金属材料的结构与组织.ppt

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金属材料的结构与组织金属材料的结构与组织金属材料的结构与组织金属材料的结构与组织材料科学与工程系山东电力高等专科学校1纯金属的晶体结构金属材料通常都是晶体材料。

金属的晶体结构决定着材料的显微组织和材料的宏观性能。

1.1晶体的基本概念非晶体其内部原子杂乱无章地无规则堆积。

如玻璃等非晶体晶体指材料中的原子（离子或分子）在空间呈规则、周期性排列的物体。

晶体晶体结构晶体中原子（离子或分子）在空间规则排列的方式。

在讨论晶体结构时，可以假设晶体内的原子（或离子）是一些静止不动的小球。

则各种晶体结构就可以看成是由这些小球按一定几何方式紧密排列堆积而成的。

原子（离子）排列刚球模型晶格：

为了表述晶体内部原子排列的细节，可把原子抽象为一个几何点，而把原子之间的相互作用假想为几何直线。

这种用于描述原子在晶体中排列的三维空间几何点阵称为晶格。

晶格中直线的交点称为结点。

晶体结构示意图能够代表晶格特征的最小几何单元晶格晶胞构成晶格的最基本单元。

晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。

晶胞的基本特性即反映该晶体结构（晶格）的特点。

晶胞XYZbca晶格常数a，b，c若a=b=c，=90，这种晶胞就称为简单立方晶胞。

具有简单立方晶胞的晶格叫做简单立方晶格。

晶格参数晶胞的棱边长度a、b、c和棱间夹角、是衡量晶胞大小和形状的六个参数，称为晶格参数。

晶格常数指棱边长度a、b、c。

体心立方晶格（bcc）面心立方晶格（fcc）密排六方晶格（hcp）1.2三种常见的金属晶体结构bccfcchcp晶体的晶格共有14种。

1.体心立方体晶格属于立方晶系。

晶格参数为a=b=c；=90。

晶胞是一个正立方体，立方体八个角和体心处各有一个原子。

晶胞的原子数为2个（1/88+1）。

属此晶格的金属有：

铁、铬、钨、钼、钒、钛、铌等。

体心立方晶胞示意图致密度:

0.68即晶格中有68%的体积被原子占有，其余为空隙2.面心立方体晶格也属于立方晶系。

晶格参数为a=b=c；=90。

晶胞是一个正立方体，立方体的八个角和六个面的面心各有一个原子，晶胞原子数为4个（1/88+1/26）。

属此晶格的金属有：

铁、铝、铜、镍、金、银、铅等.面心立方晶胞示意图致密度0.743.密排六方晶格属于六方晶系。

晶格参数a=bc；=；=120。

每个晶胞是一个正六方柱体，六方晶胞的十二个角和上、下底面中心各有一个原子，上、下底面之间还均匀分布着三个原子,即晶胞中共有6个原子。

属此晶格的金属有：

镁、锌、铍、钛、镉等。

密排六方晶胞示意图致密度0.74CC（石墨）、石墨）、MgMg、ZnZn等等晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角90晶胞原子数：

6致密度：

0.74晶格中原子的排列、密度对金属的塑性变形能力影响很大，如面心立方晶格的金属塑性好，密排六方晶格的金属塑性差。

晶格中原子排列得越紧密，则相同数量原子所占空间体积越小；反之越大。

由于面心立方晶格比体心立方晶格原子排列的紧密，当金属晶体结构由面心立方转变为体心立方晶格时，发生体积膨胀。

所以钢在淬火时因相变会发生体积变化。

此外，金属的其他性能如导电性、导磁性、力学性能等也与晶体结构有着密切的关系。

具有确定的熔点纯金属进行缓慢加热时,达到一定的温度,固态金属会熔化成为液态金属。

在熔化过程中,温度保持不变。

其熔化温度（T0）称为熔点。

而非晶体材料在加热时,由固态转变为液态时,其温度逐渐变化。

金属晶体的特性晶体和非晶体的熔化曲线组成晶体的质点（原子、离子或分子）在三维空间按一定规律排列，故金属具有规则的几何形状；具有各向异性即晶体在不同方向上具有不同的性能。

金属晶体的力学、物理和化学等方面的性能在不同的方向上是不一样的。

但是对于实际使用的金属，由于其内部由许许多多个晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，因而在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同，晶体的各向异性就显示不出来了。

非晶体在各个方向上性能完全相同，这种性质叫非晶体的各向同性。

1.3实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构与理想晶体的结构不同。

实际金属是由很多结晶位向不同的小晶体（即晶粒）组成，晶粒内晶体的位向不同。

一般金属都是多晶体。

晶粒之间的分界面称为晶界。

1Cr17不锈钢的多晶体单晶体：

内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。

如单晶Si半导体。

多晶体：

由许多位向不同的晶粒构成的晶体。

晶粒（单晶体）多晶体的晶粒与晶界示意图1.单晶体与多晶体金-镍合金中的晶粒晶粒晶粒指金属中晶格位向基本一致且有边界与邻区指金属中晶格位向基本一致且有边界与邻区分开的区域。

晶粒是些形状不规则的多面体。

相邻分开的区域。

晶粒是些形状不规则的多面体。

相邻晶粒间晶格的位向有明显差别。

晶粒间晶格的位向有明显差别。

2.2.晶粒和亚晶粒晶粒和亚晶粒亚晶粒亚晶粒指晶粒内晶格位指晶粒内晶格位向差小于向差小于22的更小的晶的更小的晶块。

亚晶粒内的位向完全块。

亚晶粒内的位向完全相同。

相同。

晶粒由许多位向相差很小的亚晶粒组成。

金-镍合金中的亚晶粒3.晶体缺陷点缺陷：

空位、间隙原子、置换原子线缺陷：

位错面缺陷：

晶界与亚晶界晶体缺陷指晶体中局部原子排列不规则的区域。

根据晶体缺陷的几何形态和原子对排列不规则性的影响范围，可分为三大类。

晶体内部一般都存在缺陷。

所谓缺陷即实际金属晶体结构与理想结构的偏离。

点缺陷：

指在三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。

包括晶格空位、间隙原子、置换原子三种.间隙原子位于晶格间隙处的原子；晶格空位晶格中缺少原子的结点；置换原子出现在晶格结点处的异类原子。

a）间隙原子和晶格空位b）大原子置换原子c）小原子置换原子晶体中的点缺陷都处在不断的变化和运动中，其位置随时在变。

这是金属原子扩散的一种主要方式，也是金属在固态下“相变”和化学热处理工艺的基础。

空位的存在有利于金属内部原子的迁移（即扩散）。

点缺陷造成局部晶格畸变（撑开或靠拢）,使金属的电阻率、屈服强度增加，密度发生变化。

刃型位错示意图管状正刃型位错负刃型位错线缺陷：

指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷。

其主要形式是位错。

位错是指晶体中某一列或若干列原子发生有规律的错排现象。

由晶体中原子平面的错动引起。

位错有两种：

刃型位错和螺型位错。

螺型位错螺型位错晶体右边上部点相对于下部点向后错动一个原子间距，即右边上部相对于下部沿晶面发生错动。

若将错动区的原子用线连接起来，则具有螺旋型特征。

这种线缺陷称螺型位错。

位错能够在金属的结晶、塑性变形和相变等过程中形成。

位错的多少可用位错密度表示。

位错密度指单位体积内位错线的总长度，量纲为（cm-2）。

晶体中的位错由于原子错排、晶格畸变而产生应力场，使外力作用下金属晶体的塑性变形变得困难，从而提高强度。

位错的存在极大地影响金属的力学性能。

当金属为理想晶体或仅含极少量位错时,金属的屈服强度s很高,当含有一定量的位错时,强度降低。

当进行形变加工时,位错密度增加,s将会增高。

金属的强度与位错密度的关系面缺陷：

在两个方向上尺寸很大呈面状分布的缺陷。

金属晶体的面缺陷主要有两种：

晶界和亚晶界。

晶界晶界晶粒之间原子排列不规则的区域。

晶粒之间原子排列不规则的区域。

它实际上是它实际上是晶格位向不同的相邻晶粒在原子排列上的过渡区。

晶格位向不同的相邻晶粒在原子排列上的过渡区。

晶界结构示意图晶粒1晶粒2晶界晶界原子排列示意图晶界在空间中呈网状面缺陷处的晶格畸变较大，界面处能量高，影响范围也较大。

因此，晶界具有与晶粒内部不同的特性。

亚晶界亚晶界亚晶粒之间的边界（过亚晶粒之间的边界（过渡区），也称小角度晶界。

它也渡区），也称小角度晶界。

它也是一种原子排列不太规则的区域是一种原子排列不太规则的区域.亚晶界亚晶界是位错规则排列的结构。

例如，亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成。

晶界是具有一定厚度、原子无规则排列的过渡带。

在腐蚀环境中，晶界容易被腐蚀。

晶界熔点较晶内低。

晶界处能量高、杂质多，金属相变时优先形成晶核；晶界处的硬度、强度高于晶内。

晶界的特性晶界和亚晶界均可提高金属的强度。

晶粒越细，晶界越多，金属的强度越高、塑性越好。

2金属的结晶与固态相变2.1金属结晶的概念物质从液体状态转变为固态时的凝固过程，即晶体结构的形成过程称为结晶。

从原子排列情况讲，结晶是原子从不规则排列（液态）过渡到规则排列（晶态）的过程。

液态金属结构固态金属结构冷却曲线中出现水平线段，是因为结晶时放出大量的结晶潜热，补偿了金属向周围散失的热量。

平衡结晶温度与实际结晶温度之差T称为过冷度。

冷却速度越快，则开始结晶温度越低，过冷度越大。

纯金属冷却曲线液态金属只有冷却到低于其平衡结晶温度T0（熔点）才能结晶。

在T0下，液态金属与其晶体处于平衡状态，从宏观上看既不结晶也不熔化。

纯金属结晶的条件2.2金属结晶过程液态金属向固态转变经历形成晶核和晶核长大两个过程。

首先在液态金属中形成极小的晶体晶核作为结晶中心。

此后，已形成的晶核不断长大，同时又不断产生新的晶核并长大，直至液相完全消失。

每个晶核长大成为一个晶粒。

结晶过程示意图第一批晶核形成后，成核与长大两个过程同时进行，直至每个晶核长大到互相接触，每个长大的晶核就成为一个晶粒。

晶核形成有两种情况：

一是在液体中一定过冷度条件下自然形成的晶核，称为自发晶核；二是在液体中依附外来的固态粒子的表面上形成晶核，称为非自发晶核。

根据第二种特性可细化晶粒，如在钢液中加入细化晶粒的金属元素颗粒（Al、V等）,可形成大量的非自发晶核，因而得到细晶粒组织。

晶体长大有两种方式：

平面长大和树枝状长大。

分别发生在冷速较慢和较快时。

平面长大的规则形状晶体树枝状长大的树枝状晶体2.3金属的同素异构转变同素异构转变是金属在固态下由一种晶格转变为另一种晶格的现象。

可发生这种转变的金属有：

Fe、Co、Mn、Ti、Sn等。

Fe在结晶之后随着温度的变化，有两次晶格转变：

（体心立方晶格）（体心立方晶格）（面心立方晶格）（面心立方晶格）（体心立方晶格）（体心立方晶格）金属的同素异构转变通过原子的重新排列完成，与液相结晶时原子重新排列过程类似，实际上也是一个结晶过程。

它遵循结晶的一般规律，即一定的转变温度，转变是需要过冷（或过热），通过形核和长大两个过程完成。

纯铁的同素异构转变相指合金中化学成分相同、晶体结构相同，并以界面互相分开的各个均匀区域。

液态物质为液相，固态物质为固相。

显微组织在显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小与分布。

3.1基本概念3合金的晶体（相）结构合金指由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素溶合在一起，形成的一种具有金属特性的新物质。

如钢是Fe与C的合金（二元合金）。

组元组成合金的最基本的、独立存在的物质。

合金中有几种组元就称为几元合金。

合金的相结构分为固溶体和金属化合物两大类。

3.23.2合金的相结构合金的相结构1.固溶体合金组元通过溶解形成的一种成分和性能均匀、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。

与固溶体晶格相同的组元为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元为溶质，含量较少。

合金在固态下溶质原子溶入溶剂而形成的一种与溶剂有相同晶格的相，称为固溶体。

固溶体的重要标志是它仍保持溶剂晶格。

固溶体用、等符号表示。

置换固溶体间隙固溶体固溶体可分为间隙固溶体（如铁素体和奥氏体）和置换固溶体（如黄铜）两类。

按溶质原子在溶剂晶格中的位置分类n间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙中所形成的固溶体。

溶质在间隙固溶体的溶解是有限的，故都是有限固溶体。

间隙固溶体中，溶质原子的排列是无序的，所以也都是无序固溶体。

间隙固溶体一般都是由原子半径较小的非金属元素（如C、N、B、O等）溶入过渡族金属形成的（因晶格间隙通常都很小）。

如钢中的奥氏体就是C原子溶到-Fe晶格的间隙中形成的固溶体。

溶质原子溶剂原子n置换固溶体溶质原子代替溶剂原子占据着溶剂晶格结点位置而形成的固溶体。

置换固溶体又可分为两类：

无限固溶体指固溶体的溶解是无限的。

组成固溶体的两种元素随比例不同可以互为溶质或溶剂。

如金-银合金系就是一种单相的无限置换固溶体合金。

溶剂原子溶质原子置换固溶体中溶质原子的分布一般也是无序分布的，通常也都是无序固溶体。

但在一定条件下也会出现有序分布。

这种固溶体称为有序固溶体（也称超结构）。

溶质原子