黄科院金属材料及热处理教案项目2 金属材料结构的认识

PAGE10-项目二金属材料结构的认识§2.1金属材料晶体结构一、晶体与非晶体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。1、晶体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。有固定的熔点（如铁为1538℃，铜为1083℃，铝为660℃）；一般具有规则的外形；在不同的方向上具有不同的性能，即表现出晶体的各向异性。2、非晶体及其特性内部质点无规则的堆积在一起的物质称为非晶体。与晶体相反，没有固定的熔点；表现出各向同性。晶体与非晶体在一定条件下可互相转化。如：玻璃、沥青、松香等。二、纯金属的晶体结构1.晶体结构的基本知识晶格—假设原子为刚性小球，利用假想的几何线条连接起来构成一个空间格架，这种抽象的，用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架就叫晶格。晶胞—晶体中原子排列具有周期性，最小的能够完全反映晶格特征的几何单元称为晶胞。晶格常数—晶胞的三个互相垂直的棱边长度a、b、c及三棱边夹角α、β、γ称为晶格常数。(a)原子堆垛模型(b)晶格(c)晶胞图2-1简单立方晶格与晶胞示意图2.常见的金属晶格类型由于金属键没有方向性和饱和性，结合对象的选择性不强，所以金属原子结合在一起总是趋于结合得最紧凑和最密集的排列方式。常见的有面心立方、体心立方和密排六方晶格。(1)体心立方晶格(α－Fe、Cr、V、Mo、W等)图2-2体心立方晶格晶胞晶体结构特征分析：点阵参数：a=b=cα=β=γ=90°；晶胞中原子数：N=1+8×1/8=2个；原子半径：r=。AEAEFCa2a3a图2-3体心立方晶格半径的求解示意图(2)面心立方结构(γ－Fe、Al、Cu、Au、Ag等)面心立方晶体结构特征：点阵参数：a=b=cα=β=γ；晶胞原子数：N=3+1=4；原子半径：r=a/4。图2-4面心立方晶格晶胞(3)密排六方结构(Zn、Mg、Be、α-Ti、α-Co等)晶体结构特征：点阵参数：a1=a2=a3=a，α1=α2=α3=120°；平面轴X1、X2、X3和Z轴的夹角=90°，Z轴的单位长度=c，用a、c两个量来度量；晶胞原子数：N=12×1/6+2×1/2+3=6；原子半径r=a/2。图2-5密排六方晶格晶胞三、实际晶体中的缺陷晶体内部的晶格位向是完全一致的晶体，这样的晶体称为单晶体。实际使用的工业金属材料是由许多晶粒组成的多晶体；晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。图2-6各晶粒位向示意图晶体中各个晶粒的原子排列虽然相同，每个晶体都是各项异性的，但每个晶粒原子排列的位向是不同的，是任意分布的，各个方向相互补充和抵消，掩盖了每个晶粒的各项异性。因此，多晶体为各向同性，称为“伪各向同性”。实际晶体中，原子排列不完整，偏离理想分布的结构区域称为晶体的缺陷。这种局部存在的晶体缺陷，对金属的性能影响很大。晶体缺陷按尺寸可分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷。1.点缺陷空位：晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位。间隙原子：某个晶格间隙挤进了原子，称为间隙原子。置换原子：材料中总存在一些其它元素的杂质，它们可以形成间隙原子，也可能取代原来的原子位置，称为置换原子。空位空位间隙原子置换原子图2-7晶体结构中的点缺陷点缺陷对晶体的影响：结构上：造成晶格畸变。性能上：强度↑，电阻↑；塑性↓，韧性↓。空位和间隙原子不是固定不变的，可以运动，这种运动是化学热处理时原子扩散的重要方式。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：一种是刃型位错，一种是螺型位错。刃型位错：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，称为刃型位错，用符号┴表示。如图2-8。螺型位错: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，称为螺型位错，如图2-9。┴┴图2-8刃型位错图2-9螺型位错3.面缺陷面缺陷主要是指晶界与亚晶界。晶界晶界晶界晶界图2-10晶界图2-11金属中的亚晶组织§2.2纯金属的结晶一、纯金属结晶过程结晶：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。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低于理论结晶温度T0的现象称为过冷现象。即△T=T0－Tn，△T称为过冷度。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。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2-12。图2-12热分析法测定金属的冷却曲线2.纯金属的结晶过程(形核和长大)图2-13金属的结晶过程示意图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；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长大过程。形核方式分为：自发形核(均匀形核)指在一定得过冷条件下，仅依靠本身的原子有规则排列而形成晶核，称为自发形核。实际铸造生产中，这种形核现象很少。非自发形核(非均质形核)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。晶核的长大：晶核形成后，随后便是长大。晶核长大的实质，就是原子由液体向固体表面的转移。二、晶粒大小的控制1.增加过冷度过冷度的增大，生核率和长大速度都增大，前者的增大更快，使晶粒细化。可以提高冷却速度。2.变质处理在结晶前往液体中加入细小的某种物质，以增加形核率或降低长大速度，从而细化晶粒的方法称为变质处理。3.振动搅拌可使正在生长的晶体破碎而细化，增加形核率。图2-14过冷度对形核率N和长大速度G的影响§2.3合金的形成一、合金、相和组织的基本概念合金：由两种以上的金属和非金属熔合（或烧结）在一起而具有金属特性的物质称为合金。组元：组成合金的独立的、最基本的单元叫做组元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。合金系：给定组元按不同比例可以配制一系列不同成分的合金，构成一个合金系。如：二元合金、三元合金；也可由构成元素来命名，如铁碳合金。相：指金属或合金中结构、化学成分和性能相同且与其他部分由明显界面分开的均匀组成部分。包括固溶体、金属化合物及纯物质(如石墨)。固态金属一般是一个相，而合金可能是几个相。组织：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总体。二、合金形成相结构的方式根据构成合金各组元之间相互作用的不同，固态合金可分为固溶体和金属化合物两大类。1.固溶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之为固溶体。间隙固溶体：溶质原子填入溶剂晶格的空隙位置所形成的固溶体。条件：溶质半径小。置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格结点所形成的固溶体。条件：原子半径接近；晶格结构相同；周期表位置临近。图2-15固溶体(a)间隙固溶体(b)置换固溶体按固溶度分类:有限固溶体—溶质原子在固溶体中的浓度有一定的限度，超过这个限度就不再溶解，这个限度称为固溶度。无限固溶体—溶质原子能以任意比例溶入溶剂，固溶度可达到100%。固溶体中随着溶质原子的加入，强度、硬度升高，塑性、韧性降低的现象称之为固溶强化—金属材料的主要强化手段或途径之一。固溶强化的特点：溶质与溶剂原子相差越大，溶质原子浓度越高，所引起的晶格畸变越大，固溶强化效果越大；间隙原子的强化效果比置换原子的大。因为间隙原子引起的点阵畸变大。综合机械性能好。适当控制溶质含量，不仅可以显著提高材料强硬度，而且材料的塑韧性不会明显降低。2.金属化合物金属化合物是