1、金属学复习 第一章 材料中的金属结构1 晶体：是内部原子（离子、分子）按某种特定方式在三维空间内周期性规则重复排列固体。非晶体：内部原子无序排列的固体。即不存在长程的周期排列。2 晶体的特点：1）各向异性 2）从固态转变为液态时有固定的熔点，并发生体积的突变。3 晶体结构：晶体中原子（离子或分子）在三维空间的具体排列方式。4 空间点阵：由几何点在三维空间作周期性的规则排列所形成的三维阵列。5 阵点或结点：构成空间点阵的每一个点。6 晶格：人为地将阵点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架。7 晶胞：构成晶格的最基本单元。8 晶体中原子列的方向称为晶向。 （crystal directio
2、ns）晶向族：晶体中原子排列情况相同但空间位向不同的一组晶向成为晶向族（Family of directions） ，用UVW表示。9 通过空间点阵中的任意一组阵点的平面代表晶体中的原子平面，称为晶面。晶面族：晶体中具有等同条件，而只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族。用h k l表示。晶面间距：相邻两个平行晶面间的距离，用 dhkl 表示从原点作（h k l）晶面的法线，则法线被最近的（h k l）面所交截的距离即是晶面间距常用密勒指数（Millers index ） 来表示不同的晶向和晶面。10 晶向 uvw 晶向族 晶面 （hkl）晶面族hkl* 在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必
3、定互相垂直。11 相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合称为晶带。该晶向称为晶带轴。晶带定律 晶带轴uvw 与该晶带中任一晶面（ hkl）之间满足: hu+kv+lw=012 原子半径（radius of the metallic atom） 假设为原子间距的一半。晶胞中的原子数（Atomic number of unit cell）完全属于一个晶胞的原子的数目。配位数 (coordination number) (CN) 晶体结构中任一原子周围最近邻且等距的原子数。致密度 ( Atomic packing factor ) (APF) 晶体结构中原子体积占总体积的百分数。晶体类型 面心立方
4、结构（FCC）体心立方结构（BCC）密排六方结构（HCP）配位数 12 8 c/a=1.633 时为 12 否则记为 6+6晶胞中原子数 4 1+81/8=2 6致密度 0.74 0.68 0.74常见金属 -Fe、Al、Ni、Cu、Ag Au、Pt-Fe、 Cr、 V、Nb、Mo、-Ti-Ti、Mg、Zn ,Be晶胞常数 a 和原子半径 R 的关系4R=根号 2a 4R=根号 3a密排面 111 110 0001原子密排方向 ？堆垛方式 ABCABC 非密堆结构 ABAB晶体结构间隙 正八面体和正四面体，且八面体间隙大于四面体间隙。八面体和四面体间隙相互独立。对称性较低，八比四小，且四包含在
5、八中。面心立方中的间隙 体心立方中的间隙密排六方中的间隙 本章小结： 基本概念：晶体、非晶体、晶体结构、空间点阵、晶格、 晶胞、晶向族、晶面族、晶面间距、晶带、晶带轴、配位数、致密度、八面体间隙、四面体间隙。 掌握确定晶向指数和晶面指数的方法。 （立方晶系） 掌握典型金属的晶体结构及实例。 FCC Al 铝 -Fe 铁 Ni 镍 Cu 铜 BCC -Fe 铁 Cr 铬 V 钒 Nb 铌 HCP Mg 镁 Zn 锌 -Ti 钛 Be 铍晶胞中原子数 配位数 致密度 原子半径 理解 FCC 和 HCP 两种堆垛方式的不同。 识别三种典型结构中的八面体间隙和四面体间隙位置。第二章 晶体缺陷1 晶体缺
6、陷：实际晶体中与理想的点阵结构发生偏差。2 缺陷分类（按缺陷的几何尺寸）：（1） 点缺陷 point defects （零维缺陷）：三维方向上尺寸都很小。单个或几个原子。如空位、间隙原子、异类原子。 （肖脱基空位） 一对点缺陷（空位和间隙原子）称为弗兰克耳缺陷（2）线缺陷 linear defects （一维缺陷）：在两个方向上尺寸很小，一个方向上尺寸较大。原子列。如位错。（3）面缺陷 planar defects（二维缺陷）：在一个方向上尺寸很小，另外两个方向上尺寸较大。原子面。如晶界、相界、表面。（4）体缺陷 volume defects： 三维原子团。3 空位和间隙原子是由原子的热运动产
7、生的-热力学平衡缺陷 P94 图 4-34 过饱和点缺陷产生原因：高温淬火，辐照，冷加工5 位错- 用于解释金属的塑性变形- 滑移是塑性变形的基本方式6 位错类型及特点刃型位错 螺型位错模型EFGH- 半原子面EF- 位错线形成原因 *晶体形成的凝固过程中原子错排*空位片坍塌*局部滑移位错特征 #是晶体中已滑移部分和未滑移部分的边界。#位错不能中断于晶体内部，而是终止于表面，晶界或相界，或是与其他位错相交，或者在晶体内部形成一个封闭的环。表示位错区原子的畸变特征，包括畸变发生的晶向和大小方向：用晶向指数表示 大小：矢量的长度柏氏矢量滑移特征- 柏氏矢量 b 位错线 / 位错线位错线运动方向 位
8、错线 位错线晶体滑移方向 与 b 一致，与位错线运动方向 一致与 b 一致，与位错线运动方向垂直切应力方向 与 b 一致 与 b 一致滑移面（位错线与 b 组成的原子面）个数唯一 多个攀移- 通过原子扩散实现 半原子面向上或向下移动位错线运动方向与柏氏矢量方向垂直7 位错的两种运动方式：滑移和攀移8 位错的弹性性质：位错周围的原子偏离平衡位置，引起的弹性应变能称为位错的应变能。假设： 把晶体视为连续介质 ； 把晶体看成各向同性9 单位长度螺位错的应变能 Us ：简化写作： U= Gb2 的值可取为 0.51.0，对螺位错取 0.5，对刃位错取 1.0。位错的应变能与切变模量成正比，与柏氏矢量的
9、模的平方成正比10 位错应力场：螺型位错为纯剪切 nuvwa22n|wvuarb2rG刃型位错：拉伸和压缩正应变最大切应变发生在位错侧滑移面上，该面正应变为零，故为纯剪切11 全位错（单位位错）：柏氏矢量等于点阵矢量的位错。面心立方 BCC 中， 体心立方 FCC 中，12 反应条件 几何条件 能量条件 13 原子正常的堆剁次序遭到破坏的现象称为堆垛层错14 面缺陷包括晶界、相界和表面15 在晶界处，原子处于较高能量状态。这部分能量称为晶界能。 G 单位：Jm-216 小角度晶界：对称倾斜晶界大角度晶界：晶界：约三个原子层厚本章小结： 基本概念： 点缺陷、线缺陷、面缺陷、肖脱基空位、弗兰克耳缺
10、陷、间隙原子、置换原子、刃型位错、螺型位错、位错密度、滑移、攀移、全位错、不全位错、层错、大角度晶界、小角度晶界、晶界能 平衡缺陷浓度计算。 刃型位错和螺型位错的特征。 柏氏矢量的确定及柏氏矢量的表示。 理解滑移的过程及刃型位错和螺型位错滑移的特点。 位错的应变能表示 U= Gb2。 位错反应的条件。第三章 金属的相结构1 相 phase：金属中具有同一聚集状态、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分。2 相图 phase diagrams：描写在平衡条件下，系统状态或相的转变与成分、温度及压力间的关系的图。3 根据相的结构特点可分为：固溶体 和 中间相4 以合金中某一组元作为溶剂、
11、其他组元为溶质、所形成的与溶剂有相同晶体结构、晶格常数稍有变化的固相，称为固溶体5 分类：（1）按溶质原子在溶剂晶格中所占的位置：置换固溶体 和 间隙固溶体（2）按固溶度大小分：有限固溶体 ，无限固溶体- 摩尔分数大于 50%的组员为溶剂，小于 50%的为溶质（3）原子按排列的情况分：有序固溶体（可以置换也可以间隙） ，无序固溶体6 置换固溶体中溶质与溶剂可以有限互溶也可以无限互溶，影响溶解度因素：（1）尺寸因素 r 越大，晶格畸变能增加，溶解度降低（2）晶体结构因素组元间晶体结构相同时固溶度一般都较大，而且有可能形成无限固溶体。若组元间晶体结构不同便只能形成有限固溶体。（3）电负性差小，易形
12、成固溶体，溶解度越大；电负性差增大固溶度减小；电负性差很大时，形成稳定金属化合物。（4）电子浓度因素：合金中各组成元素的价电子数总和与原子总数的比值，记作 ea12a102a后前 b22后前ABr|超过极限电子浓度，固溶体就不稳定，便会形成新相7 间隙固溶体： 溶质-形成间隙固溶体的溶质原子半径很小间隙固溶体只能是有限固溶体8 形成固溶体（置换固溶体和间隙固溶体）时，材料的硬度、强度升高，这种由于溶质原子的固溶引起的强化效应，称为固溶强化。9 中间相： 当溶质原子的加入量超过一定限度时，会形成一种新相，这种新相称为中间相，中间相的晶体结构不同于此相中的任一组元。又称为金属间化合物10 中间相分
13、类：（1）正常价化合物：与电负性差大小有关， 大则离子键或共价键特征；小则金属键特征较高硬度，但脆性大（2）电子化合物：电子浓度起主导作用（3）尺寸因素化合物：组元相对尺寸有关分为：间隙化合物和拉弗斯相（组元间原子尺寸之差处于间隙化合物和电子化合物之间借助大小原子排列的配合而实现的密排结构-通式为 AB2 A 为大原子 B 为小原子）类型：MgCu2 MgZn2 MgNi2二元相图1 相平衡：在某一条件下，系统中各个相经过很长时间也不互相转变，处于平衡状态，这种平衡称为相平衡2 相律： 描述系统的组元数、相数和自由度数关系的法则。f = C - P + 2 F-自由度数 C-组元数 P- 平衡
14、相的数目当组元数 C 给定时，自由度 f 越小，平衡共存的相数便越多3 相图的实验测定法：热分析法、金相组织法、X 射线分析法、硬度法、电阻法、热膨胀法、磁性法等 （一）匀晶相图 - 两组元在液态固态无限互溶 1 固溶体的结晶是在一个温度范围内完成的，而纯金属结晶在一个温度下完成纯金属 f = 0 固溶体 f = 12 选分结晶： 结晶出的固相与共存液相的成分不同。结晶过程中固相和液相的成分在不断变化，因此有原子的扩散。3 非平衡结晶：实际冷速较快。原子扩散不能充分进行。4 不平衡结晶的固溶体内部富含高熔点组元，而后结晶的外部则富含低熔点组元，这种在晶粒内部出现的成分不均匀的现象称为晶内偏析（
15、二）二元共晶相图1 两组元在液态时可无限互溶，固态有限互溶或不溶，且冷却过程中发生共晶反应的相图，称为共晶相图 2 有限互溶3 一个液相同时析出两种固相的反应，称为共晶反应 DCELtE 为共晶温度，反应产物为共晶组织4 分析实例 见书 P158 159 分析各平衡结晶过程，利用杠杆定律计算比例 （1） （2） （3） （4）注意组分与组织组成物概念组织组成物：将显微组织中能清晰分辨的独立组成部分成为组织组成物P162 相图的组织组成物5 伪共晶 ：不在共晶成分的合金全部转变为共晶组织共晶成分的合金得不到全部共晶组织规律：P162 两组元有相近熔点时，出现对称型伪共晶区；两组元熔点相差较大时，
16、伪共晶区则偏向高熔点组元一方。6 包晶相图及其结晶：在一定温度下，由一固定成分的液相与一个固定成分的固相作用，生成另一个成分固相的反应，称为包晶反应。包晶相图：两组元在液态无限互溶，固态有限互溶（或不互溶） ，并发生包晶反应的二元系相图，称为包晶相图 7 固溶线 固相线 液相线8 P167 平衡结晶过程分析本章主要内容：基本概念：组元、合金、相、相图、固溶体、置换固溶体、间隙固溶体、中间相、间隙化合物、相平衡、自由度、匀晶反应、共晶反应、包晶反应、伪共晶影响固溶体溶解度的因素。相律及其应用。杠杆定律的应用。匀晶相图、共晶相图、包晶相图相图分析及典型合金的结晶过程分析。复杂相图分析- 铁碳合金相
17、图1 相区接触法则： n=C-P C 为组元数，P 为相邻相区的相数目的差值，n 为相邻相区接触的维数 n=0 零维接触即点接触 n=1 一维接触即线接触 n=2 二维接触即面接触2 铁碳合金相图组元与基本相：（1）纯铁：熔点 1538 高温到低温转变 -Fe BCC 体心立方- -Fe FCC 面心立方- -Fe BCC 铁磁性（2）Fe3C 是铁与碳的一种具有复杂结构的间隙化合物（正交晶系） ，通常称为 渗碳体，用 Cm 表示。 Wc=6.69%（3）铁碳合金相：&铁素体（碳溶于 -Fe-高温铁素体，最大溶碳量为 0.09% -Fe 而形成的间隙固溶体-最大溶碳量为 0.0218%。叫做铁素体，也可用 F 表示） &奥氏体（铁溶于 -Fe 而形成的间隙固溶体，最大溶碳量为 2.11%，叫做奥氏体，也可用 A 来表示） ，&渗碳体，石墨相
