1、金 屬 材 料 基 礎(chǔ) 知 識(shí),中南大學(xué)抗磨材料研究所 湯曉明,鐵碳相圖,C曲線,第1章材料的結(jié)構(gòu)與性能 1.1金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織 晶體與非晶體 a. 晶體：材料的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期性排列。如：金剛石、水晶、氯化鈉、所有的金屬材料等。 b.非晶體：材料的原子（離子、分子）無(wú)規(guī)則堆積，和液體相似，亦稱為 “過(guò)冷液體”或“無(wú)定形體”。松香、石蠟、玻璃等。,1三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu) a.體心立方晶格（B.C.C） 金屬原子分布在立方晶胞的 八個(gè)角上和體的中心。 晶胞原子數(shù)：是指在一個(gè)晶 胞中所含的原子數(shù)目。 原子半徑：是指晶胞中原子 密度最大的方向上相鄰兩原子間 體心立方晶胞

2、BCC （Body-Centered Cube）,平衡距離的一半，或晶胞中相距最近的兩個(gè)原子間距的一半。 配位數(shù)：是指晶格中與任一原子最鄰近且等距離的原子數(shù)目。體心立方晶格的配位數(shù)為8。 致密度：是指晶胞中原子本身所占有的體積百分?jǐn)?shù)，也稱密排系數(shù)。致密度=晶胞中原子所占有的體積/晶胞的體積100% 致密度=,b.面心立方晶格(F.C.C) 金屬原子分布在立方晶胞的八個(gè)角上和六個(gè)面的中心。 晶胞原子數(shù)： 原 子 半 徑： 配 位 數(shù)：12； 致 密 度： 面心立方晶胞FCC （Face-Centered Cube）,空隙半徑：是晶胞空隙中能放入剛性球的最大半徑。四面體空隙：r四0.29r；八面體

3、空隙：r八0.15r。,空隙半徑：四面體空隙：r四0.225r； 八面體空隙：r八0.414r。,c.密排六方晶格（H.C.P） 金屬原子分布在六方晶胞的十二個(gè)角上、上下底面的中心和兩底面之間的三個(gè)均勻分布的間隙里。 晶胞原子數(shù)： 原子半徑： 配位數(shù)： 12； 致密度：,空隙半徑：四面體空隙：r四0.225r； 八面體空隙：r八0.414r。,密排六方晶胞HCP Hexagonal Close-Packed,d. BCC、FCC、HCP晶胞的重要參數(shù),4實(shí)際金屬中的晶體缺陷,單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致 各自異性。 多晶體：由許多位向各不相同的單晶體塊組成 各自同性 。 晶體缺陷：實(shí)際晶體中存

4、在著偏離（破壞）晶格周期性和規(guī)則性的部分 。,（1）點(diǎn)缺陷 點(diǎn)缺陷：晶格結(jié)點(diǎn)處或間隙處，產(chǎn)生偏離理想晶體的變化。 空 位：晶格結(jié)點(diǎn)處無(wú)原子 雜質(zhì)間隙原子：晶格結(jié)點(diǎn)處為其它原子占據(jù) 自由間隙原子：原子占據(jù)晶格間隙,(2)線缺陷 線缺陷（位錯(cuò)）：二維尺度很小，另一維尺度很大的原子錯(cuò)排 。 位錯(cuò)線：晶體滑移部分與未滑移部分的交界線。 位錯(cuò)有兩種： 刃型位錯(cuò) 在金屬晶體中，由于某種 原因，晶體的一部分沿一定 晶面相對(duì)與晶體的未動(dòng)部分， 逐步的發(fā)生了一個(gè)原子間距 的錯(cuò)動(dòng)（見圖）,.螺型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)在空間實(shí)際上為一個(gè)螺旋狀的晶格畸變管道，寬僅為幾個(gè)原子間距，長(zhǎng)則可穿透晶體。 位錯(cuò)是影響金屬 機(jī)械性能最重

5、要的晶 體缺陷。金屬晶體中 位錯(cuò)的存在，使金屬 的強(qiáng)度值降低23個(gè) 數(shù)量級(jí)。,(3) 面缺陷 面缺陷：一維尺度很小，而二維尺度較大的原子錯(cuò)排區(qū)域 。一般指晶界和亞晶界。,亞晶界：是晶粒內(nèi)的一種面缺陷，對(duì)金屬的性能有一定的影響。它也可看成是位錯(cuò)線的堆積。,由上可知，實(shí)際的金屬材料并非完全理想的晶體結(jié)構(gòu)。它不僅是多晶體，而且在晶體內(nèi)部還存在各式各樣的晶體缺陷。晶體缺陷的存在，使晶體缺陷附近的晶 格發(fā)生畸變，引起能 量提高，使金屬材料 的物理、化學(xué)及機(jī)械 性能發(fā)生顯著的變化。,1.1.2合金的晶體結(jié)構(gòu) 合金：由一種金屬元素同另一種或幾種金屬元素或非金屬元素，通過(guò)熔煉、燒結(jié)或其他方法結(jié)合成具有金屬特性

6、的物質(zhì)。 組元：組成合金的獨(dú)立的最基本的單元，可以是金屬、非金屬元素或穩(wěn)定化合物。 相：凡是化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同，與其它部分有明顯分界的均勻組成部分。合金中有兩類基本的相結(jié)構(gòu)，固溶體和金屬間化合物。,1.固溶體 定義：溶質(zhì)組元溶液于溶劑晶格中形成的單一的均勻固體。 特點(diǎn)：保持溶劑組元的晶格結(jié)構(gòu)。 (1)固溶體的分類 溶劑：與固溶體晶格相同的組元，一般在合金中含量較多。 溶質(zhì)：固溶體中的另一組元，含量較少的。 置換固溶體：溶質(zhì)原子部分地取代溶劑原子占據(jù)溶劑晶格的結(jié)點(diǎn)位置，則稱為置換固溶體。 間隙固溶體：是溶質(zhì)原子溶入溶劑 晶格的間隙中，而不占據(jù)晶格結(jié)點(diǎn)的位置的固溶體。,置換固溶體：按組元相互之間的溶解能力不同，可分為無(wú)限固溶體和有限固溶體。形成無(wú)限固溶體的條件為：兩組元具有相同的晶格結(jié)構(gòu)；兩組元在元素周期表中的位置相距很近，并具有相近的原子結(jié)構(gòu)；兩組元的原子半徑差不超過(guò)15%。否則就形成有限固溶體。 間隙固溶體：形成的條件是溶質(zhì)原子與溶劑原子的直徑比小于0.59，即d溶質(zhì)/d溶劑0.59。間隙固溶體