《金属的结构与结晶》PPT课件.ppt

第一章 材料的结构与性能,1.1、金属材料的结构与组织,（一）晶体的基本概念,1.晶格与晶胞 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。,简单立方晶格、晶胞示意图,晶系,2.晶系 按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系，见下表。,4.晶胞中所含原子数 一个晶胞内真正包含的原子数目。,5.配位数及致密度 在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。 晶胞中原子所占体积分数，即K = n v/ V 。式中，n为晶胞所含原子数、v为单个原子体积、V为晶胞体积。,3.原子半径 晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。,1.体心立方晶格（bcc晶格） 原子排列特征 体心立方晶格的晶胞如图所示。,（二）常见金属的晶格类型,晶格常数 a=b=c,=90。 原子半径 。 晶胞所含原子数 2个原子（ ）。 配位数 8。 致密度 68%( )。 具有体心立方晶格的金属：-Fe、-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余种金属。,原子排列特征 面心立方晶格的晶胞如图所示。,2.面心立方晶格（fcc晶格）,晶格常数 a=b=c,=90。 原子半径 。 晶胞所含原子数 4个原子( )。 配位数 12。 致密度74%( )。 具有面心立方晶格的金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。,3.密排六方晶格（hcp晶格） 原子排列特征 密排六方晶格的晶胞如图所示。,晶格常数 原子半径 晶胞所含原子数 6个原子( )。 配位数 12。 致密度 74%( )。 具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、-Ti等。,金属晶格的常用数据,【例题1-1】 已知纯金属铝的原子直径为0.28683nm ，试求其晶格常数。,1.晶向指数的确定方法 1)以晶胞中的某原子为原点确定三维晶轴坐标系，通过原点作平行于所求晶向的直线。 2)以相应的晶格常数为单位，求出直线上任意一点的三个坐标值。 3)将所求坐标值化为最简整数，并用方括号括起，即为所求的晶向指数，例如101。 具体晶向指数如图所示，其形式为uvw。,(三)立方晶系的晶面、晶向表示方法 在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。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。表示晶面的符号称为晶面指数；表示晶向的符号称为晶向指数。,晶向族：晶体学中等同的晶向统称为晶向族 用尖括号表示,A,B,C,O,D,2.晶面指数的确定方法 1)选坐标，以晶格中某一原子为原点（注意不要把原点放在所求的晶面上），以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。 2)以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个坐标轴的截距。 3)求三个截距值的倒数。 4)将所得数值化为最简单的整数，并用圆括号括起，即为晶面指数，如图所示，其形式为（hkl）。,晶面族是指晶体学上等同而彼此不平行的一组晶面，用大括号表示,O,A,B,C,A,B,C,D,注意： 1)每一个晶面指数(或晶向指数)泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。 2)立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。 3)原子排列情况相同但空间位向不同的晶面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。,3.晶面及晶向的原子密度 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的。,体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度,体心立方晶格中，原子密度最大的晶面族为110，称密排面；在面心立方晶格中，密排面为111 。,体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度,体心立方晶格中，原子密度最大的晶向族是111，称密排方向。在面心立方晶格中，密排方向为110。,i. 分析：为了绘出(011) 、(231)晶面及111、231晶向，首先在例题图1.1所示立方晶胞中建立坐标系。,例题图1.1 立方晶胞示意图,对简单指数值的（011） 、111，如何求（011）晶面呢？先在图1.1（a）中找出其相应截距值，即，1，1，然后画出此晶面；对111，在1.1a）图中找出坐标值为1，1，1，的某点N ，那么连接N的有向直线，即为所求晶向。 * 再来分析（231），因一般要求在图1.1b）所示晶胞中画出待求晶面，故应按求晶面指数步骤反向进行。即对晶面指数（231），由于它是求倒数后得来的，所以应对2，3，1 分别取倒数得1/2，1/3，1，此即所求晶面在坐标系中相应截距值；然后在例题图1.1（b）中分别找出该晶面在X、Z轴上相应截距值1/2，1/3，1；最后用直线将截距值对应的点连接，并用影线示出，此即为（231）晶面。,* 对晶向指数231：该指数值亦是经化简后得到的，那么应将2，3，1恢复至化简前状态即2/3，1，1/3；然后在图1.1b）示晶胞中找出坐标值为（2/3，1，1/3）的某点A；最后从原点O出发，引一射线OA，此即为所绘的具有231晶向指数的晶向。,【例题1.2】 在一立方晶胞中，绘出下列晶面与晶向：（011）、（231）；111、231。,ii. 解答：见例题图1.1所示，（a）中EFGH晶面即为所求（011）晶面，ON晶向即为所求111；（b）中BCD晶面即为所求（231）晶面，OA晶向即为所求的231。 iii. 归纳与引申：晶面指数与晶向指数的求法不外乎两种。,（1）已知晶面指数值，要求在所给定的立方晶胞中画出此晶面。其思考方法是依据晶面指数的求解步骤进行反向思维而展开，例如对于晶面（123），按照晶面指数的求解步骤反向进行就是先取倒数即1，1/2 ，1/3 ，这就是说该晶面在坐标系的三条坐标轴上的截距值为1，1/2 ，1/3 ，有了截距值该晶面就很容易绘出了。当已知晶向指数值时亦是如此，不过此时不是取倒数而是求出晶胞上某点的坐标值，例如对于晶向123，其求解步骤的反向就是找出该晶向上的某点在坐标系中的坐标值，即回到 化简前状态，1/3 ，2/3 ，1，那么该点 就很容易找出，从坐标原点出发连至该点 的有向直线即为所求晶向。,例题图1.1 立方晶胞示意图 ,（四）金属的实际结构与晶体的缺陷 一块晶体内部晶格位向完全一致，称该晶体为单晶体。由多晶粒构成的晶体称为多晶体。,实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为以下三种：,金属多晶体示意图,1.点缺陷 点缺陷是指在三维尺度上都很小而不超过几个原子直径的缺陷。 空位，如图所示 间隙原子，如图所示 置换原子 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，使金属的电阻率、屈服强度增加，金属的密度发生变化。,点缺陷示意图,2.线缺陷 线缺陷是指二维尺度很小而另一维尺度很大的缺陷。它包括各种类型的位错。所谓位错是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律的错排现象。,位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，即 式中，为位错密度（m-2）；L为位错线的总长度（m）；V为体积（m3）。位错的存在极大地影响金属的力学性能，如图所示。,3.面缺陷 面缺陷是指二维尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界。,晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。如图（a)所示。,亚晶粒之间的交界称为亚晶界。如图(b)所示。 晶界、亚晶界处具有许多特殊性能。,1.组元、相、组织与合金的概念 （1）组元（constituent） 组成材料的最基本、独立的物质称为“组元”。组元可以是纯元素，也可是稳定化合物。金属材料的组元多为纯元素,无机材料则多为化合物。 （2）相（phase） 材料中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为“相”。若材料是由成分、结构相同的同种晶粒构成的，尽管各晶粒之间有界面隔开，但它们仍属于同一种相。若材料是由成分、结构都不相同的几部分构成，则它们应属于不同的相。例如工业纯铁是单相合金（如左下图所示），共析碳钢在室温下由铁素体和渗碳体两相（如下图所示）组成，而陶瓷材料则由晶相、玻璃相(即非晶相)与气相三相所组成(如右下图所示)。,1.1.2 合金的相结构,“相结构”指的是相中原子的具体排列规律，即相的晶体结构。 （3）组织（microstructure）与相的关系 “组织”是与“相”有紧密联系的概念。“相”是构成组织的最基本组成部分;但是当“相”的大小、形态与分布不同时会构成不同的微观形貌(图象)，各自成为独立的单相组织，或与别的相一起形成不同的复相组织。例如左下图所示工业纯铁的显微组织就是由单相构成的组织，而正下图所示共析碳钢的显微组织则是由相与Fe3C相层片交替、相间分布共同构成的组织（即称珠光体）。而普通陶瓷则由右下图所示晶相、玻璃相和气相所组成。,组织是材料性能的决定性因素。相同条件下，材料的性能随其组织的不同而变化。因此在工业生产中，控制和改变材料的组织具有相当重要意义。由于一般固体材料不透明，故需先制备金相试样，包括样品的截取、磨光和抛光等步骤，把欲观察面制成平整而光滑如镜的表面，然后经过一定的浸蚀，再在金相显微镜下观察其显微组织（如左下图所示）。 （4）合金 由两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为“合金”。例如，黄铜是铜和锌组成的合金，碳钢和铸铁是铁和碳组成的合金。由给定组元可按不同比例配制出一系列不同成分的合金，这一系列合金就构成一个合金系统，简称合金系。两组元组成的为二元系，三组元组成的为三元系等。,铁 素 体,珠 光 体,（1）固溶体（solid solution） 定义：指溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的均一、保持溶剂晶体结构的结晶相。其分类如下。 按照溶质原子在溶剂晶格中所占据位置分类: i.置换固溶体 系指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体，犹如这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换一样，因此称为置换固溶体，如图1-17a示。当溶质原子与溶剂原子的直径、电化学性质等较为接近时，一般可形成置换固溶体。 ii.间隙固溶体 溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是嵌入溶剂原子间的一些间隙中，如图1-17b示。当溶质原子直径(如C、N等元素)远小于溶剂原子(如Fe、Co、Ni等过渡族金属元素等)时，一般形成间隙固溶体。,图1.17 固溶体的两种类型,置换固溶体, 间隙固溶体,（1）固溶体（solid solution） 按固态溶解度分类: i.有限固溶体 在一定条件下，溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度，超过此限度就不再溶解了。这一限度称为溶解度或固溶度，这种固溶体称为有限固溶体，大部分固溶体都属于此类(间隙固溶体只能是有限固溶体)。 ii.无限固溶体 溶质原子能以任意比例溶入溶剂,固溶体的溶解度可达100%， 这种固溶体称无限固溶体。无限固溶体只能是置换固溶体，且溶质与溶剂原子晶格 类型相同，电化学性质相近，原子尺寸相近等。如Cu-Ni系合金可形成无限固溶体。,形成无限固溶体示意图,（1）固溶体（solid solution） 按溶质原子和溶剂原子的相对分布分类: i.无序固溶体 溶质原子随机分布于溶剂的晶格中，它或占据溶剂原子等同的一些位置，或占据溶剂原子间的间隙中，看不出什么次序或规律性，这类固溶体称无序固溶体。 ii.有序固溶体 当溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布时，这种固溶体称有序固溶体。它既可是置换式的有序，也可是间隙式的有序。,有序固溶体示意图,（1）固溶体（solid solution） 固溶体的性能特点 形成固溶体时，由于溶质原子的溶入而使固溶体的晶格发生畸变， 位错运动的阻力增加，从而提高了材料的强度和硬度，这种现象称为固溶强化。 一般说来，固溶体的硬度、屈服强度和抗拉强度等总比组成其纯组元的平均值高，随溶质原子浓度的增加，硬度和强度也随之提高（如左下图所示）。溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，所引起的晶格畸变也越大，强化效果则越好。由于间隙原子造成的晶格畸变比置换原子大，所以其强化效果也较好。在塑、韧性方面，如延伸率、断面收缩率和冲击韧度等，固溶体要比组成它的两纯组元平均值低（如右下图所示），但比一般化合物要高得多。 综之，固溶体比纯组元和化合物具有较为优越的综合力学性能。因此，固溶体具有良好的塑性、韧性,同时比纯组元有较高的硬度、强度。因此，各种金属材料总是以固溶体为基体相。,晶格畸变示意图,固溶强化,（2）化合物 当元素之间不具备形成固溶体的条件或溶质含量超过了溶剂的溶解度时，在合金中往往会出现新相，新相的结构不同于合金中任一组元，这种新相称为化合物。在陶瓷材料中，通常材料的组元即为某化合物。而金属材料中的化合物可分为金属化合物和非金属化合物。 凡是由相当程度的金属键结合并具有金属特性的化合物称为金属化合物,例如碳钢中的渗碳体(Fe3C)。凡不是金属键结合又不具有金属特性的化合物称为非金属化合物，例如碳钢中依靠离子键结合的FeS和MnS，其在钢中一般称为非金属夹杂物。 金属化合物的分类 金属化合物的种类很多，常见的有以下三种类型: i.正常价化合物 符合一般化合物的原子价规律，成分固定并可用化学式表示，如Mg2Si等。,ii.电子化合物 不遵守原子价规律，而服从电子浓度(价电子总数与原子数之比)规律。电子浓度不同，所形成化合物的晶格类型也不同。例如左图Cu-Zn合金中，当电子浓度为3/2时，形成化合物CuZn，其晶体结构为BCC(简称为相);电子浓度为21/13时，形成化合物Cu5Zn8，其晶体结构为复杂立方晶格(称为相)等。,（2）化合物 金属化合物的分类 金属化合物的种类很多，常见的有以下三种类型: iii.间隙化合物 系由过渡族金属元素与C、H、N等原子半径较小非金属元素形成的金属化合物。根据非金属元素(以x表示)与金属元素(以M表示)原子半径的比值，可将其又分为两种： a间隙相(rX/rM0.59） 具有简单结构的金属化合物，称为间隙相(如FCC结构的VC、TiC，简单立方结构的WC等)； b复杂晶体结构的间隙化合物（rX/rM0.59） 具有复杂晶体结构的间隙化合物，如钢中的Fe3(复杂的斜方晶格 ，图1-18所示)等。,间隙相VC的结构,图1.18渗碳体的结构,（2）化合物 金属化合物的性能特点 金属化合物一般都有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性(即硬而脆)，但塑性很差。特别是间隙相具有极高的熔点和硬度，见表1-3所示。根据这一特性，若能使金属化合物以比较弥散形式分布于固溶体基体上，往往能使整个合金的强度、硬度、耐磨性等得到很大提高。 因此，在金属材料中，金属化合物常被用作强化相，用以提高合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性等。,表1.3 一 些 碳 化 物 的 硬 度 和 熔 点,间隙相,表14 晶体材料的基本相结构特征,1.1.3 工程材料的常用性能,包括两方面,材料使用性能,材料工艺性能,力学性能（强度、塑性、韧性等） 物理性能（光、热、电、磁等） 化学性能（氧化、腐蚀等）,加工性能（切削、锻造等） 铸造性能（适合铸造与否） 焊接性能（容易焊接与否） 热处理性能（可热处理强化）,二、工程材料的性能,2.1 金属材料的使用性能 2.1.1金属材料的力学性能 金属材料的力学性能是指金属在不同环境因素（温度、介质）下，承受外加载荷时所表现的行为。而这种行为往往表现为金属的变形和断裂。,（1）强度(Intensity),强度是指材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力。其可分为抗拉强度、抗压强度、抗弯强度、抗剪强度等。,弹性极限e材料产生完全弹性变形时所承受的最大应力值。即 屈服强度s、0.2 试样的弹性变形量为试样标距长度的0.2时的应力，即材料开始产生塑性变形时的最底应力值。 抗拉强度b 材料在断裂前所能承受的最大应力值 疲劳强度-1 零件在交变应力作用下长时间工作，在低于材料的屈服强度的情况下提前发生断裂,（2）塑性(Plasticity) 塑性是指材料在静载荷作用下产生塑性变形而不破坏的能力。但塑性指标一般不直接用于工程设计计算。 1)伸长率，以表示。 式中，l0为标距原长，l1为断裂后标距长度。 2)断面收缩率，以表示。 式中，A0为试样原始横截面积，A1为断口处的横截面积。,（3）硬度 (Rigidity),硬度是指材料对局部塑性变形、压痕或划痕的抗力，是衡量金属软硬程度的指标。,1)布氏硬度 试验方法如图。,优点：压痕大，试验结果比较准确，适用于未经淬火的钢、铸铁、有色金属或质地轻软的轴承合金。 缺点： 试验过程较麻烦，有损试样表面，不宜用于成品件和薄件,2)洛氏硬度,洛氏硬度常用标尺的实验条件和应用：,优点： 操作迅速、简便，可由表盘上直接读出 硬度值；压痕小，可在工件表面或较薄 的金属上进行实验；采用不同标尺，可 测量从极软到极硬材料的硬度值。,洛氏硬度是目前工厂中应用最广泛的实验法。,缺点： 因压痕小，对组织比较粗大且不均匀 的材料，测得精度较差，硬度值波动 较大。,3)维氏硬度科学试验,优点：适用范围宽，尤其适用于极薄工件及表面薄硬层的硬度测量，准确度高 缺点：测量较麻烦，工作效率较低,（4）韧性（Toughness),1)冲击韧性 材料抵抗冲击载荷而不破坏的能力称为冲击韧性。 a） 摆锤式一次冲击试验。 b） 小能量多次冲击试验。如右下图所示。,多次冲击弯曲实验示意图,2)断裂韧度 在断裂力学基础上建立起来的材料 抵抗裂纹扩展的能力，称为断裂韧度。,断裂韧度可对零件允许的工作应力和裂纹尺寸进行定量计算，故在安全设计中具有重大意义。裂纹扩展可分为张开型（），滑开型（）和撕开型（）三种。,（5）疲劳强度 试样经受无限周期循环而不破坏的最大应力值，称之为疲劳强度。,2.1.2 金属材料的物理性能,(1)密度(Density) 单位体积物质的质量称为该物质的密度： 式中，为物质的密度（kg/m3）；m为物质的质量（kg）；V为物质的体积（ m3 ）。 密度小于4.5103kg/ m3的金属称为轻金属，如铝、镁、钛及它们的合金。密度大于4.5103kg/ m3的金属称为重金属，如铁、铅、钨等。,(2)熔点（melting point) 金属从固态向液态转变时的温度称为熔点。熔点高的金属称为难熔金属，如W、Mo、V等，可以用来制造耐高温零件，如在火箭、导弹、燃气轮机和喷气飞机等方面得到广泛应用。熔点低的金属称为易熔金属，如Sn、Pb等，可用于制造熔丝和防火安全阀零件等。,(3)导热性 导热性通常用导热率来衡量。热导率的符号是，单位是W/(mK)。导热率越大，导热性越好。 金属的导热性以银为最好，铜、铝次之。,(4)导电性 金属材料能够传导电流的能力称导电性，通常用电导率来衡量，电导率越大，金属材料导电性越好。金属导电性以银为最好，铜、铝次之。,(5)热膨胀性 金属材料随着温度变化而膨胀、收缩的特性称为热膨胀性。,（6）磁性,铁磁材料：在外磁场中能强烈地被磁化，如Fe、Co等,顺磁材料：在外磁场中只能微弱地被磁化，如Mn、Cr等,抗磁材料：能抗拒或削弱外磁场对材料本身的磁化作用， 如Cu、Zn等,铁磁材料可用于制造变压器、电动机、 测量仪表等；抗磁材料则用于要求避免电磁场干 扰的零件和结构用件，如航海罗盘。,2.1.3 金属材料的化学性能 (1)耐蚀性 金属材料在常温下抵抗氧、水蒸气及其它化学介质腐蚀破坏作用的能力称耐蚀性。碳钢、铸铁的耐腐蚀性比较差；钛及其合金、不锈钢的耐腐蚀性好。在食品、制药、化工工业中不锈钢是重要应用材料。铝合金和铜合金有较好的耐腐蚀性能。 2)抗氧化性 金属材料在加热时抵抗氧化作用的能力称抗氧化性。加入Cr、Si等合金元素可提高钢的抗氧化性。加入Cr、Si可以提高钢的抗氧化性能，如合金钢4Cr9Si2，可以在高温下使用，制造内燃机排气阀以及加热炉炉底板、料盘等。,金属材料的耐腐蚀性和抗氧化性统称为化学稳定性。在高温下的化学稳定性为热稳定性。在高温下工作的设备，如锅炉、汽轮机、喷气发动机等部件和零件应选用热稳定性好的材料来制造。,2.2 金属材料的工艺性能,工艺性能是指制造工艺过程中材料适应加工的性能。 金属材料的一般加工过程如下：,（1）铸造性能 金属