(完整word版)金属材料结构

§6金属材料结构

金属材料结构包括晶体结构（FCC、BCC、HCP）及其缺陷、相结构（固溶体、中间相）和显微组织结构（共晶组织、共析组织、非金属夹杂物等）。

6.1纯金属材料的结构

常见纯金属的晶体结构有三种：面心立方结构（FCC）、体心立方结构（BCC）和密排六方结构（HCP）。

（1）面心立方结构（FCC）: Au、Ag、Al、Cu、Ni、Pb、厂Fe 等20 多种。

图2.32面心立方结构示意图

（2）体心立方结构（BCC）: Cr、W、Mo、V、Nb、a—Fe等30 多种

图2.33体心立方结构示意图

（3）密排六方结构（HCP）: Mg、Zn、Be、Cd等

图2.34密排六方结构示意图

三种晶体结构的晶胞结构细节见下表。

表2.4金属材料常见三种晶体结构细节

6.2实际金属材料的结构

实际使用的工业金属材料，即使体积很小，其内部的晶格位向也不是完全一致的，而是包含着许许多多的彼此间位向不同的小晶粒，即实际金属材料中包含

有面缺陷，是多晶结构。通常测定的金属性能是各个位向不同的晶粒的平均值，故显示出各向同性。事实上，即使在同一个晶粒内部，晶格位向也不是象理想晶体那样完全一致，而是存在着亚结构。所以，只有在亚结构内部，晶格的位向才是一致的。

另外，实际金属材料中也包含诸如空位、间隙原子、置换原子等面缺陷以及位错等线缺陷。

6.3合金的结构

6.3.1合金及相关概念

纯金属材料的制备困难，价格高，而且性能往往有一定的局限性，实际使用的工业金属材料多为合金。

合金：是由两种或两种以上的金属元素，或者由金属元素和非金属元素组成的具有金属特性的物质；

组元：组成合金的最基本的独立的物质，可以是金属元素、非金属元素或稳定的化合物；

相：成分、结构相同，性能均宜，并有界面与其它部分隔开的独立均匀的组成部分，合金中的基本相有固溶体和中间相两种；

组织：合金结构的微观形貌，可以是单相的，也可以是多相的

632固溶体

合金中的基本相包括固溶体和中间相（intermediate phase也称化合物）两大类。固溶体是以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子（溶质原子）所形成的均匀混合的固态溶体，它保持着溶剂的晶体结构类型。

（1）固溶体分类：按固溶度大小分为有限固溶体（溶质原子在溶剂中的溶解度有上限）和无限固溶体（溶质与溶剂可以任意比例互溶），按溶质原子的位置可分为置换固溶体（溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置）和间隙固溶体（溶质原子进入溶剂晶格的间隙中）。固溶体的实例如：置换固溶体（Cu—Ni）、间隙固溶体（奥氏体（A或Y —C溶入—Fe、铁素体（F或a —C溶入a—Fe 中）。

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图2.35固溶体结构示意图

（2、固溶强化：由于溶质原子的溶入造成溶剂晶格畸变，从而使材料的强度和硬度增加、塑性和韧性下降，这种现象称为固溶强化。一般地：溶质原子和溶剂原子的尺寸差别越大，造成的晶格畸变就越严重，固溶强化效果越显著；间隙原子造成的畸变比置换原子大，故前者强化效果较好。

6.3.3中间相

中间相又称金属间化合物，是由合金元素按一定比例结合组成的化合物，其

结合键是金属键和其他键（离子键、共价键、分子键）的混合键。由于含有金属键，其化学分子式一般不符合化合价规律。另外，和固溶体不同，中间相的晶格形式不同于各组成元素的晶格，性能和组成元素原有性能有很大的差别。一般地，中间相都具有熔点、硬度高、脆性大的特点，可作为合金组织中的强化相。中间相一般有三种类型：

（1、正常价化合物：由电负性差别较大的组元组成，组元的原子数比较符

合化合价规律，如：Mg2S n, AuAl2, AIN, SiC, CaTe 等;

（2）电子化合物：不遵循原子化合价规律，而是按照一定的电子浓度组成

一定的晶格结构；

（3）间隙化合物：过度族金属元素与小原子尺寸的非金属元素（C、N、B、形成的化合物，如Fe与C形成的硬而脆的渗碳体（F&C）。

634合金相结构与性能的关系

（1）单相合金：工业上应用的单相合金一般都是单相固溶体，其性能决定于溶剂金属的性能和溶质元素的种类、数量及溶入方式。对于一定的溶剂和溶质，溶入的溶质越多，溶剂的晶格畸变越大，则固溶体的强度、硬度和电阻越高。另外，单相固溶体还具有高的塑性、韧性和耐蚀性。

（2）多相合金：组成合金的各相都保持各自的性能特点，因此合金的性能直接决定于组成合金的相的种类和数量。但是，合金中各相的形状、大小和分布也对合金的性能有着很大的影响。一般地，最常见的合金相结构是以一种塑性较好的固溶体为基体，在其上分布着硬而脆的第二相。根据第二相的分布情况，又可分为：

a）脆性相以网状分布于基体上：合金的强度、塑性、韧性都很低；

b）脆性相以片状分布于基体上：较之前者，具有较高的强度、硬度和塑性；

c）脆性相以颗粒状分布于基体上：强度和硬度稍低，但塑性高：

d）脆性相呈弥散的质点分布于基体：由于弥散强化而使合金具有很高的强度和硬度。