工程材料—金属材料的结构与组织

第1章材料的结构与性能材料科学与工程学院本节重点1.晶体学基本概念2.三种常见金属的晶体结构特征3.立方晶系的晶向指数和晶面指数的标定4.点缺陷的类型5.位错的类型及其特征1.1金属材料的结构与性能1.1.1纯金属的晶体结构1.1金属材料的结构与性能晶体非晶体金属的结构晶态非晶态SiO2的结构常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。固体是指原子呈规则排列的固体。是指原子呈无序排列的固体。1.1.1纯金属的晶体结构●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。●晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。晶格与晶胞晶体的基本概念晶系：立方六方四方菱方正交单斜三斜晶格常数：晶胞个边的尺寸a、b、c。各棱间的夹角用、、表示。•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晶体的基本概念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。晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。配位数及致密度：配位数是指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百分数。晶体的基本概念1.三种常见的金属晶体结构六123面心立方结构（A）face-centredcubiclattice常见金属晶体结构体心立方结构（A）body-centredcubiclattice密排方结构（A）hexagonalclose-packedlattice体心立方点阵BCCα-Fe,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W面心立方点阵FCCγ-Fe,Al,Ni,Pb,Cu,Ag,Au密排六方点阵HCPBe,Mg,Zn,Cd,Zr,Hf,低温Tin=8×1/8+1=2a）晶胞中的原子数b）点阵常数与原子半径原子半径：密排最邻近两原子间距的一半α-Fe,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W体心立方点阵（BCC）：CNbcc=8单位晶胞中原子所占有的体积Vs单位晶胞的体积Vcc）致密度（APF)=d）配位数（CN）：晶体结构中，任一原子周围最近邻且等距的原子数。体心立方点阵（BCC）：α-Fe,V,Nb,Ta,Cr,Mo,W体心立方晶胞中的空隙位置八面体间隙间隙半径为0.154R1000.633R110四面体间隙间隙半径为0.291R体心立方点阵（BCC）：α-Fe,V,Nb,Ta,Cr,Mo,Wn=8×1/8+6×1/2=4面心立方点阵（FCC）CNfcc=12γ-Fe,Al,Ni,Pb,Cu,Ag,Au面心立方点阵（FCC）八面体间隙间隙半径为0.414R四面体间隙间隙半径为0.225R面心立方晶胞中的空隙位置γ-Fe,Al,Ni,Pb,Cu,Ag,Au密排六方点阵（HCP）n=12×1/6+2×½+3=6理想状态，c/a=1.633时，a=2RCNhcp=12Be,Mg,Zn,Cd,Zr,Hf,低温TiFe淬火时发生固态相变FCC→BCC，导致体积膨胀；C在γ-Fe（FCC）中的溶解度远大于α-Fe（BCC）。三种典型金属结构的晶体学特点2.金属晶体中的晶面和晶向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。表示晶面的符号称晶面指数。表示晶向的符号称晶向指数。opuavbwc阵点坐标abc（x1,y1,z1）,(x2,y2,z2)二点连线的晶向指数：[x2-x1,y2-y1,z2-z1]*指数看特征，正负看走向求法：1）确定坐标系2）过坐标原点，作直线与待求晶向平行；3）在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（x，y，z）4）将此值化成最小整数u，v，w并加以方括号[uvw]即是。abc[110][111][100][011][010][110]-[210][101]（代表一组互相平行，方向一致的晶向）1）晶向指数求法：1）确定坐标：按晶格定向方式2）求截距：晶面与三轴的截距，m(a),n(b),p(c)；3）取倒数：1/m,1/n,1/p4）互质化：加括号，记为（hkl）2）晶面指数(112)(111)(110)(001)不能将坐标原点选在待定的晶面上；若晶面与坐标轴平行，则截距为无穷大；若有负号，表示在数字上方。(111)(hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。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uvw和{hkl}表示。3）晶面族与晶向族说明：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]3）晶面族与晶向族4）晶面及晶向的原子密度体心立方晶格中，原子密度最大的晶面族为{110}，称密排面；在面心立方晶格中，密排面为{111}。不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的。体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度体心立方晶格中，原子密度最大的晶向族是〈111〉，称密排方向。在面心立方晶格中，密排方向为〈110〉。4）晶面及晶向的原子密度3.金属晶体的特性1）具有确定的熔点2）具有各向异性不同晶面和晶向上原子排列的密度不同。4.实际金属中的晶体缺陷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。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。金属多晶体示意图单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体：点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、杂质或溶质原子等。线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。晶体缺陷：实际晶体中与理想点阵结构发生偏差的区域。原子的不规则排列产生晶体缺陷。晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用。4.实际金属中的晶体缺陷(1)点缺陷点缺陷是最简单的晶体缺陷，它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列的一种缺陷。晶体点缺陷包括空位、间隙原子、置换原子，以及由它们组成的复杂点缺陷，如空位对、空位团和空位-溶质原子对等。(2)线缺陷—晶体中的位错刃型位错螺型位错混合位错位错：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滑移区的交界线称作位错。多余半原子面错开一个原子间距a.先定位错线的正向ζ，通常为纸面方向b.从任一原子出发，围绕位错以一定的步数作一右旋闭合回路c.在完整晶体中，按同样的方向和步数作相同的回路，该回路封闭，由终点向起点引一矢量，使该回路闭合，即为位错的伯氏矢量表示位错区原子的畸变特征的矢量刃型位错•伯氏矢量的确定伯氏矢量刃型位错的伯氏矢量b特点：其与位错线ζ垂直。--螺型位错的伯氏矢量有位错的晶体完整晶体螺型位错的伯氏矢量b特点：其与位错线ζ平行。--伯氏矢量位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。位错的特点：a.晶格畸变，产生内应力；b.刃型位错易吸纳异类原子；c.位错易移动；d.正负刃型位错可相消；e.刃型位错可攀移。伯氏矢量晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(1~2)的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。(3)面缺陷—晶界与亚晶界1.1.2合金的晶体结构第1章材料的结构与性能1.合金及相的概念2.相的分类及其特征3.固溶强化及其原因本节重点1.1金属材料的结构与性能1.1.2合金的晶体结构1.1.2合金的晶体结构合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu两相合金黄铜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1.1.2合金的晶体结构1.固溶体1）固溶体的分类按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。按溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。习惯以、、表示。随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降—固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。2）固溶体的性能如：工业纯Al的硬度为35～40HBS，Al-Cu合金为120-145HBS合金中其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。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。1).正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si2).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。3).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。2.金属化合物(1)间隙相：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。(2)具有复杂结构的间隙化合物当r非/r金0.59时形成复杂结构间隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Cr23C6的晶体结构1.基本概念：晶格、晶胞、晶格常数、合金、相2.三种常见金属的晶体结构特征3.立方晶系的晶向指数和晶面指数的标定4.点缺陷的类型5.位错的类型及其特征6.相的分类及其特征7.固溶强化及其原因一、填空题1.同非金属相对，金属的主要特征是（）。2.晶体与非晶体结构上的最根本区别是（）。3.γ-Fe的一个晶胞内的原子数为（）。二、选择题1.晶体中的位错属于：A．体缺陷B.面缺陷C.线缺陷D.点缺陷2.在面心立方晶格中，原子密度最大的晶向是：A.100B.110C.111D.{111}3.在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是：A.｛100｝B.｛110｝C.｛111｝D.{120}三、综合题1.在立方晶胞中画出(110)、(120)晶面和[211]、[120]晶向。2.α-Fe、Al、Cu、Ni、Mg、Zn各属于何种晶体结构？3.已知α-Fe的晶格常数a=2.87×10-10m，试求出α-Fe的原子半径和致密度。4.什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？5.实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？