金属材料的结构与组织及性能

1、金属材料的结构与组织及性能本章内容 本章介绍金属材料的结构与组织，包括纯金属的晶体结构，晶体缺陷和合金的结构，金属材料的组织。介绍金属材料的工艺性能、机械性能和理化性能。还介绍高分子材料和陶瓷材料的结构与性能。学习目标： 本章重点掌握金属材料的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。学习建议： 1晶体结构部分应弄清三种常见金属的晶体结构及其特点，应充分发挥空间想象力。 2晶面指数及晶向指数的确定在学习时会感到困难。应掌握常见的晶面和晶向的表示方法，需要多练多画。化学成分内部组织决 定材料的性能固态物质聚集状态晶 体非晶体1).晶体 ( crystal ) : 物体内部的原子

2、( 或分子 ) 在三维空间中 , 按一定规律作周期性排列的固体。性质: 固定的熔点; 各向异性等。 例如 , 所有的金属、食盐等。2）.非晶体 ( non- crystal ) : 物体内部的原子呈散乱分布,其 物理和力学性能各向同性。例如,普通玻璃、松香等。金属的结构晶 态非晶态SiO2的结构非晶态晶态1.1 纯金属的晶体结构几个重要定义晶体结构（Crystal Structure ）：晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式。晶 格(crystal lattice):为了研究的方便，假设通过金属原子（离子）的中心划出许多空间直线，这些直线形成的空间框架。晶 胞( unit cell ):能反

3、映晶格特征的最小组成单元。晶胞的几何特征参数三棱边长（晶格常数 lattice constant ）a、 b、 c棱边夹角：、bac110-10m 710-10m可用X射线结构分析技术进行测定晶系与布拉菲点阵 1855年,法国学者布拉菲(Bravais)用数学方法证明了空间点阵共有且只能有十四种,并归纳为七个晶系:十四种空间点阵三种常见的金属晶体结构（B.C.C、F.C.C、H.C.P）一、体心立方晶体结构（Body-Centered Cubic） A21）具有此结构的典型金属： 钠（Na）、钾（K）、铬（Cr）、钼（Mo）、钨（W）、钒（V）、-Fe等。2）主要特征：晶胞的特征参数: a =

4、 b = c , = = = 90晶胞中的原子数: n= 8 181= 2个原子半径空隙半径 r4=0.29r原子；r8配位数8 二、面心立方晶体结构（face-Centered Cubic） A11）具有此结构的典型金属： 铝（Al）、铜（Cu）、铂（Pt）、镍（Ni）、金（Au）、银（Ag）、-Fe等。2）主要特征：a=b=c, 90o；晶胞原子数：81/8+61/24；原子半径配位数12三、密排六方晶体结构（Hexagonal ClosePacked） A31）具有此结构的典型金属： 镁（Mg）、镉（Cd）、锌（Zn）、铍（Be）。2）主要特征：晶格常数：正六边形边长a，高为c,侧面之间

5、夹角120o， 侧底面间夹角90o。 晶胞原子数：21/2+121/6+36；原子半径配位数12金属晶体中的晶面和晶向晶面：通过晶体中原子中心的平面。晶向：通过原子中心的直线为原子列，其代表的方向叫做晶向。（1）晶面和晶向的表示方法1立方晶系的晶面表示方法及步骤：1。规定一空间坐标，使待标定的晶面在三条坐标轴上有截距或者无穷大。注意：原点不能选择在欲定晶面上2。以晶格长度a为长度单位，写出欲定晶面在三条坐标轴上的截距。3。截距取倒数。4。截距的倒数化为最小整数。5。将三整数写在圆括号内。ZYX晶面族：在立方晶系中，由于原子的排列具有高度的对称性，往往存在有许多原子排列完全相同但在空间的位向不同

6、，这些晶面总称为晶面族。例如：2立方晶系的晶向表示方法及步骤：晶向族：在立方晶系中，原子排列情况相同但在空间的位向不同，这些晶向总称为晶面 族。例如：1。规定一空间坐标注意：原点要选择在欲定晶向的结点上2。写出该晶向另一结点的空间坐标值3。将坐标值按比例化为最小整数4。将化好的整数记在方括号内密排面和密排方向 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上原子排列方式和排列密度不一样。 在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面为110, 称为密排面; 原子密度最大的晶向为, 称为密排方向。 在面心立方晶格中, 密排面为111, 密排方向为。金属晶体的特性 (1) 金属晶体具有确定的熔点 纯金属进行缓慢加热时,

7、 达到一定的温度, 固态金属会熔化成为液态金属。在熔化过程中, 温度保持不变。其熔化温度(T0)称为熔点。而非晶体材料在加热时, 由固态转变为液态时, 其温度逐渐变化。晶体和非晶体的熔化曲线金属晶体具有各向异性 非晶体在各个方向上性能完全相同, 这种性质叫非晶体的各向同性。 在晶体中, 不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同, 它们之间的结合力的大小也不相同, 因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的各向异性。说明 对于实际使用的金属, 由于其内部有许许多多个晶粒组成, 每个晶粒在空间分布的位向不同, 因而在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同, 晶体的各向异性就显示不出来了。实际金

8、属中的晶体缺陷 crystal defect 点缺陷线缺陷面缺陷体缺陷1)点缺陷( point defect )空位( vacancy )间隙原子( gap atom )置换原子( substitutional atom )间隙原子晶格空位置换原子点缺陷造成局部晶格畸变 2）线缺陷( line defect )-位错( dislocation ) 刃型位错( blade dislocation )螺旋型位错( screw dislocation ) 刃型位错示意图 刃型位错示意图正刃型位错负刃型位错 螺旋型位错示意图位错密度L/V(m-2)NOTE：位错的存在极大影响了金属的机械性能3）面缺陷

9、( surface-defect )晶体表面晶界( grain boundary ) 相界面（phase interface）其它界面：孪晶界、亚晶界、层错界1Cr17不锈钢的多晶体 晶界与亚晶界结构示意图大角度晶界-晶界小角度晶界-亚晶界4）体缺陷( body-defect )弥散分布的第二相超显微微粒超显微空洞1.2 合金的晶体结构几个基本概念：合金：( alloy ) 一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特征的物质。组元： ( element ) 组成合金的独立的、最基本单元。相： ( phase ) 在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相

10、同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。 固溶体 固态合金 金属化合物一.固溶体 ( solid solution ) 溶剂A + 溶质B = C bcc fcc bcc例如: -Fe + C = F ( 铁素体 ) 体心 六方 体心固溶体的结构特点 铁素体的晶体结构a)固溶体的主要类型1.置换固溶体 ( substitution solid solution ) 置换固溶体结构示意图2.间隙固溶体( interstitial solid solution )固溶体的其它分类方式无限固溶体有限固溶体无序固溶体有序固溶体间隙固溶体都是有限且无序的，无限和有序的固溶体一定是置换固溶体 有序固溶体结

11、构示意图Cu3AuCuAub)固溶体的性能 固溶强化 ( solution strength )晶格畸变 ( distortion of lattice )固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。晶格畸变增大位错运动的阻力， 使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。 溶质原子对晶格畸变影响示意图 固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。 例 纯铜的 b 为220MPa, 硬度为40HB, 断面收缩率 为70%。当加入1%镍形成单相固溶体后, 强度升高到390

12、MPa, 硬度升高到70HB, 而断面收缩率仍有50%。所以固溶体的综合机械性能很好, 常常作为结构合金的基体相。固溶体与纯金属相比, 物理性能有较大的变化, 如电阻率上升, 导电率下降, 磁矫顽力增大。二.金属化合物 ( intermetallic compound )组元A + 组元B = C bcc fcc cph 例如: 3Fe + C = Fe3C 体心 六方 复杂结构金属化合物的结构特点 渗碳体( Fe3C )晶格结构示意图a) 金属化合物的主要类型 ( normal compounds ) ( electron compounds ) ( interstitial compoun

13、ds )间隙相 复杂结构的间隙化合物1 正常价化合物 严格遵守化合价规律的化合物称正常价化合物。它们由元素周期表中相距较远、电负性相差较大的两元素组成，可用确定的化学式表示。例如，大多数金属和A族、族、A族元素生成Mg2Si、Mg2Sb3、Mg2Sn、Cu2Se、ZnS、AlP及-SiC等, 皆为正常价化合物。这类化合物性能的特点是硬度高、脆性大。2 电子化合物 不遵守化合价规律但符合于一定电子浓度(化合物中价电子数与原子数之比)的化合物叫做电子化合物。它们由B族或过渡族元素与B族、A族、A族、A族元素所组成。一定电子浓度的化合物相应有确定的晶体结构, 并且还可溶解其组元, 形成以电子化合物为

14、基的固溶体。生成这种合金相时, 元素的每个原子所贡献的价电子数Au、Ag、Cu为1个, Be、Mg、Zn为二个, Al为3个, Fe、Ni为0个。 电子化合物主要以金属键结合, 具有明显的金属特性, 可以导电。它们的熔点和硬度较高，塑性较差，在许多有色金属中为重要的强化相。3 间隙化合物 由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。尺寸较大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属原子则有规则地嵌入晶格的间隙之中。根据结构特点，间隙化合物分间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。间隙相 当非金属原子半径与金属原子半径之比小于时，形成具有简单晶格的间隙

15、化合物，称为间隙相。间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度, 非常稳定。它们的合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。复杂结构的间隙化合物 当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C、FeB、Fe2B等都是这类化合物。Fe3C是铁碳合金中的重要组成相, 具有复杂的斜方晶格。其中铁原子可以部分地被 锰、铬、钼、钨等金属原子所置换, 形成以间隙化合物为基的固溶体, 如(Fe、Mn)3C、(Fe、Cr)3C等。复杂结构的间隙化合物也具有很高的熔点和

16、硬度, 但比间隙相稍低些, 在钢中也起强化相作用。b) 金属化合物的主要性能具有一定程度的金属性质。具有较高的熔点。硬度较高。脆性高。1）概念原始材料 打磨 抛光 腐蚀 观察微观形貌 组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成，可以由单相组成，也可以由多相组成。 相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。 1.3 金属材料的（显微）组织 珠光体粗片状的相和细片状的Fe3C相两相铁素体相 不同碳含量的铁碳合金在平衡结晶后获得的室温组织不一样。 金属材料的化学成分一定时, 工艺过程则是其组织的最重要的影响因素。 纯铁经冷拔后, 其组织由原来的等轴形

17、状的铁素体晶粒变成拉长了的铁素体晶粒。 碳含量为0.77%的铁碳合金经球化退火后, 得到的组织为球状珠光体。这种组织与室温平衡组织片状珠光体的形态完全不一样。2）决定因素化学成分工艺过程片状珠光体球状珠光体3）组织与性能的关系组织结构决定性能！例如：灰口铸铁A）F+片状石墨 B）F+团絮状石墨 C）F+球状石墨冲击韧性抗拉强度增大notice1）金属组织名称相同，组成相相同，但晶粒形状、大小不同，则性能也不同例：不同晶粒度的纯铁2）组织相同，组成相也相同，形状、大小无明显差异，只是成分有所不同，则性能也不同。例：Cu-Ni合金主要内容工艺性能：制造工艺过程中材料适应加工的性能使用性能：在使用条

18、件下所表现出来的性能，包括力学（机械）性能、物化等性能冶炼 铸造 铸锭 热锻、热轧铸件板、棒、型材、管材锻件焊接机加工冷轧、冷拔 冷冲零件机加工工艺性能直接影响零件加工后的质量，是选材和制定零件加工工艺路线时应当考虑的重要因素！主要工艺性能铸造性能锻造性能焊接性能切削加工性能热处理工艺性能1铸造性能金属材料铸造成形获得优良铸件的能力 流动性 收缩性 偏析2锻造性能 金属材料用锻压方法成形的适应能力称为锻造性能。主要取决于材料的塑性和变形抗力。 3焊接性能金属材料对焊接加工的适应性。影响因素：碳质量分数、合金元素质量分数4切削加工性能用切削后的表面粗糙度和刀具寿命表示5热处理工艺性能主要是淬透性，即钢接受淬火的能力强度塑性硬度韧性疲劳强度断裂韧性金属材料的力学（机械）性能1强度(strength): 材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。根据承受载荷类型不同：抗拉强度、抗压强度、 抗弯强度 、抗剪强度 、抗扭强度例如：拉伸试验拉伸试样拉伸试验机拉伸试样的颈缩现象应力应变曲线2塑性(plasticity):是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力(1)断面收缩率(percentage reduction in area): 是指试