機械工程材料課件

,本章提要1、學習目的和要求通過本章的學習，掌握有關晶體結構的基本知識，晶體缺陷的種類和特點，金屬結晶的基本規(guī)律以及合金相圖的分析與應用。2、課程內容（1）純金屬的晶體結構與結晶；（2）合金的晶體結構及結晶；（3）鐵碳合金。,第一節(jié)金屬的晶體結構第二節(jié)合金的相結構第三節(jié)純金屬的結晶第四節(jié)合金的結晶第五節(jié)鐵-碳合金相圖,第一節(jié)金屬的晶體結構一、晶體與非晶體晶體：凡內部原子呈規(guī)則排列的物質稱為晶體。非晶體：凡內部原子無規(guī)則排列的物質稱為非晶體。晶體與非晶體的區(qū)別內部原子的排列是否有規(guī)則；晶體有固定的熔點，而非晶體沒有固定的熔點；晶體具有各向異性，而非晶體呈各向同性。,晶體,非晶體,第一節(jié)金屬的晶體結構二、金屬的晶體結構1.金屬晶體結構的基本概念,第一節(jié)金屬的晶體結構二、金屬的晶體結構1.金屬晶體結構的基本概念晶格假設通過原子結點的中心劃出許多空間直線所形成的空間格架。晶胞能反映晶格特征的最小組成單元。晶格常數(shù)晶胞的三個棱邊的長度a,b,c,立方四方正交六方單斜三斜,三角,第一節(jié)金屬的晶體結構二、金屬的晶體結構2.三種典型的金屬晶體結構,第一節(jié)金屬的晶體結構二、金屬的晶體結構2.三種典型的金屬晶體結構晶體結構特征（1）晶格尺寸：可用晶格常數(shù)表達（2）晶胞原子數(shù)：一個晶胞內所包含的原子數(shù)目（3）原子半徑：晶胞中原子密度最大的方向上相鄰的兩個原子之間平衡距離的一半（4）配位數(shù)：晶格中與任一原子處于相等距離并相距最近的原子數(shù)目。（5）致密度：晶胞中原子本身所占有的體積與該晶胞體積之比的百分數(shù),第一節(jié)金屬的晶體結構二、金屬的晶體結構2.典型的晶體結構體心立方晶格,晶格常數(shù)：a(a=b=c),原子半徑：,體心立方晶格,原子個數(shù)：2配位數(shù)：8致密度：0.68常見金屬：鉬（Mo）、鎢、釩、鉻、鈮、-Fe等,第一節(jié)金屬的晶體結構二、金屬的晶體結構2.典型的晶體結構面心立方晶格,晶格常數(shù)：a(a=b=c),原子個數(shù)：4配位數(shù)：12致密度：0.74常見金屬：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag、Pt等,原子半徑：,面心立方晶格,第一節(jié)金屬的晶體結構二、金屬的晶體結構2.典型的晶體結構密排六方晶格,晶格常數(shù)：底面邊長a，底面間距c，c/a=1.633,原子個數(shù)：6配位數(shù)：12致密度：0.74常見金屬：Be、Mg、Zn、Cd、-Ti等,原子半徑：a/2,密排六方晶格,r四=0.29r原子r八=0.15r原子,r四=0.225r原子r八=0.414r原子,r四=0.225r原子r八=0.414r原子,第一節(jié)金屬的晶體結構二、金屬的晶體結構3.金屬晶體中晶面指數(shù)、晶向指數(shù)晶面指數(shù)：在晶體學中，通過晶體中心的平面叫做晶面。晶面指數(shù)確定步驟(1)以晶胞的某一陣點O為原點，過原點O的晶軸為坐標軸x,y,z，以晶胞點陣矢量的長度a,b,c作為坐標軸的長度單位。(2)求出待標晶面在坐標軸上的截距。(3)取截距的倒數(shù)1/x，1/y，1/z。將這些倒數(shù)化成最簡整數(shù)比：1/x，1/y，1/z。(4)將h，k，l置于圓括號內，寫成（hkl),則（hkl）就是待標晶面的晶面指數(shù)。,晶面指數(shù)的確定,第一節(jié)金屬的晶體結構二、金屬的晶體結構3.金屬晶體中晶面指數(shù)、晶向指數(shù),關于晶面指數(shù)的幾點說明1、晶面指數(shù)并不特指某一個晶面，而是代表著與該晶面平行的所有晶面；2、待定晶面不要通過坐標軸原點，否則會出現(xiàn)截距為零的情況；3、一個面和它的負面是等同的，是可以通用的；4、原子排列完全相同但不平行的晶面成為晶面族。,第一節(jié)金屬的晶體結構二、金屬的晶體結構3.金屬晶體中晶面指數(shù)、晶向指數(shù)晶向：通過原子中心的直線晶向指數(shù)確定步驟(1)在點陣中設定參考坐標系，設置方法與確定晶面指數(shù)時相同。(2)選取該晶向上原點以外的任一點P(x，y，z)。(3)將x，y，z化成最簡整數(shù)比u，v，w且uvw=xyz。(4)將u，v，w三數(shù)置于方括號內就得到晶向指數(shù)uvw。,晶向指數(shù)的確定,第一節(jié)金屬的晶體結構二、金屬的晶體結構3.金屬晶體中晶面指數(shù)、晶向指數(shù),關于晶向指數(shù)的幾點說明1、晶向指數(shù)也不特指某一個晶向，而是表示所有相互平行、方向一致的晶向；2、晶體中原子密度相同而空間位向不同的各組晶向可歸并為一個晶向族；、對于立方晶體，相同指數(shù)的面和方向是垂直的；、晶向的其它求法。,本章練習11、在常溫下，已知鐵的原子直徑d=0.254nm，求鐵的晶格常數(shù),每立方厘米大約有多少個原子。2、畫出下列晶面指數(shù)或晶向指數(shù)：（234），（120），（112），2103、畫出體心立方和面心立方晶體中原子排列最密的晶面和晶向，寫出它們的晶面和晶向指數(shù)并求出單位面積及單位長度上的原子數(shù)。4、立方晶系中，下列晶面、晶向表示方法是否正確？不正確的請改正。（1，-1，2）（1/2，1，1/3）-1，1.5，2121,密排面和密排方向單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度。單位長度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。三種常見晶格的密排面和密排方向為：,本章練習1補充說明,第一節(jié)金屬的晶體結構三、實際金屬的晶體結構理想晶體+晶體缺陷實際晶體(1)點缺陷三維尺度上都很小，不超過幾個原子直徑的缺陷。,形成成因原子去向影響因素對性能的影響,第一節(jié)金屬的晶體結構三、實際金屬的晶體結構(2)線缺陷二維尺度很小，另一維尺度很大的缺陷。,刃型位錯螺型位錯,第一節(jié)金屬的晶體結構三、實際金屬的晶體結構(3)面缺陷二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。,晶界亞晶界,第二節(jié)合金的相結構一、基本概念合金：合金是指由兩種或兩種以上的金屬元素或金屬與非金屬元素組成的金屬材料。合金系：由若干給定組元按不同比例配制成一系列不同成分的合金，構成一個合金系統(tǒng)，簡稱合金系。組元：組成合金的最基本的、獨立的物質。相：是指合金中成分、結構均相同的組成部分，相與相之間有明顯的界面組織：用金相觀察方法，在金屬及合金內部看到的涉及晶體或晶粒的大小、方向、形狀、排列狀況等組成關系的構造情況。,第二節(jié)合金的相結構一、合金的相結構1.固溶體固溶體是指溶質原子溶入溶劑中形成的均一的結晶相。與某一組元晶格結構相同。按溶質原子的位置可分為：,置換固溶體,間隙固溶體,溶劑原子,溶質原子,第二節(jié)合金的相結構一、合金的相結構1.固溶體（1）間隙固溶體的形成：通常僅由比溶劑原子顯著小得多的并且在尺寸上與它所占據(jù)的間隙位置相當?shù)娜苜|原子組成。（2）置換固溶體的形成：Hume-Rothery為了能在比較大的成分范圍形成置換固溶體，必須遵守如下條件：兩類原子的電負性必須相當溶質和溶劑的尺寸差別必須不大于15%兩類原子的價必須相似兩類原子的結構必須是一樣的。,第二節(jié)合金的相結構一、合金的相結構1.固溶體置換固溶體的形成：Hume-Rothery例：Cu-Ni電負性：Cu為1.90，Ni為1.91尺寸差別：2.4%化合價：Cu為+1或+2，Ni為+2原子的結構：同為面心立方晶格,Cu-Zn電負性：Cu為1.90，Zn為1.65尺寸差別：4.3%化合價：Cu為+1或+2，Zn為+2原子的結構：Cu為面心立方Zn為密排六方,第二節(jié)合金的相結構一、合金的相結構1.固溶體按分布有序度可分為：按溶解度可分為：有限固溶體和無限固溶體,溶劑原子,溶質原子,無序固溶體,有序固溶體,第二節(jié)合金的相結構一、合金的相結構1.固溶體固溶體的性能當溶質元素含量很少時，固溶體性能與溶劑金屬性能基本相同。但隨溶質元素含量的增多，會使金屬的強度和硬度升高，而塑性和韌性有所下降，這種現(xiàn)象稱為固溶強化。置換固溶體和間隙固溶體都會產生固溶強化現(xiàn)象。適當控制溶質含量，可明顯提高強度和硬度，同時仍能保證足夠高的塑性和韌性，所以說固溶體一般具有較好的綜合力學性能。因此要求有綜合力學性能的結構材料，幾乎都以固溶體作為基本相。這就是固溶強化成為一種重要強化方法，在工業(yè)生產中得以廣泛應用的原因。,第二節(jié)合金的相結構一、合金的相結構2.金屬化合物合金組元相互作用而形成一種具有金屬特性的物質稱為金屬化合物。金屬化合物的組成一般可用化學式表示。金屬化合物的晶格類型不同于任一組元，一般具有復雜的晶格結構。其性能特點是熔點高、硬度高、脆性大。當合金中出現(xiàn)金屬化合物時，通常能提高合金的硬度和耐磨性，但塑性和韌性會降低。根據(jù)合金中金屬化合物相結構的性質和特點，可大致劃分為正常價化合物、電子化合物及間隙化合物三類。,第二節(jié)合金的相結構一、合金的相結構2.金屬化合物正常價化合物符合正常原子價規(guī)律，如Mg2Sn、BeS、ZnS、A1P、ZnSe、CaF2等。有一定的成分，可用化學分子式表示，如Mg2Si。一般表示為AB、AB2(A2B)。有獨特的晶體結構，一般與離子化合物NaCl和CaF2結構相同。由周期表上相距較遠、電負性差值較大的元素組成。,CaF2,NaCl,第二節(jié)合金的相結構一、合金的相結構2.金屬化合物電子化合物不遵守一般的化合價規(guī)律但符合于一定電子濃度（價電子數(shù)與原子數(shù)目之比值）的化合物。Cu5Zn8、Cu31Sn8、CuZn3、Cu8Sn等Cu5Sn，CuZnC21/14時，多為體心立方結構，稱為相Cu31Sn8，Cu5Zn8C21/13時，復雜立方結構，稱為相Cu3Sn、CuZn3C7/421/12時，密排立方結構，稱為相,第二節(jié)合金的相結構一、合金的相結構2.金屬化合物間隙化合物由過渡族元素與C、N、B、H等小原子半徑的非金屬元素組成。,VC,滲碳體,材料的整體性能取決于存在相的數(shù)目存在相的成分存在相的相對含量存在相的結構存在相的尺寸和空間分布,本章練習21、能提高金屬材料強度、硬度的同時，又不明顯降低其塑性、韌性的強化方法是：（）。2、固溶體的強度和硬度比溶劑的強度和硬度（）。3、平衡結晶獲得的20%Ni的Cu-Ni合金與40%Ni的Cu-Ni合金相比誰的硬度和強度高？。4、復雜間隙化合物、間隙相、間隙固溶體的區(qū)別？,第三節(jié)純金屬的結晶一、基本概念結晶的定義,氣體結構液體結構固體結構,近程有序,第三節(jié)純金屬的結晶一、基本概念結晶的定義：1）從狀態(tài)看：結晶通常是指金屬自液態(tài)向固態(tài)過渡時晶體形成的過程，稱為“一次結晶”。金屬從一種固體晶態(tài)過渡為另一種固體晶態(tài)的轉變稱為“二次結晶”2）從金屬學觀點：結晶則是指物質的原子從近程有序過渡到遠程有序結構的過程。,第三節(jié)純金屬的結晶二、金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象金屬的結晶溫度可用熱分析等實驗方法來測定。,熱分析裝置示意圖熱分析裝置實物圖,冷卻速度越快，實際結晶溫度越低，過冷度就越大。過冷是純金屬結晶的必要條件。,第三節(jié)純金屬的結晶二、金屬的冷卻曲線和過冷現(xiàn)象過冷指液態(tài)金屬實際冷卻到結晶溫度以下而暫不結晶的現(xiàn)象。過冷度理論結晶溫度和實際結晶溫度之差。,第三節(jié)純金屬的結晶三、純金屬的結晶過程純金屬的結晶過程隨著凝固溫度的下降，經歷以下階段：晶核的生成（自發(fā)形核、非自發(fā)形核）晶核的長大（平面長大、樹枝狀長大）,金屬結晶過程示意圖,第三節(jié)純金屬的結晶三、純金屬的結晶過程,第三節(jié)純金屬的結晶三、純金屬的結晶過程長大方式：平面長大,第三節(jié)純金屬的結晶三、純金屬的結晶過程長大方式：樹枝狀長