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1、第二章 金属学基础,2.1 晶体结构2.2 晶体缺陷2.3 热处理基础2.4 材料的常见缺陷,2.1 晶体结构,自然界存在的固态物质可分为晶体和非晶体两大类。在晶体中，组成晶体的原子、离子、分子等质点是呈规则排列的。而在非晶体中，这些质点是无规则的堆积在一起的。在反应堆中使用的金属和非金属大多是晶体。为了研究晶体中物质质点排列的规律性，将实际存在的原子、离子或原子集团等物质质点，抽象为纯粹的几何点而完全忽略它们的物质性。这样抽象出的几何点称为阵点。阵点在空间周期性的规则排列就称为空间点阵。,晶体是规则排列的,空间点阵的主要特征：,空间点阵的主要特征：每个阵点在空间都具有完全相同的环境，如果把连
2、接任意两个阵点矢量的始端放到第三个结点上，则此矢量的终点必定落在第四个结点上。晶胞-在空间点阵中我们可以选择一个小的平行六面体作基本单元，称为晶胞。整个空间点阵可以看作是由很多大小和形状完全相同的晶胞紧密地堆垛在一起而形成的。,空间点阵,选择晶胞应满足下列条件：,1）晶胞的几何形状应与宏观晶体具有同样的对称性。2）平行六面体内相等的棱和角的数目应最多。3）当平行六面体的棱间存在直角时，直角数目应最多。4）在满足上述条件的前提下，晶胞应具有最小的体积。,晶胞的表示方法,晶胞的棱边分别用单位矢量 a、b、c 来表示；棱边之间的夹角分别用（c、b间），（a、c间），（a、b间）来表示。参数 a、b、
3、c 称为点阵常数；而 a、b、c、称为晶胞的六个参数。根据6个点阵参数间的相互关系，可将全部空间点阵归属于7种类型(晶系)。按照每个阵点的周围环境相同的要求，能够反映空间点阵全部特征的单位平面六面体只有14种，称空间点阵(布拉菲点阵)。,表示晶胞的六个参数,2.1.2 七大晶系：,a.三斜晶系：abc，90b.单斜晶系：abc，=90c.六角晶系（六方）：a=bc，=90，=120d.三角晶系（菱方）：a=b=c，=90e.正交晶系：abc，=90f.四方晶系：a=bc，=90g.立方晶系：a=b=c，=90,图2.1 各晶系的单位晶胞,三斜晶系：abc，90b.单斜晶系：abc，=90c.正
4、交晶系：abc，=90d.六角晶系（六方）：a=bc，=90，=120e.三角晶系（菱方）：a=b=c，=90四方晶系：a=bc，=90g.立方晶系：a=b=c，=90,2.1.3 晶面指数和晶向指数,晶面指数是根据晶面与单位晶胞的三个座标轴相交的截距大小的倒数来确定的。确定晶面指数可按下列步骤进行：1）用轴长单位量出该面在三个晶轴的截距。2）取得数值的倒数。3）求出三个倒数的比值，使其成简单倒数比。4）再把所得到的三个整数放入小括弧中，（hkl）。晶面指数并非只代表一个晶面的方位，而是代表一族平行晶面。另外，在晶体内凡晶面间距和晶面上原子的分布完全相同，只是空间位向不同的晶面可以归并为同一晶
5、面族，以h k l表示。,晶向指数：表示空间点阵中由原子组成的某一平行直线族中任一直线的方位。可以从这一族中选定通过原点的直线来表示。用该直线上离原点最近的原子坐标表示该直线的方位，即得到晶向指数。晶向指数常用字母uvw表示，并用方括号括起来，uvw。在立方晶系中，点阵中的晶向指数与相同的晶面指数的晶面相垂直。如：（111）晶面族，其晶向指数是111,相同指数的晶面与晶向互相垂直,立方晶系的一些重要晶面,立方晶系的一些重要晶向,六方晶系的一些重要晶面,六方晶系的一些重要晶向,2.1.4 典型的晶胞结构,典型的金属晶体结构FCC，BCC，HCP,典型晶胞-1（FCC）,图 2-2 面心立方点阵,
6、典型晶胞-2（BCC）,图2-3 体心立方点阵,典型晶胞-3（HCP）,图2-4 密排六方点阵,FCC结构间隙,BCC结构的间隙,HCP结构间隙,2.2 晶体缺陷,实际金属的晶体结构是有缺陷的。缺陷形成的原因很多，金属在凝固、冷加工、热加工、形变、辐照、再结晶、同素异构转变中等都可以使原子排列的规律性在局部区域遭到破坏，产生晶体缺陷。,1 点缺陷,空位当原子受到热震动、辐照、形变等，阵点原子获得能量离开平衡位置而产生一种点缺陷。间隙原子若该离位原子迁移到晶格间的空隙处，并停留在那儿，成为一个间隙原子，那麽就成为了另一种点缺陷。若该离位原子迁移到金属表面，则称该缺陷为肖脱基（Schottky）缺
7、陷。若该原子留在间隙中，形成空位-间隙对，则称该缺陷为弗兰克尔（Frankle）缺陷。在空位和间隙原子周围，由于原子间的平衡遭到破坏，引起晶格畸变，产生应力场，使位错运动阻力增加，从而使强度提高。,晶体缺陷（点缺陷）,a）肖脱基缺陷 b）弗兰克尔缺陷图2-12 点缺陷,异类原子形成的点缺陷,2 线缺陷,线缺陷：是在晶体的某一平面上，沿着某一方向向外延伸开的一种缺陷。这种缺陷在一个方向上的尺寸很大，而另两个方向的尺寸很短。这类缺陷的具体形式是各种类型的位错。位错的基本类型有两种：刃型位错：刃型位错有一个额外的半原子面。为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。但它必与滑移方向相垂直，也垂直于滑移矢量。
8、在位错线周围的过渡区（畸变区）每个原子具有较大的平均能量。但该区只有几个原子间距宽，所以刃型位错是线缺陷。,螺型位错：晶体上下两部的原子排面，在某些区域，上下吻合的次序发生错动，这样就造成了一个上下原子排面不相吻合的地带，此过渡地带即为螺型位错。螺型位错无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。,刃型位错,晶体缺陷（线缺陷）,a）刃型位错 b）螺型位错图2-14 位错,3 面缺陷,面缺陷是两个方向的尺寸很大，而第三个方向的尺寸很小的缺陷。如晶界、相界、孪晶界、堆垛层错都是面缺陷。,晶体缺陷（面缺陷）,a）晶界
9、b）层错图2-15 面缺陷,孪晶界,2.3 热处理基础,2.3.1 铁碳合金相图1基本概念 1）合金：熔合两种或两种以上的金属或金属与非金属所得到的复合体称为合金。2）组元：构成合金的最基本的化学个体称为组元。3）相：金属或合金中具有同一成分，同一状态的均一组成，并有界面与其它部分分开的均匀组成部分称为相。,4）组织：材料经过磨、抛、侵蚀后，在金相显微镜下可以看到的金属内部的微观形貌，称为显微组织，简称为组织。5)相变：由于温度，成分或压力的变化而导致金属或合金发生相的分解，合成或晶体结构的转变过程称为相变。由一相转变为另一相时，其化学成分，内部结构都发生突然的变化。例如，铁在不同的温度可出现
10、四种相，即：-Fe、-Fe、相和液态铁。又如在常温时的铁碳合金系，常由-Fe的固溶体及化合物Fe3C两种相所组成。,合金的结构,固溶体：在合金中，合金组元通过溶解，形成成分均匀的，晶体结构与其中之一组元相同的固相称为固溶体。与固溶体结构相同的组元称为溶剂，另一组元称为溶质。间隙固溶体：溶质进入溶剂晶格间隙 置换固溶体：溶质取代溶剂晶格中结点原子 有限固溶体 无限固溶体（溶解度）有序固溶体 无序固溶体（溶质原子在固溶体中的分布规律）,化合物：合金组元相互作用，形成晶格类型和特性不同于任一组元的新相，称为中间相或化合物相。混合物:许多合金在结晶时析出两种不同晶体的混合物.晶体混合物可以由固溶体和固
11、溶体混合而形成,也可以由固溶体和化合物混合而形成。,二元合金相图简介,合金相图是用图解的方法表示合金系中合金的状态、温度和成分之间的关系。二元相图是指系统组元为二的，以温度和成分为坐标来表示合金状态的图。利用相图可以知道各种成分的合金在不同温度有哪些相，以及温度变化时可能发生什么变化。在生产实践中，合金相图可以作为制定合金熔炼、锻造、热处理工艺的重要依据。,相图：二元相图是考虑体系在成分和温度两个变量下的热力学平衡状态。二元相图的横坐标表示成分，纵坐标表示温度。如果体系由A，B两组元组成，横坐标一端为组元A，而另一端表示组元B，那么体系中任意两组元不同配比的成分均可在横坐标上找到相应的点。,匀
12、晶相图,二元共晶相图,包晶反应相图,合金的性能与相图的关系,固溶体的性能与溶质元素的溶入量有关，溶质溶入量越大，晶格畸变越大，合金的强度、硬度就越高。相图中液相线与固相线之间距离越小，液态合金结晶的温度范围越窄，对浇铸和铸造质量越有利。合金的液相线与固相线之间的温度范围越大，形成枝晶偏析的倾向就越大，液体的流动性差，因为先结晶出的树枝晶会阻碍未结晶液体的流动，增加分散缩孔。因此铸造合金常选共晶或接近共晶成分。单相合金的锻造性能好，合金为单相组织时变形抗力小、变形均匀、不易开裂。双相组织的合金变形能力差些，特别是组织中存在有较多化合物相时更甚，因为化合物相都很脆。,铁碳合金相图,铁碳合金相图实际
13、是Fe-Fe3C相图，铁碳合金的组元是纯铁与Fe3C。铁存在同素异晶转变。Fe-Fe3C相图中的固溶体都是间隙固溶体。由于-Fe与-Fe晶格中的间隙特点不同，所以它们溶解碳的能力不同。,碳原子溶于铁形成的固溶体称为铁素体，溶于铁形成的固溶体称为奥氏体。碳含量超过限度后，剩余的碳有两种可能的存在方式：渗碳体或石墨。在通常情况下，铁碳合金是按Fe-Fe3C系进行转变。,Fe-Fe3C相图可以分析如下：ABCD为液相线，AHJECF为固相线。整个相图主要有包晶、共晶和共析三个恒温转变等所组成：1）在HJB水平线（1495）发生包晶转变;LB+E。转变的产物是奥氏体。此转变仅发生在含碳 0.09-0.
14、53%的铁碳合金中。2）在ECF水平线（1148）发生共晶转变：LCE+Fe3C.转变产物是奥氏体和渗碳体的机械混合物，称为莱氏体。含碳2.11-6.69%的铁碳合金都发生这个转变。3）在PSK水平线（727）发生共析转变：SP+Fe3C。转变产物是铁素体和渗碳体的机械混合物，称为珠光体。所有含碳量超过0.02%的铁碳合金都发生这种转变。共析转变温度常标为A1温度。,Fe-Fe3C相图中三条重要的固态转变线：1）GS线奥氏体中开始析出铁素体或铁素体全部溶入奥氏体的转变线，常称此温度为A3温度。2）ES线碳在奥氏体中的溶解度线。此温度常称Am温度。低于此温度时，奥氏体中将析出渗碳体，称为二次渗碳
15、体Fe3C，以区别于从液体中经CD线析出的一次渗碳体Fe3C。3）PQ线碳在铁素体中的溶解度线。在727时，碳在铁素体中的最大溶解度为0.0218%，600时降为0.008%，因此铁素体从727冷却下来时，也将析出渗碳体，称为三次渗碳体Fe3C。图中MO线（770）表示铁素体的磁性转变温度，常称为A2温度。230水平线表示渗碳体的磁性转变。升温过程的变化用c来表示,必须有过热度才能发生变化；降温过程用r来表示，必须有过冷度才能发生变化。即：Ac1,Ac3,Acm表示升温临界值，Ar1,Ar3,Arm表示降温临界值。,根据铁碳相图，铁碳合金可分为三类：1）工业纯铁 碳质量分数小于等于0.008%
16、；2）钢-碳质量分数在0.008%-2.11%：亚共析钢（0.008%-0.77%）共析钢（0.77%）过共析钢（0.77%-2.11%）3)白口铸铁-碳质量分数在2.11%-6.69%：亚共晶白口铸铁（2.11%-4.3%）共晶白口铸铁（4.3%）过共晶白口铸铁（4.3%-6.69%),2.3.2 热处理及材料性能改变,热处理是将固态金属在一定介质中加热到一定的温度、并在这个温度保持一定的时间，然后以一定的冷却方式冷却下来，从而改变金属工件整体或表面组织，获取所需性能的工艺。钢的热处理是运用不同的加热和冷却手段，通过改变钢的内部组织结构，来改善钢的加工工艺性能或使用性能。热处理可以显著改善钢
17、的机械性能，从而增加材料的强度并延长其使用寿命。,热处理及材料性能改变(1),1退火：加热到临界点以上（如：亚共析钢加热到Ac3以上3050），然后保温一段时间再缓慢冷却，得到接近平衡状态的组织的热处理过程称为退火。退火的目的是消除热加工缺陷，消除偏析或软化材料，为下一工序做准备。2正火：加热到临界点以上40-60（Ac3或Acm），然后保温，得到完全奥氏体组织并均匀化再空冷。正火的目的是使组织均匀化，细化。,热处理及材料性能改变(2),3淬火：加热到Ac3或Ac1之上30-50，保温一段时间，再急冷（使之发生马氏体相变）。淬火的目的是获得马氏体组织，再经不同温度回火后得到所要求的性能。4.回
18、火：在A1以下温度加热并以适当方式冷却。目的是消除应力，得到性能所需要的相应组织，使钢的强度和塑韧性配合良好。如低温回火后得到强度高、耐磨的回火马氏体组织，中温回火后得到弹性好的屈氏体组织，高温回火后得到综合性能优良的索氏体组织等。,回复与再结晶：回复(去应力退火）：在T1以下加热(0.25-0.3 T 熔)。以消除内应力，减少晶格畸变。此时强度，硬度保持不变，塑性上升，应力消除明显。再结晶：在T1-T2之间加热。消除加工硬化，降低硬度，提高塑性，为再加工作准备。最低再结晶温度为(0.35-0.4)T熔，而实际用（）T 熔 因为金属中的杂质和合金元素会阻碍原子扩散和晶界迁移。,热处理及材料性能
19、改变(4),冷变形材料在加热时的组织示意图,表面热处理,表面热处理可分为表面淬火和化学热处理。表面热处理的目的是得到耐磨、耐腐蚀等的表面。表面淬火，如感应加热表面淬火或火焰加热表面淬火；化学热处理又可细分为：渗碳、渗氮、碳氮共渗（氰化）、渗铝、渗硼等。,热处理及材料性能改变(5),7固溶-时效：固溶处理:在有色金属（如铝合金）或不发生相变的材料（如奥氏体不锈钢）中,进行类似淬火的工艺，其目的是得到过饱和固溶体，即在高温下保温一段时间，让第二相完全溶入固溶体中，再急冷下来，这种热处理工艺称为固溶处理。目的是为时效或沉淀硬化创造条件，通过时效、沉淀均匀析出第二相，处理获得所需要的性能。时效处理:是在一定温度下保持一定的时间（类似回火），使经固溶处理后的材料中均匀弥散地析出第二相，以获得我们所需性能的一种热处理。有时固溶后的材料即使不进行时效处理，搁置一段时间，也会析出第二相，这种过程叫自然时效。,2.4 材料的常见缺陷,金属材料的常见缺陷有：（1）偏析；（2）非金属夹杂；（3）疏松；（4）折叠；（5）白点；（6）过热；（7）过烧；（8）织构；（9）缩管残余；（10）板材分层；（11）脱碳；（12）渗碳等。,发裂（白点-横向）,白点（纵向断口）,过热组织,过热组织,过烧,过烧,缩孔,
