物理冶金原理：金属及合金相的晶体结构

1、金属及合金相的晶体结构Crystal Structure of Metals and Phases in Alloys晶体: 原子或原子集团在三维空间周期性重复排列的物质晶体的性质：高的热力学稳定性各向异性 ( Anisotropy of Properties)宏观性质的均匀性一定的熔点规则的外形（外表面为往往低表面能的特殊晶面）NaCl的晶体晶体结构A3B有序金属间化合物CaF2的晶体结构（ cF12 ）层状结构 低剪切强度自润滑性能M6C的晶体结构W6CW4Mo2C(WMoFe)6C非晶合金的结构及性质 Structure and Properties of Noncrystalline

2、or Amorphous Alloys原子排列长程无序或短程有序Long-range disorder or short-range order无晶界、无成分偏析、成分完全均匀没有固定熔点(玻璃转化温度）各向同性（Isotropic )高强度、无加工硬化、低塑性高弹性、高耐蚀、高耐磨优异的磁性、储氢性能、Structure of Amorphous AlloysShort-Range Order No Grain BoundariesNo Dislocations Chemical HomogeneityThe atoms are arranged in a random fashion, s

3、imilar to their arrangement in the liquid state Example of a crystalline atomic structure. Four grains are illustratedTypical Tensile Stress-Strain Curves for Crystalline and Amorphous AlloysStress 2% Strain, %CrystallineAmorphousStrong and ElasticGlassy AlloysUnique Properties of Amorphous AlloysVe

4、ry High Strength Strongest Materials so far (nearest to Theoretical Strength of crystals up to 4000MPa)Extraordinary High Elasticity Elastic Elongation up to 2%Isotropic Chemical, Physical and Mechanical Properties Excellent Corrosion Resistance due to Its Perfect Chemical Homogeneity, Free of Any C

5、rystal Defects and Grain BoundariesHigh Hardness, Excellent Wear ResistanceNo Work Hardening Catastrophic FailureSelf-Sharpening and High Dynamic Fracture ToughnessArmor PiercingVery High Impact and Dynamic Fracture Toughness Deformation Localization (Highly localized viscous flow within the very na

6、rrow shear bands while the rest is in elastic state)Strongest Materials So FarProcessing Methodsfor Amorphous Alloys合金熔体快速凝固 Rapid Solidification of Alloy Melt机械合金化或 Mechanical Alloying/Milling强烈塑性变形 Severe Plastic Deformation晶体学基础晶体: 原子或原子集团在三维空间周期性重复排列的物质晶体结构：组成晶体的最小基本单元(原子或原子集团)，称作基元(motif), 把基元看

7、成几何点，这些点在三维空间构成空间点阵（Space Lattice）空间点阵中任何点都具有相同的环境，任何点都是等效的。五种平面点阵The Four Elements of Materials Science and Engineering空间点阵、晶格、晶胞、晶格常数Space LatticeCrystal LatticeUnit CellLattice Constants or Parameters将空间点阵中各点用直线连接起来形成空间格子，称为晶格晶胞及晶格常数Unit Cell and Lattice Constants or Parameters晶胞：晶格中完全反映晶格特征的最小几何

8、单元晶格常数/点阵常数：晶胞的棱边长度、棱间夹角agacbbxyz7个晶系、14种空间点阵14 Bravais Lattice Types in the 7 Crystal Systems agacbb根据点阵常数（a、b、c、 a、b、g）之间的关系 存在且只存在7个晶系根据点阵的对称性 存在且只存在14种空间点阵7个晶系、14种空间点阵 14 Bravais Lattices in 7 Crystal Systems 点阵符号xX：Lattice Symbols第一个小写字母 表示所属晶系第二个大写字母 表式点阵类型简单立方 Cubic Primitive (cP) 体心立方 Cubic

9、Body-Centered (cI)面心立方 Cubic Face-Centered (cF)立方晶系点阵： Cubic Lattice a = b = c; a = b = g = 90o简单四方 Tetragonal Primitive (tP) 体心四方 Tetragonal Body-Centered (tI)四方晶系点阵： Tetragonal Lattice a = b c; a = b = g = 90o简单单斜 Orthorhombic Primitive (oP) 体心正交 Orthorhombic Body-Centered (oI)底心单斜 Orthorhombic Ba

10、se-Centered (oC)面心正交 Orthorhombic Face-Centered (oF)正交点阵： Orthorhombic Lattice a b c; a = b = g = 90o简单单斜 Monoclinic Primitive (mP) 底心单斜 Monoclinic Side-Centered (mA)单斜点阵： Monoclinic Lattice a b c; a = b = 90o g 三斜点阵：Triclinic (anortic) Lattice a b c；a b g 90o简单三斜 Triclinic Primitive（aP）简单六方 Hexagon

11、al Primitive (hP) 六方晶系点阵： Hexagonal Lattice a = b c; a = b = 90o , g = 120o 菱方晶系点阵： Rhombohedral (hR) Lattice a = b c; a = b = g = 90o 晶体结构符号：结构报告符号：APearson 符号：cF41、结构报告Structurbericht符号： (大写字母 数字)A： 纯元素 （A1FCC；A2BCC；A3HCP；A4金刚石.)B： AB型化合物 （B1NaCl结构、B2CsCl结构， B3ZnS结构.)C：AB2型化合物 （C1CaF2结构、C2FeS2结构，

12、C3Cu2O结构.)D： AmBn型化合物（D51Al2O3结构，.)E-K: 更复杂化合物L： 合金（L12AuCu3结构,.)O: 有机化合物S： 硅酸盐2、皮尔森(Pearson)符号：小写字母(晶系)大写字母(晶格类型)数字(原子数)例如： cF12 CaF2, Co2Si, cF24 MgCu2, hP12 Ti2Ni3Si, Mo2Ni3Si, 。 tP30 CrFe, Fe9Cr9Si2 s-phases晶面指数及晶向指数Indices of Crystallographic Planes and Directions表示晶体晶格中不同原子平面(晶面)及原子列方向(晶向)的一种符

13、号（Symbols） 密勒指数 Miller Indices晶面指数的求法: (h k l)选定坐标系原点或移动晶面,使晶面与三坐标轴相截以晶格常数为单位求晶面与x、y、z三坐标轴的截距取三截距的倒数并化成最小整数: h, k, l放入圆括号中(负号写在数字上方)：(hkl)截距：X：1；Y：1；Z：1/2倒数：X：1；Y：1；Z：2晶面指数: (112)(110)及(111)晶面晶面族 Family of Crystallographic Planes晶体中原子排列规律相同、位向不同的所有晶面（数字相同但次序及负号不同的所有晶面）表示符号：hkl晶面族 100晶面族 111晶面族 110晶向

14、指数及其求法Index of Crystallographic Directions符号 Symbol: uvw过坐标原点作晶向的平行线或将该晶向平移至坐标原点在该晶向上任取一点并以晶格常数为单位,求位置坐标值将坐标值化成最小整数并放入方括号中uvw负号写在数字上方，符号相反的两晶向方向相反： 112与112位置坐标：1/2，1/2，1最小整数：1，1，2晶向指数：112Examples:晶向族：Family of Crystallographic Directions原子排列特征相同、位向不同的全部晶向: 100001010111111111 晶向族六方晶系中的晶面指数与晶向指数采用四轴坐标

15、系：指数求法同三坐标轴相同(hkil) hkil i = - ( h+ k )uvtw t = - (u + v )X1X3X2Zaaa六方晶格中的部分重要晶面与晶向晶带及晶带定理晶带：一系列非平行晶面都平行于（或包含）某一特定方向，这些晶面同属于一个晶带晶带轴： uvw晶面： (hkl)晶带定理：hu + kv + lw = 0uvw(hkl)简单立方晶系中一些重要的晶体学关系密勒指数相同的晶面与晶向互相垂直 hkl(hkl) 或 (hkl)晶面之法线为hkl晶向夹角求法晶面夹角求法晶面间距求法常见的金属晶体结构绝大多数金属都具有简单的晶体结构面心立方FCC（face-centered cu

16、bic)体心立方BCC （body-centered cubic）密排六方HCP（hexagonal close packed）配位数CN：晶体结构中与任一原子最近邻、等距离的原子数目致密度：晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比，反映原子排列的紧密程度 体心立方晶格 BCC （Body-Centered Cubic）晶体结构BCC晶体结构特点之一：结构不紧密原子数：1+81/8=2配位数CN (coordination number)：8 + 6原子半径：R = 3a/2致密度(Space-Filling Efficiency)：0.68BCC晶格原子半径BCC结构特点之二：间隙数量多、尺寸小、分

17、散、八面体间隙不对称八面体间隙：数量6/2+12/4=6个 (3个/原子），间隙半径0.155R；结构特点：扁八面体（不对称）！四面体间隙：数量24/2=12个(6个/原子） ，间隙半径0.291R；结构特点：对成四面体！14321432BCC晶体结构中的八面体间隙扁八面体：短轴方向 a/2 R = 0.155R 长轴方向 2a/2-R = 0.633R结构特点：扁八面体（不对称）！BCC重要晶面与晶向：没有密排面(易交滑移)没有密排面(closed packed planes)，只有一个密排方向(closed packed direction) 原子排列较密的晶面：110，滑移面)密排方向：

18、 （滑移方向）滑移面很多、滑移方向很少EADCBABCD面 (110)ADCBE111111BCC晶体中的110面原子排列情况Not Close Packed Plane. Only with Two Closed Packed Crystallographic Directions面心立方晶格 FCC （Face-Centered Cubic）面心立方晶格 FCC （Face-Centered Cubic）晶体结构FCC晶体结构特点之一: 结构致密原子数：6/2 + 8/8 = 4配位数CN (coordination number)：12原子半径：R = 2a/4致密度(Filling e

19、fficiency)：0.74FCC结构特点之二：间隙数量少、尺寸大八面体间隙：数量1+12/4=4个 (1个/原子） ，间隙半径(a/2 R) = 0.155R；结构特点：对称八面体！四面体间隙：数量8个 (2个/原子） ，间隙半径0.291R；结构特点：对称四面体！密排面 111 ：每个密排面上有3个独立的密排晶向！密排方向密排面多滑移方向多ABBCBCCA密排六方晶格（HCP）密排六方晶格（HCP）密排晶体结构中原子的堆垛Atomic Stacking in Closed Packed Crystal StructuresOne Dimensional Closed Packing: C

20、losed Packed Crystallographic Direction2. Two Dimensional Closed Packing Closed Packed Crystallographic Planes密排晶体结构中原子的堆垛Atomic Stacking in Closed Packed Crystal Structures2. Two Dimensional Closed Packing Closed Packed Crystallographic Planes3. Three-Dimensional Closed Stacking of Closed Packed At

21、omic PlanesStacking SitesStacking Sequence3. Three-Dimensional Stacking of Closed Packed Atomic PlanesStacking SitesStacking Sequence3. Three-Dimensional Closed Stacking of Closed Packed Atomic PlanesStacking SitesStacking SequenceStacking Sequence: A-B-A-B-HCP Crystal StructureAB3. Three-Dimensiona

22、l Closed Stacking of Closed Packed Atomic PlanesStacking SitesStacking SequenceStacking Sequence: A-B-C-A-B-CFCC Crystal StructureBCABBCBCCAStacking Sequence:FCC and HCP Crystal StructureCABBStacking FaultA B C A B C A B C A B C A B C C A B C A B C A BA B C A C A B C A B C A B C FCC中的层错的形成(Stacking

23、Fault)层错与孪晶(Stacking Fault and Twins)Growth Twins in Nano-crystalline MetalsAnneal Twins in Stainless Steel金属的同素异构Allotropic (Polymorphic) Transformation of Metals金属的同素异构转变 同素异构性或多型性：某些元素在温度或压力变化时，晶体结构发生变化 同素异构转变对金属材料的重要意义：可通过控制热处理控制材料性能，为材料加工成形提供了机会合金的基本概念合金及合金化 Alloys and Alloying组元(Component)及合金分

24、类相(Phase)及合金分类合金元素的作用合金的基本概念合金: 由两种或两种以上的金属，或金属与非金属，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、独立的物质（元素/稳定的化合物）二元合金、三元合金、多元合金相：合金中结构相同、成分和性能均一并以界面相互分开的组成部分单相合金、双相合金、多相合金Structure of Phases in Alloys：金属固溶体或端际固溶体Metallic or Terminal Solid Solution中间相或金属化合物Intermediate Phases (Metallic Compounds)Solid Soluti

25、ons：金属固溶体或端际固溶体中间相或金属化合物或二次固溶体固溶体：合金组元之间以不同的比例相互混合形成固相，固相晶体结构与组成合金的某一组元相同 溶剂：固溶体结构与之相同的组元 溶质：其它组元金属化合物：合金组元间发生相互作用而形成的晶格类型和性能均不同于任一组元的新相 可用分子式大致表示；离子键、共价键、金属键共同作用；具有一定的金属性质固溶体的分类：1、溶质原子在晶格中所占位置分类：置换固溶体和间隙固溶体2、固溶度有限固溶体和无限固溶体3、溶质原子与溶剂原子的相对分布无序固溶体和有序固溶体固溶强化：在固溶体中，随着溶质浓度增加，固溶体强度、硬度提高，塑性、韧性降低固溶强化Solid So

26、lution Hardening or StrengtheningSubstitutional Solid Solution(置换固溶)固溶强化Solid Solution HardeningInterstitial Solid Solution(间隙固溶)溶质元素：原子半径小于0.1nm的非金属元素，H、O、N、C、B固溶体中溶质原子的分布：无序, 偏聚, 局部有序, 完全有序Ordered Solid SolutionSuperlattice or Ordered Intermetallics固溶强化及影响固溶强化的因素Solid Solution Hardening or Strengt

27、hening1、固溶体类型（间隙固溶置换固溶）2、原子尺寸差（溶质与溶剂原子尺寸差越大强化效果越好）3、晶体结构4、电化学性质5、元素固溶度（固溶度越大强化效果越好）电负性-原子半径图 某一元素为基体的固溶体的固溶度：以该元素为中心，在原子半径坐标左右各取15%宽度，在电负性坐标上下各取0.4宽度的椭圆形有序固溶体Ordered Solid Solution具有短程有序的固溶体，当低于某一温度时，可能使溶质和溶剂原子在整个晶体中都按一定的顺序排列起来，即由短程有序变为长程有序A3BABA3B金属化合物（中间相）Metallic Compounds (Intermediate Phases )正

28、常价化合物(Normal Valence Compounds)AB 型：NaCl型、立方ZnS、六方ZnSAB2型：CaF2型电子化合物 (Electronic Compounds)e=(xN + yM)/100尺寸因素化合物(Size-Factor Compounds)间隙化合物(Interstitial Compounds)间隙相(Interstitial Phases)拓扑密堆相(Topologically Closed Packed Phases, TCP Phases：AB2 Laves，AB s-phase，A3B Cr3Si type)正常价化合物AB 型：NaCl型、立方ZnS

29、、六方ZnS NaCl-type:MgSe, SnTe, MnSe, PbTe, etcCubic ZnS-type:MnS, GaAs, GaP, etc 正常价化合物: AB 型：NaCl型正常价化合物: AB 型：立方ZnS NaCl-type:MgSe, SnTe, MnSe, PbTe, etcCubic ZnS-type:MnS, GaAs, GaP, etc 正常价化合物 AB2型：cF12 CaF2型FCC Layered Structure层状结构低剪切强度自润滑性能SiMg2, GeMg2, Co2Si，etc正常价化合物特点由金属元素与周期表中第、族元素组成成分符合原子价

30、规律具有严格的化合比成分固定不变可用化学式表示具有较高的硬度和脆性电子化合物 (Electronic Compounds)e=(xN + yM)/100e 21/14 21/13 21/12 1.50 1.62 1.75 BCC(b相) 复杂立方(g相) HCP(e相) Cu-Zn: CuZn Cu5Zn8 CuZn3Cu-Sn: Cu5Sn Cu31Sn8 Cu3SnCu-Si: Cu5Si Cu31Si8 Cu3SiElectronic Compounds in Cu-Zn Binary Alloysbge电子化合物特点由第族或过渡族金属元素与第至第族金属元素形成不遵守原子价规律按照一定电

31、子浓度的比值形成的化合物电子浓度不同，所形成的金属化合物的晶体结构也不同可以用化学式表示成分可以在一定的范围内变化很高的熔点和硬度，但脆性很大间隙化合物组成组元原子半径相差很大Ri/Rm0.59间隙化合物(复杂晶体结构)性能特点：高熔点、高稳定性高温结构材料高硬度、高耐磨耐磨材料Interstitial Phases: Rinter/Rmetal0.59晶体结构复杂稳定性相对较低硬度相对较低 Fe3C、W6C、Cr7C3、Cr23C6，etc渗碳体 Cementite (Fe3C)的结构一个晶胞有16个原子，其中12个Fe原子，4个C原子M6C的晶体结构W6CW4Mo2C(WMoFe)6CKa

32、sper Coordination Polyhedrons and TCP Phases (Kasper配位多面体与TCP相)拓朴密堆相TCP PhasesTopologically Close-Packed Phases CN 12 (14, 15, 16)间隙全部为四面体间隙无八面体间隙原子间结合力很强共价键高硬度、高耐磨、高耐蚀等拓朴密堆相：TCP相Topologically Close-Packed Phases AB2 Laves Phases AB s phase A3B: Cr3Si 一、Laves Phases 组成：AB2 RA/RB=1.225 结构： cF24 MgCu2

33、、 hP12 MgZn2、 hP24 MgNi2 立方MgCu2型(cF24) Laves相Hexagonal MgZn2 Type (hP12) Laves PhaseMgZn2中A、B原子的分布和双原子堆垛方式 ABExamples of Laves Phases NbCr2, WFe2, TiFe2, NbFe2, CoMoSi、 FeMoSi、 Mo2Ni3Si、 Ti2Ni3Si、 W2Ni3Si，etc二、 s phase (tI30)成分不固定结构很复杂硬而脆常常为有害相潜在的功能新材料s-PhasesFeCr, FeV, FeMo, CrCo, Fe9Cr9Si2, etcHa

34、rd, brittle, needle-like morphologyHarmful to Superalloys and high alloyed SteelsPotential New Wear Resistant MaterialsFe9Cr9Si2 s-Phase Reinforced Wear and Corrosion Resistant MaterialsFe9Cr9Si2 s-PhaseCr3Si (cP8)Cr3Si V3Si Mo3SiSiSi Si Si Cr CrCr-Si Binary Phase DiagramDirectionally Solidified Cr-

35、Si Eutectic in-situ CompositeCr3Si/Cr Eutectic Structure Laser Clad Cr3Si/Ni3Cr2Si IMC Multi-Functional Coatings Overview Cross Section 40mSubstrateLaser clad coating400mm激光材料加工与表面工程 实验室BEIHANG UNIVERSITY Laboratory of Laser Materials Processing and Surface EngineeringCr3SiCr2Ni3Si激光材料加工与表面工程 实验室BEI

36、HANG UNIVERSITY Laboratory of Laser Materials Processing and Surface EngineeringThe austenitic stainless steelCr3Si/Ni3Cr2Si coating with 40wt.% Ni Cr3Si/Ni3Cr2Si composite coating with 30wt.% NiLaser Clad Rapidly Solidified Cr3Si/Ni3Cr2Si IMC Multi-Functional Coatings RT Dry Sliding Wear Resistance

37、激光材料加工与表面工程 实验室BEIHANG UNIVERSITY Laboratory of Laser Materials Processing and Surface EngineeringFriction Coefficients of Laser Clad/Rapidly Solidified Cr3Si/Ni3Cr2Si IMC Coatings The reference stainless steel 1Cr18Ni9TiLaser clad Cr3Si/Ni3Cr2Si IMC coating with 40 wt.% NiLaser clad Cr3Si/Ni3Cr2Si

38、IMC coating with 30 wt.% NiFriction Coefficient0.70.60.50.40.310 20 30 40 50Wear Test Time, minLaser Clad Cr3Si/Ni3Cr2Si IMCMulti-Functional Coatings Corrosion Resistance1Cr18Ni9TiCr3Si-Cr2Ni3Si(a)(d)Ti5Si3Ti5Si3/Ti2Ni3SiLaser Clad Ti5Si3/Ti2Ni3Si CoatingHardness Profiles of Laser Clad Ti5Si3/Ti2Ni3

39、Si CoatingsWear Mass Loss of Original BT9 Ti-Alloy and Laser Clad Ti5Si3/Ti2Ni3Si Coatings under Dry Sliding Wear Test Conditions (147N)Ti5Si3/Ti2Ni3Si (B1)Ti5Si3/Ti2Ni3Si (B2)Ti5Si3/Ti2Ni3Si (B3)Ti Alloy (BT9)1.0mg0.3mg0.9mg237.3mg激光材料加工与表面工程 实验室BEIHANG UNIVERSITY Laboratory of Laser Materials Proc

40、essing and Surface EngineeringLaser Clad Mo2Ni3Si/NiSi Coatings Cross Section and MicrostructureSubstrate125m125m SubstrateMo2Ni3Si/NiSi EutecticMo2Ni3Si Dendrites激光材料加工与表面工程 实验室BEIHANG UNIVERSITY Laboratory of Laser Materials Processing and Surface EngineeringLaser Clad Mo2Ni3Si/NiSi Coating: Hardness Profiles激光材料加工与表面工程 实验室BEIHANG UNIVERSITY Laboratory of Laser Materials Processing and Surface EngineeringLaser Clad Mo2Ni3Si/NiSi IMC CoatingDry Sliding Wear Resistance激光材料加工与表面工程 实验室BEIHANG UNIVERSITY Laboratory of Laser Materials Processing and Surf