1、金屬材料及熱處理金屬材料及熱處理第一篇第一篇 金屬材料的結構與缺陷金屬材料的結構與缺陷2 2第一章第一章 材料的結構材料的結構本章提要本章提要結合鍵與材料的性質結合鍵與材料的性質晶體學的基本概念晶體學的基本概念純金屬的晶體結構純金屬的晶體結構合金的晶體結構合金的晶體結構3 3第一章第一章 材料的結構材料的結構第一節第一節 材料的結合方式材料的結合方式1.1.1 化學鍵化學鍵化學鍵化學鍵組成物質的質點的相互作用組成物質的質點的相互作用力。力。共價鍵共價鍵共用電子對共用電子對有飽和性與方向性。有飽和性與方向性。共價晶體共價晶體高熔點，高強度，較好絕緣性。高熔點，高強度，較好絕緣性。4 42. 離子

2、鍵離子鍵得失電子形成得失電子形成沒有方向性和飽和性沒有方向性和飽和性離子晶體離子晶體高熔點，高硬度，導電（熔融）高熔點，高硬度，導電（熔融） 5 53. 金屬鍵金屬鍵原子共用自由電子形成原子共用自由電子形成無飽和性和方向性。無飽和性和方向性。金屬晶體金屬晶體原子排列密度高，能變形，導電，導熱。原子排列密度高，能變形，導電，導熱。6 6金屬原子結構的特點金屬原子結構的特點外層電子少，易失去。外層電子少，易失去。有自由電子。有自由電子。金屬離子與自由電子形成鍵。金屬離子與自由電子形成鍵。金屬鍵無方向性金屬鍵無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7 74. 范德瓦爾鍵范德瓦爾鍵 分子間

3、靜電引力形成，分子鍵分子間靜電引力形成，分子鍵 聚合物鏈間聚合物鏈間沒有方向性和飽和性沒有方向性和飽和性分子晶體分子晶體 如冰、干冰等如冰、干冰等熔點低，硬度小熔點低，硬度小8 81.1.2 工程材料的鍵性工程材料的鍵性圖圖1-49 9第二節第二節 晶體學基礎晶體學基礎1.2.1 晶體與非晶體晶體與非晶體晶體晶體：物質的質點在三維空間作有規律：物質的質點在三維空間作有規律的周期性重復排列所形成的物質。的周期性重復排列所形成的物質。長程有序長程有序晶體的特性晶體的特性：各向異性、固定的熔點、產生電子衍射等。各向異性、固定的熔點、產生電子衍射等。1010Al 原子的微觀排列原子的微觀排列1111單

4、晶體的各向異性單晶體的各向異性12121.2.2空間點陣空間點陣1. 點陣、陣點與晶格點陣、陣點與晶格空間點陣空間點陣：將理想晶體抽象為無數相同：將理想晶體抽象為無數相同的質點（原子等的中心），其在空間的的質點（原子等的中心），其在空間的排列稱為空間點陣，簡稱點陣。排列稱為空間點陣，簡稱點陣。陣點陣點：點陣中的單個質點。：點陣中的單個質點。晶格晶格：將陣點用一系列平行的直線連接：將陣點用一系列平行的直線連接起來構成的空間格架。起來構成的空間格架。13132. 晶胞晶胞晶胞晶胞：構成點陣的最基本單元。：構成點陣的最基本單元。晶胞選擇的依據晶胞選擇的依據：反映點陣的規律反映點陣的規律反映點陣對稱性

5、。反映點陣對稱性。 平衡六面體內各角與棱盡量相等。平衡六面體內各角與棱盡量相等。 棱之間盡量為直角。棱之間盡量為直角。晶胞體積最小。晶胞體積最小。14143. 晶胞參數：晶胞參數： 晶格常數、晶格常數、 晶軸間角晶軸間角、4. 七個晶系與十四種七個晶系與十四種Bravis點陣點陣151516161.2.3 晶向指數與晶面指數晶向指數與晶面指數基本概念基本概念晶面晶面：晶體中由一系列原子組成的平面。晶體中由一系列原子組成的平面。晶向晶向：任意兩個原子之間連線所指的方向。任意兩個原子之間連線所指的方向。晶向指數與晶面指數晶向指數與晶面指數：標明晶面與晶向空間方位排列的統標明晶面與晶向空間方位排列的

6、統一方法。一方法。17171.晶向指數晶向指數晶格中的點晶格中的點三步法確定晶向指數三步法確定晶向指數 建坐標，確定點建坐標，確定點“末末”- “始始”，數字定，數字定化整，加化整，加 1818晶向族晶向族平行且同向的晶平行且同向的晶向指數相同。向指數相同。方向相反晶向的方向相反晶向的指數為相反數。指數為相反數。用用代代表所有原子排列表所有原子排列相同但空間位向相同但空間位向不同的晶向，稱不同的晶向，稱晶向族晶向族。1919正交系常用晶向指數正交系常用晶向指數20202.晶面指數晶面指數三步法確定晶面指數三步法確定晶面指數（hkl）取坐標取坐標求截距求截距求倒數、化整求倒數、化整 2121晶面

7、族晶面族平行晶面的指數平行晶面的指數相同相同指數互為相反數指數互為相反數時，晶面法線反時，晶面法線反向向用用hkl代表空代表空間位向不同，但間位向不同，但原子排列情況完原子排列情況完全相同的晶面，全相同的晶面，稱為稱為晶面族晶面族。2222立方系常用晶面指數立方系常用晶面指數23233. 六方晶系的晶面指數與晶向指數六方晶系的晶面指數與晶向指數四軸坐標四軸坐標晶面指數晶面指數 同于立方系方法同于立方系方法晶向指數晶向指數 轉換法轉換法 u=1/3（2U-V） v=1/3（2V-U） t= -(u+v） w=W2424六方系常用晶面與晶向六方系常用晶面與晶向25254. 晶帶與晶帶定理晶帶與晶帶

8、定理晶帶晶帶：由與某一晶向直線平行及所有相：由與某一晶向直線平行及所有相交于該晶向直線的交于該晶向直線的所有晶面所有晶面構成的構成的集合集合。該直線稱為該晶體帶軸。該直線稱為該晶體帶軸。晶帶定理晶帶定理：在立方晶系中，若晶面（在立方晶系中，若晶面（hkl）的晶帶軸）的晶帶軸是是uvw，則必有，則必有hu+kv+lw=0 反之亦然。反之亦然。2626應用：應用： 根據兩不平行晶面的指數（根據兩不平行晶面的指數（h1 k1 l1），），（h2 k2 l2）可以求出它們所在晶帶的晶帶軸可以求出它們所在晶帶的晶帶軸uvw。u=k1l2 - k2l1v=l1h2 - l2h1w=h1k2 - h2k12

9、7275.晶面間距晶面間距22222222221( )( )( )14 ()( )3hklhklhkldhklabcadhkldhhkklac 正交系 立方系 六方系2828課后練習課后練習在立方晶胞中畫出：在立方晶胞中畫出：四個四個111晶面和六個晶面和六個110晶面晶面八個八個晶向和晶向和12個個晶向晶向寫出與六方晶系中的寫出與六方晶系中的 101，111及及001對應的四軸指數對應的四軸指數-2929第三節第三節 材料的晶體結構材料的晶體結構1.3.1 典型金屬的晶體結構典型金屬的晶體結構體心立方、面心立方、密排六方結構體心立方、面心立方、密排六方結構3030晶胞中的原子數晶胞中的原子數

10、原子半徑原子半徑配位數配位數致密度致密度原子堆垛方式原子堆垛方式晶體結構中的間隙晶體結構中的間隙31311.晶胞中的原子數晶胞中的原子數32322.原子半徑原子半徑33333. 配位數配位數配位數：一個原子周圍最近鄰并且等距配位數：一個原子周圍最近鄰并且等距離的原子的個數。離的原子的個數。FCCCPH34344.致密度致密度體心立方體心立方面心立方面心立方密排六方密排六方35355.原子堆垛原子堆垛單擊看動畫單擊看動畫體心立方的原子堆垛體心立方的原子堆垛密排面密排面11036363737密排六方與面心立方的原子堆垛密排六方與面心立方的原子堆垛密排面原子排列特點密排面原子排列特點密排面密排面11

11、1，（0001）原子形成密集堆積的堆積位置可以是原子形成密集堆積的堆積位置可以是 A, B或者或者C3838面心立方晶胞中的密堆積面面心立方晶胞中的密堆積面3939面心立方與密排六方堆垛的差異面心立方與密排六方堆垛的差異4040密排六方的原子堆垛密排六方的原子堆垛4141面心立方的原子堆垛面心立方的原子堆垛42426.晶體結構中的間隙晶體結構中的間隙體心立方結構的間隙體心立方結構的間隙4343面心立方結構的間隙面心立方結構的間隙4444密排六方結構的間隙密排六方結構的間隙45457.晶體中的各向異性晶體中的各向異性單晶體的各向異性單晶體的各向異性See Table 1.1各向異性的原因：各向異

12、性的原因：各方向原子排列特點不同各方向原子排列特點不同實際材料常是偽各向同性的。實際材料常是偽各向同性的。46468.多晶型性多晶型性多晶型性及多晶型轉變：多晶型性及多晶型轉變：一種材料一種材料具有幾種不同晶體結構的性質具有幾種不同晶體結構的性質稱多晶型性。稱多晶型性。當改變溫度或壓力時，晶體從一種結構轉變為另一當改變溫度或壓力時，晶體從一種結構轉變為另一種結構，稱種結構，稱多晶型轉變多晶型轉變。 意義：意義：熱處理的工藝基礎熱處理的工藝基礎通過改變結構而改變性能通過改變結構而改變性能多晶型轉變的體積變化多晶型轉變的體積變化4747純鐵的多晶型轉變及體積變化純鐵的多晶型轉變及體積變化4848拓

13、展復習題拓展復習題證明：證明：在立方晶系中相同指數的晶面與晶向互相在立方晶系中相同指數的晶面與晶向互相垂直，即垂直，即hkl(hkl)(hkl)利用上題結論，證明晶帶定理利用上題結論，證明晶帶定理計算立方系計算立方系321與與120及（及（111）與）與之間的夾角。之間的夾角。計算面心立方八面體間隙與四面體間隙半計算面心立方八面體間隙與四面體間隙半徑。徑。(111)4949 5050912時，時，-Fe-Fe轉變為轉變為-Fe-Fe，求其體積，求其體積改變率改變率考慮單位質量，其體積作為參考初始體積考慮單位質量，其體積作為參考初始體積恒溫時鐵原子的半徑保持不變恒溫時鐵原子的半徑保持不變0%10

14、0%VVV51511.3.2 共價晶體的晶體結構共價晶體的晶體結構特點：特點：配位數低（配位數低（8-N），致密度低），致密度低525253531.3.3 離子晶體的晶體結構離子晶體的晶體結構特點：特點：配位數主要由離子的半徑比決定。配位數主要由離子的半徑比決定。5454簡單離子晶體的結構簡單離子晶體的結構55551.3.4 合金的相結構合金的相結構基本概念基本概念合金：合金：由兩種或兩種以上金屬元素，或金屬與非金由兩種或兩種以上金屬元素，或金屬與非金屬元素，經過屬元素，經過熔煉、燒結或其他方法熔煉、燒結或其他方法組合而成，組合而成，具有金屬特性的物質。具有金屬特性的物質。組元：組元：組成合金

15、的最基本的組成合金的最基本的獨立物質獨立物質，單質或化合，單質或化合物。物。 相：相：聚集狀態相同的，結構和性質一致，并以界聚集狀態相同的，結構和性質一致，并以界面相互隔開的面相互隔開的均勻的組成部分均勻的組成部分。5656合金中的相的顯微鏡形貌合金中的相的顯微鏡形貌單相合金與兩相合金單相合金與兩相合金57571.固溶體固溶體概念：概念：B組元的組元的原子原子完全完全溶入固相的溶入固相的A組元組元，并，并保持保持A的晶體結構所形成的合金相。的晶體結構所形成的合金相。A,B分別稱為分別稱為溶劑組元溶劑組元與與溶質組元溶質組元。分類分類置換固溶體置換固溶體與與間隙固溶體間隙固溶體有限固溶體與無限固

16、溶體有限固溶體與無限固溶體有序固溶體與無序固溶體有序固溶體與無序固溶體5858間隙固溶體間隙固溶體H,O,N,C,B等溶入過渡金屬中形成等溶入過渡金屬中形成Rb/Ra0.59晶格膨脹晶格膨脹固溶度有限固溶度有限溶劑間隙的形狀與大小影響固溶度溶劑間隙的形狀與大小影響固溶度5959置換固溶體置換固溶體常在過渡金屬組元之間形成常在過渡金屬組元之間形成也有晶格畸變也有晶格畸變條件合適時組元濃度可以連續變化條件合適時組元濃度可以連續變化6060影響置換固溶體固溶度的因素影響置換固溶體固溶度的因素晶體結構因素晶體結構因素 相同時易實現無限互溶相同時易實現無限互溶原子尺寸因素原子尺寸因素R/Ra14%-15

17、%，易大量固溶，易大量固溶電負性因素電負性因素接近時易大量固溶接近時易大量固溶電子濃度因素電子濃度因素受極限電子濃度制約，價越高的溶受極限電子濃度制約，價越高的溶 質其溶解度越小質其溶解度越小6161電子濃度因素電子濃度因素現象：溶質原子的化合價越高，在一價現象：溶質原子的化合價越高，在一價Cu,Ag,Au中的固溶度越小。但形成固溶體的極中的固溶度越小。但形成固溶體的極限電子濃度卻相同。限電子濃度卻相同。核心：核心：固溶體的固溶度受極限電子濃度制約。固溶體的固溶度受極限電子濃度制約。電子濃度的定義電子濃度的定義 e/a(固溶體價電子數固溶體價電子數/原子數原子數)=Va,Vb:溶劑與溶質的化合

18、價溶劑與溶質的化合價X: 溶質的原子數，溶質的原子數，100Va(100-x)+Vb x1006262固溶體的微觀不均勻性固溶體的微觀不均勻性宏觀均勻的固溶體微觀可表現為無序、偏聚宏觀均勻的固溶體微觀可表現為無序、偏聚及短程有序的分布。及短程有序的分布。6363有序固溶體有序固溶體64646565固溶體的晶格畸變固溶體的晶格畸變6666固溶體的性能與應用固溶體的性能與應用固溶強化固溶強化隨溶質濃度提高，隨溶質濃度提高，強度硬度增大同時塑性韌性強度硬度增大同時塑性韌性下降。下降。作為合金組織的作為合金組織的基體相基體相使用使用可以承力，可以變形。可以承力，可以變形。67672.中間相中間相金屬化

19、合物金屬化合物概念：概念：溶質含量超過溶解度極限時出現的具有全溶質含量超過溶解度極限時出現的具有全新晶體結構的新相。新晶體結構的新相。鍵性：鍵性：主要金屬鍵，兼有離子鍵、共價鍵。主要金屬鍵，兼有離子鍵、共價鍵。種類：種類： 正常價化合物、電子化合物、間隙相與間正常價化合物、電子化合物、間隙相與間隙化合物隙化合物6868正常價化合物正常價化合物符合化合價規律符合化合價規律金屬金屬IVA,VA,VIA元素間元素間電負性差越大，離子鍵比例越大，化合物電負性差越大，離子鍵比例越大，化合物越穩定越穩定常見的離子晶體型的陶瓷材料常見的離子晶體型的陶瓷材料高硬度高脆性，可作彌散強化相高硬度高脆性，可作彌散強化相6969電子化合物電子化合物Hume-Rothery定律定