机械工程材料课件.ppt

本章提要1 学习目的和要求通过本章的学习 掌握有关晶体结构的基本知识 晶体缺陷的种类和特点 金属结晶的基本规律以及合金相图的分析与应用 2 课程内容 1 纯金属的晶体结构与结晶 2 合金的晶体结构及结晶 3 铁碳合金 第一节金属的晶体结构第二节合金的相结构第三节纯金属的结晶第四节合金的结晶第五节铁 碳合金相图 第一节金属的晶体结构一 晶体与非晶体晶体 凡内部原子呈规则排列的物质称为晶体 非晶体 凡内部原子无规则排列的物质称为非晶体 晶体与非晶体的区别内部原子的排列是否有规则 晶体有固定的熔点 而非晶体没有固定的熔点 晶体具有各向异性 而非晶体呈各向同性 晶体 非晶体 第一节金属的晶体结构二 金属的晶体结构1 金属晶体结构的基本概念 第一节金属的晶体结构二 金属的晶体结构1 金属晶体结构的基本概念晶格 假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架 晶胞 能反映晶格特征的最小组成单元 晶格常数 晶胞的三个棱边的长度a b c 立方四方正交六方单斜三斜 三角 第一节金属的晶体结构二 金属的晶体结构2 三种典型的金属晶体结构 第一节金属的晶体结构二 金属的晶体结构2 三种典型的金属晶体结构晶体结构特征 1 晶格尺寸 可用晶格常数表达 2 晶胞原子数 一个晶胞内所包含的原子数目 3 原子半径 晶胞中原子密度最大的方向上相邻的两个原子之间平衡距离的一半 4 配位数 晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目 5 致密度 晶胞中原子本身所占有的体积与该晶胞体积之比的百分数 第一节金属的晶体结构二 金属的晶体结构2 典型的晶体结构体心立方晶格 晶格常数 a a b c 原子半径 体心立方晶格 原子个数 2配位数 8致密度 0 68常见金属 钼 Mo 钨 钒 铬 铌 Fe等 第一节金属的晶体结构二 金属的晶体结构2 典型的晶体结构面心立方晶格 晶格常数 a a b c 原子个数 4配位数 12致密度 0 74常见金属 Fe Cu Al Ni Au Ag Pt等 原子半径 面心立方晶格 第一节金属的晶体结构二 金属的晶体结构2 典型的晶体结构密排六方晶格 晶格常数 底面边长a 底面间距c c a 1 633 原子个数 6配位数 12致密度 0 74常见金属 Be Mg Zn Cd Ti等 原子半径 a 2 密排六方晶格 r四 0 29r原子r八 0 15r原子 r四 0 225r原子r八 0 414r原子 r四 0 225r原子r八 0 414r原子 第一节金属的晶体结构二 金属的晶体结构3 金属晶体中晶面指数 晶向指数晶面指数 在晶体学中 通过晶体中心的平面叫做晶面 晶面指数确定步骤 1 以晶胞的某一阵点O为原点 过原点O的晶轴为坐标轴x y z 以晶胞点阵矢量的长度a b c作为坐标轴的长度单位 2 求出待标晶面在坐标轴上的截距 3 取截距的倒数1 x 1 y 1 z 将这些倒数化成最简整数比 1 x 1 y 1 z 4 将h k l置于圆括号内 写成 hkl 则 hkl 就是待标晶面的晶面指数 晶面指数的确定 第一节金属的晶体结构二 金属的晶体结构3 金属晶体中晶面指数 晶向指数 关于晶面指数的几点说明1 晶面指数并不特指某一个晶面 而是代表着与该晶面平行的所有晶面 2 待定晶面不要通过坐标轴原点 否则会出现截距为零的情况 3 一个面和它的负面是等同的 是可以通用的 4 原子排列完全相同但不平行的晶面成为晶面族 第一节金属的晶体结构二 金属的晶体结构3 金属晶体中晶面指数 晶向指数晶向 通过原子中心的直线晶向指数确定步骤 1 在点阵中设定参考坐标系 设置方法与确定晶面指数时相同 2 选取该晶向上原点以外的任一点P x y z 3 将x y z化成最简整数比u v w且u v w x y z 4 将u v w三数置于方括号内就得到晶向指数 uvw 晶向指数的确定 第一节金属的晶体结构二 金属的晶体结构3 金属晶体中晶面指数 晶向指数 关于晶向指数的几点说明1 晶向指数也不特指某一个晶向 而是表示所有相互平行 方向一致的晶向 2 晶体中原子密度相同而空间位向不同的各组晶向可归并为一个晶向族 对于立方晶体 相同指数的面和方向是垂直的 晶向的其它求法 本章练习11 在常温下 已知铁的原子直径d 0 254nm 求铁的晶格常数 每立方厘米大约有多少个原子 2 画出下列晶面指数或晶向指数 234 120 112 210 3 画出体心立方和面心立方晶体中原子排列最密的晶面和晶向 写出它们的晶面和晶向指数并求出单位面积及单位长度上的原子数 4 立方晶系中 下列晶面 晶向表示方法是否正确 不正确的请改正 1 1 2 1 2 1 1 3 1 1 5 2 121 密排面和密排方向单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度 单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度 原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向 三种常见晶格的密排面和密排方向为 本章练习1补充说明 第一节金属的晶体结构三 实际金属的晶体结构理想晶体 晶体缺陷 实际晶体 1 点缺陷 三维尺度上都很小 不超过几个原子直径的缺陷 形成成因原子去向影响因素对性能的影响 第一节金属的晶体结构三 实际金属的晶体结构 2 线缺陷 二维尺度很小 另一维尺度很大的缺陷 刃型位错螺型位错 第一节金属的晶体结构三 实际金属的晶体结构 3 面缺陷 二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷 晶界亚晶界 第二节合金的相结构一 基本概念合金 合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素组成的金属材料 合金系 由若干给定组元按不同比例配制成一系列不同成分的合金 构成一个合金系统 简称合金系 组元 组成合金的最基本的 独立的物质 相 是指合金中成分 结构均相同的组成部分 相与相之间有明显的界面组织 用金相观察方法 在金属及合金内部看到的涉及晶体或晶粒的大小 方向 形状 排列状况等组成关系的构造情况 第二节合金的相结构一 合金的相结构1 固溶体固溶体是指溶质原子溶入溶剂中形成的均一的结晶相 与某一组元晶格结构相同 按溶质原子的位置可分为 置换固溶体 间隙固溶体 溶剂原子 溶质原子 第二节合金的相结构一 合金的相结构1 固溶体 1 间隙固溶体的形成 通常仅由比溶剂原子显著小得多的并且在尺寸上与它所占据的间隙位置相当的溶质原子组成 2 置换固溶体的形成 Hume Rothery为了能在比较大的成分范围形成置换固溶体 必须遵守如下条件 两类原子的电负性必须相当溶质和溶剂的尺寸差别必须不大于15 两类原子的价必须相似两类原子的结构必须是一样的 第二节合金的相结构一 合金的相结构1 固溶体置换固溶体的形成 Hume Rothery例 Cu Ni电负性 Cu为1 90 Ni为1 91尺寸差别 2 4 化合价 Cu为 1或 2 Ni为 2原子的结构 同为面心立方晶格 Cu Zn电负性 Cu为1 90 Zn为1 65尺寸差别 4 3 化合价 Cu为 1或 2 Zn为 2原子的结构 Cu为面心立方Zn为密排六方 第二节合金的相结构一 合金的相结构1 固溶体按分布有序度可分为 按溶解度可分为 有限固溶体和无限固溶体 溶剂原子 溶质原子 无序固溶体 有序固溶体 第二节合金的相结构一 合金的相结构1 固溶体固溶体的性能当溶质元素含量很少时 固溶体性能与溶剂金属性能基本相同 但随溶质元素含量的增多 会使金属的强度和硬度升高 而塑性和韧性有所下降 这种现象称为固溶强化 置换固溶体和间隙固溶体都会产生固溶强化现象 适当控制溶质含量 可明显提高强度和硬度 同时仍能保证足够高的塑性和韧性 所以说固溶体一般具有较好的综合力学性能 因此要求有综合力学性能的结构材料 几乎都以固溶体作为基本相 这就是固溶强化成为一种重要强化方法 在工业生产中得以广泛应用的原因 第二节合金的相结构一 合金的相结构2 金属化合物合金组元相互作用而形成一种具有金属特性的物质称为金属化合物 金属化合物的组成一般可用化学式表示 金属化合物的晶格类型不同于任一组元 一般具有复杂的晶格结构 其性能特点是熔点高 硬度高 脆性大 当合金中出现金属化合物时 通常能提高合金的硬度和耐磨性 但塑性和韧性会降低 根据合金中金属化合物相结构的性质和特点 可大致划分为正常价化合物 电子化合物及间隙化合物三类 第二节合金的相结构一 合金的相结构2 金属化合物 正常价化合物 符合正常原子价规律 如Mg2Sn BeS ZnS A1P ZnSe CaF2等 有一定的成分 可用化学分子式表示 如Mg2Si 一般表示为AB AB2 A2B 有独特的晶体结构 一般与离子化合物NaCl和CaF2结构相同 由周期表上相距较远 电负性差值较大的元素组成 CaF2 NaCl 第二节合金的相结构一 合金的相结构2 金属化合物 电子化合物 不遵守一般的化合价规律但符合于一定电子浓度 价电子数与原子数目之比值 的化合物 Cu5Zn8 Cu31Sn8 CuZn3 Cu8Sn等Cu5Sn CuZnC 21 14时 多为体心立方结构 称为 相Cu31Sn8 Cu5Zn8C 21 13时 复杂立方结构 称为 相Cu3Sn CuZn3C 7 4 21 12时 密排立方结构 称为 相 第二节合金的相结构一 合金的相结构2 金属化合物 间隙化合物 由过渡族元素与C N B H等小原子半径的非金属元素组成 VC 渗碳体 材料的整体性能取决于存在相的数目存在相的成分存在相的相对含量存在相的结构存在相的尺寸和空间分布 本章练习21 能提高金属材料强度 硬度的同时 又不明显降低其塑性 韧性的强化方法是 2 固溶体的强度和硬度比溶剂的强度和硬度 3 平衡结晶获得的20 Ni的Cu Ni合金与40 Ni的Cu Ni合金相比谁的硬度和强度高 4 复杂间隙化合物 间隙相 间隙固溶体的区别 第三节纯金属的结晶一 基本概念结晶的定义 气体结构液体结构固体结构 近程有序 第三节纯金属的结晶一 基本概念结晶的定义 1 从状态看 结晶通常是指金属自液态向固态过渡时晶体形成的过程 称为 一次结晶 金属从一种固体晶态过渡为另一种固体晶态的转变称为 二次结晶 2 从金属学观点 结晶则是指物质的原子从近程有序过渡到远程有序结构的过程 第三节纯金属的结晶二 金属的冷却曲线和过冷现象金属的结晶温度可用热分析等实验方法来测定 热分析装置示意图热分析装置实物图 冷却速度越快 实际结晶温度越低 过冷度就越大 过冷是纯金属结晶的必要条件 第三节纯金属的结晶二 金属的冷却曲线和过冷现象过冷 指液态金属实际冷却到结晶温度以下而暂不结晶的现象 过冷度 理论结晶温度和实际结晶温度之差 第三节纯金属的结晶三 纯金属的结晶过程纯金属的结晶过程随着凝固温度的下降 经历以下阶段 晶核的生成 自发形核 非自发形核 晶核的长大 平面长大 树枝状长大 金属结晶过程示意图 第三节纯金属的结晶三 纯金属的结晶过程 第三节纯金属的结晶三 纯金属的结晶过程长大方式 平面长大 第三节纯金属的结晶三 纯金属的结晶过程长大方式 树