第二章 金属学基本知识.ppt

第二章 金属学基础知识 引言： 反应堆材料要求高强度、塑韧性、热强性和抗蚀性等。 金属材料具有良好性能，所以得到广泛的应用。 宏观性能：组织结构、成分和工艺的综合表现。 成分和工艺 组织结构 材料性能 金属学：研究材料性能与其化学成分、生产工艺和微观组织之间关系和变化规律。 晶体的结构层次：原子、晶胞、晶格、晶粒、相、组织。 2.１ 纯金属的晶体结构 晶体和非晶体两大类 本质区别为： ☆构成晶体的原子、分子或原子集团在空间是按一定的几何规律规则排列的，因而晶体具有一定的熔点，且具有各向异性的特点。绝大多数的工程材料，如金属及其合金、陶瓷等，天然的岩石、矿物都是晶体。 ☆非晶体中的质点是无规排列的，如多数的玻璃和聚合物。 基本概念： 1）阵点或结点:由晶体中原子抽象而成的几何点。 2）空间点阵:阵点在空间规则排列构成空间点阵。 3）晶格：用一系列平行线将阵点连接起来，构成空间的格架。 4）晶胞：构成晶格的基本单元，一般取最小平行六面体。 4）晶粒：排列位向相同的无数个晶胞的聚合体称为晶粒。 纯金属通常是由许多取向不同的晶粒组成的， 故称为多晶体。 5）晶界：多晶体中晶粒之间边界称为晶界。 纯铁的金属结构与组织 2.2 实际金属的晶体结构 实际金属结构因金属在凝固、形变、再结晶或同素异型变时，会使原子排列的规律性，在局部区域遭受破坏，从而产生晶格缺陷。 实际晶粒是由许多尺寸很小、位向差不大的微晶块相互镶嵌而成。亚结构 、亚晶 、亚晶界 所以，实际金属的晶体结构，尽管从整体上看，原子排列仍保持着它固有的规律性，但在局部微区，存在有各式各样的晶体缺陷，（位错、孪晶和堆垛层错）。 2.3 金属中的晶体缺陷 2.31 点缺陷 产生原因：具有足够高能量的原子有可能克服周围原子的束缚，脱离正常的结点位置，移到晶体表面、界面或点阵间隙位置上，在原来的结点位置留下空位。高能粒子（如快中子）的辐照也会使金属晶体内产生空位和间隙原子，获得巨大能量的原子甚至可再促使其它原子脱位。 点缺陷有空位，间隙原子和溶质原子等。 Schottky缺陷：当离开结点的原子，若移到金属表面消失掉了，则留下空位，称为Schottky缺陷。 Frank缺陷：若此离位原子移到晶格间的空隙处，称此为 “间隙原子”，它所留下的空位称为Frank缺陷，或合称为Frank缺陷对。 对合金而言，溶质的加入也会产生缺陷， 包括间隙型和置换型 空位、间隙原子附近产生晶格畸变，相伴产生应力场，使位错运动阻力增加，从而提高强度。 点缺陷对材料性能的影响： 点缺陷对晶体的一些物理、化学和力学性能都有显著的影响。如使电阻升高、氧化加速、材料硬化等。 2.32 线缺陷 线缺陷 在一维方向有较大尺度，而在另外二维方向上尺寸很小的缺陷是线缺陷。晶体的一部分相对于另一个部分发生了原子的错排,这种缺陷的基本形式是刃型位错和螺型位错。 柏氏矢量与刃位错 柏格斯 1939年 利用柏氏回路定义位错 任意原子（M）出发环绕位错回路 终点到起点连线---闭合----柏氏矢量b 刃位错的特征：柏氏矢量b与位错线垂直 位错结构 2.33 面缺陷 晶界、相界、孪晶界、亚晶界和堆垛层错等缺陷的尺寸都是二维的，所以是晶体中面缺陷的实例。 1.晶界 相邻晶粒之间具有一定宽度的过渡界面，厚度约2~10个原子间距的过渡层。易容纳位错和点缺陷 2. 相界 具有不同性质的相或不同晶胞结构的晶体之间的分界面称为相界。相界分为共格、半共格和非共格三种。 共格为相界面上的原子为相邻两相晶格所共有。 3. 孪晶界 当两个晶体的位向以一个公共晶界面呈镜面对称关系时称为孪晶界，（原子位于两个晶体点阵：共格孪晶界） ，但也有孪晶界不与晶界面相重合的情况，称此为非共格孪晶界。 由于产生孪晶的临界分切应力比产生滑移的临界非切应力大得多，所以只有在滑移很难进行时，晶体才发生孪晶变形. （ fcc 滑移面多，一般无孪晶，无低温脆性） 4. 堆垛层错 晶体中原子排列既然是周期的、有规律的，因此由晶格原子组成的晶面，彼此之间必然也是按一定顺序呈周期排列；但由于空位扩散和位错环的崩塌等，往往使晶面堆垛顺序发生混乱。所以当晶面次序发生了错排，称此现象为堆垛层错. 2.4 晶面指数和晶向指数 由于晶体原子排列是周期的、对称的、所以可用晶面和晶向指数表征所有晶面和晶向