也称为摩尔浓度 Wa 1 按溶质原子在固溶体 溶剂 晶格中的位置不同可分为 1 置换固溶体溶质原子取代了部分溶剂晶格中某些节点上的溶剂原子而形成的固溶体 2 间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格的空隙中 不占据晶格结点位置 B 分类2 8 2 按溶解度分 溶质原子溶于固溶体中的量称为固溶体的浓度 一般用重量百分比表示 即 也可以用原子百分比表示 即 1 无限溶解固溶体溶质可以任意比例溶入溶剂晶格中 构成无限固溶体 这是把含量较高的组元称为溶剂 含量较少的组元称为溶质 2 有限溶解固溶体溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度 超过这个限度就会有其它相 另一种固溶体或化合物 的形成 间隙固溶体都是有限溶解固溶体 在金属材料中 通常是过渡族金属元素为溶剂 小尺寸的C N H O B等元素为溶质 B 分类3 8 3 按溶质原子在溶剂晶格中的分布特点 是否有规律 1 无序固溶体溶质原子在溶剂晶格中分布是任意的 没有任何规律性 仅统计角度上是均匀分布的 2 有序固溶体溶质原子以一定的比例 按一定方向和顺序有规律地分布在溶剂的晶格间隙中或结点上 在有些材料中 固溶体还存在有序化转变 即在一定的条件 如温度 压力 下 无序固溶体和有序固溶体之间会发生相互转变 由无序固溶体可转变为有序固溶体 叫做有序化 B 分类4 8 在一定条件下 溶质元素在固溶体中的极限浓度叫该元素在固溶体中的溶解度 影响溶解度的因素很多 目前还在研究中 现在公认的有 1 原子尺寸因素 在置换固溶体中 溶质原子的尺寸和溶剂相近 溶解度也愈大 r小于15 时才有利于形成置换固溶体 要能达到无限互溶 r的值还要小一些 间隙固溶体的形成的基本条件D质 D剂 0 59 在间隙固溶体中 显然D质 D剂愈小 即溶质原子的尺寸愈小 溶解度也大 间隙固溶体只能有限溶解 C 影响固溶体溶解度的因素5 8 2 晶体结构因素 组元间晶体结构相同时 固溶度一般都较大 而且才有可能形成无限固溶体 若组元间的晶体结构不同 便只能生成有限固溶体 3 电负性差 电负性为这些元素的原子自其它原子夺取电子而变为负离子的能力 反映两元素的化学性能差别 两元素间电负性差越小 则越容易形成固溶体 且所形成的固溶体的溶解度也就越大 随两元素间电负性差增大 溶解度减小 当其差别很大时 往往形成较稳定的化合物 C 影响固溶体溶解度的因素6 8 4 电子浓度 在金属材料 合金 中 价电子数目 e 与原子数目 a 之比称为电子浓度 由于溶质和溶剂的价电子数可能不同 电子浓度e a VA 1 x VBx 其中x为溶质的原子百分比浓度 摩尔分数 VA VB分别为溶剂和溶质的价电子数 一方面 溶质和溶剂的价电子数目相差大 它们的电负性的差别也大 溶解度会下降 另一方面 当e a为某些特定值时形成一新的晶体结构 因此它们的溶解度也就受到相应的限制 C 影响固溶体溶解度的因素7 8 D 固溶体的性质8 8 固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变 晶格畸变增大位错运动的阻力 使金属的滑移变形变得更加困难 从而提高合金的强度和硬度 固溶强化 通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的方法 固溶强化是金属强化的一种重要形式 在溶质含量适当时 可显著提高材料的强度和硬度 而塑性和韧性没有明显降低 固溶体综合机械性能很好 常作为结构合金的基体相 与纯金属相比 固溶体物理性能有较大的变化 如电阻率上升 导电率下降 磁矫顽力增大 纯铜的 b为220MPa 硬度为40HB 断面收缩率 为70 当加入1 的镍形成单相固溶体后 强度升高到390MPa 硬度升高到70HB 而断面收缩率 仍有50 当溶质的含量超过了其溶解度 在材料中将出现新相 若新相为另一组元的晶体结构 则也是另一固溶体 若其晶体结构与组元都不相同 表明生成了新的物质 所以 化合物是构成的组元相互作用 生成不同与任何组元晶体结构的新物质 化合物结构的特点 一是有基本固定的原子数目比 可用化学分子式表示 二是晶体结构不同于其任何组元 在以下将学习的相图中 它们的位置都在相图的中间 所以也称为中间相 在金属材料中 原子之间的结合除离子键和共价键外 金属键在不同程度上也参与一定的作用 如果生成的化合物也具有金属性 则称之为金属化合物 1 3 2化合物 中间相 A 概念1 7 1 正常价化合物两组元服从原子价规律而生成的正常化学中所称的化合物 通常是金属元素与非金属元素组成 组元间电负性差起主要作用 两组元间电负性差较大 它们符合一般化合物的原子价规律 例如MnS Al2O3 TiN ZrO2等 其结合键为离子键 也有的是共价键 如SiC 少数也有以金属键结合 如Mg2Pb 2 电子化合物 电子浓度在金属材料 合金 中 价电子数目 e 与原子数目 a 之比称为电子浓度 由于溶质和溶剂的价电子数可能不同 电子浓度e a VA 1 x VBx 其中x为溶质的原子百分比浓度 摩尔分数 VA VB分别为溶剂和溶质的价电子数 B 金属化合物类型2 7 续2 电子化合物 电子化合物这类化合物大多是以第 族或过渡族金属元素与第 至第 族金属元素结合而成 它们也可以用分子式表示 但大多不符合正常化学价规律 当e a为某些特定值时形成一新的晶体结构 并且电子浓度不同 其对应的晶体结构的类型也就不同 常间的电子浓度值有21 14 21 13 21 12 由于这类中间相与电子浓度有关 所以就称为电子化合物 主要出现在金属材料中 它们的结合键为金属键 一些常见的电子化合物可参看教材 例如Cu31Sn8 电子浓度21 13 具有复杂立方晶格 B 金属化合物类型3 7 3 间隙相与间隙化合物 尺寸因素化合物 主要受组元的原子尺寸因素控制 通常是由过渡族金属原子与原子半径小于0 1nm的非金属元素碳 氮 氢 氧 硼所组成 由于非金属元素 X 与金属元素 M 原子半径比不同 结构也有所不同 当rX rM0 59时 形成的化合物的晶体结构也较复杂 通常称它们为间隙化合物 相应的分子式也较复杂 如钢中常见的Fe3C Cr7C3 Cr23C6等 B 金属化合物类型4 7 续3 间隙化合物 通常晶体结构较复杂 B 金属化合物类型5 7 4 溶剂为化合物的固溶体 如金属化合物为溶剂 溶质为化合物中的某一组元 相当于原子比可在一定范围内变动 晶格未发生变化 也可能溶质为化合物中组元之外元素的原子 溶质原子的相互置换Fe3C中溶入一定的Mn 形成合金渗