機(jī)械工程材料(精品課件)02第二章材料的結(jié)構(gòu)

1、第二章是材料的結(jié)構(gòu)。物質(zhì)由原子組成。原子的組合和排列決定了物質(zhì)的性質(zhì)。原子、離子和分子之間的結(jié)合力稱(chēng)為結(jié)合鍵。它們特定的組合狀態(tài)稱(chēng)為結(jié)構(gòu)。C60，1。晶體結(jié)構(gòu)的基本概念。晶體和無(wú)定形晶體是指具有規(guī)則排列的原子的固體。在正常情況下，金屬主要以晶體形式存在。晶體是各向異性的。無(wú)定形是指原子排列無(wú)序的固體。在一定條件下，晶體和無(wú)定形可以相互轉(zhuǎn)化。晶格和晶胞晶格：它是由原子中心和假想的直線(xiàn)連接而成的。的三維空間網(wǎng)格。直線(xiàn)的交點(diǎn)(原子中心)稱(chēng)為節(jié)點(diǎn)。由節(jié)點(diǎn)構(gòu)成的空間點(diǎn)陣列稱(chēng)為空間晶格，而晶胞是能夠代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單位。晶體系統(tǒng)根據(jù)不同的晶胞參數(shù)，晶體分為七個(gè)晶體系統(tǒng)。超過(guò)90%的金屬具有立

2、方和六邊形系統(tǒng)。立方系：a=b=c，=90六角系：a1=a2=a3 c，=90，=120，晶格常數(shù)：晶胞每邊的尺寸a、b和c。邊緣之間的夾角由、表示。原子半徑：?jiǎn)挝痪О凶畲笤用芏确较蛏舷噜徳娱g距離的一半。晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞中包含的原子數(shù)。配位數(shù)：晶格中最接近且等于任何原子的原子數(shù)。密度：?jiǎn)挝患?xì)胞中原子的體積百分比。3。立方系統(tǒng)的晶面和晶向的表示方法，晶體中每個(gè)位置的原子面稱(chēng)為晶面。各個(gè)方向的原子柱稱(chēng)為晶體取向。晶面指數(shù)表示晶面的符號(hào)。確定步驟如下：確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，計(jì)算晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。取三個(gè)截距值的倒數(shù)，用括號(hào)將其換算成最小的整數(shù)，形式為(hkl)。(010)示例1。如果

3、截距是1，晶面的指數(shù)截距值是倒數(shù)0，1，0，并加上括號(hào)，例2。如果截距是2，3，晶面的指數(shù)是1/2，1/3和0的倒數(shù)，它被簡(jiǎn)化為最小的整數(shù)和括號(hào)，以及(320)例3。繪制(111)確定步驟如下：確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，并通過(guò)原點(diǎn)畫(huà)出所需晶體方向的平行線(xiàn)。找出一條直線(xiàn)上任意一點(diǎn)的坐標(biāo)值，用方括號(hào)將其換算成最小的整數(shù)。表格是uvw。(1)已知原點(diǎn)上方的點(diǎn)的坐標(biāo)是1、1.5和2，并且計(jì)算直線(xiàn)的定向指數(shù)。將三個(gè)坐標(biāo)值轉(zhuǎn)換成最小的整數(shù)和方括號(hào)，得到234。2.假設(shè)晶體取向指數(shù)為110，畫(huà)出晶體取向。找到坐標(biāo)點(diǎn)1，1和0，連接原點(diǎn)和點(diǎn)的直線(xiàn)就是晶體取向。晶面和取向族(hkl)和uvw分別代表一組平行的晶體方

4、向和平面。盡管指數(shù)不同，但具有相同原子排列的晶體取向和晶面被稱(chēng)為晶體取向族或晶面族。它們分別用hkl和hkl表示。例如，112，123，立方系的公共晶面為：110，立方系的公共晶向?yàn)椋毫⒎较档墓簿驗(yàn)椋?11，表明在立方系中，具有相同折射率的晶面垂直于晶向。當(dāng)遇到負(fù)索引時(shí)，索引上方會(huì)出現(xiàn)“-”號(hào)。221，110，2。金屬的晶體結(jié)構(gòu)。純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬原子通過(guò)正離子和自由電子之間的相互作用結(jié)合在一起，稱(chēng)為金屬鍵。金屬原子往往排列緊密。具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性和金屬光澤。純金屬常見(jiàn)的晶格類(lèi)型有bcc、fcc和hcp。體心立方晶格，體心立方晶格參數(shù)，原子數(shù)：2配位數(shù)：8密度：0.68常見(jiàn)

5、金屬：鐵、鉻、鎢、鉬、釩、鈮等。晶格常數(shù)：a(a=b=c)，原子半徑：面心立方晶格，面心立方晶格原子數(shù)：4配位數(shù)：12密度：0.74常見(jiàn)金屬：鐵、鎳、鋁、銅、鉛、金等。晶格常數(shù)：A，面心立方晶格，密排六方晶格，密排六方晶格參數(shù)，原子數(shù)：6配位數(shù)：12密度：0.74常見(jiàn)金屬：鎂，鋅，鈹，鎘晶體方向上每單位長(zhǎng)度的原子數(shù)稱(chēng)為晶體方向上的原子密度。原子密度最高的晶面或方向稱(chēng)為密堆積面或方向。常見(jiàn)的晶格有三種，即面心立方晶格和面心六邊形晶格的堆疊順序。面心立方晶格的堆積順序?yàn)锳BCABCABC，面心立方晶格的原子堆積。2.實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)，變形金屬的晶粒尺寸約為110米，鑄造金屬的晶粒尺寸可達(dá)幾毫米。

6、單晶和多晶單晶：內(nèi)部晶格取向完全一致的晶體。多晶：晶粒：實(shí)際使用的金屬材料是由許多不同方向和不規(guī)則形狀的小晶體組成的，這些晶體被稱(chēng)為晶粒。晶粒間的界面。晶粒越細(xì)，晶界面積越大。多晶的：由多個(gè)晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。晶格的不完整部分稱(chēng)為晶體缺陷。實(shí)際金屬中存在大量的晶體缺陷，根據(jù)其形狀可分為三種類(lèi)型，即點(diǎn)缺陷、線(xiàn)缺陷和表面缺陷。點(diǎn)缺陷空間中三維尺寸較小的缺陷?？瘴唬壕Ц裰幸恍┎淮嬖诘脑拥目展?jié)點(diǎn)。間隙原子：原子被擠壓到晶格間隙中。它可以是賤金屬原子或外來(lái)原子。取代原子：取代原始原子位置的外來(lái)原子稱(chēng)為取代原子。點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，扭曲了晶格，這就是所謂的晶體和晶格畸變。因此，強(qiáng)度和硬度提高，塑

7、性和韌性降低。由空位和間隙原子引起的晶格畸變，線(xiàn)缺陷晶體中的位錯(cuò)：晶格中的一些晶體相對(duì)于另一部分晶體局部滑移，滑移面上滑移區(qū)和非滑移區(qū)之間的邊界線(xiàn)稱(chēng)為位錯(cuò)。分為邊緣錯(cuò)位和螺釘錯(cuò)位。邊緣位錯(cuò)和螺旋位錯(cuò)，邊緣位錯(cuò)的形成，邊緣位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整的晶體在晶面上方某處有半個(gè)原子面時(shí)，晶面像刀片一樣切入晶體，額外原子面的邊緣就是邊緣位錯(cuò)?；瑒?dòng)面上方半原子表面的正負(fù)位置用表示?；泼嫦碌陌朐用娣Q(chēng)為負(fù)位錯(cuò)，用“”表示。位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積中包含的位錯(cuò)線(xiàn)的總長(zhǎng)度。=信噪比(厘米/厘米3或1/厘米2)金屬的位錯(cuò)密度為1041012/厘米2。位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的塑性變形主要是由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起的，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)

8、化金屬的主要途徑。降低或增加位錯(cuò)密度可以提高金屬的強(qiáng)度。電鏡下位錯(cuò)、電鏡下位錯(cuò)觀察、表面缺陷晶界和亞晶界是不同取向晶粒的過(guò)渡部分，寬度為510原子間距，取向差一般為2040。亞晶粒是小尺寸和小取向差(102)的小塊。子顆粒之間的界面稱(chēng)為子顆粒邊界。亞晶邊界也可視為位錯(cuò)墻。晶界特征：原子的不規(guī)則排列。低熔點(diǎn)。耐腐蝕性差。它容易產(chǎn)生內(nèi)部吸附，外來(lái)原子容易在晶界處偏析。阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化部分，因此在實(shí)踐中使用的金屬努力獲得細(xì)晶粒。它是相變的優(yōu)先成核點(diǎn)，是微觀結(jié)構(gòu)的顯示。合金的晶體結(jié)構(gòu)，指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的材料。構(gòu)成合金的元素可以是所有的金屬，也可以是金屬和非金屬。組成合金的元素

9、相互作用可以形成不同的相。所謂相，是指金屬或合金中成分相同、結(jié)構(gòu)相同、與其它部分界面分離的均勻成分。微觀結(jié)構(gòu)本質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。固態(tài)合金中的相分為固溶體和金屬化合物。在固溶體合金中，其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同。用來(lái)表示，用，表示。晶體結(jié)構(gòu)與合金相同的元素稱(chēng)為溶劑。其他元素被稱(chēng)為溶質(zhì)。固溶體是合金的重要組成相，大多數(shù)實(shí)際合金是單相固溶體合金或基于固溶體的合金。根據(jù)溶質(zhì)原子的位置，可以分為置換固溶體和間隙固溶體。溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格的某些節(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體。無(wú)序分布的溶質(zhì)原子稱(chēng)為無(wú)序固溶體，有序分布的溶質(zhì)原子稱(chēng)為有序固溶體。黃銅取

10、代了固溶體結(jié)構(gòu)，間隙固溶體溶質(zhì)原子嵌入到溶劑的晶格間隙中形成固溶體。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金元素，如碳、氮、硼等。而溶劑元素通常是過(guò)渡元素。形成間隙固溶體的一般規(guī)律是r質(zhì)量/r劑0.59。所有間隙固溶體都是無(wú)序固溶體。固溶體的溶解度限制固溶體中溶質(zhì)原子的濃度。溶解度有限的固溶體稱(chēng)為有限固溶體。組成元素?zé)o限混溶的固溶體稱(chēng)為無(wú)限固溶體。通過(guò)替換具有相似原子半徑和電化學(xué)特性以及相同晶格類(lèi)型的固溶體，可以形成無(wú)限固溶體。所有間隙固溶體都是有限固溶體。隨著溶質(zhì)含量的增加，固溶體的強(qiáng)度和硬度增加，塑性和韌性降低。固溶強(qiáng)化的原因是溶質(zhì)原子扭曲晶格和釘扎位錯(cuò)。與純金屬相比，固溶體具有較高的

11、強(qiáng)度和硬度，而塑性和韌性較低。但與化合物相比，它們的硬度低得多，而它們的塑性和韌性卻高得多。一種固相金屬化合物，其晶體結(jié)構(gòu)不同于金屬化合物合金中組成元素的晶體結(jié)構(gòu)。金屬化合物具有高熔點(diǎn)、硬度和脆性，其組成可用分子式表示。鐵碳合金中的Fe3C可以提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，會(huì)降低其塑性。金屬化合物也是合金的重要組成相。正常價(jià)化合物符合正常價(jià)定律。例如，Mg2Si電子化合物符合電子濃度定律。例如Cu3Sn。電子濃度是價(jià)電子與原子的比率。間隙化合物由過(guò)渡族元素和原子半徑小的非金屬元素組成，如碳、氮、硼和氫。間隙相：當(dāng)r不是金/r為0.59時(shí)，形成簡(jiǎn)單晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物。例如M4X (Fe4N)、M2X (Fe2N、W2C)、MX (T