第二章纯金属与合金的晶体结构

淮安信息职业技术学院１淮安信息职业技术学院教案首页一、章节：第二章纯金属与合金的晶体结构第一节纯金属的晶体结构第二节纯金属的实际晶体结构第三节合金的晶体结构二、教学目的：使学生了解纯金属与合金的晶体结构，晶胞、晶格、合金的基本概念，了解固溶体与金属化合物。三、教学方法：讲授法。四、教学重点：晶胞、晶格、合金的基本概念，了解固溶体与金属化合物。五、教学难点：晶胞、晶格、合金的基本概念，了解固溶体与金属化合物。六、使用教具：挂图。七、课后作业：P17：1、2、6。八、课后小结：淮安信息职业技术学院２第二章纯金属与合金的晶体结构第一节纯金属的晶体结构一、晶体结构的基本知识1．晶体与非晶体晶体内部的原子按一定几何形状作有规则地重复排列，如金钢石、石墨及固态金属与合金。而非晶体内部的原子无规律地规律地堆积在一起，如沥青、玻璃、松香等。晶体具有固定的熔点和各向异性的特征，而非晶体没有固定的熔点，且各向同性。2．晶体管格与晶胞为便于分析晶体中原子排列规律，可将原子近似地看成一个点，并用假想的线条将各原子中心连接起来，便形成一个空间格子。晶格——抽象的、用于描述原子在晶体中的规则排列方式的空间几何图形。结点——晶格中直线的交点。晶胞——晶格是由一些最基本的几何单元周期重复排列而成的，这种最基本的几何单元称为晶胞。淮安信息职业技术学院３晶胞大小和形状可用晶胞的三条棱长a、b、c（单位，1A=108cm）和棱边夹角来描述，其中a、b、c称为晶格常数。各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同，故呈现出不同的物理、化学及力学性能。二、常见的晶格类型1．体心立方晶格体心立方晶格的晶胞为一立方体，立方体的八个顶角各排列着一个原子，立方体的中心有一个原子。其晶格常数a=b=c。属于这种晶格类型的金属有α铁、铬、钨、钼、钒等。2．面心立方晶格面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，立方体的八个顶角和六个面的中心各排列一个原子。属于这种晶格类型的金属有γ铁、铝、铜墙铁壁、镍、金、银等。3．密排六方晶格密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，柱体的十二个顶角和上、下中心各排列着一个原子，在上、下面之间还有三个原子。属于这种晶格类型的金属有镁、锌、铍等、α－Ti。晶格类型不同，原子排列的致密度也不同。体心立方晶格的致淮安信息职业技术学院４密度为68%，而面心立方晶格和密排六方晶格的致密度均为74%。晶格类型发生变化，将引起金属体积和性能的变化。第二节纯金属的实际晶体结构一、多晶体结构单晶体——晶体内部晶格位向（原子排列方向）完全一致的晶体。单晶体具有各向异性的特征。“晶粒”——晶体位向基本相同的小晶体外形不规则，且呈颗粒状。每个晶粒内的晶格位向一致，但各个晶粒之间彼此位向都不相同。多晶体——由许多晶粒组成的晶体。一般金属材料都是多晶体。“晶界”——多晶体材料中相邻晶粒的界面。多晶体是由许多位向不同的晶粒组成，其性能是位向不同晶粒的平均性能，故认为金属（多晶体）是各向同性。二、纯金属的实际晶体结构在实际晶体中，原子的排列并不像理想晶体那样规则和完整。晶体缺陷——由于许多因素的影响，使某些区域的原子排列受到干扰和破坏，这种区域即晶体缺陷。根据晶体缺陷的几何形态，淮安信息职业技术学院５可将其分为以下三类：1．点缺陷点缺陷是指在长、宽、高三个方向上的尺寸都很小的一种缺陷，最常见的是晶格空位和间隙原子，即晶格中某些结点被原子点有而形成晶格空位，同时又可能在其他晶格空隙处出现多余原子而形成间隙原子。点缺陷使周围原子发生靠拢或撑开，造成晶格畸变。2．线缺陷线缺陷是指在晶体中呈线状分布的缺陷，常见的线缺陷是各种类型的位错。“刃型位错”——图示ABCD晶面以上垂直插入一个原子面EFGH，象刀刃一样切到EF线上，使ABCD晶面上、下两部分晶体的原子排列数目不等，即原子产生了错列的现象。位错的存在，以及位错的数量对金属的力学性能有很大的影响。晶体中位错的数量可用位错密度ρ表示。VL㎝-2式中V——晶体的体积，cm3；L——位错线的总长度，cm。淮安信息职业技术学院６3．面缺陷面缺陷是指在晶体中呈面状分布的缺陷。常见的面缺陷是晶界和亚晶界。在每个晶粒内，其晶格位向并不像理想晶体那样完全一致，而是存在许多尺寸很小，位向差也很小的小晶块，这些小晶块称为“亚晶粒”，两相邻亚晶粒的界面称为“亚晶界”。亚晶界是由一系列刃形位错组成的小角度晶界，其原子排列不规则，也产生晶格畸变。亚组织——具有亚晶粒与亚晶界的组织。第三节合金的晶体结构一、合金的基本概念合金——由两种或两种以上的金属元素组成的，具有金属特性的新物质。组元——组成合金最基本的独立的物质，简称元。组元就是组成合金的元素。例如普通黄铜的组元是铜和锌，铁碳合金的组元就是铁和碳。按组元数目，合金可分为二元合金、三元合金和多元合金等。淮安信息职业技术学院７“相”——在纯金属或合金中，具有相同的化学成份、晶体结构和相同的物理性能的组分。例如纯铜在熔点温度以上或以下，分别为液相或固相，而在熔点温度时则为液、固两相共存。合金在固态下，可以形成均匀的单相组织，也可以形成由两相或两相以上组成的多相组织，——这种组织称为两相或多相组织。“组织”——泛指用金相观察方法看到的由形态、尺寸不同和分布方式不同的一种或多种相构成的总体。二、合金的相结构按合金组元间相互作用不同，合金在固态下的相结构分为固溶体和金属化合物两类。1．固溶体固溶体——合金在固态下，组元间能相互溶解而形成的均匀相。溶剂——与固溶体晶格类型相同的组元称。溶质——其它组元称为溶质。根据原子在溶剂中晶格中所占位置不同，固溶体可分为置换固溶体和间隙固溶体。（1）置换固溶体置换固溶体是指溶质原子占据了部分溶剂晶格结点位置而形成的固溶体。淮安信息职业技术学院８按溶解浓度的不同，置换固溶体又分为无限固溶体和有限固溶体两种。例如铜镍合金，铜原子和镍原子可按任意比例相互溶解，形成无限固溶体；而铜锌合金只有在ωZn≤39%时，锌能全部溶入铜中形成单相的α固溶体。当ωZn＞39%时，组织中除α固溶体外，还出现铜与锌形成的金属化合物。（2）间隙固溶体间隙固溶体是指溶质原子溶入溶剂晶格的间隙而形成的固溶体。由于溶剂晶格的间隙有限，因此间隙固溶体都是有限固溶体。间隙固溶体形成的条件是溶质原子半径与溶剂原子的半径的比值r溶质/r溶剂≤0.59。因此形成的间隙固溶体的溶质元素通常是原子半径小的非金属元素，如碳、氮、氢、硼、氧等。2．金属化合物金属化合物——合金组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相，一般可用分子式表示。根据形成条件及结构特点，常见的金属化合物有三种类型：（1）正常价化合物——严格遵守原子价规律的化合物，它们是由元素周期表中相距较远，电化学性质相差较大的元素组成的。如Mg2Si、Mg2Pb、Mg2Sn、Cu2Se等。淮安信息职业技术学院９（2）电子化合物——不遵守原子价规律，但是有一定的电子浓度的化合物。电子化合物的晶体结构与电子浓度有一定的对应关系。例如，当电子浓度为3/2时，形成体心立方晶格的电子化合物，称为β相，如CuZn、Cu3Al等；当电子浓度为21/13时，形成复杂立方晶格的电子化合物，称为γ相，如Cu5Zn8、Cu31Zn8等；当电子浓度为7/4时，形成密排六方晶格的电子化合物，称为ε相，如CuZn3、Cu3Sn等。（3）间隙化合物——是过渡族金属元素与原子计径较小的碳、氮、氢、硼、等非金属元素形成的化合物。按结构特点，间隙化合物可分为以下两种：1）间隙相当非金属元素的原子半径与金属元素的原子半径的比值＜0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相，如TiC、WC、VC等。2）复杂结构的间隙化合物当非金属元素的原子半径与金属元素的原子半径的比值＞0.59时，形成具有复杂晶格的间隙化合物，如Fe3C、Mn3C、Cr7C3、Cr23C6等。Fe3C是铁碳合金的一种重要的间隙化合物，通常称为渗碳体，其碳原子与铁原子半径之比为0.61。Fe3C的晶体结构为复杂斜方晶淮安信息职业技术学院１０格，熔点约1227℃，硬度高（1000HV），塑性和韧性很差。金属化合物的晶格晶格类型和性能不同于组成糨的任一组元，一般硬而脆，生产中很少使用单一相金属化合物的合金。但金属化合物呈细小颗粒均匀分布在固溶体的基体上时，将使合金强度、硬度和耐磨性明显提高——这一现象称为弥散强化。因此金属化合物主要用来作为碳钢、低合金钢、合金钢、硬质合金及有色金属的重要组成相及强化相。