金属材料的结构

与非金属相比，固态金属具有它独特的性能，如良好的导电性、导热性、延展性（塑性变形能力）和金属光泽。这些是金属的特性么？能否据此来区分金属与非金属呢？思考1.2金属材料的晶体结构否一、金属的特性1.有的非金属也可能表现出上述某些特性：如：石墨能导电金刚石导热无机化合物具有金属光泽；2.各种金属晶体之间，这些特征的差别也很大：鈈、锰的导电能力比银、铜相差近百倍锑、铬、钒等金属是一种“脆性”金属。因此，只根据以上的一些特性来区分金属和非金属是不够充分的。3.金属的特征：正的电阻温度系数主要是与金属原子的内部结构以及原子间的结合方式有关。金属为何具有上述这些特性呢？金属键金属键是金属原子之间的结合键，它是大量金属原子结合成固体时，彼此失去最外层子电子（过渡族元素也失去少数次外层电子），成为正离子，而失去的外层电子穿梭于正离子之间，成为公有化的自由电子云或电子气，而金属正离子与自由电子云之间的强烈静电吸引力（库仓引力），这种结合方式称为金属键。价电子云正离子金属键示意图金属材料以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征：良好的导电、导热性：正的电阻温度系数：金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自由电子的定向运动，从而使电阻升高。不透明，有金属光泽：自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见光能量辐射出来，产生金属光泽。具有延展性：金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发生相对位移时，其结合键不会被破坏，从而具有延展性。返回尽管金属材料都具有相同的原子结合方式，但不同的金属材料性能还是各不相同，为什么呢？物质的性能取决于原子的结合方式和排列方式两个方面。材料的性能除了与原子的结合方式有关，还取决于材料的内部结构。结构即为原子的排列方式和空间分布。1）晶体与非晶体2）纯金属的晶体结构3）金属晶体中的晶面和晶向4）金属晶体的特点5）实际金属的晶体结构二、金属的晶体结构晶体：原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列—长程有序。非晶体：原子无规则堆积，无序排列，也称为“过冷液体”—短程有序。（一定条件下晶体和非晶体可互相转化）晶体常态金属、金刚石、NaCl、冰等。液体非晶体石蜡、玻璃、沥青等。1、晶体与非晶体•微晶：快速凝固的晶态金属或合金的颗粒尺寸要小得多，仅为微米纳米级尺度，高强度高硬度；•准晶：具有与晶体相似的长程有序的原子排列；但不具备晶体的平移对称性即无周期性，可以说是介于晶体和非晶体之间；•液晶：二维长程有序。一些有机化合物和高分子聚合物，在一定温度或浓度的溶液中，既具有液体的流动性，又具有晶体的各向异性，这就是液晶。扩充知识返回a原子堆垛模型b空间点阵c晶格zxyabcd晶胞2、纯金属的晶体结构空间点阵将晶体内部的原子（离子）或原子群（离子群）抽象为无数点子按一定的方式在空间做有规则的周期性分布，这些几何点子的总体称为空间点阵，这些点称为阵点或节点。晶格用一系列假想的平行直线将空间点阵的阵点联结起来，形成的空间网络称为空间格子，也称晶格。晶胞为了研究空间点阵的排列特点，从点阵中取出一个反映点阵特征的基本单元（通常是一个平行六面体）作为其组成单元，这个平行六面体称为晶胞。晶体结构基本概念晶格参数晶胞各棱边的尺寸a、b、c；各棱边间的夹角用、、表示。晶体分为七大晶系，十四个空间点阵：简单三斜简单单斜底心单斜简单正交体心正交面心正交底心正交简单六方简单菱方简单正方体心正方简单立方体心立方面心立方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描述金属晶体结构的一些重要概念晶胞原子数一个晶胞内所含的原子数目。注意相邻晶胞的共有原子的计算方法。原子半径晶胞中最近邻的两个原子之间（平衡）距离的一半。配位数晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。致密度晶胞中原子本身所占的体积与晶胞体积之比.常见的金属晶体结构工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构，其中最典型的为以下三种：（1）体心立方晶格bcc（2）面心立方晶格fcc（3）密排六方晶格hcp⑴体心立方晶格体心立方晶格体心立方晶格的参数•体心立方晶格原子个数：2配位数：8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常数：a(a=b=c)ar43原子半径：⑵面心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格的参数a42r：原子半径原子个数：4配位数：12致密度：0.74常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常数：a•面心立方晶格⑶密排六方晶格密排六方晶格的参数a21r：原子半径原子个数：6配位数：12致密度：0.74常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等晶格常数：底面边长a和高c，c/a=1.633•密排六方晶格XYZabc晶面通过原子中心的平面晶向通过原子中心的直线所代表的方向XYZabc3、金属晶体中的晶面和晶向金属的许多性能和金属中发生的许多现象都和晶体中特定的晶面和晶向有密切关系。立方晶系晶面、晶向表示方法⑴晶面表示法•晶面指数•其确定步骤为：•①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。•②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）。•例一.求截距为、1、晶面的指数截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（010）•例二.求截距为2、3、晶面的指数取倒数为1/2、1/3、0,化为最小整数加圆括弧得（320）•例三.画出（112）晶面取三指数的倒数1、1、1/2,化成最小整数为2、2、1，即为X、Y、Z三坐标轴上的截距⑵晶向表示法•晶向指数。其确定步骤为：•①以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系，通过原点作平行于所求晶向的直线。•②以相应的晶格常数为单位，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。[110][234]说明：①每一晶面指数(或晶向)泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面（晶向）。②在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。③遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。--④晶向具有方向性，如[110]与方向相反。XZY(221)[221][110][110][110]（3）三种常见晶格的密排面和密排方向•单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。•单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。•原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。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（1）有确定的熔点熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线4、金属晶体的特性（2）各向异性不同晶面或晶向原子排列的方式和密度不同引起性能不同的现象。XYZXYZ返回例如：•单晶铁的弹性模量在〈111〉方向上为2.9X105MPa，而在〈100〉方向上只有1.35X105MPa。•体心立方晶格的金属最易拉断或劈裂的晶面为{100}面。多晶体材料的伪等向性实际使用的金属材料大都是多晶体，内部由许许多多晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，因而宏观上各个方向上的性能趋于相同，晶体的各向异性就显现不出来了。5、实际金属的晶体结构变形金属晶粒尺寸约1~100m，铸造金属可达几mm。纯铁组织晶粒示意图⑴单晶体与多晶体•单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。•多晶体晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒。（一般10-5-10-4m）沿晶断口铅锭宏观组织•晶界：晶粒之间的交界面。晶粒越细小，晶界面积越大。•多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图⑵晶体缺陷•理想晶体：是指晶体中原子严格地有规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体。•实际晶体：多晶体+晶体缺陷•晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域，按其几何尺寸特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。①点缺陷•空间三维尺寸都很小的缺陷。空位间隙原子置换原子•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•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，称晶空位间隙原子小置换原子大置换原子格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。空位和间隙原子引起的晶格畸变②线缺陷—晶体中的位错•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刃型位错螺型位错滑移区的交界线称作位错。分刃型位错和螺型位错。•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，这种线缺陷称为刃型位错。多余半原子面的底边即为位错线。位错线周围引起晶格畸变，阻碍变形。刃型位错刃位错的形成•螺型位错：如图所示晶体右边的上部原子相对于下部原子向后错动一个原子间距，即右边上部相对于下部晶面发生错动。若将错动区的原子用线连接起来，则具有螺旋型特征。螺型位错•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)金属的位错密度为104~1012/cm2•位错对性能的影响：减少（晶须）或增加位错密度都可以提高金属的强度。•金属材料的一种强化方式：“冷塑性变形法”----增加位错密度金属晶须退火态(105-108/cm2)加工硬化态(1011-1012/cm2)电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）电子显微镜下的位错观察③面缺陷—晶界与亚晶界•晶界是不同位向晶粒的过渡层。该过渡层处的原子总是不能规则排列，产生晶格畸变，所以它是晶体中的一种重要的面缺陷。•厚度为5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。亚晶粒大角度和小角度晶界位错壁•亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’~2)的小晶块。（10-8-10-6m）•亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁（位错规则排列形成）。晶界及亚晶界的特点：•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，故实际使用时力求获得细晶粒。（细晶强化）•⑥是相变的优先形核部位显微组织的显示思考纯金属的强度不高，耐热、耐蚀性能较差，如何改善？三、合金的晶体结构合金：由金属元素与其他元素（这些元素可以是金属元素，也可以是非金属元素）组成的有金属特征的金属材料。思考金属与非金属组成的是不是一定就是合金？Fe+CFe(C)合金（钢）Fe3C(化合物）基本概念Al-Cu两相合金黄铜组元：组成合金独立的最基本单元。组元可以是元素或是稳定化合物。Fe(C)合金Fe、C组元Fe、Fe3C组元类比鸡蛋水，蛋白质，脂肪，胆固醇相：具有相同结构，相同成分和性能（也可以是连续变化的）并以界面相互分开的均匀组成部分，如液相、固相是两个不同的相。类比鸡蛋蛋白、蛋黄工业纯铁单相铁素体共析碳钢铁素体相、渗碳体相普通陶瓷晶相、玻璃相、气相单相合金两相合金组织：用肉眼或显微镜观察到的材料内部形貌（金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合）图像的统称（宏观组织、微观组织）。组织是影响材料性能的重要因素。相是组织的基本组成部分相同的相，但当组成相的数量、大小、形态和分布不同时，其组织也不同！不同的相构成不同的组织！1、固溶体：溶质原子溶入金属熔剂中形成的合金相称为固溶体。实际合金多是单相固溶体或以