机械工程材料第2章 金属与合金晶体结构部分课件

1、l内容: 金属的晶体结构金属的晶体结构 合金的晶体结构合金的晶体结构 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构l目的: 掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性掌握晶体结构及其对材料的物理化学性能、力学性能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知能及工艺性能的影响，为后续课程的学习做好理论知识的准备识的准备金属的结构金属的结构晶态晶态非晶态非晶态SiO2的结构的结构l1、晶体与非晶体、晶体与非晶体l晶体是指原子呈规则排列的固体。晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。l非晶体是指原子呈无序排列的固体。非晶

2、体是指原子呈无序排列的固体。l晶体和非晶体是否可以互相转化晶体和非晶体是否可以互相转化? ?l 晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维的三维l 空间格架。空间格架。直线的交点（原子直线的交点（原子中心）称结点。中心）称结点。由由结点形成的空间点结点形成的空间点的阵列称的阵列称空间点阵空间点阵. 晶胞：晶胞：能代表晶能代表晶格原子排列规律的格原子排列规律的最小几何单元。最小几何单元。立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交单斜单斜三斜三斜l 晶格常数：晶格常数：晶胞各边的尺寸晶胞各边的尺寸 a、b、c。l各棱间的夹角各棱间的夹角用用 、 、 表

3、示。表示。l(4)原子半径：原子半径：晶胞中原晶胞中原子密度最大方向上相邻子密度最大方向上相邻原子间距的一半。原子间距的一半。l(5) 晶胞原子数：晶胞原子数：一个晶胞一个晶胞内所包含的原子数目。内所包含的原子数目。l(6)致密度：致密度：晶胞中原子本晶胞中原子本身所占的体积百分数。身所占的体积百分数。l1、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构l由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于由于金属键结合力较强，是金属原子总趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型种晶格类型: :体心立方、面心立方和密排六体心立方、面心立方和密排六方晶格。方晶格。l以上晶

4、格类型的以上晶格类型的晶格常数晶格常数(边长和夹角边长和夹角),原子半径原子半径,晶胞原子数晶胞原子数,致密度如何求解致密度如何求解?l晶格类型是否会相互转变晶格类型是否会相互转变? ?体积如何变化体积如何变化? ?l体心立方晶格体心立方晶格原子个数：原子个数：2致密度：致密度：0.68常见金属：常见金属： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)原子个数：原子个数：4致密度：致密度：0.74常见金属：常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常数：晶格常数：al面心立方晶格面心立方晶格原子个数：原子个数：6致密度：致密度：0.74常见金属：常见金

5、属： Mg、Zn、 Be、Cd等等晶格常数：底面边长晶格常数：底面边长 a 和高和高 c， c/a=1.633l密排六方晶格密排六方晶格l变形金属晶粒尺寸约变形金属晶粒尺寸约1100 m，铸造金属可达几，铸造金属可达几mm。纯铁组织纯铁组织晶粒示意图晶粒示意图l 单晶体与多晶体单晶体与多晶体l单晶体：单晶体：其内部晶格方位完其内部晶格方位完全一致的晶体。全一致的晶体。l多晶体：多晶体：l晶粒：晶粒：实际使用的金属材料实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。些小晶体称为晶粒。铅锭宏观组织铅锭宏观组织l晶粒

6、越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。l多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图多晶体示意图l 晶体缺陷晶体缺陷l晶格的不完整部晶格的不完整部位称位称晶体缺陷晶体缺陷。l实际金属中存在实际金属中存在着大量的晶体缺着大量的晶体缺陷，按形状可分陷，按形状可分三类，即点、线、三类，即点、线、面缺陷。面缺陷。l 点缺陷点缺陷 l空间三维尺寸都很小的空间三维尺寸都很小的缺陷。点缺陷分三种缺陷。点缺陷分三种:l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子空位空位间隙原子间隙原子大置换原子大置换原子小置换原子小置换原子

7、晶格畸变晶格畸变使金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降使金属的强度、硬度提高，塑性、韧性下降l 线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错l晶格中一部分晶体相对于晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称滑移区的交界线称位错位错。刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线(黑线黑线)l 面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界l晶界是不同位向晶粒的过度部位，晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为宽度为510个原个原子间距，位向差一般为子间距，位向差一般为2040。l晶界的特点：晶

8、界的特点：l 原子排列不规则。原子排列不规则。l 熔点低。熔点低。l 耐蚀性差。耐蚀性差。l 易产生内吸附，外来原易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。子易在晶界偏聚。l 阻碍位错运动，是强化阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。属力求获得细晶粒。l 是相变的优先形核部位是相变的优先形核部位显微组织的显示显微组织的显示l合金合金由两种或两种以上的由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素或金属元素与非金属元素组成的金属元素组成的具有金属具有金属特性的物质特性的物质。l组成合金的最基本的、独组成合金的最基本的、独立的物质叫做立的物质叫做组元组元.

9、.Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜l所谓所谓相相是指金属或合金中凡是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀其它部分有界面分开的均匀组成部分。组成部分。l固态合金中的相分为固态合金中的相分为固溶固溶体和金属化合物两类。体和金属化合物两类。单相单相合金合金两相两相合金合金l 固溶体固溶体 合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为相称为固溶体固溶体。 与合金晶体结构相同的元素称溶与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。剂。其它元素称溶质。l按溶质原子所处位置分为按溶质原子所处位置分为置换

10、固置换固溶体和间隙固溶体溶体和间隙固溶体。l固溶体中固溶体中溶质溶质,溶剂变化对其力学溶剂变化对其力学性能的影响性能的影响?Cu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-C间隙固溶体间隙固溶体l 置换固溶体置换固溶体l溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。l 间隙固溶体间隙固溶体l溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。l形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金 属元素，如属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般等，而溶剂元素一般是过渡族元素。是过渡族元素。l形成

11、间隙固溶体的形成间隙固溶体的r质质和和r剂剂大小比较大小比较?l 固溶体的溶解度固溶体的溶解度l溶质原子在固溶体中的极限浓度。溶质原子在固溶体中的极限浓度。l溶解度有一定限度的固溶体称溶解度有一定限度的固溶体称有有限固溶体限固溶体。l组成元素无限互溶的固溶体称组成元素无限互溶的固溶体称无无限固溶体。限固溶体。l置换固溶体和间隙固溶体能形成置换固溶体和间隙固溶体能形成有限固溶体还是无限固溶体有限固溶体还是无限固溶体?Cu-Ni无限固溶体无限固溶体Cu-Zn有限固溶体有限固溶体固溶体固溶体化合物化合物l 固溶体的性能固溶体的性能l随溶质含量增加随溶质含量增加, 固溶体的固溶体的强度、硬度增加强度、

12、硬度增加, 塑性、韧塑性、韧性下降性下降固溶强化固溶强化。l与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。和韧性则要高得多。金属化合物金属化合物l合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性硬度和脆性。铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3Cl当合金中出现金属化当合金中出现金属化合物时，可提高其强合物时，可提高其

13、强度、硬度和耐磨性，度、硬度和耐磨性，但降低塑性。但降低塑性。l 1、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到和密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到另一种的变化会引起体积的变化。另一种的变化会引起体积的变化。l 2、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金化是提高金属性能的方法之一。金化是提高金属性能的方法之一。l 3、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷对金属材