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文档简介
2.4金属材料的结构2.4.1金属晶体
在晶体中,原子按一定的规律周期性地重复排列着。从固体至液体或从液体至固体的转变是突变的。晶体的另一个特点是在不同的方向上测量其性能(如导电性、热膨胀性、塑性、弹性和强度等)时,表现出或大或小的差异,称之为各向异性或异向性。由于金属键没有方向性和饱和性,可以假设金属晶体中的原子都是固定的刚球,晶体就是由这些刚球堆垛而成,即为原子堆积模型。原子堆垛模型金属的典型晶体结构三种典型晶体结构体心立方面心立方密排六方三种典型的金属晶格类型体心立方晶格面心立方晶格密排立方晶格铬、钨、钼、钒等铝、铜、铅、金等镁、锌、铍、镉、α钛等第一节金属与合金的晶体结构金属的典型晶体结构体心立方(BCC)晶格参数具有该种晶体结构的金属有Cr、V、Mo、W和α-Fe等30多种体心立方晶格参数晶胞原子数:体心立方晶格参数原子半径——晶胞中原子密度最大的方向[111]上相邻原子间平衡距离的一半。配位数:8致密度:
立方体对角面上和体对角线上原子排列最紧密。
密排面:{110}
密排方向:<111>体心立方晶格密排面原子密排面和密排方向原子堆垛方式为ABABAB…….原子堆垛方式体心立方晶格的ABAB密堆结构体心立方晶格间隙间隙:八面体和四面体间隙。八面体间隙位于晶胞中每个面的中心和每个棱的中心,数量为6。四面体间隙由两个体心原子和两个顶角原子所围成,数量为12。体心立方晶格参数体心立方八面体和四面体间隙八面体间隙
间隙半径的计算:
间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径,原子中心到间隙中心的距离皆为a/2,所以间隙半径为:四面体间隙间隙半径的计算:体心立方晶格四面体间隙的棱边长度不全相等,为不对称的间隙。间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径,原子中心到间隙中心的距离为
,所以间隙半径为:
面心立方(FCC)晶格参数具有该种晶体结构的金属有Al、Cu、Ni和γ-Fe等约20种面心立方晶格参数晶胞原子数:面心立方晶格参数原子半径——晶胞中原子密度最大的方向[111]上相邻原子间平衡距离的一半。配位数:12致密度:
密排面:{111}
密排方向:<110>原子密排面和密排方向原子堆垛方式原子面的空隙是有三个原子所构成的,原子排列较为紧密,原子堆垛方式为ABCABC…….间隙:四面体间隙和八面体间隙八面体间隙位于晶胞体中心和每个棱边的中点,由6个面心原子所围成,间隙数量为4个。四面体间隙由一个顶点原子和三个面心原子围成,间隙数量为8个。面心立方晶格间隙面心立方晶格的八面体间隙是由六个面的面心组成的,属于正八面体间隙。间隙半径的计算:
面心立方晶格八面体间隙属于正八面体间隙,间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径,原子中心到间隙中心的距离皆为a/2,原子半径为,所以间隙半径为:
八面体间隙面心立方晶格参数面心立方晶格中的间隙正四面体间隙半径的计算:面心立方晶格四面体间隙属于正四面体间隙,间隙半径为顶点原子至间隙中心的距离减去原子半径,原子中心到间隙中心的距离皆为,所以间隙半径为:
面心立方晶格参数面心立方晶格中的间隙
分析间隙的数量、大小和位置对了解材料的相结构、扩散、相变等问题都是很重要的。金属的三种典型晶体结构的间隙如图1-25、图1-26、图1-27所示。由图可清晰地判定间隙所处位置。按计算晶胞原子数的方法可算出晶胞所包含的间隙数目。
晶体结构中的间隙小结体心立方晶格间隙有两种:八面体间隙间隙半径为:间隙个数为:6四面体间隙间隙半径为:间隙个数为:12面心立方晶格间隙有两种:八面体间隙间隙半径为:间隙个数为:4四面体间隙间隙半径为:间隙个数为:8
可见,面心立方八面体间隙比体心立方中间隙半径较大的四面体间隙半径还大,因此面心立方结构的γ-Fe的溶碳量大大超过体心立方结构的α-Fe。晶体结构中的间隙小结密排六方(HCP)晶格参数晶胞尺寸:由12个原子构成简单六方体,上下两个六方面中心还各有一个原子,两个六方面之间还有三个原子,晶格常数比值c/a=1.633时,排列最紧密。具有该种晶体结构的金属有Mg、Zn、Cd、Be等20多种。密排六方晶格参数晶胞原子数:配位数:12致密度:密排六方晶格参数原子半径——晶胞中原子密度最大的方向[111]上相邻原子间平衡距离的一半密排六方晶格参数密排面:{0001}
密排方向:原子密排面和密排方向原子堆垛方式为ABAB……
原子堆垛方式FCC与HCP密排面堆垛方式比较FCC与HCP晶体结构不同,但配位数、致密度相同,为搞清其原因,必须研究晶体中原子的堆垛方式。FCC的密排面为(111)其堆垛方式是ABCABC…。
HCP的密排面为(0001)其堆垛方式是ABAB…。两种晶格密排面的堆垛方式晶体中的间隙间隙:较为复杂
八面体间隙
有6个
四面体间隙有12个密排六方晶格八面体间隙
密排六方晶格四面体间隙
三种常见晶格的密排面和密排方向单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。密排面数量密排方向数量体心立方晶格{110}6<111>4面心立方晶格{111}4<110>6密排六方晶格六方底面1底面对角线3实际金属的晶体结构单晶体:其内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体:由多晶粒组成的晶体结构晶粒:实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成.晶粒(单晶体)晶界多晶型转变当外部的温度和压强改变时,有些金属会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变,称之为多晶型转变,又称为同素异构转变多晶型性有些金属,如Fe、Mn、Ti、Co等,具有两种或几种晶体结构,这种现象称为多晶型。Fe的多晶型转变
合金相结构合金两种或两种以上金属元素,或金属元素与非金属元素,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,通常组元就是组成合金的元素。
相是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构,成分和性能均一,并以界面相互分开的组成部分
合金组元相合金组元合金的组元之间以不同的比例混合,形成的固相晶体结构与组成合金的某一组元的晶体结构相同,这种相称为固溶体。与固溶体结构相同的组元叫做溶剂,其他组元称为溶质。合金相结构固溶体中间相(金属化合物)相1.固溶体的分类按溶质原子在晶格中所占的位置分:1)置换固溶体——溶质原子位于溶剂晶格的结点位置。2)间隙固溶体——溶质原子填入溶剂原子的间隙处。按固溶度分类:1)有限固溶体——在一定条件下,溶质组元在固溶体中的浓度有一定限度,超过这一限度就不再溶解,此时固溶体称为有限固溶体。大部分固溶体属于有限固溶体。2)无限固溶体——此种固溶体的溶质能以任意比溶入溶剂,溶解度可达100%,如Cu-Ni(fcc晶体结构)。固溶体1.置换固溶体溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。形成置换固溶体时,溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于两者的晶格类型、原子直径及它们在周期表中的位置。置换固溶体2.间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。形成条件:溶质原子半径很小而溶剂晶格间隙较大,一般
r溶质/r溶剂≤0.59时,才能形成间隙固溶体。间隙固溶体固溶体的结构
1)晶格畸变由于溶质与溶剂原子半径不同,因而正在溶质原子附近的局部范围内形成弹性应力场,造成晶格畸变。2)溶质偏聚与短程有序研究表明,当同种原子的结合力较大时溶质原子倾向于成群地聚在一起,形成许多偏聚区;当异种原子结合力较大时,溶质原子在固溶体中的分布呈短程有序。3)长程有序某些具有短程有序的固溶体,当其成分接近一定原子比时(如1:1),可在低于某一临界温度时,转变为长程有序结构,这种固溶体称为有序固溶体。
固溶体的特性1、保持溶剂的晶格特征。2、溶质原子溶入导致固溶体的晶格畸变而使金属强度、硬度提高——即固溶强化,同时有较好的塑性和韧性。因此常作为结构材料的基本相。3、在物理性能方面,随溶质原子浓度的增加,固溶体的电阻率下降,电阻升高,电阻温度系数减小。按溶质原子与溶剂原子的相对分布不同可分为:①无序固溶体
溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无规律的。②有序固溶体
溶质原子占据溶剂晶格的一定位置。有序固溶体-短程有序固溶体-偏聚固溶体的性能点阵常数改变:
置换固溶体:r质>r剂,a增大;r质<r剂,a减小。间隙固溶体:a始终随溶质原子溶入而增大。
产生固溶强化:由于溶质原子的溶入,产生晶格畸变,使固溶体强度、硬度升高的现象。物理性能改变:溶质↑,电阻↑,电阻温度系数↓。
影响固溶体固溶度的因素:1)晶体结构因素:溶质与溶剂晶格结构类型相同,固溶度↑.2)原子尺寸因素:溶剂原子半径rA与溶质原子半径rB的相对差(rA-rB)/rA<15%有利于固溶,固溶度↑。3)电负性因素:两元素间的电负性差越小,越易形成固溶体,固溶度↑。电负性大小看其在周期表中的位置:同一周期的元素,电负性随原子序数↑而↑;同一族的元素,电负性随原子序数↑而↓。所以,元素在周期表中相距越远,电负性相差↑,越不利于形成固溶体,固溶度↓。4)电子浓度因素:电子浓度越高,固溶度越小。电子浓度为合金中价电子数目与原子数目的比值。中间相中间相可以是化合物,也可以是以化合物为基的固溶体,它具有金属的性质,又称金属间化合物。合金中各组元之间发生相互作用而形成的一种新相,叫金属间化合物。具有较高熔点、高硬度,常作强化相,种类很多。根据形成条件和结构特点不同金属间化合物可分为:正常价化合物、电子化合物、间隙相与间隙化合物。正常价化合物:符合一般化合物原子价规律,成分固定并可用分子式表示,如AB、A2B、AB2、A2B3,主要受电负性控制的一种中间相。常见于陶瓷材料,多为离子化合物。在元素周期表中,一些金属与电负性较强的ⅣA、ⅤA、ⅥA族的一些元素按照化学上的原子价规律所形成的化合物。如:二价Mg与四价Pb、Sn、Ge、Si形成Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Ge、Mg2Si。②电子化合物:符合电子浓度规律的化合物。一定的电子浓度形成一定晶格类型的化合物。如:电子浓度为3/2(21/14)时,形成体心立方结构的β相(CuZn);电子浓度为21/13时,形成复杂立方结构的γ相(Cu5Zn8);电子浓度为7/4(21/12)时,形成密排六方结构的ε相(CuZn3)。电子化合物以金属键为主,具有熔点高、硬度高、脆性大的特点,是有色金属的重要强化相。
③间隙相与间隙化合物:由过渡族金属元素与C、N、H、B等原子半径较小的非金属元素形成的化合物。当r非/r金<0.59时,形成具有简单晶格的化合物,称为间隙相。间隙相可用化学式表示,并且一定化学式对应一定晶体结构。如:M4X→FCC(Fe4N),M2X→HCP(Fe2N),MX→FCC(VC)、BCC(NbH)、简单六方(WC),MX2→FCC(TiH2)。间隙相具有极高的硬度和熔点,是合金工具钢及硬质合金的主要强化相。当r非/r金>0.59时,形成具有复杂结构的化合物,称为间隙化合物。主要类型有M3C、M7C3、M23C6等。间隙化合物晶体结构十分复杂,如Cr23C6,具有复杂立方结构,92个金属原子,24个碳原子;又如Fe3C,属正交晶系,晶胞中共有16个原子,其中铁原子12个,碳原子4个,符合Fe:C=3:1关系。碳原子位于八面体间隙。间隙化合物的熔点及硬度比间隙相略低,是钢中最常见的强化相。合金相结构两组元A和B组成合金时,除了可以形成固溶体之外,如果溶质含量超过其溶解度时,可能形成新相,其成分处于A在B中或 B在A中最大溶解度之间,故称中间相。在该化合物中,除离子键、共价键外,金属
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