金属材料的特性与晶体结构.docx

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金属材料的特性与晶体结构

金属材料的特性与晶体结构

●金属:

● 原子均以金属键结合在一起的物貭,叫金属。

它具有高反射率、高导电率、高导热率；与非金属相比较，密度较高。

● 金属分为碱金属、碱土金属、过渡金属、稀土金属。

●金属材料:

● 在所有已被应用的材料中，凡由金属元素或以金属元素为主而形成的，并具有一般金属特性的材料，通称为金属材料。

● 绝大多数金属材料是以合金（两种或两种以上原子组成者）的形式出现，分为钢铁材料和非铁（有色金属）材料。

● 在常温、常压状态下，除汞外的全部金属均为固态。

●

一、金属的特性

１、金属的原子结构特点：

１）、价电子数目较少（１个～３个），电子层数较多，原子核对价电子的引力较弱，价电子极易脫离原子核形成自由电子；

２）、自由电子在正离子（失去价电子的原子）之间作高速运动，形成带负电的电子气（电子雾、电子云），正离子与电子气之间，产生静电引力。

这种静电引力，叫金属鍵；

３）、金属鍵沒有方向性。

２、金属的特性：

１）、强度高：

●金属鍵与离子键和共价键不同，它使金属原子间产生较高的结合力，而且大量原子结合成整体，所以金属的强度高；

２）、金属具有良好的塑变形能力：

由于金属鍵沒有方向性，原子间便没了选择性，所以在外力作用下，原子发生相对位移时，金属鍵也不会遭到破坏；

３）、由于自由电子的存在，金属具有导电、导热性；

４）、由于离子周围的金属鍵是等价具对称，因此，原子在空间必须按能量最低原则排列为晶体；

５）、金属不透明，并呈现特有的金属光泽。

二、金属的晶体结构

●１）、晶体：

● 　由结晶物质构成的物体,是物质存在的一种基本形式。

它的特点是，其所含原子、离子、分子等，具有三维周期性的规则排列。

即，同种类型、同样数量的物质粒子或粒子集团在空间排列上，每一定距离重复出现；

●晶体的基本特性：

结构乃至外观的对称性、性质的各向异性、宏观均匀性；

晶体可以是天然的，也可是人工合成的。

２）、非晶体：

●不具备晶体的特点的物质，叫非晶体。

●２、空间点阵

３、典型金属的晶体结构：

４、金属的实际晶体结构：

１）、多晶体结构

２）、晶体缺陷

Ａ、点缺陷：

Ｂ、线缺陷

Ｃ、螺旋位错

Ｄ、晶界

实际晶体中与理想点阵结构发生偏差的区域即称为晶体缺陷。

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。

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、异类原子等。

线缺陷：

在两个方向上尺寸很小，而在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。

体缺陷：

在三维空间各方向上尺寸都较大的缺陷。

如空隙、气泡等。

一、点缺陷与材料行为：

1、结构变化：

晶格畸变（如空位引起晶格收缩，间隙原子引起晶格膨胀，置换原子可引起收缩或膨胀）

2、性能变化：

物理性能（如电阻率增大，密度减小）。

力学性能（屈服强度提高）

二、位错：

dislocation：

位错是晶格中的某处有一列或若干列原子发生了某些规律的错排现象。

位错的意义：

对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性的作用，对材料的扩散、相变过程有较大的影响。

三、晶态固体的面缺陷主要有表面、晶界和相界

表面：

固体的外表面。

晶界：

相邻两个晶粒的边界。

相界：

晶体中不同相之间的边界。

晶界的行为：

界面能会引起界面吸附（晶界偏析）；界面上原子扩散速度快；对位错运动有阻碍作用；易被氧化和腐蚀；原子的混乱排列利于固态相变的形核。

合金钢中合金元素之间以及合金元素与铁之间产生相互作用，可能形成各种金属间化合物。

金属间化合物保持着金属的特点，对奥氏体不锈钢、马氏体时效钢和许多高温合金的强化有较大的影响。

1．铬Cr

铬在钢中的角色多元且重要，它会形成安定而硬的碳化物，而且具抗蚀性，其主要作用有：

a．增进钢的硬化能和渗碳作用。

b．使钢在高温畤仍具高强度。

c．能增加耐磨耗性。

d．增高钢之淬火温度。

f．能增进钢的抗腐蚀性。

2．镍Ni

镍在钢中的影响有:

a．增进钢的硬化能。

b．能降低热处理时的淬火温度，因之在处理时变形小。

c．能增加钢的韧性。

d．高镍合金钢能耐腐蚀，例如：

不锈钢就含有8%左右的镍。

3．钨W

钨能耐高温，而且溶於钢中会与碳形成碳化物称为碳化钨，能提高钢的强度。

此外，

a．钨可以提高钢之淬火温度。

b．加强钢之断面组织细微化，抵抗回火软化。

c．可以降低淬火时钢之晶粒生长之趋势。

d．钨钢刀具有红热硬度。

e．可增加钢之保磁性，故可配入钢中而制造永久磁钢。

4．钒V

钒可以无限量固溶入铁中，并阻止沃斯田铁晶粒的成长，钒在钢中有脱酸除氧之能力，故含钒之钢其断面结晶密实，此外钒的作用还有：

a．能提高淬火温度。

b．改善硬化能，高温淬火加热时，能防止其晶粒生长。

c．有助於钢之结晶组织细微化。

5．锰Mn

锰亦为钢中重要元素，其作用及影响如下:

a．在适量下，锰量增加可增加钢之最大强度及硬度。

b．锰有脱氧及脱疏功效，故锰能发掸钢之锻造性与可塑性。

c．锰在钢中含量多，可降低钢之淬火温度。

d．可增进钢之硬化深度，尤其在含碳量高之油硬性锰钢为最显著。

6．钼Mo

钼可增加钢之最大强度及硬度，因此在合金钢中也颇为重要。

a．能改善钢在高温之抗拉及潜变强度。

b．在工作红热情况下，能使钢之硬度保持不变。

c．高速工具钢含钼，可予以较佳之切割性能。

d．合金钢中加入钼可去除回火脆性。

7．钴Co

钴为制造合金钢之重要元素，在钢中可以生成碳化物，但也可能有不良影响，它具有以下特性：

a．钴可代替镍，如增加强度及耐热等性能。

b．会降低钢的硬化能。

c．能提高钢之淬火温度。

d．增加钢之保磁能力，故为制造磁石钢之主要元素。

8．钛Ti

钛在钢中易与碳形成碳化物TiC，其他特性：

a．钛在不锈钢中，可以防止高温时铬量的局部减少，维持其

防蚀的能力

b．可以防止合金钢由高温徐冷时的脆化现象。

9．铜Cu

合金钢中铜之含量不可以超过1.5%，否则会使钢变脆，此外

a．铜在钢中有抵抗大气腐蚀之性能。

低碳钢内含铜1%，其抵抗大

气腐蚀性约较不含铜者高出四倍。

在不锈钢中加铜3-4%，亦有助不锈钢之防蚀作用。

b．可以增加钢的强度，但不宜超过0.2%。

10．铝Al

a．极易与氧结合形成氧化铝，是一种强脱氧剂。

b．能抑制晶粒成长。

c．是氮化用钢的重要元素。

11．硫S

硫在钢中为有害之杂质，硫与铁化合成为FeS，与锰化合成MnS，其结果：

a．会增加钢的热脆性

b．硫含量0.2%以上，就会严重影响钢的强度和韧性

c．硫可使钢强度降低，因此有利於钢的切削，但除了易切钢之外，极少利用。

12．矽Si

矽在钢中其作用如下:

a．矽能增加钢之电磁传导率，故适於制造电气材料。

b．矽会加速钢之结晶生长变粗，因此含量约在0.05~0.30%。

c．矽能增高淬火温度。

d．会阻碍碳元素溶於钢中。

e．对於炭量较高之钢，矽多则增加脆性，

f．增加耐热钢的氧化性，可用为脱酸性。

综合各种合金元素对於碳钢的影响，而选择添加合金元素时必须考虑元素特性及应用场合的需要，适材适所才是最重要的，如果不燎解特性贸然选择，不但可能增加成本，效果也可能适得其反。

5、合金的相结构：

合金：

是通过某种特定方法，将一种金属元素同另一种或多种元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质。

相：

是系統中均匀的、与其它部分有界面分开的部分。

相变：

相与相之间的转变。

合金可以按所含相的数量分为单相合金与多相合金

１）、固溶体：

是一种固态溶液，并且是均匀的单一晶相。

有关固溶体的溶剂、溶质、溶解度与化学中对溶液的描述是相同的，只是固、液的区别；在形成固溶体时、产生固溶强化。

Ａ、有限固溶体和无限固溶体；

Ｂ、有序固溶体和无序固溶体；

Ｃ、置換固溶体和间隙固溶体。

２）、金属化合物：

固溶体保持了溶剂晶体结构，但溶质的溶解度往往很有限。

当在溶剂金属中加入的溶质量超过其溶解度时，将会产生新的相，这种新的相叫化合物。

如果这种化合物由金属鍵结合、且具有金属特性，便叫金属化合物。

金属化合物种类多，主要有：

Ａ、正常价化合物

Ｂ、电子化合物

Ｃ、间隙相（简单的相结构）与间隙化合物（复杂的相结构）；钢、铁中最常见。

３）、非晶相

特点：

Ａ、原子近程有序、远程无序；

Ｂ、原子的势能较高，方向远程有序转变的自发倾向；

晶化温度越高，非晶化结构越稳定。

●请记住：

●１、金属的概念及特性；

●２、什么是晶体？

●３、晶体缺陷存在的意义？

●４、固溶体的概念？

●５、金属化合物存在的意义？