工程材料第3章 金屬的結(jié)構(gòu)與固溶強(qiáng)化

第3章金屬的結(jié)構(gòu)與固溶強(qiáng)化3.1純金屬的結(jié)構(gòu)3.2純金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)3.3合金的結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)1.晶體與非晶體晶體：原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。非晶體：原子呈無(wú)序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化?！?.1純金屬的結(jié)構(gòu)2.晶格與晶胞

⑴晶格：用假想的直線將原子中心連接起來(lái)所形成的三維空間格架。直線的交點(diǎn)（原子中心）稱結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)陣.⑵晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。⑶晶格常數(shù)：晶胞各邊的尺寸a、b、c。各棱間的夾角用、、表示。3.三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將空間點(diǎn)陣分為14種類型，歸屬于七種晶系立方六方四方菱方正交單斜三斜晶系棱邊長(zhǎng)度與夾角關(guān)系舉例三斜abc,

90K2Cr3O7單斜abc,==90

-S，CaSO42H2O正交abc,===90-S，Ga，F(xiàn)e3C六方a1=a2=a3c,==90,=120Zn，Cd，Mg，NiAs菱方a=b=c,==

90As，Sb，Bi四方a=bc,===90-Sn，TiO2立方a=b=c,===90Fe，Cu，Ag，Au

90%以上的純金屬金屬晶體都具有排列緊密、對(duì)稱性高的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。常見純金屬的晶格類型有三類：體心立方(bcc，body-centeredcubic)面心立方(fcc，face-centeredcubic)密排六方(hcp，

hexagonalclose-packed

)原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。配位數(shù)：晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目。致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。（1）體心立方晶格晶格常數(shù):a原子半徑:常見金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等體心立方晶格晶胞中原子數(shù)晶胞中原子數(shù):

n=8×1/8＋1=2個(gè)體心立方原子配位數(shù)和致密度

配位數(shù)：CN=8

（晶體結(jié)構(gòu)中任一原子的最近鄰、且等距離的原子數(shù)目）

致密度：

k=0.68

（單位晶胞體積中原子（剛球）所占的體積與晶胞體積之比。）（2）面心立方結(jié)構(gòu)原子半徑R:

4R晶格常數(shù):a面心立方晶格晶胞原子數(shù)晶胞中原子數(shù):n=8×1/8＋6×1/2=4個(gè)面心立方原子配位數(shù)與致密度配位數(shù)CN=12致密度k=0.74（3）密排六方晶格原子半徑:R=a/2晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)a和高c，理想密排六方晶格c/a=1.633密排六方晶格晶胞原子數(shù)晶胞中原子數(shù)：n=12×1/6＋2×1/2＋3=6個(gè)密排六方晶格原子配位數(shù)和致密度配位數(shù)：CN=12

致密度:K=0.74金屬的結(jié)構(gòu)1.晶體與非晶體§3.1純金屬的結(jié)構(gòu)

2.空間點(diǎn)陣、晶格、

晶胞、晶格常數(shù)

90%以上金屬晶體都具有排列緊密、對(duì)稱性高的簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)。(立方晶系、六方晶系）常見純金屬的晶格類型有三類：體心立方面心立方密排六方3.三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)4.立方晶系的晶面和晶向表示方法晶面：晶體中各方位上的原子面。晶向：晶體中各方向上的原子列。⑴晶面指數(shù)表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：設(shè)坐標(biāo)：原點(diǎn)設(shè)在待求晶面以外。求截距：求晶面在三個(gè)軸上的截距。取三個(gè)截距值的倒數(shù)并按比例化為最小整數(shù)h、k、l加括號(hào)：（hkl），如果所求晶面在晶軸上截距為負(fù)數(shù)則在指數(shù)上加一負(fù)號(hào)。例一.求截距為、1、晶面的指數(shù)

截距值取倒數(shù)為0、1、0，加圓括弧得（010）例二.求截距為2、3、晶面的指數(shù)

取倒數(shù)為1/2、1/3、0,化為最小整數(shù)加圓括弧得（320）例三.畫出（221）晶面

取三指數(shù)的倒數(shù)1/2,1/2,1，即為X、Y、Z三坐標(biāo)軸上的截距立方晶系常見的晶面為：(hkl)表示的是一組平行的晶面。原子排列完全相同，只是空間位向不同的各組晶面成為晶面族，用{hkl}表示。{110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY晶向指數(shù)的確定過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)作一有向直線平行于該晶向；

在此直線上，取離原點(diǎn)最近一個(gè)結(jié)點(diǎn)的坐標(biāo)；

將上述位置坐標(biāo)的比化為簡(jiǎn)單整數(shù)比x∶y∶z＝u∶v∶w

將所得指數(shù)放在方括號(hào)內(nèi)[uvw]，即所求晶向指數(shù)，當(dāng)遇

到有負(fù)值時(shí)，則在該數(shù)字上方加一負(fù)號(hào)表示。⑵

晶向指數(shù)

表示晶向的符號(hào)稱晶向指數(shù)。其確定步驟為：例一、已知某過(guò)原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)為1、1.5、2，求該直線的晶向指數(shù)。

將三坐標(biāo)值化為最小整數(shù)加方括弧得[234]。例二、已知晶向指數(shù)為[110],畫出該晶向。

找出1、1、0坐標(biāo)點(diǎn),連接原點(diǎn)與該點(diǎn)的直線即所求晶向。[110][234]立方晶系常見的晶向族為：[uvw]表示的是一組平行的晶向。。晶向族：指數(shù)雖然不同，但原子排列完全相同的晶向。用<uvw>表示。<111>[111][111][111][111]XZY說(shuō)明：在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相互垂直。XZY(221)[221]一、單晶體與多晶體的基本概念1.單晶體：晶體內(nèi)部晶格位向（即原子排列方向）完全一致的晶體。2.多晶體實(shí)際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為晶粒?！?.2純金屬的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)多晶體：由許多晶格排列方位不同的晶粒組成的晶體鉛錠沿晶斷口晶界：多晶體材料中相鄰晶粒的界面稱為晶界。晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。光學(xué)金相顯示的純鐵晶界二、晶體缺陷晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即點(diǎn)、線、面缺陷。①點(diǎn)缺陷

空間三維尺寸都很小的缺陷?？瘴婚g隙原子置換原子空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙中的原子?？梢允腔w金屬原子，也可以是外來(lái)原子。置換原子：

取代原來(lái)原子位置的外來(lái)原子稱置換原子。

點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。空位間隙原子小置換原子大置換原子從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。晶面指數(shù)確定步驟：①以任一原子為原點(diǎn)（原點(diǎn)不能通過(guò)待確定晶面），以過(guò)原點(diǎn)的三條棱邊為坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)為測(cè)量單位，建立坐標(biāo)系。②求出所求晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。③取三個(gè)截距值的倒數(shù)并按比例化為最小整數(shù)，加圓括弧，形式為（hkl）。遇到負(fù)指數(shù)，“-”號(hào)放在該指數(shù)的上方。4.立方晶系的晶面和晶向表示方法晶向指數(shù)確定步驟：①

確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，過(guò)原點(diǎn)作所求晶向的平行線。②求該平行線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)值并按比例化為最小整數(shù)，加方括弧。形式為[uvw]。

點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。空位間隙原子大置換原子小置換原子二、晶體缺陷晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即點(diǎn)、線、面缺陷。1.點(diǎn)缺陷位錯(cuò)：晶體中某處一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象位錯(cuò)概念的提出：一般金屬的理論切變強(qiáng)度為1000～10000MPa，而實(shí)驗(yàn)測(cè)出的純金屬單晶體切變強(qiáng)度在1MPa左右，相差3～4個(gè)數(shù)量級(jí)。剛性模型位錯(cuò)模型②線缺陷—晶體中的位錯(cuò)銅拉伸試樣表面滑移帶鋅單晶的拉伸照片電子顯微鏡下的位錯(cuò)透射電鏡下鈦合金中的位錯(cuò)線(黑線)高分辨率電鏡下的刃位錯(cuò)（白點(diǎn)為原子）從位錯(cuò)的幾何結(jié)構(gòu)可分為刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)晶體局部滑移造成的刃型位錯(cuò)位錯(cuò)：晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)在滑移面上的交界線。刃型位錯(cuò)刃位錯(cuò)的形成半原子面在滑移面以上的稱正位錯(cuò)，用“

┴

”表示。半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯(cuò)，用“┬”表示。螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)的形成原子模型

位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。=L/V(cm/cm3或1/cm2)位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。減少缺陷進(jìn)行強(qiáng)化：將金屬做成晶須，晶體幾乎沒(méi)有缺陷，強(qiáng)度接近理論值，但因尺寸有限，應(yīng)用受到限制。增加缺陷進(jìn)行強(qiáng)化：如冷軋制造成的加工硬化、細(xì)晶強(qiáng)化等。③面缺陷—晶界與亞晶界晶界是不同位向晶粒的過(guò)渡部位，原子排列不規(guī)則。寬度為5~10個(gè)原子間距，位向差一般為20~40°。晶界的特點(diǎn)：①原子排列不規(guī)則。②熔點(diǎn)低。③耐蝕性差。④易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來(lái)原子易在晶界偏聚（因缺陷多）。⑤阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是強(qiáng)化部位，因而實(shí)際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。⑥是固態(tài)相變的優(yōu)先形核部位

顯微組織的顯示亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’~2)的小晶塊。亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。亞晶界也可看作位錯(cuò)壁。§3.3合金的晶體結(jié)構(gòu)合金是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金屬與非金屬。組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元（元）。Al-Cu兩相合金黃銅一、合金的基本概念組成合金的元素相互作用可形成不同的相。相:合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一并以界面分開的組成部分。組織:

在顯微鏡下觀察到的金屬中由形態(tài)、尺寸和分布方式不同的一種或多種相構(gòu)成的總體。單相合金兩相合金1.固溶體固溶體：合金在固態(tài)下，組元間能相互溶解而形成的均勻相。習(xí)慣以、、表示。與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶劑。其它元素稱溶質(zhì)。固溶體是合金的重要組成相，實(shí)際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。Cu-Ni置換固溶體Fe-C間隙固溶體二、合金的相結(jié)構(gòu)根據(jù)結(jié)構(gòu)特點(diǎn)不同，可將合金中的相分為固溶體和金屬化合物①置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體。溶質(zhì)原子呈無(wú)序分布的稱無(wú)序固溶體，呈有序分布的稱有序固溶體。黃銅置換固溶體組織按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所處位置不同，固溶體分為置換固溶體和間隙固溶體。

②

間隙固溶體溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金屬元素，如C、N、B、H等，而溶劑元素一般是過(guò)渡族元素。形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r質(zhì)/r劑<0.59。間隙固溶體都是無(wú)序固溶體。③固溶體的溶解度溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。溶解度有一定限度的固溶體稱有限固溶體。組成元素?zé)o限互溶的固溶體稱無(wú)限固溶體。組成元素原子半徑、電化學(xué)特性相近，晶格類型相同的置換固溶體，才有可能形成無(wú)限固溶體。間隙固溶體都是有限固溶體。Cu-Ni無(wú)限固溶體Cu-Zn有限固溶體固溶體化合物2.

金屬化合物合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。鐵碳合金中的Fe3C當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。①正常價(jià)化合物—符合正常原子價(jià)規(guī)律。如Mg2S