理論工程材料學PPT學習教案

1、會計學1 理論工程材料學理論工程材料學 工程材料 金屬基礎(chǔ)理論 固溶體固溶體：相的晶體結(jié)構(gòu)與某一組成元素的晶體結(jié)相的晶體結(jié)構(gòu)與某一組成元素的晶體結(jié) 構(gòu)相同構(gòu)相同 。 固溶體分為固溶體分為間隙固溶體間隙固溶體和和置換固溶體置換固溶體。 第2頁/共27頁第1頁/共27頁 工程材料 金屬基礎(chǔ)理論 置換固溶體置換固溶體：溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格的某些結(jié)點位置而溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格的某些結(jié)點位置而 形成的固溶體形成的固溶體 （溶劑與溶質(zhì)原子尺寸相近，直徑差別較小 ，大于15%就很難形 成置換固溶體） 。 置換固溶體中原子的分布通常是任意的，稱之為置換固溶體中原子的分布通常是任意的，稱之為無序固無序固 溶體溶

2、體。在某些條件下，原子成為有規(guī)則的排列，稱為。在某些條件下，原子成為有規(guī)則的排列，稱為有有 序固溶體序固溶體。兩者之間的轉(zhuǎn)變稱為。兩者之間的轉(zhuǎn)變稱為固溶體的有序化固溶體的有序化。這時。這時 ，合金的某些物理性能將發(fā)生很大的變化。，合金的某些物理性能將發(fā)生很大的變化。 第3頁/共27頁第2頁/共27頁 工程材料 金屬基礎(chǔ)理論 間隙固溶體間隙固溶體：溶質(zhì)原子進入溶劑晶格的間隙中而溶質(zhì)原子進入溶劑晶格的間隙中而 形成的固溶體稱為間隙固溶體，其中的溶質(zhì)原子形成的固溶體稱為間隙固溶體，其中的溶質(zhì)原子 不占據(jù)晶格的正常位置不占據(jù)晶格的正常位置 。 只有溶質(zhì)原子與溶劑原子的直徑之比小于只有溶質(zhì)原子與溶劑原子

3、的直徑之比小于0.590.59時，才會時，才會 形成間隙固溶體。通常，間隙固溶體都是由原子直徑很形成間隙固溶體。通常，間隙固溶體都是由原子直徑很 小的碳、氮、氫、硼、氧等非金屬元素溶入過渡族金屬小的碳、氮、氫、硼、氧等非金屬元素溶入過渡族金屬 元素的晶格間隙中而形成的。元素的晶格間隙中而形成的。 第4頁/共27頁第3頁/共27頁 工程材料 金屬基礎(chǔ)理論 固溶體的溶解度固溶體的溶解度：溶質(zhì)原子溶入固溶體的極限濃溶質(zhì)原子溶入固溶體的極限濃 度。度。 據(jù)此可以分為有限固溶、無限固溶據(jù)此可以分為有限固溶、無限固溶 。 影響溶解度的因素有原子尺寸、晶格類型、電化影響溶解度的因素有原子尺寸、晶格類型、電化

4、 學性質(zhì)以及電子濃度等學性質(zhì)以及電子濃度等 。 第5頁/共27頁第4頁/共27頁 工程材料 金屬基礎(chǔ)理論 固溶體的性能固溶體的性能： 由于溶質(zhì)原子尺寸與溶劑原子不同，其晶格都會產(chǎn)由于溶質(zhì)原子尺寸與溶劑原子不同，其晶格都會產(chǎn) 生畸變。由于晶格畸變增加了位錯移動的阻力，使滑移生畸變。由于晶格畸變增加了位錯移動的阻力，使滑移 變形難以進行，因此固溶體的強度和硬度提高，塑性和變形難以進行，因此固溶體的強度和硬度提高，塑性和 韌性則有所下降。韌性則有所下降。 這種通過溶入某種溶質(zhì)元素來形成固溶體而使金屬的這種通過溶入某種溶質(zhì)元素來形成固溶體而使金屬的 強度、硬度提高的現(xiàn)象稱為強度、硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶

5、強化固溶強化 。 第6頁/共27頁第5頁/共27頁 工程材料 金屬基礎(chǔ)理論 金屬化合物金屬化合物 金屬化合物是合金組元間相互作用所形成的一種晶格金屬化合物是合金組元間相互作用所形成的一種晶格 類型及性能均不同于任一組元的合金固相。類型及性能均不同于任一組元的合金固相。 一般可用分子式大致表示其組成。金屬化合物一一般可用分子式大致表示其組成。金屬化合物一 般有較高的熔點、較高的硬度和較大的脆性。般有較高的熔點、較高的硬度和較大的脆性。 合金中出現(xiàn)化合物時，可提高強度、硬度和耐磨合金中出現(xiàn)化合物時，可提高強度、硬度和耐磨 性，但降低塑性。性，但降低塑性。 第7頁/共27頁第6頁/共27頁 工程材料

6、 金屬基礎(chǔ)理論 （1）正常價化合物正常價化合物 周期表上相距較遠，電化學性質(zhì)相差較大的兩元素容易周期表上相距較遠，電化學性質(zhì)相差較大的兩元素容易 形成正常價化合物。其特點是符合一般化合物的原子價形成正常價化合物。其特點是符合一般化合物的原子價 規(guī)律，成分固定，并可用化學式表示。如規(guī)律，成分固定，并可用化學式表示。如Mg2Pb、 Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。等。 性能特點：性能特點：高的硬度和脆性。彌散分布于固溶體基體中高的硬度和脆性。彌散分布于固溶體基體中 時，將起到強化相的作用，使合金強化。時，將起到強化相的作用，使合金強化。 第8頁/共27頁第7頁/共27頁 工程材料 金屬基礎(chǔ)理論

7、（2）電子化合物電子化合物 由第由第族或過渡族元素與第族或過渡族元素與第至第至第族元素結(jié)合而成的族元素結(jié)合而成的 。它們不遵循原子價規(guī)律，而服從電子濃度規(guī)律。電子。它們不遵循原子價規(guī)律，而服從電子濃度規(guī)律。電子 濃度指合金中化合物的價電子數(shù)目與原子數(shù)目之比。濃度指合金中化合物的價電子數(shù)目與原子數(shù)目之比。 性能特點性能特點：高的熔點和硬度，但塑性較低，一般只能作高的熔點和硬度，但塑性較低，一般只能作 為強化相存在于合金特別是有色金屬合金中。為強化相存在于合金特別是有色金屬合金中。 第9頁/共27頁第8頁/共27頁 工程材料 金屬基礎(chǔ)理論 （3）間隙化合物間隙化合物 由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、

8、硼等原子半徑由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑 較小的非金屬元素形成的金屬化合物。較小的非金屬元素形成的金屬化合物。 根據(jù)組成元素原子半徑比值及結(jié)構(gòu)特征的不同，根據(jù)組成元素原子半徑比值及結(jié)構(gòu)特征的不同， 可將間隙化合物分為可將間隙化合物分為間隙相間隙相和和具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化 合物合物。 第10頁/共27頁第9頁/共27頁 工程材料 金屬基礎(chǔ)理論 間隙相間隙相 當非金屬原子半徑與金屬原子半徑比值小于當非金屬原子半徑與金屬原子半徑比值小于0.59時，形時，形 成具有簡單晶格的間隙化合物，稱為間隙相，如成具有簡單晶格的間隙化合物，稱為間隙相，如TiC、 TiN、ZrC、

9、VC、NbC、Mo2N、Fe2N等。等。 性能特點：性能特點：極高的熔點、硬度和脆性，而且十分穩(wěn)定，極高的熔點、硬度和脆性，而且十分穩(wěn)定， 是高合金工具鋼的重要組成相，也是硬質(zhì)合金和高溫金是高合金工具鋼的重要組成相，也是硬質(zhì)合金和高溫金 屬陶瓷材料的重要組成相。屬陶瓷材料的重要組成相。 第11頁/共27頁第10頁/共27頁 工程材料 金屬基礎(chǔ)理論 具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物 當非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值大于當非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值大于0.59時時 ，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。如鋼中的，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。如鋼中的Fe3C、 Cr23C6、

10、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。等。Fe3C稱為滲碳體稱為滲碳體 ，具有復(fù)雜的斜方晶格。，具有復(fù)雜的斜方晶格。 第12頁/共27頁第11頁/共27頁 工程材料 金屬基礎(chǔ)理論 具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物性能特點具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物性能特點： 具有很高的熔點、硬度和脆性，但與間隙相具有很高的熔點、硬度和脆性，但與間隙相 相比要稍低一些，加熱時也易于分解。這類化相比要稍低一些，加熱時也易于分解。這類化 合物是碳鋼及合金鋼中重要的組成相。金屬化合物是碳鋼及合金鋼中重要的組成相。金屬化 合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金屬合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金屬 化合物為基的固溶體。化合物為

11、基的固溶體。 第13頁/共27頁第12頁/共27頁 工程材料 金屬基礎(chǔ)理論 純金屬的結(jié)晶： 液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)示意圖液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)示意圖 第14頁/共27頁第13頁/共27頁 工程材料 金屬基礎(chǔ)理論 結(jié)晶過程能量狀態(tài)與溫度的關(guān)系結(jié)晶過程能量狀態(tài)與溫度的關(guān)系： 結(jié)晶過程是一個自發(fā)過程，所以該過程是結(jié)晶過程是一個自發(fā)過程，所以該過程是 高能狀態(tài)向低能狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。高能狀態(tài)向低能狀態(tài)的轉(zhuǎn)變。 第15頁/共27頁第14頁/共27頁 工程材料 液態(tài)金屬結(jié)晶的熱力學條件液態(tài)金屬結(jié)晶的熱力學條件 金屬基礎(chǔ)理論 液態(tài)金屬的結(jié)晶是系統(tǒng)降低自由能的自發(fā)進行的過程 。系統(tǒng)的自由能G可由下式表示： TSHG H為焓、T為絕對溫

12、度、S為熵 第16頁/共27頁第15頁/共27頁 工程材料 GS GL 溫度 T T0 自由能 G 純金屬液、固兩相體積自由能與溫度的關(guān)系 在溫度T0處GLGS，固 、液兩相處于熱力學平 衡狀態(tài)。T0即為純金屬 的平衡結(jié)晶溫度。 金屬基礎(chǔ)理論 第17頁/共27頁第16頁/共27頁 工程材料 當TT0時，GLGS，液相處于自由能更低的穩(wěn)定狀態(tài) ，結(jié)晶不可能進行；只有當TGS，結(jié)晶才 可能自發(fā)進行。這時兩相自由能的差值G就構(gòu)成相 變（結(jié)晶）的驅(qū)動力： GLSGLGS（HLHS）T（SLSS）。 金屬基礎(chǔ)理論 第18頁/共27頁第17頁/共27頁 工程材料 一般結(jié)晶都發(fā)生在金屬的熔點附近，故焓與熵隨

13、溫度 的變化可以忽略不計，則有HLHSL, SLSSS， 其中，L為結(jié)晶潛熱、S為熔化熵。當TT0時, GLSL-T0S0，所以有S L/T0。因此，可得 ： 00 0 )( T TL T TT LG SL 金屬基礎(chǔ)理論 第19頁/共27頁第18頁/共27頁 工程材料 00 0 )( T TL T TT LG SL T=T0-T，為過冷度。對于給定金屬，L與T0均為定值， 故GLS僅與T有關(guān)。因此，液態(tài)金屬結(jié)晶的驅(qū)動力是 由過冷提供的，過冷度越大，結(jié)晶驅(qū)動力也就越大。過冷 度為零時，驅(qū)動力就不復(fù)存在。所以液態(tài)金屬不會在沒有 過冷度的情況下結(jié)晶。 金屬基礎(chǔ)理論 第20頁/共27頁第19頁/共27

14、頁 工程材料 系統(tǒng)的自由能變化系統(tǒng)的自由能變化由兩部分構(gòu)成，液相與固相的體 積自由能之差，它是相變的驅(qū)動力；另一部分是出現(xiàn) 了界面使系統(tǒng)增加了表面能，它是相變的阻力。前者 與晶胚半徑的三次方成正比，后者與其平方成 正比。 LSV rGrG 23 4 3 4 金屬基礎(chǔ)理論 第21頁/共27頁第20頁/共27頁 工程材料 晶胚半徑r較小時 ，表面能占優(yōu)勢； r較大時負值的體 積自由能變化占優(yōu) 勢。 在液體中，由于形成不同半徑的球形 晶胚所引起的自由能變化的示意圖。 第22頁/共27頁第21頁/共27頁 工程材料 當溫度低于T0時，晶胚半徑r大于臨界半徑r*時， 晶胚才是穩(wěn)定的。比臨界半徑更小的晶胚

15、如果要 繼續(xù)長大，則相應(yīng)的自由能也要增加，不符合熱 力學條件所以是不可能的。即小于r*的晶胚要分解 ，大于r*的晶胚可以繼續(xù)長大。 下面來求出臨界半徑r* ： 金屬基礎(chǔ)理論 第23頁/共27頁第22頁/共27頁 工程材料 LsV rGrG 23 4 3 4 對r求導數(shù)，并令其等于0，即可得出臨界形核半徑r*: 0)4 3 4 ( 23 LsV rGr rr G m V T TL G 金屬基礎(chǔ)理論 第24頁/共27頁第23頁/共27頁 工程材料 表明臨界半徑臨界半徑r r* *與過冷度成反比與過冷度成反比，即過冷 度越大，形成晶核的晶胚的臨界半徑越小 。 TL T G r LC v LC 0 *

16、 22 金屬基礎(chǔ)理論 第25頁/共27頁第24頁/共27頁 工程材料 金屬基礎(chǔ)理論 過冷度愈大，液態(tài)和固態(tài)之間能量狀態(tài)差就過冷度愈大，液態(tài)和固態(tài)之間能量狀態(tài)差就 愈大，促使液體結(jié)晶的驅(qū)動力就愈大。只有愈大，促使液體結(jié)晶的驅(qū)動力就愈大。只有 當結(jié)晶的驅(qū)動力達到一定值時，結(jié)晶過程才當結(jié)晶的驅(qū)動力達到一定值時，結(jié)晶過程才 能進行。所以，能進行。所以，結(jié)晶的必要而且充分條件是結(jié)晶的必要而且充分條件是 具有一定的過冷度，冷速越大，過冷度越大具有一定的過冷度，冷速越大，過冷度越大 。 第26頁/共27頁第25頁/共27頁 工程材料 金屬基礎(chǔ)理論 在液態(tài)物質(zhì)的冷卻過程中，可以用熱分折法來測定其溫在液態(tài)物質(zhì)的冷卻過程中，