机械工程材料13章

机械工程材料机械工程材料1313章章 工程材料与机械制造基础辽宁石油化工大学机械工程学院目录 第一 章工程材料概论 第二章金属材料的主要性能 第三章金属的晶体结 构与结晶 第四章铁碳合金 第五章钢的热处理 第六章常用金属材料 23 使学生了解工程材料的基本理论和基本知识 掌握常用的工程 材料的种类 性能 组织和热处理方法 了解常用的金属材料 具备合理选用常用工程材料的初步能力 为学习其它相关课程及以 后从事机械设计和加工制造工作奠定必要的基础从事机械设计和加 工制造工作奠定必要的基础 课程宗旨4第一章工程材料概论 一 材料科学与工程材料 1 材料科学概论 2 工程材料的分类 1 材料科学概论 2 工程材料的分类 二 材料科学发展与展望 1 材料科学的发展历史 2 材料科学的展望 1 材料科学的发展历史 2 材料科学的展望5机械零件 工程构件 生活用品机械零件 工 程构件 生活用品 一 材料科学与工程材料6哥伦比亚号航天飞机 材料 能源 信息 现代社会三大支柱 现代社会三大支柱 技术 生产力 材料是关键材料 人类用来制作各种产品的物质基础 71 材料科学概论主要研究内容 材料的合成与制备 材料的成分 与组织结构 材料性能 材料的合成与制备 材料的成分与组 织结构 材料性能 材料科学是研究各种固体材料的成分 组织 性能和应用之间的关系及其变化规律的一门科学 挑战者号爆炸瞬间 82 工程材料的分类 工程材料是指具有一定性能 在特定条件下能 够承担某种功能 被用来制造零件和元件承担某种功能 被用来制 造零件和元件的材料 工程材料仪器仪表化工机械船舶车辆建筑能源航空航天9工程材料碳 钢合金钢碳钢合金钢钢铸铁有色金属及合金钢铸铁有色金属及合金 工程塑料合成纤维合成橡胶胶粘剂工程塑料合成纤维合成橡胶胶粘 剂普通陶瓷特种陶瓷普通陶瓷特种陶瓷金属材料高分子材料陶瓷材 料复合材料金属材料高分子材料陶瓷材料复合材料金属基复合材料 陶瓷基复合材料高分子基复合材料金属基复合材料陶瓷基复合材料 高分子基复合材料工程材料的分类10 1 金属材料以金属键结合为主良好的导电性 导热性 延展性和 金属光泽良好的导电性 导热性 延展性和金属光泽 用量最大 应用最广泛用量最大 应用最广泛黑色金属 Fe Ni Cr Mn有色金属 轻金属 重金属 贵金属 稀有金属11黑色金属铁及铁合金 即钢铁材 料 世界年产量已达10亿吨 在机械产品中的用量已占整个用材的亿吨 在机械产品中的用量已占整个用材的60 以上 12金属材料制品13 2 陶瓷材料 以共价键和离子键为主为主 熔点高 硬度高 耐腐 蚀 脆性大熔点高 硬度高 耐腐蚀 脆性大分类 传统陶瓷 特种 陶瓷 金属陶瓷14 传统陶瓷又称普通陶瓷 是以天然材料 如黏土 石英 长石等 为原料的陶瓷 主要用作建筑材料使用 特种陶瓷 又称精细陶瓷 是以人工合成材料为原料的陶瓷 常用作工程上的 耐热 耐蚀 耐磨零件 陶瓷制品陶瓷发动机15 3 高分子材料 以分子键和共价键为主 塑性 耐蚀性 电绝缘性 减振性好 密度小塑性 耐蚀性 电绝缘性 减振性好 密度小 包括塑料 橡胶及合成纤维等分子键共价键16高分子材料在机械 电气 纺织 汽车 飞机 轮船等制造工业和化学 交通运输 航 空航天等工业中被广泛应用 在机械 电气 纺织 汽车 飞机 轮船等制造工业和化学 交通 运输 航空航天等工业中被广泛应用 烯丙酰氯 苯乙烯17 4 复合材料分类金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料 金属基复合材料陶瓷基复合材料高分子复合材料是把两种或两种以 上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形 成的材料 风电叶片金属塑料耐磨轴承风电叶片金属塑料耐磨轴承18 1 结构材料是以强度 刚度 塑性 韧性等力学性能为指标 用 来制造承受载荷 传递动力的零件和构件零件和构件的材料 2 功能材料是以光 声 电 磁 热等物理性能为指标 用来 用来制造特殊性能的元件的材料 按材料的使用性能分类19 随着机械工业的发展 对产品的要求越来 越高 在产品设计与制造过程中 会遇到越来越多的材料及材料加工方面 的问题 在产品设计与制造过程中 会遇到越来越多的材料及材料加工方面 的问题 要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料工程知识 具备 要求机械工程技术人员掌握必要的材料科学与材料工程知识 具备 正确选择材料和加工方法 合理安排加工工艺路线的能力 正确选择材料和加工方法 合理安排加工工艺路线的能力 铸造一级涡轮盘 二 材料科学发展与展望材料是人类进化的里程碑 生产中使用的 材料性质直接反应了人类社会的文明水平 材料是人类进化的里程碑 生产中使用的材料性质直接反应了人类 社会的文明水平 201 材料科学发展历史材料的发展与人类社会简图21石器铁器青铜 器象形尊 西周 石器时代 青铜器时代 铁器时代224000年前的夏朝 我们的祖先已经能够炼铜 到殷 商时期 我国的 到殷 商时期 我国的青铜冶炼和铸造技术已达到很高水平 司母戊鼎河南安阳晚商遗址出土青铜铸造高河南安阳晚商遗址出土 青铜铸造高133厘米重厘米重875kg饰纹优美23我国从春秋战国时期 便开始大量使用铁器 明朝科学家宋应星在 明朝科学家宋应星 在 天工开物 一书中就记载了古代的渗碳热处理等工艺 这说明早在欧洲工业革命之前 我国在 这说明早在欧洲工业革命之前 我国在金属材料及热处理方面就已 经有了较高的成就 方面就已经有了较高的成就 生铁炒熟铁图宋应星新中国成立后 先后建起了鞍山 攀枝花 宝 钢等大型钢铁基地 钢产量由新中国成立后 先后建起了鞍山 攀枝花 宝钢等大型钢 铁基地 钢产量由49年的15 8万吨上升到现在的一亿吨 万吨上升到现在的一亿吨 24鞍钢25中国第一颗人造卫星长征火箭大家族中国第一颗原子弹爆 炸中国第一颗氢弹爆炸中国第一颗人造卫星长征火箭大家族中国第 一颗原子弹爆炸中国第一颗氢弹爆炸原子弹 氢弹的爆炸 卫星 飞船的上天等都说明了我国在原子弹 氢弹的爆炸 卫星 飞船的 上天等都说明了我国在材料的开发 研究及应用等方面有了飞跃的 发展 材料的开发 研究及应用等方面有了飞跃的发展 神舟3号神舟5号神舟 8 9号中国的航天事业 神舟 号飞船27 1863年 光学显微镜首次应用于金属研究 诞生 了金相学 使人们能够将 使人们能够将材料的宏观性能与微观组 织联系起来 灰铸铁的显微组织光学显微镜人类对材料的认识是逐步深入的X射线 衍射仪 1912年发现了X 射线对晶体的作用并在随后被用于晶体衍射分析 使人们对固体材 料微观结构的认识从最初的假想到科学的现实 Si表面的重构图象1932年发明了电子显微镜 把人们带到了微观世 界的更深层次 把人们带到了微观世界的更深层次 10 7m 光镜下电镜下透射电子显微镜30 1934年位错理论的提出 解决 了的提出 解决了晶体理论计算强度与实验测得的实际强度之间存 在的巨大差别的矛盾 对于人们认识材料的力学性能及设计高强度 材料具有划时代的意义 金属钛中的位错3170年代 人们把材料 信息 能源称为现代技术 的三大支柱现代技术的三大支柱 进入 进入21世纪 材料 信息技术和生物技术并列为新技术革命的重要 标志 当前 全世界材料总数约 当前 全世界材料总数约50万余种 新型材料则每年又以余种 新 型材料则每年又以55 左右的速度递增 材料的质量 品种和数量就成为衡量一个国家科学技术 国民经济 国防力量的重要标志之一 32玻璃钢赛车壳体玻璃钢储液罐高分子时代半导体时代先进陶瓷时 代复合材料时代玻璃钢储液罐高分子时代半导体时代先进陶瓷时代 复合材料时代 材料革命 的新时代在新材料方面 我国仍处于跟踪 阶段 但也有不少创新 从而保证了我国国防及高新技术产业的持续 发展 在新材料方面 我国仍处于跟踪阶段 但也有不少创新 从而保证了我 国国防及高新技术产业的持续发展 材料革命 的新时代33龙芯 没有半导体材料的工业化生产 就不 可能有目前的计算机技术 没有半导体材料的工业化生产 就不可能有目前的计算机技术 材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志 材料的发展水平和利用程度已成为人类文明进步的标志 2 材料科学展望34 没有高温高强度的结构材料 就不可能有今天 的航空工业和宇航工业 没有高温高强度的结构材料 就不可能有今天的航空工业和宇航工 业 在航天飞机表面装陶瓷防护瓦片飞机发动机叶片波音客机35 没有低 消耗的光导纤维 也就没有现代的光纤通讯 目录 第一章工程材料概论 第二章金属材料的主要性能 第三章金属 的晶体结构与结晶 第四章铁碳合金 第五章钢的热处理 第六章常用 金属材料36材料的性能分类铸造性可锻性可焊性切削加工性热处理 性铸造性可锻性可焊性切削加工性热处理性材料的性能使用性能力 学性能物理性能化学性能工艺性能物理性能化学性能工艺性能38 定 义 材料的力学性能是材料在一定环境因素下承受外加载荷时所表现 出的行为 通常表现为抵抗抵抗变形 断裂或表面损伤的能力 材料的力学性能39第二章金属材料的主要力学性能 一 静载下金属材料的力学性能 1 弹性和塑性 2 刚度 3 强度 4 硬度 1 弹性和塑性 2 刚度 3 强度 4 硬度 二 动载下金属材料的力学性能 1 冲击韧性 2 疲劳强度 3 蠕变 1 冲击韧性 2 疲劳强度 3 蠕变 三 金属材料的物理 化学 工艺性能金属材料的力学性能衡量指 标 弹性 刚度 强度 塑性 硬度 冲击韧性弹性 刚度 强度 塑性 硬度 冲击韧性和疲劳强度等 静载力学性能动载力学性能静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的 载荷 动载荷是指静载荷是指大小不变或变化过程缓慢的载荷 动载荷是指由于运动而产生的作用在构件上的作用力 根据作用性 质的不同分为冲击载荷和交变载荷等 根据作用性质的不同分为冲 击载荷和交变载荷等 41 化材料在外力的作用下将发生形状和尺寸变化 变形 外力去处 后能够恢复的变形称为弹性变形 为外力去处后不能恢复的变形称为塑性变形 材料变形的过程三个阶段材料变形的过程三个阶段弹性变形塑性变 形断裂弹性变形塑性变形断裂 一 静载下金属材料的力学性能42拉伸试验 弹性 强度 塑性拉伸试验机 参考标准GB T228 xx金属材料室温拉伸试验方法 43圆形横截面试样实验设备 由加载机构 夹样机构 记录或输出机 构 测力机构四部分组成 主要分机械式 液压式 电子万能等类型 47F Fb bFF eeF Fs sFF L L低碳钢的拉伸曲线弹性变形屈服塑性变形均匀塑性变形均匀塑性变 形不均匀集中塑性变形不均匀集中塑性变形断裂48衡量弹性 强度 塑性的的指标设应力 应变 0FS 0ll 低碳钢的应力 应变曲线49 一 弹性和刚度 1 弹性材料在载荷的作用下发生变形 载荷去除后变形可消失而恢 复原状的性能 载荷去除后变形可消失而恢复原状的性能 指标弹性极限 e 弹性极限试样不产生永久变形的最大应力 试样不产生永久变形的最大应力 0eeFS 502 刚度材料受力时抵抗弹性变形的能力 计算公式刚度 载荷 变形E tgMPa 弹性模量E E大 弹性变形小 刚度大刚度取决于弹性模量和工件的形状和尺寸 同种材料的弹性模量差别不大 但制成不同零件 弹性模量虽然 相同 不同截面尺寸发生弹性变形难易不同 同种材料的弹性模量差别不大 但制成不同零件 弹性模量虽然相 同 不同截面尺寸发生弹性变形难易不同 弹性模量511 强度材料在载荷作用下抵抗永久变形和断裂的能力 种类 屈服强度 抗拉强度 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度 抗扭 强度等 抗压强度 抗弯强度 抗剪强度 抗扭强度等 1 屈服点与屈服强度 s材料发生微量塑性变形时的应力值材料发 生微量塑性变形时的应力值 二 强度与塑性Ss0FS S S点是材料从弹性状态过渡到塑性状态的临界点 52 22 条件屈服强度 0 2 塑性变形量为0 2 0 2试样产生0 2 塑性变形时的应力试样产生0 2 残余塑性变形屈服点 s s 屈服强度 0 2是零件设计的主要依据 也是评定金属强度的重 要指标之一 是零件设计的主要依据 也是评定金属强度的重要指标之一 没有明显的屈服现象发生的材料 用试样标距长度产生 用试样标 距长度产生0 2 塑性变形时的应力值作为该材料的屈服强度 用 用 0 2表示 称为条件屈服强度 意义同 S S 其它材料拉伸时的力学性能54试样在断裂前所能承受的最大应力 3 抗拉强度 b b它表示材料抵抗断裂的能力 是零件设计的重要依据 也是评定金属强度的重要指标之一 是零件设计的重要依据 也是评定金属强度的重要指标之一 bb0FS 55 屈服强度工程意义是防止材料因过量塑性变形而导致机 件失效的设计和选材依据是防止材料因过量塑性变形而导致机件失 效的设计和选材依据 绝大多数零件 如紧固螺栓 汽车连杆 机 床丝杠等 在工作时都不允许明显的塑性变形 否则将丧失其等 在工作时都不允许明显的塑性变形 否则将丧失其自身精度或与其 它零件的相互配合相互配合受影响 抗拉强度工程意义对塑性较好的材料 b b表示了材料对最大均匀变形的抗力 而对表示了材料对最大均匀变 形的抗力 而对塑性较差的材料 一旦达到最大载荷 材料迅即发 生断裂 的材料 一旦达到最大载荷 材料迅即发生断裂 对塑性 变形要求不严而仅要求不发生断裂的金属零件要求不严而仅要求不 发生断裂的金属零件 b b也常作为其设计与选材依据 如钢丝绳 建筑结构件等工程重要参数屈强比 定义屈服强度与抗拉 强度之比 其取值范围一般在0 65 0 75之间 屈强比越小 工程材料的可靠性越高 万一超载也不会马上断裂 屈强比越大 材料强度利用率越高 但可靠性下降 屈强比越小 工程材料的可靠性越高 万一超载也不会马上断裂 屈强比越大 材料强度利用率越高 但可靠性下降 5657塑性是指材料在外力作用下能够产生永久变形而不破坏的能力 塑性是指材料在外力作用下能够产生永久变形而不破坏的能力断后 伸长率100100 l ll 断面收缩率断裂后拉伸试样的颈缩现象010100 S SS 2塑性指标为58说明 说明 用断面收缩率表示塑性比伸长 率更接近真实变形 更接近真实变形 当l0 10d0时 伸长率用 表示 当表示 当l0 5d0时 伸长率 用 5表示 表示 10 属塑性材料59 当零件遭受意外过载或冲击时 通过塑性变形和和加工硬化的配合可避免发生突然断裂 当零 件因存在台阶 沟槽 油孔及表面粗糙不平的现象而出现应力集中 时 通过塑性变形可缓和应力集中的作用 从而防止零件出现可缓 和应力集中的作用 从而防止零件出现早期破坏 材料具有一定 的塑性可保证某些成形工艺 如冷冲压 轧制 冷弯 校直 冷铆 和 如冷冲压 轧制 冷弯 校直 冷铆 和修复工艺 如汽车外壳或 挡泥板受碰撞而凹陷 如汽车外壳或挡泥板受碰撞而凹陷 的顺利进 行 对于金属材料 塑性指标还能反映材料的冶金质量的好坏 对于金属材料 塑性指标还能反映材料的冶金质量的好坏 是是材 料生产与加工质量的标志之一 l材料的塑性指标一般不直接用于机械设计计算60 三 硬度 是指材料抵抗其他硬物体压入其表面的能力 布氏硬度HB洛氏硬度HR维氏硬度HV常用测量硬度的方法硬度愈高 表明金属抵抗局部塑性变形的能力愈大 塑性变形愈困难 硬度愈高 表明金属抵抗局部塑性变形的能力愈大 塑性变形愈困 难 1布氏硬度HB布氏硬度计用一定的压力P 3000Kgf 将直径为D的淬火 钢球或硬质合金球压入被测材料的表面 保持一定时间压入被测材 料的表面 保持一定时间 10 60S 后卸除载荷 以载荷P与压痕表面积S的比值 作为布氏硬度值 用HB表示表示 MPa或kgf mm262压头为淬火钢球时 硬度用符号HB S表示 适用于表示 适用于布氏硬度值在450以下的材料 压头为硬质合金球时 硬度用符号HBW表示 适用于布氏硬度在450 650的材料 如如120HBS10 1000 30表示直径为10mm的钢球在1000gf 9 807kN 载荷作用下保持 载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120 布氏硬度值的表示方法为硬度值 HBW S S 球直径 试验力数字 与加载时间63布氏硬度的优点测量误差 小 数据稳定 缺点压痕大 不能用于太薄件 成品件及比压头还硬的材料 适于测量 退火 正火 调质钢 铸铁及有色金属的硬度 铸铁及有色金属的硬度 材料的 b与HB之间的经验关系对于低碳钢 b MPa 3 6HB对 于高碳钢 b MPa 3 4HB对于铸铁 b MPa 1HB64h h11 h h00洛氏硬度测试示意图洛氏硬度计2洛氏硬度将标准压头 顶角为1 20 的金刚石圆锥或直径为1 588mm的球钢球 压入试样表面 然后 根据压痕的深度来确定试样的硬度 压痕越深 硬度越低 压入试样表面 然后根据压痕的深度来确定试样的硬度 压痕越深 硬度越低 65洛氏硬度用符号HRC表示 每0 002mm的压痕深度为一个硬度单位 洛氏硬度用于测量的硬度范围为的压痕深度为一个硬度单位 洛 氏硬度用于测量的硬度范围为20 67 而且压痕小 几乎不损伤工件 可用于成品件硬度检测 而且压痕小 几乎不损伤工件 可用于成品件硬度检测 66钢球压头与金刚石压头钢球压头与金刚石压头洛氏硬度压痕 HRC 用于测量中等硬度材料中等硬度材料 如调质钢 淬火钢等 3维氏硬度维氏硬度计维氏硬度试验原理维氏硬度压痕压头锥面角为 136 的金刚石四棱锥体维氏硬度用符号HV表示 适于测定薄件和经 表面处理经表面处理零件的表面层的硬度 如渗碳层 表面淬硬层 电镀层等的硬度 如渗碳层 表面淬硬层 电镀层等的硬度 维氏硬度测定的硬度值比布氏 洛氏精确 压痕小维氏硬度值的表 示方法为硬度值 HV 试验力数字 与规定时间 10 15s 640HV30 20 各种硬度试验条件不同 适用于不同硬度的材料 各硬度间没有换 算公式 根据经验结果 有如下换算关系1HBS 10HRC1HBS 1HV6970注以上所 讲的力学性能指标的应用 弹性在设计弹性零件时 需考虑弹性极限 和弹性模量弹性模量的性能指标 如汽车板簧和各类弹簧等 刚度零件的结构设计中 考虑零件在受力时发生的中 考虑零件在 受力时发生的弹性变形量 主要力学性能是材料的弹性模量 如精密机床主轴等零部件 强度强度是零件设计和选材的主要依据 塑性一般零件的抗断裂设计 硬度在在耐磨零件中必须考虑的性能指标 如滚动轴承等 如滚动轴承等 71 二 运载作用下材料力学性能是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏 的能力 是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力 指标 冲击韧性a a k k 冲击实验测得 1 冲击韧性 3040 a 冲击h试样摆锤H55108551080 2材料的冲击 韧度73a k G H h F 9 8J cm2G 摆锤质量H 摆锤举至高度h 摆锤下降后升至高度F 断口处截面积 冲击韧度值 ak J cm2 W 冲击试样所消耗的功 A 试样缺口处的横截面积 WA75TITANIC建造中的Titanic号TITANIC的沉没与船体材料的质量直 接有关的沉没与船体材料的质量直接有关76Titanic号钢板 左图 和近代船用钢板 右图 的冲击试验结果Titanic近代船用钢板77 2 疲劳强度 弹簧 轴 齿轮 交变载荷载荷大小和方向随时间发生周期变化的载 荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷78 疲劳断裂零件在交变载 荷下经过长时间工作 当交变载荷值远低于屈服强度时 零件就发 生断裂 这种现象称为疲劳断裂 下经过长时间工作 当交变载荷值远低于屈服强度时 零件就发生 断裂 这种现象称为疲劳断裂 疲劳断裂特点断裂是突发的 事先无明显塑性变形 低应力脆断 危险性极大 断裂是突发的 事先无明显塑性变形 低应力脆断 危险性极大 79疲劳抗力指标 疲劳极限 又称疲劳强度 用 11表示 材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力 max 即疲劳曲线 上水平部分对应的应力值 钢铁材料规定次数为1077 有色金属合金为 有色金属合金为1088 80疲劳断裂的原因杂质 刀痕 应力集中 产生微裂纹 应力循环导致裂纹扩展 断裂通过改善材料的形状结构 减少表面缺陷 提高表面光洁度 进行表面强化改善材料的形状结构 减少表面缺陷 提高表面光洁 度 进行表面强化等方法可提高材料疲劳抗力 轴的疲劳断口疲劳辉纹 扫描电镜照片 3 蠕变 金属材料的力学性能在高温下会发生改变 随着温度升 高 弹性模量E 屈服强度 s 硬度会下降 塑性会提高 会产生 蠕变 硬度会下降 塑性会提高 会产生蠕变 蠕变金属材料在 高温长时间应力作用下 即使所加应力小于该温度下的屈服强度 也会逐渐产生明显的塑性变形 直到断裂 蠕变金属材料在高温长时间应力作用下 即使所加应力小于该温度 下的屈服强度 也会逐渐产生明显的塑性变形 直到断裂 81 三 金属材料的物理 化学和工艺性能 1 物理性能密度 熔点 热膨胀性 导热性 导电性 磁性等 机械零件用途不同 对材料物理性能要求也不同飞机 汽车 电缆 物理性能对热加工工艺也有一定影响高速钢导热性差 锻造时分段 加热 避免产生裂纹 锡基轴承合金 铸铁 铸钢熔点不同 三者 熔炼工艺不同 8283 2 化学性能常温或高温抵抗各种活性介质 酸 碱 盐 气体 等 侵蚀的能力 常温或高温抵抗各种活性介质 酸 碱 盐 气体 等侵蚀的能力 腐蚀介质或高温下工作的零件 腐蚀更强烈 设计 时注意两方面 腐蚀介质或高温下工作的零件 腐蚀更强烈 设计 时注意两方面 1 根据经验设计腐蚀裕量 根据经验设计腐蚀裕量 2 选择合适的耐蚀材料 84 3 工艺性能材料冷热加工的难易程度 是材料物理 化学和力学性 能在加工过程中的综合反映 材料冷热加工的难易程度 是材料物 理 化学和力学性能在加工过程中的综合反映 按工艺方法分类铸 造性 成形加工性 焊接性 切削加工性 设计与选择加工方法时要 考虑材料的工艺性能灰铸铁铸造和切削加工性能好 但焊接和成形 性差 低碳钢焊接性 成形性优良 高碳钢焊接和切削性差 灰铸铁铸造和切削加工性能好 但焊接和成形性差 低碳钢焊接性 成形性优良 高碳钢焊接和切削性差 目录 第一章工程材料概论 第二章金属材料的主要性能 第三章金属 的晶体结构与结晶 第四章铁碳合金 第五章钢的热处理 第六章常用 金属材料8586第三章金属的晶体结构与结晶 一 金属的晶体结构 1 晶体概念 2 常见的金属晶体 3 晶体结构的致密度 1 晶体概念 2 常见的金属晶体 3 晶体结构的致密度 二 实际金属结构 1 多晶体结构 2 晶格缺陷 1 多晶体结构 2 晶格缺陷 三 金属的结晶 1 金属的结晶过程 2 金属的同素异构转变 3 金属铸锭的组织特点 1 金属的结晶过程 2 金属的同素异构转变 3 金属铸锭的组织特点物质结构分类按原子排列物质聚集形态物质 聚集形态气态液态固态晶体非晶体87非晶体蜂蜡 玻璃等 晶体金刚石 NaCl 冰等 液体89金属键金属中的自由电子和金属正离子相互作用所构成键合 称为金属键 金属正离子浸没在自由电子云中 金属中的自由电子和金属正离 子相互作用所构成键合称为金属键 金属正离子浸没在自由电子云中 90特点电子共有化 无饱和性 无方向性 形成低能量密堆结构 电子共有化 无饱和性 无方向性 形成低能量密堆结构 良好的导电性和导热性 良好的塑性变形能力 金属材料的强度良 好的导电性和导热性 良好的塑性变形能力 金属材料的强度和韧 性好 不透明并呈现特有的金属光泽 91 一 金属的晶体结构 1 晶体概念是由原子 分子 离子或原子团 在三维空间呈有规则 周期性重复排列而成 是由原子 分子 离子或原子团 在三维 空间呈有规则 周期性重复排列而成 长程有序 各向异性具有 固定的熔点Cu3Au原子排列 刚球模型原子中心位置93晶体结构阵点是代表单个原子 离子或分 子 时所构成的空间阵列阵点是代表单个原子 离子或分子 时所 构成的空间阵列晶格将晶体点阵中的阵点用平行的直线连接起来 构成三维几何格架晶面各种方位原子面晶向任意两个结点间连线晶 格将晶体点阵中的阵点用平行的直线连接起来 构成三维几何格架 晶面各种方位原子面晶向任意两个结点间连线晶格晶胞晶胞构成晶 格的最基本几何单元 最小平行六面体 胞晶胞构成晶格的最基本 几何单元 最小平行六面体 晶胞中的原子计数晶胞不同位置的原 子由不同数目的晶胞分享 顶角原子1 8 棱上原子1 4 面上原子1 2 晶胞内部1971 以某一顶点为坐标原点2 三个棱边为a b c3 三轴间夹角 点阵常数晶体参数点阵常数晶体参数晶胞的 大小和形状的表示方法XYZabc 单位 1 10 10m 982 常见的金属晶格金属晶体以金属键结合 其晶体结构比较简单 面心立方f 最常见金属晶体结构体心立方b密排六方hcp面心立方Fac e centeredcubic f体心立方Body centeredcubic b密排六方Hexagonal centeredpacked hcp面心立方晶格每个晶胞含4个原子个原子体心立方晶格每个晶胞 含2个原子个原子密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体 有六个呈长 方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成 因此 要用两个晶格常数表示 一个是柱体的高度密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体 有六个呈 长方形的侧面和两个呈六边形的底面所组成 因此 要用两个晶格常数表示 一个是柱体的高度c 另一个是六边形的边长a 在晶胞的每个角上 和上 下底面的中心都排列一个原子 另外在密排六方晶格中间还 有三个原子 具有密排六方晶格的金属有 在晶胞的每个角上和上 下底面的中 心都排列一个原子 另外在密排六方晶格中间还有三个原子 具有密排六方晶格的金属有Mg Zn 密排六方晶格晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120底面边长a 底面间距c侧面间角120 侧面与底面夹角90 晶胞原子数6原子 半径a 2配位数12致密度0 74晶胞原子数6原子半径a 2配位数12致密 度0 74 1 晶胞中的原子数 1 面心立方结构 2 体心立方结构 3 密排 六方结构f bhcp4216818 n21818 n632126112 n 2 致密度晶体结构中原子体积占总体积的百分数晶体结构中原子 体积占总体积的百分数 可用来表征原子排列的紧密程度 面心立方 体心立方 密排六方74 0624234433 aaK68 04334 233 aaK 324626320 74 3332aK caa c n晶包内原子数 V晶包体积R原子半径 二 实际金属的结构 单晶体晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体 单晶体在不同晶面和晶向的力学性能不同 称为各向异性 晶格位 向完全一致的晶体叫做单晶体 单晶体在不同晶面和晶向的力学性能不同 称为各向异性 实际上 常使用的金属材料 其内部结构都是由许多尺寸很小 各自结晶 方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成 实际上 常使用 的金属材料 其内部结构都是由许多尺寸很小 各自结晶方位都不 同的小单晶体组合在一起的多晶体构成 晶粒组成晶体的小结晶颗 粒 晶粒间的交界为晶界 亚晶粒在一个晶粒内部其结晶方位基本相同 但也存在着许多尺寸更小 位向差更小 1 2 的小晶粒 它们相互嵌镶成一颗晶块 这些小晶块称为亚晶粒 亚晶粒之间的界面称为亚晶界 在一个晶粒内部其结晶方位基本相同 但也存在着许多尺寸更小 位向差更小 1 2 的小晶粒 它们相互嵌镶成一颗晶块 这些小晶块称为亚晶粒 亚晶粒之间的界面称为亚晶界 11 多晶体结构晶粒多晶体由两颗以上晶粒组成的晶体为多晶体 晶界是相邻两晶粒不同晶格位向的过渡区 所以晶界上原子排列是 不规则的 由两颗以上晶粒组成的晶体为多晶体 晶界是相邻两晶粒不同晶格位向的过渡区 所以晶界上原子排列是 不规则的 晶粒的尺寸 钢铁材料一般为10 1 10 3mm左右 所以必须在显微镜下才能观察 左右 所以必须在显微镜 下才能观察 在显微镜下观察到的晶粒形态 大小及分布情况 叫 在显微镜下观察到的晶粒形态 大小及分布情况 叫显微组织 1092 晶格缺陷 根据晶体点阵结构理论 晶体的主要特征是其结构 基元作点阵式周期性排列 但实际晶体总是或多或少地偏离了严格 的周期性 而存在着各种各样的缺陷 根据晶体点阵结构理论 晶 体的主要特征是其结构基元作点阵式周期性排列 但实际晶体总是 或多或少地偏离了严格的周期性 而存在着各种各样的缺陷 110 点缺陷 线缺陷 面缺陷 1 点缺陷在三维空间的各个方向上尺寸都很小 尺寸范围约为一 个或几个原子尺度 称零维缺陷 典型代表有空位 间隙原子 杂质或溶质 1 点缺陷在三维空间的各个方向上尺寸都很小 尺寸范围约为一 个或几个原子尺度 称零维缺陷 典型代表有空位 间隙原子 杂质或溶质原子等 点缺陷 空位空位指未被原子占据的晶格结点 空位点缺陷 间隙原子间隙原子指处于晶格间隙位置的间隙原子 间隙原子指处于晶格间隙位置的间隙原子 间隙原子空位产生后 其周围原子间的相互作用力失去平衡 因而 它们都要朝着空位中心作一定程度的松弛 调整 使空位周围出 现弹性畸变区 空位产生后 其周围原子间的相互作用力失去平衡 因而它们都要 朝着空位中心作一定程度的松弛 调整 使空位周围出现弹性畸 变区 在间隙原子周围也会产生弹性畸变区 从空位和间隙原子附近的原子组态来分析 间隙原子引起的弹性畸 变要比空位引起的畸变大的多 因此在间隙原子周围也会产生弹性 畸变区 从空位和间隙原子附近的原子组态来分析 间隙原子引起的弹性畸 变要比空位引起的畸变大的多 因此间隙原子浓度比空位浓度低得 多间隙原子浓度比空位浓度低得多 点缺陷的运动点缺陷的运动方式 点缺陷的运动方式 1 空位运动 空位运动 2 间隙原子迁移 间隙原子迁移 3 空位与间隙原子相遇 两缺陷同时消失 空位与间隙原子相 遇 两缺陷同时消失 4 逸出晶体到表面 或迁移到晶界 点缺陷消失在一定温度下 晶体中空位和间隙原子不是固定不动的 而是处于不断的运动和变 化中 这是金属中原子扩散的主要方式之一 对热处理和化学处理 过程极为重要 逸出晶体到表面 或迁移到晶界 点缺陷消失在一定温度下 晶 体中空位和间隙原子不是固定不动的 而是处于不断的运动和变化 中 这是金属中原子扩散的主要方式之一 对热处理和化学处理过 程极为重要 2 线缺陷在两个方向尺寸很小 另一个方向延伸较长 又称为一 维 位错是典型的线缺陷 是一种非常重 2 线缺陷在两个方向尺寸很小 另一个方向延伸较长 又称为一 维 位错是典型的线缺陷 是一种非常重要的缺陷 位错线额外半原子面 习惯上 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 习惯上 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 3 面缺陷在一个方向尺寸很小 另两个方向扩展较大 又称二维 缺陷 如 3 面缺陷在一个方向尺寸很小 另两个方向扩展较大 又称二维 缺陷 如晶界 相界 孪晶界 堆垛层错等 多晶材料Polycrystalline Material显微组织的显示多晶体中存在晶界和亚晶界 晶界和亚晶 界处原子不规则排列 导致晶格畸变 使晶界处能量高出晶粒内部 使晶界表现出与晶粒内部不同的性能 多晶体中存在晶界和亚晶界 晶界和亚晶界处原子不规则排列 导 致晶格畸变 使晶界处能量高出晶粒内部 使晶界表现出与晶粒内 部不同的性能 晶界易被腐蚀 晶界熔点低 晶界处原子扩散快 相变时晶界 优先形核 细晶相变温度低 晶界强度 硬度较晶内高 晶界强度 硬度较晶内高 122晶体结晶液态金属冷却到熔点温度时 原子从无序状态状态转变 为按一定几何形状作有序排列的过程 结晶液体 晶体 凝固液体 固体 晶体或非晶体 晶体液体 三 金属的结晶123金属溶液要凝固 就必须使其温度降低至理论凝 固温度以下 纯金属实际开始凝固温度Tn总是低于理论凝固温度T0 这种现象称 为 这种现象称为过冷 T0与Tn之差 T 成为过冷度 T不是恒定值 冷却速度越大 过冷度也越大 过冷现象和过冷度金属的冷却曲线液态金属形核晶核长大完全结晶 晶核液态金属冷到Tm以下某温度Tn开始结晶时 在过冷液体内首先 形成一些稳定的微小晶体 液态金属冷到Tm以下某温度Tn开始结晶时 在过冷液体内首先形成 一些稳定的微小晶体 晶粒晶核的不断形成 晶核的形成简称形核 和长大形成多 和长大形 成多边形晶体 晶界晶粒之间的界面 1 金属的结晶过程 晶核的长大方式有两种 即均匀长大和树枝状 长大 均匀长大树枝状长大126 金属结晶后形成晶粒的大小与晶核数目和 晶核长大的速度有关 液态金属中形核越多 每个晶核长大的余地就越小 长成的晶粒就 越细小 金属结晶后形成晶粒的大小与晶核数目和晶核长大的速度有关 液态金属中形核越多 每个晶核长大的余地就越小 长成的晶粒就 越细小 铸造生产中采用变质处理来细化晶粒 也就是在液态金属中加入一 些高熔点金属质点作为晶核 以增加晶核数目 细化晶粒 这种方 法称为铸造生产中采用变质处理来细化晶粒 也就是在液态金属中 加入一些高熔点金属质点作为晶核 以增加晶核数目 细化晶粒 这种