金属材料与热处理课件

第一章金属的晶体结构与结晶•金属的特性和金属键；晶体与非晶体；•金属晶体结构是决定性能的内在基本因素之一；•实际晶体中晶体缺陷普遍存在，对金属的许多性质，尤其是力学性能有着重大的影响；•纯金属结晶过程；•晶粒细化对提高金属材料力学性能的显著作用，凝固时细化晶粒的途径和方法。金属──金属键结合。具有正的电阻温度系数、导电性和导热性、延展性和金属光泽。固体:晶体和非晶体。绝大多数金属与合金都是晶体。晶体：原子在空间呈有规则的周期性重复排列。金属原子间的键合特点金属键共有价电子→电子云→键无方向性和饱和性晶体与非晶体最本质的区别在于：（1）晶体的原子、离子、分子等质点是规则排列，而非晶体中这些质点是无规则堆积在一起的。天然晶体的外形对称性。（2）晶体具有明显、固定的熔点。如铁的熔点为1538℃，铜的熔点为1083℃。（3）晶体有各向异性。金属是晶体，晶体学理论研究金属的内部结构。液体非晶体蜂蜡、玻璃等。一、晶体学简介1晶体结构模型理想晶体中，原子规则排列，原子在空间周期性地重复，每个原子具有相同的环境。假设：原子为固定不动的刚性小球。a原子堆垛模型2、晶格、空间点阵、晶胞将原子、离子等抽象为几何的点。空间点阵：几何点(原子)在空间排列的阵列。晶格：几何点(原子)排列的空间格架。晶胞：晶格中体积最小，对称性最高的平行六面体。是能代表原子排列形式特征的最小几何单元。点阵参数：点阵常数a,b,c；棱间夹角α,β,γ。P晶胞在三维空间的重复排列，构成点阵。c晶格abczxyd晶胞布拉菲在1948年根据“每个阵点环境相同”的要求，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲点阵，分属7个晶系。二、金属晶体典型结构晶系轴(棱边)之间的夹角三斜晶系单斜晶系斜方晶系正方晶系菱方晶系六方晶系立方晶系三种典型晶体结构体心立方面心立方密排六方晶胞中所含原子数晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。配位数是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。致密度是指晶胞中原子所占体积分数，即K=nv′/V。式中，n为晶胞所含原子数、v′为单个原子体积、V为晶胞体积。原子半径原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。体心立方晶格参数Cr、V、Mo、W和α-Fe等30多种§1.2金属晶体典型结构体心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构体心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构BACDEFGHaaaAEFCa2abcc晶体结构特征分析：1、点阵参数a=b=cα=β=γ=90°2、晶胞中原子数=1+8×1/8=23、原子半径r=√3/4a4、8配位数越大，原子排列越紧密。5、致密度=晶胞中所含原子占体积的总和/晶胞体积=n·V原子/V晶胞面心立方晶格参数Al、Cu、Ni和γ-Fe等约20种§1.2金属晶体典型结构面心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构面心立方晶格参数§1.2金属晶体典型结构afcc晶体结构特征：1点阵参数：a=b=cα=β=γ2晶胞原子数：N=3+1=43原子半径r=√2a/44配位数=125致密度=nv/V=(4×3πr3/4)/a3=0.74γ－Fe(912~1394℃)、Cu、Ni、Al、Ag等(三)密排六方结构金属有：Zn、Mg、Be、α-Ti、α-Co等晶体结构特征：1、点阵参数：a1=a2=a3=a，α1=α2=α3=1200平面轴X1、X2、X3和Z轴的夹角=9OOZ轴的单位长度=c，一般用a、c两个量来度量。2、晶胞原子数N=Ni+Nf/2+Nc/6=3+2/2+12/6=63、原子半径：当c/a=1.633时，三层原子紧挨着，此时d=a，r=a/2。4、配位数=125、致密度=0.74ZX1X2X3结构类型晶胞原子数晶格常数原子半径配位数致密度体心立方2a√3a/480.68面心立方4a√2a/4120.74密排六方6a，ca/2120.74金属中常见的三种晶体结构特征小结（P5）四、晶向指数和晶面指数晶向─在晶体点阵中，由阵点组成的任一直线，代表着晶体空间内的一个方向，称为晶向。晶面─在晶体点阵中，由阵点所组成的任一平面，代表着晶体的原子平面，称为晶面。1晶向指数晶向指数─用数字符号定量地表示晶向，这种数字符号称为晶向指数。晶向指数的标定方法：(1)确定坐标系，对立方晶系选用三轴直角坐标系，X、Y、Z轴互相垂直，以晶格常数a、b、c作为三个轴的单位长度。(2)以晶向上的任一原子作为坐标原点，找出该晶向上另一原子的坐标值，并化为最小整数。(或者从座标原点引一条平行于待测晶向的直线)(3)[uvw]晶向族─同一种晶体结构中空间位向不同，但原子排列情况相同的一系列晶向。uvw100：[100]、[010]、[001]、[100]、[010][001]。110：[110]、[101]、[011]、[110]、[101]、[011]2晶面指数─用数字符号定量地表示晶面晶面指数标定方法(1)以晶胞的三条互相垂直的棱边为座标轴X、Y、Z，坐标原点0应位于待定晶面之外。(2)以晶格常数为单位求出待定晶面在各轴上的截距。(3)取各截距的倒数，最小整数化，(hkl)晶面族─晶面指数的数字相同，但排列顺序不同的一系列晶面。原子排列完全相同。用{hkl}表示。如在立方晶系中：{100}晶面族包括(100)、(010)、(001)、(100)、(010)、(001)。{111}晶面族包括(111)、(111)、(111)、(111)、(111)、(111)、(111).(111)晶面及晶向的原子密度不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的。下页的两个表给出了体心立方晶格和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上的原子排列方式和紧密程度。五、晶体的同素异构转变(多晶型性转变)金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象称之为同素异构转变。（温度、压力）如Fe晶体，室温～912℃，体心立方，α-Fe，912℃～1394℃，面心立方，γ-Fe，1394℃～熔点1538℃，体心立方，δ-Fe。Fe,Mn,Ti,Co等少数金属具有同素异构转变。性能随之变化。六、晶体的各向异性不同晶面和晶向上原子密度不同，原子间距离不同，结合力不同－－晶体在不同方向上的力学、物理和化学性能有所差异－－各向异性。α-Fe单晶体，密排方向[111]的弹性模量E=290,000MN/m2，而非密排方向100的E=135,000MN/m2。七、多晶体的伪各向同性如Fe，不同方向上E均为210000MN/m2左右。原因：实际材料为多晶体，各单晶粒分布的方向不同，各向异性相互抵消，而呈现无向性。——伪各向异性。晶粒（单晶体）§2晶体缺陷原子的不规则排列产生晶体缺陷。晶体缺陷在材料组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重要作用。点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原子、异类原子等。线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。主要是位错。面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺陷。如晶界、相界、表面等。理想晶体：是指晶体中原子严格地成，完全规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体。实际晶体：多晶体+晶体缺陷晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域，按其几何尺寸特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。3.1点缺陷一、点缺陷的类型（1）空位：肖脱基空位－离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。弗兰克尔空位－离位原子进入晶体间隙。（2）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。（3）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。二、线缺陷位错：两维尺寸很小，一维尺寸大的原子不规则排列——一列或若干列原子有规律的错排现象。刃型位错：(1)有一额外半原子面；(2)位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道。螺型位错混合位错2位错密度和金属材料强度的关系(1)位错在晶体中存在形态位错网络，密度高时互相缠绕，形成位错缠结。(2)位错密度单位体积包含的位错总长度ρ=L/V退火软化金属中ρ=1010～1012m-2冷变形金属中ρ=1015～1016m-2。300MPa2000MPa13400MPa(3)金属强度和位错的关系金属铁须晶(直径1.6μm)：13400MPa，退火工业纯铁：300MPa，强化处理合金钢：2000MPa。三面缺陷两维尺寸很大,第三向尺寸很小类型：晶体表面、晶界、亚晶界、层错、相界晶界：小角度晶界─相邻晶粒的位向差小于10°的晶界。基本上由位错构成。大角度晶界─相邻晶粒的位向差大于10°的晶界。原子排列比较混乱，结构比较复杂。亚晶界：晶粒内部位向差小于1°的亚结构，也称为亚晶粒，亚晶之间的界面，称为亚晶界。通常由位错构成。亚晶界相界：不同结构的晶粒之间的界面界面结构类型:共格界面,半共格,非共格§3金属的结晶与铸锭本章学习要点：∆形核条件∆结晶过程及结晶的微观机理∆影响铸造中晶粒大小的因素及控制∆结晶后的组织特征液体--固体（晶体或非晶体）--凝固液体--晶体--结晶晶体液体一金属结晶现象1热力学条件热力学——系统转变的方向和限度——转变的可能性热力学第二定律：在等温等压条件下，物质系统总是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。ΔG=G(转变后)－G(转变前)0只有存在ΔT时，才能保证ΔG0，使L→S——存在过冷度ΔT的原因。2.金属结晶的宏观现象1.过冷现象2.结晶潜热(Lm)ΔGv=LmΔT/Tm二结晶的过程结晶的过程：形核与长大1形核：形核方式有两种：均匀形核，即新相晶核在母相内自发地形成；非均匀形核，即新相晶核在母相与外来夹杂的相界面处优先形成。工程实际中材料的凝固主要以非均匀形核方式进行，但均匀形核的基本规律十分重要，它不仅是研究晶体材料凝固问题的理论基础，而且也是研究固态相变的基础。（1）、均匀形核均匀形核（均质形核）是指在均匀单一的母相中形成新相结晶核心的过程。均匀形核的能量和结构条件在过冷的液态金属中，晶胚形成的同时，体系自由能的变化包括转变为固态的那部分体积引起的自由能下降和形成晶胚新表面引起的自由能的增加。假设单位体积自由能的下降为ΔGv(ΔGv0)，比表面能为σ，晶胚假设为球体，其半径为r,则晶胚形成时体系自由能的变化为:ΔG=4πr3ΔGv/3+4πr2σ当rrc时，晶胚的长大使系统自由能增加，晶胚不能长大。当rrc时，晶胚的长大使系统自由能降低，这样的晶胚称为临界晶核，rc为临界晶核半径。可见，过冷度ΔT越大，rc越小，即形核的机率增加。形成临界晶核需要的能量称为临界晶核形核功ΔGc,即上式表明，形成临界晶核时液、固相之间的自由能差只能供给所需要的表面能的三分之二，另外的三分之一则需由液体中的能量起伏来提供。TLTrcmm2σAGcc31=Δ金属形核三个条件：(1).过冷度（ΔT）(2).结构起伏(3).能量起伏瞬时1瞬时2经研究发现在略高于熔点时，液态金属的结构具有以下特点：①是近程有序远程无序结构，见右图；②存在着能量起伏和结构起伏。局部的近程有序（2）、非均匀形核假定固相晶胚α以球冠状形成于基底B的平面上，如图5-9所示,设固相晶核表面的曲率半径为r，晶核与基体面的接触角为θ，球冠底圆半径为R..)4coscos32(3-均非GG在（0，π）之间（2-3cosθ+cos3θ）恒小于1即非均匀形核功很小，在很小的ΔT下即可形核。而且，θ角越小，润湿越好，则越易生核。总之，非均匀形核比均匀生核容易。(3)形核率（N=cm-3s–1）：单位时间单位体积液相中所形成的晶核数目。意义:N越大，结晶后获得的晶粒越细小，材料的强度高，韧性也好。控制因素:N=N1•N2N1─受形核功影响的因子；（ΔT↑N1↑）N2─受扩散控制的因子。（ΔT↑N2↓）实际生产中过冷度均匀形核(自发形核)：核来源于结构起伏过冷度：ΔT=0.2Tm非均匀形核（非自发形核）：核来源于金属溶液中的第