材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)1

1、材料科學(xué)與工程材料科學(xué)與工程第一章第一章 緒論緒論1-11-1 材料的定義、分類及基本性質(zhì)材料的定義、分類及基本性質(zhì) 定義: 滿足指定工作條件下使用要求的物質(zhì) 分類 按結(jié)合鍵分: 金屬材料、高分子材料、無機非 金屬以及半導(dǎo)體材料 按材料特性分: 金屬材料、無機非金屬料材料和 有機高分子材料、復(fù)合材料 按材料作用分: 結(jié)構(gòu)材料、功能材料 按使用領(lǐng)域分: 建筑材料、電子材料、醫(yī)用材 料等 價鍵四面體金屬材料金屬材料基本特性：、結(jié)合鍵為金屬鍵，常規(guī)方法生產(chǎn)的金屬為晶體結(jié)構(gòu)；、金屬在常溫下一般為固體、熔點較高；、具有金屬光澤；4、純金屬范性大，展性、延性也大；、強度較高；、自由電子的存在，金屬的導(dǎo)熱和

2、導(dǎo)電性好；、多數(shù)金屬在空氣中易被氧化無機非金屬材料無機非金屬材料 包括：陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料 生產(chǎn)過程：過原料處理成型鍛燒三階段 陶瓷基本特性： .結(jié)合鍵主要是離子鍵、共價鍵以及它們的混合鍵； .硬而脆、韌性低、抗壓不抗拉、對缺陷敏感； .熔點較高，具有優(yōu)良的耐高溫、抗氧化性能； .自由電子數(shù)目少、導(dǎo)熱性和導(dǎo)電性較??； .耐化學(xué)腐蝕性好； .耐磨損； .成型方式為粉末制坯、燒結(jié)成型。 高分子材料高分子材料 基本特性： .結(jié)合鍵主要為共價鍵，有部分范德瓦爾斯鍵； .分子量大，無明顯的熔點，有玻璃化轉(zhuǎn)變溫度、 粘流溫度。并有熱塑性和熱固性兩類； .力學(xué)狀態(tài)有玻璃態(tài)、高彈態(tài)和粘流態(tài)、強度較高；

3、 .重量輕； .良好的絕緣性； .優(yōu)越的化學(xué)穩(wěn)定性； .成型方法較多。 復(fù)合材料復(fù)合材料 由二種或二種以上組分組成，并具有與其組成不同的新的性能的材料稱為復(fù)合材料?；咎攸c：.比強度和比模量高；.良好的抗疲勞性能；.耐燒蝕性和耐高溫性好；.結(jié)構(gòu)件減振性能好； .具有良好的減摩、耐磨和自潤滑性能。1-21-2 材料科學(xué)與工程概述材料科學(xué)與工程概述 、材料科學(xué)的由來、材料科學(xué)的由來 、材料科學(xué)與工程的性質(zhì)與范圍、材料科學(xué)與工程的性質(zhì)與范圍 性質(zhì)與范圍： 是關(guān)于材料組成、結(jié)構(gòu)、制備工藝與其性能及使用過程間相互關(guān)系的科學(xué)、材料科學(xué)在工程中的應(yīng)用、材料科學(xué)在工程中的應(yīng)用第二章物質(zhì)結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)第二章物質(zhì)結(jié)構(gòu)基

4、礎(chǔ)2.12.1、物質(zhì)的組成、狀態(tài)及材料結(jié)構(gòu)、物質(zhì)的組成、狀態(tài)及材料結(jié)構(gòu) 1 1、物質(zhì)的組成和狀態(tài)、物質(zhì)的組成和狀態(tài) 、材料結(jié)構(gòu)的涵義、材料結(jié)構(gòu)的涵義靜止錠型澆鑄（靜止錠型澆鑄（a a） 某種純金屬鑄錠組織（某種純金屬鑄錠組織（b b）2.2 2.2 物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu) 1 1、量子力學(xué)的幾個基本概念量子力學(xué)的幾個基本概念 a. 微觀粒子的波粒兩象性 =h=(h/2) p = h/c = h/= (h/2)k k b 海森堡測不準原理 xp h/2 Et h/2c. 薛定諤方程 在量子力學(xué)中微觀粒子具有波動性，并且是一種統(tǒng)計意義下的幾率波。它是位置和時間的函數(shù)，寫為（x,y,z,t）或

5、（r,t），稱為波函數(shù)。幾率波的強度應(yīng)與 （r,t )2 成正比. 微觀粒子的狀態(tài)用波函數(shù)（r，t）描述，當時間改變時粒子狀態(tài)（波函數(shù)）將按照薛定諤（Schrodinger）方程進行變化.trUmtrtih,2),(222. 2. 原子核結(jié)構(gòu)原子核結(jié)構(gòu)3. 3. 原子核外電子原子核外電子2.3 2.3 原子之間相互作用和結(jié)合原子之間相互作用和結(jié)合1.1.基本鍵合基本鍵合( (化學(xué)鍵合化學(xué)鍵合) ) a. 離子鍵合 b. 共價鍵合 c. 金屬鍵合 d. 混合鍵合 2.2.派生鍵合派生鍵合( (物理鍵合物理鍵合) ) 電子在其原子或分子中的分布受到外界條件的影響產(chǎn)生分布不均勻而引起原子或分子的極性

6、結(jié)合 a. 分子間力 b .氫鍵結(jié)合 3. 3. 各種鍵型的比較各種鍵型的比較 4. 4. 原子間距和空間排列原子間距和空間排列兩個相鄰原子中心的平衡距離可以認為是兩個原子的半徑和影響原子間距(或離子半徑)的因素: 溫度、離子價、相鄰的原子數(shù)目 離子鍵合的配位數(shù)。離子鍵合的配位數(shù)。（a）在每個鎂離子（Mg2+）周圍最多有6個氧離子（O2-）。（b）位于O2-間的Si4+的配位數(shù)只有4，因為其離子大小比 值小于0.414配位數(shù)與最小半徑比配位數(shù)與最小半徑比配 位 數(shù)半 徑 比r/R3重0.1554重0.2256重0.4148重0.73212重1.02-4 2-4 多原子體系中電子的相互作用與穩(wěn)定

7、性多原子體系中電子的相互作用與穩(wěn)定性 分析由大量原子組成的晶體的基本出發(fā)點是薛定諤方程和泡利不相容原理，即由薛定諤方程解出表征電子狀態(tài)的波函數(shù)。 在分析多原子系統(tǒng)時須作一些簡化（或近似）的處理，得如下結(jié)果： 1）各原子的內(nèi)層電子狀態(tài)基本上不受其它原子的影響； 2） 形成共價鍵和金屬鍵時，外層電子的能級分裂成多個 （分子）或大量的（晶體） 相距甚近（即能量差甚?。┑?新能級，形成一個近乎連續(xù)的能帶； 3）外層（鍵合）電子的能量、角動量等力學(xué)量仍然只能取一 些分立值，用分子量子數(shù)表示 1 1、雜化軌道和分子軌道理論、雜化軌道和分子軌道理論雜化軌道：雜化軌道：原子在化合成分子的過程中，原有（能量相近

8、）的原子軌道線性地組合成新的原子軌道，稱為雜化軌道，但軌道數(shù)目不變，軌道在空間的分布方向和分布情況發(fā)生改變。原子軌道經(jīng)雜化后，可使成鍵的相對強度加大。分子軌道分子軌道：分子中每個電子是在各個原子核和其余電子組成的勢能中運動，它的運動狀態(tài)可用分子軌道描述（波函數(shù)）。分子軌道可近似地用能量相近的原子軌道組合得到。軌道數(shù)不變，能量改變。 由兩個原子軌道有效組合成分子軌道時，必須滿足能量相近、軌道最大重疊、對稱性匹配這三個條件2 2、費米能級、費米能級 在絕對零度時，電子對能態(tài)的填充是從最低能級一直填充到稱為費米能級EF的最大能級的。由此，費米能級表示的是金屬在絕對零度時的最高填充能級。在熱平衡時，電

9、子氣體中電子處在能量為E的狀態(tài)的幾率可用費米能級進行描述。 式中f(E)稱為費米分布函數(shù)，EF即是費米能量或化學(xué)勢11)(TkEEBFeEf分布函數(shù)f具有下列性質(zhì)：當T=0K, 若EEF，f（E）=0；當T 0K，若E=EF，f（E）=1/2； 而EEF，f（E） 0； 若EEF，f（E） 0K時，在EF附近的少量電子（比EF小kBT）因吸收熱能而躍遷到能量較高的狀態(tài)。在室溫下kBT 0.025ev,而EF有幾個電子伏特，即kBT 10-2 EF，因此只有少量和EF接近的電子能躍遷。對于自由電子來說，在 K-空間中，等能面是球面。而E=EF的等能面，稱為費米面，它是，其半徑/2FFmEk如上圖

10、所示，在絕對零度時，費密球面EF以內(nèi)的狀態(tài)都被電子占據(jù)，球外沒有電子。在T0時，費密球面的半徑kF比絕對零度時費密面半徑k0F小，此時費密面以內(nèi)能量離EF約kBT范圍的能級上的電子將被激發(fā)到EF之上約kBT范圍的能級。自由電子氣的費密面3 3、固體中的能帶、固體中的能帶 右圖分別示意地畫出了由Li原子形成假想的Li2分子以及固體Li時能級的分裂和能帶的形成過程鋰分子的能級和固體鋰的能帶能級分裂是相鄰原子的各軌道相互作用（或電子云交疊）的結(jié)果，當原子間距等于實際固體中原子的平衡間距時，只有外層（和次外層）的電子的能級有顯著的相互作用而展寬成帶，內(nèi)層電子仍處于分立的原子能級上，如右圖所示。通常把由

11、價電子的原子能級展寬而成的帶稱為價帶，由價電子能級以上的空能級展寬而成的帶則稱為導(dǎo)帶。外層和內(nèi)層電子的能量外層和內(nèi)層電子的能量分布與原子間距的關(guān)系分布與原子間距的關(guān)系能帶理論：能帶理論： 量子自由電子論認為固體（金屬）中的勢場是對稱的。能帶理論就是考慮了離子所造成的勢場的存在，即U0的情況下解薛定諤方程，從而確定了電子在固體中的分布特點，并建立了禁帶和允帶的概念。 能帶理論常用來定性說明導(dǎo)體、絕緣體和半導(dǎo)體的區(qū)別（見下圖）。交疊的能帶（a）和分開的能帶（b）和（c）半導(dǎo)體具有導(dǎo)電性有三種情形（見下圖）：a. 本征半導(dǎo)體: Eg非常小，熱激活就足以使價帶中費米能級上的電子躍遷到導(dǎo)帶底部，同時在價

12、帶中留下“電子空穴”B. N型半導(dǎo)體: Eg比較小，在能隙中存在著由高價雜質(zhì)元素產(chǎn)生的新能級。熱激活中以使電子從雜質(zhì)能級躍遷到導(dǎo)帶底部。而雜質(zhì)原子稱為“施主”原子。c. P型半導(dǎo)體: Eg比較小，在能隙中存在著由低價雜質(zhì)元素產(chǎn)生的新能級。熱激活足以使價帶中費米能級上的電子躍遷到雜質(zhì)能級，從而在價帶中留下電子空穴。而雜質(zhì)原子稱為“受主”原子。三類半導(dǎo)體的能帶和能隙三類半導(dǎo)體的能帶和能隙4 4、庫柏電子對、庫柏電子對 當電子間交換聲子能夠產(chǎn)生吸引的作用。當這種間接的吸引作用超過庫侖相斥的作用時，電子間就有凈的吸引作用,有可能出現(xiàn)凝聚現(xiàn)象并產(chǎn)生超導(dǎo)電流。當電子間有凈的吸引作用時，費密面附近的兩個電子

13、將形成束縛的電子對狀態(tài)，它的能量比兩個獨立的電子的總能量低，這種電子對狀態(tài)稱之為庫柏電子對。 形成庫柏電子對的最佳狀態(tài)是： K1+ K2= K1+ K2=0 5 5、極化子、極化子 在離子晶體中，電子的運動會影響離子的平衡位置；它吸引正離子使之內(nèi)移，排斥負離子使之外移，從而產(chǎn)生離子的位移極化，導(dǎo)致所在區(qū)域內(nèi)電子靜電勢的下降，出現(xiàn)趨于束縛電子的勢阱，構(gòu)成電子的束縛態(tài)電子的自陷態(tài)。這可以看成是一個準粒子（電子+晶格畸變），稱為極化子 2-5 2-5 固體中的原子有序固體中的原子有序1 1 、 結(jié)晶特性與晶體結(jié)構(gòu)結(jié)晶特性與晶體結(jié)構(gòu) 晶體按鍵合類型分：金屬晶體、離子晶體、共價晶體和分子晶體四大類。（1

14、）金屬晶體金屬晶體 金屬鍵因無方向性，其能量最低的結(jié)構(gòu)是每個原子的周圍都有盡可能多的相鄰原子。一個原子最鄰近的、等距離的原子數(shù)稱為配位數(shù)配位數(shù)。金屬結(jié)構(gòu)的配位數(shù)高，結(jié)構(gòu)緊密。最常見的金屬結(jié)構(gòu)有面心立方、密排六方和體心立方。(a)體心立方(b)面心立方（c）密排六方 典典型型金金屬屬結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)晶晶體體學(xué)學(xué)特特點點 結(jié)構(gòu)類型 結(jié)構(gòu)特征 體心立方（bcc） 面心立方 （f c c） 密排六方 （h c p） 點陣類型 體心立方 面心立方 簡單六方 點陣常數(shù) a a a，c，c/a=1633 最近的原子間距 （原子直徑） ad23 ad42 acad43220 晶胞中原子數(shù) 28811 4621881

15、6 配位數(shù) 8 12 12 致密度 68. 0)43)(34(233aa 74. 0)42)(34(433aa 0.74 面心立方和密排六方的致密度: 0.74 0.74 。這是兩種最密排的方式，差別只是最密排面的堆垛方式不同。密排六方是按ABAB方式排列，面心立方是按ABCABC方式堆砌而成，見下圖。 兩種最密堆積方式 兩種晶體結(jié)構(gòu)中的空隙位置 (2) (2) 離子晶體離子晶體 離子鍵不具有方向性和飽和性，有利于離子在空間作密堆積。離子晶體的堆積形式主要取決于正負離子的電荷數(shù)和正負離子的相對大小。 離子晶體的結(jié)構(gòu)可以認為是以一個正離子為中心，周圍配置多個負離子而形成負離子配位多面體，在空間的

16、無限延伸就構(gòu)成了離子晶體的空間點陣，其排布規(guī)律服從鮑林(Pauling)規(guī)則。（3 3）共價晶體）共價晶體 共價鍵具有嚴格的方向性和飽和性，一個特定原子的最鄰近原子數(shù)是有限制的，并且只能在特定的方向進行鍵合。因此，共價晶體中原子在空間的排布達不到密堆積程度。（）分子晶體（）分子晶體范德瓦爾斯鍵合沒有方向性和飽和性，分子晶體有形成密堆積的趨勢。但一般共價分子有一定的幾何結(jié)構(gòu)，故它們在堆積成晶體時不能象球形的原子或離子的堆積那么緊密。多數(shù)分子晶體，特別是有機化合物晶體的對稱性都比較低。極性分子永久偶極之間的靜電相互作用，則進一步限制了晶體中分子的堆砌方式。由于氫鍵具有飽和性和方向性，此類分子晶體的

17、堆砌密度最低。2 2、 晶體幾何學(xué)基礎(chǔ)晶體幾何學(xué)基礎(chǔ)（1 1）晶體的對稱元素）晶體的對稱元素 晶體可以根據(jù)其對稱元素進行分類。 旋轉(zhuǎn)操作 反映操作 分子結(jié)構(gòu)對稱元素 反演操作 晶體對稱元素 旋轉(zhuǎn)反演操作 平移操作 螺旋旋轉(zhuǎn)操作 滑移反映操作（2 2）空間點陣）空間點陣 晶體的結(jié)構(gòu)可抽象為由一些相同的幾何點在空間作周期性的無限分布，幾何點代表基元（原子、離子、分子或原子團）的某個相同位置，即每個幾何點的周圍環(huán)境是相同的。點的總體就稱作空間點陣。根據(jù)數(shù)學(xué)推導(dǎo)，共有十四種空間點陣，稱布拉菲點陣。3 3、晶胞和晶系、晶胞和晶系 晶胞：晶體結(jié)構(gòu)的基本單元，為一個平行六面體，形狀和大小由晶體的結(jié)構(gòu)決定，要

18、求晶胞尺寸要小并盡可能反映晶體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的對稱性。 晶胞共有七種類型，分屬七大晶系。晶胞的類型由其晶胞的三個邊長a、b、c和他們之間的夾角、（稱為晶格常數(shù)）的相互關(guān)系所決定。4 4、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)A A 晶向指數(shù)晶向指數(shù) 晶向指數(shù)是從原點出發(fā)到達某一陣點，其方向用該陣點的坐標來表示，并取互質(zhì)的最小整數(shù)倍，再加上方括號。即uvw為表示晶體中的晶向。相互平行的方向其指數(shù)是相同的。對于負的指數(shù)，字母上加一橫線，如 111方向在z軸上的分量是負值。晶向族：在晶體中原子密度相同的晶向?qū)儆谝粋€晶向族，記為uvw，例如立方體的四根對角線 111111111111 屬于111晶向族。B

19、B 晶面指數(shù)晶面指數(shù)晶面指數(shù)確定方法：1 選晶胞某頂點為原點，三條棱邊為x、y、z軸； 2 取該晶面與x、y、z軸相交的截距，為避免出現(xiàn) 零截距，所選原點一定要在被標定的晶面之外； 3 取各截距倒數(shù)，再乘以最小公倍數(shù)，除以最大公約 數(shù)化成互質(zhì)整數(shù)，并加圓括號。 晶面泛指常用hkl字母表示，即用符號（hkl）表示。晶面族：晶體中有些晶面位向不同，但原子排列和晶面間距均相同，這些晶面合稱為晶面族，用hkl表示。立方晶格的幾個晶面示意圖立方晶格的幾個晶面示意圖5 5 晶面間距晶面間距 一組平行晶面中最鄰近的二個晶面間的距離稱為晶面間距，用dhkl表示。 晶面指數(shù)低的晶面通常具有較高的原子密度，從而具

20、有較大的晶面間距；晶面指數(shù)較高的晶面，其面上排列稀疏，晶面間距較小。 晶面間距公式：222)()()(1clbkahdhkl對于立方晶系：222lkhadhkl對于復(fù)雜點陣，即1）bcc 當h+k+l=奇數(shù)時；2）fcc 當h,k,l不全為奇數(shù)或不全為偶數(shù)時：2222lkhadhkl晶面間距可用布拉格定律來測定 n=2dsin 6 6 多晶型多晶型 一化合物（或純組元）存在兩種或兩種以上不同的晶體結(jié)構(gòu)的形式例ZnS立方硫化鋅和六方硫化鋅 SiO2方石英、鱗石英和石英 Sn白錫和灰錫 C金剛石和石墨2-62-6固體中的原子無序固體中的原子無序 1 1 固溶體固溶體 固溶體的兩個基本特征： 1）取

21、溶劑的晶體結(jié)構(gòu)。 2）成分在一定范圍可連續(xù)變化。 分類分類 1）根據(jù)在相圖中的位置分 端際固溶體端際固溶體 中間固溶體中間固溶體（以化合物為基）2 2）根據(jù)溶質(zhì)的位置分：）根據(jù)溶質(zhì)的位置分： 置換固溶體置換固溶體 間隙固溶體間隙固溶體 3 3）根據(jù)溶解度分）根據(jù)溶解度分 有限固溶體有限固溶體 無限固溶體無限固溶體（A、B半徑差15%）（置換固溶體） 影響置換固溶體溶解度影響置換固溶體溶解度 a 離子大 b 負電性 c 晶體結(jié)構(gòu)類型 （要形成無限固溶體必須A、B 結(jié)構(gòu)相同） d 電價因素 （ NaAlSi4O8和CaAl2Si3O8互溶）間隙型固溶體間隙型固溶體 金屬鍵晶體中添加H，B，C，N等

22、形成間隙固溶體 影響形成間隙固溶體的因素：影響形成間隙固溶體的因素： a 原子大小和晶體結(jié)構(gòu) b 電荷平衡（例加YF3加入CaF2中，F(xiàn)-跑到 （CaF2）間隙中,Y3+置換Ca2+） c 非化學(xué)計量化合物 偏離化學(xué)式的化合物，稱非化學(xué)計量化合物。 多數(shù)氧化物（膜）的組分并不嚴格符合化學(xué) 計量比 4）根據(jù)各組元原子分布的 無序固溶體無序固溶體 有序固溶體有序固溶體 各組元原子分別占據(jù)各自的布拉菲點陣，又稱超點陣或超結(jié)構(gòu)。例如，F(xiàn)eAl合金在高溫下為體心立方的無序固溶體，但在低溫下，一種原子占據(jù)晶胞的頂點，則另一種原子占據(jù)體心。此時頂點和體心不再是等同點，為兩套簡單立方分點陣穿插而成的復(fù)雜點陣，

23、即 超點陣。2 2 晶體結(jié)構(gòu)缺陷晶體結(jié)構(gòu)缺陷 實際晶體中總存在原子排列的周期性受到破壞的微小的區(qū)域，這樣的區(qū)域被稱為晶體缺陷。晶體缺陷可分為四類：一、點缺陷一、點缺陷 三維方向上的尺寸都遠小于晶粒的線度，這種缺陷區(qū)稱為點缺陷。點缺陷有：空位、間隙原子等。點缺陷的形式較為復(fù)雜:雙空位、空位團、空位片等擠列子擠列子（crowdion）m個原子均勻地分布在n個原子位置的范圍內(nèi)（mn） 一般情形下，點缺陷主要影響晶體的物理性質(zhì)（如比容、熱容、電阻率等）,而對金屬力學(xué)性能的影響較小。和其它缺陷不同，點缺陷是點缺陷是一種熱力學(xué)平衡缺陷一種熱力學(xué)平衡缺陷，其熱平衡濃度可用以下熱力學(xué)公式進行計算。 G=H-T

24、SG=H-TS 含有擠列子的FCC晶體的（111）面二、線缺陷二、線缺陷 在一維方向上缺陷區(qū)的尺寸很大，而在另兩維上的尺寸很小，這種缺陷就稱為線缺陷或位錯位錯。（1 1）位錯類型）位錯類型 位錯基本類型為刃型位錯刃型位錯和螺型位錯螺型位錯兩種。 刃型位錯 位錯類型位錯類型 螺型位錯 混合位錯刃型位錯刃型位錯 金屬刃位錯示意圖 離子晶體的位錯比較復(fù)雜，為了保持電中性，一個位錯必須保持正負離子比。 MgO晶體刃位錯圖 一些單晶材料，受到拉應(yīng)力超過彈性限度后，產(chǎn)生永久形變。這是晶體被拉長時，晶體各部分沿某族晶面形成位錯直至發(fā)生了相對移動（滑移），即永久形變。下圖是實驗所得塑性變形示意圖，可觀察到滑移

25、帶（呂得斯帶）的存在。單晶受拉伸產(chǎn)生呂得斯帶示意圖螺旋位錯螺旋位錯 在剪應(yīng)力作用使晶體的晶面相互滑移所致。螺旋位錯示意圖位錯密度位錯密度 位錯密度等于L/V=n/A。位錯密度可以用單位截面上的位錯線露頭的數(shù)目表示。 一般單晶 103104/厘米2位錯密度 退火金屬 106108/厘米2 淬火（大變形）金屬 10101012/厘米2 位錯的基本理論位錯的基本理論1)1)位錯的柏氏矢量位錯的柏氏矢量b b 柏氏矢量b b由柏氏回路決定的（見下圖），其方向和晶體滑移方向平行，大小為該位錯的單位滑移距離。柏氏回路是把存在位錯線周圍原子間距的畸變量疊加起來，其總的結(jié)果就是柏氏矢量。柏格斯回路和矢量的確定

26、柏格斯回路和矢量的確定柏氏矢量柏氏矢量的物理意義：反映了位錯畸變的大小和方向柏氏矢量b b和位錯線的相互關(guān)系 b b=0 即相互垂直，刃型位錯，B B和關(guān)系 b b= b b 即相互平行，螺旋位錯 b b0 即交一角度，混合位錯柏氏矢量守恒性柏氏矢量守恒性 一條位錯線只有一個柏氏矢量， 且b b1 1= b b2 2+ b b3 3 b b2 2+b b6 6= b b3 3+ b b4 4 即b bi i=0 2 2）位錯周圍的應(yīng)力場和彈性應(yīng)變能）位錯周圍的應(yīng)力場和彈性應(yīng)變能 圍繞一個螺旋位錯的晶體圓柱體區(qū)域的應(yīng)力場和應(yīng)變能為： =Gb/2r單位長度的圓柱彈性能：)ln(422221020r

27、RGbrdrrbrGbERr此處r0是位錯核心的半徑。圍繞螺旋位錯的應(yīng)變?nèi)行臀诲e刃型位錯彈性能：彈性能：所以 E=Gb2 （刃型=1，螺型=0.5) 位錯的彈性應(yīng)變能有盡可能使自己趨向縮短，彎曲的位錯線有變直的趨向。如果是環(huán)形位錯線，則有使環(huán)形收縮，甚至有消失的可能。 設(shè)R是位錯線的曲率半徑，力圖使曲線變直的張力是Er，其作用方向和曲線垂直，根據(jù)E=Gb2 的近似式（即=1），則Er =Gb2/R.)ln()1 (402rRvGbE3 3）位錯的滑移和攀移）位錯的滑移和攀移位錯的滑移 位錯的攀移位錯的攀移三、面缺陷三、面缺陷 晶界 面缺陷 相界 大角度晶界 位向差40 60 晶界 （原子結(jié)構(gòu)復(fù)

28、雜） 小角度晶界 位向差100 （原子簡單）圖中可見界面質(zhì)點排列著一系列刃位錯。相鄰的同號位錯間距離為： 對稱傾側(cè)晶界 對稱傾側(cè)晶界小角度晶界 傾側(cè)晶界 扭轉(zhuǎn)晶界由右圖的對稱傾側(cè)晶界可見界面質(zhì)點排列著一系列刃位錯。相鄰的同號位錯間距離為： D= b/三、擴散三、擴散 固體中的擴散可用實驗證明。在純金和純鎳之間制成非常清潔的接合，將這個擴散對在高溫下（例如900）保持一個長時間后，可測定金和鎳的混合程度，如下圖所示?？瓶线_爾效應(yīng)A A 擴散現(xiàn)象擴散現(xiàn)象：固體中擴散由原子的熱振動引起,但還與缺陷有關(guān),與晶體結(jié)構(gòu)有關(guān). B B 金屬中的體積擴散機制金屬中的體積擴散機制 空位擴散機制：空位擴散機制：一

29、個原子與一個相鄰空位交換位置?？瘴粩U散激活能：空位擴散激活能：空位形成能Hv+空位遷移能Hm ，空位擴散機制：空位擴散機制：為置換固溶體的主要擴散機制。 間隙擴散機制間隙擴散機制：間隙原子從一個間隙位置調(diào)換到相鄰間隙位置。 間隙擴散激活能：間隙擴散激活能：間隙原子遷移能Hm 。 間隙擴散機制間隙擴散機制為間隙固溶體的主要擴散機制金屬中的擴散系數(shù)金屬中的擴散系數(shù)：D=D0e-Q/RT 式中： Q為擴散激活能，其大小與鍵的類型有關(guān)（Ag和Ge）3離子固體和共價固體中的體積擴散離子固體和共價固體中的體積擴散大多數(shù)離子固體和共價固體中的擴散是按空位擴散機制進行。4 4其它類型的擴散其它類型的擴散 晶界

30、擴散、表面擴散、位錯擴散等（短路擴散） 低溫時以短路擴散為主，高溫時以體擴散為主。5非晶體中的擴散非晶體中的擴散 對于聚合物，聚合度高的，擴散速率低（分子鏈段運動）。當小分子擴散通過聚合物，只有那些可溶的，而又基本上不與聚合物起化學(xué)反應(yīng)的原子和分子比較容易擴散。擴散的通道一般通過聚合物內(nèi)的非晶區(qū)（阻力?。?在硅酸鹽玻璃中，硅、氧原子的擴散系數(shù)很小，但硅酸鹽網(wǎng)絡(luò)中有一些相當大的孔穴，小原子（氫、氦、鈉、鉀等）可以很容易滲透。6 6、擴散的數(shù)學(xué)描述、擴散的數(shù)學(xué)描述Fick第一定律：（適于穩(wěn)態(tài)）dxdcDxcDJx即物質(zhì)遷移方向與濃度梯度的方向相反。 F i c k 第 二 定 律 ： （ 適 于

31、 非 穩(wěn) 態(tài) ） 假定D為常數(shù)（即與濃度無關(guān)）22dxcdDdtdc Fick第一定律表明互擴散的推動力是濃度梯度，即物質(zhì)遷移方向與濃度梯度的方向相反，但這不能解釋存在著上坡擴散的現(xiàn)象。所以系統(tǒng)總自由能的減少作為推動力則更為正確，即Fick第一定律中的濃度梯度應(yīng)改為化學(xué)位梯度。2.72.7固體中的轉(zhuǎn)變固體中的轉(zhuǎn)變 一、固體中的轉(zhuǎn)變類型一、固體中的轉(zhuǎn)變類型1. 同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變（多晶轉(zhuǎn)變）晶體從一種結(jié)構(gòu)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)，成分不變（改變）。2非晶態(tài)晶化3結(jié)構(gòu)馳豫 馳豫是指在外界因素影響下，一個偏離了原來平衡態(tài)或亞穩(wěn)態(tài)的體系回復(fù)到原來狀態(tài)的過程。4拐點分解（ spinode分解） 隨溫度下降，液相（固相）

32、分成兩種互不相溶的液相（固相）即為拐點分解。它是一種不需要成核的相變，是通過上坡擴散進行的。二、平衡和相變二、平衡和相變1、熱力學(xué)平衡熱力學(xué)平衡 吉布斯自由能達到最小值時就處于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。2、相變相變 在均相或混合相中出現(xiàn)不同成分或不同結(jié)構(gòu)、不同組織形態(tài)或不同性質(zhì)的相，就稱為相變。相變分類：（1）從熱力學(xué)角度分類：從熱力學(xué)角度分類：可分為一級相變和高級 （二級，三級，）相變。一級相變：一級相變：pPTT)()(21TTPP)()(21STP)(VPT)(因此一級相變時，具有體積和熵（及焓）的突變00SV焓的突變表示相變潛熱的吸收或釋放。 二級相變時，G1=G2，1=2，而且化學(xué)勢的一級偏微

33、商也相等，只是化學(xué)勢的二級偏微商不相等的。此時：000pC 即在二級相變時，在相變溫度，體積及焓均無突 變，而Cp及具有突變。 晶體凝固、沉淀、升華、熔化及多數(shù)固態(tài)相變都屬一級相變。超導(dǎo)態(tài)相變、磁性相變、無序-有序相變等為二級相變。 （2）按相變方式分類：按相變方式分類：a，形核-長大型相變：由程度大、但范圍小的起伏開始發(fā)生相變；b，連續(xù)型相變：由程度小，范圍廣的起伏連續(xù)地長大形成新相（不需形核），例spinode分解（拐點分解）。（3）按原子遷動特征分類：按原子遷動特征分類：a，有序無序相變（位移型相變）；b, 磁性轉(zhuǎn)變（只涉及電子旋轉(zhuǎn)方向）；c, 有擴散和無擴散相變。三、三、 相圖相圖 相

34、圖是用來表示材料的平衡相狀態(tài)和溫度及成分關(guān)系的綜合圖形，是材料科學(xué)的基礎(chǔ)內(nèi)容。1 1、相律、相律 相相-系統(tǒng)內(nèi)性質(zhì)相同的、有界面分開的均勻組成部分自由度自由度-相平衡系統(tǒng)中可以獨立改變的變量（如 溫度、壓力或組分的濃度等）。相律相律-多相平衡系統(tǒng)的普遍規(guī)律： F=c-p+n 式中：n為能夠影響系統(tǒng)的平衡狀態(tài)的外界因素的數(shù)目，一般n=2（溫度和壓力）對于凝聚系統(tǒng)： F=c-p+1 2 2、單元系統(tǒng)相圖、單元系統(tǒng)相圖 根據(jù)相律F=C-P+2，單元系統(tǒng)則F=3-P，單元系統(tǒng)中平衡共存的相數(shù)最多不超過三個。3. 3. 二元系統(tǒng)相圖二元系統(tǒng)相圖二元相圖的基本類型有： 勻晶相圖、共晶相圖、包晶相圖等。 二

35、元相圖中的線為單變量線，點為零變量點。杠桿定律：適于杠桿定律：適于二元相圖中兩相區(qū)內(nèi)（一定溫度下） 兩平衡相的相對量確定。右圖液、固兩區(qū)中兩平衡相在整個合金中所占百分數(shù)QL和Qa分別為：勻晶相圖與杠桿法則 cb QL = - 100 % ab ac Qa = - 100 % ab 故 QL / Qa = cb / ac 4 4、三元相圖、三元相圖（1）三元相圖濃度表示法：一般采用等邊三角形表示濃度，稱為成分三角形，又稱濃度三角形（見下圖）（2 2）三元相圖的分析）三元相圖的分析 三元勻晶相圖 三元共晶相圖第三章第三章 金屬材料組成與結(jié)構(gòu)金屬材料組成與結(jié)構(gòu)一、 金屬材料金屬材料1.金屬材料的組成

36、金屬材料的組成 由金屬元素或以金屬元素為主形成的，并具有一般金屬特性的材料稱為金屬材料。二二 合金材料合金材料1.1.合金合金 由兩種或兩種以上的金屬元素、或金屬元素與非金屬元素組成的，具有金屬特性的物質(zhì)稱為合金。2.2.合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu) 在固態(tài)合金中可能出現(xiàn)不同的相結(jié)構(gòu)。合金中各種相的結(jié)構(gòu)對合金的性能起決定性作用，合金組織的變化對合金的性能則有很大的影響。 固溶體 合金中的相合金中的相 正常價化合物 化合物 電子化合物 間隙化合物 a a、 正常價化合物正常價化合物組元之間原子價符合化學(xué)上的化合價的規(guī)律。例 NaCl型：MgSe、CaSe、 CaTe等； CaF型：PtSn2 、Au

37、Al2等； 立方ZnS型：ZnS CdS AlSb等； 六方ZnS型：ZnS、MgTe、AlN等。 正常價化合物硬度高，但較脆。b、 電子化合物電子化合物 金、銀、銅與鋅、鋁、錫等B次族元素組成合金系時，隨合金組元成分改變合金相結(jié)構(gòu)與電子濃度具有一定對應(yīng)關(guān)系。電子濃度電子濃度=價電子數(shù)/原子數(shù)。電子化合物電子化合物( (又稱電子相又稱電子相) )特點特點：晶格類型與一定的 電子濃度對應(yīng)。例如：黃銅（bcc) CuZn：為3/2(或21/1421/14)； 黃銅(復(fù)雜立方) Cu5Zn8：為21/1321/13； 黃銅(hcp) CuZn3：為7/4(21/1221/12)。 電子化合物的點陣結(jié)

38、構(gòu)和穩(wěn)定性主要取決于電子濃度因素。 電子化合物具有很高的熔點和硬度，并有導(dǎo)電性。C C、 間隙化合物間隙化合物 過渡族金屬與原子半徑很小的非金屬形成穩(wěn)定性較高的間隙化合物。金屬和非金屬原子半徑比0.59時則形成復(fù)雜晶格的間隙化合物。例：簡單間隙化合物：TiC、VC、 WC、Fe4N、 Fe2N等；復(fù)雜間隙化合物：FeC 、(Cr、Fe、W、Mo)23C6、 Cr7C3、Fe4W2C等。 間隙化合物具有高硬度和高熔點。金屬化合物共同特點：具有極高硬度和較高熔點，塑性很差。三、三、 鐵碳合金的基本知識鐵碳合金的基本知識1 1、鐵碳合金的基本相、鐵碳合金的基本相 （1）鐵素體鐵素體 鐵素體鐵素體：碳

39、溶于-Fe中的間隙固溶體，體心立方晶胞，碳最大溶解度為0.0218% （727），隨溫度降低溶解度減小，室溫時碳的溶解度0.006%。 鐵素體具有鐵磁性，在770 發(fā)生磁性轉(zhuǎn)變。 （2）奧氏體奧氏體奧氏體奧氏體：碳溶于-Fe中的間隙固溶體，是面心立方結(jié)構(gòu)，碳的最大溶解度為2.11%（ 1148 ）。隨溫度降低溶解度下降，在727時碳的溶解度為0.77%。 奧氏體具有順磁性。3）滲碳體滲碳體滲碳體滲碳體：復(fù)雜間隙化合物FeC，含碳量為6.69%。滲碳體特點滲碳體特點：硬度高(HB=800)，塑性和沖擊韌性幾乎為零，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變，但在230有磁性轉(zhuǎn) 變?？尚纬珊辖饾B碳體。 滲碳體是鋼中的強化相，

40、它的形態(tài)與分布對鋼的性能有很大的影響。滲碳體是一種亞穩(wěn)定相，在一定條件下會分解成石墨碳和鐵。（4）馬氏體馬氏體馬氏體：碳在-Fe中的過飽和固溶體，為體心正方結(jié)構(gòu)。 當奧氏體冷卻時冷速大于臨界冷速時，奧氏體就發(fā)生馬氏體轉(zhuǎn)變而形成馬氏體。 馬氏體是非平衡組織，由于它在較低的溫度形成，鐵和碳都不能進行擴散，保留了奧氏體的碳含量，所以具有很高的硬度和強度。2.2.鐵碳合金狀態(tài)圖鐵碳合金狀態(tài)圖 鐵碳相圖是表明了平衡條件下任一鐵碳合金的成分、溫度與組織之間的關(guān)系，并能推斷出其性能與成分或溫度的關(guān)系。所以，鐵碳狀態(tài)圖是研究鋼鐵的化學(xué)成分、組織和性能之間關(guān)系的理論基礎(chǔ)。也是制定各種熱加工工藝的依據(jù)。人們將鐵碳

41、狀態(tài)圖作為研究鐵碳合金的基本工具。 鐵與碳能形成Fe3C（6.69%C)、Fe2C、FeC等化合物。而鋼鐵的含碳量不超過5%，因此我們只需研究FeFe3C部分（1 1）鐵）鐵滲碳體相圖滲碳體相圖鐵碳狀態(tài)圖的特性點鐵碳狀態(tài)圖的特性點符號 溫度()碳含量（%） 說 明A 1538 0 純鐵的熔點B 1495 0.53 包晶反應(yīng)時液態(tài)濃度 C 1148 4.30 共晶點LcAE+Fe3C D 1227 6.69 滲碳體熔點E 1148 2.11 碳在相中最大溶解度F 1148 6.69 滲碳體G 912 0 -Fe-Fe轉(zhuǎn)變點H 1495 0.09 碳在相中最大溶解度J 1495 0.17 包晶點L

42、B+HAJK 727 6.69 滲碳體N 1394 0 -Fe-Fe轉(zhuǎn)變點P 727 0.0218 碳在相中最大溶解度S 727 0.77 共析點AsFP+Fe3CQ 0 0.006 碳在-Fe中溶解度幾條重要的特性線幾條重要的特性線：GS線： 奧氏體析出鐵素體的開始線或鐵素體完全 轉(zhuǎn)變?yōu)閵W氏體的終了線（稱A3溫度）。ES線： 碳在奧氏體中的固溶線（稱Acm溫度）。 冷卻時碳將會從奧氏體中析出滲碳體，這種 滲碳體稱之為二次滲碳體(Fe3C)。PSK線：共析線(稱A溫度)。在這條線上發(fā)生共析 反應(yīng)共析反應(yīng)的產(chǎn)物為鐵素體和滲碳體組成 的機械混合物珠光體用P表示）。 含碳量超過0.0218%的鐵碳合

43、金，都有共析反應(yīng).ECF線：為共晶轉(zhuǎn)變線。在這條線上發(fā)生共晶反應(yīng)： 共晶反應(yīng)的產(chǎn)物奧氏體和滲碳體組成的混合物 稱為萊氏體，用字母Ld代表。共晶反應(yīng)發(fā)生在 含碳為2.116.69%的鐵碳合金中。HJB線：為包晶轉(zhuǎn)變線。在這條線上發(fā)生包晶反應(yīng)： 包晶反應(yīng)的結(jié)果形成了奧氏體，包晶反應(yīng)只在 含0.090.53%碳的鐵碳合金中發(fā)生。PQ線： 碳在鐵素體中的固溶線。冷卻時碳將會從鐵素 體中析出滲碳體，這種滲碳體稱為三次滲碳體 (Fe3C)，在一般鋼中由于數(shù)量很少常常忽略 而不予考慮。（2）典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析：典型鐵碳合金結(jié)晶過程分析： 根據(jù)鐵碳合金含碳量和室溫組織的不同，將鐵碳合金分為三大類： 純鐵

44、純鐵：含碳量0.0218%，其顯微組織為鐵素體。 鋼鋼：含碳量在0.02182.11%之間。又分為三種： 亞共析鋼亞共析鋼，含碳量0.77%； 共析鋼共析鋼，含碳量為0.77%； 過共析鋼過共析鋼，含碳量在0.772.11%之間。白口鑄鐵白口鑄鐵：含碳量在2.116.69%之間。根據(jù)室溫時組織的不同，又分為三種： 亞共晶白口鑄鐵亞共晶白口鑄鐵，含碳量在2.114.3%之間； 共晶白口鑄鐵共晶白口鑄鐵，含碳量為4.3%； 過共晶白口鑄鐵過共晶白口鑄鐵，含碳量在4.36.67%之間。右圖為珠光體組織 根據(jù)珠光體層片間距的大小，珠光體可以分為三類：珠光體（P）層間距0.15 0.45 索氏體（S）層

45、間距0.08 0.15 ； 屈氏體（T）層間距0.03 0.08 珠光體組織a)0.20% b)0.40% c)0.60%C 亞共析鋼的室溫組織亞共析鋼的室溫組織(白色晶粒為鐵素體， 暗黑色組成體是珠光體）亞共晶白口鑄鐵的顯微組織用杠桿定律計算3.0%C3.0%C亞共晶白口鑄鐵室溫時的相的相對量和組織相對量。相的相對量：%=6.693.0/6.690.006 100%=55.21%Fe3C%=100%55.21%=44.79%組織相對量：A先%=4.33.0/4.32.11 100%=59.36%d%=100%59.36%=40.64%P%=6.692.11/6.690.77 59.36%=4

46、5.92%Fe3C%=100%40.64%45.92%=13.44%3.3.鋼鋼 根據(jù)鋼的化學(xué)成分，人們把鋼分為碳素鋼(簡稱碳鋼)和合金鋼兩大類。碳鋼除含主要成分的鐵、碳外，還含有少量的硅、錳、磷、硫等元素。在碳鋼的基礎(chǔ)上，有目的加入某些元素而獲得合金鋼，合金鋼性能有了顯著提高。 碳素鋼碳素鋼：按鋼的含碳量可分為：低碳鋼(含碳0.25%); 中碳鋼含碳0.250.6%;高碳鋼含碳0.6%。 合金鋼合金鋼：按鋼的合金元素含量可分為低合金鋼，合金 元素總含量5%；中合金鋼510%；高合金鋼10%。 根據(jù)鋼中所含主要合金元素種類的不同，也可分為 錳鋼、鉻鋼、鉻鎳鋼、鉻錳鈦鋼等。4 4、鑄鐵、鑄鐵 （

47、1 1）概論）概論 鑄鐵鑄鐵：含碳量2.11% 5.0%。鑄鐵的成分大致為：2.54.0%C、1.03.0%Si、0.51.4%Mn、0.010.5%P、0.020.20%S。與鋼相比，主要區(qū)別在于鑄鐵含碳、硅較高，含硫、磷雜質(zhì)元素較多，所以，鑄鐵與鋼的組織和性能差別較大。鑄鐵的優(yōu)點：制造鑄鐵的優(yōu)點：制造工藝簡單、價格低廉；還具有優(yōu)良的鑄造性能，良好的減摩性、耐磨性和切削加工性及缺口敏感性等。 工業(yè)上常用的鑄鐵有灰口鑄鐵灰口鑄鐵，可鍛鑄鐵、球可鍛鑄鐵、球墨鑄鐵墨鑄鐵、蠕墨鑄鐵蠕墨鑄鐵和特殊性能鑄鐵特殊性能鑄鐵等。（2 2）灰口鑄鐵）灰口鑄鐵 灰口鑄鐵是因斷口呈灰色而得名，簡稱灰鑄鐵。 化學(xué)成分

48、一般為：2.53.6%C、1.12.5%Si、 0.61.2%Mn，P0.5%，S0.15%。 組織特點組織特點：在基體上分布著片狀石墨。 基體有基體有：鐵素體、珠光體鐵素體、珠光體三類。 因此，可以把灰鑄鐵看成是鋼加上片狀石墨。(a)鐵素體灰鑄鐵(b)鐵素體-珠光體灰鑄鐵 (c)珠光體灰鑄鐵（3 3）可鍛鑄鐵）可鍛鑄鐵 由鑄態(tài)白口鑄件經(jīng)熱處理而得到的一種高強度鑄鐵，可鍛鑄鐵實際上并不能鍛造。按熱處理條件不同，可分為兩類：黑心可鍛鑄鐵：黑心可鍛鑄鐵：由白口鑄鐵經(jīng)高溫石墨化退火制成，其組織為鐵素體(或珠光體)基體上分布著團絮狀石墨.退火工藝(a)鐵素體可鍛鑄鐵(b)珠光體可鍛鑄鐵（4 4）球墨鑄

49、鐵）球墨鑄鐵與灰鑄鐵相比，碳當量(CE=C+1/3Si)較高（ 3.63.8%C、2.02.8%Si），一般為過共晶成分范圍，有利于石墨球化。 組織特點：基體加球狀石墨。石墨球化度愈好、愈細、石墨數(shù)量愈少、分布愈均勻，機械性能愈高。(a)鐵素體球墨鑄鐵 (b)珠光體球墨鑄鐵球墨鑄鐵球墨鑄鐵主要用途：主要用途：可用于制造曲軸、連桿、凸輪軸、機床主軸、缸套、活塞等零件。（5 5）蠕墨鑄鐵）蠕墨鑄鐵生產(chǎn)：生產(chǎn)：在一定成分的鐵水中加入適量蠕化劑(稀土鎂鈣合金等)處理而成，是一種新型鑄鐵。組織特點：組織特點：組織中的石墨是介于片狀和球狀之間的一種中間形狀的石墨，與灰鑄鐵的片狀石墨相比，蠕墨鑄鐵石墨片的長

50、厚比小，端部較鈍較圓。主要用途：主要用途：制造汽缸蓋、汽缸套、鋼錠模等零件。 （6 6）特殊性能鑄鐵）特殊性能鑄鐵 向鑄鐵中加入一定量的合金元素，使鑄鐵具有某些特殊性能，如耐磨性、耐熱性和耐蝕性等。 耐磨鑄鐵：耐磨鑄鐵：在灰鑄鐵基礎(chǔ)上加入Cr、Mo、W、Cu等； 耐熱鑄鐵：耐熱鑄鐵：加入Si、Al、Cr等形成致密氧化膜； 耐蝕鑄鐵：耐蝕鑄鐵：加入Si、Al、Cr、Ni、Cu等提高基體電位。（5 5）蠕墨鑄鐵）蠕墨鑄鐵生產(chǎn)：生產(chǎn)：在一定成分的鐵水中加入適量蠕化劑(稀土鎂鈣合金等)處理而成，是一種新型鑄鐵。組織特點：組織特點：組織中的石墨是介于片狀和球狀之間的一種中間形狀的石墨，與灰鑄鐵的片狀石墨

51、相比，蠕墨鑄鐵石墨片的長厚比小，端部較鈍較圓。主要用途：主要用途：制造汽缸蓋、汽缸套、鋼錠模等零件。 四、四、 非鐵金屬及合金非鐵金屬及合金（1 1）銅及其合金）銅及其合金 純銅純銅( (紫銅紫銅) )，比重為8.96，熔點為1083。面心立方晶格，無同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。塑性好，容易進行冷熱加工。 純銅的性能受雜質(zhì)影響很大。主要雜質(zhì)有Pb、Bi、O、S和P等，有熱脆和冷脆。必須嚴格控制雜質(zhì)含量。 純銅強度不高,常加入合金元素改善性能。 黃銅：黃銅： Cu-Zn合金或以Zn為主要合金元素的銅合金，具有良好的鑄造、加工和耐蝕性能。 黃銅可分為普通黃銅和特殊黃銅兩類。普通黃銅：Cu-Zn合金，并分單相黃銅

52、和雙相黃銅兩種。單相黃銅單相黃銅，室溫組織為固溶體，Zn39%；雙相黃銅雙相黃銅，室溫組織為+兩相固溶體，Zn3945%。低鋅黃銅（H96、H90）：冷凝器、散熱器等；三七黃銅：槍彈、炮彈殼等；四六黃銅：銷釘、螺帽等。 特殊黃銅特殊黃銅 在普通黃銅中加入其它元素所組成的多元合金稱為特殊黃銅。常加入的元素有鉛、錫、硅、鋁、鐵等，相應(yīng)地稱這些特殊黃銅為鉛黃銅、錫黃銅。 合金元素加入黃銅后，主要是提高黃銅的特殊性能和改善其工藝性能。如加入Sn、Al、Mn、Si可提高耐蝕性及減少黃銅應(yīng)力腐蝕開裂的傾向。加Si改善鑄造性能，加Pb則改善切削加工性能。青銅青銅 青銅原指Cu-Sn合金，是人類應(yīng)用最早的一種

53、合金，但工業(yè)上習(xí)慣稱含有Al、Si、Pb、Mn、Be等的銅基合金為青銅。所以，青銅包括有錫青銅、鋁青銅、鈹青銅等。 鑄件收縮小，適于制造形狀復(fù)雜的制品（2 2）鋁及其合金）鋁及其合金 鋁是地殼中儲量最豐富的元素之一，約占全部金屬的三分之一。固態(tài)鋁呈面心立方晶格，塑性好，但強度低，可經(jīng)冷塑性變形使其強化。 純鋁的強度低，為提高其強度，通常加入一定量的合金元素(如Si、Cu、Mg、Mn等)制成鋁合金。用變形和熱處理方法，可進一步提高強度。且仍然具有比重小、耐腐蝕性、導(dǎo)熱性等特殊性能。 根據(jù)鋁合金的成分及工藝特點，可將鋁合金分為變形鋁合金和鑄造鋁合金。以鋁為基的二元合金大都為共晶相圖（見下圖）。成分

54、在D點以左的合金，當加熱到固溶線以上時，得到的是均勻的單相固溶體，適于壓力加工，所以，稱為變形鋁合金變形鋁合金。當成份在F點以左的合金，其固溶體成分不隨溫度而變，不能用熱處理使之強化；成分在DF點之間的鋁合金，其固溶體成分隨溫度而變化，可用熱處理強化。鑄造鋁合鑄造鋁合金金主要為鋁硅系和鋁銅系。 鋁鎂系的研究是一項前沿課題。五、非晶態(tài)合金五、非晶態(tài)合金特點：特點：主要是高硬度和高強度，延伸率低但不脆，有很好的軟磁鐵性和優(yōu)越的耐腐蝕性能。 用任何方法使金屬從氣態(tài)或液態(tài)以足夠快的冷速凝固成固體就可以形成非晶態(tài)。 非晶態(tài)材料在加熱時逐步向晶態(tài)轉(zhuǎn)化的過程中會出現(xiàn)一些既不同于非晶又不同于晶態(tài)的過渡結(jié)構(gòu)，從

55、這些過渡結(jié)構(gòu)中有可能發(fā)展出一些新的材料。 六、六、 金屬材料的再結(jié)晶金屬材料的再結(jié)晶1.1.再結(jié)晶再結(jié)晶 再結(jié)晶再結(jié)晶：當變形金屬加熱到較高溫度，由于原子活動能力增大，使發(fā)生嚴重畸變的晶粒重新成核、長大，形成無畸變的晶粒。在再結(jié)晶的過程中加工硬化與殘余應(yīng)力逐漸消除，同時消除了纖維組織，形成了新的等軸晶粒，使變形金屬又重新恢復(fù)到冷塑性變形前的狀態(tài)，但沒有晶體結(jié)構(gòu)的改變。(a)550再結(jié)晶 (b)600再結(jié)晶 (c)850再結(jié)晶再結(jié)晶溫度再結(jié)晶溫度：指再結(jié)晶開始溫度。 純金屬的再結(jié)晶溫度(T再)與其熔點(T熔)有如下關(guān)系：熔再TT4.0式中：T為絕對溫度。2 2、晶粒長大、晶粒長大 變形金屬經(jīng)再結(jié)晶細而均勻等軸晶升溫或保溫晶?；ハ嗤滩⒆园l(fā)自發(fā)長大金屬塑性增加，強度下