机械工程材料第二章

§2.1金属的晶体结构和组织1.晶体与非晶体3.实际金属的晶体结构4.晶体中的扩散2.金属的晶体结构对材料的认识：宏观；微观。材料结构--------微观认识。如晶体结构第二章工程材料的基础知识一、晶体与非晶体1.晶体：指原子呈规则、周期性排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。金属的结构晶态非晶态Si2O的结构2.区别：(a)是否具有周期性、对称性(b)是否长程有序(c)是否有确定的熔点(d)是否各向异性非晶体：原子呈无规则堆积，和液体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体”。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。二、金属的晶体结构金属的性能不仅取决于其原子组成的本性和原子间结合类型，同时也取决于原子（离子、分子）规则排列的方式（晶体结构）1、金属的晶体结构1）理想晶体——实际晶体的理想化（假定）·三维空间无限延续，无边界·严格按周期性规划排列，是完整的、无缺陷。·原子在其平衡位置静止不动2）理想晶体的晶体学抽象空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小组成单元）。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（即原子中心）称结点。由结点形成的空间的阵列称空间点阵。晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元.3）晶胞的描述晶体学参数：a,b,c,α,β,γ晶格常数：a,b,c4)晶系：根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系：a=b=c，===90六方晶系：a1=a2=a3c,==90,=120立方六方四方菱方正交单斜三斜5）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。6)晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。7)配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。8)致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。2、三种典型的金属晶体结构（包含90%的金属）1）体心立方晶胞BCC（BodyCenteredCube）晶格常数：a(a=b=c)ar43原子半径：原子个数：2配位数：8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等b）面心立方晶胞FCC（Face-CentereCube）晶格常数：a=b=ca42r：原子半径原子个数：4(P17)配位数：12致密度：0.74常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等c)密排六方晶胞HCP（HexagonalClose-Packed）晶格常数：底面边长a和高c，c/a=1.633a21r：原子半径原子个数：6(P17)配位数：12致密度：0.74常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等（d）BCC、FCC、HCP晶胞的重要参数晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度FCCa=b=c,α=β=γ=90o2868%BCCa=b=c,α=β=γ=90041274%HCPa=bc,c/a=1.633,α=β=90o,γ=120oa/261274%3、立方晶系晶面、晶向表示方法晶体中各方位上的原子面称晶面各方向上的原子列称晶向1）晶面指数表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为：⑴确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。⑵取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。XYZ例一、求截距为1,,晶面的指数。截距值取倒数为1,0,0，加圆括弧得（100）例二、求截距为1，2，3晶面的指数。取倒数为1，1/2，1/3，化为最小整数加圆括弧得(632)例三、画出（221）晶面。取三指数的倒数1/2，1/2，1，化成最小整数为1,1,2，即为X，Y，Z三坐标轴上的截距。2）晶向指数表示晶向的符号称晶向指数。其确定步骤为：⑴确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。⑵求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧。形式为[uvw]。例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1，1.5，2，求该直线的晶向指数。将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。例二、已知晶向指数为[110]，画出该晶向。找出1，1，0坐标点，连接原点与该点的直线即所求晶向。3）晶面族与晶向族(hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。那些指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用{hkl}和uvw表示。立方晶系常见的晶面为：{110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY立方晶系常见的晶向111[111][111][111][111]XZY说明：①在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。②遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。--③晶向具有方向性，如[110]与[110]方向相反。XZY(221)[221][110][110]4）密排面和密排方向原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。三种常见晶格的密排面和密排方向为：密排面数量密排方向数量体心立方晶格{110}61114面心立方晶格{111}41106密排六方晶格六方底面1底面对角线3体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面三．实际金属的晶体结构实际晶体——单晶体和多晶体单晶体：内部晶格位向完全一致，各向同性。多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成，各向异性1．晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分。a.点缺陷——晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化空位：晶格结点处无原子置换原子：晶格结点处为其它原子占据间隙原子：原子占据晶格间隙空位间隙原子小置换原子大置换原子对金属性能的影响：点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变，从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。刃型位错螺型位错b.线缺陷(位错)—二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。有刃型位错和螺型位错两种类型。刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。半原子面在滑移面以上的称正位错，用“ㅗ”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错，用“ㅜ”表示。位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金属中的位错密度为1041012/cm2。位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。从-关系可以看出，减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)c.面缺陷——二维尺度很大而三维尺度很小的原子错排区域，分为晶界和亚晶界等。晶界是不同位向晶粒的接触面。亚晶界：由一些列刃型位错所形成的小角度晶界。四、晶体中的扩散1.扩散——原子在晶体中移动距离超过其平均原子间距的迁移现象。2．影响扩散的因素：(1)温度原子能量提高（最主要因素）(2)晶体结构致密度小→克服的能垒小→扩散容易(3)表面及晶体缺陷晶格畸变→高能态原子→激活能小→扩散快§2.2合金的相结构Al-Cu两相合金组元：组成合金的元素，可以是全部是金属或非金属元素。合金—由两种或两种以上的元素组成的具有金属性质的物质。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。1、固溶体通过溶质原子溶入溶剂中形成的均一（成分和性能均匀）且结构与组元之一相同的结晶相。溶质和溶剂的定义(p24)①分类a.按溶质原子的位置分置换固溶体其中溶质原子占据溶质原子点阵位置的固溶体。晶格类型相同,原子半径相差不大,电化学性质相近.b.按溶解度分有限固溶体无限固溶体间隙固溶体：溶质原子位于溶剂原子点阵的间隙位置中的固溶体，原子半径较小。c.按分布有序度分有序固溶体无序固溶体②固溶强化由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。(点缺陷)溶质原子溶入→晶格畸变→位错运动阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。2、金属化合物铁碳合金中的Fe3C当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。非金属化合物：没有金属特性的化合物。合金的晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。具有一定的金属性质、较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。⑴正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si。⑵电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。电子浓度为价电子数与原子数的比值。⑶间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。金属化合物的分类：Fe3C的晶格具有复杂结构的间隙化合物§2.3金属与合金的结晶雾凇什么是结晶？一、结晶与凝固的区别二、纯金属的冷却曲线和过冷现象凝固：L(液态)→S（固态）S可以是非晶1.结晶驱动力ΔF≤0自然界一切自发过程进行的热力学条件：从高能状态趋向低能量状态，即ΔF≤0（自由能之差，不是过冷度ΔT）结晶：一种原子排列状态（晶态或非晶态）过渡为另一种原子规则排列状态（晶态）的转变过程。一次结晶：L→S晶态二次结晶：S→S晶态T0：理论结晶温度（熔点或平衡结晶温度）在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态Δ纯金属的冷却曲线2.冷却曲线与过冷度1）冷却曲线冷却曲线：金属结晶时温度与时间的关系曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。a.当温度TT0时，FsFL,液相稳定b.当温度TT0时，FsFL,固相稳定c.当温度T=T0时，Fs=FL,平衡状态2）过冷与过冷度过冷：液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差T，即T=T0–T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。三、纯金属的结晶过程1、结晶的基本过程:晶核的形成和晶核的长大液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下，经一段时间后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。2、晶核的形成方式形核有两种方式:自发（均匀）形核和非自发（非均匀）形核。自发形核:由液体中排列规则的原子团形成晶核。非自发形核:以液体中存在的固态杂质为核心形核，非自发形核更为普遍。动画演示动画演示3、晶核的长大方式平面长大晶核的长大方式有两种:平面长大和树枝状长大。实际金属的结晶主要以树枝状长大。这是由于晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶晶粒度：表示晶粒大小的尺度，可用晶粒的平均面积或平均直径表示。四、金属晶粒的大小与控制1、晶粒度工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。晶粒度大小与金属材料的性能关系：一般来说，晶粒越细，金属的强度、塑性和韧性就越好。因此细化晶粒是提高金属力学性能的最重要途径之一。2.决定晶粒度的因素过冷度对N、G的影响N/G比值越大，晶粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。形核率(N)：单位时间单位体积内形成的晶核数目。长大速度(G)：单位时间内晶核生长的长度。过冷度ΔT提高，N提高、G提高过冷度ΔT太高，N降低、G降低3.控制晶粒度的因素①提高过冷度②变质处理又称孕育处理。即有意向液态金属内加入非自发形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。③振动，搅拌等对正在结晶的金属进行振动或搅动，一