金属材料学基本知识培训学习

第三章金属学基础知识,引言：反应堆材料要求高强度、塑韧性、热强性和抗蚀性等。金属材料具有良好性能，所以得到广泛的应用。宏观性能：组织结构、成分和工艺的综合表现。成分和工艺组织结构材料性能金属学：研究材料性能与其化学成分、生产工艺和微观组织之间关系和变化规律。晶体的结构层次：原子、晶胞、晶格、晶粒、相、组织。,2.纯金属的晶体结构,晶体和非晶体两大类本质区别为：构成晶体的原子、分子或原子集团在空间是按一定的几何规律规则排列的，因而晶体具有一定的熔点，且具有各向异性的特点。绝大多数的工程材料，如金属及其合金、陶瓷等，天然的岩石、矿物都是晶体。非晶体中的质点是无规排列的，如多数的玻璃和聚合物。,基本概念：1）阵点或结点:由晶体中原子抽象而成的几何点。2）空间点阵:阵点在空间规则排列构成空间点阵。3）晶格：用一系列平行线将阵点连接起来，构成空间的格架。4）晶胞：构成晶格的基本单元，一般取最小平行六面体。,4）晶粒：排列位向相同的无数个晶胞的聚合体称为晶粒。纯金属通常是由许多取向不同的晶粒组成的，故称为多晶体。5）晶界：多晶体中晶粒之间边界称为晶界。,2.2实际金属的晶体结构,实际金属结构因金属在凝固、形变、再结晶或同素异型变时，会使原子排列的规律性，在局部区域遭受破坏，从而产生晶格缺陷。实际晶粒是由许多尺寸很小、位向差不大的微晶块相互镶嵌而成。亚结构、亚晶、亚晶界,所以，实际金属的晶体结构，尽管从整体上看，原子排列仍保持着它固有的规律性，但在局部微区，存在有各式各样的晶体缺陷，（位错、孪晶和堆垛层错）。,2.3金属中的晶体缺陷,2.31点缺陷产生原因：具有足够高能量的原子有可能克服周围原子的束缚，脱离正常的结点位置，移到晶体表面、界面或点阵间隙位置上，在原来的结点位置留下空位。高能粒子（如快中子）的辐照也会使金属晶体内产生空位和间隙原子，获得巨大能量的原子甚至可再促使其它原子脱位。点缺陷有空位，间隙原子和溶质原子等。,Schottky缺陷：当离开结点的原子，若移到金属表面消失掉了，则留下空位，称为Schottky缺陷。Frank缺陷：若此离位原子移到晶格间的空隙处，称此为“间隙原子”，它所留下的空位称为Frank缺陷，或合称为Frank缺陷对。,对合金而言，溶质的加入也会产生缺陷，包括间隙型和置换型,空位、间隙原子附近产生晶格畸变，相伴产生应力场，使位错运动阻力增加，从而提高强度。点缺陷对材料性能的影响：点缺陷对晶体的一些物理、化学和力学性能都有显著的影响。如使电阻升高、氧化加速、材料硬化等。,2.32线缺陷,线缺陷在一维方向有较大尺度，而在另外二维方向上尺寸很小的缺陷是线缺陷。晶体的一部分相对于另一个部分发生了原子的错排,这种缺陷的基本形式是刃型位错和螺型位错。,刃型位错：它可以看成是在某一晶体水平面以上，多出了一排与之垂直的晶面（或在其下方少了一排原子面），因其形状犹如在晶体中切入一刀刃而得名。,当多余原子面在晶体上半部，称正位错，以符号“”表示，反之称负位错，记为“”。,螺型位错：特点是晶体一侧的上下两部分相对错移一个原子间距。俯视图在线附近的上下层原子不能对齐而呈螺旋形的排列，故有螺型位错之称，称为位错线。,2.33面缺陷,晶界、相界、孪晶界、亚晶界和堆垛层错等缺陷的尺寸都是二维的，所以是晶体中面缺陷的实例。1.晶界相邻晶粒之间具有一定宽度的过渡界面，厚度约210个原子间距的过渡层。易容纳位错和点缺陷,a)小角晶界b)大角晶界,2.相界具有不同性质的相或不同晶胞结构的晶体之间的分界面称为相界。相界分为共格、半共格和非共格三种。共格为相界面上的原子为相邻两相晶格所共有。,3.孪晶界当两个晶体的位向以一个公共晶界面呈镜面对称关系时，称为孪晶界，但也有孪晶界不与晶界面相重合的情况，称此为非共格孪晶界。由于产生孪晶的临界分切应力比产生滑移的临界非切应力大得多，所以只有在滑移很难进行时，晶体才发生孪晶变形.脆性大，FCC一般无。,4.堆垛层错晶体中原子排列既然是周期的、有规律的，因此由晶格原子组成的晶面，彼此之间必然也是按一定顺序呈周期排列；但由于空位扩散和位错环的崩塌等，往往使晶面堆垛顺序发生混乱。所以当晶面次序发生了错排，称此现象为堆垛层错.,2.4晶面指数和晶向指数,由于晶体原子排列是周期的、对称的、所以可用晶面和晶向指数表征所有晶面和晶向在各自晶胞中的位置和方向.2.41晶向指数晶格中每条原子列的位向叫晶向（任意两阵点的连线）。Miller指数表示,由于晶体的对称性，故晶向指数表征了所有相平行、方向一致的晶向族，用表示。,具体求法：(1)取坐标X、Y、Z且坐标原点0必须在晶向0a上。(2)以晶格常数为单位，求出a点坐标值X=1、Y=1、Z=1。(3)化为最小整数后则0a晶向为111。同理0b晶向为010，0c为100，0d为001。（如有负号，负号记在数字上面）,2.42晶面指数由于晶体中原子排列的规律性，所有晶胞的对应面都是平行的，虽然各晶面的截距不同，但都成比例，故将截距的倒数化为最小整数后，互相平行的晶面（晶面族）指数都是相同的，故用hkl表示。具体标定：(1)取晶向100、010、001为X、Y、Z为坐标轴，但坐标原点必须在所求的晶面A之外；(2)以晶格常数为单位求A面截距X=、Y1、Z1；(3)取倒数，X=1/=0、Y1、Z1；(4)化为最小整数后，A的晶面指数为（011）。但求B的晶面指数时，应改变坐标系，使坐标原点0不在B面上。否则倒数出现。,2.5金属的典型晶胞结构,面心立方晶胞（FCC或A1),结构特点：（1）晶胞原子数为4个（2）点阵常数a，最小原子间距为,（3）致密度（K)：指晶胞中原子所占的体积与晶胞体积之比。FCC的K为74.（4）密排方向:（5）fcc中八面体间隙半径（0.146a）远比四面体间隙（0.006a）大（6）配为数为12,耐热合金多采用FCC结构的奥氏体为基体。铝，奥氏体不锈钢，镍基合金，Ag-In-Cd均属于FCC,体心立方晶胞（BCC或A2),结构特点：（1）晶胞原子数为2个（2）点阵常数a，最小原子间距为（3）致密度（K)：68（4）密排方向是,密排六方晶格（HCP）,结构特点：（1）晶胞原子数为6个（2）晶格常数a,c；最小原子间距为a（3）致密度（K)：74Mg,Cd,Be,C属于HCP,2.54滑移系（滑移面滑移方向）,当外力超过金属的弹性极限时晶体沿某一特定晶面的相对位移，称为滑移。（见书）,2.6合金相结构,相是合金中具有相同成分、结构和性能的均匀部分并和其它相有明显的分界面者称为相。虽然各种合金由于成分、热处理的不同，导致相的种类很多，但它们的基本结构都是由固溶体和中间相组合而成的。2.61固溶体固溶体是溶质原子固溶在溶剂晶格内的均一结晶相，其晶体结构和溶剂晶格相同。置换固溶体和间隙固溶体两种无论是置换固溶体，还是间隙型固溶体，溶质原子都会引起溶剂晶格畸变，导致强度上升，塑性下降。,形成置换固溶体时，直径比溶剂大的溶质原子常被吸引到刃型位错下部受膨胀的部位；而比溶剂原子小的溶质原子常聚集在刃型位错上部受压缩的部分。当形成间隙固溶体时，由于溶质原子直径很小，因此总是被吸引在刃型位错下部受拉应力的部位,2.62中间相（或称金属间化合物）由于金属间化合物的形成区处于二元相图上两个固溶体的中间位置，故称为中间相。由于中间相结构复杂，所以熔点高、硬而脆，是提高钢的强度和热强性的重要组成相。类型：（1）正常价化合物（MnS,ZnS等）：这是由两种负电性相差较大的元素按照通常的化学价形成的化合物，它们以共价键或离子键结合（2）电子化合物（FeAl，NiAl等）：这类化合物的特点是电子浓度是决定其晶体结构的主要因素，而原子配比不符合化学价规律（3）间隙化合物（Fe3C，M3O，M23C6等），（4）超结构（有序固溶体）等。,2.7二元合金相图简介,相图则是表达物质系统的存在状态与化学成分、温度及压力关系的图线。对合金系统，一般的压力变化并不影响其存在状态，所以通常的相图是表示在一个大气压下的状态随化学成分和温度的变化，温度和成分分别取为纵横坐标。,（1）具有无限固溶体的状态图（匀晶相图）,这是一种最简单形式的状态图，物质系统的二组元在液态和固态下都可以完全互溶，Cu-Ni系是其典型实例,Cu-Ni相图,（2）具有有限固溶体的状态图,二组元之间在固态不能完全互溶而有一定溶解度的称为有限固溶体，共晶转变：由一个液相同时结晶出两种成分不同的固相共晶体的转变称为共晶转变包晶转变：由已结晶的固相与液相相互反应，生成另一种固相称为包晶转变,共晶相图,包晶相图,Pt-Ag相图,具有化合物相的状态图,在某些二元合金系中，组元间可能形成一种或多种化合物，它们