《材料学概论2(1)-金属材料》由会员分享，可在线阅读，更多相关《材料学概论2(1)-金属材料（67页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第二部分：金属材料 材料与化学学院 歼 10 (中国 ) 太行发动机（中国） 材 料 学 科 金属材料与热处理 钢铁冶金 有色金属冶金 冶金物理化学 金属压力加工 无机非金属材料 硅酸 盐工程 高分子材料与工程 粉末冶金 复合材料 腐蚀与防护 材料科学与工程 复合材料 铸造 焊接 材料学科二级学科分类表金属材料 课程内容 2、金属材料的力学性能 3、金属合金相图 1、金属晶体结构、金属固溶体和晶体缺陷 4、新型金属材料 金属材料 金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成的单质（纯金属）；由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。合金又可分为固溶体
2、和金属间化合物 。 在 103种元素中 ， 除 He,Ne,Ar等 6种惰性元素和 C、 Si、 N等 16种非金属元素外 ， 其余 81种为金属元素 。 除 Hg之外 ， 单质金属在常温下呈现固体形态 ， 外观不透明 ， 具有特殊的金属光泽及良好的导电性和导热性 。 在力学性质方面 ，具有较高的强度 、 刚度 、 延展性及耐冲击性 。 单质金属 合金是以一种金属元素为基体加上一种或一种以上的金属或非金属元素熔合在一起形成的具有金属特性的物质 。 合金的性质与组成合金的各个相的性质有关 ， 同时也与这些相在合金中的数量 、 形状及分布有关 。 合 金 合 金 组元 ：组成材料的最基本的独立的物
3、质称为 “ 组元 ” ，组元可以是金属元素或非金属元素（例如：普通碳钢的组元是 Fe与 C)，也可以是稳定的化合物。 相 ：材料中成份、性能、结构相同并以界面互相分开的均匀的组成部分称为 “ 相 ” 。 金属的结构 1、体心立方结构 （ a） 刚球模型 （ b） 质点模型 （ c） 晶胞原子数 图 1 体心立方晶胞 (铬、钼、钨等） （ a）刚球模型 （ b）质点模型 （ c）晶胞原子数 金属的结构 2、面心立方结构 （ a） 刚球模型 （ b） 质点模型 （ c） 晶胞原子数 图 2 面心立方晶胞 （铝、铜、镍等） 金属的结构 3、密排六方结构 图 3 密排六方晶胞 （镁、锌等） （ a）刚
4、球模型 （ b）质点模型 （ c）晶胞原子数 三种典型金属晶体结构中每个晶胞所占有的原子数 n为 ： 面心立方结构 n=8 1/8+6 1/2=4 体心立方结构 n=8 1/8+1=2 密排六方结构 n=12 1/6+2 1/2+3=6 金属的结构 金属的实际晶体结构 实际上，金属是一个多晶体结构， 这种原子排列方位基本一致，但 外形不规则的小晶体，称为晶粒。 由于金属是多晶体结构，单个晶 粒的各向异性彼此相互抵消，金属 就显示出各向同性，若对金属进行 单方向的塑性变形（如冷扎、冷拉 等），使各个晶粒的晶格趋向一致， 则多晶体金属又会显示出各向异性。 图 4 金属的多晶体结构示意图 金属化合物
5、 合金的分类 固溶体 合金的结构按其组元在结晶时彼此作用的不同， 可以分为固溶体、金属化合物、机械混合物三种类型。 合金固溶体 当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时，这种合金称为一次固溶体或端际固溶体，简称为 固溶体 。 合金金属化合物 金属元素与其它金属元素或非金属元素之间形成合金时 ， 除固溶体外 ，还可能形成 金属化合物 。 合金金属间化合物 A、 B两组元相互溶解后所形成的新的物质既不是 A组元的结构，也不是 B组元的结构，而是自身的一种独立的结构。 例如： Fe和 C所形成的化合物 Fe3C，就是一种典型的金属间化合物。 金属化合物是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相，又称为
6、中间相，其晶格类型和性能均不同于任一组元，一般可以用分子式大致表示其组成。在该化合物中，除了离子键、共价键外，金属键也参与作用，因而它具有一定的金属性质，所以称之为金属化合物。碳钢中的 Fe3C、黄铜中的 CuZn、铝合金中的 CuAl2等都是金属化合物。 合金金属化合物 合金中的固溶体 固溶体的分类 根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固溶体可分为： 1.置换固溶体（代位固溶体） 2.间隙固溶体 置换固溶体 特点 置换固溶体： A组元的原子取代了 B组元的原子。 当 A、 B两个组元的原子直径相差不大时，两个组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则为有限固溶体。 在 置换固溶体 中，溶
7、质原子位于溶剂晶体结构的晶格格点上。 置换固溶体 置换固溶体 置换固溶体 （ a）随机置换固溶体 （ b）有序置换固溶体 特点 间隙固溶体 间隙固溶体： A组元溶入 B组元的间隙中。只能形成有限固溶体。 例如： C溶入 -Fe或 -Fe 所形成的铁素体、奥氏体。 在 间隙固溶体 中 ， 溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格间隙 。 溶质原子在固溶体中的分布可以是随机的 ，即呈统计分布；也可以是部分有序或完全有序 ， 在完全有序固溶体中 ， 异类原子趋于相邻 ， 这种结构亦称为超点阵或超结构 。 间隙固溶体 间隙固溶体 间隙固溶体 随机间隙固溶体 固溶体中的溶质丛聚 固溶体的电学、热学、磁学等物理性质
8、也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低。 合金中的固溶体 合金中的固溶体 实际应用：铂 、 铑单独做热电偶材料使用 ，熔点为 1450 ， 而将铂铑合金做其中的一根热电偶 ， 铂做另一根热电偶 ， 熔点为1700 ， 若两根热电偶都用铂铑合金而只是铂铑比例不同 ， 熔点达 2000 以上 。 金属间化合物 特点 金属间化合物可分为三类， 即由负电性决定的 原子价化合物 （简称价化合物） 、由电子浓度决定的 电子化合物 （亦称为电子相） 以及由原子尺寸决定的 尺寸因素化合物 。 除了这三类由单一元素决定的典型金属间化合物外， 还有许多金属间化合物
9、， 其结构由两个或多个因素决定，称之为复杂化合物。 Now What Do You See? Vacancy Interstitial 晶体结构缺陷 缺陷的含义 ：通常把晶体点阵结构中周期性势 场的畸变称为晶体的 结构缺陷 。 理想晶体 ：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体 ：存在着各种各样的结构的不完整性。 由于缺陷的存在 ， 才使晶体表现出各种各样的性质 ， 使材料加工 、 使用过程中的各种性能得以有效控制和改变 ， 使材料性能的改善和复合材料的制备得以实现 。 因此 ， 了解缺陷的形成及其运动规律 ，对材料工艺过程的控制 ， 对材料性能的改善 ， 对于新型材料的设计 、 研究与开发具有
10、重要意义 。 研究缺陷的意义 缺陷的类型 热缺陷 杂质缺陷 非化学计量缺陷 缺陷的成因 晶体结构缺陷 点缺陷（零维缺陷） Point Defect 缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。 包括： 空位（ vacancy） 间隙质点（ interstitial particle） 错位原子或离子 外来原子或离子 （杂质质点 ） （ foreign particle） 双空位等复合体 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。 空位 : -结构中存在空位原子。 V a c a nc ydi s t or t i on of p l a ne s 间隙质点
11、 : -原子间存在特殊原子。 发生概率高 se l f -i nt e r st i t i a ldi s t or t i on of p l a ne s发生概率低 点缺陷（零维缺陷） Point Defect 点缺陷（零维缺陷） Point Defect OR 替位合金 （ Substitutional alloy） (如： Cu in Ni) 间隙合金 （ Interstitial alloy） (如： C in Fe) 线缺陷 指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种 位错（ dislocation）， 如
12、图 所示。 线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。 面缺陷 面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结构等。 面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。 面缺陷的种类： 1. 刃型位错； 2.螺型位错 面缺陷晶界 晶界 : 晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于相邻晶粒间彼此位向各不相同，故晶界处的原子排列与晶内不同，它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响，而做无规则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列，这就形成了晶体中的重要的面缺陷。 亚晶界 : 实验表明，在实际
13、金属的一个晶粒内部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小晶块（位向差一般不超过 2 )。这些小晶块称为亚结构。亚结构之间的界面称为亚晶界。 面缺陷晶界 晶界示意图 亚晶界示意图 面缺陷晶界 晶体在大于屈服值的切应力 作用下，以 ABCD面为滑移面发生滑移。 EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线，犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。 几何特征：位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于正常晶格间距。 分类：正刃位错， “ ” ；负刃位错， “ T” 。符号中水平线代表滑移
14、面，垂直线代表半个原子面。 面缺陷刃型位错 面缺陷刃型位错 G H E F 刃型位错示意图： (a)立体模型 ;(b)平面图 晶体局部滑移造成的刃型位错 面缺陷螺型位错 晶体在外加切应力 作用下，沿 ABCD面滑移，图中 EF线为已滑移区与未滑移区的分界处。由于位错线周围的一组原子面形成了一个连续的螺旋形坡面，故称为螺位错。 几何特征：位错线与原子滑移方向相平行；位错线周围原子的配置是螺旋状的。 分类：有左、右旋之分，分别以符号 “ ” 和 “ ” 表示。其中小圆点代表与该点垂直的位错，旋转箭头表示螺旋的旋转方向。它们之间符合左手、右手螺旋定则。 面缺陷螺型位错 螺型位错示意图 :（ a）立体模型 ；（ b）平面图 C B A D A B C D (a ) (b) 螺型位错示意图 金属材料的性能包括 使用性能 和 工艺性能 两个方面： (1) 使用性能，指金属材料适应各种使用条件的能力，它包括 物理性能、
