工程材料及热处理第二章.pptx
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1、工程材料及热处理第二章材料的结构、结晶与相图2金属在固态下通常为晶体,晶体中原子排列的规律不同,其性能也不同,因而有必要研究金属的晶体结构。纯金属的结构与结晶2.12.1.1 纯金属的晶体结构31晶体的概念晶体是指原子(离子、分子或原子团)在三维空间有规则的周期性重复排列的物质。在自然界中,除了少数物质(如玻璃、松香及木材等)以外,包括金属在内的绝大多数固体都是晶体。晶体之所以具有这种规则的原子排列,主要是由于原子之间的相互吸引力与排斥力平衡的结果。晶体往往具有规则的外形,如钻石、食盐及明矾等。各种金属制品,如门锁、钥匙以及汽车、飞机上的各种金属构件等,虽然看不到规则的外形,但它们同样是晶体。
2、4为了便于研究晶体中的原子排列规律,将晶体中的原子想象成几何结点,如图2-1(a)所示,用直线将其中心连接起来而构成的空间格子称为晶格或点阵,如图2-1(b)所示。显然,由于晶体中原子重复排列的规律性,可从晶格中选取一个能够代表其晶格特征的最小几何单元,称之为晶胞,如图2-1(c)所示。晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度a,b,c和棱边夹角,六个参数来表示。其中,a,b,c称为晶格常数,其长度单位为(埃),1 等于 m。图2-1(c)中的简单立方晶胞,其晶格常数a=b=c,且=90,这种具有简单立方晶胞的晶格称为简单立方晶格。简单立方晶格只见于非金属晶体中,在金属中则看不到。(a)原子排列模型
3、 (b)晶格 (c)晶胞图2-1 晶体中原子排列示意图i5根据晶胞的几何形状或自身的对称性,可把晶体结构分为七大晶系十四种空间点阵。各种晶体由于其晶格类型和晶格常数不同,可表现出不同的物理、化学和机械性能。2三种常见的金属晶格金属中由于原子间通过较强的金属键结合,因此金属原子趋于紧密排列,构成少数几种高对称性的简单晶体结构。约有90%以上的金属晶体都属于以下三种典型晶格形式。6如图2-2所示,体心立方晶格的晶胞是由八个原子构成的立方体,体心处还有一个原子,因其晶格常数a=b=c,故通常只用一个常数a表示即可。晶胞在其立方体对角线方向上的原子是彼此紧密接触排列的,故可计算出其原子半径 。因每个顶
4、点上的原子同属于周围八个晶胞所共有,故每个体心立方晶胞实际包含原子数为:。1)体心立方晶格(bcc晶格)(a)刚球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数图2-2 体心立方晶胞示意图7晶格的致密度用来表示晶体中原子排列的紧密程度,它是指晶胞中所包含的原子所占体积与该晶胞体积之比。每个晶胞含有两个原子,原子半径为 ,晶胞体积为,故体心立方晶格的致密度为:,即晶格中有68%的体积被原子所占据,其余为空隙。8如图2-3所示,在晶格中有两种空隙,一种为四面体空隙,另一种为八面体空隙。而空隙半径是指在晶胞中放入刚性球,能放入球的最大半径。体心立方晶格的四面体空隙半径为 ,而八面体空隙半径为 。(a)四面体
5、空隙 (b)八面体空隙图2-3 体心立方晶胞中的空隙位置除致密度外,配位数也可用来定性地评定晶体中原子排列的紧密程度。配位数是指晶格中任一原子周围最近邻且等距离的原子数。显然,配位数越大,原子排列也就越紧密。晶格中,以立方体中心的原子来看,与其最近邻、等距离的原子数有8个,所以其配位数为8。具有体心立方晶格的金属有Cr,Mo,W,V,-Fe和-Ti等。9如图2-4所示,面心立方晶格的晶胞也是由八个原子构成的立方体,但在立方体的每个面中心还各有一个原子。每个面对角线上各个原子彼此相互接触,因此其原子半径 。又因每一面心位置上的原子是同时属于两个晶胞所共有,故每个面心立方晶胞中包含原子数为:。2)
6、面心立方晶格(fcc晶格)(a)刚球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数图2-4 面心立方晶胞示意图面心立方晶格的致密度为0.74;四面体空隙半径为 ,八面体空隙半径为 ;配位数为12。具有面心立方晶格的金属有-Fe,Al,Cu,Ni,Pb,Ag和Au等。10密排六方晶格属于六方晶系。如图2-5所示,在六棱柱晶胞十二个角上和两个端面中心各有一个原子,在两个六边形面之间还有三个原子。晶格常数为六方底面的边长a和上下底面间距c,在上述紧密排列情况下有:。最近邻原子间距为a,故原子半径 。每个密排六方晶胞中包含原子数为:。3)密排六方晶格(hcp晶格)密排六方晶格的致密度为0.74;四面体空隙半径
7、为 ,八面体空隙半径为 ;配位数为12。具有面心立方晶格的金属有Mg,Zn,Be,-Ti和Cd等。(a)刚球模型 (b)质点模型 (c)晶胞原子数图2-5 密排六方晶胞示意图113晶面和晶向分析在晶格中,由一系列结点所组成的平面都代表晶体的某一原子平面,称为晶面;任意两个结点的连线,都代表晶体中某一原子列的位向,称为晶向。为便于研究和表述不同晶面和晶向的原子排列情况及其在空间的位向,需要给各种晶面和晶向定出一定的符号,即晶面指数和晶向指数。1)晶面指数晶面指数的确定步骤如下(见图2-6中带影线的晶面)。图2-6 晶面指数和晶向指数的确定12(1)以晶胞的三个棱边为坐标轴(X轴、Y轴、Z轴),原
8、点选在结点上,但不便选在待标定的晶面上。(2)以棱边长度(即晶格常数)a,b,c为相应坐标轴的量度单位,求出待定晶面在各轴上的截距。(3)取各截距的倒数,按比例化为最小整数,并依次写在圆括号内,数字之间不用标点隔开,负号改写到数字的顶部,即所求晶面指数。晶面指数的一般形式为(hkl)。立方晶格中,最具有意义的是如图2-7所示的三种晶面,即(100)、(110)与(111)三种晶面。图2-7 立方晶格中的三种重要晶面13注 意2)晶向指数晶向指数的确定步骤如下(见图2-6中带箭头的晶向)。(1)以晶胞的三个棱边为坐标轴(X轴、Y轴、Z轴),原点选在待定晶向的直线上。(2)以棱边长度(即晶格常数)
9、a,b,c为相应坐标轴的量度单位,求出待定晶向上任意一点的三维坐标值。(3)将三个坐标值按比例化为最小整数,并依次写在方括号内,数字之间不用标点隔开,负号改写到数字的顶部,即所求晶向指数。晶向指数的一般形式为uvw。晶面指数并非仅指晶格中的某一个晶面,而是代表着与之平行的所有晶面,它们的指数或数字相同而正、负相反。14如图2-8所示的100、110及111晶向为立方晶格中最具有意义的三种晶向。将图2-8与图2-7对比可以看出,在立方晶格中,凡指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。图2-8 立方晶格中的三种重要晶向晶向指数代表的也是所有平行的晶向。相互平行但方向相反的晶向,其指数相同但符号相反,如1
10、23与 。153)晶面族和晶向族凡是晶面指数中各数字相同但符号不同或排列顺序不同的所有晶面上的原子排列规律都是相同的,具有相同的原子密度和性质,只是位向不同。这些晶面称为一个晶面族,其指数记为hkl。例如,在立方晶系中,(100)、(010)、(001)三个独立的晶面就组成了100晶面族;而110晶面族包括了(110)、(101)、(011)、()、()、()六个晶面。同理,原子排列规律相同但空间位向不同的所有晶向组成了一个晶向族,其指数记为uvw。例如,在立方晶系中,100、010、001以及与之相反的 、共六个晶向组成100晶向族;而110晶向族包括了110、101、011、及与之相反的
11、、共十二个晶向。164)晶面和晶向的原子密度晶面的原子密度是指其单位面积中的原子数,而晶向的原子密度是指其单位长度上的原子数。在各种晶格中,不同晶面和晶向上的原子密度都是不同的。如表2-1、表2-2所示为体心立方晶格及面心立方晶格中的各主要晶面和晶向的原子密度。表2-1 体心立方晶格中各主要晶面和晶向的原子密度17由表2-1、表2-2可知,在体心立方晶格中,具有最大原子密度的晶面是110,具有最大原子密度的晶向是111;而在面心立方晶格中具有最大原子密度的晶面是111,具有最大原子密度的晶向是110。表2-2 面心立方晶格中各主要晶面和晶向的原子密度184晶体的各向异性于晶体中不同晶面和晶向上
12、原子排列的方式和密度不同,致使原子间的相互作用力也不相同,因此在同一单晶体内的不同晶面和晶向上的物理、化学和机械性能也会不同。晶体的这种“各向异性”特点是它区别于非晶体的重要标志之一。例如,体心立方的-Fe单晶体,在原子排列最密的111方向上的弹性模量为290 000 MPa,而在原子排列较稀的100方向上仅为135 000 MPa。许多晶体物质(如石膏、云母、方解石等)易于沿着一定的晶面破裂,且具有一定的解理面,也是这个道理。提 示在工业用金属材料中,通常见不到晶体的各向异性特征。例如,上述-Fe的弹性模量,不论从何种部位取样,所测数据均在210 000 MPa左右。这是因为实际金属多为多晶
13、体,呈现各向同性。195实际金属结构和晶体缺陷如图2-9(a)所示,若一块晶体内部的晶格位向完全一致,则称这块晶体为单晶体,单晶体具有各向异性。目前,单晶体在半导体元件、磁性材料、高温合金等方面已得到开发和应用,并且单晶体金属材料是今后金属材料的发展方向之一。1)多晶体结构(a)单晶体 图2-9 单晶体和多晶体示意图20但是在工业生产中,单晶体金属材料除专门制作外基本上是不存在的。实际上,金属结构都包含着许多小晶体,每个小晶体的内部晶格位向均匀一致,而各个小晶体之间彼此位向都不相同,如图2-9(b)所示。由于每个小晶体的外形多为不规则的颗粒状,因此称之为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种
14、由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。由于多晶体金属各晶粒的位向不同,致使宏观上只表现出它们的平均性能,即呈现各向同性。(b)多晶体 图2-9 单晶体和多晶体示意图通过研究证明,在每个晶粒内部,不同区域的晶格位向也并非完全一致,而是存在几十分,最多12的差别。这些在晶格位向上彼此有微小差别的晶内小区域称为亚晶粒或镶嵌块。21晶体中凡是原子排列不规则的区域都视为晶体缺陷。实际金属中存在大量的晶体缺陷,它们对金属宏观性能的影响很大,特别是在金属的塑性变形、固态相变以及扩散等方面。晶体缺陷按照其几何形式的特点可分为如下三类。2)晶体缺陷(1)点缺陷点缺陷是指在三维尺寸上很小,不超过几个原子直径的缺陷。如
15、图2-10所示,常见的点缺陷有三种,即晶格空位、间隙原子和置换原子。(a)晶格空位 (b)间隙原子 (c)置换原子图2-10 点缺陷示意图22不管哪类点缺陷都会造成晶格畸变,这将对金属的强度、电阻率等性能产生影响。此外,点缺陷的存在会加速金属中的扩散过程。晶格空位是指未被原子所占的晶格结点。间隙原子是指处在晶格间隙中的多余原子。置换原子是指占据晶格结点上的异类原子。23(2)线缺陷线缺陷是指二维尺寸很小而第三维尺寸很大的缺陷。金属中的线缺陷是指位错,它是晶体中某一列或若干列原子发生了有规律的位置错动所形成的缺陷,主要分为刃型位错和螺型位错,如图2-11所示。(a)刃型位错 (b)螺型位错图2-
16、11 位错示意图24由图2-11(a)可知,刃型位错是由于图中右上部分相对于右下部分的局部滑移,结果在晶格的上半部挤出了一层多余的原子面,好像在晶格中额外插入了半层原子面一样,该多余半原子面的边缘称为位错线。在位错线的周围,晶格发生畸变。由图2-11(b)可知,螺型位错是由于晶体右边的上部原子相对于下部原子向后错动了一个原子间距,若将错动区的原子用线连接起来,则其具有螺旋形特征。在金属晶体中,位错线往往大量存在,它们相互连接,呈网状分布,如图2-12所示。晶体中位错的多少,可用位错密度来表示。位错密度是指单位体积内位错线的总长度,量纲为 cm-2。晶体中的位错首先产生于晶体的结晶过程。通常,金
17、属结晶后的位错密度可达106108cm-2。在大量冷变形或淬火的金属中,位错密度大幅增加,可达1012cm-2,而退火又可使位错密度降到最低值。图2-12 实际晶体中的位错网25如图2-13所示,位错的存在极大地影响了金属的力学性能。当金属为理想晶体或含有极少量位错时,金属的屈服强度很高;当含有一定量的位错时,强度降低;但当位错大量产生后,强度反而提高。生产中可通过增加位错的方式对金属进行强化,但强化后其塑性有所降低。图2-13 金属强度与位错密度的关系26(3)面缺陷面缺陷是指二维尺寸很大而第三维尺寸很小的缺陷。金属中的面缺陷主要包括晶界和亚晶界,如图2-14所示。这两种晶格缺陷,都是因晶体
18、中不同区域之间的晶格位向过渡所造成的。但在小角度位相差()的亚晶界情况下,则可将它看成是一种位错线的堆积,称之为位错壁。(a)晶界 (b)亚晶界图2-14 面缺陷示意图晶界处原子排列不规则,晶格畸变较大,故晶界处能量较高,具有与晶粒内部不同的特性。例如,晶界具有强度和硬度较高、熔点较低、耐腐蚀性较差、扩散系数较大、电阻率较高、相变时优先形核等特性。27一般金属材料的获得都要经过对矿产原料的熔炼、除渣、浇铸等作业后,凝固成铸锭或细粉,再通过各种加工获取成材或制件。掌握结晶过程和规律可以有效地控制金属的凝固条件,从而获得性能优良的金属材料。2.1.2 纯金属的结晶物质从液态到固态的转变过程称为凝固
19、,若通过凝固能形成晶体结构,则称为结晶。纯元素(金属或非金属)的结晶都具有一个严格的平衡结晶温度,高于此温度便发生熔化,低于此温度才能进行结晶。而在平衡结晶温度,液体与晶体同时共存,达到可逆平衡。一切非晶体物质则无此明显的平衡结晶温度,凝固总是在某一温度范围逐渐完成。281金属结晶的条件自然界的一切自发转变过程,总是由能量较高的状态趋向能量较低的状态。物质中能够自动向外界释放出其多余的或能够对外做功的这一部分能量称为自由能(F)。同一物质的液体与晶体,由于其结构不同,在不同温度下的自由能变化是不同的,如图2-15所示。图2-15 液态与晶体在不同温度下的自由能变化29由图2-15可知,两条曲线
20、的交点即液、固态的能量平衡点,对应的温度 即理论结晶温度或熔点。低于T0时,由于液相的自由能高于固相,液体向晶体的转变伴随着能量降低,因此有可能发生结晶。换言之,要使液体进行结晶,就必须使其温度低于理论结晶温度,造成液体与晶体间的自由能差(),即具有一定的结晶驱动力才行。实际结晶温度(T1)与理论结晶温度(T0)之差称为过冷度()。金属液的冷却速度越大,过冷度便越大,液、固态自由能差也越大,即所具结晶驱动力越大,结晶倾向便越大。30在液态物质的冷却过程中,可以用热分析法来测定其温度的变化规律,即冷却曲线,如图2-16所示。冷却曲线上水平台阶的温度即为实际结晶温度(T1)。平台的出现是因为结晶潜
21、热的放出补偿了金属向环境散热引起的温度下降。冷速越慢,测得的实际结晶温度便越接近于理论结晶温度。必须指出,在平台出现之前,还经常会出现一个较大的过冷现象,为结晶的发生提供足够的推动力,而一旦结晶开始,放出潜热,便会使其温度回升到水平台阶的温度。图2-16 纯金属结晶时的冷却曲线示意图312金属的结晶过程金属的结晶过程是晶核形成和长大的过程,如图2-17所示。在液态金属从高温冷却到结晶温度的过程中,会产生大量尺寸不同、短程有序的原子集团,称为晶胚。此时的晶胚极不稳定,时聚时散。(a)(b)(c)(d)图2-17 金属结晶过程示意图32当过冷至结晶温度以下时,某些尺寸较大的晶胚开始变得稳定,成为晶
22、核。形成的晶核按各自方向吸附周围原子自由长大,在长大的同时又有新的晶核出现、长大。当相邻晶体彼此接触时,被迫停止长大,而只能向尚未凝固的液体部分伸展,直至结晶完毕。因此在一般情况下,金属是由许多外形不规则、位向不相同、大小不相同的晶粒组成的多晶体。晶核的形成有均匀(自发)形核和非均匀(非自发)形核两种方式。在均匀的液态母相中自发地形成新相晶核的过程称为均匀形核。过冷度的增加会使液相中自发形核所需的晶胚尺寸变小,即过冷度越大越易形成均匀形核。实际上,金属熔液中总是存在某些未熔的杂质粒子,这些固态粒子表面及铸型壁等现成的界面都会成为液态金属结晶时的自然晶核。凡是依附于母相中某种现成界面而成核的过程
23、都称为非均匀形核。非均匀形核所需的过冷度比均匀形核的过冷度小得多。需要注意的是,均匀形核与非均匀形核在金属结晶中是同时存在的,而非均匀形核在实际生产中比均匀形核更为重要。33晶核的长大方式通常是树枝状长大,称为枝晶长大。如图2-18所示为晶体枝晶长大的过程。(a)(b)(c)(d)图2-18 晶体枝晶长大过程示意图开始时,晶核可以生长成为很小但形状规则的晶体。随着晶核继续长大,晶体棱角开始形成,棱角处的散热条件优于其他部位,便得到优先成长,像树枝一样先长出枝干,再长出分枝,最后将晶间填满。冷却速度越快,过冷度越大,枝晶成长的特点就越明显。34如图2-19所示为铸锭表面因枝间未被填满而呈现的树枝
24、状结晶。在枝晶成长过程中,由于液体的流动,枝轴本身的重力作用和彼此间的碰撞,以及杂质元素的影响等原因,会使某些枝轴发生偏斜或折断,以至造成各种晶体缺陷。图2-19 铸锭表面的树枝状晶体353晶粒大小的控制金属结晶后,获得由大量晶粒组成的多晶体。在一般情况下,晶粒越小,金属的强度、塑性和韧性越好。所以在工程上,晶粒细化是提高金属力学性能的重要途径之一,称为细晶强化。细化铸态金属晶粒主要采用下面两种方法。361)增大金属的过冷度金属结晶时的过冷度 对晶核的形核率N(单位时间、单位体积形成的晶核数,单位为个/()和成长速度G(单位时间晶体长大的长度,单位为m/s)的影响如图2-20所示。从图中可看出
25、,形核率和成长速度随过冷度的增加而增大,但形核率的增加速度更快。因此N与G的值增加,使得晶粒细化,并在一定过冷度时各自达到最大值。但当过冷度进一步增大时,N与G的值却逐渐减小。其主要原因是在过冷度较大时,原子的扩散非常困难,也难使晶核形成和成长。37在一般工业条件下(见图2-20中曲线前半部的实线部分),结晶时的冷却速度越大或过冷度越大,则金属的晶粒便越细,如铸造生产中用金属型代替砂型,局部加冷铁或增大金属型的厚度等,可使铸件晶粒更加细密。至于曲线的后半部分,因为工业实际中的结晶一般达不到这样的过冷度,故用虚线表示。但近年来超高速(1051011K/s)急冷技术的发展,使得晶核的形核率和成长速
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