教学材料《材料》-项目二

2.1金属材料晶体结构2.1.1晶体与非晶体物质是由原子构成的。根据原子在物质内部的排列方式不同，可将固态物质分为晶体和非晶体两大类。凡内部质点按一定的几何规律呈周期性规则排列的物质称为晶体，如所有固态金属都是晶体。晶体通常具有固定的熔点和各向异性等特性。内部质点无规则地堆积在一起的物质称为非晶体，如玻璃、松香、沥青等都是非晶体。非晶体通常在整体上是无序的，但原子间靠化学键结合在一起，所以在有限小的范围内观察也有一定的规律。下一页返回2.1金属材料晶体结构非晶体材料往往没有固定的熔点，在各个方向的性能是相同的，即所谓各向同性。晶体与非晶体在一定条件下可互相转化。如金属液体在高速冷却下可以得到非晶态金属;玻璃经适当热处理可形成晶体玻璃。有些物质，内部结构可看成是有序和无序的中间状态，如塑料、液晶等。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构2.1.2纯金属的晶体结构1.晶体结构的基本知识(1)晶格。晶体结构就是晶体内部原子排列的方式与特征。在研究和描述晶体结构时，通常把晶体中不停地做热运动的质点看成是固定不动的刚性小球，这些小球由一定的几何形状在空间紧密堆积，形成了原子堆垛模型，如图2-1(a)所示。用一些假想的几何线条将晶体中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，这种抽象化了的用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架称为晶格，如图2-1(b)所示。(2)晶胞。晶体中原子排列具有周期性，可以从晶格中选取一个能代表晶格特征的最小几何单元来研究晶体结构，这个最小几何单元叫做晶胞，如图2-1(c)所示。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构(3)晶格常数。为研究晶体结构，在晶体学中还规定用晶格参数来表示晶胞的几何形状及尺寸。晶格参数包括晶胞的棱边长度a,b,c和棱边夹角α

,

β,γ

，如图2-1(c)所示。晶胞的各棱边长度的单位为。由于金属中原子之间的键力较强，且无方向性，所以在金属晶体中，原子总是趋于结合得最紧密。其中最常见的金属晶格类型主要包括体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格3种。2.常见的晶格类型

(1)体心立方晶格。体心立方晶格晶胞如图2-2所示。晶胞是一个正六面体，除晶胞的八个角上各有一个原子外，中心还有一个原子。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构晶胞每个角上的原子均为八个晶胞所共有，而中心原子为该晶胞所独有，所以体心立方晶胞中的原子数为1+8x1/8=2(个)。晶胞的对角线方向上原子是彼此紧密相接触排列的，此对角线的长度应为(a为六面体棱边长度)，可计算出体心立方晶格原子半径r=/4.属于体心立方晶格的金属有-Fe,Cr,W,V,Mo等。(2)面心立方晶格。面心立方晶格晶胞如图2-3所示。晶胞是一个正六面体，除在晶胞八个角上各有一个原子外，在各个面的中心还有一个原子。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构晶胞每个角上的原子均为八个晶胞所共有，六面体每个面上的原子为两个晶胞共有，所以面心立方晶胞中的原子数为6x1/2+8x1/8=4个。晶胞六面体的每个面上对角线方向上原子是彼此紧密相接触排列的，此对角线的长度应为(a为六面体棱边长度)，可计算出面心立方晶格原子半径:r=/4。

属于面心立方晶格的金属有:γ-Fe,Al,Cu,Ni,Au,Ag,Pb等。(3)密排六方晶格。密排六方晶格晶胞如图2-4所示。在晶胞六方柱体的十二角和上下底面中心各有一个原子，晶胞的中间还有三个原子。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构晶胞十二个角的原子均为六个晶胞所共有，上下底面上的原子为两个晶胞共有，晶胞中间的三个原子为该晶胞独有，所以密排六方晶格晶胞中的原子个数为3+12x1/6+2x1/2=6个。晶胞上下底面上的原子是彼此紧密相接触排列的，可计算出密排六方晶格原子半径r=a/2(a为六边形的边长)。属于密排六方晶格的金属有:Mn,Zn,Be,Cd等。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构2.1.3实际晶体中的缺陷实际金属通常都是由很多外形不规则的小晶粒组成的，称为多晶体。同一种材料所有晶粒的结构完全相同，但彼此之间原子排列位向不同，使金属的性能在各个方向上基本是一致的，这种现象称为“伪各向同性”，如图2-5所示。晶体内部原子按一定规律排列得很整齐，这种晶体称为理想晶体。实际上晶粒内部存在着大量的缺陷，这些缺陷的存在对金属的性能有显著的影响。晶体的缺陷，按几何形状一般分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构1.点缺陷晶体中原子都是在平衡位置不停地做热运动，当某一原子具有足够大的能量时，能克服周围原子对它的牵制作用，脱离平衡位置而逃走，使结构中出现了空结点，称为空位。当金属中含有杂质，而这些杂质原子又相当小时，这些杂质原子往往存在于金属晶格的间隙中，称为间隙原子。当异类原子占据晶格的位置时，称为置换原子，如图2-6所示。由于空位、间隙原子、置换原子的存在引起周围晶格畸变，结果使金属屈服点增高，影响金属的部分物理性能和化学性能。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构2.线缺陷晶体中某处有一列或若干列原子发生有规律的错排现象叫做位错。通常位错分为两种:一种是刃形位错;另一种是螺形位错。如图2-7所示，在晶体的某一水平面上，多出一个半原子面，这个半原子面如同刀刃一样插入晶体，称为刃形位错。刃形位错可用符号表示。如图2-8所示，晶体上下两部分的原子排列面在某些区域相互吻合的次序发生错动，使不吻合的过渡区域原子排列呈螺旋形，称为螺形位错。在位错附近区域产生晶格畸变。位错很容易在晶体中移动，对金属的塑性变形、强度、扩散、相变等力学性能和物理化学性能都起着重要的作用。上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构3.面缺陷面缺陷主要是指晶界与亚晶界。晶粒之间的界面称为晶界。晶界可以被看成是两个邻近晶粒间具有一定宽度的过渡地带，其原子排列是不规则的，处于相邻两晶粒取向的拆中位置上，如图2-9所示。在电子显微镜下观察晶粒可以看出，每个晶粒都是由一些小晶块组成，称这些小晶块为亚晶粒。两个亚晶粒的边界是由一系列刃形位错构成的角度特别小的晶界，称为亚晶界，如图2-10所示。

上一页下一页返回2.1金属材料晶体结构晶界处的晶格畸变，比晶粒内部具有高的能量。因此，晶界具有在常温下强度和硬度较高的特点，且随晶粒细化，强度与硬度正比例增长;在高温下晶界的强度和硬度较低;晶界容易被腐蚀;晶界的熔点较低;晶界处原子扩散速度较快等一系列特性。上一页返回2.2纯金属的结晶原子由不规则排列的液态逐步过渡到规则的晶体状态的过程称为结晶。金属结晶时形成的铸态组织，不仅影响其铸态性能，而且也影响随后经过一系列加工后材料的性能。因此，掌握结晶规律可以帮助我们有效地控制金属的结晶过程，从而获得性能优良的金属材料。下一页返回2.2纯金属的结晶2.2.1纯金属结晶过程1.过冷现象金属在无限缓慢冷却条件下(即平衡条件下)所测得的结晶温度T0称为理论结晶温度。但在实际生产中，金属由液态结晶为固态时冷却速度都是相当快的，金属总是要在理论结晶温度T0以下的某一温度Tn，才开始进行结晶，温度Tn称为实际结晶温度。实际结晶温度Tn总是低于理论结晶温度T0的现象称为过冷现象。二者温度之差称为过冷度，用△T表示，即

△T=T0-Tn界。实际金属总是在过冷情况下进行结晶的，所以过冷是金属结晶的一个必要条件。上一页下一页返回2.2纯金属的结晶结晶温度通常采用热分析法测量，即先将金属熔化，并使温度均匀，然后以极慢的速度冷却，记录下温度随时间的变化曲线，称为冷却曲线，如图2-11所示。纯金属结晶时，在冷却曲线上出现平台的原因，是由于金属在结晶过程中，释放的结晶潜热补偿了外界散失的热量，使温度并不随冷却时间的增加而下降，直到金属结晶终了后，已没有结晶潜热补偿散失的热量，故温度又重新下降。2.纯金属的结晶过程结晶过程总是从形成一些极小的晶体开始，这些细小晶体称为晶核。随着温度下降，液体中的原子不断向晶核聚集，使晶核不断长大;上一页下一页返回2.2纯金属的结晶同时液体中会不断有新的晶核形成并长大，直到各晶粒之间相互接触、液体完全消失为止。所以，结晶的基本过程是形核与其长大过程。如图2-12所示。形核方式分为自发形核和非自发形核两种。在一定的过冷条件下，仅依靠本身的原子有规则排列而形成晶核，称为自发形核，又称均质形核。实际铸造生产中，这种形核现象很少。通常金属液中总是存在着各种固态杂质微粒，依附在这些杂质表面很容易形成晶核，这种形核过程称为非自发形核，又称非均质形核。上一页下一页返回2.2纯金属的结晶2.2.2晶粒大小的控制金属结晶后，晶粒大小对其力学性能有重要的影响。晶粒大小可用单位体积内晶粒的数目来表示。实践证明，在室温下，金属材料的晶粒越细，其强度和韧性越高。为了提高金属的力学性能，必须控制金属结晶后的晶粒大小。分析结晶过程可知，金屑结晶后的晶粒大小必然与晶核数目和晶粒长大的速度有关。如果结晶时形核率N(即单位时间、单位体积内所形成的晶核数目)越高，则晶核的数目就越多，晶粒越细小;晶核长大速度‘越慢，在晶核长大的时间内产生的晶核也会增多，则结晶后的晶粒就越细小。因此，要控制金属结晶后的晶粒大小，必须控制形核率N和晶核长大速度G。常用细化晶粒的方法有如下几种。上一页下一页返回2.2纯金属的结晶1.增加过冷度从图2-13可以看出，过冷度增大，形核率和长大速度都增大，但前者的增大更快，因此结晶后晶粒就越细。在铸造工业中，由砂型铸造改为金属模铸造，可提高铸件的力学性能，就是利用增大过冷度来细化晶粒所致。2.变质处理细化晶粒的另一种方法是在浇注前向金属液体中加入一些能促进形核或抑制晶核长大的物质，使金属晶粒细化，这种方法称为变质处理(也称孕育处理)。例如，在浇铸铁液前加入硅铁或硅钙合金，在铝合金中加入微量钦或铝，都能达到细化晶粒的目的。上一页下一页返回2.2纯金属的结晶3.附加振动在金属结晶时，对液态金属施加机械振动、超声波振动、电磁振动等措施，可使液体中长大了的晶体破碎，增加晶核数目，获得细晶组织。上一页返回2.3合金的形成纯金属虽然具有许多优良的性能并获广泛应用，但其强度和硬度一般都很低，远不能满足零件的使用要求。因此，工业上用量最大、范围最广的金属材料是合金。下一页返回2.3合金的形成2.3.1合金、相和组织的基本概念所谓合金是指两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼或烧结而成的具有金属特性的物质。组成合金的最基本的、独立的物质叫做组元(简称元)。组元可以是金属、非金属或稳定化合物。根据组成合金的组元数目，可将合金分为二元合金、三元合金、多元合金等。例如，黄铜是由铜和锌组成的二元合金;碳钢是铁与碳组成的二元合金;硬铝是由铝、铜、镁组成的三元合金。由给定的组元可以配制成一系列不同合金，组成一个系统，称为合金系。上一页下一页返回2.3合金的形成相是指金属或合金中化学成分、晶体结构及原子聚集状态相同的，并于其他部分有明显界面分开的均匀组成部分。如纯金属在液态或固态时均为一个相，分别称为液相和固相。组织是指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的组合形貌。上一页下一页返回2.3合金的形成2.3.2合金形成相结构的方式合金中相结构是指合金组织中相的晶体结构。根据合金中各组元间的相互作用，合金中的相结构主要有固溶体和金属化合物两大类。1.固熔体合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的且晶格类型与组元之一相同的固相称为固溶体。能够保持其原有晶格类型的组元称为溶剂;失去原有晶格类型的组元称为溶质。例如，广泛应用的碳素钢和合金钢，均以碳溶解在铁中形成的固溶体为基本相。上一页下一页返回2.3合金的形成根据溶质原子在溶剂中所占的位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两种。(1)间隙固溶体。溶质原子相当小，是以占据溶剂晶格中的间隙位置而形成的固溶体，称为间隙固溶体，见图2-14(a)。由于溶剂晶格的间隙尺寸有限，只有小尺寸的溶质原子才能形成间隙固溶体。例如，碳、氯、硼等非金属元素。由于溶剂原子晶格的间隙有一定的限度，所以只能溶解一定量的溶质，而不能无限地溶解溶质原子。通常溶质在溶剂中的溶解度是随温度而变化的。在一定温度下，溶质在溶剂中的最大溶解量称为该温度下的溶解度。间隙固溶体均为有限固溶体。上一页下一页返回2.3合金的形成(2)置换固溶体。两种组元原子的尺寸相当，溶质原子占据溶剂晶格正常结点位置所形成的固溶体，即这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换，故称为置换固溶体，见图2-14(b)。置换固溶体可以是无限固溶体，也可以是有限固溶体。例如，铜和锌，铜和锡都形成有限固溶体;铁和铬，铜和镍都能形成无限固溶体。上一页下一页返回2.3合金的形成形成固溶体时，由于溶剂中溶入了溶质，将会使溶剂原子的晶格常数发生变化，产生晶格畸变。随着溶质原子浓度的增加，晶格的畸变程度也就加大。晶格畸变的存在使合金抵抗塑性变形的能力增加，这就使固溶体比纯金属具有更高的强度和硬度。由于溶入溶质原子形成固溶体，从而使金属材料强度、硬度升高的现象称为固溶强化，它是提高金属材料力学性能的重要途径之一。2.金属化合物金属化合物是指合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。上一页下一页返回2.3合金的形成金属化合物的晶格类型与组成它的组元的晶格类型完全不同，一般比较复杂，而且它的性能也不同于组成它的组元，通常金属化合物均具有高的熔点、硬度和脆性，因此不能直接使用。金属化合物存在于合金中一般起强化作用，使合金的强度、硬度、耐磨