第二章金属材料的结构

第二章金属材料结构金属的晶体结构固体物质的结构是指组成固体相的原子、离子或分子等粒子在空间的排列方式。按粒子排列是否有序,固体材料可分为晶态(定型态)和非晶态(无定型态)两大类。一、晶体结构1、晶体、晶格和晶胞晶体：指微粒呈规则排列的固体物质

常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性、有固定的熔点。非晶体：指微粒呈无规则排列的固体物质金属的结构晶态非晶态Si2O的结构1）晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架，称为晶格。直线的交点（即原子中心）称结点。由结点形成的空间的阵列称空间点阵。2）晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元.3）晶胞的描述

晶体学参数：a,b,c,α,β,γ晶格常数：a,b,c立方六方四方菱方正交单斜三斜2.同素异晶现象同素异晶现象是指一种元素具有不同晶体结构的现象。所形成的具有不同结构的晶体称同素异晶体。在一定条件下,同素异晶体可以相互转变,称同素异晶转变。在具有同素异晶现象的固体中,最典型的例子是铁,其同素异晶转变过程将在后面介绍。第二节金属的晶体结构1）体心立方晶胞BCCBodyCenteredCube晶格常数：a(a=b=c)原子半径：原子个数：2配位数：8致密度：0.68常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等一、常见金属晶体的结构2）面心立方晶胞FCCFace-CenteredCube

晶格常数：a原子个数：4配位数：12致密度：0.74常见金属：

-Fe、Ni、Al、Cu、Pb等3)密排六方晶胞HCPHexagonalClose-Packed晶格常数：底面边长a和高c，c/a=1.633原子个数：6配位数：12致密度：0.74常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等二、合金的基本概念

1、合金由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素组成的具有金属特性的物质。

普通黄铜：Cu+Zn

45钢:铁碳合金合金除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性,如高强度、高硬度、高耐磨性、强磁性、耐蚀性等。2、组元组成合金的独立的，最基本的单元。合金系：若干给定组元，以不同配比，配制出的一系列不同成分、不同性能的合金组元可以是金属、非金属或稳定化合物。3、相在物质中，凡是成分相同，结构相同并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相。在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。铁在同素异构转变过程中，会出现相的变化。纯铁是单相的，而钢一般是双相或是多相的。合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。5、组织组织是指用肉眼或显微镜等所观察到的材料的微观形貌。合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种相所组成的。不同组织具有不同的性能。由不同组织构成的材料具有不同的性能。同一种钢经过不同的热处理可以获得不同的组织，从而获得不同的性能。45钢经过不同的热处理可以获得珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体等组织。并获得不同的性能。6、合金的相结构

液态大多数合金的组元都能相互溶解，形成均匀的液体，在固态合金的相结构主要有组元在结晶是彼此之间的作用而决定。根据组元之间的相互作用不同，合金的相结构分：

固溶体在一种金属元素的晶格中，溶入另一种或多种元素所形成的相；在固溶体中保持其原晶体结构的组元（元素）—溶剂，其余的元素（组元）—溶质。按照溶质原子在溶剂晶格中的位置不同，可将固溶体分两类：置换固溶体和间隙固溶体。固溶体的性能固溶体与纯金属相比强度、硬度升高。固溶体的强度和塑性、韧性之间有较好的配合，所以，其综合性能较好，常作为结构合金的基体相。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。它是强化金属材料的重要途径之一。固溶强化的原因：

由于溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，变形抗力增大，从而提高合金的强度和硬度。金属化合物它是合金组元按一定比例相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相。金属化合物的性能金属化合物一般具有复杂的晶格结构，熔点高，硬而脆。当合金中出现金属间化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。金属间化合物是各类合金钢、硬质合金及许多有色金属的重要组成相。当金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将显著提高合金的强度、硬度和耐磨性(此现象称为弥散强化)。机械混合物工业合金中其组织仅由化合物单相组成的情况是不存在的。因为化合物固然有很高的硬度，但脆性太大，无法应用。固溶体组成的合金，往往由于强度、硬度等不够高，使用受到一定限制。绝大多数的工业合金，其组织均为固溶体与少量化合物(一种或几种)所构成的机械混合物。合金的性能取决于其形态、大小、数量、种类等。二、实际金属的晶体结构

理想晶体+晶体缺陷——实际晶体

实际晶体——单晶体和多晶体

单晶体：内部晶格位向完全一致，各向同性。

多晶体：由许多位向各不相同的单晶体块组成，各向异性1．晶体缺陷：实际晶体中存在着偏离（破坏）晶格周期性和规则性的部分

a.点缺陷——晶格结点处或间隙处，产生偏离理想晶体的变化空位

晶格结点处无原子置换原子

晶格结点处为其它原子占据间隙原子

原子占据晶格间隙空位间隙原子小置换原子大置换原子点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而强度、硬度提高，塑性、韧性下降。

刃型位错螺型位错b.线缺陷(位错)—二维尺度很小，另一维尺度很大的原子错排

位错：晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。有刃型位错和螺型位错两种类型。c.面缺陷

一维尺度很小，而二维尺度较大的原子错排区域。分为晶界、亚晶界、表面等。晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5－10个原子间距，位向差一般为20－40°。位向差很小（1°－2°)的小晶块为亚晶粒。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。

第三节纯金属的结晶一、纯金属的结晶过程二、细化晶粒的方法雾凇一、纯金属的结晶过程（一）纯金属结晶的冷却曲线

1.结晶驱动力

ΔF≤0（不是过冷度ΔT）自然界的自发过程进行的热力学条件都是ΔF≤0

体系中各种能量的总和叫做内能→U，其中可以对外做功或向外释放的能量叫自由能→F，F=U-TS（熵）

a.当温度T>T0时，Fs>FL,

液相稳定b.当温度T<T0时，Fs<FL,

固相稳定c.当温度T=T0时，Fs=FL,

平衡状态

T0：理论结晶温度（熔点或平衡结晶温度）在该温度下,液体和晶体处于动平衡状态2.冷却曲线金属结晶时温度与时间的关系曲线称冷却曲线。曲线上水平阶段所对应的温度称实际结晶温度T1。曲线上水平阶段是由于结晶时放出结晶潜热引起的。

纯金属的冷却曲线（二）结晶的过冷现象液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象称过冷。理论结晶温度与实际结晶温度的差T称过冷度。T=T0–T1过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过冷度越大。（三）结晶的基本过程结晶由晶核的形成和晶核的长大两个基本过程组成。1、形核液态金属中存在着原子排列规则的小原子团，它们时聚时散，称为晶坯。在T0以下，经一段时间后（即孕育期），一些大尺寸的晶坯将会长大，称为晶核。晶核形成后便向各方向生长，同时，又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。2、晶核的形成方式形核有两种方式，即均匀形核和非均匀形核。由液体中排列规则的原子团形成晶核称均匀形核。以液体中存在的固态杂质为核心形核称非均匀形核。非均匀形核更为普遍。3、晶核的长大方式

晶核的长大方式有两种，即平面长大和树枝状长大。实际金属的结晶主要以树枝状长大。这是由于晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴…，树枝间最后被填充。平面长大树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶

表示晶粒大小的尺度叫晶粒度。晶粒度可用晶粒的平均面积或平均直径表示。工业生产上采用晶粒度等级来表示晶粒大小。标准晶粒度共分八级，一级最粗，八级最细。通过100倍显微镜下的晶粒大小与标准图对照来评级。二、细化晶粒的方法

1.晶粒度2.决定晶粒度的因素晶粒的大小取决于晶核的形成速度和长大速度。单位时间、单位体积内形成的晶核数目叫形核率(N)。单位时间内晶核生长的长度过冷度对N、G的影响叫长大速度(G)。N/G比值越大，晶粒越细小。因此，凡是促进形核、抑制长大的因素，都能细化晶粒。过冷度ΔT提高，N提高、G提高过冷度ΔT太高，D降低——N降低、G降低所以，过冷度ΔT↑，N↑↑，G↑——N/G增大，细化3.细化晶粒的方法①提高过冷度②变质处理又称孕育处理。即有意向液态金属内加入非均匀形核物质从而细化晶粒的方法。所加入的非均匀形核物质叫变质剂（或称孕育剂）。③振动，搅拌等对正在结晶的金属进行振动或搅动，一方面可

靠外部输入的能量来促进形核，另一方面也可

使成长中的枝晶破碎，使晶核数目显著增加。三、金属的同素异构转变

一种金属具有两种或两种以上的晶体结构,称为同素异构性。金属在固态时随着温度的改变,而改变其晶格结构的现象，称为同素异构转变,又称为重结晶。它同样遵循着形成晶核和晶核长大的结晶基本规律。

如图所示，纯铁的同素异构转变的冷却曲线。在1538℃～1394℃时,铁为体心立方晶格,称为δ铁；在1390℃～912℃时,铁为面心立方晶格,称为γ铁；在912℃以下时,铁为体心立方晶格,称为α铁。铁在同素异构转变时有体积的变化。α铁转变成γ铁时体积缩小,反之体积增大。晶体体积的改变,使金属材料内部产生内应力,这种内应力称为相变应力。铁在770℃产生磁性转变,但晶格结构没有改变。770℃以上铁失去磁性。纯铁的冷却曲线和同素异晶转变所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。1、固溶体组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体A（B）。A：溶剂B：溶质①分类a.按溶质原子的位置分置换固溶体其中溶质原子占据溶质原子点阵位置的固溶体。晶格类型相同,原子半径相差不大,电化学性质相近.间隙固溶体

溶质原子位于溶剂原子点阵的间隙位置中的固溶体，

原子半径较小。b.按溶解度分有限固溶体无限固溶体c.按分布有序度分有序固溶体无序固溶体

②固溶强化

由于溶质原子溶入溶剂晶格产生晶格畸变而造成材料硬度升高，塑性和韧性没有明显降低。

溶质原子溶入→晶格畸变→位错运动阻力上升→金属塑性变形困难→强度、硬度升高。

2、金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。铁碳合金中的Fe3C⑴正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si。⑵电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。

电子浓度为价电子数与原子数的比值。⑶间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。①间隙相：r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。如:Fe4N、Fe2N、W2C、TiC、VC、TiN等。Fe3C的晶格②具有复杂结构的间隙化合物当r非/r金>0.59时形成复杂结构间隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。其中Fe3C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固溶体。3、机械混合物当组成合金的各组元在固态下既不相互溶解,又不形成化合物,而是按一定质量比、以混合方式存在的结构形式称为机械混合物。机械混合物中各组元的原子仍按各自原来的晶格类型结晶成晶体,在显微镜下可以区别出各组元的晶粒。机械混合物可是纯金属、固溶体或化合物各自的混合物,也可是它们之间的混合物。第五节匀晶相图一、二元合金相图的基本知识

二、二元合金相图三、合金的结晶一、二元合金相图的基本知识

1.相图的基本概念相图是用来表示合金系中各合金结晶过程的简明图解。又称状态图或平衡图。合金系是指由两个或两个以上元素按不同比例配制的一系列不同成分的合金。组元是指组成合金的最简单、最基本、能够独立存在的物质。多数情况下组元是指组成合金的元素，但对于既不发生分解、又不发生任何反应的化合物也可看作组元，如Fe-C合金中的Fe3C。相图表示了在缓冷条件下不同成分合金的组织随温度变化的规律，是制订熔炼、铸造、热加工及热处理工艺的重要依据。根据组元数,分为二元相图、三元相图和多元相图。Fe-C二元相图三元相图几乎所有的相图都是通过实验得到的，最常用的是热分析法。2、相图的建立Ⅰ：纯铜

Ⅱ：75%Cu+25%Ni

III：50%Cu+50%Ni

Ⅳ：25%Cu+75%Ni

Ⅴ：纯Ni

二元相图的建立：[以Cu-Ni合金(白铜)为例]1、配制不同成分的合金，测出各合金的冷却曲线，找出曲线上的临界点（停歇点或转折点）。2、在温度-成分坐标中做成分垂线，将临界点标在成分垂线上。3、将垂线上相同意义的点连接起来，并标上相应的数字和字母。相图中，结晶开始点的连线叫液相线。结晶终了点的连线叫固相线。Cu-Ni合金相图﹡3、杠杆定律当合金在某一温度下处于两相区时，由相图不仅可以知道两平衡相的成分，而且还可以用杠杆定律求出两平衡相的相对重量百分比。现以Cu-Ni合金为例推导杠杆定律：⑴确定两平衡相的成分：设合金成分为x，过x做成分垂线。在成分垂线相当于温度t的o点作水平线，其与液固相线交点a、b所对应的成分x1、x2即分别为液相和固相的成分。⑵确定两平衡相的相对重量设合金(x)的总重量为1，液相(x1)重量为QL，固相(x2)重量为Q。则QL

+Q=1

QL

x1+Q

x2=x

解方程组得

式中的x2-x、x2-x1、x-x1即为相图中线段xx2(ob)、x1x2(ab)、x1x(ao)的长度。因此两相的相对重量百分比为：两相的重量比为：或oobbxx1x2QLQ上式与力学中的杠杆定律完全相似，因此称之为杠杆定律。即合金在某温度下两平衡相的重量比等于该温度下与各自相区距离较远的成分线段之比。在杠杆定律中，杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。杠杆定律只适用于两相区。单相区无必要使用，三相区不能使用。合金的结晶只有在缓慢冷却的条件下才能得到成分均匀的固溶体。但实际冷速较快，在结晶过程中固相中的原子来不及扩散，使先结晶出的枝晶轴含有较多的高熔点元素(如Cu-Ni合金中的Ni)，后结晶的枝晶间含有较多的低熔点元素(如Cu-Ni合金中的Cu)。4、枝晶偏析在一个枝晶范围内或一个晶粒范围内成分不均匀的现象称作枝晶偏析。不仅与冷速有关，而且与液固相线的间距有关。冷速越大，液固相线间距越大，枝晶偏析越严重。枝晶偏析会影响合金的力学、耐蚀、加工等性能。生产上常将铸件加热到固相线以下100-200℃长时间保温以消除枝晶偏析，这种热处理工艺称作扩散退火。通过扩散退火可使原子充分扩散，使成分均匀。二、二元相图的基本类型1、二元匀晶相图两组元在液态无限互溶，在固态也无限互溶，冷却时发生匀晶转变的合金系→匀晶相图（L→α），如Cu-Ni，Fe-Cr，Au-Ag。（3）匀晶转变的特点a.形核、长大，树枝状长大b.变温过程c.两相区内，温度一定，成分确定、两相相对量一定d.枝晶偏析，冷速快→原子扩散不充分→成分不均。扩散退火消除。（1）相图分析：液相线

固相线

L

a

L+a（2）匀晶转变的结晶过程L→L+a→a﹡2、共晶相图：两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶的结晶转变。共晶转变的合金系构成共晶相图，Pb-Sn,Al-Si,Ag-Cu（1）相图分析液相线

adb固相线

acdeb三个单相区：L、α、β（α、β是有限固溶体）共晶点：d共晶成分的合金冷却到此点所对应的温度（共晶温度），共同结晶出αc、βe

共晶反应线：cde溶解度线：cf，egT↓→过饱和固溶体析出另一相→脱溶转变组织标注相图：所谓共析反应（转变）是指在一定温度下，由一定成分的固相同时析出两个成分和结构完全不同的新固相的过程。共析转变也是固态相变。最常见的共析转变是铁碳合金中的珠光体转变:S⇄P+Fe3