[物理]第2章 金属与合金的晶体结构.ppt

机械工程材料 第二节 金属的晶体结构 一、金属的特性和金属键 1.金属的特性：金属具有光泽及良好的导电性、导热性和塑性。且与非金属的区别是，金属的电阻随温度的升高而增大，即具有正的电阻温度系数；而非金属则相反。 2.金属键 三、晶体结构 的致密度 致密度：晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比，用来对原子排列的紧密程度进行比较。 如：体心立方晶格的致密度为0.68；面心立方晶格及密排六方晶格的致密度为0.74，所以当铁由面心立方晶格变为体心立方晶格时，因致密度减小而使体积膨胀。 四、晶面与晶向 晶面：在金属晶体中，通过一系列原子所构成的平面，称为晶面。 晶面指数：100、110、111 晶向：通过两个以上原子的直线，表示某一原子列在空间的位向，称为晶向。 5.固相：固态下的相统称为固相。 6.液相：液体状态下的相称为液相。 7.相变：金属与合金的一种相在一定条件下可以变为另一种相叫做相变。 8.合金组织：固态合金的组织分为固溶体和金属化合物两类。 3.3.1 固溶体 固溶体：合金在固态下，组元间仍能互相溶解而形成的均匀相。 溶剂—在固溶体中保持晶格不变的组元为溶剂。 溶质—以原子状态分布在溶剂晶格中的物质。 如：碳溶于γ—Fe中 1.固溶体的类型 一 、固溶体的分类 1、离子尺寸因素 2、离子的电价因素 3、晶体的结构因素 4、电负性因素 2）置换固溶体—溶质原子代替了部分溶剂原子，而占据了溶剂晶格中结点的位置形成的固溶体。 形成间隙型固溶体的条件 间隙式固溶体的固溶度仍然取决于离子尺寸、离子价、电负性，结构等因素。 1、 杂质质点大小 即添加的原子愈小，易形成固溶体，反之亦然。 2 、晶体（基质）结构 离子尺寸是与晶体结构的关系密切相关的，在一定程度上来说，结构中间隙的大小起了决定性的作用。一般晶体中空隙愈大，结构愈疏松，易形成固溶体。 3、电价因素 外来杂质原子进人间隙时，必然引起晶体结构中电价的不平衡，这时可以通过生成空位，产生部分取代或离子的价态变化来保持电价平衡。 例如YF3加入到CaF2中： 当F-进入间隙时，产生负电荷，由Y3+进入Ca2+位置来保持位置关系和电价的平衡。 间隙式固溶体的生成，—般都使晶格常数增大，增加到一定的程度，使固溶体变成不稳定而离解，所以填隙型固溶体不可能是连续的固溶体。晶体中间隙是有限的，容纳杂质质点的能力≤10%。 2.固溶体的性能 溶质原子溶入溶剂晶格中，不论是形成间隙固溶体，还是置换固溶体，都将导致晶格畸变，使塑性变形抗力增大，导致金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。 固溶体—晶格畸变—强度、硬度增加 —固溶强化。对力学性能要求高的结构都以固溶体为基体。 4、形成固溶体后对材料物理性质的影响 PbTiO3是一种铁电体，纯PbTiO3烧结性能极差，居里点为490℃，发生相变时，晶格常数剧烈变化，在常温下发生开裂。 PbZrO3是一种反铁电体，居里点为230℃。 两者结构相同，Zr4+、Ti4+离子尺寸相差不多，能在常温生成连续固溶体Pb(ZrxTi1-x)O3，x=0.1~0.3。在斜方铁电体和四方铁电体的边界组成Pb(Zr0.54Ti0.46)O3处，压电性能、介电常数都达到最大值，烧结性能也很好，被命名为PZT陶瓷。 金属化合物 1.金属化合物:合金元素之间发生相互作用而形成的具有金属特性的一种新相。 如：Fe3C 2.特点：晶格类型不同于任一组元，具有复杂的晶体结构，熔点高，硬而脆，很少单独使用。当呈现细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，使合金的强度、硬度和耐磨性显著提高，称弥散强化。 3.金属化合物作用：主要用来作为碳钢、各类合金钢、硬质合金及有色金属的重要组成相、强化相。 工业上使用的合金状况 工业上使用的合金，通过控制固溶体中溶质含量和金属化合物的数量、大小、形态及分布情况，使得合金力学性能在较大范围内变动，以满足工程上不同的使用要求。 如：铁、碳合金随着含碳量的增加铁素体 （F)不断减少，渗碳体（Fe3C）不断增加。 Fe3C 的晶格结构 第四节 实际金属的晶体结构 一、多晶体与亚组织 单晶体：由原子按一定的几何规律作周期性排列而成，即晶体内部的晶格位向是完全一致的，这种晶体称为单晶体。 实际使用的工业金属材料，其内部仍包含许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部的晶格位向是