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金属材料的结构与组织

4/10/2023, 11:24:26 AM
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实际金属中的晶体缺陷

  1. 点缺陷
    在三维尺度上都很小的缺陷。

    1. 空位
      晶格中某节点上没有原子。有利于金属内部原子的扩散。
    2. 间隙原子
      位于晶格间隙之中的原子叫间隙原子。
    3. 异类原子
      异类原子与金属原子的半径接近时,占据晶格的一些结点。
      异类原子的半径比金属原子的半径小得多,位于晶格的空隙中。

    点缺陷造成局部晶格畸变,使金属的屈服强度、电阻率增加,密度发生变化。

  2. 线缺陷

    指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷,叫位错,由晶体中原子平面的错动引起。

    1. 刃型位错
    2. 螺型位错

    位错能够在金属的结晶、塑性变形和相变等过程中形成。

    位错可以用透射电镜观察到。

    • 金属为理想晶体或含少量位错时,金属的屈服强度很高。

    • 当含有一定量的位错时,强度降低。

    • 退火金属中位错密度为 10^{6\sim 8}cm^{-2},强度最低。

      QQ截图20230410114431.png

  3. 面缺陷

    二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷

    1. 晶界
      实际金属为多晶体。每个晶体可视为单晶体。所有晶体的结构相同,位向不同,位向差为几十分、几度或几十度。
      晶界为晶粒与晶粒之间的接触界面。晶界在空间呈网状,晶界上原子的排列规则性较差。

      QQ截图20230410115029.png

    2. 亚晶界

      晶粒由许多位向相差很小的亚晶粒(镶嵌块)组成。亚晶粒之间的位向差只有几秒、几分,最多达 1\sim 2度。

      亚晶界为亚晶粒之间的边界。亚晶界由位错垂直排列成位错墙构成。

    • 在高温时,晶粒容易长大
      晶界处原子的平均能量比晶内高,晶粒长大和晶界的平直化可以降低晶界的总能量。
    • 元素晶界偏聚
      晶界处存在较多的空位、位错,容易吸附异类原子。
    • 晶界越多,新相晶粒越细
      发生相变时,新相在母相的晶界处形成。母相晶粒越细,晶界越多,新相晶粒数目就越多,晶粒越细。
    • 提高金属的强度和塑性
      晶界和亚晶界阻碍为错位运动,提交金属的强度。
      晶界越多,晶粒越细,金属的塑性变形能力就越大,塑性越好。

合金的晶体结构

合金是一种金属同另一种或几种其他元素,通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。

组元是组成合金的独立的、最基本的单元。组员可以是金属、非金属元素或稳定化合物。

二元合金是由两个组元组成的合金。如铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。

相是在金属或合金中,凡化学成分相同、晶粒结构相同并有界面与其他部分分开的均匀组成部分。

  • 液态物质为液相。
  • 固态物质为固相。
    • 固溶体
      合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组员之一相同的固相。
      溶剂是与固溶体晶格相同的组员。
      溶质是其他另一组元(含量较少)。

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    • 金属化合物

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金属材料的组织

在金相显微镜下观察,可以看到金属材料内部的微观形貌。材料内部所有的微观组成总称显微组织(简称组织)。

组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成。金属材料的组织可以由单相组成,也可以由多相组成。

组织取决于化学成分和工艺过程。

  1. 化学成分
    不同碳质量分数的铁碳合金在平衡结晶后的保温组织不一样

    QQ截图20230413205636.png

  2. 工艺

    金属材料的化学成分一定时,工艺过程是组织最重要的影响因素。

    • 纯铁经冷拔后,等轴形状的铁素体晶粒变成拉长了的铁素体晶粒。

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    • 碳质量分数为 0.77\%的铁碳合金,室温平衡组织为片状珠光体,球化退火后组织为球状珠光体。

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组织和性能的关系

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