11項目4金屬的結(jié)構(gòu)分析《金屬材料及熱處理》任務(wù)4.1：認識純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬物理化學(xué)熱處理焊接鑄造鍛壓切削加工力學(xué)工藝性能使用性能內(nèi)部結(jié)構(gòu)物理化學(xué)熱處理焊接鑄造鍛壓切削加工力學(xué)金屬材料及熱處理金屬的結(jié)構(gòu)特征晶體結(jié)構(gòu)原子排列方式和空間分布成分原子種類和分量內(nèi)部結(jié)構(gòu)金屬材料及熱處理金屬的結(jié)構(gòu)特征成分晶體結(jié)構(gòu)性能金剛石原子排列石墨排列金屬材料及熱處理金屬的結(jié)構(gòu)特征55延遲符

了解金屬的結(jié)構(gòu)和結(jié)晶規(guī)律，對控制材料的性能、正確選用材料、開發(fā)新材料有重要指導(dǎo)意義。對于同一種成分的金屬材料，通過不同的加工處理工藝，改變材料內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)，也可以使其性能發(fā)生極大的變化?！督饘俨牧霞盁崽幚怼愤@就促使人們致力于金屬及合金內(nèi)部組織結(jié)構(gòu)的研究，以尋求改善和發(fā)展金屬材料的途徑。金屬的結(jié)構(gòu)特征66延遲符結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)原子的空間排列顯微組織原子核外電子的排布方式顯著影響材料的電、磁、光和熱性能，還影響到原子彼此結(jié)合的方式，從而決定材料的類型晶態(tài)和非晶態(tài)。晶體結(jié)構(gòu)顯著影響材料的力學(xué)性能。晶粒的大小、合金相的種類、數(shù)量和分布等參數(shù)。材料的原子結(jié)構(gòu)1《金屬材料及熱處理》一、材料的原子結(jié)構(gòu)外層電子作用形式穩(wěn)定的八電子排布結(jié)構(gòu)接受或釋放額外電子共有電子最外層電子可以確定物質(zhì)的化學(xué)鍵類型原子間的化學(xué)鍵：金屬鍵離子鍵共價鍵材料原子的鍵合特征277《金屬材料及熱處理》一、材料的原子結(jié)構(gòu)88金屬鍵共有價電子→自由電子云金屬其最外層的電子數(shù)很少，一般為1～2個，不超過3個。金屬外層電子與原子核結(jié)合力較弱，金屬原子容易失去最外層電子，變成金屬離子和共有自由電子云?！督饘俨牧霞盁崽幚怼方饘匐x子跟自由電子間存在較強的作用，因而使許多金屬離子互相結(jié)合在一起的化學(xué)鍵，叫作金屬鍵金屬的特性:具有良好的導(dǎo)電性具有良好的導(dǎo)熱性具有正的電阻溫度系數(shù)具有光澤具有良好的延展性二、金屬原子的鍵合特征晶系軸(棱邊)之間的夾角三斜晶系單斜晶系斜方晶系正方晶系菱方晶系六方晶系立方晶系9根據(jù)晶格常數(shù)、軸間夾角的相互關(guān)系可分為七大晶系常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)有體心立方、面心立方和密排六方晶格三種類型9常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)《金屬材料及熱處理》體心立方晶格1面心立方晶格2密排六方晶格3晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格（bcc）《金屬材料及熱處理》11體心立方晶格body—centeredcubiclattice

晶格常數(shù)：a=b=c

軸間夾角：

===90◆原子分布：8個頂點，體心處各有一個原子。鋼球模型質(zhì)點模型金屬材料及熱處理《金屬材料及熱處理》12體心立方晶格body—centeredcubiclattice

晶胞原子數(shù)：2因晶胞頂角上原子同時屬于相鄰8個晶胞所共有的，故體心立方晶格的晶胞中包含原子數(shù)晶胞原子數(shù)模型金屬材料及熱處理《金屬材料及熱處理》13體心立方晶格body—centeredcubiclattice

原子半徑：2r

axzabcy2r

金屬材料及熱處理《金屬材料及熱處理》14體心立方晶格body—centeredcubiclattice

致密度K：0.68

晶胞原子數(shù)：n=2原子半徑：≈0.68

即晶格中有68%的體積被原子占有，其余為空隙。

配位數(shù)：8金屬材料及熱處理《金屬材料及熱處理》15面心立方晶格（fcc）《金屬材料及熱處理》16面心立方晶格face—centeredcubiclattice

晶格常數(shù)：a=b=c

軸間夾角：

===90◆原子分布：8個頂點，每個面中心處各有一個原子。鋼球模型質(zhì)點模型金屬材料及熱處理《金屬材料及熱處理》17面心立方晶格face—centeredcubiclattice

晶胞原子數(shù)：4每個頂點原子同時屬于相鄰的八個晶胞所共有因每個頂點原子同時屬于相鄰的八個晶胞共有，每一面心原子同時屬于兩個晶胞共有，故面心立方晶格的晶胞中包含原子數(shù)晶胞原子數(shù)模型金屬材料及熱處理《金屬材料及熱處理》18aYXZbca面心立方晶格face—centeredcubiclattice

原子半徑：

2r2r金屬材料及熱處理《金屬材料及熱處理》19面心立方晶格face—centeredcubiclattice

致密度K：0.74

晶胞原子數(shù)：n=4原子半徑：≈0.74

即晶格中有74%的體積被原子占有，其余為空隙。

配位數(shù)：12金屬材料及熱處理《金屬材料及熱處理》20密排六方晶格（hcp）《金屬材料及熱處理》21密排六方晶格hexagonalclosepackedlattice屬于這類晶格的金屬有鋅(Zn),鎂(Mg),鎘(Cd)，鈹（Be）等金屬。具有硬度高、脆性大的特點。

晶格常數(shù)：底邊棱長a；兩底面間的高度c。

a＝b＜c，c/a≈1.633

軸間夾角：側(cè)面間角

＝120，

側(cè)面與底面夾角

＝

＝90

◆原子分布：六方體的12個頂點各有一個原子，上下底面的面中心各有一個原子，晶胞內(nèi)還有3個原子排列在柱體中間。鋼球模型質(zhì)點模型金屬材料及熱處理《金屬材料及熱處理》22密排六方晶格hexagonalclosepackedlattice

晶胞原子數(shù)：6每個頂點原子同時屬于相鄰的八個晶胞所共有因每個頂點原子同時屬于相鄰的六個晶胞共有，每一面心原子同時屬于兩個晶胞共有，故面心立方晶格的晶胞中包含原子數(shù)晶胞原子數(shù)模型金屬材料及熱處理《金屬材料及熱處理》23密排六方晶格hexagonalclosepackedlattice

原子半徑：

2r2ra

底面正六邊形對角線長度為2a，兩個原子，四個原子半徑r長金屬材料及熱處理.《金屬材料及熱處理》24密排六方晶格hexagonalclosepackedlattice

致密度K：0.74

晶胞原子數(shù)：n=6原子半徑：≈0.74

即晶格中有74%的體積被原子占有，其余為空隙。

配位數(shù)：12金屬材料及熱處理《金屬材料及熱處理》2526晶格類型體心立方（bcc）面心立方（fcc）密排六方（hcp）晶胞結(jié)構(gòu)晶胞常數(shù)晶胞內(nèi)原子數(shù)原子半徑致密度配位數(shù)典型金屬a＝b＝c

α＝β＝γ＝90°a＝b＝c

α＝β＝γ＝90°a＝bc/a＝1.633

α＝β＝90°γ＝120°0.680.740.7481212α-Fe、Mo、W、V、Cr、β-Tiγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、AgMg、Cd、Zn、Be、Ca、α-Ti

《金屬材料及熱處理》項目4金屬的結(jié)構(gòu)分析《金屬材料及熱處理》任務(wù)4.2：認識實際金屬的結(jié)構(gòu)2728一、單晶體《金屬材料及熱處理》同樣的原子排列規(guī)律和周期性延續(xù)到整個樣品而未發(fā)生中斷，則這個樣品就是一個單晶。29一、單晶體29單晶體：晶體內(nèi)部的晶格位向完全一致。對于單晶體，由于各個方向上原子排列不同，導(dǎo)致各個方向上的性能不同，即“各向異性”的特點；單晶體

《金屬材料及熱處理》3030多晶體：由許多個位向不同的晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。多晶體對每個小晶粒具有“各向異性”的特點，而就多晶體的整體，由于各小晶粒的位向不同，表現(xiàn)的是各小晶粒的平均性能，不具備“各向異性”的特點。多晶體

《金屬材料及熱處理》二、多晶體《金屬材料及熱處理》二、多晶體31在一塊很小的金屬中也含著許多的小晶體，每個小晶體的內(nèi)部，晶格位向都是均勻一致的，而各個小晶體之間，彼此的位向都不相同。這種小晶體的外形呈顆粒狀，稱為“晶粒”。多晶的形成過程可以概括為：固體的結(jié)晶核心首先在某些地方形成，隨著原子的加入，晶粒不斷長大，但晶粒(單晶)相互間往往存在不同的取向，即晶粒的同一晶軸之間有一定的角度差。最后，不同的晶粒相遇形成晶界。晶粒間的取向差，就導(dǎo)致晶界處晶體的不完整性。圖2-13鐵的多晶晶粒實際金屬結(jié)構(gòu)屬于多晶體

晶粒與晶粒之間的界面稱為“晶界”。在晶界處，原子排列為適應(yīng)兩晶粒間不同晶格位向的過渡，總是不規(guī)則的。由于晶界是不完整的晶體區(qū)域，所以，晶界的狀況對于晶體材料的性能有顯著的影響。32三、非晶態(tài)32非晶態(tài)：原子不具備遠程排列規(guī)律的物質(zhì)。也可稱之非晶體。(a)晶態(tài)(b)非晶態(tài)《金屬材料及熱處理》遠程有序近程有序33三、非晶態(tài)33非晶態(tài)金屬非晶態(tài)金屬是從熔融液態(tài)急冷凝固得到的，金屬整體呈現(xiàn)均勻性和各向同性，因而具有優(yōu)良的力學(xué)性能，如拉伸強度大，強度、硬度都比一般晶態(tài)金屬高。由于非晶態(tài)金屬中原子是無序排列，沒有晶界，不存在晶體滑移、位錯等缺陷，使金屬具有高電阻率、高導(dǎo)磁率、高抗腐蝕性等優(yōu)異性能。非晶態(tài)金屬的電阻率一般要比晶態(tài)金屬高2~3倍，這可以大大減少渦流損失，特別適合做變壓器和電動機的鐵芯材料?！督饘俨牧霞盁崽幚怼芬弧⒕w缺陷晶體缺陷的存在，對金屬的性能（物理性能、化學(xué)性能、機械性能）將產(chǎn)生顯著影響，如鋼的耐腐蝕性，實際金屬的屈服強度遠遠低于通過原子間的作用力計算所得數(shù)值。各種各樣的晶體缺陷按其幾何形式的特點，分為如下三類：點缺陷線缺陷面缺陷34《金屬材料及熱處理》晶體缺陷：在實際金屬中還存在著一些原子偏離規(guī)則排列的不完整區(qū)域?！督饘俨牧霞盁崽幚怼肪w缺陷----點缺陷PART01空位間隙原子置換原子二、晶體缺陷--點缺陷1.常見的點缺陷：2.點缺陷造成的后果：晶格畸變特征：原子排列不規(guī)則的區(qū)域在空間三個方向尺寸都很小。3636《金屬材料及熱處理》

空位：當(dāng)晶格中的一些原子由于某種原因，脫離原來的平衡位置，在原位置上出現(xiàn)了空結(jié)點。二、晶體缺陷--點缺陷空位的運動

晶體中的空位始終處于運動變化中，是金屬中原子擴散的主要方式，對金屬材料的熱處理過程極為重要。1空位3737《金屬材料及熱處理》形成一個空位所需的能量稱為空位形成能，溫度越高能夠獲得空位形成能的原子越多，所以空位的數(shù)量也就越多。二、晶體缺陷--點缺陷

間隙原子：處于晶格間隙中的原子。2間隙原子3838《金屬材料及熱處理》分為：同類原子和異類原子的間隙原子兩種。異類原子在一定溫度下有一個平衡濃度，稱為固態(tài)溶解度，簡稱“固溶度”，固溶度對金屬強化起重要作用，二、晶體缺陷--點缺陷置換原子：溶入金屬晶體并占據(jù)原來基體原子平衡位置的異類原子。置換原子3置換原子3939《金屬材料及熱處理》置換原子的固溶度一般較大，有些可以互為置換原子，如Cu-Ni合金。晶格上的結(jié)點偏離其平衡位置，出現(xiàn)幾個甚至更多的原子間距范圍的彈性畸變區(qū)。二、晶體缺陷--點缺陷2）點缺陷造成的后果：點缺陷會造成周圍晶格畸變，使性能發(fā)生變化，如屈服強度提高和電阻增加等。點缺陷的存在和運動將加速金屬原子的擴散過程。1）晶格畸變：4晶格畸變4040《金屬材料及熱處理》《金屬材料及熱處理》晶體缺陷----線缺陷PART02特征：原子排列的不規(guī)則區(qū)在空間一個方向上的尺寸很大，而在其余兩個方向上的尺寸很小。如：位錯。二、晶體缺陷—線缺陷

4242《金屬材料及熱處理》最基本的類型：有“刃型位錯”和“螺型位錯”。位錯對于金屬的強度、斷裂和塑性變形等起著決定性的作用。位錯：在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。實際晶體中的位錯往往是混合位錯?？烧J為是晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體的局部滑移而造成?；撇糠峙c未滑移部分的交界線即為位錯線?！叭行臀诲e”：因為相對滑移的結(jié)果上半部分多出一半原子面，多余的半原子面的邊緣好像一把刀刃切入晶體中的，故稱“刃型位錯”。二、晶體缺陷—線缺陷1刃型位錯4343《金屬材料及熱處理》透射電鏡觀察鈦合金中的位錯線二、晶體缺陷—線缺陷高分辨率電鏡觀察刃位錯（白點為原子）1刃型位錯4444《金屬材料及熱處理》若額外的半原子面位于晶體的上半部---正刃型位錯，用符號“┻”表示。若額外的半原子面位于晶體的下半部---負刃型位錯，用符號“┳”表示。二、晶體缺陷—線缺陷1刃型位錯4545《金屬材料及熱處理》刃位錯的形成二、晶體缺陷—線缺陷刃位錯滑移_立體圖1刃型位錯4646《金屬材料及熱處理》“刃型位錯”會吸引間隙原子和置換原子向位錯區(qū)聚集，可降低晶格的畸變能，同時間隙原子和置換原子對位錯起釘扎作用，使位錯難以運動，使晶體的強度、硬度提高。二、晶體缺陷—線缺陷“刃型位錯”特征：有一多余原子面；位錯線上既有正應(yīng)變，又有切應(yīng)變。正刃型位錯，滑移面之上晶格受到壓應(yīng)力，滑移面之下為拉應(yīng)力。負刃型位錯與此相反；位錯線與晶體滑移的方向相垂直，即位錯線運動方向垂直于位錯線。1刃型位錯4747《金屬材料及熱處理》二、晶體缺陷—線缺陷2螺型位錯“螺型位錯”分左、右螺型位錯：拇指代表螺旋前進方向，四指代表螺旋的旋轉(zhuǎn)方向。符合右手法則的為右螺型位錯；符合左手法則的稱為左螺型位錯。“螺型位錯”：切應(yīng)力作用下，上半部分晶體相對于下面的晶體移動了一個原子間距。晶體已滑移區(qū)和未滑移區(qū)之間存在的過渡區(qū)，也是分界線。4848《金屬材料及熱處理》二、晶體缺陷—線缺陷2螺型位錯“螺型位錯”特征：沒有多余原子面；位錯線上只有切應(yīng)變；位錯線與晶體滑移的方向平行，位錯線運動方向垂直于位錯線。4949《金屬材料及熱處理》二、晶體缺陷—線缺陷位錯位錯的存在，對金屬材料的力學(xué)性能、擴散及相變等過程有著重要的影響。如果金屬中不含位錯，那么它將有極高強度。不含位錯的晶須，不易塑性變形，因而強度極高；而工業(yè)純鐵中含有位錯，易于塑性變形，所以強度很低。位錯密度越高，金屬的強度、硬度越高。如果采用冷塑性變形等方法使金屬中的位錯密度大大提高，則金屬的強度也可以隨之提高。5050《金屬材料及熱處理》《金屬材料及熱處理》晶體缺陷----面缺陷PART03特征：原子排列不規(guī)則的區(qū)域在空間兩個方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小。晶界：晶體結(jié)構(gòu)相同但位向不同的晶粒之間的界面。亞晶界：晶粒內(nèi)小位向差的晶塊邊界。孿晶界：兩個晶體沿著公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，此公共晶面為孿晶界。晶界及亞晶界愈多，晶格畸變越大，且位錯密度愈大，晶體的強度愈高。三、晶體缺陷—面缺陷晶體的面缺陷：具有二維尺寸的晶體缺陷。包括晶體的外表面（表面或自由界面）和內(nèi)界面兩類，其中的內(nèi)界面又有晶界、亞晶界、孿晶界、堆垛層錯和相界等。5252《金屬材料及熱處理》三、晶體缺陷—面缺陷由于表面上的原子與晶體內(nèi)部的原子相比其配位數(shù)較少，使得表面原子偏離自己的平衡位置，在表面層產(chǎn)生了晶格畸變，導(dǎo)致其能量升高。這種單位表面面積上升高的能量稱為比表面能，簡稱表面能。用單位面積能量(J/m2)表示。也可以用單位長度上的表面張力（N／m）表示。1外表面5353《金屬材料及熱處理》三、晶體缺陷—面缺陷2晶界5454《金屬材料及熱處理》晶體結(jié)構(gòu)相同但位向不同的晶粒之間的界面稱為晶粒晶界，或簡稱晶界。三、晶體缺陷—面缺陷晶界類型

1）小角度晶界：相鄰晶粒的位向差小于15；小角度晶界由位錯組成。2）大角度晶界：相鄰晶粒的位向差大于15；大角度晶界結(jié)構(gòu)復(fù)雜。2晶界5555《金屬材料及熱處理》多晶體金屬材料中的晶界大都屬于大角度晶界。在實際晶體內(nèi)，每個晶粒內(nèi)的原子排列并不是十分齊整的，它們彼此間存在著極小的(<2o)位向差。這些晶塊之間的內(nèi)界面就稱之為亞晶粒間界，簡稱亞晶界，三、晶體缺陷—面缺陷3亞晶界5656《金屬材料及熱處理》大量實驗結(jié)果證明亞晶界為小角度晶界。。實際金屬材料是多晶體材料，在晶體內(nèi)部存在著大量的晶界和亞晶界。晶界和亞晶界實際上是一個原子排列不規(guī)則的區(qū)域，該處晶體的晶格處于畸變狀態(tài)，能量高于晶粒內(nèi)部，在常溫下強度和硬度較高，在高溫下則較低，晶界容易被腐蝕等。三、晶體缺陷—面缺陷晶界和亞晶界5757《金屬材料及熱處理》是指兩個晶體(或一個晶體的兩部分)沿一個公共晶面構(gòu)成鏡面對稱的位向關(guān)系，此公共晶面就稱為孿晶面，這里的孿晶面也就是孿晶界。。三、晶體缺陷—面缺陷4孿晶界58《金屬材料及熱處理》面缺陷:孿晶在孿晶面上的原子為孿晶的兩部分晶體所共有，且同時位于兩個晶體點陣的結(jié)點上。這種形式的孿晶界稱為共格孿晶界《金屬材料及熱處理》謝謝《金屬材料及熱處理》任務(wù)4.3：認識合金中的相結(jié)構(gòu)項目4金屬的結(jié)構(gòu)分析晶體結(jié)構(gòu)、原子結(jié)構(gòu)不同、組元相互作用不同—不同的相結(jié)構(gòu)。相結(jié)構(gòu)，實質(zhì)是合金的晶體結(jié)構(gòu)，不同的相結(jié)構(gòu)就形成了不同的合金。根據(jù)組成合金的組元相互之間作用方式不同，可以形成固溶體、金屬化合物兩種結(jié)構(gòu)。（一）固溶體—組元之間相互溶解但不反應(yīng)定義：合金中一組元作為溶質(zhì)原子固溶在另一組元溶劑的晶格中，仍保持溶劑晶格類型的金屬固相。（二）金屬化合物—組元之間相互反應(yīng)定義：合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的具有金屬特性的合金相。一、合金中的相結(jié)構(gòu)概述61《金屬材料及熱處理》固溶體

二、合金中的相結(jié)構(gòu)--固溶體間隙固溶體置換固溶體根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑中所占位置的不同，固溶體可分為置換固溶體和間隙固溶體。------組元之間相互溶解，但不反應(yīng)，溶質(zhì)原子固溶入溶劑-----特點：保持溶劑晶格類型62《金屬材料及熱處理》1、置換固溶體二、合金中的相結(jié)構(gòu)--固溶體定義：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格部分結(jié)點位置而組成的固溶體。溶質(zhì)原子溶于固溶體中的量稱為固溶體的溶解度，通常用質(zhì)量百分數(shù)來表示。63《金屬材料及熱處理》1、置換固溶體二、合金中的相結(jié)構(gòu)--固溶體按照溶質(zhì)溶解度的大小，置換固溶體，又分為無限置換固溶體和有限置換固溶體。64《金屬材料及熱處理》固溶體溶解度主要取決于組元間的晶格類型、原子半徑和原子結(jié)構(gòu)。大多數(shù)合金只能是有限固溶，且固溶度隨著溫度升高而增大。只有兩組元晶格類型相同，原子半徑相差很小時，才可以形成無限固溶體2、間隙固溶體二、合金中的相結(jié)構(gòu)--固溶體定義：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格的間隙而形成的固溶體，間隙固溶體仍保持著溶劑金屬的晶格類型。65溶劑元素大多是過渡族元素，溶質(zhì)元素一般是原子半徑小于0.1nm的一些非金屬元素，如氫、硼、碳、氮、氧等。已有研究表明，當(dāng)溶質(zhì)元素的原子直徑與溶劑元素的原子直徑之比小于0.59時，易于形成間隙固溶體，而在直徑大小差不多的元素之間易于形成置換固溶體。2、間隙固溶體二、合金中的相結(jié)構(gòu)--固溶體66間隙固溶體的溶解總是有限的，間隙固溶體總是有限固溶體。間隙固溶體的溶解度與溫度、溶劑溶質(zhì)原子半徑比值和溶劑晶格類型等有關(guān)。3、固溶體的性能二、合金中的相結(jié)構(gòu)--固溶體無論置換固溶體，還是間隙固溶體，由于固溶原子的存在都會使晶格發(fā)生畸變，使其性能不同于原純金屬。67《金屬材料及熱處理》通過溶入溶質(zhì)原子形成固溶體，使合金的強度、硬度升高現(xiàn)象稱為固溶強化。固溶強化是強化金屬材料性能的重要途徑之一。間隙式溶質(zhì)原子的強化效果一般要比置換式更顯著。當(dāng)溶質(zhì)元素的含量極少時，固溶體的性能與溶劑金屬基本相同。隨溶質(zhì)含量的升高，固溶體的性能將發(fā)生明顯改變，其一般情況下，強度、硬度逐漸升高，而塑性、韌性有所下降，電阻率升高，導(dǎo)電性逐漸下降等。6868延遲符定義：合金組元間發(fā)生相互作用而形成一種具有金屬特性的物質(zhì)。如碳鋼中的滲碳體Fe3C，黃銅中的β相（CuZn）以及各種鋼中都有的FeS、MnS等等，都是化合物?！督饘俨牧霞盁崽幚怼啡?、合金中的相結(jié)構(gòu)--金屬化合物金屬化合物的晶格類型與形成化合物各組元的晶格類型完全不同一般可用化學(xué)分子式表示。如：鋼中滲碳體（Fe3C）是由鐵原子和碳原子所組成的金屬化合物，它具有復(fù)雜的晶格形式。性能特點：高熔點，高硬度、高脆性。或