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第1页共16页第一章金属的晶体结构决定材料性能的三个因素：化学成分、内部结构、组织状态金属：具有正的电阻温度系数的物质。金属与非金属的主要区别是金属具有正的电阻温度系数和良好的导电能力。金属键：处以聚集状态的金属原子，全部或大部分贡献出他们的价电子成为自由电子，为整个原子集体所共有，这些自由电子与所有自由电子一起在所有原子核周围按量子力学规律运动着，贡献出价电子的原子则变为正离子，沉浸在电子云中，依靠运动于其间的公有化的自由电子的静电作用结合起来，这种结合方式叫做金属键。双原子模型：晶体：原子在三维空间做有规则周期性重复排列的物质叫做晶体。晶体的特性：1、各向异性2、具有一定的熔点。空间点阵：为了清晰地描述原子在三维空间排列的规律性，常将构成晶体的实际质点忽略，而将其抽象为纯粹的几何点，称为阵点或节点，这些阵点可以是原子或分子的中心，也可以是彼此等同的原子团或分子团的中心，各个阵点的周围环境都相同。做许多平行的直线将这些阵点连接起来形成一个三维空间格架，叫做空间点阵。晶胞：从点阵中选取的一个能够完全反映晶格特征的最小几何单元。晶格常数：晶胞的棱边长度称为晶格常数，在X、Y、Z轴上分别以a、b、c表示。致密度：表示晶胞中原子排列的紧密程度，可用原子所占体积与晶胞体积之比K表示。三种典型的晶体结构：体心立方晶格、面心立方晶格、密排六方晶格。体心立方晶格：α-Fe、Cr、W、V、Nb、Mo配位数8致密度0.68滑移系：{110}*111共12个堆垛顺序ABAB面心立方晶格：γ-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag配位数12致密度0.74滑移系：{111}*110共12个堆垛顺序ABCABC密排六方晶格：Zn、Mg、Be、Cd配位数12致密度0.74滑移系：{0001}*1121堆垛顺序ABAB晶向族指数包含的晶向指数：一、写出uvw的排列二、给其中每个晶向加一个负号，分三次加三、给其中每个晶向加两个负号，分三次加四、给每个晶向加三个负号晶面族指数包含的晶面指数：（如果hkl中有一个是零就写出排列各加一个负号，如果有两个零就只写出排列就行。）一、写出{hkl}的排列二、给其中每个晶面加一个负号，分三次加体心立方四面体间隙面心立方四面体间隙密排六方四面体间隙d0势能曲线dc排斥力吸引力d合力斥力引力原子间最大结合力，对应于理论抗拉强度.在d0处原子势能最低，即其稳定位置。在dc处原子间的结合力最大，对应于原子的理论抗拉强度.第2页共16页多晶型性：外部条件（温度和压强）改变时，金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变叫做多晶型性。柏氏矢量：不但可以表示位错的性质，而且可以表示晶格畸变总量的大小和方向的一个矢量。晶体缺陷：在实际金属材料中存在的一些原子偏离规则排列得不完整性区域。分类如下：位错：晶体中一列或若干列原子有规律的错排现象，其特征是在两个方向上的尺寸很小，另一个方向上的尺寸很大。晶界特性：1、具有晶界能2、由内吸附和反内吸附现象3、熔点低，易腐蚀和氧化4、晶界上缺陷多，原子扩散速度快，新相优先在晶界上形核。第二章纯金属的结晶结晶中的宏观现象：1、发生一定的过冷度2、有结晶潜热的释放。相变潜热：1mol物质从一个相转变为另一个相时，伴随放出或吸收的热量。结构起伏：（相起伏）在液态金属中存在着不断变化着的微小近程有序原子集团，称为结构起伏。能量起伏：液相中各微观区域的能量暂时偏离平衡能量的现象。过冷液相中的相起伏和能量起伏是形核的基础。相起伏满足晶核大小超过一定临界值的要求，能量起伏满足新相对形核功的要求。均匀形核：在液相各区域出现新晶核的几率是相同的形核方式。点缺陷空位间隙原子和置换原子肖脱基空位：脱离平衡位置的原子去到晶体表面上时形成。弗兰克尔空位：脱离平衡位置的原子去到晶格间隙中形成。线缺陷刃型位错：具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中既有正应变又有切应变。螺型位错：具有一定宽度的细长晶格畸变管道，其中只有切应变，没有正应变。柏氏矢量集中反映了位错区域内畸变总量的大小和方向位错密度：单位体积金属中包含的位错线的总长度。ρ=L/V位错线只能中止在晶界上或晶体表面上面缺陷晶体表面表面能：由于晶格畸变在单位面积上升高的能量叫做比表面能，简称表面能。影响因素：1、外部介质性质2、裸露晶面原子密度3、晶体表面曲率晶界小角度晶界（θ10℃）对称倾侧晶界：微结构为刃型位错扭转晶界：微结构为螺型位错。大角度晶界（θ10℃）晶界：晶体结构相同，但位向不同的晶粒之间的界面亚晶界：泛指尺寸比晶粒更细小的所有细微组织之间的界面。堆垛层错：晶面堆垛顺序发生局部差错而产生的一种晶体缺陷。产生单位面积堆垛层错所需要的能量成为层错能。相界：具有不同晶体结构的两相之间的分界面。分为:共格相界、非共格相界、半共格相界其中共格相界的界面能最低，但其畸变能最高。第3页共16页形核功：半径为临界晶核半径的晶胚继续长大成为稳定晶核所需要做的最小功。形核率：单位时间单位体积液相中形成的晶核数目。过冷度：金属的实际结晶温度Tn与理论结晶温度Tm之差，称为过冷度。临界过冷度：当在某一过冷度时，液态金属中存在的最大的晶胚尺寸rmax等于该过冷度下的临界形核半径rk时，晶核就可以稳定存在了，这时的过冷度叫做临界过冷度。动态过冷度：液固界面向液体中推移时所需的过冷度。临界晶核半径：晶胚刚好可以自发的长大成为稳定地晶核时的半径叫做临界晶核半径。影响形核率的两个因素：1、过冷度，过冷度增大临界晶核半径和形核功都减小2、原子扩散能力。影响非均匀形核的因素：1、过冷度2、固体杂质结构3、固体杂质的形貌4、过热度的影响非自发形核晶核的形状和体积是由临界晶核半径r*和接触角θ决定的。点阵匹配原理：两个相互接触的晶面结构越近似，它们之间的表面能就越小。杰克逊因子：α用来判断结晶时固液界面的种类。1、光滑界面（小平面界面）α5;2、粗糙界面（非小平面界面）α2;3、混合型界面如果界面上有近50%的位置为固相原子所占据，这样的界面即为粗糙界面，如果界面上有近0%或100%的位置为晶体原子所占据，则这样的界面称为光滑界面。晶体生长是平面长大方式还是树枝晶方式取决于界面前沿的温度梯度和固夜界面的微观结构。长大速度：单位时间内晶核长大的线速度称为长大速度，用G表示。单位为cm/s。σαβσlβllcosΔTNN1N2ΔTrkrmax临界过冷度的由来意义：无论是最大尺寸晶胚还是较小尺寸晶胚都能达到或超过rk结晶能够顺利进行形核率随过冷度的变化实际生产过程中形核率在达到最大值之前金属已全部凝固，看不到曲线下降的部分。θ在0--180℃之间变化时ΔGk’恒小于ΔGk，表明非均匀形核需要较小过冷度。二维晶核长大机制螺型位错长大机制垂直长大机制适用于光滑界面，金属化合物、亚金属和非金属具有光滑界面晶体缺陷在光滑界面生长中起着重要作用。晶体缺陷在粗糙界面的生长过程中不起明显作用，长大速度最快。长大机制树枝状生长是具有粗糙界面物质最常见的长大方式。θσαl第4页共16页晶粒大小的影响因素：晶粒的大小取决于形核率和长大速度的相对大小。比值Ń/G越大晶粒越细小。铸造时控制晶粒大小的方法：1、控制过冷度2、变质处理3、振动、搅动。变质处理：在浇注前往液态金属中加入形核剂，促进大量非均匀形核来细化晶粒的方法。柱状晶区的特点：组织致密，各向异性，缺点是存在脆弱界面。等轴晶区的特点：不存在明显脆弱界面且没有各向异性，裂纹不易扩展。树枝晶发达，组织不够致密，显微缩孔较多。铸锭组织的控制：1、铸锭模的冷却能力2、浇注温度和速度3、熔化温度铸锭缺陷：一、缩孔：集中缩孔和分散缩孔；二、气孔：氢氮氧；三、夹杂物：外来夹杂和内生夹杂。四、偏析。第三章二元合金的相结构与结晶组元：组成合金最基本的，独立的物质叫做组元合金系：由给定的组元以不同的比例配制成的一系列成分不同的合金。相：合金中结构相同、成分和性能均一，并以界面相互分开来的组成部分。分为固溶体和中间相两类。影响相结构的因素：1、负电性因素2、原子尺寸因素3、电子浓度因素组织：人们用肉眼或借助于各种不同倍数的放大工具所观察到的金属材料内部的微观形貌。分为宏观组织、微观组织和电子显微组织。相是组成组织的的基本组成部分。组织代表相的大小、分布、和数量。有序固溶体:又称为超点阵，溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向围绕溶剂原子分布时就形成有序固溶体。置换固溶体：指溶质原子位于溶剂晶格的某些节点位置所形成的固溶体。间隙固溶体：溶质原子填入溶剂原子间的一些间隙中形成的固溶体。晶格畸变：由于异类原子的溶入或塑性变形等原因造成的点阵中的原子偏离其正常平衡位置的现象。影响固溶度的因素：1、原子尺寸因素2、负电性因素3、电子浓度因素4、晶体结构因素5、温度因素只有r溶质/r溶剂0.59时，才有可能形成间隙固溶体。金属间化合物一般具有高熔点、高硬度、和脆性大。分类：1、正常价化合物2、电子化合物3、间隙相合间隙化合物。合金渗碳体：Fe3C中的铁原子可以被其他金属原子(如Cr、Mn、Mo、W)所置换，形成的以间隙化合物为基的固溶体。测定相图临界点的方法：热分析法、金相法、膨胀法、磁性法、电阻法、X射线衍射分析法。匀晶转变：合金结晶时都是从液相结晶出单相固溶体的结晶过程叫做匀晶转变。成分起伏：从微观角度看，由于原子运动的结果在任一瞬间，液相中总会有某些微小体积可能偏离液相的平均成分，这些微小体积的成分、大小、和位置都在不断变化叫做成分起伏。固溶体结晶和纯金属结晶的不同点：1、固溶体结晶时除需要相起伏和能量起伏外还需要成份起伏。2、异分结晶3、固溶体合金的结晶是在一定的温度范围内进行的。成分过冷：在固液界面前方一定范围内的液相，其实际温度低于其平衡结晶温度，在界面前方出现了一个过冷区域，平衡结晶温度与实际温度之差即为过冷度，这个过冷度是由于液相中的成分变化而引起的，故称为成分过冷。出现成分过冷的极限条件是：实际温度梯度与界面处的平衡结晶温度曲线恰好相切。正常价化合物：具有严格的化合比，可用化学式，成份固定不变。电子化合物C=21/14形成具有体心立方结构的β相C=21/13形成具有复杂立方晶格的γ相C=21/12形成具有密排六方的ε相间隙相和间隙化合物间隙相：rx/rm0.59时形成的具有简单结构的化合物，具有极高的熔点和硬度，具有金属光泽是硬质合金的重要组成相。间隙化合物：rx/rm0.59时形成的具有复杂晶体结构的化合物。渗碳体属此类，硬度比间隙相低些，是碳钢及合金钢中的重要组成相。第5页共16页共晶转变：在一定温度下，有一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的转变过程。脱溶：也叫做二次结晶，过饱和的固溶体中析出另一个晶体结构与母相不同的新相的过程。二次结晶析出的相叫做次生相或二次相，二次相优先从晶界析出，其次从晶粒内缺陷部位析出。共析转变：一定成分的固相，在一定温度下分解为另外两个一定成分固相的转变过程。伪共晶：在不平衡结晶条件下，非共晶成分的合金得到的共晶组织。离异共晶：当先共晶相数量较多而共晶相数量很少时，共晶相中与先共晶相相同的那一相会依附于先共晶相上生长，剩下的另一相则单独存在于晶界处，使共晶组织的特征消失。这种两相分离的共晶称为离异共晶。枝晶偏析：固溶体晶体通常呈树枝状，由于不平衡结晶使枝干和枝间的化学成分不均匀的现象影响晶内偏析的因素：1、分配系数K02、溶质原子的扩散能力3、冷却速度。消除晶内偏析的方法：采用扩散退火或均匀化退火的方法（即将铸件加热至低于固相线100-200℃，进行较长时间保温）区域偏析：分为正偏析、反偏析和比重偏析。比重偏析的影响因素：1、合金组元的密度差2、相图结晶的成分间隔和温度间隔。防止办法：1、增大冷却速度2、加入第三种元素3、热对流和搅拌反偏析形成的原因：原来铸件中心富集溶质元素的液体，由于铸件凝固时产生收缩在树枝晶之间产生空隙（为负压），加上温度的降低，使液体中的气体析出，形成压强，把铸件中心溶质浓度较高的液体沿着柱状晶之间的空隙压至铸件的外层，形成反偏析。共晶L——α+β共析γ——α+