第三章+金属材料

第三章金属材料引言化学元素中，80％为金属元素，占有非常重要的地位传统的金属材料：铁、铝、铜、铅、锌等新型金属材料：钛、铟、钒、钴、钽、锆等——电子技术、原子能、宇航科技等领域金属材料的功能：非晶态、形状记忆、高塑性、耐高温、超导、半导、强磁性、高储氢能力等研究金属晶体中化学键的本质和金属晶体的性质是当前材料研究的重大课题重点1.金属键-能带理论2.金属单质结构-密堆积,A1,A2,A3型结构3.合金-定义,结构及性能了解1.金属性质2.金属材料-铝合金,钢铁,金属玻璃,形状记忆合金难点金属单质结构:密堆积,A1,A2,A3金属材料的特性与金属键金属特性1、不透明，有光泽2、良导体（电、热）3、延展性（拉伸为丝，碾成薄片）金属键金属晶体中原子高配位、密堆积排列，没有方向性和饱和性非共价键非离子键金属单质原子间电负性相同，合金电负性相近，难以形成离子键非分子间力和氢键原子结合力强金属键参加共用的原子多——所有原子电子离域范围大——三维空间自由运动能量下降，形成强键原子化热——金属键的强弱1mol金属由固态变为气态所需的能量特殊的离域共价键金属键金属键理论自由电子理论能带理论自由电子理论电子气电子在金属中自由运动，受到均匀恒定的势场作用，类似于理想气体，价电子无相互作用电子在金属中的自由运动——金属的热、电传导性自由电子吸收多种波长的光，发生跃迁，并马上释放——金属具有不透明，金属光泽性自由电子的胶合作用——延展性，可塑性能带理论自由电子理论存在的问题：电子所处势场实际是不均匀的——电子与带正电的离子相互吸引，电子与离子距离不同，所受势能大小不同非完全自由电子模型（1）电子所处势场是非均匀的，是有一定周期性的，电子在一个周期性变化的势场中运动。电子除做直线运动外，还要在正电荷附近做轻微的振动运动的电子相当于一个德布罗意平面波，电子波在金属晶体中运动受布拉格方程（nλ＝2dsinθ）限制。当满足布拉格方程时，电子波将被晶面反射，不能通过晶格，使得原有的能级发生断裂，产生各种能带。空带导带满带易吸收光发生跃迁——金属光泽，电场作用下容易产生电子流——导电E金属的能带——良导体禁带导体半导体绝缘体≥5eV导体、半导体、绝缘体的能带导带禁带≤3eV分子轨道理论金属形成多原子离域键时，N个原子轨道线性组合而成N个分子轨道，可以容纳2N个电子多原子轨道线性组合Na1S22S22P63S1导带3s2p2s1s3s2p2s1sMg1S22S22P63S23p金属单质结构金属单质结构的近似模型—等径圆球密堆积金属单质由金属原子按周期组成，金属原子可以看作是半径相等的圆球组成，并且这些圆球的排列是密堆积的密置列沿直线方向伸展的等径圆球密堆积的一种排列方式直线点阵密置层沿二维空间伸展的等径圆球密堆积的唯一的一种排列方式六方点阵密置双层由两个密置层组成的最密堆积称为密置双层为保持最紧密堆积，第二层球的投影位置应落在第一层中三个球所围成的空隙中心上，即上下两个层接触并平行的错开六方点阵密置双层A层B层两种间隙三个A层原子与1个B层原子，组成正四面体间隙四面体间隙三个A层原子与3个B层原子，组成正八面体间隙八面体间隙密堆积的三种典型型式A1型：立方最紧密堆积A3型：六方最紧密堆积A2型：体心立方密堆积立方最紧密堆积A1型密堆积面心立方FCC点阵形式晶胞内原子数8×1/8+6×1/2=4密置层（111）面晶胞配位数N原子周围最近邻的原子12四面体间隙数8八面体间隙数41+12×1/4=4密置层重复方式从（111）方向看ABCABCA密置方式：ABCABC空间占有率晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比晶胞体积V=a3原子体积334rV原子半径aa2ra4242ar原子数目4空间占有率晶胞原子VV晶胞原子VV336422344aa62=74.05%六方最紧密堆积A3型密堆积简单六方点阵形式晶胞内原子数12×1/6+2×1/2+3=6密置层（001）面晶胞晶体结构密排六方HCP配位数N原子周围最近邻的原子12四面体间隙数122+6×2×1/3+2×3=12八面体间隙数62×3=6密置层重复方式密置方式：ABABABA空间占有率空间占有率晶胞原子VV=74.05%aac体心立方密堆积A2型密堆积点阵形式晶胞内原子数8×1/8+1=2晶胞体心立方配位数N原子周围最近邻的原子8四面体间隙数124×1/2×6=12八面体间隙数66×1/2+12×1/4=6空间占有率晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比晶胞体积V=a3原子体积334rV原子半径ra4343ar原子数目2空间占有率晶胞原子VV晶胞原子VV336433342aa83=68.02%aa2a3金属元素中，A1,A2,A3结构的有58种金属元素中，A1,A2,A3结构的有58种a.s,p层电子数较少，易为A2型密排－Na，3s1——A2b.s,p层电子数较多，易为A1型密排：Al，3s13p2——A1c.s,p层电子数居中，易为A3型密排，Mg，3s2——A3Backbackbackbackbackbackbackback合金结构合金两种或两种以上的金属（或金属与某些非金属）经熔合后形成的宏观均匀体系定义分类金属固溶体金属化合物置换固溶体间隙固溶体正常价化合物（组成确定）电子价化合物（组分可变）金属固溶体置换固溶体特点1、结构保持其中一种元素单质的形式，其中一部分原子被另一组分的原子统计的取代CuAuCuAu+=AuCu统计的取代没有确定的位置，按照配比占据如AuCu，每个位置Au与Cu各有1/2可能占据统计的取代没有确定的位置，按照配比占据每个位置Au与Cu各有1/2可能占据，Au1/2Cu1/2如果为Cu3Au每个位置为Au1/4Cu3/42、相似者相熔原则单质结构形式相同原子半径接近（15%）价电子结构、电负性等相似例Ag-Au晶体结构均为A1原子半径：Ag144.5pm，Au144.2pm价电子结构：4d105S1，5d106S1Ag-Au可以形成完全互熔体系即Ag和Au可以以任何比例互熔2、无序结构与有序结构AuCu无序结构原子没有特定的位置，为统计分布有序结构原子在晶胞中有特定的位置制备方法快速淬火得到无序结构缓慢退火得到有序结构面心立方简单四方间隙固溶体特点1、原子半径较小的非金属原子（H,B,N,C等）统计的渗入过度金属的间隙中钢铁C元素在金属Fe中的间隙固溶体C含量0.02%——纯铁2.0生铁0.02-0.2%钢，0.25低碳钢，0.25-0.6%中碳钢0.6-2.0%高碳钢金属N，C化合物AlN:Al原子六方密堆积，N原子在四面体间隙TiN,TiC,ZrC:金属面心立方，N原子在八面体间隙特性具有与金属相仿的导电性，具有金属光泽硬度大，熔点高（金属-非金属间生成部分共价键金属化合物各组分原子分别占据不同的结构位置结构形式一般不同于纯组分金属的结构2×1/2+12×1/6=312×1/2+6+6×1/2=15正常价化合物（组成确定）AmBn不丧失均匀性的前提下，组分没有改变的余地CaCu5六方晶胞，有a，b两层交替堆积而成,即ABAB排列a层CaCub层原子数Ca：Cu=1：5主要材料LaNi5,LaCo5,CeCo5等主要用途储氢材料：与氢结合，使氢气以固体的形式运输和储存，安全性能大大提升电子化合物（组成确定）AmBn组分可以在一定范围内变化而化合物均匀性不变化合物结构决定于均摊到每个原子上的价电子数合金材料结构与性能单相合金工业上应用的单相合金都是单相固溶体，其性能决定于溶剂金属的性质和溶质元素的种类、数量和溶入方式对于一定的溶剂和溶质，溶入的溶质越多，溶剂晶格畸变越大，固溶体强度、硬度和电阻越高。单相固溶体合金还具有较高的塑性、韧性和耐蚀性多相合金最常见的多相合金相结构是以一种固溶体为基体，其上分布着第二相几个相的固溶体，性能决定于相组成相、相对数量及相的形状、大小和分布情况第二相硬而脆的化合物或以化合物为溶剂的固溶体，在基体中起阻碍基体运动的作用基体多相固溶体，具有较好的塑性形变能力第二相在基体中的分布情况不同，影响整个合金的性能1、网状第二相分布于晶界网状第二相为危害相导致合金塑性、韧性下降，强度降低，并且加热时易断裂（热脆性），生产时要避免出现2、片状第二相以片状形式分布于基体的晶粒内塑性比1好，强度、硬度升高，层片越细，强度、硬度越大2、颗粒第二相以颗粒形式分布于基体的晶粒内塑性极好,优于比1,2强度硬度比2低钢的球化退火:通过退火,使钢中的渗碳体球化,降低硬度,便于加工例2、弥散第二相以质点的形式均匀分布于基体的晶粒内塑性好强度,硬度大大增加工业上应用广泛——弥散强化,高强钢等金属材料轻质金属材料基体Al，Mg，Ti等轻金属合金铝合金航空航天,交通运输,轻工业等镁合金汽车,通信,电子,航空航天,等钛合金航天航空,石油化工,生物医学等铝合金仅次于钢铁的第二大金属材料超硬超强铝合金Al-Mg,Al-Cu等合金强化机制Al与Mg或Cu只能形成有限固溶体,超过固溶极限后,过量的Mg或Cu与Al生成CuAl2,形成第二相特点强度接近于钢,但密度比钢小很多用途飞机螺旋桨,结构件,铆钉和飞机蒙皮等Fe,Si为有害元素,生产的时候要严格控制其含量铸造铝合金为降低生产成本,通过改善制造高硬铝合金的工艺条件而得到的铝合金,一般通过变形法得到快速凝固粉末冶金新方法高性能Al-Zn-Mg-CuAl-Fe,Al-Cr,Al-Ti高强耐蚀耐热Al-Li-Cu-Mg-Zr低密度高模喷射沉积Al-LiAl-SiAl-SiC镁合金发展还不充分,产量为铝合金的1%限制镁合金的因素镁活泼,制备过程容易燃烧,生产难度大生产技术不完善耐蚀性能差高温性能差-耐热性差常温力学性能差用途发动机机匣,飞机刹车轮毂,仪表,仪器照相机,望远镜等的壳体镁合金主要研究领域耐热镁合金Mg-RE,Mg-Si德国:Mg-Al-Si美国:Mg-8Zn-5Al-0.6Ca加拿大:Mg-5Al-0.8Ga日本:Mg-2Y-1Zn,高强,高塑,高耐热和耐蚀耐蚀镁合金提高纯度:严格控制Fe,Cu,Ni含量表面处理:化学.阳极氧化,有机物涂覆,电镀,化学镀,热喷涂等阻燃镁合金溶剂和气氛保护法:环境污染,性能降低Mg-Ca合金:机械性能降低其它高强高韧镁合金变形镁合金通过大变形加工来提高性能镁合金加工技术变形铸造其它钛合金20世纪50年代发展的新型合金1954年Ti-6Al-4V:耐热,高强,高塑,耐蚀,可焊接,生物相容性,75%-85%20世纪60年代航空发动机用高温钛合金及结构钛合金20世纪70年代耐蚀钛合金,形状记忆合金:Ti-Ni20世纪80年代耐蚀,高强耐热50年代:400℃,90年代:650℃用途飞行器蒙皮,导流叶轮,压气机机匣叶片,叶轮,超音速飞机结构等主要研究方向快速凝固,纤维,颗粒增强等方法高温钛合金化合物基钛合金以Ti3Al,TiAl为基体高温性能好,抗氧化性强,抗蠕变,质量轻高温高韧钛合金易锻,可轧,可焊机械性,环境抗力,强度,韧性好抗氧化,冷热加工性能好阻燃钛合金医用钛合金无毒,轻质,生物相容钢铁材料的结构与性能钢铁以铁和碳为基本元素的合金体系的总称,是最大的合金材料铁熔点:1535℃沸点:3000℃结构α相:A2型密排β相:A2型密排γ相:A1型密排δ相:A2型密排钢的主要物相奥氏体C在γ-Fe中的间隙固溶体,723℃时溶入0.8%的碳铁素体C在α-Fe中的间隙固溶体,由于α-Fe晶胞较小,仅能溶入0.02%的碳,性能与纯铁相似渗碳体Fe与C形成的3:1化合物,Fe3C,属于正交晶系,在钢铁中起到第二相的作用马氏体C在α-Fe中形成的过饱和间隙固溶体,C的含量为1.6%,性能与铁素体不同,很脆很硬,结构为四方钢铁的性能依赖于钢铁的化学成分和内部结构化学成分碳含量越高,硬度越高,如果含渗碳体和马氏体物相比例高,则硬而脆内部结构不同物相具有不同晶体结构,决定了钢铁的性能非晶态金属材料非结晶状态的金属材料——金属玻璃金属玻璃1959年，Duwez将Au-Si合金熔融后