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1、第二章 金属材料的基础知识,与非金属相比，固态金属具有它独特的性能，如良好的导电性、导热性、延展性（塑性变形能力）和金属光泽。,这些是金属独有的特性么？能否据此来区分金属与非金属呢？,思考,不是,金属的特性,1. 有的非金属也可能表现出上述某些特性： 如：石墨能导电 金刚石导热 无机化合物的金属光泽； 2. 各种金属晶体之间，这些特征的差别也很大： 鈈、锰的导电能力比银、铜相差近百倍 锑、铬、钒等金属是一种“脆性”金属。,因此，只根据以上的一些特性来区分金属和非金属是不够充分的。,以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征： 良好的导电、导热性： 自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热
2、场作用下）导热。 不透明，有光泽： 自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见光能量辐射出来，产生金属光泽。 具有延展性（塑性变形能力）： 金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发生相对位移时，其结合键不会被破坏，从而具有延展性。,1）晶体与非晶体 2）金属的晶体结构 3）晶面和晶向及其表示方法 4）金属晶体的特点,第一节 金属的晶体结构,晶体： 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。 非晶体： 原子无规则堆积，也称为 “过冷液体”。,晶体 金刚石、NaCl、冰,晶体与非晶体,金属的晶体结
3、构,a 原子堆垛模型,b 空间点阵,c 晶格（晶体点阵）,a,b,c,d 晶胞,空间点阵 将晶体内部的原子（离子）或原子群（离子群）抽象为无数点子按一定的方式在空间做有规则的周期性分布，这些几何点子的总体称为空间点阵，这些点称为阵点或节点。,晶格（晶体点阵） 用一系列假想的平行直线将空间点阵的阵点联结起来，形成的空间网络称为空间格子，也称晶格。,晶胞 为了研究空间点阵的排列特点，从点阵中取出一个反映点阵特征的基本单元（通常是一个平行六面体）作为其组成单元，这个平行六面体称为晶胞。,金属的晶体结构,X,Y,Z,a,b,c,晶面 通过原子中心的平面,晶向 通过原子中心的直线所指的方向,描述金属晶体
4、结构的一些重要概念,晶胞原子数 一个晶胞内所含的原子数目。注意相邻晶胞的共有原子的计算方法。,原子半径 晶胞中最近邻的两个原子（原子密度最大的方向）之间（平衡）距离的一半。,配位数 晶格中和某一原子相邻的原子数目称为配位数。 （晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目）,致密度 晶胞中原子本身所占的体积与晶胞体积之比。,金属的晶体结构,常见的金属晶体结构,工业上常用的金属绝大多数具有比较简单的晶体结构，其中最典型的为以下三种： （1）体心立方晶格 （2）面心立方晶格 （3）密排六方晶格,金属的晶体结构,体心立方晶格,在立方晶胞的八个顶角上各有一个原子，在体中心有一个原子，每个原子与空间
5、点阵中的一个阵点相对应。 属于这种晶体结构的纯金属有- Fe、Cr、Mo、W、V等。,金属的晶体结构,体心立方晶胞,晶格常数：a=b=c； =90,晶胞原子数：,原子半径：,致密度：0.68,X,Y,Z,a,b,c,2r,2r,a,2,金属的晶体结构,配位数：8,面心立方晶格,金属的晶体结构,晶胞的八个顶角上和六个面上各有一个原子。 属于这种晶体结构的纯金属有 Fe、Al、Cu、Ag、Pb、Ni等。,面心立方晶胞,晶格常数：a=b=c； =90,晶胞原子数：,原子半径：,致密度：0.74,X,Y,Z,a,b,c,密排方向,4,金属的晶体结构,配位数：12,Mg、Zn 、Be等,晶格常数 底面边
6、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,原子半径：a/2,致密度：0.74,密排六方晶格,金属的晶体结构,配位数：12 （c/a=1.633时）,理想晶体：是指晶体中原子严格地成完全规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体。 实际晶体：多晶体+晶体缺陷 晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域，按其几何尺寸特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。,实际晶体中的缺陷,一、点缺陷,点缺陷的概念 晶体中在X,Y,Z三维方向上尺寸都很小的晶体缺陷。 2. 点缺陷的类型 空位；间隙原子（有
7、同类和异类之分）；置换原子（有大小之分）；复合空位。,置换原子,空位,复合空位,间隙原子,置换原子,实际晶体中的缺陷,二、线缺陷,线缺陷的概念: 晶体中在一维方向上尺寸很大，而在另外二维方向上的尺寸很小的晶体缺陷，它的主要形式是位错。 位错 是晶体中一列或若干列原子，发生某种有规律的错排现象。 位错的类型:刃型位错 螺型位错,实际晶体中的缺陷,刃位错,刃位错,刃型位错示意图,实际晶体中的缺陷,螺型位错示意图,实际晶体中的缺陷,位错密度 ：单位体积中位错线的总长度，或单位面积上位错线的根数，单位cm-2 位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶格发生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。 实验和理论研究
8、表明:晶体的强度和位错密度有如图的对应关系, 在晶体中位错密度很高时,其强度很高。提高位错密度是金属强化的重要途径之一。,三、面缺陷,1. 晶界,实际晶体中的缺陷,2.亚晶界,亚晶界,实际晶体中的缺陷,第二节 合金的相结构,合金： 由一种金属元素与另外一种或多种金属或非金属元素，通过熔炼或烧结等方法所形成的具有金属性质的新金属材料。 如：碳素钢（铁、碳）；黄铜（铜、锌）；铅青铜（铜、锌、铅）,组元：组成合金最基本的独立的单元。 组元可以是纯元素或是稳定化合物。,Fe(C)合金,Fe、C组元,Fe、Fe3C组元,组织：由单相或多相组成的，具有一定形态的聚合物。 纯金属的组织是由一个相组成；合金的
9、组织可以 是一个相或多个相组成。,相：合金中具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫相，以明显界面相互分开。如液相、固相是两个不同的相。在一个相中可以有多个晶粒，但是一个晶粒中只能是同一个相。,工业纯铁,单相铁素体,共析碳钢,铁素体相、渗碳体相,普通陶瓷,晶相、玻璃相、气相,显微组织： 在显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小和分布。它可以看作是由各个相组成的。 合金的力学性能不仅取决于它的化学成分，更取决于它的显微组织。,相是组织的基本组成部分,相同的相，但当组成相的数量、大小、形态和分布不同时，其组织也不同！,不同的相构成不同的组织！,合金的晶体结构： 合金中各个相的晶体结构，简称相结构。 合金
10、的相结构通常分为两大类： （一）固溶体 置换固溶体、间隙固溶体 （二）化合物 非金属化合物 金属化合物 正常价、电子、间隙相、 间隙化合物和超结构等。,合金的相结构,固溶体： 溶质原子溶入溶剂中形成的均一的结晶相。 合金结晶成固态时，溶质原子分布在溶剂晶格中形成的一种与溶剂有相同晶格的相。 固溶体与溶剂具有相同晶体结构。 固溶体的类型：（按照溶质原子在溶剂晶格中占据的位置不同来划分） 1、间隙固溶体 ；2、置换固溶体,合金的相结构,1、间隙固溶体： 溶质原子处于溶剂晶格的空隙中所形成的固溶体。是有限固溶体，无序固溶体。,合金的相结构,置换固溶体： 溶剂晶格中的某些结点位置被溶质原子取代的固溶体
11、。 置换固溶体可以是有限固溶体也可以是无限固溶体。P25,合金的相结构,固溶体的性能,固溶强化：P25 固溶体的强度、硬度随溶质原子浓度升高而明显增加，塑性、韧性稍有下降的现象。,合金的相结构,金属材料重要的强化方式之一，固溶体具有良好的综合机械性能（强硬度、塑韧性的综合），一般作为合金的基体相。,2、金属化合物（中间相）,在合金中，当溶质含量超过固溶体的溶解度时，除了形成固溶体外，还将出现新相（其晶格类型和性质完全不同于任一合金组元）,具有一定程度的金属性质，叫金属化合物，如碳钢中的渗碳体Fe3C 。,合金的相结构,金属化合物性能: 一般都具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。 金属化合物若以
12、细小的粒状均匀分布在固溶体相的基体上会使合金的强度、硬度进一步提高，这种现象称为第二相弥散强化。 在合金中，金属化合物的多少、形态、大小、分布等对合金的性能有不同的影响。,合金的相结构,金属化合物的种类,正常价化合物: 这类化合物符合正常的原子价规律，成分固定并有严格分子式的金属化合物。（Mg2si） 电子化合物: 这类化合物不遵守原子价规律而服从电子浓度规律。其晶体结构主要取决于电子浓度。CuZn,合金的相结构,间隙化合物: 间隙化合物一般是由原子半径较大的过渡族金属元素和原子半径较小的非金属元素组成的化合物。(非金属元素有规则的嵌入金属元素晶格的间隙中） a)当非金属原子直径与金属原子直径
13、比值小于0.59时，形成简单晶格的间隙化合物，称间隙相.(VC、TiC) b)当非金属原子直径与金属原子直径比值大于0.59时，则不能产生间隙相，而形成复杂结构的间隙化合物.(Fe3C),合金的相结构,*间隙相、复杂结构的间隙化合物、间隙固溶体的区别,1、晶体结构: 间隙固溶体的晶体结构与溶剂相同；而间隙相和复杂结构的间隙化合物的晶体结构不同于任一组元，间隙相具有简单的晶体结构。 2、性能: 间隙固溶体硬度低、塑性好，通常作为基体使用；间隙相和复杂结构的间隙化合物都具有高熔点、高硬度。（尤其是间隙相）通常作为弥散强化相。,合金的相结构,液体 - 固体（晶体 或 非晶体）- 凝固,液体 - 晶体
14、 - 结晶,结晶,金属的结晶过程,一、液态金属的结构,经研究发现在略高于熔点时，液态金属的结构具有以下特点： 是近程有序远程无序结构，见下图； 存在着能量起伏和结构起伏。,局部的近程有序,第三节 纯金属的结晶,二、结晶过程的宏观现象,研究液态金属结晶的最常用、最简单的方法是热分析法。它是将金属放入坩埚中，加热熔化后切断电源，用热电偶测量液态金属的温度与时间的关系曲线，该曲线称为冷却曲线或热分析曲线，见右图。,To,Tn,T,理论结晶温度,开始结晶温度,T = To - Tn,时间,温 度,纯金属结晶的条件就是 具有一定的过冷度 （克服界面能）,金属的结晶过程,三. 金属结晶的热力学条件,过冷后
15、，液固相自由能之差F就是金属结晶的驱动力，过冷度越大，驱动力越大。,金属的结晶过程,四、金属结晶的微观基本过程 形核长大过程,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,金属的结晶过程,结晶过程示意图,金属的结晶过程,1）形核,液态金属在结晶时，其形核方式一般认为主要有两种：即自发形核（对称均匀形核）和非自发形核（又称异质形核）。,（1） 自发形核,从过冷液态金属中自发形成晶核的过程就称为均质形核。,（2） 非自发形核（异质形核）,液态金属原子，依附于模壁或液相中未熔固相质点表面，优先 形成晶核的过程，称为异质形核。,金属的结晶过程,2）晶体的长大,晶核形成以后就会立刻长大，晶核长大的实质就是液态金属原子向晶核表面堆砌的过程，也是固液界面向液体中迁移的过程。,金属的结晶过程,两种长大方式：平面生长方式(a)和树枝状生长方式(b) P30,树枝状生长方式示意图,思考,1. 为什么要进行晶粒大小的控制？,2. 怎样进行晶粒大小的控制？,晶粒大小的控制,细晶强化：晶粒细化使金属机械性能提高的现象
