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1、金属学与热处理,空间材料与环境工程实验室,考试要求,熟悉常用术语和基本概念,牢固建立材料的性能决定于材料的组织、结构这一概念,掌握金属材料主要热加工工艺原理, 并能制定常规热处理工艺。,选择题判断题间答题综合题,题型,材料的结构、组织与性能含义,结构,组织,构成材料的基本质点(离子、原子或分子等)是如何结合与排列的，它表明材料的构成方式。,指借助于显微镜所观察到的材料微观组成与形貌-通常称为显微组织。,组织结构,性能,热加工工艺,锻造,铸造,焊接,热处理,组织结构,性能,热加工工艺,锻造,铸造,焊接,热处理,第一章,组织结构,性能,热加工工艺,锻造,铸造,焊接,热处理,第二、三、四、五章,组织
2、结构,性能,热加工工艺,锻造,铸造,焊接,热处理,第六章,组织结构,性能,热加工工艺,锻造,铸造,焊接,热处理,第七、八、九章,第一章 金属和合金的晶体结构,1.1 金属原子间的键合特点,1.2 金属晶体典型结构,1.3 合金相结构,1.4 金属晶体缺陷,1.1 金属原子间的键合特点,金属的定义,金属是具有正的电阻温度系数的物质, 通常具有良好的导电性、导热性、延展性、高的密度和高的光泽,1.1 金属原子间的键合特点,金属原子的结构特点,其最外层的电子数很少，一般为12个，不超过3个。,价电子,1.1 金属原子间的键合特点,金属键,共有价电子电子云键无方向性和饱和性,性能特点： 1)良好的导电
3、性及导热性； 2)正的电阻温度系数； 3)良好的强度及塑性； 4)特有的金属光泽。,材料的原子排列,非晶态,原子排列短程有序或无序,1.2 金属晶体典型结构,非晶体的特点是：结构无序；物理性质表现为各向同性；没有固定的熔点；热导率（导热系数）和膨胀性小；,1.2 金属晶体典型结构,晶体,基元在三维空间呈规律性排列,长程有序,单个的原子、离子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。,晶体的主要特点是：结构有序；物理性质表现为各向异性；有固定的熔点；在一定条件下有规则的几何外形。,1.2 金属晶体典型结构,空间点阵,是一个几何概念，它由一维、二维或三维规则排列的阵点组成。,1.2 金属晶体典型结构,刚
4、球模型用刚球代表空间排列的原子,晶格刚球抽象为质点，构成空间格架,晶胞保持点阵几何特征的基本单元,1.2 金属晶体典型结构,布拉菲在1948年根据“每个阵点环境相同”的要求，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲点阵，分属7个晶系。,1.2 金属晶体典型结构,晶胞中所含原子数 晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。,配位数 是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。致密度 是指晶胞中原子所占体积分数，即K = n v/ V 。式中，n为晶胞所含原子数、v为单个原子体积、V为晶胞体积。,原子半径 原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。,1
5、.2 金属晶体典型结构,晶胞参数,三种典型晶体结构,体心立方,面心立方,密排六方,体心立方晶格参数,Cr、V、Mo、W和-Fe等30多种,1.2 金属晶体典型结构,体心立方晶格参数,1.2 金属晶体典型结构,单胞中原子数,体心立方晶格参数,1.2 金属晶体典型结构,1.2 金属晶体典型结构,间隙,1.2 金属晶体典型结构,1.2 金属晶体典型结构,面心立方晶格,Al、Cu、Ni和-Fe等约20种,1.2 金属晶体典型结构,晶胞中原子数,1.2 金属晶体典型结构,原子半径,1.2 金属晶体典型结构,配位数,1.2 金属晶体典型结构,间隙,1.2 金属晶体典型结构,密排六方晶格参数,Mg、Zn、C
6、d、Be等20多种,1.2 金属晶体典型结构,1.2 金属晶体典型结构,晶胞中原子数,密排六方晶格参数,1.2 金属晶体典型结构,1.2 金属晶体典型结构,配位数,晶面及晶向的原子密度 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的。密排面与密排向概念,1.2 金属晶体典型结构,堆垛方式,晶向指数,1.2材料的原子排列,晶向指数的确定方法建立以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系。定出该晶向上任两点的坐标。用末点坐标减去始点坐标。将相减后所得结果约成互质整数，加一方括号。,1.2 金属晶体典型结构,晶面及晶面指数,晶面指数的确定方法在以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系
7、中取该晶面在各坐标轴上的截距。取截距的倒数。将倒数约成互质整数，加一圆括号。,1.2 金属晶体典型结构,晶带和晶带轴,平行于或者相交于同一直线的一组晶面组成一个晶带，而该直线叫做晶带轴。,晶带与晶带轴,六方晶系,1.2 金属晶体典型结构,晶体的各向异性,换算关系,多晶型转变,1.3 金属的典型晶体结构,当外部的温度和压强改变时，有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为多晶型转变，又称为同素异构转变,计算在912 -Fe -Fe时的体积变化率。,=8.8%,合金,两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质,组元,组成合金最基本的
8、独立的物质，通常组元就是组成合金的元素。,相,是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分,1.3 合金相结构,固溶体,中间相(金属化合物),间隙固溶体,置换固溶体,相,1.3 合金相结构,固溶体,1.3 合金相结构,合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。与固溶体结构相同的组元为溶剂，另一组元为溶质。,固溶体的分类,按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。,间隙固溶体,置换固溶体,置换固溶体的固溶度影响因素,晶体结构类型相同,固溶体的性能,通过形成固溶体而产生晶格畸变，使金属强度和
9、硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的重要方式之一。固溶体的综合力学性能较好，常作为结构合金的基体相。,1.3 合金相结构,固溶体,金属化合物,正常价化合物,电子化合物,间隙相,间隙化合物,符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有严格的化合比，成分固定不变。它的结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同，如分子式具有AB型的正常价化合物其晶体结构为NaCl型，多为离子化合物。,正常价化合物,电子化合物,间隙相,间隙化合物,是指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的化合物。电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。,正常价化合物,电子化合物,间隙相,间隙
10、化合物,当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，将形成具有简单晶体结构的金属间化合物,正常价化合物,电子化合物,间隙相,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，将形成具有复杂晶体结构的金属间化合物，间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一些。,点缺陷,线缺陷,面缺陷,点缺陷的特点是在空间三维方向上的尺寸都很小，约为几个原子间距，又称零维缺陷空位 间隙原子 置换原子，,1.4 金属晶体缺陷,点缺陷,线缺陷,面缺陷,线缺陷就是各种类型的位错。它是指晶体中的原子发生了有规律的
11、错排现象。其特点是原子发生错排的范围只在一维方向上很大，是一个直径为35个原子间距，长数百个原子间距以上的管状原子畸变区。,1.4 金属晶体缺陷,点缺陷,线缺陷,面缺陷,晶体的面缺陷包括晶体的外表面（表面或自由界面）和内界面两类，其中的内界面又有晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等。,1.4 金属晶体缺陷,线缺陷,线缺陷,柏氏矢量的主要特性：,柏氏矢量的主要特性：,可以表示晶体滑移的方向和大小。位错线和柏氏矢量构成的平面定义为滑移面。,面缺陷,由于表面上的原子与晶体内部的原子相比其配位数较少，使得表面原子偏离正常位置，在表面层产生了晶格畸变，导致其能量升高。将这种单位表面面积上升高的能量称为比表面能，简称表面能。表面能也可以用单位长度上的表面张力（Nm）表示。,面缺陷,在多相组织中，具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界。,
