机械工程材料第一章材料的结构和金属的结晶和晶体结构.ppt

《机械工程材料第一章材料的结构和金属的结晶和晶体结构.ppt》由会员分享，可在线阅读，更多相关《机械工程材料第一章材料的结构和金属的结晶和晶体结构.ppt（77页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、第一章 材料的结构和金属的结晶第一节 晶体结构和非晶体第二节 晶体缺陷第三节 合金的相结构第四节 合金的组织第五节 金属的结晶与铸锭第一页，编辑于星期五：十一点 二十五分。第一节 晶体结构和非晶体一、原子的结合键及其特性二、晶体和非晶体概念三、非晶体结构四、晶体结构的基本概念五、金属中常见的三种晶体结构六、三种典型晶格的致密度及晶面晶向分析七、单晶体的各向异性与多晶体的伪各向同性第二页，编辑于星期五：十一点 二十五分。结合键可分为化学键和物理键两大类。化学键即主价键，它包括金属键、离子键和共价键；物理键即次价键，也称范德华力。此外，还有一种称为氢键，其性质介于化学键和范德华力之间。一、原子的结

2、合键及其特性（一）金属键 由金属正离子与电子气之间相互作用所构成的结合键称为金属键，如图所示。第三页，编辑于星期五：十一点 二十五分。4、加热时，正离子振动增强，电子运动受阻，电阻增加金属键特性 金属特性1、加电场，电子定向加速运动 加热场，离子、自由电子热振动良好的导电性2、自由电子能吸收并辐射大部分投射到其表面的光能 良好的导热性不透明，有 金属光泽较高的强度3、金属键合力强，键没有方向性，对原子没有选择性，原子可不破坏键而移动良好的塑性有正的电阻 温度系数金属键与金属的特性第四页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（二）离子键 这种结合的实质是金属原子将自己最外层的价电子给予非金属原子，使

3、自己成为带正电的正离子，而非金属原子得到价电子后使自己成为带负电的负离子，这样，正负离子依靠它们之间的静电引力结合在一起。性能：一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此，其熔点和硬度均较高，具有高的高温强度和耐磨性。另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电子，因此，它们多数是良好的绝缘体。但当处在高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即呈现离子导电性。大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键的方式结合。第五页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（三）共价键 共价键是由两个或多个电负性相差不大的原子间通过共用电子对而形成的化学键。有方向性和饱和性。性能：共价键的结合极为牢固，

4、故共价晶体具有结构稳定、熔点高、强度高、质硬脆等特点。由于束缚在相邻原子间的“共用电子对”不能自由地运动，共价键结合形成的材料一般是绝缘体，其导电能力差。金刚石、Si、SiC、Si3N4、BN等化合物第六页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（四）分子键 分子型物质能由气态转变为液态，由液态转变为固态，这说明分子间存在着相互作用力，这种作用力称为分子间力或范德华力。范德华力是存在于分子间的一种吸引力，它比化学键弱得多。一般来说，某物质的范德华力越大，则它的熔点、沸点就越高。对于组成和结构相似的物质，范德华力一般随着相对分子质量的增大而增强。由范德华键结合的固体材料熔点低、硬度也很低，因无自由电子

5、而具有良好的绝缘性。性能：第七页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（五）氢键 氢键是一种特殊的分子间作用力。它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子 O、F、N等相结合而产生的具有比一般次价键大的键力，又称氢桥。氢键具有饱和性和方向性。氢键的结合力较范德华键强。氢键可以存在于分子内或分子间。氢键在高分子材料中特别重要，纤维素、尼龙和蛋白质等分子有很强的氢键，并显示出非常特殊的结晶结构和性能。第八页，编辑于星期五：十一点 二十五分。二、晶体和非晶体概念晶体非晶体内部的原子（离子或分子）呈有序、有规则排列的固态物质。内部的原子（离子或分子）呈无序、无规则排列的固态物质。定义特性有固定的

6、熔点，具有各向异性。没有固定的熔点，具有各向同性。第九页，编辑于星期五：十一点 二十五分。三、非晶体结构 非晶体指原子（离子或分子）在空间无规则排列的固体。（一）非晶态金属 金属及合金极易结晶，传统的金属材料都以晶态形式出现。但如将某些金属熔体，以极快的速率急剧冷却，例如冷却速度大于106K/s，则可得到一种崭新的材料非晶态金属，又称金属玻璃。第十页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（二）非晶态高分子高分子是长链结构，按照分子链中的大分子在空间排列是否规则分为晶态和非晶态。有规则的堆砌形成规整的晶态排列；无规则的堆砌形成非晶态。（a）晶态（b）部分晶态（c）非晶态第十一页，编辑于星期五：十一点

7、 二十五分。（三）非晶态陶瓷（玻璃相）玻璃材料经熔融、冷却、固化，具有无规则结构的非晶态无机物，原子排列近似液体，短程有序，形状又象固体那样保持一定的形状。玻璃相多为无规则网络的硅酸盐结构，但其排列是无序的，因此整个玻璃相是一个不存在对称性及周期性的体系。第十二页，编辑于星期五：十一点 二十五分。晶格：描述晶体排列规律的空间格架。晶胞：从晶格中取出一个最能代表原子排列特征 的最基本的几何单元。晶格常数：晶胞各棱边的尺寸（、nm）。用a、b、c表示。棱间夹角：各棱边之间的夹角。用、表示。四、晶体结构的基本概念第十三页，编辑于星期五：十一点 二十五分。晶格第十四页，编辑于星期五：十一点 二十五分。

8、五、金属中常见的三种晶体结构晶体中的晶体结构通常分为7个晶系、14种点阵。绝大多数金属的晶体结构为体心立方、面心立方和密排六方三种紧密而简单的结构。布拉菲点阵菱方第十五页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（一）体心立方晶格（body-centered cubic-bcc）晶胞特征：晶胞是一个立方体，原子分布在立方体 的八个结点和立方体的中心处。体心立方结构常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V等晶胞 模型 晶胞原子数第十六页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（二）面心立方晶格（face-centered cubic-fcc）晶胞特征：晶胞是一个立方体，每个顶角上均有一 个原子，每个面的中心均有一

9、个原子。面心立方结构常见金属：-Fe、Au、Ag、Al、Cu、Pb、Ni等。晶胞 模型 晶胞原子数第十七页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（三）密排六方晶格（hexagonal close-packed-hcp）晶胞特征：晶胞是一个正六方棱柱，原子分布在正六 方柱体的十二个结点和上、下底面的中心 处，另外三个原子排列在上、下底面之间。密排六方结构常见金属：Mg、Zn、Be、Cd、-Ti等。晶胞模型 晶胞原子数第十八页，编辑于星期五：十一点 二十五分。六、三种典型晶格的致密度及晶面晶向分析（一）晶格致密度u配位数和致密度定量地表示晶体中原子排列的紧密程度。u致密度是指晶胞中所包含的原子所占有的

10、体积与该晶胞体积之比。u配位数是指晶格中与任一原子最临近且等距离的原子数。u晶格的致密度高，配位数也大。第十九页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（二）晶面指数及确定方法 晶体学中，通过晶体中原子中心的平面称为晶面。表示晶面的符号称为晶面指数。第二十页，编辑于星期五：十一点 二十五分。1）建立坐标系，如图。（原点不能在待定晶面上）2）求待定晶面在三个 坐标轴上的截距。1、3）取三个截距的倒数 1、0、04）化为最小整数，加圆括号，（100）例如：求下列晶面的晶面指数(a=b=c)ZYXcba（100）即：建坐标求截距取倒数化整数加（）注意：若截距值是负值，在数字头上加横线如。第二十一页，编辑于

11、星期五：十一点 二十五分。注意：晶面组：（hkl）指原子排列规律相同，相 互平行的一组晶面。晶面族：hkl指原子排列规律相同，但互 不平行的一族晶面。110：(110)、(101)、(011)、(110)、(101)、(011)(110)(110)(011)第二十二页，编辑于星期五：十一点 二十五分。d)c)b)a)练习：求出下面晶面的晶面指数(111)(120)(110)(112)第二十三页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（三）晶向指数及确定方法 晶向指数确定方法任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。第二十四页，编辑于星期五：十一点 二十五分。1）建立坐标系，晶格常数分别作

12、为相应三个坐标轴的长度单位；2）过坐标原点做平行 于待定晶向的直线；3）求出直线上任意一点的坐标值。1、1、2/3；4）将三个坐标值按比例 化为最小整数，加方 括号，332。ZYXcba例如：求下列晶向的晶向指数(a=b=c)33223c建坐标系做直线求坐标值化整数加 第二十五页，编辑于星期五：十一点 二十五分。注意：晶向组：uvw指原子排列规律相同、相互平行且 方向相同的所有晶向。晶向族：uvw指原子排列规律相同、但互不平 行的所有晶向。ZYX110110110指110、101、011、110、101、011、101第二十六页，编辑于星期五：十一点 二十五分。七、单晶体的各向异性与多晶体的伪

13、各向同性 当晶体内部的原子都按同一规律同一位向排列，即晶格位向完全一致时，此晶体称为单晶体。实际使用的金属材料单晶体很少，基本上都是由许多位向不同的单晶体所组成的多晶体。单晶体（a）、多晶体示意图（b）（a）（b）晶粒外形不规则的颗粒状的小晶体。晶界晶粒与晶粒之间的界面，简称晶界。第二十七页，编辑于星期五：十一点 二十五分。由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同原子间结合力不同不同方向上的性能（力学性能、物理性能、化学性能等）不同晶体的各向异性XYZXYZ第二十八页，编辑于星期五：十一点 二十五分。应用：铁的单晶体在磁场中沿 方向的磁化 比沿 方向容易，所以，制造 变压 器 铁 心的硅 钢

14、片的 晶向 应 平行于 导 磁方向，以降低 变压 器的 铁损。第二十九页，编辑于星期五：十一点 二十五分。一、点缺陷 二、线缺陷 三、面缺陷第二节 晶体缺陷第三十页，编辑于星期五：十一点 二十五分。若整个晶体完全是晶胞规则重复 排列的，这种晶体为理想晶体。实际晶体中，由于各因素的影响，总会存在一些不完整、原子排列 偏离理想状态的区域，这些区域 称为晶体缺陷。理想晶体晶体缺陷 点缺陷按几何形态分为 线缺陷 面缺陷第三十一页，编辑于星期五：十一点 二十五分。一、点缺陷在三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。例如：空位、间隙原子、置换原子。点缺陷示意图间隙原子、空位置换原子1、点缺陷空位：未被

15、占据的原子位置；间隙原子：间隙原子可以是晶体中正常原子离位产生，也可以是外来杂质原子；置换原子：位于晶体点阵位置的异类原子。第三十二页，编辑于星期五：十一点 二十五分。2、点缺陷的运动 晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的平衡浓度，处于动态平衡状态下，但这些点缺陷并非固定不动，而是处于不断的运动过程中。空位的迁移。间隙原子的迁移第三十三页，编辑于星期五：十一点 二十五分。力学性能：点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲晶格畸变，使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。物理性能：使金属的电阻率增加、密度发生变化。3、点缺陷对性能的影响第三十四页，编辑于星期五：十一点 二十五分。二、线缺陷1、线缺

16、陷线缺陷就是在两个方向上尺寸很小，在一个方向上尺寸很大的缺陷。线缺陷各种类型的位错。位错是晶体内部某处有一列或若干列原子 发生了有规律的错排现象。最简单的位错是刃型位错和螺型位错。第三十五页，编辑于星期五：十一点 二十五分。立体模型GHEF线为位错线D在某一水平面以上多出了垂直方向的原子面，犹如插入的刀刃一样，EF称为刃型位错线。刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界线。位错线附近区域发生了原子错排，因此称为“刃型位错”。把多余半原子面在滑移面以上的位错称为正刃型位错，用符号“”表示，反之为负刃型位错，用“”表示。刃型位错第三十六页，编辑于星期五：十一点 二十五分。含有刃型位错的晶体

17、正刃型位错 负刃型位错第三十七页，编辑于星期五：十一点 二十五分。2、线缺陷的运动位错滑移：在受到外力时，晶体中的位错会沿一定的方向、在一定的晶面上滑动。位错攀移：刃型位错攀移的实质是多余的半原子面通过空位（原子）扩散而扩大或缩小。第三十八页，编辑于星期五：十一点 二十五分。三、面缺陷是指两个维度尺寸很大而在另一个维度上尺寸很小的缺陷，金属晶体中的面缺陷主要是指晶界、亚晶界和相界等。1、面缺陷第三十九页，编辑于星期五：十一点 二十五分。晶界原子排列示意图亚晶界位错结构示意图晶界：不同位向晶粒与晶粒之间的界面（过渡区）叫“晶粒间界”简称晶界。亚晶界：每个晶粒内的晶格位向在不同区域上有微小差别的界

18、面（过渡区），由一系列刃型位错组成。第四十页，编辑于星期五：十一点 二十五分。2、晶界特性晶格畸变较大，能量高；位错密度高；杂质原子含量一般高于晶粒内部；易腐蚀和氧化、熔点低等；细晶强化一般来说，金属的晶粒越细，单位体积金属中的晶界和亚晶界面积越大，金属的强度便越高，这就是金属的细晶强化。此外，晶界同样对金属的塑性变形、相变和扩散等过程有重要的影响。第四十一页，编辑于星期五：十一点 二十五分。晶界光学显微镜下工业纯铁的组织晶界晶面光学显微镜物镜经过物镜的漫射光线第四十二页，编辑于星期五：十一点 二十五分。在多晶体的金属中，每个晶粒相当于一个单晶体，具有各向异性，但各个晶粒在整块金属内的空间位向

19、是任意的，整个多晶体各方向上的性能则是大量位向各不相同的晶粒性能的均值。因此，整块金属在各个方向上的性能是均匀一致的，称为“伪各向同性”。第四十三页，编辑于星期五：十一点 二十五分。第三节 合金的相结构一、三个基本概念二、固溶体三、化合物第四十四页，编辑于星期五：十一点 二十五分。纯金属具有良好的导电导热性，但力学性能差，故工业上广泛应用的是合金材料。例如：Fe:b=250MPa C:b=0 Fe-C合金(0.45%C)正火态:b=610MPa性能工艺相材料组织加热、保温、冷却第四十五页，编辑于星期五：十一点 二十五分。两相组织P 单相组织F亚共析钢显微组织第四十六页，编辑于星期五：十一点 二

20、十五分。一、三个基本概念合金：一种金属元素与其他金属元素或非金属元素通过熔炼或其他方法结合而成的具有金属特性的物质。相:是指合金中具有同一化学成分、同一结构并以界面相互分开的、均匀的组成部分。组元：是构成合金的基本单元，大多数情况下是金属或非金属元素，也可能是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可分为二元合金、三元合金和多元合金。固态合金中的相结构可分为固溶体和金属间化合物两大类。第四十七页，编辑于星期五：十一点 二十五分。二、固溶体根据溶质原子在溶剂晶格中所处位置不同分2.间隙固溶体1.置换固溶体合金结晶时若组元相互溶解所形成固相的晶体结构与组成合金的某一组元相同，则这类固相称为固

21、溶体。固溶体中含量较多的组元称为溶剂，含量较少的组元称为溶质。固溶体的晶格类型与溶剂组元的晶格类型相同。第四十八页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（一）（一）置置 换换 固固 溶溶 体体溶质原子置换了部分溶剂晶格结点上某些原子而形成的固溶体。溶质原子在溶剂晶格中的溶解度主要取决于两者的晶格类型、原子直径及它们在周期表中的位置。Cu-Ni 置换固溶体第四十九页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（二）（二）间间 隙隙 固固 溶溶 体体溶质原子分布于溶剂晶格间隙中而形成的固溶体。形成条件：溶质原子半径很小而溶剂晶格间隙较大,一般 r溶质/r溶剂0.59时，才能形成间隙固溶体。Fe-C 间隙固溶体溶

22、质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。第五十页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（三）固溶体的特性1、保持溶剂的晶格特征。2、溶质原子溶入导致固溶体的晶格畸变而使金属强度、硬 度提高即固溶强化，同时有较好的塑性和韧性。因 此常作为结构材料的基体相。u 间隙式溶质原子的强化效果般要比置换式溶质原子更显著。3、在物理性能方面，随溶质原子浓度的增加，固溶体的电 阻率上升，电阻升高，电阻温度系数减小。第五十一页，编辑于星期五：十一点 二十五分。三、化合物合金组元间发生相互作用而形成的晶格类型 和特性完全不同于任一组元，且具有金属特 性的新相即为金属间化合物，或称

23、中间相。性能：熔点高，硬度高，脆性大。合金中一般作为强化相存在。分类（根据形成条件结构特点分）：正常价化合物、电子化合物和间隙化合物第五十二页，编辑于星期五：十一点 二十五分。组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守化合价规律，此类化合物称为正常价化合物。例如：Mg2Si、Cu2Se、ZnS、AlP等。（一）正常价化合物（二）电子化合物组元间形成化合物不遵守化合价规律，但符合一定电子浓度（化合物中价电子数与原子数之比），则此类化合物称为电子化合物。电子化合物晶体结构与合金的电子浓度有关。此类化合物在许多有色金属中作为重要的强化相。第五十三页，编辑于星期五：十一点 二十五分。由过渡族元素与碳

24、、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物称为间隙化合物。当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。（三）间隙化合物1、间隙相部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。第五十四页，编辑于星期五：十一点 二十五分。化学式 钢中可能遇到的间隙相 晶格类型M4X Fe4N、Nb4C、Mn4C面心立方M2X Fe2N、Cr2N、W2C、Mo2C密排六方MXTaC、TiC、ZrC、VCTiN、ZrN、VNMoN、CrN、WC面心立方体心立方简单六方MX2VC2、CeC2、ZrH2、TiH2、LaC2面心立方VC的结构V 原子C 原子 第五十五页，编辑于星

25、期五：十一点 二十五分。当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。钢中的Fe3C、Cr23C6、FeB、Fe4W2C、Cr7C3、Fe2B等均属于这类化合物。2、复杂结构的间隙化合物钢中的Fe3C第五十六页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（四）金属间化合物的特性高的熔点，高的化学稳定性，高的硬度和较大的室温脆性。当合金中出现金属间化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但也会使其塑性和韧性降低，根据这一特性，绝大多数的工程材料都将金属间化合物作为重要的强化相，而不作为基体相。第五十七页，编辑于星期五：十一点 二十五分。第四节 合金的组织一、组织的概

26、念二、单相组织三、双相组织四、多相组织第五十八页，编辑于星期五：十一点 二十五分。一、组织的概念合金的组织是指肉眼或借助显微镜所观察到的合金的相组成及相的数量、形态、大小、分布特征。组织可以由一种相组成，也可以由多种相组成，合金的组织不同，其性能也不相同。H70（30%Zn）单相黄铜 H62(38%Zn)双相黄铜第五十九页，编辑于星期五：十一点 二十五分。二、单相组织只有一种相组成的组织。例如，铁碳合金中的铁素体（F）是只有一种相组成的单相组织。工业纯铁的显微组织 第六十页，编辑于星期五：十一点 二十五分。三、双相组织由两种相组成的组织。（一）两相组成的机械混合物（主要指共晶、共析组织）共析钢

27、显微组织（0.77%C）铅锡合金共晶组织（61.9%Sn）珠光体P由和Fe3C两相交替分布 由和两相交替分布 第六十一页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（二）弥散型两相组织（粒状珠光体、回火索氏体等）粒状珠光体由较软的基体上分布着弥散的颗粒状的Fe3C共同组成的 回火索氏体，是由基体上分布着回火过程中析出的弥散细小的颗粒状Fe3C共同组成 粒状珠光体 回火索氏体第六十二页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（三）聚合型两相组织（F+P、F+M、B+M等）主要指由两种块状组织组成的。例如45钢的平衡组织，它是由块状的F和块状的P组成。45钢平衡组织 第六十三页，编辑于星期五：十一点 二十五分。四

28、、多相组织多相组织是由三种或三种以上的相组成的组织。Pb-Sn-Bi三元合金的共晶组织 SnBi第六十四页，编辑于星期五：十一点 二十五分。第五节 金属的结晶与铸锭一、概述二、晶核的形成与长大三、结晶后晶粒大小及控制四、金属铸锭的组织第六十五页，编辑于星期五：十一点 二十五分。凝固：物质从液态到固态的转变过程。结晶：物质从液态转变为具有晶体结构的固态的过程。一、概述1、结晶的条件过冷：液态金属在理论结晶温度以下开始结晶的现象。过冷度 T：理论结晶温度T0与实际结晶温度Tn之差。T=T0-Tn第六十六页，编辑于星期五：十一点 二十五分。金属在液、固态下自由能与温度的关系纯金属的冷却曲线示意图T0

29、TnTTn第六十七页，编辑于星期五：十一点 二十五分。2、结晶的基本规律结晶的基本过程：形核长大第六十八页，编辑于星期五：十一点 二十五分。二、晶核的形成与长大1、晶核的形成 自发形核与非自发形核自发形核：由液体中近程有序的原子小集团形成晶核。非自发形核：以液体中存在的固态杂质为核心形核。实际金属形核主要以非均匀形核为主。第六十九页，编辑于星期五：十一点 二十五分。2、晶核的长大平面长大和树枝状长大。实际金属晶核主要以树枝状方式长大。3、枝晶生长中的干扰第七十页，编辑于星期五：十一点 二十五分。三、结晶后晶粒大小及控制单位体积的晶粒数 Zv=0.9(N/G)3/4 增大过冷度。随过冷度增加，N

30、/G值增加，晶粒变细。（2）变质处理（3）振动和搅拌第七十一页，编辑于星期五：十一点 二十五分。1、表层细晶粒区 浇注时，由于冷模壁产生很大的过冷度及非均匀形核作用，使表面形成一层很细的等轴晶粒区。表面细晶粒区中心等轴晶粒区柱状晶粒区四、金属铸锭的组织（一）金属铸锭的三晶区第七十二页，编辑于星期五：十一点 二十五分。2.柱状晶粒区由于模壁温度升高，结晶放出潜热，使细晶区前沿液体的过冷度减小，形核困难。加上模壁的定向散热，使已有的晶体沿着与散热相反的方向生长而形成柱状晶区。第七十三页，编辑于星期五：十一点 二十五分。3.中心等轴晶区由于结晶潜热的不断放出，散热速度不断减慢，导致柱状晶生长停止，当心部液体全部冷至实际结晶温度以下时，在杂质作用下以非均匀形核方式形成许多尺寸较大的等轴晶粒。第七十四页，编辑于星期五：十一点 二十五分。（二）铸锭的缺陷1.缩孔和缩松缩孔缩松第七十五页，编辑于星期五：十一点 二十五分。2.气孔3.成分偏析4.裂纹、非金属夹杂物 铸件中的气孔第七十六页，编辑于星期五：十一点 二十五分。of Chapter 1第七十七页，编辑于星期五：十一点 二十五分。