第一章机械工程材料的结构

第一章机械工程材料的结构第一章机械工程材料的结构 机械工程材料Engineering Material1943年美国T 2油轮发生断裂泰坦尼克号 1912年大西洋 绪论 机械工程材料的 定义 分类 常用性能 学习本门课程的目的 课程的性质和任务 课 程教学的基本要求 教学内容一机械工程材料的定义和分类 1 定义机械工程材料主要指用于机械工程 电器工程 建筑工程 化工工程 航空航天工程等领域的材料 主要是金属材料 2 分类 按化学成分分类 金属材料 综合性能好 用量最大 应 用范围最广 高分子材料 质轻 耐腐蚀 常用于化工 机械 航空 航天等 陶瓷材料 高强 高硬度 耐腐蚀 绝缘 用于电器 化 工 航空航天等等 复合材料 轻 高的比强度 比刚度 结合两 种材料的性能优点 用于航空航天等领领域 二 机械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 生物性能 相容性 自恢复性等 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 三 学习本课程的目的 1 获得常用的金属材料 非金属材料的基本理论知识 2 了解材料性能和结构之间关系 3 相图 4 掌握简单的热处理工艺 四 教学内容 理论教学第一章机械工程材料的结构第二章材料的制备和相图第三 章材料的力学行为 塑性变形和再结晶第四章机械工程材料的强韧 化第五章常用金属材料第六章聚合物 无机和复合材料第第1章章机 械工程材料的结构 1 1材料的原子键合与排列方式 1 2固体材 料的晶体结构特点 1 3实际晶体的结构特征 1 4一般工程材料 的结构特点 1 1材料的原子键合与排列方式 1 1 1材料的原 子键合特征化学键各种原子结合成分子或晶体时 在相邻原子间都 有强烈的吸引作用 这种作用 称为化学键 离子键正 负离子经库仑静电引力相互结合起来的化学键称为离子 键 如NaCl 共价键由相邻原子共同占有其部分价电子 使每个原子的最外层电 子处于满壳状态 原子借助电子对将相邻原子结合起来 称为共价 键 如金刚石 金属键金属正离子和自由电子之间的相互作用 大多数金属都金属键结合 1 1材料的原子键合与排列方式 范德瓦尔斯键 分子键 和氢 键当不易失去或获得电子的中性原子 分子靠近时 由于各自内部 出现正 负电荷中心不重合而产生极化作用 会在这些原子和分子 间形成作用力 即范德瓦尔斯力 混合键 结合键的性能特点离子键共价键金属键分子键结构特点无方 向性或方向性不明显方向性明显无方向性和饱和性无方向性和饱和 性力学性质强度高 硬度大强度高 硬度大有各种强度 有塑性塑 性好热学性质熔点高 膨胀系数小 熔体中有离子熔点高 膨胀系 数小 熔体中有分子有各种熔点 导热性好熔点不定 导热性差电 学性质绝缘体 熔体为导体熔体为非导体导电体导电性差 1 1材 料的原子键合与排列方式 短程有序 非晶态结构 定义原子仅在很小的范围 约几十个原子尺度 内呈一 定的规则排列 而从大范围来看 则呈无规则排列 非晶体材料仅存在短程有序特点 1 结构无序 各向同性 2 无固定熔点 3 导热率和热膨胀性均小 4 塑性变形大 5 组成的变化范围大 1 1材料的原子键合与排列方式 1 1 2材料中原子排列方式 长程有序 晶体结构 定义原子在很大的范围内均是按一定规则 晶体材料具有长程有序排列特点 1 结构有序 物理性质表现为各向异性 2 具有固定熔点 1 1材料的原子键合与排列方式 1 1 2材 料中原子排列方式金属的结构晶态非晶态SiO2的结构非晶态晶态 1 2固体材料的晶体结构特点 1 2 1晶体结构的基本概念 一 两个基本概念在自然界中除了一些少数的物质 如普通玻璃 松香等 以外 包括金属在内的绝大多数固体都是晶体 1 晶体 crystal 是由原子 或离子 分子 在空间周期地排列构 成的固体物质 2 晶体结构 crystal structure 是指晶体中原子 或离子 分子 的具体排列情况 也 就是晶体中的这些质点在三维空间有规律的周期性的重复排列方式 1 2固体材料的晶体结构特点 二 空间点阵1 堆垛模型 用以描述晶体中原子排列规律的空间点阵 格架 1 2固体材料的晶体结构特点2 空间点阵这种阵点有规律地 周 期性重复排列所形成的空间几何图形 晶格 1 2固体材料的晶体结构特点 晶胞构成晶格的最基本 有代表性的几何单元 1 2固体材料的晶体结构特点晶胞在三维空间的堆砌构成晶格 晶格常数晶胞的三条棱边的长度度a b c和棱间夹角 是 衡量晶胞大小和形状的六个参数 其中a b c称为晶格常数或点 阵常数c XZ YO b 1 2固体材料的晶体结构特点 1 2固体材料的晶体 结构特点 原子半径晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之间距离 的一半 晶胞原子数一个晶胞内所包含的原子数目 配位数和致密度 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致密 度晶胞中原子体积与晶胞体积之比 n为晶胞中原子数 r为原子半径 2 2 2纯金属的晶体结构 1 2固体材料的晶体结构特点 一 典型金属的晶体结构常见的金属晶体结构类型有下面三种晶体 结构类型1 体心立方晶格 body center cubiclattice 体心立方晶格 晶胞的特征参数 a b c 90 n 8 1 8 1 2个 晶胞中的原子数 原子的半径 R 3 a 4 原子的体积 v 4 R3 3 致密度 K nV原子 V晶体 0 68 68 配 位数 C 8属于体心立方晶格的金属有 钠钠 Na 钾 K 铬 Cr 钼 M o 钨 W 钒 V 钽 Ta 铌 Nb 铁 Fe 等约30余种体心立方晶格面心立方晶格 face center cubiclattice 晶胞中的原子数 n 8 1 8 6 1 2 4个 晶胞的特征 参数 a b c 90 原子的体积 v 4 R3 3 致密度 K n V原子 V晶体 0 74 74 原子的半径 R 2 a 4 配位数 C 12面 心立方晶格属于面心立方晶格的金属有 金金 Au 银 Ag 铜 Cu 铝 Al 镍 Ni 铂 Pt 铅 Pb 铁 Fe 等等约约20种 面心立方晶格密排六方晶格 hexagonal close packed lattice 晶胞中的原子数 n 12 1 6 2 1 2 3 6个 晶胞的特征参 数 原子的体积 v 4 R3 3 致密度 K nV原子 V晶体 0 74 74 配位数 C 12 原子的半径 R a 2正六边形底面边长a 晶胞高度c c a 1 633 90 120 密排六方晶格属于密排六方晶格的 金属有 镁镁 Mg 锌 Zn 镉 Cd 钛 Ti 铍铍 Be 等 密排六方晶格几个重要的概念 晶向 点阵中阵点的连线 表示原子列的方向 晶面 点阵中阵点组成的面 表示原子面在研究金属晶体结构的细节及其 性能时 往往需要分析它们的各种晶面和晶向中原子分布的特点 这样有必要给各种晶面和晶向定出一定的符号 以表示出它们在晶 体中的方向 从而便于分析 晶面和晶向的这种符号分别叫 晶面 指数 和 晶向指数 用晶向指数和晶面指数来确定和区分不同的晶向和晶面 国际上通 用密勒指数 Miller 统一标定 二 晶体中的晶面及晶向晶面指数与晶向指数是如何确定晶面指数 建立步骤 设置坐标 求截距 取倒数 化简 入括号 用密勒 Miller 指数对晶格中某一晶面进行标定以立方晶系为例晶面指数 注意 负数 面与坐标轴平行 晶面平行 晶面族 用密勒 Miller 指数对晶格中某一晶面进行标定以立方晶系为例 晶面族原子排列 相同但空间位向不同的所有晶面 用 h kl 表示 例如立方晶系中 100 100 010 001 晶向指数建立步骤 设置坐标 作平行线 求值 化简 入括 号 用密勒 Miller 指数对晶格中某一原子排列在空间的位向进行 标定晶向指数注意 平行的晶向 晶向族 用密勒 Miller 指数对晶 格中某一原子排列在空间的位向进行标定 晶向族原子排列相同但空 间位向不同的所有晶向 用表示 例如立方晶系中 100 010 001 100 010 001 标出 图中AHDE ADF和AHCF晶面的晶面指数和AD DF和AF的晶向指数 单 晶体与多晶体的基本概念1 单晶体 single crystal 的特征 晶体由与晶格排列方位完全一致的一个晶粒组成 晶体具有各向异性 例如 单晶硅 单晶锗等 1 3实际晶体的结构特征单晶体外观 1 3实际晶体的结构特 征单晶体生长 1 3实际晶体的结构特征2 多晶体 polycrystal 的特征 晶体是由许多颗晶格排列方位不相同的晶粒组成 晶体具有各向同性 isotropy 例如 常用的金属等 多晶体结构示意图晶体缺陷 crystal defect 点缺陷线缺陷面缺陷在实际应用的金属材料中 总是不可避 免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域 这就是晶体缺 陷 晶体缺陷的数量很少 但对金属及合金的性能会产生重大的影响 根据缺陷的几何特征1 点缺陷 point defect 空位 vacancy 间隙原子 gap atom 置换原子 substitutional atom 点缺陷是指在晶体空间中 其长 宽 高尺寸都很小 相当于 原子尺寸 的一种缺陷 点缺陷示意图间隙原子晶格空位置换原子晶格畸变 电阻率增大 体 积膨胀 晶格畸变使强度提高2 线缺陷 line defect 位错 dislocation 位错是晶体中一列或数列原子发生有规律的错 排现象 位错可视为晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造 成的结果 位错线晶体滑移部分于未滑移部分的交界线 位错的基本类型刃型位错螺型位错线缺陷是指在三维空间中两维方 向的尺寸较小 在另一维方向的尺寸相对较大的缺陷 所以又称为 一维缺陷 晶体中最普通的线缺陷就是位错 刃型位错示意图正刃型位错负刃型位错F AB CD 刃型位错有一额外半原子面 位错线与晶体滑移方向垂直螺型位 错示意图每旋转一周 原子沿滑移方向前进了一个原子间距根据位 错线附近呈螺旋型排列的原子的旋转方向不同分为左螺型位错和右 螺型位错 位错对性能的影响 位错密度单位体积内所包含的位错线的总长度 位错密度增加 强度增大 金属强度与位错密度之间的关系3 面缺陷 surface defect 晶体表面与真空 气体或液体等外部介质相接触的界面 处于表面层的原子同时受到晶体内部的自身原子和外部介质原子或 分子的作用 造成表面层的晶格畸变 晶界 两相邻晶粒间的过渡界面 由于相邻晶粒间彼此位向各不相同 故晶界处的原子排列与晶内不 同 它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合影响 而做无规 则排列或近似于两者取向的折衷位置的排列 这就形成了晶体中的 重要的面缺陷 晶体中的面缺陷是指在两个方向尺寸很大而第三方向尺寸很小 呈 面状分布的缺陷 晶界的示意图晶粒晶格的位向差10 为大角度晶界 晶界示意图 亚晶界 实验表明 在实际金属的一个晶粒内部晶格位 向也并非一致 而是存在一些位向略有差异的小晶块 位向差一般 不超过2 这些小晶块称为亚结构 亚结构之间的界面称为亚 晶界 亚晶界示意图 亚晶界是小角度晶界 相界具有不同晶体结构的两相 之间的分界面 共格界面界面上的原子同时位于两相晶格结点上 为两相晶格所共 有 非共格界面相界的畸变能高 不能维持共格关系 半共格界面介于上述两者之间 共格相界非共格相界半共格相界 一 基本概念 组元组成材料中基本的 独立的物质 相材料中具有同一化学成分 同一结构和同一原子聚集状态 并与 其他部分以界面互相分开的 均匀的组成部分 组织与相的关系相是构成组织的最基本的组成部分组织则是材料性 能的决定性因素 合金两种或两种以上金属元素 或金属与非金属元 素组成的具有金属特性的物质 如黄铜 钢 1 4一般工程材料的结构特点 1 4 1晶体材 料的基本相结构相的大小及分布不同时 也会构成不同的微观形貌 金相组织 二 晶体材料的基本相结构 固溶体 solid solution 化合物 pound 一 固溶体 定义溶质原子溶入溶剂 晶格中所形成的均一的 保持溶剂晶体结构的结晶相 这种相称为 固溶体 固溶体的特点合金的组元互相溶解 固溶体具有溶剂组元的晶格类 型 例如 Fe C F 铁素体 b hcpb1 置换固溶体 substitution solidsolution 11 定义溶质原子置换了溶剂的原子位置 又称为 替代式固溶体 2 形成特征 R溶剂 R溶质例如 Au Cu 按照溶质原子在溶剂晶格中所占的位置分类溶剂原子溶质原子置 换固溶体示意图固溶体的分类2 间隙固溶体 interstitial solidsolution 1 定义以以A组元 溶剂 为基 B组元 溶质 填 在A的间隙位置形成的固溶体 也称为填隙式固溶体 22 形成的特征 R溶质 R溶剂 0 59例如 Fe C间隙固溶体示意图溶质原子溶剂原子固溶体的分类 按固态溶解度 分类 按溶质原子和溶剂原子的相对分布分类有限固溶体无限固溶体 无序固溶体有序固溶体固溶度固溶体的性能特点 固溶强化 solutio n strength 随溶质浓度的增加 固溶体的强度和硬度升高 塑性 韧 性降低的现象 晶格畸变 distortion oflattice 溶质和溶剂原子大小不同所致 溶质原子对晶格畸变影响示意图溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越 大 晶格畸变越大 强化效果越好间隙原子强化效果较置换原子好 二 化合物 非金属化合物不是金属键结合 又不具有金属特 征的化合物 FeS 晶体结构与组成元素不同 是一种新相 溶剂A 溶质B C bf hcp例如 3Fe C Fe3C体心六方复杂结构定义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 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 定义由相当程度的金属键结合并具有金属特性的化合物 金属化合 物 一 金属化合物的主要类型1 正常价化合物 normal pounds 符合原子价规律的 成分固定并可用化学式表示 Mg2Si 2 电子价化合物 electron pounds 不遵守原子价规律 而是按照一定电子浓度比值形成金属间 化合物3 间隙化合物 interstitial pounds 由过渡族金属元素与C H N B等原子半径较小的非金属元 素形成1 间隙相 R非金属 R金属0 59 V原子C原子间隙相间隙化合物 二 金属化合物的性能特点 具有一定程度的金属性质 具有较高的熔点 硬度较高 脆性高 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 相比较而言 固溶强化具有更优越的综合性能 1 4 2聚合物的结构 一 高分子的含义 1 定义高分子是指分子量特别大的有机化合物 是由一种或者多种 单体 通过聚合反应形成的相对分子质量很大的化合物 它是相对 于低分子而言 2 组成由一种或几种简单的低分子有机化合物以重复的方式连接而 成 就像一根链条由众多链环连接在一起一样 大分子链中的重复结构单元称之为 链节 组成大分子链时 链节的数目 n 叫做聚合度 聚合度和聚合物的分子量有如下关系M m n M 聚合物的分子量n 聚合物的聚合度m 链节的分子量全人工心脏 AbioCor全人工心脏实际上是两个套在一 起的球 位于心脏中心的液压泵将液体在两层球膜之间来回挤压 促使血流轮流流入左右室心腔 引起脉搏 它的特点是可植入体内 没有通过皮肤外接导线或导管 心脏由电 子控制 根据人体需要调节心跳速度及泵出的血液流量 二 大分子链的结构 指大分子的结构单元的化学组成 链接方式 空间构型 支化及交联等 大分子链中原子之间 链节之间的相互作用是强大的共价键结合 大分子链之间的作用力是范德瓦尔斯键和氢键 按照大分子链的几何形状 聚合物的结构分类 线性结构 体型结 构网状结构 三 大分子的聚集态结构 高分子的聚集态结构 是指高分子材料内 部高分子链之间的几何排列和堆砌结构 它是在高分子材料加工成型过程中形成的 高分子链之间以范德瓦 尔斯键或氢键结合 键虽弱 但因分子链很长 故链间总作用力为 各链节作用力与聚合度之积 因而大大超过链内共价键 显然 高分子的聚集态结构与高分子材料的性能有着直接关系 三 大分子的聚集态结构 晶态结构 非晶态结构 定向结构 三 大分子的聚集态结构 三 大分子的聚集态结构 陶瓷是由金属和非金属元素的化合物构成 的多晶固体材料 它实际上是各种无机非金属材料的统称 传统上 陶瓷 是陶器与瓷器的总称 后来 发展到泛指整个硅酸盐材料 包括玻璃 水泥 耐火材料 陶瓷等 陶瓷材料的显微结构陶瓷材料的典型组织是由晶体相 玻璃相和气 相组成 1 4 3陶瓷材料的结构 1 4 3陶瓷材料的结构 陶和瓷有质地 的差别 瓷器比陶细腻 而陶特别的粗糙 陶陶有杂色 微带点褐色 的斑点 1 陶器的原料是普通的粘土 瓷器的原料则是瓷土 即高岭土 因最早发现于江西景德镇东乡高岭村 2 陶含铁量一般在3 以上 瓷含铁量一般在3 以下 3 陶器的烧成温度一般在900 左右 瓷器则需要1300 的高 温才能烧成 4 陶器断面吸水率高 瓷器经过高温焙烧 坚固致密 断面基本不吸水 5 瓷器是我国的创造发明 高温蠕变在应力不变的条件下 应变随时间延长而增加的现象 1 4 3陶瓷材料的结构 一 晶相 晶相是组成陶瓷的基本相 也称主晶相 它往往决定着陶瓷的力学 物理 化学性能 晶相的结构类型 氧化物结构 硅酸盐结