工学金属材料及热处理.pptx

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1、会计学1工学金属材料及热处理工学金属材料及热处理2第一章第一章 材料的结构材料的结构n n本章提要n n结合键与材料的性质结合键与材料的性质n n晶体学的基本概念晶体学的基本概念n n纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构n n合金的晶体结构合金的晶体结构第1页/共75页3第一章第一章 材料的结构材料的结构第一节第一节 材料的结合方式材料的结合方式化学键n n化学键组成物质的质点的相互作用力。1.1.共价键n n共用电子对n n有饱和性与方向性。n n共价晶体高熔点，高强度，较好绝缘性。高熔点，高强度，较好绝缘性。第2页/共75页42.离子键n n得失电子形成n n没有方向性和饱和性n n离子晶体高

2、熔点，高硬度，导电（熔融）高熔点，高硬度，导电（熔融）第3页/共75页53.金属键n n原子共用自由电子形成n n无饱和性和方向性。n n金属晶体原子排列密度高，能变形，导电，导热。原子排列密度高，能变形，导电，导热。第4页/共75页6金属原子结构的特点金属原子结构的特点n n外层电子少，易失去。n n有自由电子。n n金属离子与自由电子形成键。n n金属键无方向性有良好的塑性有固溶能力第5页/共75页74.范德瓦尔键 n n分子间静电引力形成，分子键 聚合物链间聚合物链间n n没有方向性和饱和性n n分子晶体 如冰、干冰等如冰、干冰等熔点低，硬度小熔点低，硬度小第6页/共75页8工程材料的键

3、性工程材料的键性n n图1-4第7页/共75页9第二节第二节 晶体学基础晶体学基础晶体与非晶体晶体与非晶体n n晶体晶体：物质的质点在三维空间作有规：物质的质点在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质。律的周期性重复排列所形成的物质。长程长程有序有序n n晶体的特性晶体的特性：各向异性、固定的熔点、产生电子衍各向异性、固定的熔点、产生电子衍射等。射等。第8页/共75页10Al 原子的微观排列原子的微观排列第9页/共75页11n n单晶体的各向异性第10页/共75页12空间点阵空间点阵1.点阵、阵点与晶格n n空间点阵：将理想晶体抽象为无数相同的质点（原子等的中心），其在空间的排列称为空间

4、点阵，简称点阵。n n阵点：点阵中的单个质点。n n晶格：将阵点用一系列平行的直线连接起来构成的空间格架。第11页/共75页132.晶胞n n晶胞：构成点阵的最基本单元。n n晶胞选择的依据：反映点阵的规律n n反映点阵对称性。反映点阵对称性。n n 平衡六面体内各角与棱尽量相等。平衡六面体内各角与棱尽量相等。n n 棱之间尽量为直角。棱之间尽量为直角。n n晶胞体积最小。晶胞体积最小。第12页/共75页143.晶胞参数：n n 晶格常数、晶格常数、n n 晶轴间角晶轴间角、4.七个晶系与十四种Bravis点阵第13页/共75页15第14页/共75页16晶向指数与晶面指数晶向指数与晶面指数基本

5、概念n n晶面：晶体中由一系列原子组成的平面。晶体中由一系列原子组成的平面。n n晶向：任意两个原子之间连线所指的方向。任意两个原子之间连线所指的方向。n n晶向指数与晶面指数：标明晶面与晶向空间方位排列的统一方法。标明晶面与晶向空间方位排列的统一方法。第15页/共75页171.晶向指数晶向指数n n晶格中的点n n三步法确定晶向指数 n n建坐标，确定点建坐标，确定点n n“末末”-“-“始始”，数字定，数字定n n化整，加化整，加 第16页/共75页18n n试写出以下晶向指数uvw第17页/共75页19n n晶向族n n平行且同向的晶向指数相同。平行且同向的晶向指数相同。n n方向相反晶

6、向的指数为相反数。方向相反晶向的指数为相反数。n n用用代表所有原子排列相同但空间位代表所有原子排列相同但空间位向不同的晶向，称向不同的晶向，称晶向族晶向族。第18页/共75页20n n正交系常用晶向指数第19页/共75页212.晶面指数晶面指数n n三步法确定晶面指数（hkl）n n取坐标取坐标n n求截距求截距n n求倒数、化整求倒数、化整 第20页/共75页22n n试写出以下晶面指数（hkl）第21页/共75页23n n晶面族n n平行晶面的指数相同平行晶面的指数相同n n指数互为相反数时，晶面法线反向指数互为相反数时，晶面法线反向n n用用hklhkl代表空间位向不同，但原子排列情况

7、代表空间位向不同，但原子排列情况完全相同的晶面，称为完全相同的晶面，称为晶面族晶面族。第22页/共75页24n n立方系常用晶面指数第23页/共75页25n n111四面体 DABC第24页/共75页263.六方晶系的晶面指数与晶向指数六方晶系的晶面指数与晶向指数四轴坐标四轴坐标n n晶面指数 同于立方系方法同于立方系方法n n晶向指数 转换法转换法 u=1/3u=1/3（2U-V2U-V）v=1/3v=1/3（2V-U2V-U）t=-(u+vt=-(u+v）w=Ww=W第25页/共75页27n n六方系常用晶面与晶向第26页/共75页284.晶带与晶带定理晶带与晶带定理n n晶带：由与某一晶

8、向直线平行及所有相交于该晶向直线的所有晶面构成的集合。该直线称为该晶体带轴。n n晶带定理：在立方晶系中，若晶面（hkl）的晶带轴是uvw，则必有hu+kv+lw=0 反之亦然。第27页/共75页29应用：根据两不平行晶面的指数（h1 k1 l1），（h2 k2 l2）可以求出它们所在晶带的晶带轴uvw。n nu=k1l2-k2l1u=k1l2-k2l1n nv=l1h2-l2h1v=l1h2-l2h1n nw=h1k2-h2k1w=h1k2-h2k1第28页/共75页305.晶面间距晶面间距第29页/共75页31第三节第三节 材料的晶体结构材料的晶体结构典型金属的晶体结构n n体心立方、面心

9、立方、密排六方结构 第30页/共75页32n n晶胞中的原子数n n原子半径n n配位数n n致密度n n原子堆垛方式n n晶体结构中的间隙第31页/共75页331.晶胞中的原子数晶胞中的原子数第32页/共75页342.原子半径原子半径第33页/共75页353.配位数配位数n n配位数：一个原子周围最近邻并且等距离的原子的个数。FCCCPH第34页/共75页364.致密度致密度晶胞中原子所占的体积晶胞中原子所占的体积体心立方面心立方密排六方第35页/共75页375.原子堆垛原子堆垛单击看动画单击看动画体心立方的原子堆垛体心立方的原子堆垛密排面密排面110第36页/共75页38第37页/共75页

10、39密排六方与面心立方的原子堆垛密排六方与面心立方的原子堆垛n n密排面原子排列特点密排面111，（0001）原子形成密集堆积的堆积位置可以是原子形成密集堆积的堆积位置可以是 A,B或者或者C第38页/共75页40n n面心立方晶胞中的密堆积面第39页/共75页41面心立方与密排六方堆垛的差异面心立方与密排六方堆垛的差异第40页/共75页42密排六方的原子堆垛密排六方的原子堆垛第41页/共75页43面心立方的原子堆垛面心立方的原子堆垛第42页/共75页446.晶体结构中的间隙晶体结构中的间隙n n体心立方结构的间隙第43页/共75页45n n面心立方结构的间隙第44页/共75页46n n密排六

11、方结构的间隙第45页/共75页477.多晶型性多晶型性n n多晶型性及多晶型转变：一种材料一种材料具有几种不同晶体结构的性质具有几种不同晶体结构的性质称多晶型性。称多晶型性。当改变温度或压力时，晶体从一种结构转变为另一种结构，称当改变温度或压力时，晶体从一种结构转变为另一种结构，称多多晶型转变晶型转变。意义：意义：热处理的工艺基础热处理的工艺基础通过改变结构而改变性能通过改变结构而改变性能n n多晶型转变的体积变化第46页/共75页48纯铁的多晶型转变及体积变化纯铁的多晶型转变及体积变化第47页/共75页49共价晶体的晶体结构共价晶体的晶体结构n n特点：配位数低（配位数低（8-N8-N），致

12、密度低），致密度低第48页/共75页50第49页/共75页51离子晶体的晶体结构离子晶体的晶体结构n n特点：配位数主要由离子的半径比决定。配位数主要由离子的半径比决定。第50页/共75页52简单离子晶体的结构简单离子晶体的结构第51页/共75页53合金的相结构合金的相结构n n基本概念基本概念合金：合金：由两种或两种以上金属元素，或金属与非金属元素，经由两种或两种以上金属元素，或金属与非金属元素，经过过熔炼、烧结或其他方法熔炼、烧结或其他方法组合而成，具有金属特性的物质。组合而成，具有金属特性的物质。组元：组元：组成合金的最基本的组成合金的最基本的独立物质独立物质，单质或化合物。，单质或化合

13、物。相：相：聚集状态相同的，结构和性质一致，并以界面相互隔开聚集状态相同的，结构和性质一致，并以界面相互隔开的的均匀的组成部分均匀的组成部分。第52页/共75页54合金中的相的显微镜形貌合金中的相的显微镜形貌n n单相合金与两相合金第53页/共75页551.固溶体固溶体n n概念：B B组元的组元的原子原子完全完全溶入固相的溶入固相的A A组元组元，并，并保持保持A A的的晶体结构所形成的合金相。晶体结构所形成的合金相。A,BA,B分别称为分别称为溶剂组元溶剂组元与与溶质组元溶质组元。n n分类n n置换固溶体置换固溶体与与间隙固溶体间隙固溶体n n有限固溶体与无限固溶体有限固溶体与无限固溶体

14、n n有序固溶体与无序固溶体有序固溶体与无序固溶体第54页/共75页56n n间隙固溶体n nH,O,N,C,BH,O,N,C,B等溶入过渡金属中形成等溶入过渡金属中形成n nRb/Ra0.59Rb/Ra0.59n n晶格膨胀晶格膨胀n n固溶度有限固溶度有限n n溶剂间隙的形状与大小影响固溶度溶剂间隙的形状与大小影响固溶度第55页/共75页57n n置换固溶体n n常在过渡金属组元之间形成常在过渡金属组元之间形成n n也有晶格畸变也有晶格畸变n n条件合适时组元浓度可以连续变化条件合适时组元浓度可以连续变化第56页/共75页58n n影响置换固溶体固溶度的因素n n晶体结构因素晶体结构因素

15、相同时易实现无限互溶相同时易实现无限互溶n n原子尺寸因素原子尺寸因素RR/Ra14%-15%/Ra14%-15%，易大量固溶，易大量固溶n n电负性因素电负性因素接近时易大量固溶接近时易大量固溶n n电子浓度因素电子浓度因素受极限电子浓度制约，价越高的溶受极限电子浓度制约，价越高的溶 质其溶解度越小质其溶解度越小第57页/共75页59电子浓度因素电子浓度因素n n现象：现象：1 1价以上的金属原子溶于面心立方价以上的金属原子溶于面心立方CuCu（或者（或者Ag,AuAg,Au）中形成固溶体时，存在一极限电）中形成固溶体时，存在一极限电子浓度值。超过此值将有新相形成。子浓度值。超过此值将有新相

16、形成。n n核心：核心：固溶体的固溶度受极限电子浓度制约。固溶体的固溶度受极限电子浓度制约。n n电子浓度的定义电子浓度的定义 e/a(e/a(固溶体价电子数固溶体价电子数/原子数原子数)=)=Va,Vb:Va,Vb:溶剂与溶质的化合价溶剂与溶质的化合价X:X:溶质的原子数，溶质的原子数，100100Va(100-x)+Vb x100第58页/共75页60n n固溶体的微观不均匀性宏观均匀的固溶体微观可表现为无序、偏聚及短宏观均匀的固溶体微观可表现为无序、偏聚及短程有序的分布。程有序的分布。第59页/共75页61n n有序固溶体第60页/共75页62第61页/共75页63n n固溶体的晶格畸变

17、第62页/共75页64n n固溶体的性能与应用n n固溶强化固溶强化随溶质浓度提高，随溶质浓度提高，强度硬度增大同时塑性韧性下降。强度硬度增大同时塑性韧性下降。n n作为合金组织的作为合金组织的基体相基体相使用使用可以承力，可以变形。可以承力，可以变形。第63页/共75页652.中间相中间相金属化合物金属化合物n n概念：溶质含量超过溶解度极限时出现的具有全新晶溶质含量超过溶解度极限时出现的具有全新晶体结构的新相。体结构的新相。n n键性：主要金属键，兼有离子键、共价键。主要金属键，兼有离子键、共价键。n n种类：正常价化合物、电子化合物、间隙相与间隙化正常价化合物、电子化合物、间隙相与间隙化

18、合物合物 第64页/共75页66n n正常价化合物n n符合化合价规律符合化合价规律n n金属金属IVA,VA,VIAIVA,VA,VIA元素间元素间n n电负性差越大，离子键比例越大，化合物越稳电负性差越大，离子键比例越大，化合物越稳定定n n常见的离子晶体型的陶瓷材料常见的离子晶体型的陶瓷材料n n高硬度高脆性，可作弥散强化相高硬度高脆性，可作弥散强化相第65页/共75页67n n常见结构第66页/共75页68n n电子化合物n nHume-RotheryHume-Rothery定律定律n n以贵金属为主的过渡金属间形成，成分有一定以贵金属为主的过渡金属间形成，成分有一定变化范围变化范围n

19、 n金属键金属键n n硬度高脆性大硬度高脆性大n n有色金属中的弥散强化相有色金属中的弥散强化相第67页/共75页69n n间隙相与间隙化合物n n过渡金属与过渡金属与H,B,C,NH,B,C,N等形成等形成n n不是固溶体不是固溶体第68页/共75页70n n间隙相n nRx/Rm0.59Rx/Rm0.59Rx/Rm0.59，结构较复杂，结构较复杂n n过渡金属的碳化物过渡金属的碳化物n n比间隙相略低的熔点和硬度比间隙相略低的熔点和硬度n n钢中弥散强化相钢中弥散强化相第70页/共75页72n n中间相的性能与应用n n硬度高，熔点高硬度高，熔点高n n可作弥散强化相可作弥散强化相n n提

20、高合金的强度、硬度、耐磨性、耐热性提高合金的强度、硬度、耐磨性、耐热性n n用于耐热合金、硬质合金、有色合金、钢的强用于耐热合金、硬质合金、有色合金、钢的强化化第71页/共75页73n n良好的合金组织是什么样的？n n性能要求：强度高，有适中的塑性和韧性性能要求：强度高，有适中的塑性和韧性n n组织：基体组织：基体固溶体固溶体 +起增强作用的第二相起增强作用的第二相n n机理：机理：n n基体基体能够承受力，有足够的塑性和韧性能够承受力，有足够的塑性和韧性n n第二相第二相提高强度、硬度、耐热性等。提高强度、硬度、耐热性等。第72页/共75页74n n本章重要知识点n n典型金属的晶体结构典型金属的晶体结构n n晶向指数与晶面指数晶向指数与晶面指数n n合金的结构合金的结构n n固溶体与中间相的性能特点与应用固溶体与中间相的性能特点与应用n n复习、作业复习、作业第73页/共75页75第74页/共75页76感谢您的观看。感谢您的观看。第75页/共75页