第二章纯金属与合金的基本知识

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1、第一章纯金属与合金的基本知识第一节纯金属与合金的晶体结构、金属的性能取决于化学成分和组织结构：1、态度确定性格一一组织确定性能。2、不同的材料组织不同，性能不同。3、同种材料，采用不同的加工工艺、热处理改变组织了组织，进而改 变了性能。一、纯金属（理想金属）的晶体结构物质是由原子组成，根据原子在空间中的排列的特征不同，固体物 质可分为晶体和非晶体。1、晶体：原子作有序排列；有固定的焰点；各向异性非晶体：原子作无序排列；没有固定的熔点；各向同性。所有金属和合金都是晶体2、晶格：把原子看成刚性小球，再将钢球视为一个点，用线条连接起 来，形成空间格架。原子排列形成的空间格子。3、晶胞：原子的排列具有

2、周期性变化特点，为了方便，选取一个能 够完全反应晶格特征的最小的几个单元。组成晶格最基本单元。（实际上，整个晶格就是有许多大小、形状、位向相同的晶胞在空间重复排 列而成的）4、晶格常数：为了描述晶胞的结构，选取晶胞角上一个节点，作坐标原点，三条棱边作为X、Y、乙棱边的长度a、b、c,夹角a、B、 Y。单位 1A=1X 10-1 =0.1 nm5、金属中常见的晶格类型：原子的排列方式不同，晶格类型也不同。 体心立方晶格：立方体，中心一个原子，八个角上各有一个原子。晶格常数a=b=c,棱边夹角a = B = y =90。典型金属：Cr、Mo W V、 a-Fe。 面心立方晶格：立方体，每一个面的中

3、心和八个角各有一个原 子。晶格常数a=b=c,棱边夹角a *二丫 =90。典型金属:Cu Ni、Ag、 Au。 密排六方晶格：六方柱体，六个呈长方形的侧面和两个呈六边形 的底面组成。十二个节点、上下底面中心各一个原子，晶胞中间还有三个原 子。晶格常数a=b c,棱边夹角a =B =90 , 丫=120。典 型金属：Mg Be Zn、a-Ti、 3-Cr。原子排列不同，晶格类型不同，组织不同。原子在晶格中排列的紧密 程度不同，通常用致密度（晶胞中原子占的体积与晶胞体积的比值）来表 示。面心和密排六方晶格致密度是74%，体心立方晶格致密度68%。同一种金属，热处理，原子排列方式改变，晶格类型改变，

4、组织改 变，性能改变。三、纯金属的实际晶体结构理想晶体结构：晶体内部原子排列的位向完全一致，单晶体结构。实 际晶体结构：多晶体结构，不存在很多缺陷。1、多晶体结构工业上使用的金属材料，金属中包含许多不同晶格位向及形状的小晶体，其中每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状，通常把它们成为“晶 粒”，晶粒与晶粒之间的界面成为“晶界”。晶粒尺寸一般在10-3 10-imm必须在显微镜下才能观察到。通常把 在显微镜所能观察到的金属晶粒的大小、形态和分布称为“显微组织”。2、晶体缺陷实际金属是多晶体结构，总有一些原子偏离规则排列而形成一定的不完 整区域,晶体缺陷。影响：物理性能、化学性能、力学性能；理想金属理

5、论 计算的屈服强度比实际测得的数值高出千倍。强度、硬度、塑性对结构敏感，与结构的完整性关系极大。同一金 属，由于结构的非完整性的差别，其性能可以出现几个数量级的变化。按尺寸不同，几个特征不同，晶体缺陷可分为以下几类： 点缺陷（零维缺陷）：空位和间隙。（举例学生的座位）空位：晶格中某些原子由于某些原因脱离其晶格结点，其结点未被其 他原子所占有。间隙：个别原子出现在晶格的空隙处，占有不正常晶格位置的原子。空位和间隙原子的运动是晶体内原子扩散的内部原因，原子扩撒就是 依靠点缺陷的运动而实现的。（化学热处理、成分均匀化处理、退火与正 火、时效硬化处理、表面氧化）晶格畸变：原子间作用力的平衡被破坏，使其

6、周围的其他原子发生 靠拢或撑开的现象。晶格畸变，性能发生改变，如强度、硬度和电阻增加。 线缺陷（一维缺陷）：线状分布的一种缺陷。晶体中有一列或若干 列原子发生某种有规律的错排的现象。刃型位错：一种简单的位错形式，在规则排列的晶体中间多出一层 多余的原子面，晶体中上下两部分的原子产生的了错排现象。位错线上方 附近的原子受到压应力和位错线下方附近的原子受到拉应力的作用。位错密度：单位体积中包含位错线的总长度。位错的存在及位错的 数量对金属的力学性能有很大的影响。退火状态，位错密度低，强度低；冷 塑性加工变形，位错密度增加，金属的强度明显提高。 面缺陷（二维缺陷）：晶体中呈面状分布的缺陷。常见的面缺

7、陷是 晶界和亚晶界。晶界是不同位向晶粒之间原子无规则排列的过渡层,金属进 行塑性变形时晶界起到一定的阻碍作用，晶界越多，晶粒也 细小，常温下金属 的强度、硬度和塑性就越高。（细晶强化）实际金属每个晶粒内部，其晶格位向并不像理想晶体那样完全一致， 同样存在许多尺寸很小、位向相差也很小的小晶块，这些小晶块成为亚晶 界。晶粒大小一定时，亚组织越细，金属的强度越高。四、合金的晶体结构纯金属具有优良的导电性和导热性，但强度、硬度较低无法满足生成 中对金属材料的一些高性能要求，且提炼困难，价格较贵。因此，实际生 产中大量使用的金属材料都是根据需要制成的各种不同成分的合金，如碳 钢、铸铁、合金钢、黄铜（铜、

8、锌）、硬铝（铝、铜、镁或铝、铜、 锰）。1、合金的基本概念 合金：由两种或两种以上的金属兀素（或金属与非 金属元素）组成的具有金属特性的物质。组元：组成合金的最基本的、独立的物质。组元通常是纯元素，但也 可以是稳定的化合物。合金组元数目的多少不同，可以分为二元合金、三 元合金和多元合金。给定组元后，按不同比列配制成一系列成分不同的合金，这一系列 合金就构成了合金系。二元合金系、三元合金系、多元合金系。相：具有同一化学成分、晶体结构和相同性能的均匀部分。合金中相 与相之间有明显的界面。合金液态下通常都是单相液体。合金在固态下， 由有一个固相组成时称为单相合金；由两个以上固相组成时称为多相合 金。

9、组织：能用肉眼直接观察到或借助放大镜、显微镜等观察到涉及金 属内部的晶粒大小、形状、分布、各相组成情况等宏观或微观的图像。合金的新能取决于它的组织，组织的性能取决于其组成相的性能。2、合金的相结构按组元间的相互作用不同，合金在固态下的相结构可分为固溶体 和金 属化合物固溶体 固溶体是指金属在固态下，组元间能相互溶解而形成的均匀 相。固溶体的晶格类型与其中一个组元的晶格类型相同，此组元称为溶 剂，其他组元均称为溶质。置换固溶体：溶质原子部分占据溶剂晶格结点位置所形成的固溶体。 按溶解度不同，置换固溶体分为有限固溶体和无限固溶体。在置换固溶体中，溶质在溶剂中的溶解度主要取决于两种原子的晶格类型、原

10、子半径和温度。晶格类型相同、原子半径接近时，有可能形成无限 固溶体。一般温度越高，溶解度越大。间隙固溶体：溶质原子溶入溶剂晶格间隙而形成的固溶体。形成 固溶体的条件是溶质原子与溶剂原子的半径比值w 0.59 。固溶强化：通过溶入溶质元素使固溶体的强度、硬度升高的现象。（混凝土）无论是置换固溶体还是间隙固溶体，固溶体虽然保持着溶剂金 属的晶格类型，但由于溶质与溶剂原子尺寸的差别，必然会造成晶格畸 变，增加位错运动的阻力，使固溶体的强度、硬度提高。固溶强化是提高金 属材料力学性能的重要途径之一。金属化合物是指合金组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的 一种新物质。金属化合物的晶格类型和性能完全不

11、同于任一组元，一般用 分子式表示。金属化合物一般具有较高的焰点、硬度和稳定性，但脆性较大，不能 单独使用，只能以颗粒状分布在固溶体中。弥散强化：当金属化合物以颗粒状弥散分布在固溶体基体上，而使 合金的强度、硬度和耐磨性明显提高的现象。工业中使用的合金，其组织仅有金属化合物组成的情况极少见到，绝大数合金的组织是由固溶体和金属化合物组成的混合物，通过调整合金的化学成分和金属化合物的数量、大小、形态、分布可以获得不同的力 学性能，从而满足不同产品的性能要求。第二节纯金属与合金的结晶金属与合金由液态转变为固态晶体的过程中，其原子是由不规则排列 的液体状态逐步过渡到原子作规则排列的晶体状态，这一过程称为结晶。