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第二章金属学基础2.1晶体结构2.2晶体缺陷2.3相、组织、相变2.4合金相图2.5金属的塑性变形2.6钢的热处理2.7材料的常见缺陷2.1晶体结构自然界存在的固态物质可分为晶体和非晶体两大类。在晶体中，组成晶体的原子、离子、分子等质点是呈规则排列的。而在非晶体中，这些质点是无规则的堆积在一起的。在反应堆中使用的金属和非金属大多是晶体。为了研究晶体中物质质点排列的规律性，将实际存在的原子、离子或原子集团等物质质点，抽象为纯粹的几何点而完全忽略它们的物质性。这样抽象出的几何点称为阵点。阵点在空间周期性的规则排列就称为空间点阵。晶体是规则排列的2.1.1空间点阵的主要特征每个阵点在空间都具有完全相同的环境，如果把连接任意两个阵点矢量的始端放到第三个结点上，则此矢量的终点必定落在第四个结点上。晶胞---在空间点阵中我们可以选择一个小的平行六面体作基本单元，称为晶胞。整个空间点阵可以看作是由很多大小和形状完全相同的晶胞紧密地堆垛在一起而形成的。空间点阵选择晶胞应满足下列条件：1）晶胞的几何形状应与宏观晶体具有同样的对称性。2）平行六面体内相等的棱和角的数目应最多。3）当平行六面体的棱间存在直角时，直角数目应最多。4）在满足上述条件的前提下，晶胞应具有最小的体积。晶胞的表示方法晶胞的棱边分别用单位矢量a、b、c来表示；棱边之间的夹角分别用α（c、b间），β（a、c间），γ（a、b间）来表示。参数a、b、c称为点阵常数；而a、b、c、α、β、γ称为晶胞的六个参数。根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于7种类型(晶系)。按照每个阵点的周围环境相同的要求，能够反映空间点阵全部特征的单位平面六面体只有14种，称空间点阵(布拉菲点阵)。表示晶胞的六个参数2.1.2七大晶系：（参见图2.1）a.三斜晶系：a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°b.单斜晶系：a≠b≠c，α=γ=90°≠βc.六角晶系（六方）：a=b≠c，α=β=90°，γ=120°d.三角晶系（菱方）：a=b=c，α=β=γ≠90°e.正交晶系：a≠b≠c，α=β=γ=90°f.四方晶系：a=b≠c，α=β=γ=90°g.立方晶系：a=b=c，α=β=γ=90°图2.1各晶系的单位晶胞a.三斜晶系：a≠b≠c，α≠β≠γ≠90°b.单斜晶系：a≠b≠c，α=γ=90°≠βc.六角晶系（六方）：a=b≠c，α=β=90°，γ=120°d.三角晶系（菱方）：a=b=c，α=β=γ≠90°e.正交晶系：a≠b≠c，α=β=γ=90°f.四方晶系：a=b≠c，α=β=γ=90°g.立方晶系：a=b=c，α=β=γ=902.1.3晶面指数和晶向指数晶面指数是根据晶面与单位晶胞的三个座标轴相交的截距大小的倒数来确定的。确定晶面指数可按下列步骤进行：1）用轴长单位量出该面在三个晶轴的截距。2）取得数值的倒数。3）求出三个倒数的比值，使其成简单倒数比。4）再把所得到的三个整数放入小括弧中，（hkl）。晶面指数并非只代表一个晶面的方位，而是代晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶面族，以{hkl}表示。晶向指数：表示空间点阵中由原子组成的某一平行直线族中任一直线的方位。可以从这一族中选定通过原点的直线来表示。用该直线上离原点最近的原子坐标表示该直线的方位，即得到晶向指数。晶向指数常用字母uvw表示，并用方括号括起来，[uvw]。在立方晶系中，点阵中的晶向指数与相同的晶面指数的晶面相垂直。如：（111）晶面族，其晶向指数是[111]相同指数的晶面与晶向互相垂直立方晶系的一些重要晶面立方晶系的一些重要晶向六方晶系的一些重要晶面六方晶系的一些重要晶向2.1.4典型晶体结构典型的金属晶体结构FCC，BCC，HCP陶瓷（离子化合物）的典型晶体结构AB（NaCl），AB2（CaF2）典型晶胞-1（FCC）图2-2面心立方点阵典型晶胞-2（BCC）图2-3体心立方点阵典型晶胞-3（HCP）图2-4密排六方点阵面心立方体心立方密排六方晶胞原子数8ⅹ1/8+1=2晶格常数aaa,c晶胞中最小原子间距aa密排方向[110][111][110]致密度0.740.680.74配位数12812Ag，Cu，Al，AuCr，Fe，WMg，Zr，Be1186482111223662223222.1.5四面体间隙与八面体间隙在晶胞结构中，存在间隙。若在晶胞间隙中放入刚性球，能放入球的最大半径为间隙半径。面心立方的四面体间隙有8个，间隙半径为：0.225r，八面体间隙有4个，间隙半径为：0.414r，（见图2-7）；体心立方的四面体间隙有12个，间隙半径为：0.291r，八面体间隙有6个，间隙半径为：0.154r（见图2-8）；密排六方的四面体间隙有12个，间隙半径为：0.225r，八面体间隙有6个，间隙半径为：0.414r（见图2-9）。FCC结构间隙BCC结构的间隙HCP结构间隙2.2晶体缺陷实际金属的晶体结构是有缺陷的。缺陷形成的原因很多，金属在凝固、冷加工、热加工、形变、辐照、再结晶、同素异构转变中等都可以使原子排列的规律性在局部区域遭到破坏，产生晶体缺陷。2.2.1点缺陷空位－当原子受到热震动、辐照、形变等，阵点原子获得能量离开平衡位置而产生一种点缺陷。间隙原子－若该离位原子迁移到晶格间的空隙处，并停留在那儿，成为一个间隙原子，那麽就成为了另一种点缺陷。若该离位原子迁移到金属表面，则称该缺陷为肖脱基（Schottky）缺陷。若该原子留在间隙中，形成空位-间隙对，则称该缺陷为弗兰克尔（Frankle）缺陷。在空位和间隙原子周围，由于原子间的平衡遭到破坏，引起晶格畸变，产生应力场，使位错运动阻力增加，从而使强度提高。晶体缺陷（点缺陷）a）肖脱基缺陷b）弗兰克尔缺陷图2-12点缺陷异类原子形成的点缺陷2.2.2线缺陷线缺陷：是在晶体的某一平面上，沿着某一方向向外延伸开的一种缺陷。这种缺陷在一个方向上的尺寸很大，而另两个方向的尺寸很短。这类缺陷的具体形式是各种类型的位错。位错的基本类型有两种：刃型位错：刃型位错有一个额外的半原子面。为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，所以刃型位错是线缺陷。：螺型位错：晶体上下两部的原子排面，在某些区域，上下吻合的次序发生错动，这样就造成了一个上下原子排面不相吻合的地带，此过渡地带即为螺型位错。螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。晶体缺陷（线缺陷）a）刃型位错b）螺型位错图2-14位错2.2.3面缺陷面缺陷是两个方向的尺寸很大，而第三个方向的尺寸很小的缺陷。如晶界、相界、孪晶界、堆垛层错都是面缺陷。晶体缺陷（面缺陷）a）晶界b）层错图2-15面缺陷孪晶界2.3相、组织、相变相：金属或合金中具有同一成分，同一状态的均一组成，并有界面与其它部分分开的均匀组成部分称为相。如液相和固相。固相中又有固溶体相和化合物相等。与固溶体结构相同的组元称为溶剂，一般在合金中含量较多；另一组元就称为溶质。如铁碳合金中的铁素体是碳溶于铁的体心立方中所形成的，而奥氏体是碳溶于铁的面心立方中所形成的，铁素体和奥氏体都是固溶体。组织：材料经过磨、抛、侵蚀后，在金相显微镜下可以看到的金属内部的微观形貌，称为显微组织，简称为组织。组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成。组织可以由单相组成，如纯铁的室温平衡组织，是单相铁素体。而碳质量分数为0.77%的铁碳合金（共析钢）的室温平衡组织是珠光体，它是由粗片状的铁素体相和细片状的渗碳体相相间组成的有机混合物，是组织。相变：由于温度，成分或压力的变化而导致金属或合金发生相的分解，合成或晶体结构的转变过程称为相变。由一相转变为另一相时，其化学成分，内部结构都发生突然的变化。例如，铁在不同的温度可出现三种相，即：α-Fe、γ-Fe和液态铁。又如在常温时的铁碳合金系，常有α-Fe的固溶体及化合物Fe3C两种相所组成。2.4二元合金相图1）合金：熔合两种或两种以上的金属或金属与非金属所得到的复合体称为合金。2）组元：构成合金的最基本的化学个体称为组元。二元合金相图简介合金相图是用图解的方法表示合金系中合金的状态、温度和成分之间的关系。二元相图是指系统组元为二的，以温度和成分为坐标来表示合金状态的图。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度有哪些相，以及温度变化时可能发生什么变化。在生产实践中，合金相图可以作为制定合金熔炼、锻造、热处理工艺的重要依据。相图：二元相图是考虑体系在成分和温度两个变量下的热力学平衡状态。二元相图的横坐标表示成分，纵坐标表示温度。如果体系由A，B两组元组成，横坐标一端为组元A，而另一端表示组元B，那么体系中任意两组元不同配比的成分均可在横坐标上找到相应的点。匀晶相图二元共晶相图包晶反应相图共析反应相图合金的性能与相图的关系固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关，溶质溶入量越大，晶格畸变越大，合金的强度、硬度就越高。相图中液相线与固相线之间距离越小，液态合金结晶的温度范围越窄，对浇铸和铸造质量越有利。合金的液相线与固相线之间的温度范围越大，形成枝晶偏析的倾向就越大，液体的流动性差，因为先结晶出的树枝晶会阻碍未结晶液体的流动，增加分散缩孔。因此铸造合金常选共晶或接近共晶成分。单相合金的锻造性能好，合金为单相组织时变形抗力小、变形均匀、不易开裂。双相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有较多化合物相时更甚，因为化合物相都很脆。2.5金属及合金的塑性变形单晶体的塑性变形1．滑移单晶体的滑移是晶体在切应力作用下，当外力超过金属的弹性极限时，晶体的一部分沿一定的晶面（滑移面）上的一定的方向（滑移方向）相对于另一部分发生相对位移，这种现相称为滑移（参见图2-21）。滑移是通过位错运动进行的。位错运动造成的滑移滑移系当外力超过金属的弹性极限时，晶体沿某一特定晶面的相对位移称为滑移。滑移一般发生在原子排列最紧密的晶面上并沿原子排列最紧密的方向（滑移方向）进行。滑移系越多材料的塑性越好。FCC结构滑移系滑移面{111}滑移方向‹110›滑移系4χ3=12BCC结构滑移系滑移面{110}滑移方向‹111›滑移系6χ2=12HCP结构滑移系滑移面（底面）滑移方向（底面对角线）滑移系1χ3=3孪生在切应力作用下晶体的一部分相对于另一部分沿一定晶面（孪生面）和晶向（孪生方向）发生切变的变形过程称为孪生。发生切变、位向改变的这一部分晶体成为孪晶。孪晶与未变形部分晶体原子分布形成对称。孪生所需的临界切应力比滑移的大得多，孪生只在滑移很难进行的情况下发生。滑移系较少的密排六方晶格金属，如锆、镁、锌、镉比较容易发生孪生，孪生发生时，孪晶中每层原子沿孪生方向的位移是原子间距的分数倍孪生多晶体的塑性变形在多晶体中由于各晶粒的位向不同，存在很多晶界，晶界上原子排列不规则，阻碍位错运动，使变形抗力增大。因此晶粒越细，变形抗力越大，金属的强度也越大。多晶体变形时，晶粒分批逐步地变形。晶粒越细，金属变形越分散，金属的塑性就越高。金属塑性变形到很大程度（70%以上）时，晶粒发生转动，使各晶粒的位向趋于一致，形成择优取向，这种有序化的结构叫织构。2.5.3材料的热加工与冷加工金属塑性变形的加工方法是冷加工还是热加工不是以是否加热来分，而是以发生变形时的温度处于再结晶温度以下还是以上来分。热加工对组织性能的影响：热加工能消除铸态金属中的气孔、疏松、微裂纹，提高金属致密度，消除枝晶间偏析，改善夹杂物、第二相分布等，因此可以明显提高机械性能，尤其提高材料的韧性。冷加工对组织性能的影响金属在再结晶温度以下进行的塑性变形加工称为冷加工。经过冷加工，金属材料的强度、硬度增加，塑性、韧性下降。因此冷加工也是一种重要的强化手段。冷加工后金属中