金屬材料及熱處理第一篇金屬材料的結(jié)構(gòu)與缺陷第一章

材料的結(jié)構(gòu)2本章提要結(jié)合鍵與材料的性質(zhì)晶體學(xué)的基本概念純金屬的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)第一章

材料的結(jié)構(gòu)

第一節(jié)

材料的結(jié)合方式3化學(xué)鍵化學(xué)鍵——組成物質(zhì)的質(zhì)點的相互作用力。共價鍵共用電子對有飽和性與方向性。共價晶體高熔點，高強(qiáng)度，較好絕緣性。2.

離子鍵4得失電子形成沒有方向性和飽和性離子晶體高熔點，高硬度，導(dǎo)電（熔融）3.

金屬鍵5原子共用自由電子形成無飽和性和方向性。金屬晶體原子排列密度高，能變形，導(dǎo)電，導(dǎo)熱。金屬原子結(jié)構(gòu)的特點6外層電子少，易失去。有自由電子。金屬離子與自由電子形成鍵。金屬鍵無方向性有良好的塑性有固溶能力4.

范德瓦爾鍵7分子間靜電引力形成，分子鍵聚合物鏈間沒有方向性和飽和性分子晶體如冰、干冰等熔點低，硬度小1.1.2

工程材料的鍵性8第二節(jié)晶體學(xué)基礎(chǔ)9晶體與非晶體晶體：物質(zhì)的質(zhì)點在三維空間作有規(guī)律的周期性重復(fù)排列所形成的物質(zhì)?！L程有序晶體的特性：各向異性、固定的熔點、產(chǎn)生電子衍射等。有序與無序10Al

原子的微觀排列11單晶體的各向異性121.2.2

空間點陣13點陣、陣點與晶格空間點陣：將理想晶體抽象為無數(shù)相同的質(zhì)點（原子等的中心），其在空間的排列稱為空間點陣，簡稱點陣。陣點：點陣中的單個質(zhì)點。晶格：將陣點用一系列平行的直線連接起來構(gòu)成的空間格架。2.晶胞14晶胞：構(gòu)成點陣的最基本單元。晶胞選擇的依據(jù)：——反映點陣的規(guī)律反映點陣對稱性。平衡六面體內(nèi)各角與棱盡量相等。棱之間盡量為直角。晶胞體積最小。晶胞的選擇晶胞參數(shù)153.

晶胞參數(shù)：16晶格常數(shù)晶軸間角ａ、ｂ、ｃα、β、γ4.

七個晶系與十四種Bravis點陣171.2.3

晶向指數(shù)與晶面指數(shù)18基本概念晶面：晶體中由一系列原子組成的平面。晶向：任意兩個原子之間連線所指的方向。晶向指數(shù)與晶面指數(shù)：標(biāo)明晶面與晶向空間方位排列的統(tǒng)一方法。1.晶向指數(shù)19晶格中的點20三步法確定晶向指數(shù)［ｕｖｗ］建坐標(biāo)，確定點“末”-“始”，數(shù)字定化整，加[

]21正交系常用晶向指數(shù)2223晶向族平行且同向的晶向指數(shù)相同。方向相反晶向的指數(shù)為相反數(shù)。用＜ｕｖｗ＞代表所有原子排列相同但空間位向不同的晶向，稱晶向族。2.晶面指數(shù)24三步法確定晶面指數(shù)（hkl）取坐標(biāo)求截距求倒數(shù)、化整立方系常用晶面指數(shù)25晶面族平行晶面的指數(shù)相同指數(shù)互為相反數(shù)時，晶面法線反向用｛hkl｝代表空間位向不同，但原子排列

情況完全相同的晶面，稱為晶面族。263.六方晶系的晶面指數(shù)與晶向指數(shù)——四軸坐標(biāo)27晶面指數(shù)同于立方系方法晶向指數(shù)轉(zhuǎn)換法u=1/3（2U-V）v=1/3（2V-U）t= -(u+v）w=W六方晶系指數(shù)轉(zhuǎn)換關(guān)系28晶面指數(shù)三軸

a1,a2,c

(hkl)四軸

a1,a2,a3,c

(hkil)且i=-(h+k)晶向指數(shù)三軸

a1,a2,c

(UVW)U=u-t

V=v-t

W=w四軸a1,a2,a3,c

(uvtw)且t=-(u+v)u=(2U-V)/3

v=(2V-U)/3

t=-(u+v)

w=W六方系常用晶面與晶向29304.晶帶與晶帶定理晶帶：由與某一晶向直線平行及所有相

交于該晶向直線的所有晶面構(gòu)成的集合。該直線稱為該晶體帶軸。晶帶定理：在立方晶系中，若晶面（hkl）的晶帶軸是[uvw]，則必有hu+kv+lw=0反之亦然。31晶帶定理的應(yīng)用：根據(jù)兩不平行晶面的指數(shù)（h1

k1

l1），32（h2

k2

l2）可以求出它們所在晶帶的晶帶軸[uvw]。u=k1l2

-

k2l1v=l1h2

-

l2h1w=h1k2

-

h2k15.晶面間距133(3hklhklhklhklabca2cd

=)2

+(a)2

+(

)2d

=h2

+

k

2

+

l

21d

=4(h2

+

hk

+

k

2

)

l+

(

)2正交系立方系六方系第三節(jié)

材料的晶體結(jié)構(gòu)典型金屬的晶體結(jié)構(gòu)體心立方、面心立方、密排六方結(jié)構(gòu)B.C.C.

F.C.C.

H.C.P.34B.C.C.35F.C.C.H.C.P.晶胞中的原子數(shù)原子半徑配位數(shù)致密度原子堆垛方式晶體結(jié)構(gòu)中的間隙361.晶胞中的原子數(shù)372.原子半徑383.配位數(shù)配位數(shù)：一個原子周圍最近鄰并且等距離的原子的個數(shù)。39FCC40CPH4.致密度——晶胞中原子所占的體積體心立方面心立方密排六方415.原子堆垛體心立方的原子堆垛——密排面{110}42面心立方晶胞中的密堆積面43密排六方與面心立方的原子堆垛密排面原子排列特點——密排面{111}，（0001）原子形成密集堆積的堆積位置可以是A,B或者C44面心立方與密排六方堆垛的差異456.晶體結(jié)構(gòu)中的間隙體心立方結(jié)構(gòu)的間隙46面心立方結(jié)構(gòu)的間隙47密排六方結(jié)構(gòu)的間隙487.多晶型性49多晶型性及多晶型轉(zhuǎn)變：一種材料具有幾種不同晶體結(jié)構(gòu)的性質(zhì)稱多晶型性。當(dāng)改變溫度或壓力時，晶體從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)，稱多晶型轉(zhuǎn)變。意義：熱處理的工藝基礎(chǔ)——通過改變結(jié)構(gòu)而改變性能多晶型轉(zhuǎn)變的體積變化純鐵的多晶型轉(zhuǎn)變及體積變化501.3.2

共價晶體的晶體結(jié)構(gòu)特點：配位數(shù)低（8-N），致密度低51521.3.3

離子晶體的晶體結(jié)構(gòu)53特點：配位數(shù)主要由離子的半徑比決定。簡單離子晶體的結(jié)構(gòu)541.3.4

合金的相結(jié)構(gòu)55基本概念合金：由兩種或兩種以上金屬元素，或金屬與非金屬元素，經(jīng)過熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成，具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金的最基本的獨立物質(zhì)，單質(zhì)或化合物。相：聚集狀態(tài)相同的，結(jié)構(gòu)和性質(zhì)一致，并以界面相互隔開的均勻的組成部分。合金中的相的顯微鏡形貌單相合金與兩相合金561.固溶體57概念：B組元的原子完全溶入固相的A組元，并保持

A的晶體結(jié)構(gòu)所形成的合金相。A,B分別稱為溶劑組元與溶質(zhì)組元。分類置換固溶體與間隙固溶體有限固溶體與無限固溶體有序固溶體與無序固溶體置換固溶體（a）與間隙固溶體（b）58間隙固溶體H,O,N,C,B等溶入過渡金屬中形成Rb/Ra<0.59晶格膨脹固溶度有限溶劑間隙的形狀與大小影響固溶度59置換固溶體常在過渡金屬組元之間形成也有晶格畸變條件合適時組元濃度可以連續(xù)變化60影響置換固溶體固溶度的因素晶體結(jié)構(gòu)因素相同時易實現(xiàn)無限互溶原子尺寸因素ΔR/Ra<14%-15%，易大量固溶電負(fù)性因素接近時易大量固溶電子濃度因素受極限電子濃度制約，價越高的溶質(zhì)其溶解度越小61電子濃度因素62電子濃度的定義e/a(固溶體價電子數(shù)/原子數(shù))=Va,Vb:溶劑與溶質(zhì)的化合價

X:

溶質(zhì)的原子數(shù)，<100現(xiàn)象：1價以上的金屬原子溶于面心立方Cu（或者Ag,Au）中形成固溶體時，存在一極限電子濃度值。超過此值將有新相形成。核心：固溶體的固溶度受極限電子濃度制約。

Va(100-x)+Vb

x

100固溶體的微觀不均勻性宏觀均勻的固溶體微觀可表現(xiàn)為無序、偏聚及短程有序的分布。63有序固溶體6465固溶體的晶格畸變66固溶體的性能與應(yīng)用固溶強(qiáng)化隨溶質(zhì)濃度提高，強(qiáng)度硬度增大同時塑性韌性下降。作為合金組織的基體相使用可以承力，可以變形。672.中間相——金屬化合物68概念：溶質(zhì)含量超過溶解度極限時出現(xiàn)的具有全新晶體結(jié)構(gòu)的新相。鍵性：主要金屬鍵，兼有離子鍵、共價鍵。種類：正常價化合物、電子化合物、間隙相與間隙化合物正常價化合物符合化合價規(guī)律金屬——IVA,VA,VIA元素間電負(fù)性差越大，離子鍵比例越大，化合物越穩(wěn)定常見的離子晶體型的陶瓷材料高硬度高脆性，可作彌散強(qiáng)化相69常見結(jié)構(gòu)70電子化合物Hume-Rothery定律以貴金屬為主的過渡金屬間形成，成分有一定變化范圍金屬鍵硬度高脆性大有色金屬中的彌散強(qiáng)化相7172間隙相與間隙化合物過渡金屬與H,B,C,N等形成不是固溶體73間隙相Rx/Rm<0.59時形成的結(jié)構(gòu)簡單的金屬化合物成分可表現(xiàn)為一定范圍極高的硬度和熔點硬質(zhì)合金、高速鋼的強(qiáng)化相747576間隙化合物Rx/Rm>0.59，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜過渡金屬的碳化物比間隙相略低的熔點和硬度鋼中彌散強(qiáng)化相7778中間相的性能與應(yīng)用硬度高，熔點高可作