第三章 金屬材料

第三章金屬材料第1頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月3.1金屬特性與金屬鍵金屬晶體的特點(diǎn)：金屬晶體是由金屬陽離子和自由電子組成，其中自由電子并不屬于某個固定的金屬陽離子，而可以在整個金屬中自由移動金屬鍵：金屬離子與自由電子之間的強(qiáng)烈的相互作用形成：成鍵微粒：金屬陽離子和自由電子存在：金屬單質(zhì)和合金中第2頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月影響金屬鍵強(qiáng)弱的因素（1）金屬元素的原子半徑（2）單位體積內(nèi)自由電子的數(shù)目如：同一周期金屬原子半徑越來越小，單位體積內(nèi)自由電子數(shù)增加，故熔點(diǎn)越來越高，硬度越來越大；同一主族金屬原子半徑越來越大，單位體積內(nèi)自由電子數(shù)減少，故熔點(diǎn)越來越低，硬度越來越小第3頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬的特點(diǎn)①常溫下，單質(zhì)都是固體，汞(Hg)除外②大多數(shù)金屬呈銀白色，有金屬光澤，但金(Au)：黃色銅(Cu)：紅色鉍(Bi)：微紅色鉛(Pb)：藍(lán)白色第4頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月③不同金屬熔沸點(diǎn)，硬度差別較大④良好的導(dǎo)電性，分析原因：金屬中存在著大量的可自由移動的電子⑤良好的導(dǎo)熱性，分析原因：通過自由電子和金屬陽離子的相互碰撞傳遞熱量⑥良好的延展性⑦金屬單質(zhì)在化學(xué)反應(yīng)中只做還原劑，在化合物中金屬元素只顯正價第5頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬晶體與性質(zhì)的關(guān)系導(dǎo)電性導(dǎo)熱性延展性在金屬晶體中，存在許多自由電子，自由電子在外加電場的作用下，自由電子定向運(yùn)動，因而形成電流由于金屬晶體中自由電子運(yùn)動時與金屬離子碰撞并把能量從溫度高的部分傳導(dǎo)溫度低的部分，從而使整塊金屬達(dá)到相同的溫度由于金屬晶體中金屬鍵是沒有方向性的，各原子層之間發(fā)生相對滑動以后，仍保持金屬鍵的作用，因而在一定外力作用下，只發(fā)生形變而不斷裂第6頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月在一百多種化學(xué)元素中，金屬元素約占80%。它們都具有金屬光澤、有很好的傳熱導(dǎo)電性，金屬的這些性質(zhì)是它們內(nèi)部結(jié)構(gòu)的反映。金屬元素很多，大致可分為兩大類，一類為簡單金屬，另一類為過渡金屬、稀土和錒系金屬簡單金屬主要指堿金屬、堿土金屬等。在這類金屬中，元素的電負(fù)性較小，電離能也較小，最外層價電子容易脫離原子核的束縛，在金屬中運(yùn)動。這樣原子實和價電子可截然分開。前者—原子實對金屬整體來說，它的影響是局域的，而后者—價電子則是整體公有的這類金屬用近“自由電子”模型，獲得了與實驗大致相符的結(jié)果第7頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月另一類金屬包括d殼層未填滿的過渡金屬、4f殼層未填滿的稀土金屬，5f殼層未填滿的錒系金屬，這些未填滿的次層電子能級和外層s、p電子相近，這些d電子或f電子介于公有化與局域化狀態(tài)之間，所以要有特殊的理論處理貴金屬介于兩者之間，它們部分性能和簡單金屬相似，而另一部分性質(zhì)與過渡金屬相似第8頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬鍵理論主要有兩種：自由電子模型；固體能帶理論金屬鍵的“自由電子”模型金屬元素的電負(fù)性較小，電離能也較小，最外層價電子容易脫離原子核的束縛，而在金屬晶粒中由各個正離子形成的勢場中比較自由地運(yùn)動，形成“自由電子”或“離域電子”。這些金屬中的自由電子可看作彼此間沒有相互作用、各自獨(dú)立地在勢能等于平均值的勢場中運(yùn)動，相當(dāng)于在三維勢箱中運(yùn)動的電子。按照箱中粒子的Schr?dinger方程并求解，可得波函數(shù)表達(dá)式和能級表達(dá)式第9頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月體系處于0K時電子從最低能級填起，直至Fermi能級EF，能量低于EF的能級，全都填滿電子，而所有高于EF的能級都是空的。對導(dǎo)體，EF就是0K時電子占據(jù)的最高能級，其值可從理論上推導(dǎo)，也可用實驗測定第10頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月實驗測定金屬鈉的EF值為3.2eV，與計算所得結(jié)果符合較好，由金屬鈉的EF值可見，即使在0K時，電子仍有相當(dāng)大的動能當(dāng)溫度升高，部分電子會得到熱能，所得熱能的數(shù)量級為kT。室溫下，kT約為4.14×10-21J；而大多數(shù)金屬的EF值約為（3～10）×10-19J，kT比EF值約小2個數(shù)量級金屬鍵的強(qiáng)度可用金屬的原子化熱(氣化熱)來衡量。原子化熱是指1mol的金屬變成氣態(tài)原子所需吸收的能量。金屬的許多性質(zhì)跟原子化熱有關(guān)。例如原子化熱小，金屬較軟，熔點(diǎn)較低；原子化熱大，金屬較硬，熔點(diǎn)較高等第11頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單金屬的自由電子模型是個很簡單的模型，價電子完全公有，構(gòu)成金屬中導(dǎo)電的自由電子，原子實與價電子間的相互作用完全忽略，自由電子之間也是毫無相互作用的理想氣體。為了保持金屬電中性，可設(shè)想原子實帶正電分布于整個體積中，和自由電子的負(fù)電荷正好中和第12頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月自由電子氣模型完全忽略電子間的相互作用，也忽略了原子實形成的周期勢場對自由電子的作用，處理結(jié)果當(dāng)然與真實金屬有差距，后來發(fā)展了“近自由電子模型”（即在自由電子氣中引入周期勢場微擾），在一定程度上反映了簡單金屬的實際情況，可做為金屬電子結(jié)構(gòu)的一級近似。近年，有人提出用贗勢理論處理簡單金屬，即采用微弱的贗勢代替電子與正離子間的相互作用勢，使問題得到簡化第13頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月該理論將整塊金屬當(dāng)作一個巨大的分子，晶體中N個原子的每一種能量相等的原子軌道，通過軌道疊加、線性組合得到N個分子軌道，它是一組擴(kuò)展到整塊金屬的離域軌道。由于N數(shù)值很大(~1023)，所得分子軌道各能級間的間隔極小，形成一個能帶。每一個能帶有一定的能量范圍，相鄰原子間軌道重疊少的內(nèi)層原子軌道形成的能帶較窄；軌道重疊多的外層原子軌道形成的能帶較寬。各個能帶按能量高低排列起來，成為能帶結(jié)構(gòu)固體能帶理論第14頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月電子共有化晶體是大量分子、原子或離子有規(guī)則排列的點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)電子受到周期性勢場的作用按量子力學(xué)須解定態(tài)薛定諤方程a第15頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月解定態(tài)薛定諤方程（略）可以得出兩點(diǎn)重要結(jié)論：1.電子的能量是分立的能級2.電子的運(yùn)動有隧道效應(yīng)原子的外層電子(高能級)，勢壘穿透概率較大，電子可以在整個晶體中運(yùn)動，稱為共有化電子原子的內(nèi)層電子與原子核結(jié)合較緊，一般不是共有化電子第16頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月能帶(energyband)量子力學(xué)計算表明，晶體中若有N個原子，由于各原子間的相互作用，對應(yīng)于原來孤立原子的每一個能級，在晶體中變成了N條靠得很近的能級，稱為能帶第17頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月能帶的寬度記作

E，數(shù)量級為

E～eV若N~1023，則能帶中兩能級的間距約10-23eV一般規(guī)律：1.越是外層電子，能帶越寬，

E越大2.點(diǎn)陣間距越小，能帶越寬，

E越大3.兩個能帶有可能重疊第18頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月能帶中電子的排布晶體中的一個電子只能處在某個能帶中的某一能級上排布原則：1.服從泡里不相容原理2.服從能量最小原理設(shè)孤立原子的一個能級Enl，它最多能容納2(2l+1)個電子（l：角量子數(shù)）這一能級分裂成由N條能級組成的能帶后，能帶最多能容納2N(2l+1)個電子第19頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月例如：1ｓ、2ｓ能帶，最多容納2N個電子2ｐ、3ｐ能帶，最多容納6N個電子電子排布時，應(yīng)從最低的能級排起第20頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月能帶中充滿電子的叫滿帶，部分填有電子的能帶叫導(dǎo)帶，沒有電子的能帶叫空帶，各個能帶間的間隙是不能存在電子的區(qū)域，叫禁帶金屬的能帶結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是存在導(dǎo)帶，在導(dǎo)帶中的電子，受外電場作用改變其能量分布而導(dǎo)電，所以金屬是導(dǎo)體。絕緣體的特征是只有滿帶和空帶，而且能量最高的滿帶和能量最低的空帶之間的禁帶較寬，Eg≥5eV，在一般電場條件下，難以將滿帶電子激發(fā)入空帶，即不能形成導(dǎo)帶而導(dǎo)電。半導(dǎo)體的特征也是只有滿帶和空帶，但最高滿帶和最低空帶之間的禁帶較窄，Eg<3eV第21頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月半導(dǎo)體的價電子也處于滿帶（如Si、Ge），其與相鄰的空帶間距小，能量相差也小（Eg<3ev），低溫時是電子的絕緣體，高溫時電子能激發(fā)躍過禁帶而導(dǎo)電，所以半導(dǎo)體的導(dǎo)電性隨溫度的升高而升高，而金屬卻因升高溫度，原子振動加劇，電子運(yùn)動受阻等原因，使得金屬導(dǎo)電性下降第22頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月空能級電子占用能級a導(dǎo)體

空帶禁帶滿帶b半導(dǎo)體空帶禁帶滿帶c絕緣體導(dǎo)體、半導(dǎo)體和絕緣體的能帶模型示意圖滿帶空帶第23頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月圖中灰色的格于表示能帶已填滿電子，是滿帶；空白的格子表示該帶中無電子，是空帶。有電子但未填滿的能帶是導(dǎo)帶。Na原子的電子組態(tài)為電子正好填滿，形成滿帶，3s軌道形成的能帶只填了一半，形成導(dǎo)帶。Mg原子的3s軌道雖已填滿，但它與3p軌道的能帶重疊。從3s3p總體來看，也是導(dǎo)帶。能帶的范圍是允許電子存在的區(qū)域，而能帶間的間隔，是電子不能存在的區(qū)域，也即禁帶第24頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月絕緣體半導(dǎo)體導(dǎo)體絕緣體與半導(dǎo)體的擊穿當(dāng)外電場非常強(qiáng)時，它們的共有化電子還是能越過禁帶躍遷到上面的空帶中的第25頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月過渡金屬電子結(jié)構(gòu)特點(diǎn)過渡金屬nd能級與(n+1)s能級差很小，過渡元素波函數(shù)的徑向分布有以下幾個特點(diǎn)：（a）與(n+1)s電子相比，nd電子軌道分布范圍較小，節(jié)點(diǎn)數(shù)目少，隨徑向距離衰減快，使d電子徑向分布極大值出現(xiàn)在吸引勢很強(qiáng)的區(qū)域，因而d電子是相對穩(wěn)定的第26頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月（b）在原子核附近，d電子分布函數(shù)做拋物線式增長，對核電荷屏蔽不足，導(dǎo)致周期數(shù)增長時，sp電子數(shù)保持恒定，d殼層電子逐步填充（c）同一周期，從Ti到Ni，核與電子作用愈來愈強(qiáng)，使d層愈加穩(wěn)定，原子半徑也愈小（d）隨周期數(shù)增長，例如徑向節(jié)面增加，d電子徑向分布增大，愈來愈不穩(wěn)定第27頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月3.2金屬單質(zhì)結(jié)構(gòu)

晶體結(jié)構(gòu)的密堆積原理1619年，開普勒模型（開普勒從雪花的六邊形結(jié)構(gòu)出發(fā)提出：固體是由球密堆積成的）開普勒對固體結(jié)構(gòu)的推測冰的結(jié)構(gòu)第28頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月密堆積的定義密堆積：由無方向性的金屬鍵、離子鍵和范德華力等結(jié)合的晶體中，原子、離子或分子等微觀粒子總是趨向于相互配位數(shù)高，能充分利用空間的堆積密度最大的那些結(jié)構(gòu)密堆積方式因充分利用了空間，而使體系的勢能盡可能降低，而結(jié)構(gòu)穩(wěn)定第29頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月等徑圓球的堆積球的密堆積中最基礎(chǔ)、最重要的內(nèi)容是等徑圓球的堆積。等徑圓球的堆積分為最密堆積和密堆積兩種最密堆積：一維二維配位數(shù)2配位數(shù)6第30頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月如果將等徑圓球在一平面上排列，有兩種排布方式，如上圖所示，按（a）圖方式排列，圓球周圍剩余空隙最小，稱為密置層；按（b）圖方式排列，剩余的空隙較大，稱為非密置層。由密置層按一定方式堆積起來的結(jié)構(gòu)稱為最密堆積結(jié)構(gòu)第31頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月密置雙層第32頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月最密堆積中的空隙第33頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月為了了解密堆積中的空隙，我們現(xiàn)討論由2層緊密排列的圓球構(gòu)成的密置雙層（見上圖），底下一層為A層，上層為B層，B層每個原子與所對應(yīng)的A層3個原子，形成一個正四面體孔隙。B層3個原子形成等邊三角形，空隙處下面若對著一個A層原子，也構(gòu)成一個正四面體空隙。B層3個原子構(gòu)成三角形與A層3個原子構(gòu)成的倒三角形之間形成一個正八面體空隙（6個球心聯(lián)結(jié)可得一個正八面體）第34頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月常見的三維最密堆積的結(jié)構(gòu)有兩種：立方最密堆積(ccp)，又稱為A1型堆積六方最密堆積(hcp)，又稱為A3型堆積另一種重要的密堆積是體心立方密堆積(bcp)，又稱為A2型堆積第35頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月如果把金屬原子看成是等徑圓球，則晶體中原子的排列可視為等徑圓球的堆積，經(jīng)x射線衍射分析證明，在晶體中金屬原子一般有三種堆積方式即面心立方最密堆積、六方最密堆積和體心立方密堆積第36頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月在第一密置層，當(dāng)一圓球周圍排列6個球時，周圍留下了6個空隙，若第二密置層的球心（B）相間對準(zhǔn)第一密置層的一半空隙，第三密置層球心（C）又相間對準(zhǔn)另一半空隙，第四密置層的球心（A）又對準(zhǔn)第一密置層的球心A。然后依次重復(fù)，則形成ABC、ABC、ABC……的堆積方式，簡稱ABC堆積（如上圖）。在這種堆積中，每個球周圍等距離地排列了十二個球，故配位數(shù)為12，從堆積中劃出立方晶體，是面心立方晶胞，故稱面心立方密堆積第37頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月第三層的一種排列方式，是將球?qū)?zhǔn)第一層的

2、4、6位，不同于AB兩層的位置，這是C層123456123456123456第38頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月ABCABC形式的堆積，為什么是面心立方堆積？我們來加以說明BCA第39頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月若第二密置層的球心（B）相間對準(zhǔn)第一密置層六個空隙的一半，第三密置層的球心又對準(zhǔn)第一密置層的球心（A），重復(fù)下去，則成AB、AB、AB……的堆積方式，稱AB堆積（如上圖）。這種堆積的配位數(shù)和空間利用率同于面心立方密堆積，從這種堆積中可以劃分出六方晶胞，故稱六方密堆積第40頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月

下圖是此種六方緊密堆積的前視圖ABABA一種是將球?qū)?zhǔn)第一層的球123456于是每兩層形成一個周期，即ABAB堆積方式，形成六方緊密堆積

第41頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月123456123456AB，第42頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月第43頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月有些金屬單質(zhì)采取體心立方密堆形式。采用這種堆積形式，每個金屬原子最近鄰有8個金屬原子，次近鄰有6個金屬原子，不是最密堆積。這種現(xiàn)象說明金屬正離子并不是完全象個圓球，在成鍵過程中，原子會發(fā)生形變，圓球模型又是一種近似。體心立方密堆積可簡寫為bcp（BodyCubicPacking），符號記為A2。金屬原子堆積在一起，形成金屬晶體。金屬原子最外層價電子脫離核的束縛，在晶體中自由運(yùn)動，形成“自由電子”，留下的金屬正離子都是滿殼層電子結(jié)構(gòu)，電子云呈球狀分布，所以在金屬結(jié)構(gòu)模型中，人們把金屬正離子近似為等徑圓球第44頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月密堆與空隙空間占有率等徑球兩種最密堆積具有相同的堆積密度，晶胞中圓球體積與晶胞體積之比稱空間占有率，六方最密堆積（hcp）與立方最密堆積（ccp）空間占有率均為74.05％

設(shè)圓半徑為R，晶胞棱長為a，晶胞面對角線長則晶胞體積：

立方面心晶胞中含4個圓球，每個球體積為第45頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月第46頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月立方最密堆積雖晶胞大小不同，每個晶胞中含球數(shù)不同。但計算得到空間占有率相同而體心立方堆積（bcp）則空間占有率低一些體對角線長為

晶胞體積第47頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月體心立方晶胞含2個球第48頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月立方面心的最密堆積，每個晶胞中有4個八面體空隙；6個面心位置所包圍的是1個八面體空隙，每條棱的中點(diǎn)是4個晶胞共有的一個八面體空隙，面心立方晶胞共有8個四面體空隙1個六方密堆晶胞包含兩個球，共有2個八面體空隙與4個四面體空隙，上層3個頂點(diǎn)位置的圓球與中層3個圓球構(gòu)成一個八面體，中層3個圓球與下面3個頂點(diǎn)構(gòu)成另一個八面體空隙密堆積中的空隙第49頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬單質(zhì)的結(jié)構(gòu)有許多是屬于ccp(A1型)，bcp(A2型)和hcp(A3型)這三種結(jié)構(gòu)型式的。當(dāng)金屬原子價層s和p軌道上電子數(shù)目較少時，容易形成A2型結(jié)構(gòu)，電子數(shù)較多時，容易形成A1型結(jié)構(gòu)，中間的容易形成A3型結(jié)構(gòu)。不過這種規(guī)律不太明顯，而且同一種金屬的結(jié)構(gòu)型式還會隨外界條件而改變，所以需要通過實驗來測定測定金屬晶體的結(jié)構(gòu)形式和晶胞參數(shù)，就可以由原子間的接觸距離求出原子半徑。同一種元素的原子半徑和配位數(shù)有關(guān)，配位數(shù)高，半徑大。為了更好互相對比，要統(tǒng)一換算到同一種配位數(shù)，金屬中常統(tǒng)一到配位數(shù)為12的情況第50頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單立方堆積形成簡單立方晶胞，空間利用率較低，為52％，金屬釙（Po）就采取這種堆積方式第51頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月幾種金屬原子堆積的比較金屬原子堆積方式晶格類型配位數(shù)原子空間利用率%簡單立方堆積簡單立方652體心立方堆積體心立方868面心立方密堆積面心立方1274六方密堆積六方1274第52頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月A1、A3密堆積方向的不同：A1：立方體的體對角線方向，共4條，故有4個密堆積方向（111）（11）（11）（11），易向不同方向滑動，而具有良好的延展性，如CuA3：只有一個方向，即六方晶胞的C軸方向，延展性差，較脆，如Mg第53頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬原子半徑和鑭系收縮效應(yīng)如果將金屬原子看作剛球，最近鄰原子中心間距的一半就是剛球的半徑。人們可用某金屬晶體點(diǎn)陣參數(shù)來推算該金屬原子的半徑由于剛性模型是粗略的近似，在討論合金的結(jié)構(gòu)時很有用處。但要應(yīng)用原子半徑來分析具體問題時，即使是同一元素，化學(xué)鍵型的不同、配位數(shù)的高低都會使原子半徑發(fā)生變化。例如金屬晶體中，鎂原子半徑為1.60?，而在離子晶體中，Mg2＋的半徑只有0.78?。即鍵型對元素半徑的影響很大。配位數(shù)的影響雖然沒有這么顯著，但也是不能忽略的。Goldschmidt總結(jié)了這種實驗現(xiàn)象，提出配位數(shù)降低時，原子半徑收縮的相對值第54頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月不同配位數(shù)時原子半徑的相對值配位數(shù)

1286421原子半徑

1.000.970.960.88

0.810.72

第55頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬原子半徑在元素周期表中的變化有一定的規(guī)律性：(1)同一族元素原子半徑隨原子序數(shù)的增加而加大(2)同一周期主族元素的原子半徑隨原子序數(shù)的增加而變小(3)同一周期過渡元素的原子半徑隨原子序數(shù)增加開始穩(wěn)定變小，以后稍有增大，但變化幅度不大(4)鑭系元素隨原子序數(shù)增加，半徑變小，稱為鑭系收縮效應(yīng)第56頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月各種金屬的原子半徑（Z＝12）和價電子數(shù)的關(guān)系在每一周期里，開始時隨價電子數(shù)增加，電子與核之間作用加強(qiáng)，原子半徑顯著下降，同時熔點(diǎn)上升。當(dāng)價電子層填至半滿，原子半徑曲線經(jīng)歷一個極小值。價電子數(shù)再增加，每個殼層中出現(xiàn)自旋相反的電子，電子間斥力增加，使原子半徑上升，至周期末又一個極大值。從第二周期至第五周期，隨周期數(shù)的增加，曲線向上移，即原子半徑加大，第六周期情況較特殊，鑭系元素的原子半徑基本保持不變，當(dāng)4f殼層填滿后，原子半徑才下降第57頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月合金是兩種或兩種以上金屬或金屬與非金屬經(jīng)一定方法合成的具有金屬特性的物質(zhì)工業(yè)技術(shù)中應(yīng)用的金屬材料大多數(shù)是合金。合金的性能與它的成分和內(nèi)部結(jié)構(gòu)有關(guān)。幾十年來，人們對合金進(jìn)行了大量研究工作，合金的晶體結(jié)構(gòu)、點(diǎn)陣參數(shù)、相圖及各種物理性能已匯編成冊。但合金的理論研究仍停留在初級階段，只有簡單二元合金系研究得比較清楚，而對生產(chǎn)中有廣泛應(yīng)用的復(fù)雜多元合金，還有許多理論工作等待我們?nèi)プ霭春辖鸬慕Y(jié)構(gòu)和相圖等，一般可將合金分為兩類：金屬固溶體和金屬化合物3.3合金結(jié)構(gòu)第58頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬固溶體結(jié)構(gòu)按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置，固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種；按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度，固溶體可分為有限固溶體和無限固溶體兩種；按溶質(zhì)原子在固溶體中分布是否有規(guī)律，固溶體分無序固溶體和有序固溶體兩種第59頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月

純金屬的晶格置換固溶體的晶格

間隙固溶體的晶格溶劑原子溶質(zhì)原子第60頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月兩種金屬組成的固溶體，其結(jié)構(gòu)型式與一般純金屬相同，只是一部分原子被另一種原子統(tǒng)計地代替，即每個原子位置上兩種金屬都可能存在，其幾率正比兩種金屬在合金中的所占比例――置換固溶體。這樣，原子在很多效應(yīng)上相當(dāng)于一個統(tǒng)計原子置換固溶體第61頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月形成置換固溶體取決于以下三個因素：（a）原子尺寸：原子半徑相近的兩種金屬易形成置換固溶體。一般來說，組分的原子半徑相差不能超過15%，例如，Ag-Au合金為144.5pm和144.2pm（b）單質(zhì)的結(jié)構(gòu)類型：結(jié)構(gòu)類型相同才能形成固溶體，例如，Ag-Au合金均為A1型第62頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月（c）化學(xué)親和力：兩種元素若化學(xué)親和力很強(qiáng)，它們易形成穩(wěn)定的金屬化合物，而不形成固溶體。只有化學(xué)親和力較弱的情況，合金才形成固溶體Pauling指出：兩種元素電負(fù)性差值的大小標(biāo)志了化學(xué)親和力的強(qiáng)弱，即電負(fù)性相近的元素易形成固溶體，例如，Ag-Au合金價電子結(jié)構(gòu)分別為4d105s1和5d106s1

第63頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月過渡金屬元素間最易形成固溶體物相，當(dāng)兩種過渡金屬原子半徑相近（差別<15%），單質(zhì)結(jié)構(gòu)相同，周期表位置相近，則可形成按任意比例互溶的置換固溶體，例如Cu和Au，W和Mo等合金。當(dāng)以上性質(zhì)差異大時，就只能形成部分互溶的置換固溶體金屬的互溶度不能對易。一般說，在低價金屬中的溶解度大于高價金屬的溶解度。例如Ag－Zn固溶體合金，Zn在Ag中可占原子比37.8％，而Ag在Zn中溶解度僅為6.3％第64頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月銅-金固溶體的相圖

第65頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月銅和金在周期表中屬于同一族，具有相同價電子態(tài)，晶體均為立方面心結(jié)構(gòu)，兩種晶體混合熔化成液態(tài)，即形成互溶體系，凝固成高溫固溶體也完全互溶。將固溶體進(jìn)行淬火處理，即快速冷卻時，可形成無序固溶體，Au原子完全無序化，統(tǒng)計地替代Cu原子第66頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月無序的固溶體在緩慢冷卻過程，即退火處理，結(jié)構(gòu)會發(fā)生有序化，Au與Cu原子各趨向確定的位置。例如Cu3Au合金退火，形成簡單立方晶體，Au原子占據(jù)晶胞頂點(diǎn)位置，Cu占據(jù)面心位置；CuAu合金退火，則形成四方晶體，Au原子占據(jù)晶胞頂點(diǎn)和底心位置，Cu占據(jù)其余面心位置。這種有序化的結(jié)構(gòu)也稱為超結(jié)構(gòu)。將有序結(jié)構(gòu)Au－Cu合金加熱，溫度超過某一臨界值，合金又轉(zhuǎn)化為無序結(jié)構(gòu)第67頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月Au-Cu體系的相結(jié)構(gòu)（a）無序的Cu1-xAux（b）有序的Cu3Au（c）有序的CuAu（a）（b）（c）第68頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬跟硼、碳、氮等元素形成的化合物。這類化合物中金屬原子做密堆積結(jié)構(gòu)，而硼、碳、氮等原子半徑較小的非金屬原子填入間隙之中，形成間隙固溶體這類固溶體有著下列共同的特征：不論純金屬本身的結(jié)構(gòu)型式如何，大多數(shù)間隙固溶體采取NaCl型結(jié)構(gòu)具有比母體金屬高得多的熔點(diǎn)和硬度填隙原子和金屬原子間存在共價鍵，但仍有良好的導(dǎo)電性和金屬光澤間隙固溶體第69頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月間隙固溶體可分為以下幾類：NaCl型：ZrN、SeN、TiN、VN、CrN、ZrC、TiC、TaC、VC、ZrH、TiH六方密堆：Fe2N、Cr2N、Mn2N、Mo2C、Ta2C、Zr2H2、Ta2H2、Ti2H立方結(jié)構(gòu)：Pd2H、W2N、Mo2N鋼鐵是一類以鐵碳為基本元素的合金體系。純鐵有α、β、γ和δ四種變體，其中α、β、δ變體為立方體心結(jié)構(gòu)，γ變體為立方面心結(jié)構(gòu)。Fe－C體系中，當(dāng)碳含量小于0.02%叫純鐵，大于2.0%叫生鐵，介于中間的稱為鋼第70頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月（a）奧氏體它是碳在γ－Fe中的間隙化合物，F(xiàn)e原子與C原子數(shù)目比為27：1，即6～7個立方面心晶胞中才含1個C原子（b）鐵素體C在α－Fe中的固溶體，鐵素體含碳量約0.02%，接近純鐵（c）滲碳體它是Fe與C以3：1組成形成的化合物Fe3C，屬正交晶系，每個晶胞中含12個Fe原子和4個C原子（d）馬氏體鋼驟冷至150°C以下，變?yōu)橘|(zhì)地很硬的馬氏體，它可看作α－Fe中含C達(dá)1.6%的過飽和固溶體，為四方晶系鋼鐵有以下四種主要物相第71頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月室溫下鐵素體和滲碳體是穩(wěn)定的晶型，奧氏體在高溫時穩(wěn)定，碳鋼淬火主要獲得馬氏體，馬氏體是不穩(wěn)定晶型在鋼中滲入Mn、Ni、Cr等不同成分，可制成不同用途的合金鋼第72頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月第73頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月一般是由被溶元素溶于金屬化合物中生成的，如Sb溶于NiSb中，Sb占據(jù)了晶格的正常位置，導(dǎo)致另一組分（此處是Ni）的位置空著缺位固溶體第74頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月當(dāng)溶質(zhì)元素的含量極少時，固溶體的性能與溶劑金屬基本相同。隨溶質(zhì)含量的升高，固溶體的性能將發(fā)生明顯改變一般情況下，強(qiáng)度、硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降，電阻率升高，導(dǎo)電性逐漸下降等。這種通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化是金屬強(qiáng)化的一種重要形式。在溶質(zhì)含量適當(dāng)時，可顯著提高材料的強(qiáng)度和硬度，而塑性和韌性沒有明顯降低固溶體的性能第75頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月純銅的強(qiáng)度為220Mpa，硬度為40HBS，斷面收縮率為70%。當(dāng)加入1%鎳形成單相固溶體后，強(qiáng)度升高到390Mpa，硬度升高到70HBS，而斷面收縮率仍有50%。所以固溶體的綜合機(jī)械性能很好，常常做為合金的基體相。固溶體與純金屬相比，物理性能有較大的變化，如電阻率上升，導(dǎo)電率下降，磁矯頑力增大第76頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬化合物金屬化合物物相有兩種主要型式：組成確定的金屬化合物物相；組成可變的化合物。物相在相圖和結(jié)構(gòu)-性能關(guān)系圖上具有轉(zhuǎn)折點(diǎn)是各種金屬化合物形成的標(biāo)志和主要特點(diǎn)金屬化合物物相的結(jié)構(gòu)特征有：結(jié)構(gòu)型式一般不同于純組分金屬獨(dú)立存在時的結(jié)構(gòu)各組分原子分別占據(jù)著不同的結(jié)構(gòu)位置第77頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月在金屬材料中，金屬化合物一直用作金屬基體的強(qiáng)化相。通過改變金屬間化合物的種類、分布、析出狀態(tài)以及相對含量等來達(dá)到控制基體材料性能的目的由于其具有聲、光、電、磁等特殊物理性能，可做為半導(dǎo)體、磁性、儲氫、超導(dǎo)等方面功能材料特別是用作高溫結(jié)構(gòu)材料的有序金屬間化合物，具有許多良好的力學(xué)性能和抗氧化、耐腐蝕以及比強(qiáng)度高等特性，由于其原子的長程有序排列和原子間金屬鍵、共價鍵的共存，使其有可能兼具金屬的塑性和陶瓷的高溫強(qiáng)度，因而極具應(yīng)用前景金屬化合物因組成不同，結(jié)構(gòu)、性質(zhì)也相差很大，現(xiàn)舉一兩種典型結(jié)構(gòu)為例：第78頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月CaCu5合金由下圖中（a）（b）兩個原子層交替堆積而成。（c）是CaCu5的晶體結(jié)構(gòu)（圖中3個晶胞體積）。每個晶胞中Ca位于頂點(diǎn)位置，Cu原子一個位于晶胞中心，兩個位于上下底面，兩個在四周側(cè)面。Ca原子有18個Cu原子配位，同層6個，上下層各6個儲氫合金LaNi5、LaCo5、CeCo5等結(jié)構(gòu)和CaCu5相同。LaNi5是六方晶胞（a＝511pm，c＝397pm），體積為90×10-24cm3，儲氫后形成LaNi5H4.5的合金，氫在合金中的密度為：P＝(4.5/6.02×1023)÷90×10-24＝0.083(g.cm-3)CaCu5

第79頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月第80頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月比標(biāo)準(zhǔn)狀態(tài)下的氫氣密度(0.089g.dm-3)約大一千倍。這種能在低壓下儲氫的方法安全，且儲存過程也是純化氫氣的過程。但LaNi5價格較昂貴，若用混合稀土M(La＋Nd)置換La，則MNi5僅是LaNi5價格的1/5，且在儲氫量和動力學(xué)特性方面更優(yōu)于LaNi5，具有實用性Ti－Mn二元合金中TiMn1.5儲氫性能最好。Ti－Mn合金為Laves相結(jié)構(gòu)第81頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月許多金屬化合物是功能材料，例如Ti－Ni合金有很好的形狀記憶功能，主要是三種化合物Ti2Ni、TiNi、TiNi3稀土元素和過渡金屬Fe、Co、Cu等形成的金屬化合物是六十年代開始開發(fā)的稀土永磁材料。第一代永磁材料是RCo5，如SmCo5具有CaCu5結(jié)構(gòu)；第二代是R2TM17(TM為過渡金屬)，如SmCo17或Sm2Cu17，Sm2Zr17；第三代永磁材料是Nd－Fe－B合金，第四代主要是R－Fe－C系和R－Fe－N系列，廣泛應(yīng)用于電機(jī)器件等第82頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月然而，金屬化合物的脆性妨礙了它的應(yīng)用。直到80年代初，金屬間化合物韌化研究取得兩大突破性進(jìn)展:(1)日本材料科學(xué)研究所的和泉修等在脆性的多晶Ni3Al中加入了質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.02%～0.05%的B，使材料韌化，室溫拉伸伸長率從近于0提高到了40%～50%(2)美國橡樹嶺國家實驗室發(fā)現(xiàn)了無塑性的六方D019結(jié)構(gòu)的Co3V中，用Ni、Fe代替部分Co，可使其轉(zhuǎn)變成面心立方的L12結(jié)構(gòu)，脆性材料變成具有良好塑性的材料第83頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月合金的結(jié)構(gòu)與性能單相合金多相合金（1）脆性相以網(wǎng)狀分布于基體的晶界上（2）脆性相以片狀分布于基體晶粒內(nèi)（3）脆性相以顆粒狀分布于基體晶粒內(nèi)（4）脆性相呈彌散的質(zhì)點(diǎn)分布于基體晶粒內(nèi)第84頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月超耐熱合金(1)鐵基超耐熱合金(2)鎳基超耐熱合金(3)鈷基超耐熱合金超低溫合金(1)高錳奧氏體鋼(2)鐵錳鋁新合金鋼超塑性合金(1)鋅基合金(2)鋁基合金(3)鎳基合金(4)鈦基合金特種合金第85頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月3.4金屬材料輕質(zhì)金屬材料鋼鐵的結(jié)構(gòu)與性能非晶態(tài)金屬材料形狀記憶合金第86頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月輕質(zhì)金屬材料

鋁合金密度較小，約為2.7g/cm3；面心立方晶格；無同素異晶轉(zhuǎn)變導(dǎo)電、導(dǎo)熱性好，僅次于銀、金、銅極強(qiáng)的抗大氣腐蝕能力，在空氣中鋁的表面生成致密的氧化膜，保護(hù)了內(nèi)部金屬不被腐蝕——鈍化現(xiàn)象，但鋁不能耐酸、堿、鹽的腐蝕非磁性、無火花材料強(qiáng)度低，塑性好，比強(qiáng)度高；可通過冷變動強(qiáng)化提高強(qiáng)度、硬度第87頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月第88頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁合金的分類用于制作鋁合金的合金元素大致分為主加元素（硅、銅、鎂、鋅、錳等）和輔加元素（鉻、鈦、鋯等）。鋁與主加元素的二元相圖一般都具有右圖所示形式，根據(jù)該相圖上最大溶解度D點(diǎn)，把鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金①變形鋁合金：成分在D點(diǎn)以左的合金，加熱到固溶線以上時，可得到單相固溶體，塑性好，宜于進(jìn)行壓力加工，稱為變形鋁合金第89頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月變形鋁合金又分為兩類：成分在F點(diǎn)以左的合金，固溶體成分不隨溫度而變，屬熱處理不可強(qiáng)化鋁合金；成分在D～F點(diǎn)之間的鋁合金，固溶體成分隨溫度而變，屬熱處理可強(qiáng)化鋁合金第90頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月鑄造鋁合金成分在D點(diǎn)以右的合金，由于有共晶組織存在，適于鑄造，稱為鑄造鋁合金。鑄造鋁合金中有成分隨溫度變化的固溶體，也能用熱處理強(qiáng)化。但距D點(diǎn)越遠(yuǎn)，強(qiáng)化效果愈不明顯第91頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁合金的時效強(qiáng)化固溶處理：將成分位于D～F點(diǎn)之間的合金，加熱到α相區(qū)，經(jīng)保溫獲得單相α固溶體后迅速水冷，可在室溫下獲得過飽和的α固溶體，這種處理方式稱為固溶處理時效強(qiáng)化：固溶處理后得到的組織是不穩(wěn)定的，有分解出強(qiáng)化相過渡到穩(wěn)定狀態(tài)的傾向。在室溫下放置或低溫加熱時，強(qiáng)度和硬度會明顯升高。這種現(xiàn)象稱為時效強(qiáng)化。在室溫下進(jìn)行的稱自然時效；在加熱條件下進(jìn)行的稱人工時效時效條件：合金能在高溫形成均勻的固溶體，并且固溶體中溶質(zhì)的溶解度必須隨溫度的降低而顯著降低第92頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月時效強(qiáng)化規(guī)律(1)時效溫度越高，強(qiáng)度峰值越低，強(qiáng)化效果越小(2)時效溫度越高，時效速度越快，強(qiáng)度峰值出現(xiàn)所需時間越短(3)低溫使固溶處理獲得的過飽和固溶體保持相對的穩(wěn)定性，抑制時效的進(jìn)行第93頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月

4%Cu的Al-Cu合金，加熱到550℃并保溫一段時間后，在水中快冷時，θ相(CuAl2)來不及析出，合金獲得過飽和的α固溶體組織，其強(qiáng)度為σb＝250MPa若在室溫下放置，隨著時間的延續(xù)，強(qiáng)度將逐漸提高，經(jīng)4～5天后，σb可達(dá)400MPa時效實例第94頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月回歸自然時效后的鋁合金，在230～250℃短時間(幾秒至幾分鐘)加熱后，快速水冷至室溫時，可以重新變軟。如再在室溫下放置，則又能發(fā)生正常的自然時效，這種現(xiàn)象稱為回歸。一切能時效硬化的合金都有回歸現(xiàn)象。自然時效后的鋁合金在反復(fù)回歸處理和再時效時強(qiáng)度有所降低。時效后的鋁合金可在回歸處理后的軟化狀態(tài)進(jìn)行各種冷變形。利用這種現(xiàn)象，可隨時進(jìn)行飛機(jī)的鉚接和修理等

第95頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月變形鋁合金

變形鋁合金包括：防銹鋁合金硬鋁合金超硬鋁合金鍛鋁合金第96頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月防銹鋁合金防銹鋁合金中主要合金元素是錳和鎂。錳提高抗蝕能力，并起固溶強(qiáng)化作用。鎂固溶強(qiáng)化，同時降低比重防銹鋁合金鍛造退火后是單相固溶體，抗蝕性能高，塑性好。不能進(jìn)行時效硬化，屬于不可熱處理強(qiáng)化的鋁合金，但可冷變形，利用加工硬化提高強(qiáng)度LF21(Al-Mn合金)抗蝕性和強(qiáng)度比純鋁高，有良好的塑性和焊接性能，但因太軟而切削加工性能不良。用于焊接件、容器、管道，或需用深延伸、彎曲等方法制造的低載荷零件、制品以及鉚釘?shù)鹊?7頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月硬鋁合金硬鋁合金為Al-Cu-Mg系合金，另含有少量錳。它們可以進(jìn)行時效強(qiáng)化，屬于可熱處理強(qiáng)化的鋁合金超硬鋁合金超硬鋁合金為Al-Mg-Zn-Cu系合金，含有少量的鉻和錳。牌號有LC4、LC6等。鋅、銅、鎂與鋁形成固溶體和多種復(fù)雜的第二相(例如MgZn2、Al2CuMg、AlMgZnCu等)，合金經(jīng)固溶處理和人工時效后，可獲得很高的強(qiáng)度和硬度，是強(qiáng)度最高的一類鋁合金。但這類合金的抗蝕性較差，高溫下軟化快。用包鋁法可提高抗蝕性第98頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月超硬鋁合金多用于制造受力大的重要構(gòu)件，例如飛機(jī)大梁、起落架等第99頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月鍛鋁合金鍛鋁合金為Al-Mg-Si-Cu或Al-Cu-Mg-Ni-Fe系合金。牌號有LD5、LD7、LD10等。合金的元素種類多但用量少，有良好的熱塑性、鑄造性能和鍛造性能，并有較高的機(jī)械性能這類合金主要用于承受重載荷的鍛件和模鍛件，通常要進(jìn)行固溶處理和人工時效第100頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月1808年，英國人戴維，用鉀還原氧化鎂，制得鎂物理性質(zhì)：銀白色，密度1.74克/厘米3，熔點(diǎn)648.9℃，沸點(diǎn)1090℃，電離能7.65電子伏特晶體結(jié)構(gòu)：密排六方結(jié)構(gòu)原子半徑：1.72埃具有延展性，無磁性，且有良好的熱消散性來源：鎂存在于菱鎂礦、白云石、光鹵石中。每立方英里海水含有約120億磅鎂。鎂是在自然界中分布最廣的十個元素之一鎂合金第101頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月元素元素在周期表中的排序原子重量比重熔點(diǎn)%IACS（Cu=100）鎂1224.31.765040鋁1327.02.766064鈦2247.94.516683.1鐵2655.97.9153018鎳2858.98.9145318銅2963.68.91083100鋅3065.47.1693-第102頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月化學(xué)活性高潮濕大氣、海水、無機(jī)酸及其鹽類、有機(jī)酸、甲醇等介質(zhì)中均會引起劇烈的腐蝕干燥大氣、碳酸鹽、氟化物、鉻酸鹽、氫氧化鈉溶液、苯、四氯化碳、汽油、煤油及不含水和酸的潤滑油中很穩(wěn)定室溫下，鎂表面與大氣中氧作用，形成氧化鎂薄膜，但薄膜較脆，也不像氧化鋁薄膜那樣致密，故其耐蝕性很差室溫強(qiáng)度低、塑性差純鎂單晶體臨界切應(yīng)力為4.8MPa左右，其多晶體的強(qiáng)度和硬度很低，不能直接用做結(jié)構(gòu)材料第103頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月生產(chǎn)鋁合金：鋁合金中的添加元素。2002年全世界共用了14.56萬噸鎂，占40%；我國2003年共用2.1萬噸鎂，占41%。鎂與原鋁的消費(fèi)比率約為0.4%壓鑄鎂合金鑄件：2002年原鎂消費(fèi)中，壓鑄占35%。在鎂壓鑄中，北美、拉美、西歐用量最多。鎂合金壓鑄件在汽車上的使用量上升了15%左右煉鋼脫硫：2002年世界有5.73萬噸鎂用于煉鋼脫硫，占總量的15.70%。我國2003年鋼鐵脫硫用鎂8000噸，占總消費(fèi)量的15.62%。使用鎂粒脫硫效果比碳化鈣好，雖然鎂價格比碳化鈣高，但用量為碳化鈣的1/6～1/7，鎂脫硫比碳化鈣經(jīng)濟(jì)。噸鋼消耗鎂粒0.4～0.5公斤，脫硫后含硫量0.001～0.005%第104頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月鈦合金發(fā)現(xiàn)于18世紀(jì)末但由于化學(xué)活性高，提取困難，直到1910年金屬鈦才被美國科學(xué)家用鈉還原法(亨特法)提煉出來1936年盧森堡科學(xué)家克勞爾用鎂還原法(克勞爾法)還原TiCl4，制得海綿鈦，奠定了金屬鈦生產(chǎn)的工業(yè)基礎(chǔ)。其技術(shù)轉(zhuǎn)讓到美國，1948年在美國首先開始海綿鈦的工業(yè)生產(chǎn)中國繼美、日、前蘇聯(lián)之后，于1958年開始鈦的生產(chǎn)第105頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月鈦及其合金由于密度低(4.5

4.8g/cm3，比鋼約輕40%)、比強(qiáng)度高和耐蝕性好而成為一種優(yōu)良的結(jié)構(gòu)材料，在航空、航天、海洋及化工機(jī)械領(lǐng)域非常引人注目，在國防科技領(lǐng)域占有重要地位鈦由于具有某些特殊功能(如儲氫特性、形狀記憶、超彈性)和無毒、生理相容性好等特性而成為新型功能材料和重要的生物醫(yī)學(xué)材料第106頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月鈦的基本特性鈦具有兩種同素異構(gòu)體α及β。低溫α-Ti在882℃以下穩(wěn)定，具有密排六方結(jié)構(gòu)(hcp)，而高溫β-Ti穩(wěn)定于882℃～熔點(diǎn)1678℃，為體心立方結(jié)構(gòu)(bcc)。鈦合金轉(zhuǎn)變點(diǎn)隨成份而變鈦體積質(zhì)量?。?.51g/cm3)，但比強(qiáng)度高，在-253℃~600℃范圍內(nèi)，鈦的比強(qiáng)度是最高的；塑性好，熔點(diǎn)高，但由于同素異性轉(zhuǎn)變和高溫下吸氣、氧化傾向的影響，它的耐熱性為中等，介于鋁與鎳之間具有優(yōu)良的耐蝕性，在室溫下能很快生成一層具極好保護(hù)性的鈍化層（TiO2)。在許多介質(zhì)中，其耐蝕性極高；但在還原性介質(zhì)中稍差第107頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月鈦的低溫性能很好，在液氮溫度下仍有良好的機(jī)械性能，強(qiáng)度高而仍保持有良好的塑性和韌性鈦的彈性模量較低（120GPa），屬中等，約為鐵的54%，比模量稍低于鋼適于做彈性元件，但加工時回彈比較大。合金化可使鈦彈性模量發(fā)生很大變化具有導(dǎo)熱系數(shù)和線膨脹系數(shù)均低的特性。鈦的比熱容與不銹鋼相當(dāng)，電阻率比不銹鋼稍大鈦的導(dǎo)磁率近乎為1.0，非磁性(嚴(yán)格說為順磁性)。制成的潛艇，既能抗海水腐蝕，又能抗深層壓力，其下潛深度比不銹鋼潛艇增加80%。同時，由于鈦無磁性，不會被水雷發(fā)現(xiàn)，具有很好的反監(jiān)護(hù)作用第108頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月鈦的屈強(qiáng)比(σs/σb)很高(達(dá)0.9~0.95)，對其應(yīng)用與加工均有很大影響鈦對超聲波的阻抗較小，透聲系數(shù)較高，適于做聲納導(dǎo)流罩之類材料鈦具有優(yōu)良的生物相容性且無毒、質(zhì)輕、強(qiáng)度高，是非常理想的醫(yī)用金屬材料，可用作植入人體的材料第109頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月鈦有α-Ti（密排六方）和β-Ti（體心立方）兩種晶體結(jié)構(gòu)。鈦合金化的主要目的就是利用合金元素對α-Ti或β-Ti的穩(wěn)定作用，改變α和β相的組成，從而控制鈦合金的性能。工業(yè)鈦合金的主要合金元素有Al、Sn、Zr、V、Mo、Mn、Fe、Cr、Cu及Si等第110頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月純鈦加入合金元素形成鈦合金。根據(jù)合金元素對鈦同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變的影響，可將其分為三類第一類是α相穩(wěn)定元素，這類元素能使鈦的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度升高，形成α相固溶體，如Al、C、N、B等第二類是β相穩(wěn)定元素，能使鈦的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度降低，形成β相固溶體，如Fe、Mo、Mg、Cr、Mn、V等第三類是中性元素，對同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變溫度無顯著影響，如Sn、Zr等幾乎所有鈦合金中都含有鋁，因為鋁能提高鈦合金的強(qiáng)度、比強(qiáng)度和再結(jié)晶溫度第111頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月α型鈦合金鈦中加入鋁、硼等α穩(wěn)定化元素獲得α鈦合金。α鈦合金的室溫強(qiáng)度低于β鈦合金和（α＋β）鈦合金，但高溫(500～600℃)強(qiáng)度比它們的高，并且組織穩(wěn)定，抗氧化性和抗蠕變性好，焊接性能也很好。α鈦合金不能淬火強(qiáng)化，主要依靠固溶強(qiáng)化，熱處理只進(jìn)行退火(變形后的消除應(yīng)力退火或消除加工硬化的再結(jié)晶退火)典型牌號TA7，成分為Ti-5Al-2.5Sn。其使用溫度不超過500℃，主要用于制造導(dǎo)彈的燃料罐、超音速飛機(jī)的渦輪機(jī)匣和各種模鍛件等，也可用于制造超低溫用的容器第112頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月β型鈦合金鈦中加入鉬、鉻、釩等β穩(wěn)定化元素得到β鈦合金。

鈦合金有較高的強(qiáng)度、優(yōu)良的沖壓性能，并可通過淬火和時效進(jìn)行強(qiáng)化。在時效狀態(tài)下，合金的組織為β相和彌散分布的細(xì)小α相粒子典型牌號TB1，成分為Ti-3Al-8Mo-11Cr，一般在350℃以下使用，適于制造壓氣機(jī)葉片、軸、輪盤等重載的回轉(zhuǎn)件，以及飛機(jī)構(gòu)件等第113頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月α+β型鈦合金鈦中同時加入β穩(wěn)定化元素和α穩(wěn)定化元素，使α相和β相都得到強(qiáng)化而得到的（α＋β）鈦合金，塑性很好，容易鍛造、壓延和沖壓，并可通過淬火和時效進(jìn)行強(qiáng)化。熱處理后強(qiáng)度可提高50～100%。但這類合金組織不穩(wěn)定，焊接性能不及α鈦合金。但它生產(chǎn)過程簡單，其機(jī)械性能可通過改變成分和選擇熱處理制度在很寬的范圍內(nèi)變化，因此這類合金是航空工業(yè)中應(yīng)用比較廣泛的一種鈦合金第114頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼鐵的結(jié)構(gòu)與性能鐵的同素異晶體

-Fe：體心立方β-Fe：體心立方

-Fe：面心立方

-Fe：體心立方第115頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月第116頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月

奧氏體（Austenite，符號A表示）碳溶解在

-Fe中的間隙固溶體仍保持

-Fe的面心立方晶格，晶界比較直，呈規(guī)則多邊形727℃時溶碳為

c＝0.77％，1148℃時可溶碳2.11％具有較高塑性第117頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月

馬氏體（Martensite，符號M表示）碳在

-Fe中的過飽和固溶體馬氏體的晶體結(jié)構(gòu)為體心四方結(jié)構(gòu)（BCT），中高碳鋼中加速冷卻通常能夠獲得這種組織普遍具有較高強(qiáng)度和硬度高碳馬氏體低碳馬氏體第118頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月奧氏體和馬氏體奧氏體和馬氏體的結(jié)構(gòu)第119頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月

鐵素體（Ferrite，符號F表示）碳溶解于α-Fe的體心立方晶格中形成的間隙固溶體碳原子含量很少(僅0.02%)強(qiáng)度和硬度低，塑性和韌性好第120頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月

滲碳體（cementite，符號C表示）碳與鐵形成的一種化合物Fe3C，一般含碳6.67％復(fù)雜的正交晶格熔點(diǎn)1227℃極高硬度（BHN600以上）的脆性化合物，塑性、韌性幾乎為零第121頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月

珠光體（pearlite，符號P表示）奧氏體冷卻時，在727℃發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)平均為Wc=0.77%顯微組織為由鐵素體片與滲碳體片交替排列的片狀組織第122頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬材料熱處理分類特點(diǎn)常用方法整體熱處理是對工件整體進(jìn)行穿透加熱退火、正火、淬火+回火、調(diào)質(zhì)等表面熱處理是僅對工件的表面進(jìn)行的熱處理工藝表面淬火和回火（如感應(yīng)加熱淬火）、氣相沉積等化學(xué)熱處理是改變工件表層的化學(xué)成分、組織和性能滲碳、滲氮、碳氮共滲、氮碳共滲、滲金屬、多元共滲等第123頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月非晶態(tài)合金的發(fā)現(xiàn)長期以來，提到合金指的就是晶態(tài)合金。提到非晶態(tài)，指的是玻璃態(tài)的硅酸鹽。上個世紀(jì)六十年代，非晶態(tài)合金的出現(xiàn)，改變了這種情況60年代初Duwez等發(fā)展了濺射淬火技術(shù)，用快速冷卻的方法，使液態(tài)合金的無序結(jié)構(gòu)凍結(jié)起來，形成非晶態(tài)合金Au3Si，對傳統(tǒng)的金屬結(jié)構(gòu)理論是一個不小的沖擊，由于非晶態(tài)合金具有許多優(yōu)良性能：高強(qiáng)度、良好的軟磁性、耐腐蝕性等，很快成為重要的功能材料，獲得很快發(fā)展非晶態(tài)合金第124頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月非晶態(tài)合金的結(jié)構(gòu)特征非晶態(tài)合金與晶態(tài)合金最大的區(qū)別在于長程無序。晶態(tài)合金只要了解一個晶胞中原子的排布，由于周期性，固體中所有原子的排布就都知道了。而非晶態(tài)合金結(jié)構(gòu)特點(diǎn)為短程有序、長程無序，即某一個第一近鄰、第二近鄰原子是有固定排列的，而更遠(yuǎn)的原子是無序的晶態(tài)合金的X射線衍射圖有明確的、銳利的衍射峰，而非晶態(tài)合金只有幾個較圓滑的峰，后面是一些不可分辨的曲線，即非晶態(tài)合金不能從X射線衍射中獲得太多的信息，目前用徑向分布函數(shù)來表征非晶態(tài)合金結(jié)構(gòu)第125頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月非晶態(tài)合金的制備要獲得非晶態(tài)，必須要有足夠快的冷卻速度(>106K/s)，已經(jīng)發(fā)展了許多技術(shù)。不同技術(shù)，非晶態(tài)合金形成過程又有較大的區(qū)別。制備方法大致可以分為三類：（1）由氣相直接凝聚成非晶態(tài)固體，如真空蒸發(fā)、濺射、化學(xué)氣相沉積等，用這種方法非晶材料生長速率相當(dāng)?shù)?，一般只用來制備薄膜?）由液態(tài)快速淬火獲得非晶態(tài)固體，這是目前最廣的制備方法（3）由結(jié)晶材料通過輻射、離子注入等方法，可在金屬表面產(chǎn)生400um厚的非晶層第126頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月非晶態(tài)合金的分類（1）過渡金屬與類金屬元素（例如P、S、B、C等）形成的合金，例如Pd80Si20，Au75Si25，F(xiàn)e80B20，Pt75P25等，一般類金屬元素在合金含量約13%～15%（原子比），實踐證明，在二元合金中若加入某些第三種元素，更容易形成非晶態(tài)材料（2）前－后過渡金屬元素之間形成的合金，這類合金在很寬的溫度范圍內(nèi)熔點(diǎn)都比較低，形成非晶態(tài)的成分范圍較寬。例如：Cu－Ti合金，Ti含量可在33～70%之間，又如Ni－Zr合金，Zr的含量可在33～80%之間變化（3）含La系、Ac系元素的非晶態(tài)合金第127頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月性能與應(yīng)用非晶態(tài)合金具有極高的強(qiáng)度和硬度，強(qiáng)度遠(yuǎn)超過晶態(tài)高強(qiáng)度鋼，σf/E是衡量材料達(dá)到理論強(qiáng)度的程度，一般金屬晶態(tài)材料σf/E約為1/500，而非晶態(tài)含量約為1/50，材料強(qiáng)度利用率大大高于晶態(tài)。另外，非晶態(tài)合金的抗疲勞度亦很高，如Co基非晶態(tài)合金可達(dá)1200MPa。非晶態(tài)合金的延伸率一般較低，但韌性很好，變形時壓縮率可達(dá)40%第128頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月合金

硬度Hv(N/mm2)抗拉強(qiáng)度σ(N/mm2)

延伸率δ(%)

彈性模量E(N/mm2)EHv/σf

Fe80B20

105803400

1.7×105

0.0200.32Fe80P13C7

7450

30400.031.2×105

0.0250.25Co73Si15B12

89203000

0.9×105

0.0340.30Ni78Si10B12

84302450

0.8×105

0.0310.35Cu80Zr20

40201860

0.22Nb50Ni50

8750

1.3×105

非晶態(tài)合金機(jī)械性能

第129頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月形狀記憶合金形狀記憶材料是指具有一定初始形狀的材料經(jīng)形變并固定成另一種形狀后，通過熱、光、電等物理刺激或化學(xué)刺激的處理又可恢復(fù)成初始形狀的材料形狀記憶合金是形狀記憶材料中的一種第130頁，課件共156頁，創(chuàng)作于2023年2月形狀記憶合金特征一次記憶（單程）：材科加熱恢復(fù)原形狀后，再改變溫度，物體不再改變形狀可逆記憶（雙程）：物體不但能記憶高溫的形狀，而且能記憶低溫的形狀，當(dāng)溫度在高低溫之間反復(fù)變化時，物體的形狀也自動反應(yīng)在兩種形狀間變化全方位記憶（全程）：