金属材料与热加工工艺2

材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT《材料及热加工工艺》第二章金属及合金的结构与结晶§1金属的结构与结晶§2合金的结构与相图材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT第一节金属的结构与结晶一、金属键与金属的特性金属原子的外层电子少，容易失去。当金属原子相互靠近时，外层原子就脱离原子，成为自由电子，为整个金属所共有，自由电子在金属内部运动，形成电子气。这种依靠自由电子与金属正离子的相互吸引而结合的方式称为金属键。金属的定义（传统）：--是具有良好的导电性、导热性、延展性（塑性）和金属光泽的物质。材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT二、金属的晶体结构1.晶体的概念固体物质按原子排列的特征分为:晶体:（1）结构有序；（2）物理性质表现为各向异性；（3）有固定的熔点非晶体:（1）结构无序；（2）物理性质表现为各向同性；（3）没有固定熔点材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT2、晶格与晶胞⑴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⑵晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT⑶晶格常数：晶胞各边的尺寸a、b、c。各棱间的夹角用、、表示。立方六方四方菱方正交单斜三斜材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT•⑸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。⑹晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。⑺配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。⑻致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT2、常见的金属晶格体心立方晶格bcc面心立方晶格fccα-Fe、Cr、W、Moγ-Fe、Cu、Ni、AlZn、Mg密排六方晶格hcp材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT体心立方晶格的参数材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT面心立方晶格的参数材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT密排六方晶格的参数材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT单晶体多晶体多晶体由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，具有各向同性，每一个晶粒相当于一个单晶体。三、金属的实际晶体结构与晶体缺陷1、单晶体、多晶体单晶体：晶体内部的晶格位向（即原子排列的方向）完全一致，具有各向异性，只有采用特殊的方法才能得到单晶体。晶粒示意图材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT1)点缺陷是指三维尺寸都很小，不超过几个原子直径的缺陷。晶体中的点缺陷1、2－空位；3、4－间隙原子；5、6－置换原子材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT•晶格的不完整部位称晶体缺陷。•实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，即点、线、面缺陷。2、实际金属的晶体缺陷材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT•a.空位：晶格中某些缺排原子的空结点。•b.间隙原子：挤进晶格间隙中的原子。可以是基体金属原子，也可以是外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT•c.置换原子：取代原来原子位置的外来原子称置换原子。•点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，空位间隙原子小置换原子大置换原子•称晶格畸变。从而使强度、硬度，塑性、韧性。材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT2）线缺陷位错：晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。是指二维方向上尺寸较小，在另一维方面上尺寸较大的缺陷。材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT实际晶体中往往含有大量位错，通常把单位体积中所包含的位错线总长度称为位错密度。螺型位错示意图退火态(105-108/cm2)加工硬化态(1011-1012/cm2)材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT3)面缺陷----二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷，通常是指晶界和亚晶界。材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT•晶界的特点：•①原子排列不规则。•②熔点低。•③耐蚀性差。•④易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。•⑤阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。•⑥相变的优先形核部位显微组织的显示材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT四金属的结晶1、金属结晶的概念金属自液态经冷却转变为固态的过程是原子从排列不规则的液态转变为排列规则的晶态的过程。结晶：液体--晶体凝固：液体--固体（晶体或非晶体）晶体液体材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT过冷是结晶的必要条件。ΔT=T0–T1过冷度：冷速越快，过冷度越大.纯金属结晶时的冷却曲线结晶潜热的释放维持温度不变，即出现平台。材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT2、结晶过程液态金属结晶是由形核和长大两个基本过程来实现。材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT(1)晶核的形成1）自发形核——依靠液态金属本身在一定过冷度下由其内部自发长出结晶核心。但需要很大的过冷度，如：纯铜结晶ΔT=236℃２)非自发形核——晶核依附金属液体中未溶的固态杂质表面而形成晶核，所需过冷度为20℃。晶核长大的实质就是原子由液体向固体表面的转移。（2）晶核的长大材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT树枝状晶体长大过程顶角和棱边处散热条件优于其它部位树枝状晶体长大过程金属的树枝晶顶角和棱边处散热条件优于其它部位材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT3、晶粒大小对金属力学性能的影响及细化晶粒的方法形核率N：单位时间内在单位液体体积中形成的晶核数目。长大率G：单位时间界面向前推进的距离。金属结晶后晶粒愈细，强度、硬度愈高，塑性、韧性也愈好。∴N/G值越大，结晶后的晶粒越细。例：纯铁的晶粒d：70μm减至1.6μmσb：184MPa增至270MPaδ：30.6%增至50.7%材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT细化晶粒的途径:1）提高冷却速度V冷△TN晶粒细小2）变质处理起外来晶核的作用或机械阻碍作用3）机械振动、超声波振动、电磁搅拌等。材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT4、金属铸锭的组织材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT§2合金的结构与相图一、合金的基本概念•合金：由两种或两种以•上的金属、或金属与非金属，经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。钢、铸铁等•组元：组成合金最基本的、独立的物质，简称为元。可以是元素，也可以是稳定的化合物。有二元、三元合金等。Al-Cu两相合金黄铜（Cu-Zn）材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT•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。单相合金两相合金材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT二、固态合金中的相结构(固溶体和金属化合物)•定义：溶质原子溶入溶剂晶格中形成的合金相，并不改变溶剂的晶格类型；固溶体的成分不固定。固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。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⑴固溶体材料及热加工工艺—第二章金属及合金的结构与结晶西安理工大学材料科学与工程学院schoolofmaterialscienceandengineeringofXAUT•①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