机械工程材料新2.ppt

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1、第二章第二章 金属的晶体结构与结晶金属的晶体结构与结晶 l 金属特性与金属键金属特性与金属键 l 金属的晶体结构金属的晶体结构l 实际金属结构实际金属结构l 金属的结晶金属的结晶l 金属铸锭组织金属铸锭组织l原子的构造原子的构造一、一、金属特性与金属键金属特性与金属键 金属原子的最外层轨道电子少。金属原子的最外层轨道电子少。金属原子易失去电子而成为正离子。金属原子易失去电子而成为正离子。金属键金属键 金属正离子与自由电子间的静电作用，金属正离子与自由电子间的静电作用，使金属原子结合起来形成金属整体。使金属原子结合起来形成金属整体。l 金属特性金属特性优良的导电性和导热性。优良的导电性和导热性。

2、不透明和具有金属光泽。不透明和具有金属光泽。较高的强度和较好的塑性。较高的强度和较好的塑性。正的电阻温度系数。正的电阻温度系数。l 关系关系导电：在电势作用下，自由 电子定向移动；正的电阻温度系数：T，离子振动，电子运动阻力塑性：金属中离子与电子间能保 持一定的相对关系。二、金属的晶体结构二、金属的晶体结构1.晶体的基本知识晶体的基本知识l晶体与非晶体 晶体：内部原子在空间呈一定的有规则规则排列，具有固定固定熔 点和各向异性各向异性。(金刚石、盐)非晶体：内部原子是无规则堆积在一起的。没有固定的熔 点，具有各向同性。(玻璃、石蜡)l 晶格(点阵)表示晶体中的原子(正离子)排列方式的空间几何体。

3、假设：A.金属中的原子(正离子)都是刚性小球；B.金属中的原子都缩小为一个点，线将点连 接起来，线与线的交点为节点。l晶胞：表示晶格几何特征的最小几何单元。(1)晶格常数:棱边长度(a,b,c)，单位A0(10-10m);轴间夹角(、）(2)晶面、晶向:晶面：在晶体中通过原子中心的平面,用晶面指数表示。晶向：通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方 向，用晶向指数表示。晶向指数的确定方法晶向指数的确定方法(1)通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；(2)求出该直线上任意一点的 三个坐标值，(3)将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶向指数。一般形式为uvw。原子排列相同

4、，位向不同，可统一用表示。晶向指数晶面指数的确定方法晶面指数的确定方法(1)沿晶胞的三个坐标轴，由原点起取该晶面在各坐标轴上的截截 矩矩（以晶格常数值a、b、c分别为三个相应轴上的度量单位）(2)取截矩的倒数倒数；(3）把它们化为三个最小的简单最小的简单整数整数，并括在一个圆括弧中表示。一般形式为(hkl)。原子排列相同,位向不同，可统一用hkl表示。晶面指数的确定晶面指数的确定2.典型的晶体结构典型的晶体结构体心立方(b.c.c)面心立方(f.c.c)密排六方(h.c.p)body-centered cubicface-centered cubichexagonal close-packed

5、a)刚球模型b)质点模型c)晶胞原子数 三种常见金属晶格的常用数据三种常见金属晶格的常用数据 体心立方 面心立方 密排六方 晶胞中的原子数 2=81/8+14=81/8+61/26=121/6+21/2+3原子半径 致密度 0.680.740.74配位数812=3412=6+3+3常见材料W,Mo,Ta,Nb,Ti,V,Cr -FeCu,Al,Au,Ag-FeZn,Mg致密度：晶胞中包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。配位数：晶格中任一原子周围所紧邻的最近且等距离的原子数。例例：体心立方的常用数据体心立方的常用数据=90=900 0 a=b=c a=b=c 晶格常数晶格常数“a”a”一个晶

6、胞内有二个原子（一个晶胞内有二个原子（1/881=2）致密度致密度=0.68 即：原子排列的紧密程度。即：原子排列的紧密程度。（晶胞中原子占体积与晶胞体积之比）（晶胞中原子占体积与晶胞体积之比）0.68=24/3(a a)3 3/a/a3 3配位数配位数=8 即：晶体中任一原子周围最近即：晶体中任一原子周围最近 且等距离紧邻的原子数。且等距离紧邻的原子数。常常见见的的金金属属：Fe Fe(t(t910)910)CrCr、W W、MoMo、V V等等3.各向异性各向异性l 晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而不同 方向上的性能有所差异(原子间结合力不同)。l 硅钢片，不同晶向磁化能力不同，

7、采用轧制，使 晶向平行于轧制方向，得到优异的磁导率。体心立方晶格体心立方晶格面心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格密排六方晶格110111110111晶格晶格滑移面滑移面滑移滑移方向方向滑移系滑移系三种典型金属晶格的滑移系三种典型金属晶格的滑移系三、实际金属结构三、实际金属结构l单晶体单晶体晶体内部的质点排列完全一致。晶体内部的质点排列完全一致。晶粒：外形不规则的小单晶体。晶粒：外形不规则的小单晶体。l多晶体多晶体由许多单晶体无规则堆积而成的晶体。由许多单晶体无规则堆积而成的晶体。晶界：颗粒与颗粒之间的界面。晶界：颗粒与颗粒之间的界面。伪各向同性：伪各向同性：单晶体虽然是各向异性的，单晶体虽然是

8、各向异性的，但是由许多单晶体无规则但是由许多单晶体无规则堆积而成的多晶体则呈现堆积而成的多晶体则呈现各向同性各向同性。显微组织：显微镜下观察到的金属中显微组织：显微镜下观察到的金属中各种晶粒的大小、形态和分布。各种晶粒的大小、形态和分布。1、单晶体与多晶体单晶体与多晶体1932年发明了电子年发明了电子显微镜，把人们带显微镜，把人们带到了微观世界的更到了微观世界的更深层次（深层次（10-7m）透射电子显微镜透射电子显微镜 扫描电子显微镜扫描电子显微镜 光镜下光镜下电镜下电镜下光学显微镜光学显微镜l点缺陷点缺陷 在三维空间各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子间距。空位 置换原子 间隙原

9、子 晶格畸变晶格畸变：点缺陷的存在，原子间作用力的平衡被破坏，周 围其原子发生靠拢或撑开的不规则排列，此变化 为晶格畸变。2.晶体缺陷晶体缺陷l线缺陷 在三维空间两维方向尺寸较小，在另一维方向的尺相对较大。位错位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生某种有规律的错排。位错形式位错形式：刃型位错、螺型位错 一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移，在晶格的上半部分中挤出了一层多余的原子面，好象在晶格中额外插入了半层原子面一样，其边缘为位错线。(透射电镜下可观察到)刃型位错示意图 1934年位错理论的提出，解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存在的巨大差别的矛盾，对于人们认识材料的力学性能及

10、设计高强度材料具有划时代的意义。金属钛中的位错金属钛中的位错位错对材料的强度理论有很大贡献。位错对材料的强度理论有很大贡献。l面缺陷面缺陷 在三维空间一维方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较 大的缺陷。主要是晶界和亚晶界。晶界晶界:多晶体中，晶粒位向不同，存在位向差，晶粒交界 处原子排列不一致，存在一个过渡层，即晶界；亚晶界亚晶界:实际金属晶体内部，晶粒内原子排列也不完全理想 的规则排列，也存在很小位向差的小晶块，即亚晶 粒，亚晶粒的交界即亚晶界。在实际晶体中，这三种缺陷随加工条件变化而变化，可在实际晶体中，这三种缺陷随加工条件变化而变化，可产生、发展，也可消失，对材料性能有很大影响。产生、发

11、展，也可消失，对材料性能有很大影响。l常见的利用增加材料的缺陷，提高强度的方法常见的利用增加材料的缺陷，提高强度的方法形变强化形变强化：利用材料的塑性变形，增加了材料的位错密度，：利用材料的塑性变形，增加了材料的位错密度，产生加工硬化，提高强度，但降低了材料的塑性、产生加工硬化，提高强度，但降低了材料的塑性、韧性。韧性。细晶强化细晶强化:用用细细化化晶晶粒粒的的方方法法，增增加加晶晶界界，提提高高强强度度；并并且且 因晶粒细化，变形更均匀，塑性也增加了。因晶粒细化，变形更均匀，塑性也增加了。1.1.热分析法与冷却曲线热分析法与冷却曲线TT0:液态金属温度均匀下降；T TT T1 1:结晶开始，

12、放出结晶潜热，系统保持温度不变，出现“平台”；结晶完毕结晶完毕:T。1-电炉 2-坩埚 3-熔融金属 4-热电偶热端 5-热电偶 6-保护套 7-热电偶冷端 8-检流计四、金属的结晶四、金属的结晶 有关概念 l 凝固凝固：一切物质从液态到固态的转变过程。l 结晶结晶：物质从一种原子排列状态(晶态或非晶态)过渡为另 一种原子规则规则排列状态(晶态)的转变过程。(通过凝固能形成晶体结构通过凝固能形成晶体结构)一次结晶：液态液态转变成固体固体晶态 二次结晶：固态固态转变成另一种固体固体晶态 l 平衡结晶温度平衡结晶温度：对纯元素而言，液体与晶体共存的温度T0。T T0熔化,T T0结晶 熔点:理想结

13、晶温度 l 自由能自由能F：物质中能够自动向外界释放其多余的或能够 对外作功的这一部分能量。l过冷度过冷度：实际结晶温度与理想结晶温度之间的温度差。液态物质和固态物质的能量状态与温度的关系曲线 过冷：液态到结晶，就必须冷却到T0温度以下的某一温度。T，F，结晶驱动力，只有当驱动力达到一定值时，结晶过程才能进行。l结晶潜热结晶潜热：结晶过程中伴随的能量释放。2.金属的结晶过程金属的结晶过程l晶核的形成 自发形核：液态金属内部形成的结晶枋心。非自发形核：晶核在杂质固态点表面形成。l晶核的长大 实质是原子由液体向固体表面的转移。长大初期，晶核外形比较规则形成晶体的顶棱边枝晶生长。树枝状晶体长大树枝状

14、晶体长大锑锭表面树状晶 一般一般过冷度越大，晶粒越细过冷度越大，晶粒越细。l 增大过冷度增大过冷度3.细化晶粒大小的措施细化晶粒大小的措施T，F，形核、长大驱动力；T，原子迁移能力(扩散)T较小时，D较大，但F较小；T较大时，F较大，但D较小。二者共同作用，使形核和长大与二者共同作用，使形核和长大与 过冷度关系上出现一个极大值。过冷度关系上出现一个极大值。形核率N：单位时间内，单位体积中 产生的晶核数。长大速度G：单位时间内晶核长大 的平均速度。晶粒度晶粒度Z单位面积内的晶粒数目单位面积内的晶粒数目l 变质处理变质处理在液体金属结晶前，为使晶粒细化，人为的加入一些细小的在液体金属结晶前，为使晶

15、粒细化，人为的加入一些细小的高熔点高熔点物物质，达到细化晶粒的目的。质，达到细化晶粒的目的。l附加震动附加震动 目的：增加晶核数目，阻碍晶粒长大目的：晶枝破碎4.金属的同素异构性金属的同素异构性l 同素异构转变实质上也是个结晶过程，亦称重结晶重结晶。l 有些金属在结晶之后结晶之后继续冷却时，还会发生结构的变化，从一种晶格转变为另一种晶格，此转变为同素异构转变同素异构转变。1.1.表面细晶粒层表面细晶粒层：表层金属过冷度大；模壁的人工晶核作用。2.2.柱状晶粒层柱状晶粒层：铸锭垂直于其模壁散热的影响，晶粒沿此方 向优先长大。3.3.中心等轴晶中心等轴晶：散热方向性减小，趋于均匀冷却；未熔杂质推

16、至中心。五、金属铸锭组织五、金属铸锭组织柱状晶力学性能具有明显方向性，柱状晶力学性能具有明显方向性，对于钢锭，由于塑性差，应避免对于钢锭，由于塑性差，应避免柱状晶，对于有色金属，则希望柱状晶，对于有色金属，则希望得到。得到。思考思考l如果其他条件相同，比较在下列铸造条件下，铸件晶粒的大小：金属型铸件与砂型铸件浇注；高温浇注铸件与低温浇注铸件；浇注薄铸件与浇注厚铸件；浇注时震动的铸件与浇注时不震动的铸件。l 铸件生产中为何要高温出炉、低温浇注？（金属型细铸件细）（低温浇注铸件细）（浇注薄铸件细）（浇注时震动的铸件细）细晶的熔模铸件细晶的熔模铸件(上上)普通铸件普通铸件(下下)l金属凝固时，若过冷度极大，会出现什么情况？思考思考非晶合金带置信电气：非晶合金变压器的铁芯材料由熔融状态下的合金以百万分之一秒的速度冷却后获得，形成其特殊的导磁性能，非晶合金变压器相比传统的硅钢变压器，空载损耗要减少80%以上，也就是说，如果普通变压器空载损耗在电表走十圈的话，那么非晶合金变压器就只走一圈半。安泰科技:依托国家非晶微晶合金工程技术研究中心公司和日立金属是世界仅有的生产非晶带材的企业。