金屬材料和熱處理方法第一篇金屬材料的結(jié)構(gòu)與缺陷

1、金屬材料和熱處理方法第一篇 金屬材料的結(jié)構(gòu)與缺陷2第一章 材料的結(jié)構(gòu)本章提要結(jié)合鍵與材料的性質(zhì)晶體學(xué)的基本概念純金屬的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)3第一章 材料的結(jié)構(gòu)第一節(jié) 材料的結(jié)合方式1.1.1 化學(xué)鍵化學(xué)鍵組成物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)的相互作用力。共價(jià)鍵共用電子對(duì)有飽和性與方向性。共價(jià)晶體高熔點(diǎn)，高強(qiáng)度，較好絕緣性。42. 離子鍵得失電子形成沒(méi)有方向性和飽和性離子晶體高熔點(diǎn)，高硬度，導(dǎo)電（熔融） 53. 金屬鍵原子共用自由電子形成無(wú)飽和性和方向性。金屬晶體原子排列密度高，能變形，導(dǎo)電，導(dǎo)熱。63. 金屬鍵原子共用自由電子形成無(wú)飽和性和方向性。金屬晶體原子排列密度高，能變形，導(dǎo)電，導(dǎo)熱。7金屬原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)外

2、層電子少，易失去。有自由電子。金屬離子與自由電子形成鍵。金屬鍵無(wú)方向性有良好的塑性有固溶能力84. 范德瓦爾鍵 分子間靜電引力形成，分子鍵 聚合物鏈間沒(méi)有方向性和飽和性分子晶體 如冰、干冰等熔點(diǎn)低，硬度小91.1.2 工程材料的鍵性圖1-410第二節(jié) 晶體學(xué)基礎(chǔ)1.2.1 晶體與非晶體晶體：物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)在三維空間作有規(guī)律的周期性重復(fù)排列所形成的物質(zhì)。長(zhǎng)程有序晶體的特性：各向異性、固定的熔點(diǎn)、產(chǎn)生電子衍射等。11AL 原子的微觀排列12單晶體的各向異性13空間點(diǎn)陣1. 點(diǎn)陣、陣點(diǎn)與晶格空間點(diǎn)陣：將理想晶體抽象為無(wú)數(shù)相同的質(zhì)點(diǎn)（原子等的中心），其在空間的排列稱為空間點(diǎn)陣，簡(jiǎn)稱點(diǎn)陣。陣點(diǎn)：點(diǎn)陣中的單個(gè)

3、質(zhì)點(diǎn)。晶格：將陣點(diǎn)用一系列平行的直線連接起來(lái)構(gòu)成的空間格架。142. 晶胞晶胞：構(gòu)成點(diǎn)陣的最基本單元。晶胞選擇的依據(jù)：反映點(diǎn)陣的規(guī)律反映點(diǎn)陣對(duì)稱性。 平衡六面體內(nèi)各角與棱盡量相等。 棱之間盡量為直角。晶胞體積最小。153. 晶胞參數(shù)： 晶格常數(shù)、 晶軸間角、4. 七個(gè)晶系與十四種Bravis點(diǎn)陣16171.2.3 晶向指數(shù)與晶面指數(shù)基本概念晶面：晶體中由一系列原子組成的平面。晶向：任意兩個(gè)原子之間連線所指的方向。晶向指數(shù)與晶面指數(shù)：標(biāo)明晶面與晶向空間方位排列的統(tǒng)一方法。181.晶向指數(shù)晶格中的點(diǎn)三步法確定晶向指數(shù) 建坐標(biāo)，確定點(diǎn)“末”- “始”，數(shù)字定化整，加 19晶向族平行且同向的晶向指數(shù)相

4、同。方向相反晶向的指數(shù)為相反數(shù)。用代表所有原子排列相同但空間位向不同的晶向，稱晶向族。20正交系常用晶向指數(shù)212.晶面指數(shù)三步法確定晶面指數(shù)（hkl）取坐標(biāo)求截距求倒數(shù)、化整 22晶面族平行晶面的指數(shù)相同指數(shù)互為相反數(shù)時(shí)，晶面法線反向用hkl代表空間位向不同，但原子排列情況完全相同的晶面，稱為晶面族。23立方系常用晶面指數(shù)243. 六方晶系的晶面指數(shù)與晶向指數(shù)四軸坐標(biāo)晶面指數(shù) 同于立方系方法晶向指數(shù) 轉(zhuǎn)換法 u=1/3（2U-V） v=1/3（2V-U） t= -(u+v） w=W25六方系常用晶面與晶向264. 晶帶與晶帶定理晶帶：由與某一晶向直線平行及所有相交于該晶向直線的所有晶面構(gòu)成的

5、集合。該直線稱為該晶體帶軸。晶帶定理：在立方晶系中，若晶面（hkl）的晶帶軸是uvw，則必有hu+kv+lw=0 反之亦然。27應(yīng)用： 根據(jù)兩不平行晶面的指數(shù)（h1 k1 l1），（h2 k2 l2）可以求出它們所在晶帶的晶帶軸uvw。u=k1l2 - k2l1v=l1h2 - l2h1w=h1k2 - h2k1285.晶面間距29課后練習(xí)在立方晶胞中畫(huà)出：四個(gè)111晶面和六個(gè)110晶面八個(gè)晶向和12個(gè)晶向?qū)懗雠c六方晶系中的 101，111及001對(duì)應(yīng)的四軸指數(shù)-30第三節(jié) 材料的晶體結(jié)構(gòu)1.3.1 典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方、面心立方、密排六方結(jié)構(gòu)31晶胞中的原子數(shù)原子半徑配位數(shù)致密度原子堆

6、垛方式晶體結(jié)構(gòu)中的間隙321.晶胞中的原子數(shù)332.原子半徑343. 配位數(shù)配位數(shù)：一個(gè)原子周圍最近鄰并且等距離的原子的個(gè)數(shù)。FCCCPH354.致密度體心立方面心立方密排六方365.原子堆垛單擊看動(dòng)畫(huà)體心立方的原子堆垛密排面1103738密排六方與面心立方的原子堆垛密排面原子排列特點(diǎn)密排面111，（0001）原子形成密集堆積的堆積位置可以是 A, B或者C39面心立方晶胞中的密堆積面40面心立方與密排六方堆垛的差異41密排六方的原子堆垛42面心立方的原子堆垛436.晶體結(jié)構(gòu)中的間隙體心立方結(jié)構(gòu)的間隙44面心立方結(jié)構(gòu)的間隙45密排六方結(jié)構(gòu)的間隙467.晶體中的各向異性單晶體的各向異性各向異性的

7、原因：各方向原子排列特點(diǎn)不同實(shí)際材料常是偽各向同性的。478.多晶型性多晶型性及多晶型轉(zhuǎn)變：一種材料具有幾種不同晶體結(jié)構(gòu)的性質(zhì)稱多晶型性。當(dāng)改變溫度或壓力時(shí)，晶體從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)，稱多晶型轉(zhuǎn)變。 意義：熱處理的工藝基礎(chǔ)通過(guò)改變結(jié)構(gòu)而改變性能多晶型轉(zhuǎn)變的體積變化48純鐵的多晶型轉(zhuǎn)變及體積變化49拓展復(fù)習(xí)題證明：在立方晶系中相同指數(shù)的晶面與晶向互相垂直，即hkl(hkl)利用上題結(jié)論，證明晶帶定理計(jì)算立方系321與120及（111）與之間的夾角。計(jì)算面心立方八面體間隙與四面體間隙半徑。50 51912時(shí)，-Fe轉(zhuǎn)變?yōu)?Fe，求其體積改變率考慮單位質(zhì)量，其體積作為參考初始體積恒溫時(shí)鐵原子的

8、半徑保持不變521.3.2 共價(jià)晶體的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：配位數(shù)低（8-N），致密度低53541.3.3 離子晶體的晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：配位數(shù)主要由離子的半徑比決定。55簡(jiǎn)單離子晶體的結(jié)構(gòu)561.3.4 合金的相結(jié)構(gòu)基本概念合金：由兩種或兩種以上金屬元素，或金屬與非金屬元素，經(jīng)過(guò)熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成，具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金的最基本的獨(dú)立物質(zhì)，單質(zhì)或化合物。 相：聚集狀態(tài)相同的，結(jié)構(gòu)和性質(zhì)一致，并以界面相互隔開(kāi)的均勻的組成部分。57合金中的相的顯微鏡形貌單相合金與兩相合金581.固溶體概念：B組元的原子完全溶入固相的A組元，并保持A的晶體結(jié)構(gòu)所形成的合金相。A,B分別稱為溶劑組元與溶質(zhì)組

9、元。分類置換固溶體與間隙固溶體有限固溶體與無(wú)限固溶體有序固溶體與無(wú)序固溶體59間隙固溶體H,O,N,C,B等溶入過(guò)渡金屬中形成晶格膨脹固溶度有限溶劑間隙的形狀與大小影響固溶度60置換固溶體常在過(guò)渡金屬組元之間形成也有晶格畸變條件合適時(shí)組元濃度可以連續(xù)變化61影響置換固溶體固溶度的因素晶體結(jié)構(gòu)因素 相同時(shí)易實(shí)現(xiàn)無(wú)限互溶原子尺寸因素R/Ra14%-15%，易大量固溶電負(fù)性因素接近時(shí)易大量固溶電子濃度因素受極限電子濃度制約，價(jià)越高的溶 質(zhì)其溶解度越小62電子濃度因素現(xiàn)象：溶質(zhì)原子的化合價(jià)越高，在一價(jià)Cu,Ag,Au中的固溶度越小。但形成固溶體的極限電子濃度卻相同。核心：固溶體的固溶度受極限電子濃度制

10、約。電子濃度的定義 e/a(固溶體價(jià)電子數(shù)/原子數(shù))=Va,Vb:溶劑與溶質(zhì)的化合價(jià)X: 溶質(zhì)的原子數(shù)，100Va(100-x)+Vb x10063固溶體的微觀不均勻性宏觀均勻的固溶體微觀可表現(xiàn)為無(wú)序、偏聚及短程有序的分布。64有序固溶體6566固溶體的晶格畸變67固溶體的性能與應(yīng)用固溶強(qiáng)化隨溶質(zhì)濃度提高，強(qiáng)度硬度增大同時(shí)塑性韌性下降。作為合金組織的基體相使用可以承力，可以變形。682.中間相金屬化合物概念：溶質(zhì)含量超過(guò)溶解度極限時(shí)出現(xiàn)的具有全新晶體結(jié)構(gòu)的新相。鍵性：主要金屬鍵，兼有離子鍵、共價(jià)鍵。種類： 正常價(jià)化合物、電子化合物、間隙相與間隙化合物69正常價(jià)化合物符合化合價(jià)規(guī)律金屬IVA,VA,VIA元素間電負(fù)性差越大，離子鍵比例越大，化合物越穩(wěn)定常見(jiàn)的離子晶體型的陶瓷材料高硬度高脆性，可作彌散強(qiáng)化相70電子化合物Hume-Rothery定律以貴金屬為主的過(guò)渡金屬間形成，成分有一定變化范圍金屬鍵硬度高脆性大有色金屬中的彌散強(qiáng)化相71間隙相與間隙化合物過(guò)渡金屬與H,B,C,N等形成不是固溶體72間隙相時(shí)形成的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的金屬化合物成分可表現(xiàn)為一定范圍極高的硬度和熔點(diǎn)硬質(zhì)合金、高速鋼的強(qiáng)化相73間隙化合物，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜過(guò)渡金屬的碳化物比間隙