金屬材料學(xué)基本知識培訓(xùn)學(xué)習(xí)

1、第三章第三章 金屬學(xué)基礎(chǔ)知識金屬學(xué)基礎(chǔ)知識 引言：引言： 反應(yīng)堆材料要求高強度、塑韌性、熱強性和抗蝕性反應(yīng)堆材料要求高強度、塑韌性、熱強性和抗蝕性等。等。 金屬材料具有良好性能，金屬材料具有良好性能，所以得到廣泛的應(yīng)用。所以得到廣泛的應(yīng)用。 宏觀性能：組織結(jié)構(gòu)、成分和工藝的綜合表現(xiàn)。宏觀性能：組織結(jié)構(gòu)、成分和工藝的綜合表現(xiàn)。 成分和工藝成分和工藝 組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) 材料性能材料性能 金屬學(xué)：研究材料性能與其化學(xué)成分、生產(chǎn)工藝和微金屬學(xué)：研究材料性能與其化學(xué)成分、生產(chǎn)工藝和微觀組織之間關(guān)系和變化規(guī)律。觀組織之間關(guān)系和變化規(guī)律。 晶體的結(jié)構(gòu)層次：原子、晶胞、晶格、晶粒、相、組晶體的結(jié)構(gòu)層次：原子、

2、晶胞、晶格、晶粒、相、組織。織。 2 2. 純純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體和非晶體兩大類晶體和非晶體兩大類本本質(zhì)區(qū)別為：質(zhì)區(qū)別為：構(gòu)成晶體的原子、分子或原子集團在空間是按一定的構(gòu)成晶體的原子、分子或原子集團在空間是按一定的幾何規(guī)律規(guī)則排列的，因而晶體具有一定的熔點，且?guī)缀我?guī)律規(guī)則排列的，因而晶體具有一定的熔點，且具有各向異性的特點。絕大多數(shù)的工程材料，如金屬具有各向異性的特點。絕大多數(shù)的工程材料，如金屬及其合金、陶瓷等，天然的巖石、礦物都是晶體。及其合金、陶瓷等，天然的巖石、礦物都是晶體。非晶體中的質(zhì)點是無規(guī)排列的，如多數(shù)的玻璃和聚合非晶體中的質(zhì)點是無規(guī)排列的，如多數(shù)的玻璃和聚合物。物。

3、 基本概念：基本概念： 1 1）陣點或結(jié)點）陣點或結(jié)點: :由晶體中原子抽象而成的幾何點。由晶體中原子抽象而成的幾何點。 2 2）空間點陣）空間點陣: :陣點在空間規(guī)則排列構(gòu)成空間點陣。陣點在空間規(guī)則排列構(gòu)成空間點陣。 3 3）晶格：用一系列平行線將陣點連接起來，構(gòu)成空間）晶格：用一系列平行線將陣點連接起來，構(gòu)成空間的格架。的格架。 4 4）晶胞：構(gòu)成晶格的基本單元，一般取最小平行六面）晶胞：構(gòu)成晶格的基本單元，一般取最小平行六面體。體。4 4）晶粒：排列位向相同的無數(shù)個晶胞的聚合體稱為晶粒。）晶粒：排列位向相同的無數(shù)個晶胞的聚合體稱為晶粒。 純金屬通常是由許多取向不同的晶粒組成的，純金屬通常

4、是由許多取向不同的晶粒組成的， 故稱為多晶體。故稱為多晶體。5 5）晶界：多晶體中晶粒之間邊界稱為晶界。）晶界：多晶體中晶粒之間邊界稱為晶界。 2.2 實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)實際金屬的晶體結(jié)構(gòu) 實際金屬結(jié)構(gòu)因金屬在凝固、形變、再結(jié)晶或同素異型實際金屬結(jié)構(gòu)因金屬在凝固、形變、再結(jié)晶或同素異型變時，會使原子排列的規(guī)律性，在局部區(qū)域遭受破壞，從而變時，會使原子排列的規(guī)律性，在局部區(qū)域遭受破壞，從而產(chǎn)生晶格缺陷。產(chǎn)生晶格缺陷。 實際晶粒是由許多尺寸很小、位向差不大的微晶塊相互實際晶粒是由許多尺寸很小、位向差不大的微晶塊相互鑲嵌而成。亞結(jié)構(gòu)鑲嵌而成。亞結(jié)構(gòu) 、亞晶、亞晶 、亞晶界、亞晶界 所以，實際金屬的晶

5、體結(jié)構(gòu)，盡管從整體上看，原所以，實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)，盡管從整體上看，原子排列仍保持著它固有的規(guī)律性，但在局部微區(qū)，存子排列仍保持著它固有的規(guī)律性，但在局部微區(qū)，存在有各式各樣的晶體缺陷，（位錯、孿晶和堆垛層在有各式各樣的晶體缺陷，（位錯、孿晶和堆垛層錯）。錯）。 2.3 金屬中的晶體缺陷金屬中的晶體缺陷 2.31 點缺陷點缺陷 產(chǎn)生原因：產(chǎn)生原因：具有足夠高能量的原子有可能克服周圍具有足夠高能量的原子有可能克服周圍原子的束縛，脫離正常的結(jié)點位置，移到晶體表面、界原子的束縛，脫離正常的結(jié)點位置，移到晶體表面、界面或點陣間隙位置上，在原來的結(jié)點位置留下空位。高面或點陣間隙位置上，在原來的結(jié)點位置留

6、下空位。高能粒子（如快中子）的輻照也會使金屬晶體內(nèi)產(chǎn)生空位能粒子（如快中子）的輻照也會使金屬晶體內(nèi)產(chǎn)生空位和間隙原子，獲得巨大能量的原子甚至可再促使其它原和間隙原子，獲得巨大能量的原子甚至可再促使其它原子脫位。子脫位。 點缺陷有空位，間隙原子和溶質(zhì)原子等。點缺陷有空位，間隙原子和溶質(zhì)原子等。 SchottkySchottky缺陷：當離開結(jié)點缺陷：當離開結(jié)點的原子，若移到金屬表面的原子，若移到金屬表面消失掉了，則留下空位，消失掉了，則留下空位，稱為稱為SchottkySchottky缺陷。缺陷。FrankFrank缺陷：若此離位原子缺陷：若此離位原子移到晶格間的空隙處，稱移到晶格間的空隙處，稱此

7、為此為 “間隙原子間隙原子”，它，它所留下的空位稱為所留下的空位稱為FrankFrank缺陷，或合稱為缺陷，或合稱為FrankFrank缺缺陷對。陷對。對合金而言，溶質(zhì)的加入也會產(chǎn)生缺陷，對合金而言，溶質(zhì)的加入也會產(chǎn)生缺陷，包括間隙型和置換型包括間隙型和置換型 空位、間隙原子附近產(chǎn)生晶格畸變，相伴產(chǎn)生應(yīng)力場，空位、間隙原子附近產(chǎn)生晶格畸變，相伴產(chǎn)生應(yīng)力場，使位錯運動阻力增加，從而提高強度。使位錯運動阻力增加，從而提高強度。點缺陷對材料性能的影響：點缺陷對材料性能的影響： 點缺陷對晶體的一些物理、化學(xué)和力學(xué)性能都有點缺陷對晶體的一些物理、化學(xué)和力學(xué)性能都有顯著的影響。如使電阻升高、氧化加速、材料

8、硬化等。顯著的影響。如使電阻升高、氧化加速、材料硬化等。2.32 線缺陷線缺陷 線缺陷線缺陷 在一維方向有較大尺度，而在另外二維方向上尺寸很小的缺在一維方向有較大尺度，而在另外二維方向上尺寸很小的缺陷是線缺陷。陷是線缺陷。晶體的一部分相對于另一個部分發(fā)生了原子的錯排晶體的一部分相對于另一個部分發(fā)生了原子的錯排,這種缺陷的基本形式是刃型位錯和螺型位錯。這種缺陷的基本形式是刃型位錯和螺型位錯。刃型位錯刃型位錯： 它可以看成是在某它可以看成是在某一晶體水平面以上，多出一晶體水平面以上，多出了一排與之垂直的晶面了一排與之垂直的晶面（或在其下方少了一排原（或在其下方少了一排原子面），因其形狀猶如在子面）

9、，因其形狀猶如在晶體中切入一刀刃而得名。晶體中切入一刀刃而得名。當多余原子面在晶體上半部，稱正位錯，以符號當多余原子面在晶體上半部，稱正位錯，以符號“”表示，表示， 反之稱負位錯，記為反之稱負位錯，記為“”。 螺型位錯：螺型位錯： 特點是晶體一側(cè)特點是晶體一側(cè)的上下兩部分相對的上下兩部分相對錯移一個原子間距。錯移一個原子間距。 俯視圖在線附俯視圖在線附近的上下層原子不近的上下層原子不能對齊而呈螺旋形能對齊而呈螺旋形的排列，故有螺型的排列，故有螺型位錯之稱，稱位錯之稱，稱為位錯線。為位錯線。2.33 面缺陷面缺陷 晶界、相界、孿晶界、亞晶界和堆垛層錯等缺陷的尺寸都晶界、相界、孿晶界、亞晶界和堆垛

10、層錯等缺陷的尺寸都是二維的，所以是晶體中面缺陷的實例。是二維的，所以是晶體中面缺陷的實例。1.1.晶界晶界 相鄰晶粒之間具有一定寬度的過渡界面，相鄰晶粒之間具有一定寬度的過渡界面，厚度約厚度約210個原子間距的過渡層。個原子間距的過渡層。易容納位錯和點缺陷易容納位錯和點缺陷 a)小角晶界 b)大角晶界 2. 相界相界 具有不同性質(zhì)的相或不同晶胞結(jié)構(gòu)的晶體之間的具有不同性質(zhì)的相或不同晶胞結(jié)構(gòu)的晶體之間的分界面稱為相界。相界分為共格、半共格和非共格三分界面稱為相界。相界分為共格、半共格和非共格三種。種。 共格為相界面上的原子為相鄰兩相晶格所共有。共格為相界面上的原子為相鄰兩相晶格所共有。3. 孿晶

11、界孿晶界 當兩個晶體的位向以一個公共晶界面呈鏡面對稱關(guān)當兩個晶體的位向以一個公共晶界面呈鏡面對稱關(guān)系時，稱為孿晶界，但也有孿晶界不與晶界面相重合系時，稱為孿晶界，但也有孿晶界不與晶界面相重合的情況，稱此為非共格孿晶界。的情況，稱此為非共格孿晶界。 由于產(chǎn)生孿晶的臨界分切應(yīng)力比產(chǎn)生滑移的臨界非由于產(chǎn)生孿晶的臨界分切應(yīng)力比產(chǎn)生滑移的臨界非切應(yīng)力大得多，所以只有在滑移很難進行時，晶體才切應(yīng)力大得多，所以只有在滑移很難進行時，晶體才發(fā)生孿晶變形發(fā)生孿晶變形. . 脆性大，脆性大，F(xiàn)CC一般無。一般無。 4. 堆垛層錯堆垛層錯 晶體中原子排列既然是周期的、有規(guī)律的，因此晶體中原子排列既然是周期的、有規(guī)律

12、的，因此由晶格原子組成的晶面，彼此之間必然也是按一定順由晶格原子組成的晶面，彼此之間必然也是按一定順序呈周期排列；但由于空位擴散和位錯環(huán)的崩塌等，序呈周期排列；但由于空位擴散和位錯環(huán)的崩塌等，往往使晶面堆垛順序發(fā)生混亂。所以當晶面次序發(fā)生往往使晶面堆垛順序發(fā)生混亂。所以當晶面次序發(fā)生了錯排，稱此現(xiàn)象為堆垛層錯了錯排，稱此現(xiàn)象為堆垛層錯.2.4 晶面指數(shù)和晶向指數(shù)晶面指數(shù)和晶向指數(shù) 由于晶體原子排列是周期的、對稱的、所以可用晶由于晶體原子排列是周期的、對稱的、所以可用晶面和晶向指數(shù)表征所有晶面和晶向在各自晶胞中的位置面和晶向指數(shù)表征所有晶面和晶向在各自晶胞中的位置和方向和方向. .2.41 2.

13、41 晶向指數(shù)晶向指數(shù) 晶格中每條原子列的位向叫晶向（任意兩陣點的連線）。晶格中每條原子列的位向叫晶向（任意兩陣點的連線）。 MillerMiller指數(shù)表示指數(shù)表示, ,由于晶體的對稱性，故晶向指數(shù)表征由于晶體的對稱性，故晶向指數(shù)表征了所有相平行、方向一致的晶向族，用了所有相平行、方向一致的晶向族，用表示。表示。 具體求法：具體求法： (1)取坐標取坐標X、Y、Z且坐標原點且坐標原點0必須在晶向必須在晶向0a上。上。 (2) 以晶格常數(shù)為單位，求出以晶格常數(shù)為單位，求出a點坐標值點坐標值X=1、Y=1、Z=1。 (3) 化為最小整數(shù)后則化為最小整數(shù)后則0a晶向為晶向為111。同理。同理0b晶

14、向為晶向為010，0c為為100，0d為為001。 （如有負號，負號記在數(shù)字上面）（如有負號，負號記在數(shù)字上面） 2.42 晶面指數(shù)晶面指數(shù) 由于晶體中原子排列的規(guī)律性，所有晶胞的對應(yīng)面都是平行由于晶體中原子排列的規(guī)律性，所有晶胞的對應(yīng)面都是平行的，雖然各晶面的截距不同，但都成比例，故將截距的倒數(shù)化為的，雖然各晶面的截距不同，但都成比例，故將截距的倒數(shù)化為最小整數(shù)后，互相平行的晶面（晶面族）指數(shù)都是相同的，故用最小整數(shù)后，互相平行的晶面（晶面族）指數(shù)都是相同的，故用h k l表示。表示。具體標定：具體標定：(1) (1) 取晶向取晶向100100、010010、001001為為X X、Y Y、

15、Z Z為坐標軸，但坐標原點為坐標軸，但坐標原點必須在所求的晶面必須在所求的晶面A A之外；之外；(2) (2) 以晶格常數(shù)為單位求以晶格常數(shù)為單位求A A面面截距截距X=X=、Y Y1 1、Z Z1 1；(3) (3) 取倒數(shù)，取倒數(shù)，X=1/=0X=1/=0、Y Y1 1、Z Z1 1；(4) (4) 化為最小整數(shù)后，化為最小整數(shù)后，A A的晶面指數(shù)的晶面指數(shù)為（為（011011）。）。但求但求B的晶面指數(shù)時，應(yīng)改變坐標系，使坐標原點的晶面指數(shù)時，應(yīng)改變坐標系，使坐標原點0不在不在B面上。否面上。否則倒數(shù)出現(xiàn)則倒數(shù)出現(xiàn)。 2.5 金屬的典型晶胞結(jié)構(gòu)金屬的典型晶胞結(jié)構(gòu) 面心立方晶胞（面心立方晶

16、胞（FCC或或A1) 結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點： （1）晶胞原子數(shù)為）晶胞原子數(shù)為4個個 （2）點陣常數(shù)）點陣常數(shù)a，最小，最小原子間距為原子間距為2/a （3）致密度（）致密度（K)：指晶胞中原子所占的體積與晶胞體：指晶胞中原子所占的體積與晶胞體積之比。積之比。FCC的的K為為74. （4）密排方向）密排方向: （5）fcc中八面體間隙半徑（中八面體間隙半徑（0.146a）遠比四面體間）遠比四面體間隙（隙（0.006a）大）大 （6）配為數(shù)為）配為數(shù)為12 耐熱合金多采用耐熱合金多采用FCC結(jié)構(gòu)的奧氏體為基體。結(jié)構(gòu)的奧氏體為基體。 鋁，奧氏體不銹鋼，鎳基合金，鋁，奧氏體不銹鋼，鎳基合金，Ag-In

17、-Cd均屬于均屬于FCC體心立方晶胞（體心立方晶胞（BCC或或A2) 結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點： （1）晶胞原子數(shù)為）晶胞原子數(shù)為2個個 （2）點陣常數(shù)）點陣常數(shù)a，最小原子間距為，最小原子間距為 （3）致密度（）致密度（K)：68 （4）密排方向）密排方向是是 2/3a密排六方晶格密排六方晶格 （HCP） 結(jié)構(gòu)特點：結(jié)構(gòu)特點： （1）晶胞原子數(shù)為）晶胞原子數(shù)為6個個 （2）晶格常數(shù)）晶格常數(shù)a,c；最小原子間距為；最小原子間距為a （3）致密度（）致密度（K)：74 Mg,Cd,Be,C屬于屬于HCP2.54 滑移系（滑移面滑移系（滑移面滑移方向）滑移方向） 當外力超過金屬的彈性極限時晶體沿某一特

18、定晶面的當外力超過金屬的彈性極限時晶體沿某一特定晶面的相對位移，稱為滑移。相對位移，稱為滑移。 （見書）（見書）2.6 合金相結(jié)構(gòu)合金相結(jié)構(gòu) 相是合金中具有相同成分、結(jié)構(gòu)和性能的均勻部分并相是合金中具有相同成分、結(jié)構(gòu)和性能的均勻部分并和其它相有明顯的分界面者稱為相。雖然各種合金由和其它相有明顯的分界面者稱為相。雖然各種合金由于成分、熱處理的不同，導(dǎo)致相的種類很多，但它們于成分、熱處理的不同，導(dǎo)致相的種類很多，但它們的基本結(jié)構(gòu)都是由固溶體和中間相組合而成的。的基本結(jié)構(gòu)都是由固溶體和中間相組合而成的。 2.61 固溶體固溶體 固溶體是溶質(zhì)原子固溶在溶劑晶格內(nèi)的均一結(jié)晶相，固溶體是溶質(zhì)原子固溶在溶劑

19、晶格內(nèi)的均一結(jié)晶相，其晶體結(jié)構(gòu)和溶劑晶格相同。其晶體結(jié)構(gòu)和溶劑晶格相同。 置換固溶體和間隙固溶體兩種置換固溶體和間隙固溶體兩種 無論是置換固溶體，還是間隙型固溶體，溶質(zhì)原子都無論是置換固溶體，還是間隙型固溶體，溶質(zhì)原子都會引起溶劑晶格畸變，導(dǎo)致強度上升，塑性下降。會引起溶劑晶格畸變，導(dǎo)致強度上升，塑性下降。 形成置換固溶體形成置換固溶體時，直徑比溶劑時，直徑比溶劑大的溶質(zhì)原子常大的溶質(zhì)原子常被吸引到刃型位被吸引到刃型位錯下部受膨脹的錯下部受膨脹的部位；部位； 而比溶劑原子小而比溶劑原子小的溶質(zhì)原子常聚的溶質(zhì)原子常聚集在刃型位錯上集在刃型位錯上部受壓縮的部分。部受壓縮的部分。 當形成間隙固溶當形

20、成間隙固溶體時，由于溶質(zhì)體時，由于溶質(zhì)原子直徑很小，原子直徑很小，因此總是被吸引因此總是被吸引在刃型位錯下部在刃型位錯下部受拉應(yīng)力的部位受拉應(yīng)力的部位 2.62 中間相（或稱金屬間化合物）中間相（或稱金屬間化合物）由于金屬間化合物的形成區(qū)處于二元相圖上兩個固溶體的中間位由于金屬間化合物的形成區(qū)處于二元相圖上兩個固溶體的中間位置，故稱為中間相。置，故稱為中間相。 由于中間相結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以熔點高、硬而脆，是提高鋼的強度和由于中間相結(jié)構(gòu)復(fù)雜，所以熔點高、硬而脆，是提高鋼的強度和熱強性的重要組成相。熱強性的重要組成相。 類型：類型：（1）正常價化合物（）正常價化合物（MnS, ZnS等）：等）： 這是

21、由兩種負電性相差較這是由兩種負電性相差較大的元素按照通常的化學(xué)價形成的化合物，它們以共價鍵或離子大的元素按照通常的化學(xué)價形成的化合物，它們以共價鍵或離子鍵結(jié)合鍵結(jié)合 （2）電子化合物（）電子化合物（FeAl，NiAl等）：這類化合物的特點是電子等）：這類化合物的特點是電子濃度是決定其晶體結(jié)構(gòu)的主要因素，而原子配比不符合化學(xué)價規(guī)濃度是決定其晶體結(jié)構(gòu)的主要因素，而原子配比不符合化學(xué)價規(guī)律律 （3）間隙化合物（）間隙化合物（Fe3C，M3O，M23C6等），等），（4）超結(jié)構(gòu)（有序固溶體）等。）超結(jié)構(gòu)（有序固溶體）等。 2.72.7 二元合金相圖簡介二元合金相圖簡介 相圖則是表達物質(zhì)系統(tǒng)的存在狀態(tài)與

22、化學(xué)成分、相圖則是表達物質(zhì)系統(tǒng)的存在狀態(tài)與化學(xué)成分、溫度及壓力關(guān)系的圖線。溫度及壓力關(guān)系的圖線。 對合金系統(tǒng)，一般的壓力變化并不影響其存在狀對合金系統(tǒng)，一般的壓力變化并不影響其存在狀態(tài)，所以通常的相圖是表示在一個大氣壓下的狀態(tài)隨態(tài)，所以通常的相圖是表示在一個大氣壓下的狀態(tài)隨化學(xué)成分和溫度的變化，溫度和成分分別取為縱橫坐化學(xué)成分和溫度的變化，溫度和成分分別取為縱橫坐標。標。 （1 1）具有無限固溶體的狀態(tài)圖（勻晶相圖）具有無限固溶體的狀態(tài)圖（勻晶相圖） 這是一種最簡單形式的狀態(tài)圖，物質(zhì)系統(tǒng)的二組這是一種最簡單形式的狀態(tài)圖，物質(zhì)系統(tǒng)的二組元在液態(tài)和固態(tài)下都可以完全互溶，元在液態(tài)和固態(tài)下都可以完全互溶