金属学基础演示文稿

金属学基础演示文稿当前第1页\共有55页\编于星期一\15点优选金属学基础当前第2页\共有55页\编于星期一\15点3影响材料性能的内部因素材料成分组织结构使役性能工艺各种元素含量冶炼、锻造、焊接、热处理、表面处理、形变、等等结合键、晶体结构、组织、内部缺陷机械:强度、韧性等

物理:导热、导电等

化学:耐腐、相容性当前第3页\共有55页\编于星期一\15点材料成分、组织结构与性能的关系材料成分组织结构使役性能工艺各种元素含量冶炼、锻造、焊接、热处理、表面处理、形变、等等结合键、晶体结构、组织、内部缺陷机械:强度、韧性等

物理:导热、导电等

化学:耐腐、相容性金属学研究材料性能与其化学成分、生产工艺和微观组织之间关系和变化规律当前第4页\共有55页\编于星期一\15点服役性能制备性能成分和结构影响材料性能的内部因素当前第5页\共有55页\编于星期一\15点2.1晶体结构、组织当前第6页\共有55页\编于星期一\15点1.0晶体学基础(1/2)晶体与非晶体

通常按原子在物质内部的排列规则性将物质分为晶体和非晶体。晶体晶体是原子在其内部沿三维空间呈周期性规则排列的一类物质。晶体特点①结构有序；②物理性质表现为各向异性；③有固定的熔点；④在一定条件下有规则的几何外形。绝大多数的工程材料金属及其合金天然的岩石、矿物等当前第7页\共有55页\编于星期一\15点1.0晶体学基础

(2/2)晶体与非晶体

通常按原子在物质内部的排列规则性将物质分为晶体和非晶体。非晶体非晶体是原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列的一类物质。非晶体特点：①结构无序；②物理性质表现为各向同性；③没有固定的熔点；④热导率（导热系数）和膨胀性小；⑤在相同应力作用下，非晶体的塑性形变大；⑥组成非晶体的化学成分变化范围大。多数的玻璃和聚合物晶态SiO2的结构当前第8页\共有55页\编于星期一\15点纯铁的显微组织晶界、晶粒、取向晶体原子排列空间点阵、晶格晶胞纯铁金属的晶体结构当前第9页\共有55页\编于星期一\15点1.1晶体学基本概念阵点或结点:由晶体中原子抽象而成的几何点；平面点阵：阵点在一个平面上规则的排列方式；空间点阵:规则分布于三维空间中的阵点所组成的空间图形晶格：用一系列平行线将阵点连接起来，构成空间的格架。晶胞：表示空间点阵几何规律的基本空间单元，一般取最小平行六面体。点阵参数：三条棱边长a、b、c及三个夹角α、β、γ，只要确定了6个参数，阵点在空间的分布规律就完全确定了。晶粒：排列位向相同的无数个晶胞的聚合体称为晶粒。纯金属通常是由许多取向不同的晶粒组成的，故称为多晶体。晶界：多晶体中晶粒之间边界称为晶界。晶格结构相同，仅取向不同的晶粒之间的过渡界面。当前第10页\共有55页\编于星期一\15点14种布拉菲点阵与7个晶系a≠b≠c

a≠b≠g≠90°

立方四方三方简单六方正交单斜三斜初基底心体心面心a=b=c

a=b=g=90°a=b≠c

a=b=g=90°a=b=c

a=b=g≠90°a=b,g=120°

a=b=90°a≠b≠c

a=b=g=90°a≠b≠c

a=g=90°

b≠90°当前第11页\共有55页\编于星期一\15点原子半径晶胞原子数配位数（邻位原子数）致密度当前第12页\共有55页\编于星期一\15点1.2典型金属的晶体结构晶胞

空间点阵几何规律的基本空间单元，一般取最小平行六面体。当前第13页\共有55页\编于星期一\15点体心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面当前第14页\共有55页\编于星期一\15点1.3反应堆常用材料结构Zr：室温为密排六方结构；高温为体心立方铁素体：体心立方结构奥氏体：面心立方结构当前第15页\共有55页\编于星期一\15点1.4实际金属的晶体结构单晶体多晶体晶粒晶界多晶体示意图光学金相显示的纯铁晶界当前第16页\共有55页\编于星期一\15点2.2晶体缺陷当前第17页\共有55页\编于星期一\15点实际金属中存在着大量的晶体缺陷，按形状可分三类，点缺陷线缺陷面缺陷。当前第18页\共有55页\编于星期一\15点2.1点缺陷点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲;使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。当前第19页\共有55页\编于星期一\15点2.2位错位错：晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律的错排。当前第20页\共有55页\编于星期一\15点

位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示。金属的塑性变形主要由位错运动引起，阻碍位错运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。金属晶须退火态加工硬化态当前第21页\共有55页\编于星期一\15点2.3面缺陷晶界是不同位向晶粒的过渡部位，宽度为5~10个原子间距。当前第22页\共有55页\编于星期一\15点亚晶粒大角度和小角度晶界位错壁亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小（小于2）的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。当前第23页\共有55页\编于星期一\15点晶界的特点：①原子排列不规则。②熔点低。③耐蚀性差。④易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。⑤阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。⑥是相变的优先形核部位显微组织的显示当前第24页\共有55页\编于星期一\15点2.4实际金属晶体中的缺陷点缺陷线缺陷面缺陷当前第25页\共有55页\编于星期一\15点当前第26页\共有55页\编于星期一\15点2.3金属材料的强化机理当前第27页\共有55页\编于星期一\15点3.0金属材料的强化机理固溶强化细晶强化沉淀强化/第二相强化相变强化形变强化当前第28页\共有55页\编于星期一\15点3.1合金的相结构

合金－－金属元素与金属或非金属组合而成，具有金属特性，如铜锌合金、钢、铸铁等组元－－组成合金的最基本独立物质，可以是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物相－－同一聚集态，成分、性能均一，以界面互相分开实际所使用的大部分金属材料为具有单相或多相的合金。固溶体

合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。与固溶体结构相同的组元为溶剂，另一组元为溶质。当前第29页\共有55页\编于星期一\15点固溶体的分类

按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。

按溶质原子在固体中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。按溶质原子在固溶体内分布是否有规则，固溶体分为有序固溶体和无序固溶体两种。

固溶体的性能固溶体的综合力学性能较好，常作为结构合金的基体相。

当前第30页\共有55页\编于星期一\15点中间相溶质含量超过溶解度，出现新相(化合物或化合物为基的固溶体)，成分处于A在B中和B在A中的最大溶解度之间，故称中间相，晶体结构与组元不同中间相是金属化合物，主要是金属键，兼有离子键、共价键，高熔点、高硬度，作强化相分为正常价化合物、电子化合物、间隙相与间隙化合物

当前第31页\共有55页\编于星期一\15点金属化合物合金组元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即为金属化合物，或称中间相。性能特点是熔点一般较高，硬度高，脆性大。金属化合物是许多合金的重要组成相（常作为强化相）

正常价化合物组元间电负性相差较大，且形成的化合物时严格遵守化合价规律。硬度高、脆性大。比如MnS，ZnS电子化合物组元间形成化合物时不遵守化合价规律，但符合一定电子浓度。熔点和硬度较高，塑性较差。比如：FeAl，NiAl中间相当前第32页\共有55页\编于星期一\15点间隙化合物

由过渡族元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物称为间隙化合物。Fe,Co,Ni,V,Ti,Cr,Cu等（1）间隙相

当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。一些间隙相及晶格类型见表1。间隙相具有金属特性，有极高的熔点及硬度，非常稳定。化学式类型钢中可能遇到的间隙相化学式晶格类型M4XFe4N，Nb4C，Mn4C面心立方M2XFe2N，Cr2N，W2C，Mo2C密排六方MXTaC，TiC，ZrC，VCTiN，ZrN，VNMoN，CrN，WC面心立方体心立方简单六方MX2VC2，CeC2，ZrH2，TiH2，LaC2面心立方表1间隙相的化学式及晶格类型当前第33页\共有55页\编于星期一\15点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、FeB、Fe4W2C、Cr7C3、Fe2B等均属于这类化合物。

当前第34页\共有55页\编于星期一\15点当前第35页\共有55页\编于星期一\15点3.2固溶强化无论是置换固溶体，还是间隙型固溶体，溶质原子都会引起溶剂晶格畸变，导致强度上升，塑性下降。形成置换固溶体时，直径比溶剂大的溶质原子常被吸引到刃型位错下部受膨胀的部位；而比溶剂原子小的溶质原子常聚集在刃型位错上部受压缩的部分。当形成间隙固溶体时，由于溶质原子直径很小，因此总是被吸引在刃型位错下部受拉应力的部位

当前第36页\共有55页\编于星期一\15点3.3细晶强化工程材料一般都是多晶体，多晶体中的晶界是位错运动的障碍物，位错的运动在晶界受阻而塞积，必需有更大的应力才能使相邻的方位不同的晶粒中的滑移系开动。减小晶粒尺寸就增加了晶界，因而使屈服强度提高。细晶强化不仅可以提高强度，还有利于提高材料的塑性、韧性和脆断抗力，所以细化晶粒是金属强韧化的有效手段。屈服强度与晶粒大小的关系符合霍尔－派奇(Hall-Petch)公式：细化晶粒提高金属强度的方法ss为屈服强度；si为位错运动的摩擦阻力；kY

为与材料有关的常数；d为晶粒的平均直径。当前第37页\共有55页\编于星期一\15点3.4沉淀强化/第二相强化工程上用的金属材料可通过弥散于基体晶粒中、晶界上或聚集成块的第二相硬粒子来强化。第二相的强化效果还与其形状、尺寸、数量和分布以及它与基体的晶体学配合和界面能等因素有关。当硬质点在基体中存弥散分布时强化效果最佳。位错线只能绕过不可变形的第二相，在其周围形成一个位错环。位错线绕过时所需克服的阻力决定于第二相的间距L、基体的切变模量G及位错的布氏矢量b，即t＝Gb/L。当前第38页\共有55页\编于星期一\15点3.5相变强化钢经过淬火后会形成强度比较高的马氏体相Fe－C过饱和固溶体内部有高密度的位错、孪晶等亚结构亚稳定奥氏体不锈钢304(18-8,1Cr18Ni9等)在经过冷变形后会发生形变马氏体转变成分与奥氏体相相同，但结构从fcc变成bcc强度明显升高，韧性下降当前第39页\共有55页\编于星期一\15点3.6形变强化机械性能表现形变后屈服强度升高真应力与真应变之间的关系(n为加工硬化指数)：

S＝Ken微观机理位错阻塞造成位错进一步滑移困难当前第40页\共有55页\编于星期一\15点2.4金属材料的显微组织当前第41页\共有55页\编于星期一\15点10μm4.0金属材料的组织组织是指用金相观察方法观察材料内部时看到的涉及晶体或晶粒大小、方向、形状排列状况等组成关系的组成物。20钢退火态组织照片304不锈钢SEM照片变形304钢TEM照片AFM/MFM图像

250nma'g当前第42页\共有55页\编于星期一\15点共析钢-珠光体球化珠光体低碳钢-珠光体+铁素体1.4%carbonsteel铁素体Ferrite碳钢组织当前第43页\共有55页\编于星期一\15点白口铸铁当前第44页\共有55页\编于星期一\15点球墨铸铁当前第45页\共有55页\编于星期一\15点2.5合金相图当前第46页\共有55页\编于星期一\15点合金相图简介

相图表达物质系统的存在状态与化学成分、温度及压力关系的图线。合金相图应用图解的方法，表示合金的成分、平衡相状态及外界条件(温度、压力等)之间关系的图线，它是研究合金中的相变规律的基础。对合金系统，一般压力变化并不影响其存在状态，所以通常相图是表示在一个大气压下的状态随化学成分和温度的变化，温度和成分分别取为纵横坐标。当前第47页\共有55页\编于星期一\15点二元合金相图

Cu、Ni都是fcc结构，可无限固溶Cu－Ni二元相图是一种最简单形式的状态图，物质系统的二组元在液态和固态下都可以完全互溶Cu-Ni二元相图Ag－Cu二元相图Ag－Cu二组元之间在固态不能完全互溶，只能形成有限固溶体Ag－Cu有一个共晶转变点(E)，由液相同时结晶出两种成分不同的固相共晶体当前第48页\共有55页\编于星期一\15点包晶相图Pt-Ag相图包晶转变由已结晶的固相与液相相互反应，生成另一种固相DPC为包晶转变线P点为包晶转变点包晶反应：CPDEF当前第49页\共有55页\编于星期一\15点具有化合物相的相图在某些二元合金系中，组元间可能形成一种或多种化合物，它们在相图中都处于中间位置，所以化合物亦被称为中间相。根据化合物的稳定性可将其分为稳定化合物和不稳定化合物。稳定化合物有一定的熔点，在熔化之前保持它固有的结构和成分，不发生分解；不稳定化合物在熔化之前就会分解为两