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216工程材料

清华大学《工程材料》32学时讲稿2/16

原子的空间排布：

理想晶体和实际晶体（教材P19－P22）

材料微观组织：

合金相，固溶体和化合物（教材P23－P29）

一、实际金属的晶体结构

在实际应用的金属材料中，总是不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。

一般说来，金属中这些偏离其规定位置的原子数很少，即使在最严重的情况下，金属晶体中位置偏离很大的原子数目至多占原子总数的千分之一。

因此，从总体来看，其结构还是接近完整的。

尽管如此，这些晶体缺陷不但对金属及合金的性能有重大影响，而且还在扩散、相变、塑性变形和再结晶等过程中扮演重要角色。

1．多晶体

通常使用的金属都是由很多小晶体组成的，这些小晶体内部的晶格位向是均匀一致的，而它们之间，晶格位向却彼此不同，这些外形不规则的的颗粒状小晶体称为晶粒。

每一个晶粒相当于一个单晶体。

晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。

这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体，如图2-9所示。

多晶体的性能在各个方向基本上是一致的，这是由于多晶体中，虽然每个晶粒都是各向异性的，但它们的晶格位向彼此不同，晶体的性能在各个方向相互补充和抵消，再加上晶界的作用，因而表现出各向同性。

晶粒的尺寸很小，如钢铁材料一般为

10－1～10－3mm左右，必须在显微镜下才能看见。

在显微镜下观察到的金属中晶粒的种类、大小、形态和分布称为显微组织，简称组织。

金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。

2．晶体缺陷

实际金属晶体内部，由于铸造、变形等一系列原因，其局部区域原子的规则排列往往受到干扰和破坏，不象理想晶体那样规则和完整，从而影响到金属的许多性能。

实际金属晶体中原子排列的这种不完整性，通常称为晶体缺陷。

根据晶体缺陷的几何形态特征，一般将它们分为以下三类：

（1）点缺陷

晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位。

某个晶格间隙挤进了原子，称为间隙原子。

材料中总存在着一些其它元素的杂质，它们可以形成间隙原子，也可能取代原来原子的位置，成为置换原子，三种点缺陷的形态见图2-10。

空位、间隙原子和外来原子都是晶格的点缺陷。

它们破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称为晶格畸变。

点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，降低了材料的塑性和韧性。

（2）线缺陷

晶体中最普通的线缺陷就是位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。

这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可以形成不同类型的位错，图2-11所示为常见的一种刃型位错。

从图中可见，晶体在切应力的作用下，右上部分相对于右下部分沿滑移面滑移了一个原子间距，而左上部分尚未滑移，结果在在晶格的上半部分挤出了一个多余的原子面EFGH，这个多余原子面的下边缘EF像刀刃一样垂直切入，使晶体中位于滑移面上下两部分晶体间产生了错排现象，因而称之为刃型位错。

多余原子面的边缘EF称为“位错线”，在位错线周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，致使滑移面上部的原子受到压应力；滑移面下部的原子受到拉应力。

距位错线越远，晶格畸变越小，应力也越小，原子排列逐渐趋于正常。

实际晶体中往往含有大量位错，通常把单位体积中所包含的位错线总长度称为位错密度。

一般退火态金属的位错密度约为105～108cm/cm3；冷变形后的金属可达1012cm/cm3。

位错的存在对金属的强度有着重要的影响，如图2-12所示。

从图中可见，增加或降低位错密度，都能有效地提高金属强度。

理想晶体的强度很高，位错的存在可降低强度，当位错大量产生后，强度又提高。

由于没有缺陷的晶体很难得到，所以生产中一般依靠增加位错密度来提高金属强度，但塑性随之降低。

（3）面缺陷

面缺陷包括晶界和亚晶界。

如前所述，晶界是晶粒与晶粒之间的界面，由于晶界原子需要同时适应相邻两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间的过渡层，因而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折衷位置上（图2-13）。

另外，晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒，尺寸为10－4～10－6cm。

亚晶粒的交界称为亚晶界。

晶粒之间位向差较大，亚晶粒之间位向差较小。

大于10°～15°的晶界称为大角度晶界，亚晶界是小角度晶界，其结构可以看成是位错的规则排列，见图2-14。

面缺陷能提高金属材料的强度和塑性。

细化晶粒是改善金属机械性能的有效手段。

二、合金的相结构

纯金属具有良好的物理和化学性能，但机械性能很差，价格昂贵，种类有限。

为了满足各种机器零件对不同性能的要求，因此出现了合金。

所谓合金，是指两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质。

合金具有比纯金属高得多的强度、硬度、耐磨性等机械性能，是工程上使用得最多的金属材料，如机器中常用的黄铜是铜和锌的合金；钢是铁和碳的合金；焊锡是锡和铅的合金。

组成合金最基本的、独立的物质称为组元。

通常，合金的组元就是组成合金的各种元素，但某些稳定的化合物也可以看成是组元。

根据合金组元个数不同，把由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个或三个以上组元组成的合金称为多元合金。

组成合金的元素相互作用会形成各种不同的相。

相是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面互相分开的、均匀的组成部分。

固态金属一般是一个相，而合金则可能是几个相。

由于形成条件不同，各相可以不同的数量、形状、大小组合。

在显微镜下观察，可以看到不同的组织。

固态合金的相，可分成两大类：

若相的晶体结构与某一组成元素的晶体结构相同，这种固相称为固溶体；若相的晶体结构与组成合金元素的晶体结构均不相同，这种固相称为金属化合物。

1．固溶体

组成合金的元素互相溶解，形成一种与某一元素的晶体结构相同，并包含有其它元素的合金固相，称为固溶体。

其中，与合金晶体结构相同的元素称为溶剂，其它元素称为溶质。

固溶体一般用α、β、γ……来表示。

（1）置换固溶体

溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体称为置换固溶体，其结构见图2-15。

通常，当溶剂与溶质原子尺寸相近，直径差别较小，容易形成置换固溶体；当直径差别大于15%时，就很难形成置换固溶体了。

置换固溶体中原子的分布通常是任意的，称之为无序固溶体。

在某些条件下，原子成为有规则的排列，称为有序固溶体。

两者之间的转变称为固溶体的有序化。

这时，合金的某些物理性能将发生很大的变化。

（2）间隙固溶体

溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而形成的固溶体称为间隙固溶体，其中的溶质原子不占据晶格的正常位置，其结构见图2-16。

只有溶质原子与溶剂原子的直径之比小于0.59时，才会形成间隙固溶体。

通常，间隙固溶体都是由原子直径很小的碳、氮、氢、硼、氧等非金属元素溶入过渡族金属元素的晶格间隙中而形成的。

（3）固溶体的溶解度

溶质原子溶入固溶体中的数量称为固溶体的浓度，在一定条件下的极限浓度叫做溶解度。

如果固溶体的溶解度有一定的限度，这叫做有限固溶体。

但是，当置换固溶体的溶质原子与溶剂原子直径差别很小，且晶体结构相同，在周期表中的位置又靠得较近，则它们就有可能以任何成分比例形成固溶体，这种固溶体叫做无限固溶体。

影响溶解度的因素有原子尺寸、晶格类型、电化学性质以及电子浓度等。

（4）固溶体的性能

无论是置换固溶体还是间隙固溶体，由于溶质原子尺寸与溶剂原子不同，其晶格都会产生畸变。

由于晶格畸变增加了位错移动的阻力，使滑移变形难以进行，因此固溶体的强度和硬度提高，塑性和韧性则有所下降。

这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的强度、硬度提高的现象称为固溶强化。

2．金属化合物

金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。

一般可用分子式大致表示其组成。

金属化合物一般有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性。

合金中出现化合物时，可提高强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。

根据金属化合物的形成规律及结构特点，可将其分为三大类型。

（1）正常价化合物

周期表上相距较远，电化学性质相差较大的两元素容易形成正常价化合物。

其特点是符合一般化合物的原子价规律，成分固定，并可用化学式表示。

如Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。

正常价化合物具有高的硬度和脆性。

当其在合金中弥散分布于固溶体基体中时，将起到强化相的作用，使合金强化。

（2）电子化合物

电子化合物是由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元素结合而成的。

它们不遵循原子价规律，而服从电子浓度规律。

电子浓度是指合金中化合物的价电子数目与原子数目的比值。

电子化合物具有高的熔点和硬度，但塑性较低，一般只能作为强化相存在于合金特别是有色金属合金中。

电子化合物的结构取决于电子浓度，当电子浓度为3/2时，晶体结构为体心立方晶格，称为β相；电子浓度为21/13时，晶体结构为复杂立方晶格，称为γ相；电子浓度为7/4时，晶体结构为密排六方晶格，称为ε相。

合金中常见的电子化合物见表2-1。

（3）间隙化合物

间隙化合物是由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的金属化合物。

根据组成元素原子半径比值及结构特征的不同，可将间隙化合物分为两类：

a）间隙相

当非金属原子半径与金属原子半径比值小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相，如TiC、TiN、ZrC、VC、NbC、Mo2N、Fe2N等。

图2-17是VC的晶格示意图。

由图可见，VC为面心立方晶格，V原子占据晶格的正常位置，而C原子则规则地分布在晶格的空隙之中。

间隙相具有极高的熔点、硬度和脆性，而且十分稳定，是高合金工具钢的重要组成相，也是硬质合金和高温金属陶瓷材料的重要组成相。

b）具有复杂结构的间隙化合物

当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。

如钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。

Fe3C称为渗碳体，具有复杂的斜方晶格，见图2-18。

具有复杂结构的间隙化合物也具有很高的熔点、硬度和脆性，但与间隙相相比要稍低一些，加热时也易于分解。

这类化合物是碳钢及合金钢中重要的组成相。

金属化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金属化合物为基的固溶体。

三、微观组织和光学显微镜

HenryCliftonSorby（1826–1908）,geologist,petrographer,mineralogist,andfounderofmetallography.