金属学与热处理 空间材料与环境工程实验室考 试 要 求熟悉常用术语和基本概念 牢固建立材料的性能决定于材料 的组织、结构这一概念 掌握金属材料主要热加工工艺原 理, 并能制定常规热处理工艺。 选择题判断题间答题综合题 题 型材料的结构、组织与性能含义结构组织构成材料的基本质点(离子、原 子或分子等)是如何结合与排列 的，它表明材料的构成方式。指借助于显微镜所观察到的材 料微观组成与形貌-通常称为 显微组织。组织结构组织结构性能性能热加工工艺锻 造铸 造焊 接热 处 理组织结构组织结构性能性能热加工工艺锻 造铸 造焊 接热 处 理第一章组织结构组织结构性能性能热加工工艺锻 造铸 造焊 接热 处 理第二、三、四 、五章组织结构组织结构性能性能热加工工艺锻 造铸 造焊 接热 处 理第六章组织结构组织结构性能性能热加工工艺锻 造铸 造焊 接热 处 理第七、八、九章第一章 金属和合金的晶体结构1.1 金属原子间的键合特点1.2 金属晶体典型结构1.3 合金相结构1.4 金属晶体缺陷1.1 金属原子间的键合特点金属的定义金属是具有正的电阻 温度系数的物质, 通常 具有良好的导电性、 导热性、延展性、高 的密度和高的光泽1.1 金属原子间的键合特点金属原子的结构特点其最外层的电子数很 少，一般为12个， 不超过3个。价电子1.1 金属原子间的键合特点金属键共有价电子电子 云键无方向性和 饱和性性能特点：1)良好的导电性及导热性；2)正的电阻温度系数；3)良好的强度及塑性；4)特有的金属光泽。材料的原子排列非晶态原子排列短程有序或无序1.2 金属晶体典型结构非晶体的特点是：结 构无序；物理性质表 现为各向同性；没有 固定的熔点；热导率 （导热系数）和膨胀性 小；1.2 金属晶体典型结构晶体基元在三维空间呈规律性排列长程有序 单个的原子、离子、分子或彼此 等同的原子群或分子群等。 晶体的主要特点是：结构有序；物理 性质表现为各向异性；有固定的熔点； 在一定条件下有规则的几何外形。1.2 金属晶体典型结构空间点阵是一个几何概念，它由一 维、二维或三维规则排列 的阵点组成。1.2 金属晶体典型结构刚球模型用刚球代表空间排列的原子 晶格刚球抽象为质点，构成空间格架 晶胞保持点阵几何特征的基本单元 1.2 金属晶体典型结构布拉菲在1948年根据“每个阵点 环境相同”的要求，用数学分析法 证明晶体的空间点阵只有14种， 称为布拉菲点阵，分属7个晶系 。1.2 金属晶体典型结构晶胞中所含原子数晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。 配位数是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。致密度是指晶胞中原子所占体积分数，即K = n v/ V 。式中，n为 晶胞所含原子数、v为单个原子体积、V为晶胞体积。 原子半径原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的 一半。 1.2 金属晶体典型结构晶胞参数三种 典型 晶体 结构体心立方面心立方密排六方体心立方晶格参数Cr、V、 Mo、W和 -Fe等30 多种 1.2 金属晶体典型结构体心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构单胞 中原 子数体心立方晶格参数1.2 金属晶体典型结构1.2 金属晶体典型结构间隙1.2 金属晶体典型结构1.2 金属晶体典型结构面心立方晶格Al、Cu、 Ni和-Fe 等约20种 1.2 金属晶体典型结构晶胞中原子数1.2 金属晶体典型结构原子半径1.2 金属晶体典型结构配位数1.2 金属晶体典型结构间隙1.2 金属晶体典型结构密排六方晶格参数Mg、Zn、 Cd、Be等 20多种 1.2 金属晶体典型结构1.2 金属晶体典型结构晶胞中原子数密排六方晶格参数1.2 金属晶体典型结构1.2 金属晶体典型结构配位数晶面及晶向的原子密度不同晶体结构中不同晶面、不 同晶向上的原子排列方式和排列 紧密程度是不一样的。密排面与密排向概念1.2 金属晶体典型结构堆垛方式晶向指数1.2材料的原子排列晶向指数的确定方法 建立以晶胞的边长作为单 位长度的右旋坐标系。 定出该晶向上任两点的坐 标。 用末点坐标减去始点坐标 。 将相减后所得结果约成互 质整数，加一方括号。1.2 金属晶体典型结构晶面及晶面指数晶面指数的确定方法 在以晶胞的边长作为单 位长度的右旋坐标系中取 该晶面在各坐标轴上的截 距。 取截距的倒数。 将倒数约成互质整数， 加一圆括号。 1.2 金属晶体典型结构晶带和晶带轴平行于或者相交于同一直线的 一组晶面组成一个晶带，而该 直线叫做晶带轴。晶带与晶带轴六方晶系1.2 金属晶体典型结构晶体的各向异性换算关系多晶型转变1.3 金属的典型晶体结构当外部的温度和压强改 变时，有些金属会由一 种晶体结构向另一种晶 体结构转变，称之为多 晶型转变，又称为同素 异构转变计算在912 -Fe -Fe时的体 积变化率。=8.8%合金两种或两种以上金属元素，或金属 元素与非金属元素，经熔炼、烧结 或其它方法组合而成并具有金属特 性的物质组元 组成合金最基本的独立的物质，通 常组元就是组成合金的元素。 相 是合金中具有同一聚集状态、相同 晶体结构，成分和性能均一，并以 界面相互分开的组成部分 1.3 合金相结构固溶体中间相(金属化合物)间隙固溶体置换固溶体相 1.3 合金相结构固溶体1.3 合金相结构合金的组元通过溶解形 成一种成分及性能均匀 的、且结构与组元之一 相同的固相，称为固溶 体。与固溶体结构相同 的组元为溶剂，另一组 元为溶质。固溶体的分类按溶质原子在溶剂晶格中的 位置，固溶体可分为置换固溶 体与间隙固溶体两种。 间隙固溶体置换固溶体置换固溶体的固溶度影响因素晶体结构类型相同固溶体的性能通过形成固溶体而产生晶格畸变 ，使金属强度和硬度提高的现象 称为固溶强化。固溶强化是金属强化的重要方式 之一。固溶体的综合力学性能较 好，常作为结构合金的基体相。 1.3 合金相结构固溶体金属化合物正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物符合化合物原子价规律的金属间化合 物。它们具有严格的化合比，成分固 定不变。它的结构与相应分子式的离 子化合物晶体结构相同，如分子式具 有AB型的正常价化合物其晶体结构为 NaCl型，多为离子化合物。正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物是指按照一定价电子浓度的比值 组成一定晶格类型的化合物。电 子化合物的熔点和硬度都很高， 而塑性较差，是有色金属中的重 要强化相。正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物当非金属原子半径与金属原 子半径的比值小于0.59时， 将形成具有简单晶体结构的 金属间化合物化学式类类型钢钢中可能遇到的间间隙相化学式晶格类类型M4XFe4 N ，Nb4 C， Mn4 C面心立方M2XFe2 N，Cr2N，W2C，Mo2C密排六方MXTaC，TiC，ZrC，VC TiN，ZrN，VN MoN，CrN，WC面心立方 体心立方 简单简单六方MX2VC2，CeC2，ZrH2，TiH2，LaC2面心立方正常价化合物电子化合物间隙相间隙化合物当非金属原子半径与金属原子半径的比值 大于0.59时，将形成具有复杂晶体结构的 金属间化合物，间隙化合物也具有很高的 熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的 强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合 物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一 些。类类型简单结简单结 构间间隙化合物复杂结杂结构间间隙化合物 化学式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23 C6Fe3 C硬度HV28502840201020501550173014801650800 熔点/3080347220265036805039802785 5252715771227点缺陷线缺陷面缺陷点缺陷的特点是在空间三维方 向上的尺寸都很小，约为几个 原子间距，又称零维缺陷 空位 间隙原子 置换 原子，1.4 金属晶体缺陷点缺陷线缺陷面缺陷线缺陷就是各种类型的位错。它是指晶体中的 原子发生了有规律的错排现象。其特点是原子 发生错排的范围只在一维方向上很大，是一个 直径为35个原子间距，长数百个原子间距以 上的管状原子畸变区。1.4 金属晶体缺陷点缺陷线缺陷面缺陷晶体的面缺陷包括晶体的外表面（ 表面或自由界面）和内界面两类， 其中的内界面又有晶界、亚晶界、 孪晶界、堆垛层错和相界等。1.4 金属晶体缺陷线缺陷线缺陷柏氏矢量的主要特性：柏氏矢量的主要特性：可以表示晶体滑移的方向和大 小。 位错线和柏氏矢量构成的平面 定义为滑移面。面缺陷由于表面上的原子与晶体内部的原子相比其配位数 较少，使得表面原子偏离正常位置，在表面层产生 了晶格畸变，导致其能量升高。将这种单位表面面 积上升高的能量称为比表面能，简称表面能。表面 能也可以用单位长度上的表面张力（Nm）表示。面缺陷在多相组织中，具有不同晶 体结构的两相之间的分界面 称为相界。