金属材料与热处理最新版

❖ 金属 ── 金属键结合。 ❖ 具有正的电阻温度系数、导电性和导热性、
延展性和金属光泽。 ❖ 固体: 晶体和非晶体。 ❖ 绝大多数金属与合金都是晶体。 ❖ 晶体：原子在空间呈有规则的周期性重复排
列。
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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
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晶体与非晶体最本质的区别在于： （1）晶体的原子、离子、分子等质点是 规则排 列，而非晶体中这些质点是无规则堆积在一起的。
实际晶体：多晶体+晶体缺陷 晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域，按
其几何尺寸特征，可分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。
原子的不规则排列产生晶体缺陷。晶体缺陷在材料 组织控制（如扩散、相变）和性能控制（如材料强化）中具有重 要作用。
点缺陷：在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、间隙原 子、异类原子等。
第一章 金属的晶体结构与结晶
• 金属的特性和金属键；晶体与非晶体； • 金属晶体结构是决定性能的内在基本因素之一； • 实际晶体中晶体缺陷普遍存在，对金属的许多性质，尤其
是力学性能有着重大的影响； • 纯金属结晶过程； • 晶粒细化对提高金属材料力学性能的显著作用，凝固时细
化晶粒的途径和方法。
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天然晶体的外形对称性。
非晶体
（2）晶体具有明显、固定的熔点。蜂如蜡铁、的玻璃熔等点。为 1538℃ ，铜的熔点为1083℃ 。
液体
（3）晶体有各向异性。 金属是晶体，晶体学理论研究金属的内部结
构。
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一、 晶体学简介 1 晶体结构模型 理想晶体中，原子规则排列，原子在空间周期
{100}晶面族包括(100)、(010)、(001)、 (100)、(010)、(001)。
{111}晶面族包括(111)、(111)、(111)、(111)、 (111)、(111)、(111).
(111)
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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。下页的 两个表给出了体心立方晶格和面 心立方晶格中各主要晶面、晶向 上的原子排列方式和紧密程度。
Fe, Mn, Ti , Co 等少数金属具有同素异构 转变。性能随之变化。
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六、晶体的各向异性 不同晶面和晶向上原子密度不同， 原子间
距离不同， 结合力不同－－晶体在不同方向上的 力学、物理和化学性能有所差异－－各向异性。
α-Fe单晶体，密排方向 [111] 的弹性模量 E=290,000MN/m2，而非密排方向100的 E=135,000MN/m2。
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晶系 三斜晶系 单斜晶系
斜方晶系 正方晶系 菱方晶系 六方晶系 立方晶系
轴(棱边)之间的夹角
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三种 典型 晶体 结构
体心立方 面心立方 密排六方
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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。
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。
制 ∆ 结晶后的组织特征
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液体
晶体
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一 金属结晶现象 1 热力学条件
热力学——系统转变的方向和限度——转变的可能 性
热力学第二定律：在等温等压条件下，物质系统总 是自发地从自由能较高的状态向自由能较低的状态转变。
ΔG = G(转变后) －G(转变前) < 0 只有存在ΔT 时，
才 能 保 证ΔG < 0，
γ－Fe(912~1394℃)、Cu、Ni、Al、Ag 等
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(三)密排六方结构 金属有：Zn、Mg、Be、α-Ti、α-Co等
晶体结构特征： 1、点阵参数：a1=a2=a3=a，α1=α2=α3=1200 平面轴X1、X2、X3和Z轴的夹角=9OO
Z轴的单位长度=c，一般用a、c两个量来度 量。
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晶面指数标定方法 (1)以晶胞的三条互相垂直的棱边为座标轴X、Y、
Z，坐标原点0应位于待定晶面之外。 (2)以晶格常数为单位求出待定晶面在各轴上的截
距。 (3)取各截距的倒数，最小整数化， ( h k l ) 晶面族─晶面指数的数字相同，但排列顺序不同
的一系列晶面。原子排列完全相同。用{ h k l } 表示。 如在立方晶系中：
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。
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§1.2 金属晶体典型结构 体心立方晶格参数
Cr、V、 Mo、W和 α-Fe等 30多种
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§1.2 金属晶体典型结构 体心立方晶格参数
性地重复，每个原子具有相同的环境。 假设：原子为固定不动的刚性小球。
a 原子堆垛模型精品课件
2、晶格、空间点阵、晶胞
将原子、离子等抽象为几何的点。
空间点阵：几何点(原子)在空间排列的阵列。
晶
格：几何点(原子)排列的空间格架。
晶
胞：晶格中体积最小，对称性最高的平
行六面体。是能代表原子排列形式特征的最小几何
种数字符号称为晶向指数。
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晶向指数的标定方法： (1) 确定坐标系，对立方晶系选用三轴直
角坐标系，X、Y、Z 轴互相垂直，以晶格常数a、 b、c 作为三个轴的单位长度。
(2)以晶向上的任一原子作为坐标原点， 找出该晶向上另一原子的坐标值，并化为最小整 数。(或者从座标原点引一条平行于待测晶向的直 线)
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二、线缺陷 位错：两维尺寸很小，一维尺寸大的原子不规则排
列 ——一列或若干列原子有规律的错排现象。
刃型位错： (1)有一额外半原子面； (2)位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸变管道。
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螺型位错
混合位错
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2 位错密度和金属材料强度的关 系
(1)位错在晶体中存在形态 位错网络，密度高时互相缠绕，形成位错缠
结。 (2)位错密度
单位体积包含的位错总长度ρ= L / V 退火软化金属中ρ=1010 ～1012 m - 2 冷变形金属中ρ= 1015 ～1016 m - 2。
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(3)金属强度和位错的关 系
金属铁须晶(直径 1.6μm)：
13400MPa， 退火工业纯铁：
300MPa， 强化处理合金钢：
线缺陷：在两个方向上尺寸很小，而另一个方向上尺寸较大的缺陷。 主要是位错。
面缺陷：在一个方向上尺寸很小，在另外两个方向上尺寸较大的缺 陷。如晶界、相界、表面等精。品课件
3.1 点缺陷
一、 点缺陷的类型 （1）空位： 肖脱基空位－离位原子进入其它空位或迁移至晶界或表面。 弗兰克尔空位－离位原子进入晶体间隙。 （2）间隙原子：位于晶体点阵间隙的原子。 （3）置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。
(3) [u v w]
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晶向族─ 同一种晶体结构中空间位向不同，但原 子排列情况相同的一系列晶向。< u v w > <100> ：[100]、[010]、[001]、[100]、[010] [001]。
<110>：[110]、[101]、[011]、[110]、[101]、[011] 2 晶面指数─用数字符号定量地表示晶面
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§1.2 金属晶体典型结构 面心立方晶格参数
Al、Cu、 Ni和γFe等约20 种
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§1.2 金属晶体典型结构 面心立方晶格参数
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§1.2 金属晶体典型结构 面心立方晶格参数
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a
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fcc 晶体结构特征： 1 点阵参数：a=b=c α= β =γ 2 晶胞原子数： N=3+1=4 3 原子半径 r=√2a/4 4 配位数= 12 5 致密度= nv/V=(4×3πr3/4)/a3=0.74
2、晶胞原子数 N=Ni+Nf/2+Nc/6=3+2/2+12/6=6
3、原子半径：当c/a=1.633时，三层原子紧 挨着， 此时 d=a，r=a精/品2课。件
Z X3
X1 X2
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金属中常见的三种晶体结构特征小结
（P5） 结构类型 晶胞原 晶格常数 原子半 配位数 致密度
子数
径
2000MPa。
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13400MPa 2000MPa
300MPa
三 面缺陷 两维尺寸很大,第三向尺寸很小 类型 ： 晶体表面、晶界、亚晶界、层错、相
界
晶界：
小角度晶界─相邻晶粒的位向差小于10° 的晶
界。基本上由位错构 成。
大角度晶界─相邻晶粒的位向差大于10° 的晶
界。精原品课子件 排列比较混乱，结构比
的变化为:
ΔG= 4πr3ΔGv/3+4πr2σ
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当 r<rc 时，晶胚的长大使系统自由能增加，晶胚不能 长大。当 r>rc 时，晶胚的长大使系统自由能降低，这 样的晶胚称为临界晶核，rc为临界晶核半径。
rc 2Tm
Lm T
可见，过冷度 ΔT 越大， rc 越小，即形核的机率增
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（1）、均匀形核
均匀形核（均质形核）是指在均匀单一的母相中形 成新相结晶核心的过程。
均匀形核的能量和结构条件
在过冷的液态金属中，晶胚形成的同时，体系自由 能的变化包括转变为固态的那部分体积引起的自由能下 降和形成晶胚新表面引起的自由能的增加。假设单位体
积自由能的下降为 ΔGv(ΔGv<0) ，比表面能为σ，晶 胚假设为球体，其半径为r ,则晶胚形成时体系自由能
亚晶界： 晶粒内部位向差小于 1° 的亚结构，也称为
亚晶粒，亚晶之间的界面，称为亚晶界。通常由位结构的晶粒之间的界面 界面结构类型: 共格界面, 半共格,
非共格
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与铸锭
§3 金属的结晶
本章学习要点： ∆ 形核条件 ∆ 结晶过程及结晶的微观机理 ∆ 影响铸造中晶粒大小的因素及控
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七、多晶体的伪各向同性 如Fe，不同方向上E均为210000MN/m2左右。 原因：实际材料为多晶体，各单晶粒分布的
方向不同，各向异性相互抵消，而呈现无向性。 ——伪各向异性。
晶粒（单晶体）
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§ 2 晶体缺陷
理想晶体：是指晶体中原子严格地成，完全规则和完整的排列，在每个晶格 结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理 想的单晶体。
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五、晶体的 同素异构转变(多晶型性转变) 金属由一种晶体结构转变为另一种晶体结构
的现象称之为同素异构转变。（温度、压力）
如 Fe晶体，室温～912℃，体心立方，α- Fe，
912 ℃～1394 ℃，面心立方， γ-Fe，
1394 ℃ ～熔点1538 ℃ ，体心立方，δFe。
使 L→S
——存在过冷度ΔT的原因。
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2.金属结晶的宏观现 象
1.过冷现象 2.结晶潜热(Lm) ΔGv=LmΔT/Tm
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二 结晶的过程 结晶的过程：形核与长大
1 形核：
形核方式有两种： 均匀形核，即新相晶核在母相内自发地形成； 非均匀形核，即新相晶核在母相与外来夹杂的相界面处优 先形成。 工程实际中材料的凝固主要以非均匀形核方式进行，但均 匀形核的基本规律十分重要，它不仅是研究晶体材料凝固 问题的理论基础，而且也是研究固态相变的基础。
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§1.2 金属晶体典型结构 体心立方晶格参数
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bcc 晶体结构特征分析：
1、点阵参数a=b=c
α=β=γ=90°
2、晶胞中原子数=1+8×1/8=2
3、原子半径 r = √3 /4 a
4、8
a A
配位数越大，原子排列越紧密。
Ba
C
2a
A
C
D
a
a
F
G
E H
E
F
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5、致密度=晶胞中所含原子占体积的总和/晶胞体积 = n·V原子/V晶胞
单元。
点阵参数：点阵常数 a, b, c；
棱间夹角 α,β,γ。
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c 晶格
晶胞在三维空间的重复排列，构成点阵。
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P
z
c
a
x
y b
d 晶胞
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二、 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。
体心立方 2
a √3a/4
8
0.68
面心立方 4
a √2a/4
12
0.74
密排六方 6
a，c
a/2
12
0.74
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四、晶向指数和晶面指数 晶向─在晶体点阵中，由阵点组成的任一直
线，代表着晶体空间内的一个方向，称为晶向。 晶面─在晶体点阵中，由阵点所组成的任一
平面，代表着晶体的原子平面，称为晶面。 1 晶向指数 晶向指数─用数字符号定量地表示晶向，这