工程材料与热加工基础(CH2-1)

第二章材料的结构、凝固与变形•本章的重点：•1、三种常见的晶体结构及其基本性能。•2、实际金属的晶体缺陷及其对性能的影响。•3、合金的结构—固溶体与金属化合物的概念与特点（结构特点与性能特点）。•4、结晶条件、结晶过程及细化晶粒的方法。•5、金属的滑移，塑性变形对金属组织与性能的影响。回复与再结晶的概念。§2-1金属的晶体结构•一、晶体的概念•晶体：原子在空间呈长程有序排列的固态物质。•非晶体：原子或分子无规则的堆积在一起的固态物质。•二、晶体的特征：•1、原子在空间呈长程有序排列•2、是各向异性的。•3、有固定的熔点。三、金属键•金属最外层的价电子数目少，易失去电子变成正离子，正离子按一定的几何形式规则的排列起来，而脱离原子束缚的价电子以自由电子的形式在各离子之间自由运动，为它们所共有，形成“电子气”，金属晶体就是靠各离子与公有电子间的相互引力结合起来，而离子之间与电子之间的斥力与引力相平衡。•正是由于金属键使金属具有良好的塑性、导电性与导热性等。四、三种常见的金属晶体结构•1、几个概念•为描述晶体内部原子的排列，将原子视为刚性球体。•刚性球体—原子浓缩成一个点（空间点阵）—用假想的直线连接起来，形成空间格子（晶格）—取出一个有代表性的最小几何单元—单位晶体（晶胞）晶格：描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架。晶胞：组成晶格最基本的几何单元。•晶格常数：晶胞的棱边长度。用Å埃表：1Å=10-8cm•晶面：晶格中各方位的原子面。•晶向：晶格中各方向的原子列。2、体心立方晶格body-centeredcubiclattice(bcc)•常见金属：Cr、Mo、W、V、-Fe等属于bcc。•致密度：V原子/V晶胞=68%•3、面心立方晶格face-centeredcubiclattice(fcc)•常见金属：Cu、Al、Ni、Ag、Au-Fe等属于fcc。•致密度：V原子/V晶胞=74%•从以上看出fcc与bcc的致密度不同。铁在高温为fcc，912Cº以下为bcc，若原子半径不变，铁从高温到低温会发生什么现象？•4、密排六方晶格hexagonalclose-packedlattice(hcp)•常见金属：Cd、Mg、Zn、Ti等属于hcp。•致密度：V原子/V晶胞=74%5、晶体的各向异性•单晶体：同一晶体中晶格类型与空间位向排列完全一致的称单晶体。单晶体在不同方向和不同晶面上原子排列不同，所以在不同方向上的性能也不同，这就叫晶体的各向异性。如bcc铁晶体在[111]向上E=290000MN/m2，在[100]向上E=135000MN/m2。五、实际金属的晶体结构•(一)多晶体结构和亚结构•实际晶体是由许多不同位向小单晶体组成的多晶体。这些小单晶体叫晶粒，晶粒与晶粒之间的交界叫晶界。•一个晶粒内晶格位向有微小差别的小区域叫亚结构。•既然实际晶体是多晶体组成，是否还存在着单晶体的各向异性？为什么？(二)晶体缺陷与强化•1、点缺陷（在三维方向尺寸都小的缺陷）•间隙原子和空位。•无论是间隙原子和空位都引起周围晶格产生畸变，阻碍原子的移动，必需施加更大的外力，从而提高了材料的强度。2、线缺陷（在一维方向上尺寸较大的缺陷）•位错：晶格中一列或若干列原子的错排现象。分刃型位错和螺型位错。•刃位错上半部分原子受压，下半部分原子受拉。离位错线越近晶格畸变越大，应力越大。•以位错线为中心的管道区周围晶格都发生了畸变，从而阻碍位错的运动，使材料的强度提高。由于线缺陷的影响面比点缺陷大的多，因此对材料性能的影响也大的多。3、面缺陷（在两维方向上尺寸较大的缺陷）3、面缺陷（在两维方向上尺寸较大的缺陷）•1）晶界：多晶体中不同位向晶粒间的交界。•晶界的重要特性：1）晶界相互交错，原子排列紊乱，常温下对晶体的滑动起阻碍作用，从而使晶粒小即晶界多的材料的强度、硬度高—细晶强化。2）因原子排列紊乱，能量高，原子易扩散，易受腐蚀。固态下结构的改变首先从晶界开始。•2）亚晶界：亚晶粒的交界，位向差小于2º。六、合金的相结构•合金：由两种或两种以上的金属或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质叫合金。•根据固态下，合金的组元间作用方式不同，合金的相结构（基本相）分为两种，即固溶体和化合物。•（一）固溶体•1、固溶体概念•合金凝固时，组成合金的组元共同形成一种成分和性能均匀的，且与某一组元的晶格相同的物质—固溶体。•2、固溶体分类•1）间隙固溶体•形成间隙固溶体的条件：r质/r剂0.59，过渡族元素（Fe、Mn等）为溶剂与尺寸小的非金属元素C、N、B、H等形成。•2）置换固溶体3、固溶体的特点•1）固溶体的晶格类型与溶剂的相同，是单相。•2）由于溶质原子的溶入，使溶剂晶格产生畸变。溶质原子与位错的交互作用，使位错运动的阻力增加，使材料的强度硬度提高，这种现象叫固溶强化—是金属材料的强化方法之一。•3）固溶体本身的强度、硬度较低，塑性和韧性好，是材料的基本相。（二）金属间化合物•1、金属间化合物概念•组元间相互作用，形成一种与组成新相的任何一组元的晶格形式和性能都不相同的并具有一定金属性质的物质叫金属间化合物。一般具有复杂的晶体结构，如Fe3C。2、金属化合物的特点•1）金属化合物的晶格类型与组成它的任何组元都不相同，是单相。•2）金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性。•3）金属化合物是强化相。•工业合金通过调整固溶体的溶解度及化合物的数量、大小、形状、分布等，可使合金的机械性能在一个很大的范围内变化，以便满足不同的性能要求。