工程材料第3章金属的结构与固溶强化

1、第第3章章 金属的结构与固溶强化金属的结构与固溶强化3.1 纯金属的结构纯金属的结构3.2 纯金属的实际结构纯金属的实际结构3.3 合金的结构合金的结构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1. 晶体与非晶体晶体与非晶体v晶体：晶体：原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。式存在。晶体具有各向异性。v非晶体非晶体：原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非：原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。晶体可互相转化。3.1 纯金属的结构纯金属的结构2. 晶格与晶胞晶格与晶胞 晶格晶格：

2、用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间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）称格架。直线的交点（原子中心）称结点结点。由结点形成的空间由结点形成的空间点的阵列称点的阵列称空间点阵空间点阵. . 晶胞晶胞：能能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。代表晶格原子排列规律的最小几何单元。 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。 各棱间的夹角用各棱间的夹角用 、 、 表示。表示。3. 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构v根据晶胞参数不同，将空间点阵分为根据晶胞参数不同，将空间点阵分为14种类种类型，归属于七种晶系型，归属于七种晶

3、系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晶晶 系系棱边长度与夹角关系棱边长度与夹角关系举举 例例三三 斜斜a b c, 90 K2Cr3O7单单 斜斜a b c, = = 90 -S，CaSO4 2H2O正正 交交a b c, = = = 90 -S，Ga，Fe3C六六 方方a1 = a2 = a3 c, = = 90 , = 120 Zn，Cd，Mg，NiAs菱菱 方方a = b = c, = = 90 As，Sb，Bi四四 方方a = b c, = = = 90 -Sn，TiO2立立 方方a = b = c, = = = 90 Fe，Cu，Ag，Au 90%以上的纯金属金

4、属晶体都具有排列紧密、对称以上的纯金属金属晶体都具有排列紧密、对称性高的简单结构。性高的简单结构。常见纯金属的晶格类型有三类：常见纯金属的晶格类型有三类：l体心立方体心立方(bcc，body-centered cubic)l面心立方面心立方(fcc， face-centered cubic)l密排六方密排六方(hcp， hexagonal close-packed ) l原子半径原子半径：晶胞中原子密度晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的最大方向上相邻原子间距的一半。一半。l晶胞原子数晶胞原子数：一个晶胞内所一个晶胞内所包含的原子数目。包含的原子数目。l配位数配位数：晶格中与任一原子晶格中与

5、任一原子距离最近且相等的原子数目。距离最近且相等的原子数目。l致密度致密度：晶胞中原子本身所晶胞中原子本身所占的体积百分数。占的体积百分数。（1 1）体心立方晶格）体心立方晶格aRaR43,34晶格常数晶格常数: :a原子半径原子半径: :常见金属：常见金属： -Fe、W、Mo、V、Nb等等体心立方晶格晶胞中原子数体心立方晶格晶胞中原子数晶胞中原子数晶胞中原子数: n=81/81 =2个个体心立方原子配位数和致密度体心立方原子配位数和致密度 配位数：配位数： CN=8 （晶体结构中任一原（晶体结构中任一原子的最近邻、且等距离的原子数目子的最近邻、且等距离的原子数目 ） 68. 03434234

6、22343333RRaRVnvKnRa故，致密度：致密度： k=0.68 （单位晶胞体积单位晶胞体积中原子（刚球）所占的体积与晶胞体中原子（刚球）所占的体积与晶胞体积之比。）积之比。）VnvK （2 2）面心立方结构）面心立方结构aRaR42,24原子半径原子半径R: 4R晶格常数晶格常数: :a面心立方晶格晶胞原子数面心立方晶格晶胞原子数晶胞中原子数晶胞中原子数: n=81/861/2 =4个个面心立方原子配位数与致密度面心立方原子配位数与致密度配位数配位数CN=12 致密度致密度k=0.74（3）密排六方晶格）密排六方晶格原子半径原子半径: R=a/2晶格常数：底面边长晶格常数：底面边长

7、a 和高和高 c，理想密排六方晶格理想密排六方晶格 c/a=1.633密排六方晶格晶胞原子数密排六方晶格晶胞原子数晶胞中原子数：晶胞中原子数：n=121/621/23 =6个个密排六方晶格原子配位数和致密度密排六方晶格原子配位数和致密度 配位数：配位数： CN=12CN=12 致密度致密度: K=0.74: K=0.74金属的结构金属的结构1. 晶体与非晶体晶体与非晶体3.1 纯金属的结构纯金属的结构 2. 空间点阵、晶格、空间点阵、晶格、 晶胞、晶格常数晶胞、晶格常数 90%以上金属晶体都具有排列紧密、对称性高的简单结构。以上金属晶体都具有排列紧密、对称性高的简单结构。(立方晶系、六方晶系）

8、立方晶系、六方晶系）常见纯金属的晶格类型有三类：常见纯金属的晶格类型有三类：l体心立方体心立方 面心立方面心立方 密排六方密排六方3. 3. 三种典型的金属晶体结构三种典型的金属晶体结构4. 立方晶系的晶面和晶向表示方法立方晶系的晶面和晶向表示方法v晶面：晶体中各方位上的原子面。晶面：晶体中各方位上的原子面。v晶向：晶体中各方向上的原子列。晶向：晶体中各方向上的原子列。晶面指数晶面指数v表示晶面的符号称晶面指数。表示晶面的符号称晶面指数。v其确定步骤为：其确定步骤为：l设坐标：原点设在待求晶面以外。设坐标：原点设在待求晶面以外。v求截距：求晶面在三个轴上的截距。求截距：求晶面在三个轴上的截距。

9、v取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数h、k、lv加括号：（加括号：（hkl），），如果所求晶面在晶轴上截距为负如果所求晶面在晶轴上截距为负数则在指数上加一数则在指数上加一负号负号。例一例一.求截距为求截距为 、1、 晶面的指数晶面的指数 截距值取倒数为截距值取倒数为0、1、0，加圆括，加圆括弧得（弧得（010）例二例二.求截距为求截距为2、3、 晶面的指数晶面的指数 取倒数为取倒数为1/2、1/3 、 0, 化为最小化为最小整数加圆括弧得（整数加圆括弧得（320）例三例三.画出（画出（221）晶面）晶面 取三指数的倒数取三指数的倒数1/2, 1/2,

10、1，即为，即为X、Y、Z三坐标轴上的截距三坐标轴上的截距立方晶系常见的晶面为：立方晶系常见的晶面为：)111()111 ()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100、v(hkl) 表示的是一组平行的晶面。表示的是一组平行的晶面。v原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶面成为晶面原子排列完全相同，只是空间位向不同的各组晶面成为晶面族，用族，用hkl 表示。表示。110（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY晶向指数的确定晶向指数的确定过坐标原点作一有向直线平过坐标原点作一有向

11、直线平行于该晶向；行于该晶向； 在此直线上，取离原点最在此直线上，取离原点最近一个结点的坐标；近一个结点的坐标； 将上述位置坐标的比化为简将上述位置坐标的比化为简单整数比单整数比 x y zu v w 将所得指数放在方括号内将所得指数放在方括号内 u v w，即所求晶向指数，当，即所求晶向指数，当遇遇 到有负值时，则在该数到有负值时，则在该数字上方加一负号表示。字上方加一负号表示。 晶向指数晶向指数 表示晶向的符号称晶向指数。其确定步骤为：表示晶向的符号称晶向指数。其确定步骤为：例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2， 求该直求该直线的晶向指数。

12、线的晶向指数。 将三坐标值化为最小整数加方括弧得将三坐标值化为最小整数加方括弧得234。例二、已知晶向指数为例二、已知晶向指数为110, 画出该晶向。画出该晶向。 找出找出1、1、0坐标点坐标点,连连接原点与该点的直线接原点与该点的直线即所求晶向。即所求晶向。110234立方晶系常见的晶向族为：立方晶系常见的晶向族为：111111111111:111110011101011101110:110001010100:100 、vuvw表示的是一组平行的晶向。表示的是一组平行的晶向。v晶向族：指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向。用晶向族：指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向。用表示。表示。11

13、1111111111XZY说明：说明：v在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。XZY(221)221一、单晶体与多晶体的基本概念一、单晶体与多晶体的基本概念1. 单晶体：单晶体：晶体内部晶格位向（即原子排晶体内部晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶体。列方向）完全一致的晶体。2. 多晶体多晶体 实际使用的金属材料是由许多彼此方实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。这些小晶体称为晶粒。3.2 纯金属的实际晶体结构纯金属的实际晶体结构多晶体：由许多晶格排列方位不同的晶多晶

14、体：由许多晶格排列方位不同的晶粒组成的晶体粒组成的晶体铅锭铅锭v晶界晶界：多晶体材料中相邻晶粒的界面称为晶界。：多晶体材料中相邻晶粒的界面称为晶界。 晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界二、晶体缺陷二、晶体缺陷v晶格的不完整部晶格的不完整部位称晶体缺陷。位称晶体缺陷。v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。 点缺陷点缺陷 空间三维尺寸都空间三维尺寸都很小的缺陷。很小的缺陷。l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子v空位空位：晶格中某些缺

15、排原：晶格中某些缺排原子的空结点。子的空结点。v间隙原子：间隙原子：挤进晶格间隙挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原属原子，也可以是外来原子。子。v置换原子：置换原子：取代原来原子位置的外来原子取代原来原子位置的外来原子称置换原子。称置换原子。 点缺陷破坏了原子的平衡状态，点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称使晶格发生扭曲，称晶格畸变晶格畸变。空位空位间隙原子间隙原子小置换原子小置换原子大置换原子大置换原子从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。晶面指数确定步骤：晶面指数确定步骤： 以任一原子为原点（原点不

16、能通过待确定晶面），以过原以任一原子为原点（原点不能通过待确定晶面），以过原点的三条棱边为坐标轴，以晶格常数为测量单位，建立坐点的三条棱边为坐标轴，以晶格常数为测量单位，建立坐标系。标系。求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为式为（hkl）。遇到负指数，遇到负指数，“-”-”号放在该指数的上方。号放在该指数的上方。4. 立方晶系的晶面和晶向表示方法立方晶系的晶面和晶向表示方法晶向指数确定步骤：晶向指数确定步骤： 确定原点，建立坐确定原点，建立坐标系，过原点作

17、所标系，过原点作所求晶向的平行线。求晶向的平行线。 求该平行线上任一求该平行线上任一点的坐标值并按比点的坐标值并按比例化为最小整数，例化为最小整数，加方括弧。形式为加方括弧。形式为 uvwuvw 。 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。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二、晶体缺陷二、晶体缺陷v晶格的不完整部位称晶体缺陷。晶格的不完整部位称晶体缺陷。v实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即实际金属中存在

18、着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。点、线、面缺陷。1. 1. 点缺陷点缺陷位错：晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律的错排现象位错：晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律的错排现象位错概念的提出：位错概念的提出：一般金属的理论切变强度为一般金属的理论切变强度为1 00010 000 MPa，而实验测出的纯金属单晶体切变强度在而实验测出的纯金属单晶体切变强度在1 MPa左右，相差左右，相差34个个数量级。数量级。 刚性模型刚性模型位错模型位错模型 线缺陷线缺陷晶体中的位错晶体中的位错铜拉伸试样表面滑移带铜拉伸试样表面滑移带锌单晶的拉伸照锌单晶的拉伸照片片电子显微镜下的位错透射

19、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) )高分辨率电镜下的刃位错高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）（白点为原子）从位错的几何结构可分为刃型位错和螺型位错。从位错的几何结构可分为刃型位错和螺型位错。刃型位错刃型位错晶体局部滑移造成的刃型位错晶体局部滑移造成的刃型位错 位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区在滑移面上的交界线。移面上滑移区与未滑移区在滑移面上的交界线。刃型位错刃型位错刃位错的形成刃位错的形成v半原子面在滑移面以上的称半原子面在滑移面以上的称正位错正位错，用，用

20、“ ”表示。表示。v半原子面在滑移面以下的称半原子面在滑移面以下的称负位错负位错，用，用“ ”表示。表示。螺型位错螺型位错螺型位错的形成螺型位错的形成 原子模型原子模型 v位错密度：位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。单位体积内所包含的位错线总长度。 = L/V(cm/cm3或或1/cm2)v位错对性能的影响位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。理理 论论 值值金金 属属 须须强强度度 退退 火火 态态(106108cm-2)加加 工工 硬硬 化化 态态(10111

21、012cm-2)位位 错错 密密 度度l减少缺陷进行强化减少缺陷进行强化：将将金属做成晶须，晶体几金属做成晶须，晶体几乎没有缺陷，强度接近乎没有缺陷，强度接近理论值，但因尺寸有限，理论值，但因尺寸有限，应用受到限制。应用受到限制。l增加缺陷进行强化：增加缺陷进行强化：如如冷轧制造成的加工硬化、冷轧制造成的加工硬化、细晶强化等。细晶强化等。 面缺陷面缺陷晶界与亚晶界晶界与亚晶界v晶界是不同位向晶粒的过渡部位，原子排列不规则晶界是不同位向晶粒的过渡部位，原子排列不规则。宽度。宽度为为510个原子间距，位向差一般为个原子间距，位向差一般为2040。晶界的特点：晶界的特点： 原子排列不规则。原子排列不

22、规则。 熔点低。熔点低。 耐蚀性差。耐蚀性差。 易产生内吸附，外来原子易易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚（因缺陷多）。在晶界偏聚（因缺陷多）。 阻碍位错运动，是强化部位，阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获因而实际使用的金属力求获得细晶粒。得细晶粒。 是固态相变的优先形核部位是固态相变的优先形核部位 显微组织的显示显微组织的显示v亚晶粒亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10 2 )的的小晶块。小晶块。v亚晶粒之间的交界面称亚晶界亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作亚晶界也可看作位错壁位错壁。3.3 合金的晶体结构合金的晶体结构v合

23、金合金是指由两种或两种以上是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以物质。组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属是全部是金属，也可是金属与非金属。与非金属。v组成合金的最基本的、独立组成合金的最基本的、独立的物质称为的物质称为组元组元（元）。（元）。Al-Cu两相合金两相合金黄铜黄铜一、合金的基本概念一、合金的基本概念v组成合金的元素相互作用可形组成合金的元素相互作用可形成不同的成不同的相相。v相相: 合金中结构相同、成分和合金中结构相同、成分和性能均一并以界面分开的组成性能均一并以界面分开的组成部分。部分。v组织组织: 在显微镜下观察到的

24、金在显微镜下观察到的金属中由形态、尺寸和分布方式属中由形态、尺寸和分布方式不同的一种或多种相构成的总不同的一种或多种相构成的总体。体。单相单相合金合金两相两相合金合金1. 1. 固溶体固溶体l固溶体：合金在固态下，组元间固溶体：合金在固态下，组元间能相互溶解而形成的均匀相。习能相互溶解而形成的均匀相。习惯以惯以 、 、 表示。表示。l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固溶体是合金的重要组成相，实固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。固溶体为基的合金。Cu-Ni置换固溶体置换固溶体Fe-C间隙固溶体间隙固溶体二、合金的相结构二、合金的相结构根据结构特点不同，可将合金中的相分为固溶体和金属化合根据结构特点不同，可将合金中的相分为固溶体和金属化合物物 置换固溶体置换固溶体v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