RO《核电厂材料学》第2部分(材料学基础)

授课人：日期：中电投高级培训中心2材料学基础主要内容2.1晶体结构1)2)2.2晶体缺陷3)2.3合金相图2.4金属加工4)要求1)了解什么是晶体，晶体结构等材料学研究晶体的基本方法。2)了解合金、相图并能应用相图。3)了解热处理的目的及各种热处理方法对钢性能的影响2.1晶体结构晶体结构

自然界存在的固态物质可分为晶体和非晶体两大类。在晶体中，组成晶体的原子、离子、分子等质点是呈规则排列的。而在非晶体中，这些质点是无规则的堆积在一起的。在反应堆中使用的金属和非金属大多是晶体。为了研究晶体中物质质点排列的规律性，将实际存在的原子、离子或原子集团等物质质点，抽象为纯粹的几何点而完全忽略它们的物质性。这样抽象出的几何点称为阵点。阵点在空间周期性的规则排列就称为空间点阵。选择晶胞应满足下列条件：

1）晶胞的几何形状应与宏观晶体具有同样的对称性。

2）平行六面体内相等的棱和角的数目应最多。

3）当平行六面体的棱间存在直角时，直角数目应最多。

4）在满足上述条件的前提下，晶胞应具有最小的体积。晶胞的表示方法晶胞的表示方法

晶胞的棱边分别用单位矢量a、b、c来表示；棱边之间的夹角分别用α（c、b间），β（a、c间），γ（a、b间）来表示。参数a、b、c称为点阵常数；而a、b、c、α、β、γ称为晶胞的六个参数。根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于7种类型(晶系)。按照"每个阵点的周围环境相同"的要求，能够反映空间点阵全部特征的单位平面六面体只有14种，称空间点阵(布拉菲点阵)。

金属、陶瓷材料绝大部分具有晶体结构构成晶体的原子、分子或原子集团在空间是按一定的几何规律规则排列的，因而晶体具有一定的熔点，且具有各向异性的特点。绝大多数的工程材料，如金属及其合金、陶瓷等，天然的岩石、矿物都是晶体。非晶体中的质点是无规排列的，如多数的玻璃和聚合物。材料的晶体性质晶体非晶体

纯铁金属的晶体结构纯铁的显微组织晶界、晶粒、取向晶胞空间点阵、晶格晶体原子排列

金属、陶瓷材料绝大部分具有晶体结构

晶胞的表示方法

晶胞的棱边分别用单位矢量a、b、c来表示；棱边之间的夹角分别用α（c、b间），β（a、c间），γ（a、b间）来表示。参数a、b、c称为点阵常数；而a、b、c、α、β、γ称为晶胞的六个参数。根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于7种类型(晶系)。按照"每个阵点的周围环境相同"的要求，能够反映空间点阵全部特征的单位平面六面体只有14种，称空间点阵(布拉菲点阵)。

表示晶胞的六个参数

7个晶系14种布拉菲点阵

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°

七大晶系：a.三斜晶系：a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°b.单斜晶系：a≠b≠c，α=γ=90°≠βc.六角晶系（六方）：a=b≠c，α=β=90°，γ=120°d.三角晶系（菱方）：a=b=c，α=β=γ≠90°e.正交晶系：a≠b≠c，α=β=γ=90°f.四方晶系：a=b≠c，α=β=γ=90°g.立方晶系：a=b=c，α=β=γ=90°

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。2.2晶体缺陷

晶体缺陷

实际金属的晶体结构是有缺陷的。缺陷形成的原因很多，金属在凝固、冷加工、热加工、形变、辐照、再结晶、同素异构转变中等都可以使原子排列的规律性在局部区域遭到破坏，产生晶体缺陷。

点缺陷空位－当原子受到热震动、辐照、形变等，阵点原子获得能量离开平衡位置而产生一种点缺陷。间隙原子－若该离位原子迁移到晶格间的空隙处，并停留在那儿，成为一个间隙原子，那麽就成为了另一种点缺陷。若该离位原子迁移到金属表面，则称该缺陷为肖脱基（Schottky）缺陷。若该原子留在间隙中，形成空位-间隙对，则称该缺陷为弗兰克尔（Frankle）缺陷。在空位和间隙原子周围，由于原子间的平衡遭到破坏，引起晶格畸变，产生应力场，使位错运动阻力增加，从而使强度提高。

线缺陷

线缺陷：是在晶体的某一平面上，沿着某一方向向外延伸开的一种缺陷。这种缺陷在一个方向上的尺寸很大，而另两个方向的尺寸很短。这类缺陷的具体形式是各种类型的位错。位错的基本类型有两种：刃型位错：刃型位错有一个额外的半原子面。为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，所以刃型位错是线缺陷。：

螺型位错：晶体上下两部的原子排面，在某些区域，上下吻合的次序发生错动，这样就造成了一个上下原子排面不相吻合的地带，此过渡地带即为螺型位错。螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。线缺陷

面缺陷

面缺陷是两个方向的尺寸很大，而第三个方向的尺寸很小的缺陷。如晶界、相界、孪晶界、堆垛层错都是面缺陷。

实际金属晶体中的缺陷点缺陷线缺陷面缺陷2.3合金相图

合金相图

合金的构造纯金属具有较高的导电、导热等性能，但它们的强度普遍较低，一般在工业上用途不大。而合金有较好的强度、硬度，根据不同的要求还可以通过合金化取得所要求的其他性能。因此工业上一般使用各种合金。

基本概念1）合金：熔合两种或两种以上的金属或金属与非金属所得到的复合体称为合金。2）组元：构成合金的最基本的化学个体称为组元。3）相：金属或合金中具有同一成分，同一状态的均一组成，并有界面与其它部分分开的均匀组成部分称为相。

4）组织：材料经过磨、抛、侵蚀后，在金相显微镜下可以看到的金属内部的微观形貌，称为显微组织，简称为组织。5）相变：由于温度，成分或压力的变化而导致金属或合金发生相的分解，相的合成或晶体结构的转变过程称为相变。当材料中发生相变时（由一相转变为另一相时），其化学成分，内部结构都发生突然的变化。基本概念

合金的结构1）固溶体：在合金中，合金组元通过溶解，形成成分均匀的，晶体结构与其中之一组元相同的固相称为固溶体。2）化合物：合金组元相互作用，形成晶格类型和特性不同于任一组元的新相，称为中间相或化合物相。化合物又可以有正常价化合物（如Mg2Si）、电子化合物（如Cu5Al3--ε相）、间隙相（如TiN）、无规则的化合物（如Fe3C）之分。化合物相一般硬度高、性脆、熔点高。合金中含有化合物相时，强度、硬度、耐磨性提高；塑性、韧性下降。3）混合物：许多合金，在结晶时析出两种不同晶体的混合物。晶体混合物可以由固溶体和固溶体混合而形成，也可以由固溶体和化合物混合而形成。

合金相图简介合金相图是用图解的方法表示合金系中合金的状态、温度和成分之间的关系。二元合金相图是指系统组元为二的，三元合金相图是指组元为三的。

二元合金相图简介合金相图是用图解的方法表示合金系中合金的状态、温度和成分之间的关系。二元相图是指系统组元为二的，以温度和成分为坐标来表示合金状态的图。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度有哪些相，以及温度变化时可能发生什么变化。在生产实践中，合金相图可以作为制定合金熔炼、锻造、热处理工艺的重要依据。

相图：二元相图是考虑体系在成分和温度两个变量下的热力学平衡状态。二元相图的横坐标表示成分，纵坐标表示温度。如果体系由A，B两组元组成，横坐标一端为组元A，而另一端表示组元B，那么体系中任意两组元不同配比的成分均可在横坐标上找到相应的点。二元合金相图简介

匀晶相图

二元共晶相图二元共晶相图二元共晶相图包晶反应相图共析反应相图

合金的性能与相图的关系固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关，溶质溶入量越大，晶格畸变越大，合金的强度、硬度就越高。相图中液相线与固相线之间距离越小，液态合金结晶的温度范围越窄，对浇铸和铸造质量越有利。合金的液相线与固相线之间的温度范围越大，形成枝晶偏析的倾向就越大，液体的流动性差，因为先结晶出的树枝晶会阻碍未结晶液体的流动，增加分散缩孔。因此铸造合金常选共晶或接近共晶成分。单相合金的锻造性能好，合金为单相组织时变形抗力小、变形均匀、不易开裂。双相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有较多化合物相时更甚，因为化合物相都很脆。

铁碳合金相图铁碳合金相图实际是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的组元是纯铁与Fe3C。铁存在同素异晶转变。Fe-Fe3C相图中的固溶体都是间隙固固溶体。由于α-Fe与γ-Fe晶格中的间隙特点不同，所以它们溶解碳的能力不同。

碳原子溶于α铁形成的固溶体称为铁素体，溶于γ铁形成的固溶体称为奥氏体。碳含量超过限度后，剩余的碳有两种可能的存在方式：渗碳体或石墨。在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe3C系进行转变。

Fe-Fe3C相图可以分析如下：

ABCD为液相线，AHJECF为固相线。整个相图主要有包晶、共晶和共析三个恒温转变等所组成：1）在HJB水平线（1495℃）发生包晶转变;LB+δ→γE。转变的产物是奥氏体。此转变仅发生在含碳0.09-0.53%的铁碳合金中。2）在ECF水平线（1148℃）发生共晶转变：LC→γE+Fe3C.转变产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体。含碳2.11-6.69%的铁碳合金都发生这个转变。3）在PSK水平线（727℃）发生共析转变：γS→αP+Fe3C。转变产物是铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体。所有含碳量超过0.02%的铁碳合金都发生这种转变。共析转变温度常标为A1温度。铁碳合金相图

铁碳合金相图

铁碳合金相图钢的结晶过程金属及合金的塑性变形

单晶体的塑性变形1．滑移单晶体的滑移是晶体在切应力作用下，当外力超过金属的弹性极限时，晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）上的一定的方向（滑移方向）相对于另一部分发生相对位移，这种现相称为滑移（参见图2-21）。滑移是通过位错运动进行的。位错运动造成的滑移

滑移系

当外力超过金属的弹性极限时，晶体沿某一特定晶面的相对位移称为滑移。滑移一般发生在原子排列最紧密的晶面上并沿原子排列最紧密的方向（滑移方向）进行。滑移系越多材料的塑性越好。FCC结构滑移系

滑移面{111}滑移方向‹110›滑移系4χ3=12BCC结构滑移系

滑移面{110}滑移方向‹111›滑移系6χ2=12HCP结构滑移系

滑移面（底面）滑移方向（底面对角线）

滑移系1χ3=3孪生在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变的变形过程称为孪生。发生切变、位向改变的这一部分晶体成为孪晶。孪晶与未变形部分晶体原子分布形成对称。孪生所需的临界切应力比滑移的大得多，孪生只在滑移很难进行的情况下发生。滑移系较少的密排六方晶格金属，如锆、镁、锌、镉比较容易发生孪生，孪生发生时，孪晶中每层原子沿孪生方向的位移是原子间距的分数倍孪生多晶体的塑性变形在多晶体中由于各晶粒的位向不同，存在很多晶界，晶界上原子排列不规则，阻碍位错运动，使变形抗力增大。因此晶粒越细，变形抗力越大，金属的强度也越大。多晶体变形时，晶粒分批逐步地变形。晶粒越细，金属变形越分散，金属的塑性就越高。金属塑性变形到很大程度（70%以上）时，晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋于一致，形成择优取向，这种有序化的结构叫织构。

材料的热加工与冷加工金属塑性变形的加工方法是冷加工还是热加工不是以是否加热来分，而是以发生变形时的温度处于再结晶温度以下还是以上来分。热加工对组织性能的影响：热加工能消除铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹，提高金属致密度，消除枝晶间偏析，改善夹杂物、第二相分布等，因此可以明显提高机械性能，尤其提高材料的韧性。

冷加工对组织性能的影响

金属在再结晶温度以下进行的塑性变形加工称为冷加工。经过冷加工，金属材料的强度、硬度增加，塑性、韧性下降。因此冷加工也是一种重要的强化手段。冷加工后金属中的晶粒发生较大的变化，晶粒被拉长、压扁，有的发生破碎，到一定的程度就不能再继续加工，如需要继续变形的话，就要进行再结晶退火，恢复塑、韧性后才能进一步加工。

2.4金属加工

钢的热处理热处理是将固态金属在一定介质中加热到一定的温度、并在这个温度保持一定的时间，然后以一定的冷却方式冷却下来，从而改变金属工件整体或表面组织，获取所需性能的工艺。钢的热处理是运用不同的加热和冷却手段，通过改变钢的内部组织结构，来改善钢的加工工艺性能或使用性能。热处理可以显著改善钢的机械性能，从而增加材料的强度并延长其使用寿命。

热处理及材料性能改变(1)

1．退火：加热到临界点以上（如：亚共析钢加热到Ac3以上30～50℃），然后保温一段时间再缓慢冷却，得到接近平衡状态的组织的热处理过程称为退火。退火的目的是消除热加工缺陷，消除偏析或软化材料，为下一工序做准备。2．正火：加热到临界点以上40-60℃（Ac3或Acm），然后保温，得到完全奥氏体组织并均匀化再空冷。正火的目的是使组织均匀化，细化。

热处理及材料性能改变(2)

3．淬火：加热到Ac3或Ac1之上30-50℃，保温一段时间，再急冷（使之发生马氏体相变）。淬火的目的是获得马氏体组织，再经不同温度回火后得到所要求的性能。4.回火：在A1以下温度加热并以适当方式冷却。目的是消除应力，得到性能所需要的相应组织，使钢的强度和塑韧性配合良好。如低温回火后得到强度高、耐磨的回火马氏体组织，中温回火后得到弹性好的屈氏体组织，高温回火后得到综合性能优良的索氏体组织等。

热处理及材料性能改变(3)

5.调质处理：是淬火+高温回火的工艺，目的是得到强度和塑性皆佳的综合性能。由于这种处理可以得到优良的综合性能，因此被广泛使用，同时获得了这个专用名。6.固溶处理：在有色金属（如铝合金）或不发生相变的材料（如奥氏