2-16工程材料

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1、清华大学《工程材料》32学时讲稿2/16原子的空间排布：理想晶体和实际晶体（教材P19－P22）材料微观组织：合金相，固溶体和化合物（教材P23－P29）一、实际金属的晶体结构在实际应用的金属材料中，总是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。一般说来，金属中这些偏离其规定位置的原子数很少，即使在最严重的情况下，金属晶体中位置偏离很大的原子数目至多占原子总数的千分之一。因此，从总体来看，其结构还是接近完整的。尽管如此，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

2、性变形和再结晶等过程中扮演重要角色。1．多晶体通常使用的金属都是由很多小晶体组成的，这些小晶体内部的晶格位向是均匀一致的，而它们之间，晶格位向却彼此不同，这些外形不规则的的颗粒状小晶体称为晶粒。每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图2-9所示。多晶体的性能在各个方向基本上是一致的，这是由于多晶体中，虽然每个晶粒都是各向异性的，但它们的晶格位向彼此不同，晶体的性能在各个方向相互补充和抵消，再加上晶界的作用，因而表现出各向同性。晶粒的尺寸很小，如钢铁材料一般

3、为10－1～10－3mm左右，必须在显微镜下才能看见。在显微镜下观察到的金属中晶粒的种类、大小、形态和分布称为显微组织，简称组织。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。2．晶体缺陷实际金属晶体内部，由于铸造、变形等一系列原因，其局部区域原子的规则排列往往受到干扰和破坏，不象理想晶体那样规则和完整，从而影响到金属的许多性能。实际金属晶体中原子排列的这种不完整性，通常称为晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何形态特征，一般将它们分为以下三类：（1）点缺陷晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位。某个晶格间隙挤进了原

4、子，称为间隙原子。材料中总存在着一些其它元素的杂质，它们可以形成间隙原子，也可能取代原来原子的位置，成为置换原子，三种点缺陷的形态见图2-10。空位、间隙原子和外来原子都是晶格的点缺陷。它们破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称为晶格畸变。点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，降低了材料的塑性和韧性。（2）线缺陷晶体中最普通的线缺陷就是位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以形成不同类型的位错，图2-11所示为常见的一种刃

5、型位错。从图中可见，晶体在切应力的作用下，右上部分相对于右下部分沿滑移面滑移了一个原子间距，而左上部分尚未滑移，结果在在晶格的上半部分挤出了一个多余的原子面EFGH，这个多余原子面的下边缘EF像刀刃一样垂直切入，使晶体中位于滑移面上下两部分晶体间产生了错排现象，因而称之为刃型位错。多余原子面的边缘EF称为“位错线”，在位错线周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，致使滑移面上部的原子受到压应力；滑移面下部的原子受到拉应力。距位错线越远，晶格畸变越小，应力也越小，原子排列逐渐趋于正常。实际晶体中往往含有大量位错，通常

6、把单位体积中所包含的位错线总长度称为位错密度。一般退火态金属的位错密度约为105～108cm/cm3；冷变形后的金属可达1012cm/cm3。位错的存在对金属的强度有着重要的影响，如图2-12所示。从图中可见，增加或降低位错密度，都能有效地提高金属强度。理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度，当位错大量产生后，强度又提高。由于没有缺陷的晶体很难得到，所以生产中一般依靠增加位错密度来提高金属强度，但塑性随之降低。（3）面缺陷面缺陷包括晶界和亚晶界。如前所述，晶界是晶粒与晶粒之间的界面，由于晶界原子需要同时适应相邻

7、两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间的过渡层，因而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折衷位置上（图2-13）。另外，晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒，尺寸为10－4～10－6cm。亚晶粒的交界称为亚晶界。晶粒之间位向差较大，亚晶粒之间位向差较小。大于10°～15°的晶界称为大角度晶界，亚晶界是小角度晶界，其结构可以看成是位错的规则排列，见图2-14。面缺陷能提高金属材料的强度和塑性。细化晶粒是改善金属机械性能的有效手段

8、。二、合金的相结构纯金属具有良好的物理和化学性能，但机械性能很差，价格昂贵，种类有限。为了满足各种机器零件对不同性能的要求，因此出现了合金。所谓合金，是指两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。合金具有比纯金属高得多的强度、硬度、耐磨性等机械性能，是工程上使用得最多的金属材料，如机器中常用的黄铜是铜和锌的合金；钢是铁和碳的合金；焊锡是锡和