《高中化学 第2章 金属材料(2012.4.23)》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高中化学 第2章 金属材料(2012.4.23)（110页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、第2章 金属材料湖南人文科技学院化学与材料科学系湖南人文科技学院化学与材料科学系2.1 金属的晶体结构 2.2 实际金属中的晶体缺陷 2.3 金属材料的性能 2.4 金属材料的分类与性质 2.5 铁碳合金 2.6 钢的热处理 2.7 工业用钢 2.8 非铁金属及其合金主要内容：湖南人文科技学院化学与材料科学系一、晶体与非晶体固态物质根据其内部粒子排列特征，可分为晶体和非晶体。 晶体是指其内部粒子呈规则排列的物质，如水晶，食盐，金属等。晶体的特点：一般具有规则的外形；有固定的熔点；各向异性。非晶体内部粒子呈无规则的堆积，玻璃是一种典型的非晶体，往往将非晶体的固态物质（简称非晶态物质）称为玻璃体。
2、2.1 金属的晶体结构为什么单晶体呈现各向异性，而多晶体一般呈现各 向同性？n答：1）单晶体沿不同方向的导热，导电性质或导光性质不 同，称为各向异性。n2）单晶体的物质整个就是一个单一结构的大晶粒，如NaCl ，NaOH等；多晶体是由许多小晶粒构成的整体，在整个物 体内，这些晶粒的排列方向是杂乱无章的（如陶瓷）。n3）单晶体中（一个巨大晶粒）具有各向异性是由于晶粒中 的原子的排列周期性和疏密程度不同导致的结果。而多晶体 中的每个晶粒虽然有各向异性，但是在宏观上，所有晶粒排 列的杂乱无章导致了各个方向上的各向异性互相抵消，表现 出来的结果就是各向同性。n4）而非晶体表现出各向同性是因为：非晶体的
3、原子排列极 没有规律性，而且有很多缺陷，因此宏观上表现为各向同性 。晶体与非晶体的区别: 前者熔化时具有固定的熔点，而后者却存在一个软化温度范围，没有明显的熔点； 前者各向异性，而后者却为各向同性。非晶体晶体湖南人文科技学院化学与材料科学系二、晶体结构和空间点阵（1） 晶体结构晶体中原子（离子或分子）在空间的具体排列。（2）阵点（结点）把原子（离子或分子）抽象为规则排列于空间的几何点，称为阵点或结点。（3）点阵在空间的排列方式称为空间点阵（简称点阵）。湖南人文科技学院化学与材料科学系晶格（4）晶格把点阵中的结点假想用一系列平行直线连接起来构成空间格子称为晶格。（5）晶胞 构成晶格的最基本单元。
4、由于晶体中原子排列的规律性，可以用晶胞来描述其排列特征晶胞原子堆垛模型（6）晶面点阵中的结点所构成的平面。（7）晶向点阵中的结点所组成的直线。晶向晶面（8）晶格常数晶胞的棱边长度a、b、c和棱间夹角、是衡量晶胞大小和形状的六个参数，其中a、b、c称为晶格常数或点阵常数。其大小用A来表示（1A=10-8cm）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。三、金属中常见的三种晶体结构（1） 体心立方晶格体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体，并且在立方体的体中心还有一个原子。晶格常数a=b=c，通常只用a表示。湖南人文科技学院化学与材料科学系在这种晶胞
5、中，因每个顶点上的原子是同时属于周围八个晶胞所共有。实际上每个体心立方晶胞中仅含有81/8+12。属于这种体心立方晶格的金属有Fe(912,-Fe)、Cr、Mo、W、V等。（2）面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体，但在立方体的每个面上还各有一个原子。晶格常数a=b=c，通常只用a表示。 因每一面心位置上的原子是同时属于两个晶胞所共有的，故面心立方晶格的晶胞中包含有81/8+61/24个原子。属于这种晶格的金属有： Fe(912,-Fe)、 Al、Cu、Ni、Pb等。 湖南人文科技学院化学与材料科学系（3）密排六方晶格密排六方晶格由12个原子构成的简单六方晶体，且在上下两个
6、六方面心还各有一个原子，而且简单六方体中心还有3个原子。晶格常数abc，c/a=1.633密排六方晶格晶胞中所含原子数61/62+21/2+36个原子。属于这种晶格的金属有Be、Mg、Zn、Cd等。 体心立方晶格 面心立方晶格 密排六方晶格 湖南人文科技学院化学与材料科学系四、晶面指数和晶向指数（一）晶面指数的确定 设晶格中，某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作OX、OY、OZ三坐标轴，以晶格常数a、b、c分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距； 将所得三截距之值变为倒数； 再将这三个倒数按比例化为最小整数并加上一圆括号即为晶面指数。一般表示形式：（
7、hkl) 。 湖南人文科技学院化学与材料科学系PBEQ面：在三坐标轴上的截距分别是1/2，1，；截距倒数分别是：2，1，0；化为最小整数后的晶面指数（210）AGE面： 截距1，1，1； 倒数1，1，1 ，晶面指数（111）DBEG面：截距1，1，； 倒数 1，1，0，晶面指数（110）DCFG面：截距1，；倒数1，0，0， 晶面指数（100）湖南人文科技学院化学与材料科学系值得注意：晶面指数，并非仅指一晶格中的某一个晶面，而是泛指该晶格中所有那些与其相平行的位向相同的晶面。在一种晶格中，如果某些晶面，虽然它们的位向不同，但原子排列相同。如（100）、（010）及 （001）等，这时若不必要予
8、以区别时，可把这些晶面统用100表示。即：（hkl)这类符号系指某一确定位向的晶面指数；而hkl则可指所有那些位向不同而原子排列相同的晶面指数。湖南人文科技学院化学与材料科学系（二） 晶向指数1. 通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；2. 求出该直线上任意一点的三个坐标值；3. 将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶面指数;4. 一般形式uvw。如：AB的晶向指数：过O作一平行直线OP, 其上任一点的坐标（110）,这样所求AB的晶向指数即为110；OB：本身过原点不必作平行线，其上任一点的坐标（111），其晶向指数111；OC：其上任一点C的坐标（100），其晶相指
9、数100。同理：OD晶向指数010,OA为001。 同样 100代表方向相同的一组晶向, 而则代表方向不同但原子排列相同的晶向。 湖南人文科技学院化学与材料科学系单晶体：晶体内部的晶格位向完全一致。在一块很小的金属中也含着许多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向都是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向都不相同。这种小晶体的外形呈颗粒状，称为“晶粒”。晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界处，原子排列为适应两晶粒间不同晶格位向的过渡，总是不规则的。多晶体：实际上由多个晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。2.2 实际金属中的晶体缺陷一、单晶体与多晶体对于单晶体，由于各个方向上原子排列不同，导致
10、各个方向上的性能不同，即“各向异性”的特点；多晶体对每个小晶粒具有“各向异性”的特点，而就多晶体的整体，由于各小晶粒的位向不同，表现的是各小晶粒的平均性能，不具备“各向异性”的特点。单晶体 多晶体 二、晶体缺陷在金属中还存在着各种各样的晶格缺陷，按其几何形式的特点，分为如下三类：1.点缺陷原子排列不规则的区域在空间三个方向尺寸都很小。晶体中的空位、间隙原子、杂质原子都是点缺陷。 点缺陷示意图当晶格中某些原子由于某种原因（如热振动等），脱离其晶格结点而转移到晶格间隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在会引起周围的晶格发生畸变，从而使材料的性能发生变化，如屈服强度提高和电阻增加等。 点缺陷产生原因：湖
11、南人文科技学院化学与材料科学系2. 线缺陷位错：原子排列的不规则区在空间一个方向上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。“刃型位错”：因为相对滑移的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。线缺陷示意图湖南人文科技学院化学与材料科学系“螺旋位错”湖南人文科技学院化学与材料科学系3.面缺陷原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。晶体表面：指与真空或各种外部介质，如空气、氢气、氮气等相接触的界面。晶界相界面（异种晶粒间的界面）：具有不同晶体结构的两相之间的分界面。大角度晶界（相邻晶粒的位向差大于10）小角度晶界
12、（相邻晶粒的位向差小于10）湖南人文科技学院化学与材料科学系孪晶：完全共格且两晶粒内部的原子都以界面为对称面而 处于镜面对称位置的一对晶粒。孪晶示意图湖南人文科技学院化学与材料科学系2.3 金属材料的性能本小节主要内容：一、金属的塑性变形 二、塑性变形对金属组织和性能的影响三、塑性变形后金属在加热时组织和性能的变化一、金属的塑性变形 1、金属变形的三个阶段 弹性变形，塑性变形，断裂三个阶段。 弹性变形与塑性变形的区别：当外力去除后，前者能恢复到原来的形状和尺寸，而后者只能恢复弹性变形，最终留下永久变形。2、单晶体的塑性变形 单晶体塑性变形的基本方式滑移和孪生 （1）滑移 在切应力作用下，晶体的
13、一部分相对于另一部分沿一定晶面（滑移面）的一定方向（滑移方向）发生相对的滑动。湖南人文科技学院化学与材料科学系 滑移造成的晶体总变形量是原子间距的整数值，不引起晶格位向的变化。 滑移总是沿着晶体中原子密度最大的晶面和其上密度最大的晶向进行。 滑移的特点： 滑移只在切应力作用下发生，不同金属产生滑移的最小切应力大小不同。湖南人文科技学院化学与材料科学系（2）孪生金属晶体中变形部分与未变 形部分在孪生面两侧形成镜面对 称关系。发生孪生的部分（切 变部分）称为孪生带或孪晶。湖南人文科技学院化学与材料科学系定义：是在切应力作用下晶体的一部分相对于另 一部分沿一定的晶面（孪晶面或孪生面）与晶向（孪 生方
14、向）产生一定角度的均匀切变过程。 孪生借助于切变进行，所需切应力大，速度快，在 滑移较难进行时发生. 孪生的特点：湖南人文科技学院化学与材料科学系金属材料塑性变形的实质：金属塑性变形实质上是以滑移和孪生两种形式通过位错运动来进行的。 2、多晶体的塑性变形u多晶体由许多晶粒组成，各个晶粒位向不同，且存在许多晶界，变形复杂。u多晶体的塑性变形也是通过滑移和孪生的方式进行的。湖南人文科技学院化学与材料科学系二、塑性变形对金属组织和性能的影响（1）塑性变形对金属性能的影响 产生加工硬化金属发生塑性变形，随变形度的增大，其强度和硬度显著提高，塑性和韧性明显下降的现象。如：冷轧薄钢板，冷拔钢丝等 。 湖南
15、人文科技学院化学与材料科学系（2）塑性变形对金属组织的影响 形成纤维状组织 形成亚结构 产生形变织构湖南人文科技学院化学与材料科学系（3） 使金属晶体缺陷增多，并产生残余应力。l 残余应力的存在会导致材料及工件产生变形、 开裂、耐蚀性下降等有害影响。 l 消除办法：适当的热处理。三、塑性变形后金属在加热时组织和性能的变化1、回复回复使塑变后金属的强度、硬度和塑性、韧性变化不大，但残余应力大大降低。变化应用工业上利用回复过程对变形金属进行去应力退火来降低残余应力，保留加工硬化效果。湖南人文科技学院化学与材料科学系指冷变形后的金属在加热温度较低时，通过原子的短距离移动，使晶体内的点缺陷和位错发生迁
16、移而引起的某些亚结构和性能的变化过程。回复2、再结晶变形后金属在较高温度加热时，由于原子扩散能力增大，变形和破碎的晶粒通过重新生核、长大变成新的均匀、细小的等轴晶粒，该过程称为再结晶。变化再结晶使塑变后金属的强度和硬度明显降低，塑性和韧性大大提高，残余应力完全消除，加工硬化现象被消除。应用工业上利用再结晶过程对变形后金属进行再结晶退火来消除加工硬化现象，恢复金属的塑性和韧性。以利于后面的变形加工。湖南人文科技学院化学与材料科学系3、再结晶温度及影响因素再结晶温度：经过大量变形（变形度大于70）的金 属在约1小时的保温时间内，能够完成再结晶（再结 晶体积分数大于95）的最低加热温度。影响再结晶温度的主要因素：1）变形程度2）金属的纯度3）原始晶粒的尺寸4）加热时间和加热速度湖南人文科技学院化学与材料科学系4、再结晶晶粒的长大晶粒长大是自发过程，使晶界减少，能量
