金属热处理 第一章 金属材料的结构与缺陷.ppt

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1、金属材料及热处理金属材料及热处理第一篇第一篇 金属材料的结构与缺陷金属材料的结构与缺陷第一章第一章 材料的结构材料的结构本章提要本章提要结合键与材料的性质结合键与材料的性质晶体学的基本概念晶体学的基本概念纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构合金的晶体结构合金的晶体结构2第一章第一章 材料的结构材料的结构第一节第一节 材料的结合方式材料的结合方式1.1.1 化学化学键键化化学学键键组组成成物物质质的的质质点点的的相相互互作作用用力。力。1.共价共价键键共用共用电电子子对对有有饱饱和性与方向性。和性与方向性。共价晶体共价晶体高熔点，高高熔点，高强强度，度，较较好好绝缘绝缘性。性。32.离子离子键键得失

2、得失电电子形成子形成没有方向性和没有方向性和饱饱和性和性离子晶体离子晶体高熔点，高硬度，高熔点，高硬度，导电导电（熔融）（熔融）43.金属金属键键原子共用自由原子共用自由电电子形成子形成无无饱饱和性和方向性。和性和方向性。金属晶体金属晶体原子排列密度高，能原子排列密度高，能变变形，形，导电导电，导热导热。5金属原子结构的特点金属原子结构的特点外层电子少，易失去。外层电子少，易失去。有自由电子。有自由电子。金属离子与自由电子形成键。金属离子与自由电子形成键。金属键无方向性金属键无方向性有良好的塑性有良好的塑性有固溶能力有固溶能力64.范德瓦范德瓦尔尔键键 分子分子间间静静电电引力形成，分子引力形

3、成，分子键键 聚合物聚合物链间链间没有方向性和没有方向性和饱饱和性和性分子晶体分子晶体 如冰、干冰等如冰、干冰等熔点低，硬度小熔点低，硬度小71.1.2 工程材料的键性工程材料的键性图图1-48第二节第二节 晶体学基础晶体学基础1.2.1 晶体与非晶体晶体与非晶体晶体晶体：物质的质点在三维空间作有规律：物质的质点在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质。的周期性重复排列所形成的物质。长程有序长程有序晶体的特性晶体的特性：各向异性、固定的熔点、产生电子衍射等。各向异性、固定的熔点、产生电子衍射等。9Al 原子的微观排列原子的微观排列10单晶体的各向异性单晶体的各向异性111.2.2空间点阵

4、空间点阵1.点阵、阵点与晶格点阵、阵点与晶格空间点阵空间点阵：将理想晶体抽象为无数相同：将理想晶体抽象为无数相同的质点（原子等的中心），其在空间的的质点（原子等的中心），其在空间的排列称为空间点阵，简称点阵。排列称为空间点阵，简称点阵。阵点阵点：点阵中的单个质点。：点阵中的单个质点。晶格晶格：将阵点用一系列平行的直线连接：将阵点用一系列平行的直线连接起来构成的空间格架。起来构成的空间格架。122.晶胞晶胞晶胞晶胞：构成点阵的最基本单元。：构成点阵的最基本单元。晶胞选择的依据晶胞选择的依据：反映点阵的规律反映点阵的规律反映点阵对称性。反映点阵对称性。平衡六面体内各角与棱尽量相等。平衡六面体内各角

5、与棱尽量相等。棱之间尽量为直角。棱之间尽量为直角。晶胞体积最小。晶胞体积最小。133.晶胞参数：晶胞参数：晶格常数、晶格常数、晶轴间角晶轴间角、4.七个晶系与十四种七个晶系与十四种Bravis点阵点阵14151.2.3 晶向指数与晶面指数晶向指数与晶面指数基本概念基本概念晶面晶面：晶体中由一系列原子组成的平面。晶体中由一系列原子组成的平面。晶向晶向：任意两个原子之间连线所指的方向。任意两个原子之间连线所指的方向。晶向指数与晶面指数晶向指数与晶面指数：标明晶面与晶向空间方位排列的统标明晶面与晶向空间方位排列的统一方法。一方法。161.晶向指数晶向指数晶格中的点晶格中的点三步法确定晶向指数三步法确

6、定晶向指数 建坐标，确定点建坐标，确定点“末末”-“始始”，数字定，数字定化整，加化整，加 17晶向族晶向族平行且同向的晶向指数相同。平行且同向的晶向指数相同。方向相反晶向的指数为相反数。方向相反晶向的指数为相反数。用用代表所有原子排列相同但空代表所有原子排列相同但空间位向不同的晶向，称间位向不同的晶向，称晶向族晶向族。18正交系常用晶向指数正交系常用晶向指数192.晶面指数晶面指数三步法确定晶面指数三步法确定晶面指数（hkl）取坐标取坐标求截距求截距求倒数、化整求倒数、化整 20晶面族晶面族平行晶面的指数相同平行晶面的指数相同指数互为相反数时，晶面法线反向指数互为相反数时，晶面法线反向用用h

7、kl代表空间位向不同，但原子排列代表空间位向不同，但原子排列情况完全相同的晶面，称为情况完全相同的晶面，称为晶面族晶面族。21立方系常用晶面指数立方系常用晶面指数223.六方晶系的晶面指数与晶向指数六方晶系的晶面指数与晶向指数四轴坐标四轴坐标晶面指数晶面指数 同于立方系方法同于立方系方法晶向指数晶向指数 转换法转换法 u=1/3（2U-V）v=1/3（2V-U）t=-(u+v）w=W23六方系常用晶面与晶向六方系常用晶面与晶向244.晶带与晶带定理晶带与晶带定理晶带晶带：由与某一晶向直线平行及所有相：由与某一晶向直线平行及所有相交于该晶向直线的交于该晶向直线的所有晶面所有晶面构成的构成的集合集

8、合。该直线称为该晶体带轴。该直线称为该晶体带轴。晶带定理晶带定理：在立方晶系中，若晶面（在立方晶系中，若晶面（hkl）的晶带轴）的晶带轴是是uvw，则必有，则必有hu+kv+lw=0 反之亦然。反之亦然。25应用：应用：根据两不平行晶面的指数（根据两不平行晶面的指数（h1 k1 l1），），（h2 k2 l2）可以求出它们所在晶带的晶带轴可以求出它们所在晶带的晶带轴uvw。u=k1l2-k2l1v=l1h2-l2h1w=h1k2-h2k1265.晶面间距晶面间距27课后练习课后练习在立方晶胞中画出：在立方晶胞中画出：四个四个111晶面和六个晶面和六个110晶面晶面八个八个晶向和晶向和12个个晶

9、向晶向写出与六方晶系中的写出与六方晶系中的 101，111及及001对应的四轴指数对应的四轴指数-28第三节第三节 材料的晶体结构材料的晶体结构1.3.1 典型金属的晶体结构典型金属的晶体结构体心立方、面心立方、密排六方结构体心立方、面心立方、密排六方结构29晶胞中的原子数晶胞中的原子数原子半径原子半径配位数配位数致密度致密度原子堆垛方式原子堆垛方式晶体结构中的间隙晶体结构中的间隙301.晶胞中的原子数晶胞中的原子数312.原子半径原子半径323.配位数配位数配位数：一个原子周围最近邻并且等距配位数：一个原子周围最近邻并且等距离的原子的个数。离的原子的个数。FCCCPH334.致密度致密度体心

10、立方体心立方面心立方面心立方密排六方密排六方345.原子堆垛原子堆垛单击看动画单击看动画体心立方的原子堆垛体心立方的原子堆垛密排面密排面1103536密排六方与面心立方的原子堆垛密排六方与面心立方的原子堆垛密排面原子排列特点密排面原子排列特点密排面密排面111，（0001）原子形成密集堆积的堆积位置可以是原子形成密集堆积的堆积位置可以是 A,B或者或者C37面心立方晶胞中的密堆积面面心立方晶胞中的密堆积面38面心立方与密排六方堆垛的差异面心立方与密排六方堆垛的差异39密排六方的原子堆垛密排六方的原子堆垛40面心立方的原子堆垛面心立方的原子堆垛416.晶体结构中的间隙晶体结构中的间隙体心立方结构

11、的间隙体心立方结构的间隙42面心立方结构的间隙面心立方结构的间隙43密排六方结构的间隙密排六方结构的间隙447.晶体中的各向异性晶体中的各向异性单晶体的各向异性单晶体的各向异性See Table 1.1各向异性的原因：各向异性的原因：各方向原子排列特点不同各方向原子排列特点不同实际材料常是伪各向同性的。实际材料常是伪各向同性的。458.多晶型性多晶型性多晶型性及多晶型转变：多晶型性及多晶型转变：一种材料一种材料具有几种不同晶体结构的性质具有几种不同晶体结构的性质称多晶型性。称多晶型性。当改变温度或压力时，晶体从一种结构转变为另一当改变温度或压力时，晶体从一种结构转变为另一种结构，称种结构，称多

12、晶型转变多晶型转变。意义：意义：热处理的工艺基础热处理的工艺基础通过改变结构而改变性能通过改变结构而改变性能多晶型转变的体积变化多晶型转变的体积变化46纯铁的多晶型转变及体积变化纯铁的多晶型转变及体积变化47拓展复习题拓展复习题证明：证明：在立方晶系中相同指数的晶面与晶向互相在立方晶系中相同指数的晶面与晶向互相垂直，即垂直，即hkl(hkl(hkl)利用上题结论，证明晶带定理利用上题结论，证明晶带定理计算立方系计算立方系321与与120及（及（111）与）与之间的夹角。之间的夹角。计算面心立方八面体间隙与四面体间隙半计算面心立方八面体间隙与四面体间隙半径。径。48 49912时，时，-Fe-F

13、e转变为转变为-Fe-Fe，求其体积，求其体积改变率改变率考虑单位质量，其体积作为参考初始体积考虑单位质量，其体积作为参考初始体积恒温时铁原子的半径保持不变恒温时铁原子的半径保持不变501.3.2 共价晶体的晶体结构共价晶体的晶体结构特点：特点：配位数低（配位数低（8-N），致密度低），致密度低51521.3.3 离子晶体的晶体结构离子晶体的晶体结构特点：特点：配位数主要由离子的半径比决定。配位数主要由离子的半径比决定。53简单离子晶体的结构简单离子晶体的结构541.3.4 合金的相结构合金的相结构基本概念基本概念合金：合金：由两种或两种以上金属元素，或金属与非金由两种或两种以上金属元素，或金

14、属与非金属元素，经过属元素，经过熔炼、烧结或其他方法熔炼、烧结或其他方法组合而成，组合而成，具有金属特性的物质。具有金属特性的物质。组元：组元：组成合金的最基本的组成合金的最基本的独立物质独立物质，单质或化合，单质或化合物。物。相：相：聚集状态相同的，结构和性质一致，并以界聚集状态相同的，结构和性质一致，并以界面相互隔开的面相互隔开的均匀的组成部分均匀的组成部分。55合金中的相的显微镜形貌合金中的相的显微镜形貌单相合金与两相合金单相合金与两相合金561.固溶体固溶体概念：概念：B组元的组元的原子原子完全完全溶入固相的溶入固相的A组元组元，并，并保持保持A的晶体结构所形成的合金相。的晶体结构所形

15、成的合金相。A,B分别称为分别称为溶剂组元溶剂组元与与溶质组元溶质组元。分类分类置换固溶体置换固溶体与与间隙固溶体间隙固溶体有限固溶体与无限固溶体有限固溶体与无限固溶体有序固溶体与无序固溶体有序固溶体与无序固溶体57间隙固溶体间隙固溶体H,O,N,C,B等溶入过渡金属中形成等溶入过渡金属中形成Rb/Ra0.59晶格膨胀晶格膨胀固溶度有限固溶度有限溶剂间隙的形状与大小影响固溶度溶剂间隙的形状与大小影响固溶度58置换固溶体置换固溶体常在过渡金属组元之间形成常在过渡金属组元之间形成也有晶格畸变也有晶格畸变条件合适时组元浓度可以连续变化条件合适时组元浓度可以连续变化59影响置换固溶体固溶度的因素影响置

16、换固溶体固溶度的因素晶体结构因素晶体结构因素 相同时易实现无限互溶相同时易实现无限互溶原子尺寸因素原子尺寸因素R/Ra14%-15%，易大量固溶，易大量固溶电负性因素电负性因素接近时易大量固溶接近时易大量固溶电子浓度因素电子浓度因素受极限电子浓度制约，价越高的溶受极限电子浓度制约，价越高的溶 质其溶解度越小质其溶解度越小60电子浓度因素电子浓度因素现象：溶质原子的化合价越高，在一价现象：溶质原子的化合价越高，在一价Cu,Ag,Au中的固溶度越小。但形成固溶体的极中的固溶度越小。但形成固溶体的极限电子浓度却相同。限电子浓度却相同。核心：核心：固溶体的固溶度受极限电子浓度制约。固溶体的固溶度受极限

17、电子浓度制约。电子浓度的定义电子浓度的定义 e/a(固溶体价电子数固溶体价电子数/原子数原子数)=Va,Vb:溶剂与溶质的化合价溶剂与溶质的化合价X:溶质的原子数，溶质的原子数，100Va(100-x)+Vb x10061固溶体的微观不均匀性固溶体的微观不均匀性宏观均匀的固溶体微观可表现为无序、偏聚宏观均匀的固溶体微观可表现为无序、偏聚及短程有序的分布。及短程有序的分布。62有序固溶体有序固溶体6364固溶体的晶格畸变固溶体的晶格畸变65固溶体的性能与应用固溶体的性能与应用固溶强化固溶强化随溶质浓度提高，随溶质浓度提高，强度硬度增大同时塑性韧性强度硬度增大同时塑性韧性下降。下降。作为合金组织的

18、作为合金组织的基体相基体相使用使用可以承力，可以变形。可以承力，可以变形。662.中间相中间相金属化合物金属化合物概念：概念：溶质含量超过溶解度极限时出现的具有全溶质含量超过溶解度极限时出现的具有全新晶体结构的新相。新晶体结构的新相。键性：键性：主要金属键，兼有离子键、共价键。主要金属键，兼有离子键、共价键。种类：种类：正常价化合物、电子化合物、间隙相与间正常价化合物、电子化合物、间隙相与间隙化合物隙化合物 67正常价化合物正常价化合物符合化合价规律符合化合价规律金属金属IVA,VA,VIA元素间元素间电负性差越大，离子键比例越大，化合物电负性差越大，离子键比例越大，化合物越稳定越稳定常见的离

19、子晶体型的陶瓷材料常见的离子晶体型的陶瓷材料高硬度高脆性，可作弥散强化相高硬度高脆性，可作弥散强化相68电子化合物电子化合物Hume-Rothery定律定律以贵金属为主的过渡金属间形成，成分有以贵金属为主的过渡金属间形成，成分有一定变化范围一定变化范围金属键金属键硬度高脆性大硬度高脆性大有色金属中的弥散强化相有色金属中的弥散强化相69间隙相与间隙化合物间隙相与间隙化合物过渡金属与过渡金属与H,B,C,N等形成等形成不是固溶体不是固溶体70间隙相间隙相Rx/Rm0.59，结构较复杂，结构较复杂过渡金属的碳化物过渡金属的碳化物比间隙相略低的熔点和硬度比间隙相略低的熔点和硬度钢中弥散强化相钢中弥散强

20、化相72中间相的性能与应用中间相的性能与应用硬度高，熔点高硬度高，熔点高可作弥散强化相可作弥散强化相提高合金的强度、硬度、耐磨性、耐热性提高合金的强度、硬度、耐磨性、耐热性用于耐热合金、硬质合金、有色合金、钢用于耐热合金、硬质合金、有色合金、钢的强化的强化73良好的合金组织是什么样的？良好的合金组织是什么样的？性能要求：强度高，有适中的塑性和韧性性能要求：强度高，有适中的塑性和韧性组织：基体组织：基体固溶体固溶体 +起增强作用的第二相起增强作用的第二相机理：机理：基体基体能够承受力，有足够的塑性和韧性能够承受力，有足够的塑性和韧性第二相第二相提高强度、硬度、耐热性等。提高强度、硬度、耐热性等。74本章重要知识点本章重要知识点典型金属的晶体结构典型金属的晶体结构晶向指数与晶面指数晶向指数与晶面指数合金的结构合金的结构固溶体与中间相的性能特点与应用固溶体与中间相的性能特点与应用复习、作业复习、作业75