工程材料 材料的结构

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第三节金属材料的结构与性能一、纯金属的晶体结构（一）晶体的基本概念●晶格：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）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。●晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。1、晶格与晶胞 晶格与晶胞 2晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3c，==90，=120立方六方四方菱方正交单斜三斜晶格常数：晶胞个边的尺寸a、b、c。各棱间的夹角用、、表示。 3原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。4晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。5配位数及致密度：配位数是指晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。 1.体心立方晶格二、常见金属的晶格类型 体心立方晶格的参数 体心立方晶格原子个数：2配位数：8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常数：a(a=b=c)原子半径： 2面心立方晶格 面心立方晶格的参数 a42r=：原子半径原子个数：4配位数：12致密度：0.74常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常数：a面心立方晶格 3密排六方结构(h.c.p) a21r=：原子半径原子个数：6配位数：12致密度：0.74常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等晶格常数：底面边长a和高c，c/a=1.633密排六方晶格 三、立方晶系晶面、晶向表示方法晶体中各方位上的原子面称晶面。各方向上的原子列称晶向。⑴晶面指数表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为： ①确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。②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（hkl）。 ⑵晶向指数表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为： ①确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。②求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为[uvw]。 ⑶晶面族与晶向族(hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用{hkl}和表示。 立方晶系常见的晶面为： {110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY 立方晶系常见的晶向为： <111>[111][111][111][111]XZY 说明：①在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。②遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。--③晶向具有方向性，如[110]与[110]方向相反。XZY(221)[221][110][110] （四）、金属的实际结构与晶体缺陷纯铁组织晶粒示意图⑴单晶体与多晶体单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体：晶粒：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，这些小晶体称为晶粒。 晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。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多晶体示意图 1.点缺陷空间三维尺寸都很小的缺陷。空位间隙原子置换原子 2.线缺陷—晶体中的位错位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未刃型位错螺型位错滑移区的交界线称作位错。分为刃型位错和螺型位错。 刃型位错和螺型位错刃位错的形成 刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“┴”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“┬”表示。 位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金属的位错密度为104~1012/cm2位错对性能的影响：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。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。金属晶须退火态(105-108/cm2)加工硬化态(1011-1012/cm2) 3.面缺陷—晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。 亚晶粒大角度和小角度晶界位错壁亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’~2)的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。 二、合金的相结构合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu两相合金黄铜 所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。单相合金两相合金 （一）固溶体合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。习惯以、、表示1.固溶体的分类按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体 a）置换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。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。黄铜置换固溶体组织 b）间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。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C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂<0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。 2.固溶体的性能随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降—固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。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，而塑性和韧性则要高得多。 （二）金属化合物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。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。1.正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si2.电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。电子浓度为价电子数与原子数的比值。3.间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。 (1).间隙相：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。如M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)等。间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。VC的结构 (2).具有复杂结构的间隙化合物当r非/r金>0.59时形成复杂结构间隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。Fe3C的晶格高温合金中的Cr23C6