金属的结构和特性

国际焊接工程师可选途径墙训班预备班材料基础知识薛

小

怀

副

教

授上海交通大学材料科学与工程学院简历西安石油学院焊接工艺与设备本科(195)西安交通大学焊接工艺与设备硕士(1998)中

国

科学院金属研究所材料加工工程博士

(2001)上海交通大学博士后流动站(2003)上海交通大学材料科学与工程学院(至今)021-54744246021-54744246联

系

方

式绝大部分金属和合金都属于晶体。晶

体的特

点：基本质点在空间规则排列，具有规则的外形；具有

一

定熔点；各向异性。晶体的结构：全

星为了研究晶体中原/分子的排列情况，将其抽象为几何点并用直线连接起来形成的三维空间格架称为晶格，交点称为结点，组成晶格的最小几何单元称为晶胞。体和晶胞金金的等应简单立方晶体)

一

晶体结构

(b)

晶

格

(c)

晶胞全

及

考

起

文

体体

心立方晶胞(格，乱、、翻、能、a-Fe等(a)

棋型；

(b)

品胞；

(c)

品胞原于数交

务

色

医

到金属晶体的绫构类型(b)(a)面心

立方品胞(r-Fe、Al.Cu、Ni、Au、Ag、Pb等)(a)

模

型；

(b)

品胞；

(c)

品胞原于数全

第(c)(b)(a)密排六方晶胞(Mg、Zn.Be.Cd

等)(a)

模型；

(b)

品胞；

(c)

晶胞原子数全

真章动及国晶体中原子排列的规律性，可以从晶面和晶向上反映出来

。

晶

体

中

各

种

方

位

上

的

原

子

面

叫

做

晶

面，

各

安

向

上

的原

子

列

叫

做

晶

向

。

金

属

的

许

多

性

能

都

和

晶

体

中

的

特

定

晶

面和晶向有密切联条。工程材料昌面指数域晶向指数全是条立方晶格中，[100]、

[110]

、

11]三种晶向最

重要。应该指出，晶向指数所表示的不仅仅是一条直

线的位向，而是一族平行线的位向。即所有相互平行的

晶向，都具有相同的晶向指数。另外，原子排列相同但

空间位向不同的所有晶向称为晶向族，以

<uvw)

表

示。公

呈

基体立方晶格中几个主要晶面和晶向全

及

临

具

发

乱

存y[110](110)(111)y0{1111(001)由于同

一

晶格中不同晶面和晶向上原

子

排列的疏密程度不同，因而晶体在不同方向上表现响性能有所不同，即所谓晶体的“各向异性”。全

5实际金属的晶体结构：在实际金属中，不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。

一般说染，金属中这

些偏离其规定位置的原子数很少，从总体来看，其结构还是

接近完整的。但是这些晶体缺陷不但对金属及合金的性能有重大影响，而且还在扩散、相变、塑性变形和再结晶警过程中扮演重要角色。金与经量重原

子

脱

离

结

点

(

形

成

空

位

)

进

入

晶

格

(

间

隙

原

子),在空位与间隙原子附近的平衡力场被破坏，使周围的原子

偏离原来位置，造成晶格的局部弹性畸变，称为晶格“

畸变”。金

层

院(1)点缺陷：在三维方向上的尺寸都很小；比如：空位、间隙原子。(2)线缺陷(位错):一

列或若干列原子发生有规律的错排现象。刃型位错：EF为位错线。ABCD

面上方的原子受到压应力，下方则受到拉应力。交界确应面福到工程材料螺型位错：全

的(

3

)

面缺

陷：晶界：晶粒与晶粒之间的界面，晶粒之间的过渡层。相邻晶粒之间位向差为20~40°,其特点为晶界上晶格畸变大、规则性差；位错、杂质原予多，能量高。常温硬度、强度高，高温低，容易被腐做，原子扩散速度快。全

第亚晶界：晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌缞块的小块所组成，称为亚晶粒，

尺

寸

为10-4～10-6cm。

亚晶粒的交界称为亚晶界。晶粒大小一定，亚结构越细，强度越高。工

程

材

料金

层

统品界过渡和亚结构示意图全

基

强晶粒晶粒间界晶粒Ⅱ晶粒2晶粒1晶界，e/晶体缺陷处晶格处于畸变状态，外起晶体内部产

生

内应力，导致材料塑性变形抗力的增大，

从

而使金属材

料在常温下的强度、硬度提高。例如，生产中常用的压力加工工艺、通过金属材料的到性或形使晶体产生缺陷，达到金属强化。用产生塑性变形使金程得的

强化的方法称为形变强化。全至的路题的理最纯金属：物理、化学性能良好，攻学性能差。价格昂贵、种类有限。合

金：两种或两种金属与金属或与非金属元素组成具有金属性质的物质。强度、硬度、耐磨性高，是工程上使用得最多的金属树料。比如：黄铜

(Cu+Zn)、

钢

(Fe+C)、

铝合金等。合金的相结构：组元

组成合金的元素，或稳定化合物。极据组元多少合金可分为二元合金、多元合金。相：组元之间相互作用形成具有同

一

化学成分、间

一

结构和原子聚集状态，并以界面互相分开的、均匀的组成部分。固溶体的几个基本概念；固溶体：

相

的

晶

体

结

构

与

某

一

组

成

元素的晶体结

构相

同

。固

溶

体

分

为

间

隙

固

溶

体

和

置

换

困

溶

体

。相

可

以

分

为

固

溶

体

和

金

属

化

物。置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形成的围

溶体

(溶刺与燥质原子尺寸相玩，直径差别较小，大于15%就很难形成置固溶体)。间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而形成

的

固

溶

体

称

为

间

隙

固

溶

体

，

其

中

的

婆

质

原

子

不

占据晶格的正常位置。只有溶质原子与溶剂原子的直径之比小于0.59时，前念形战间隙固溶体。通常，间隙固溶体都是由原子直径很小的碳，

氮、氢、硼、氧等非金属元素溶入过渡族金属元素的晶格间

隙中而形成的。合4固溶体的溶解度：源质原子溶人

源

体

的

极

限

浓

度。据此可以分为有限固溶、无限固溶。影响溶解度的因素有原子尺寸、晶格类型、包化学性质以及电子浓度等。固

溶体的性

能：由

于溶质原子尺寸与溶剂原子不同，其晶招却会产生畸变。由于晶格畸变增加了位错移动的阻力，使滑移变形难以逊行，因此固溶体的强度和硬度提高，塑性和韧性则有所下降。这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的强皮、硬度提高的现象称为固溶强化。金属化合物金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。一

般可用分子式大致表示其组成。金属化合物一

般有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性。合金中出现化合物时，可提高强度、硬度和耐磨性，

但降低塑性。(

1

)

正

常价化合物周期表上相距较远，电化学性质相差较大的两无东容易形成正常价化合物。其特点是符合

一

般化合物的原子价规律成分图定，

并可用化学式表示。如Mg₂

Pb

、Mg₂Sn、Mg₂Si、MnS

等。性能特点：高的硬度和脆性。弥散分布于图溶体基体中时，将起到强化相的作用，使合金强化。(2)

电

子化合物由

第I

族或过渡族元素与第Ⅱ至第V族元素结合而成的。它们不遵循原子价规律，而服从电子浓度规律。电子浓度指合金中化合物的价电子数目与原子数目之比。性能特点：高的熔点和硬度，但塑性较低，

一

般只能

作

为

强

化相存在于合金特别是有色金属合金中。(3)

间

隙化

合

物由

过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的金属化合物。金属由液态转变为晶体状态的过程称为结

晶

(

或

一

次

结

晶

)

。把

一

种固态转变为另

一

种固态称为二次结品。液态金属一般为非晶态，并非完全无序排列，在很小范围内有序，即近程有序，远程无序。纯金属的结晶：液态金属结物示意图全店的琴的是结晶过程能量状态与温度的关系结晶过程是

一

个自发过程，所以该过程是高能状态向低能状态的转变，即系统自由能降低的过程。交基响点压出量；温到°

郡智转职学即士离《饼士平毕型s2当T>

时，G<Gs,液相处于自由能气低的稳定状态，结晶不可能进行；只有当T<乙时，C

结

的

才可能自发进行。△T=TT,为过冷度。因此，液态全属结晶的驱是由过冷提供的，过冷度越大，结晶驱动力也就越大。过冷度为零时，驱动力就不复存在。所以液态金属不会在没有过冷度的

见下结晶。全身兔过冷度愈大，液态和固态之间能量状态差就愈大，促使液体结晶的驱动力就愈大。只有当结最的驱

动力达到一定值时，结晶过程才能进行。所以，

结晶的必要而且充分条件是具有一

定的过冷度，

令速越大，过冷度越大。全

多规律，即冷却曲线。在T₀

温度以上时，液态金属的温度是均匀下降的。当冷却到低于T。的某一个温度动，液态物质开始结晶，并不断放出结晶潜热，保持系统温度不变，即在曲线上出现“平台”。结晶完毕后，温度继续均匀下降。纯金属的冷却曲线全金的路应游物质的冷却过程中，可以用热分折法来测定其温度的变化当液态金属过冷到

一

定温度时，一

些尺寸较大的近程原子集团开始变得稳定，而成为结晶核心，又称为品核。形成的晶核按各自方向吸附周围原子自由长大，在长大的同时又有新晶核出现、长大。当相邻晶体被此接触时，被迫停上长大。而只能向尚未凝图的液体部分伸展，直至全部结晶完毕。因此，在

一

般情况下金属是由许多外形不规则、位向不同、大小不同的晶粒

组成的多晶体。金属结晶的一般过程：金金的路的原明纯金属结晶的一般过程全基%晶核形成：(

1

)

自

发

形

核

(地全属)

:

近

程

有

序

的

原

子

热

团

达

到一定过冷度时称为稳定晶核，由自身产生。(

2

)

非

自

发

形

核

(

合

金

)

:

依

靠

悬

浮

在

熔

体

中

难嫁杂质的固态题粒或有意加入固态微粒形成的晶核。全晶粒度及其控制；(1)晶粒大小与性能的关系：HOLL-PETCH关系。(2)

晶粒大小控制

(按制形核率↑);增大过冷度；变质处理；振动搅拌。全是金属在固态下随温度的改变由

一

种晶格变为另一晶格的现象。常温下同素异晶体用aDDODDDOOOOβOy□金属的同素异晶转变；全

左

线

平液态铁结晶后是体心立方晶格，称为δ-Fe

。在1394℃以下转变为面心立方晶格，称为γ-Fe,γ-Fe

的

晶

核容易在δ-Fe的晶界上形成。γ-Fe

冷却到912℃又要转变为体心立方晶

格，称为α-Fe。交

雾同素异晶转变的规律与特点：有一定的转变温度、需要过冷、有潜热生成，转变过程仍旧是晶核的形成与长大来完成。特点为：(1)受扩散过程的影响，需要较大的过冷度(2)晶格变化引起体积变化，产生内应力；(3)新相晶核在旧相晶界或某些特定晶面上生成。金金

的

路

明影

响性能的

因

素?添加元素的种类和数量、原子之间的相互作用以及涩皮成分等有关。相

图

的

作

用?能反映出某一合金系成分、温度与存在相之间的关系。相为

什么

添

加

元素?使材料的性能提高。相

图L二元相图合金中各组元在凝固过程中析出

移单质、固溶体、化合物。对凝固过程基本规律的研究常以二元合全为对象；用二元系合金的凝固规律来分析多元系合金的凝固特征。相二元相图的建立：常用热分析法。4Ni二元

相图

的

建立相所有二元相图都是由共混、偏晶，包晶及匀晶(固溶体)四种基本相图构成的。匀

晶

相

图两组无液态时完全互溶，圆态时形成无限围溶体的合金相图相置匀晶凝固过

程相浑度/℃最常见的多相合金凝固是共晶凝固，

具有共晶成分Lg的

液

相在凝固过程中同时

有两个固相析出。扫图共

品

合

金

凝

固Wp/%时间担O两组元液态时完全互溶，固态时形成有限图溶体的合金相图包晶凝固图，是波相L

和另一固相β反应生成一个新的圆

相a,

即

L+β→a相面天新相A首先在L相与8相的相界上形核

并包着8μ相长大故称效

包晶转变。wcl%ne温

度

/

℃偏晶凝圆与共晶相似，但析出相中有一相为淡相即由液

相L₁

析

出W

及Lz,

即Lr-α+L₂日共晶、偏晶及包晶转支均是在恒

温

下

进

行共析转变在铁-碳相图中介绍