第2章 金属材料的结构

第二章金属材料的结构一.固体材料的结构固体材料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。1、晶态结构晶体：其组成粒子在三维空间做有规则的周期性重复排列。晶格：为了便于研究晶体结构，假设通过粒子中心划出许多空间直线，这些直线则形成空间格架，称为晶格。晶胞：晶格的最小几何组成单元。1）晶体、晶格和晶胞同素异构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构体。在一定条件下，同素异构体可以相互转变，称同素异构转变。在具有同素异构现象的固体中，最典型的例子是铁。2）同素异构现象2、非晶态结构非晶体：内部原子在空间杂乱无规则地排列的物质称为非晶体或无定型体。由于粒子排列状态与液态相似，故称“被冻结的液体"。例：玻璃、沥青、松香、石蜡和许多有机高分子化合物等.非晶体物质没有固定的熔点，而且性能无方向性，即各向同性。二.金属晶体结构

三种典型金属晶体结构：①面心立方结构

如：

-Fe,

-Co,Ni,Ag等②体心立方结构

如：

-Fe,V,Cr,W等③密排六方结构

如：Mg,Zn,

-Co等晶胞为立方体，原子分布在立方体的各个结点及六个棱面中心。这类晶格金属往往有很好的塑性。1、常见金属晶体的结构1）面心立方结构2）体心立方结构晶胞为立方体，原子分布在立方体各个结点和立方体中心。这类晶格一般具有较高的熔点、相当大的强度和良好的塑性。3）密排六方结构晶胞为六方柱体，柱体高度与边长不相等。原子除分布在六方柱体的各结点及上下两个正六方底面中心。并在六方柱体纵向中心面上还分布三个原子，此三原子与分布在上下底面上的原子相切。这类晶格金属具有一定强度，但塑性较差。单晶体：结晶方位完全一致的晶体。在单晶体中所有晶胞均呈相同的位向，故单晶体具有各向异性。多晶体：工业上实际应用的金属材料是由许多外形不规则的晶粒所组成，所以是多晶体。晶界：这些晶粒内仍保持整齐的晶胞堆积，各晶粒之间的界面称为晶界。2、实际金属的结构三.纯金属的结晶

1、纯金属的结晶过程1）纯金属结晶的冷却曲线结晶：金属由液体状态转变为晶体状态的过程。冷却曲线:热分析法做出的时间－温度关系；开始时为液体状态，温度随时间下降；之后出现水平线，这是由于液体金属进行结晶时，内部放出的结晶潜热补偿了它向环境散失的热量，从而使温度保持不变；随后温度又随时间下降。过冷度：ΔT=T0－TnΔT>0,结晶的必要条件2）结晶的过冷现象结晶过程：晶核形成和晶核长大。3）结晶的基本过程增加过冷度2、细化晶粒的方法缓冷、急冷后晶粒大小示意图在液态金属中加入某些物质这些物质的质点也可作为结晶时的晶核，相当于增加了晶核数，故使晶粒得到细化。这种处理过程称为变质处理。钢中加钒，铸铁中加硅(这又称孕育处理)、铝液中加钠盐。振动可使枝晶尖端破碎而增加新的结晶核心；补充形核所需的能量，提高形核率。

bccfccbcc3、金属的同素异构转变四.合金的晶体结构

合金：由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。如碳钢和铸铁是Fe－C合金；黄铜是Cu－Zn合金等。组元：组成合金的基本的独立的物质。组元可以是金属和非金属元素，也可以是稳定的化合物。相：材料中聚集状态相同，化学成分相同，结构相同并与其他部分有明显界面的均匀组成部分。绝大多数实用金属材料是合金是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。

1、固溶体在合金系中，组元间发生相互作用，除彼此形成固溶体外，还可能形成一种具有金属性质的新相，即为金属化合物。金属化合物具有它自己独特的晶体结构和性质，而与各组元的晶体结构和性质不同，一般可以用分子式来大致表示其组成。

2、金属化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。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。机械混合物不是单相组织，其性能介于各组成相性能之间，且随组成相的形状、大小、数量及分布而变

3、机械混合物五.匀晶相图相图：表示多元材料体系中温度、成分与材料结构的平衡图（又称为平衡图、状态图）。匀晶相图：两组元不但在液态无限互溶，而且在固态下也无限互溶的二元合金系所形成的相图。主要有Cu-Ni、Ag-Au、Cr-Mo、Fe-Ni等。匀晶转变：合金在结晶时都是从液相结晶出固溶体，固态下呈单相固溶体。配制一系列不同成分的合金，分别作冷却曲线将各T-t曲线上、下各临界点投影到T-C坐标系中连接同类型的临界点热分析法、金相法、膨胀法、磁性法、电阻法、X射线结构分析法等。

1、相图的建立上面的一条曲线为液相线；下面的一条曲线为固相线。3个相区：液相线以上为单相液相区L，固相线以下为单相固相区α，二者之间为液、固两相共存区(L+α)。

2、相图分析Cu-Ni合金匀晶相图①当温度高于T1时，合金为液相L；②当温度降到T1(与液相线相交的温度)以下时，开始从液相中结晶出口固溶体。随着温度的继续下降，从液相不断析出固溶体，液相成分沿液相线变化，固相成分则沿固相线变化。在T1-T3温度区间，合金呈L+α两相共存。③当温度下降到T3时，液相消失，结晶完毕，最后得到与合金成分相同的固溶体。3、合金的平衡结晶过程Cu-Ni合金匀晶相图平衡结晶：合金在极其缓慢的冷却条件下进行结晶的过程。平衡组织：在此条件下得到的组织。①确定两平衡相的成分要想确定含ωNi=20%的合金I在冷却到T温度时两个平衡相的成分，可通过T做一水平线arb，它与液相线的交点a对应的成分CL即为此时液相的成分；它与固相线的交点b对应的成分Ca即为已结晶的固相的成分。4、杠杆定律杠杆定律的证明在某一温度下处于平衡状态的两相的成分和相对质量可用杠杆定律确定。只适用于两相区。因为对单相区无需计算，而对三相区又无法确定。②确定两个平衡相的相对质量设合金I的总质量为1，液相的质量为WL，固相的质量为Wα，则有：WL+Wα=1且WLCI+WαCa=1×C由以上两式可以得出：杠杆定律的证明两相的相对质量：5、枝晶偏析不平衡结晶：由于冷却速度快，原子的扩散过程落后于结晶过程，合金成分的均匀化来不及进行，因此每一温度下的固相平均成分将要偏离相图上固相线所示的平衡成分不平衡组织：不平衡结晶所得到的组织。晶内偏析：先结晶的晶粒心部与后结晶的晶粒表面的成分不同，由于它是在一个晶粒内的成分不均匀现象，所以称之为晶内偏析。枝晶偏析：固溶体结晶通常是以树枝状方式长大的。在快冷条件下，先结晶出来的树枝状晶轴，其高熔点组元的含量较多，而后结晶的分枝及枝间空隙则含低熔点组元较多，这种树枝状晶体中的成分不均匀现象，称为枝晶偏析。六.共晶相图共晶相图：在二元合金系中，两组元在液态下能完全互溶，固态下只能有限互溶，形成与两组元成分和结构完全不同的固相，并发生共晶转变，所构成的相图称之为共晶相图。具有这类相图的合金有Pb-Sn、Pb—Sb、Ag-Cu、A1一Si、Zn-Sn等。Pb-Sn合金相图adb为液相线；acdeb为固相线。相：Pb与Sn形成的液相L，Sn溶于Pb中的有限固溶体α相，Pb溶于Sn中的有限固溶体β相。3个单相区：L，α，β3个双相区：L+α，L+β，α+β三相共存线：L+α+β（水平线cde）共晶点：dLd=αc+βe共晶体：共晶转变的产物为两个固相的机械混合物，称为共晶体。共晶反应线：水平线cde七.合金的结晶结晶过程如同纯金属一样，仍为晶核形成和晶核长大两个过程；需要一定的过冷度，最后形成多晶粒组成的晶体。1、合金的结晶过程合金与纯金属结晶的不同之处如下。纯金属结晶是在恒温下进行，只有一个临界点。而合金则绝大多数是在一个温度范围内进行结晶。合金在结晶过程中，在局部范围内相的化学成分(即浓度)有变化。合金结晶后其组织一般有三种情况：单相固溶体；单相金属化合物或同时结晶出两相机械混合物；结晶开始形成单相固溶体(或单相化合物)，剩余液体又同时结晶出两相机械混合物(共晶体)。2、合金结晶的冷却曲线形成单相固溶体的冷却曲线：组元在液态下完