1材料的组织结构及性能

1 材料的结构与性能 1 本章导读 内容提要 本章介绍金属材料的结构与组织 包括纯金属的晶体结构 晶体缺陷和合金的结构 金属材料的组织 介绍金属材料的工艺性能 机械性能和理化性能 还介绍高分子材料和陶瓷材料的结构与性能 2 学习目标 本章重点掌握金属材料的晶体结构 晶体缺陷和合金的结构 了解金属材料的组织及性能 了解高分子材料的结构与性能 3 学习建议 1 晶体结构部分应弄清三种常见金属的晶体结构及其特点 应充分发挥空间想象力 2 晶面指数及晶向指数的确定在学习时会感到困难 应掌握常见的晶面和晶向的表示方法 需要多练多画 3 了解高分子材料的大分子链结构与聚集态 结合工程 生活实际归纳高分子材料的性能特点 4 对陶瓷材料的结构与性能只作一般了解 4 1 1金属材料的结构与组织 1 1 1纯金属的晶体结构晶体中原子 离子或分子 规则排列的方式称为晶体结构 也称材料结构 通过金属原子 离子 的中心划出许多空间直线 这些直线将形成空间格架 这种格架称为晶格 晶格的结点为金属原子 或离子 平衡中心的位置 5 晶体与非晶体 晶体 材料的原子 离子 分子 在三维空间呈规则的周期性排列 如金刚石 水晶 氯化钠等 非晶体 材料的原子 离子 分子 无规则排列 和液体相似 亦称为 过冷液体 或 无定形体 如玻璃 松香 石腊等 a 是否具有周期性 对称性 b 是否长程有序 c 是否有确定的熔点 d 是否各向异性 区别 6 晶体的特点是 1 结构有序 2 物理性质表现为各向异性 3 有固定的熔点 7 What 组织结构 8 1 1 1纯金属的晶体结构 右手螺旋直角坐标系 9 1 1 1纯金属的晶体结构 晶胞 能反映该晶格特征的最小组成单元称为晶胞 晶胞在三维空间的重复排列构成晶格 晶胞的基本特性即反映该晶体结构 晶格 的特点 10 晶格常数 晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a b c和三条棱边之间的夹角 等六个参数来描述 其中a b c为晶格常数 11 1 1 1纯金属的晶体结构 金属的晶格常数一般为 1 10 10m 7 10 10m 不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数的不同 表现出不同的物理 化学和力学性能 金属的晶体结构可用X射线结构分析技术进行测定 12 晶格常数测量 X射线衍射 13 由于原子排列紧密程度不一样 当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时 体积会发生变化 这就是钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因 不同晶体结构中原子排列的方式不同 将会使它们的形变能力不同 14 1 1 1纯金属的晶体结构 1金属三种常见的晶体结构晶体结构有 布拉维晶格在三维平面上有七大晶系 14种晶格分别为三斜晶系 单斜晶系 正交晶系 四方晶系 立方晶系 三方晶系 六角晶系 15 16 三种晶体结构 17 1 体心立方晶胞 BCC BodyCenterClub 晶格 晶胞 八个原子处于立方体的角 一个原子处于立方体的中心 角上八个原子与中心原子紧靠 18 体心立方晶胞特征 晶格常数 晶胞原子数 原子半径 致密度 晶胞中原子体积和 晶胞体积 19 体心立方晶胞特征 间隙半径 12个四面体间隙6个八面体间隙 20 体心立方晶胞特征 配位数 任一原子相邻最近且距离相同的原子数配位数大 原子排列紧密度大 BCC晶胞配位数为 8 21 2 面心立方晶胞 FCC晶胞 FaceCenterClub 金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心 面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠 具有这种晶格的金属有铝 Al 铜 Cu 镍 Ni 金 Au 银 Ag 铁 Fe 912 1394 等 22 2 面心立方晶胞 23 24 四面体间隙8个八面体间隙4个 配位数 12 25 由于原子排列紧密程度不一样 当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时 体积会发生变化 这就是钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因 不同晶体结构中原子排列的方式不同 将会使它们的形变能力不同 26 27 28 29 30 31 3 密排六方晶格 胞 HCP晶格 十二个金属原子分布在六方体的十二个角上 在上下底面的中心各分布一个原子 上下底面之间均匀分布三个原子 具有这种晶格的金属有镁 Mg 镉 Cd 锌 Zn 铍 Be 等 32 33 3 密排六方晶格 胞 H C P 晶格 34 35 36 晶体学抽象 空间规则排列的原子 刚球模型 晶格 刚球抽象为晶格结点 构成空间格架 晶胞 具有周期性最小组成单元 37 3 三种典型的纯金属晶体晶胞 属于此类结构的金属有 碱金属 难溶金属 V Nb Cr Mo W a Fe等 属于此类结构的金属的有 Al Cu Au Ag Fe Ni Pb以及奥氏体不锈钢等 属于此类结构的金属有 Mg Zn a Be a Ti a Zr a Co等 体心立方晶胞bcc Body centeredcubic 面心立方晶胞fcc Face centeredcubic 密排六方晶胞hcp hexagonalclose packed 38 1 体心立方晶胞BCC Body CenteredCubic 39 2 面心立方晶胞FCC Face CenteredCubic 40 3 密排六方晶胞HCP HexagonalClose Packed 41 42 上节课回顾 43 2 金属晶体中的晶面和晶向 晶面 在晶体学中 通过晶体中原子中心的平面晶向 通过原子中心的直线所指的方向 X Y a b c 44 1 立方晶系的晶面表示方法 45 确定欲定晶面外的原点 建立坐标系 写出欲定晶面在三个坐标轴上的截距 取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数 加圆括弧 形式为 hkl 负号 立方晶系晶面指数的标定 46 例一 画出截距为 1 晶面的指数截距值取倒数为0 1 0 加圆括弧得 010 例二 画出 112 晶面取三指数的倒数1 1 1 2 化成最小整数为2 2 1 即为X Y Z三坐标轴上的截距 47 晶面族 相互平行的晶面晶面指数相同 或指数相同符号相反 hkl 表示的是一组平行的晶面晶面族 原子排列情况相同而空间位向不同 不平行 的晶面 111 48 立方晶系常见的晶面为 任意交换指数的位置和改变符号 都是该族的范围 49 110 011 50 晶向指数确定的步骤 1 确定坐标系 例 xyz 2 过坐标原点 作直线与待求晶向平行 例 引OB AB 3 在该直线上任取一点 并确定该点的坐标 x y z 例 B 点坐标为 1 1 0 4 将此值化成最小整数 uvw 并加以方括号 uvw 即是 例 AB晶向指数为 10 代表一组互相平行 方向一致的晶向 2 立方晶系的晶向表示方法 51 确定原点 建立坐标系 过原点作所求晶向的平行线 求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数 加方括弧 形式为 uvw 立方晶系晶向指数的标定 52 例一 已知某过原点晶向上一点的坐标为1 1 5 2 画出该晶向 将三坐标值化为最小整数加方括弧得 234 例二 已知晶向指数为 110 画出该晶向 找出1 1 0坐标点 连接原点与该点的直线即所求晶向 53 相互平行的晶向晶向指数相同 或指数相同符号相反 uvw 表示的是一组平行的晶向晶向族 原子排列情况相同而空间位向不同 不平行 的晶向 54 立方晶系常见的晶向为 55 立方晶系常见的晶向 56 111 57 注意 立方晶系中 晶向指数与晶面指数数值和符号相同时 该晶面与晶向垂直 例 111 111 遇到负指数 号放在该指数的上方同一直线相反两个方向的晶向指数符号相反如 110 与 110 方向相反 58 3 六方晶格的晶向指数和晶面指数 hkil i h k uvtw t u v 59 BCC中 密排面为 110 密排方向为 FCC中 密排面为 111 密排方向为 4 密排面与密排方向 原子密度最大的晶向 原子密度最大的晶面 60 61 62 密排面和密排方向 63 三种常见晶格的密排面和密排方向 64 65 3 晶体的特性 1 有确定的熔点 熔点 晶体 非晶体 66 不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象晶体具有各向异性的原因 是由于在不同晶向上的原子紧密程度不同所致 原子的紧密程度不同 意味着原子之间的距离不同 则导致原子间结合力不同 从而使晶体在不同晶向上的物理 化学和机械性能不同 实际金属不表现各向异性 多晶体 2 各向异性 67 4 实际晶体结构 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 一般说来 金属中这些偏离其规定位置的原子数很少 即使在最严重的情况下 金属晶体中位置偏离很大的原子数目至多占原子总数的千分之一 因此 从总体来看 其结构还是接近完整的 尽管如此 这些晶体缺陷不但对金属及合金的性能有重大影响 而且还在扩散 相变 塑性变形和再结晶等过程中扮演重要角色 68 多晶体 通常使用的金属都是由很多小晶体组成的 这些小晶体内部的晶格位向是均匀一致的 而它们之间 晶格位向却彼此不同 这些外形不规则的的颗粒状小晶体称为晶粒 每一个晶粒相当于一个单晶体 晶粒与晶粒之间的界面称为晶界 这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体 69 多晶体的性能在各个方向基本上是一致的 这是由于多晶体中 虽然每个晶粒都是各向异性的 但它们的晶格位向彼此不同 晶体的性能在各个方向相互补充和抵消 再加上晶界的作用 因而表现出各向同性 晶粒的尺寸很小 如钢铁材料一般为10 1 10 3mm左右 必须在显微镜下才能看见 在显微镜下观察到的金属中晶粒的种类 大小 形态和分布称为显微组织 简称组织 金属的组织对金属的机械性能有很大的影响 70 71 不锈钢棒料 72 73 74 钛合金棒料 75 76 77 晶体缺陷 实际金属晶体内部 其局部区域原子的规则排列往往受到干扰和破坏 不象理想晶体那样规则和完整 从而影响到金属的许多性能 实际金属晶体中原子排列的这种不完整性 通常称为晶体缺陷 根据晶体缺陷的几何形态特征 一般将它们分为以下三类 点 线 面 78 晶体缺陷 点缺陷 晶格中某个原子脱离了平衡位置 形成空结点 称为空位 某个晶格间隙挤进了原子 称为间隙原子 材料中总存在着一些其它元素的杂质 它们可以形成间隙原子 也可能取代原来原子的位置 成为置换原子 三种点缺陷的形态见下图 79 80 81 82 点缺陷的影响 空位 间隙原子和外来原子都是晶格的点缺陷 它们破坏了原子的平衡状态 使晶格发生扭曲 称为晶格畸变 高能区域非稳态区域活跃区域在产生晶格畸变时 原子离开了平衡位置 引起势能增加 自由能升高 稳定性降低 对晶体的一系列物理和化学性质产生影响 83 空位数量与晶体内能 84 85 线缺陷 晶体中最普通的线缺陷就是位错 它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象 位错又可称为差排 英语 dislocation 在材料科学中 指晶体材料的一种内部微观缺陷 即原子的局部不规则排列 晶体学缺陷 从几何角度看 位错属于一种线缺陷 可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线 86 87 刃型位错 在晶格的上半部分挤出了一个多余的原子面这个多余原子面的下边缘像刀刃一样垂直切入 使晶体中位于滑移面上下两部分晶体间产生了错排现象 因而称之为刃型位错 多余原子面的边缘称为 位错线 在位错线周围 由于原子的错排使晶格发生了畸变 致使滑移面上部的原子受到压应力 滑移面下部的原子受到拉应力 88 89 螺型位错 螺旋位错 screwdislocation 一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移 原子平面沿着一根轴线盘旋上升 每绕轴线一周 原子面上升一个晶面间距 在中央轴线处即为一螺型位错 围绕位错线原子的位移矢量称为滑移矢量或伯格斯 Burgers 矢量 对于螺型位错 位错线平行于伯格斯矢量 90 91 混合位错 92 位错的密度 93 94 95 96 97 98 位错与力学性能 实际晶体中往往含有大量位错 通常把单位体积中所包含的位错线总长度称为位错密度 一般退火态金属的位错密度约为105 108cm cm3 冷变形后的金属可达1012cm cm3 位错的存在对金属的强度有着重要的影响 增加或降低位错密度 都能有效地提高金属强度 理想晶体的强度很高 位错的存在可降低强度 当位错大量产生后 强度又提高 由于没有缺陷的晶体很难得到 所以生产中一般依靠增加位错密度来提高金属强度 但塑性随之降低 99 100 面缺陷 面缺陷包括晶界和亚晶界 表面 晶界是晶粒与晶粒之间的界面 由于晶界原子需要同时适应相邻两个晶粒的位向 就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向 成为不同晶粒之间的过渡层 因而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折衷位置上 另外 晶粒内部也不是理想晶体 而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成 称为亚晶粒 尺寸为10 4 10 6cm 亚晶粒的交界称为亚晶界 晶粒之间位向差较大 亚晶粒之间位向差较小 大于10 15 的晶界称为大角度晶界 亚晶界是小角度晶界 其结构可以看成是位错的规则排列 见图 101 102 晶界是晶粒与晶粒之间的界面 晶界处存在着许多晶体缺陷 溶质原子 杂质常常聚集在晶界处 固态相变时 往往先在晶界处形核 晶界原子排列不整齐 杂质 缺陷较多 能量较高 从而阻碍位错通过 即晶界阻碍塑性变形 因此晶粒越细 材料强度硬度越高 而且一定体积内晶粒数越多 相同的变形条件下 变形分散在更多的晶粒内 形变较均匀 位错塞积较少 因应力集中而开裂机会较少 可在断裂前承受较大的变形 即也表现为较高的塑性 细晶强化 103 晶粒大小与强度 常温性能高温性能 晶粒大 高温性能好 104 1 1 2合金的晶体结构 合金一种金属元素同另一种或几种其它元素 通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质 组元组成合金的独立的 最基本的单元叫做组元 组元可以是金属 非金属元素或稳定化合物 二元合金由两个组元组成的合金称为二元合金 例如工程上常用的铁碳合金 铜镍合金 铝铜合金等 合金的强度 硬度 耐磨性等机械性能比纯金属高许多 某些合金还具有特殊的电 磁 耐热 耐蚀等物理 化学性能 因此合金的应用比纯金属广泛得多 105 1 1 2合金的晶体结构 相在金属或合金中 凡化学成分相同 晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分叫做相 液态物质为液相 固态物质为固相 固态合金中有两类基本相 固溶体和金属化合物 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 1 1 3金属材料的组织 116 117 118 119 相同成分不同形态 120 121 1 2金属材料的性能特点 金属材料的性能 工艺性能和使用性能工艺性能 是指制造工艺过程中材料适应加工的性能 即指其铸造性能 锻压性能 焊接性能 切削加工性能和热处理性能 使用性能 是指金属材料在使用条件下所表现出来的性能 它包括力学性能 物理和化学性能 122 1 2 1金属材料的工艺性能 一 铸造性能将熔化后的金属液浇入铸型中 待凝固 冷却后获得具有一定形状和性能铸件的成形方法 金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能 用流动性 收缩性和偏析来衡量 流动性熔融金属的流动能力称为流动性 流动性好的金属容易充满铸型 从而获得外形完整 尺寸精确 轮廓清晰的铸件 123 124 125 流动性 126 127 128 1 2 1金属材料的工艺性能 一 铸造性能金属材料铸造成形获得优良铸件的能力称为铸造性能 用流动性 收缩性和偏析来衡量 2 收缩性铸件在凝固和冷却过程中 其体积和尺寸减少的现象称为收缩性 铸件收缩不仅影响尺寸 还会使铸件产生缩孔 疏松 内应力 变形和开裂等缺陷 故铸造用金属材料的收缩率越小越好 3 偏析金属凝固后 铸锭或铸件化学成分和组织的不均匀现象称为偏析 偏析大会使铸件各部分的力学性能有很大的差异 降低铸件的质量 129 130 131 132 1 2 1金属材料的工艺性能 二 锻造性能锻造是一种利用锻压机械对金属坯料施加压力 使其产生塑性变形以获得具有一定机械性能 一定形状和尺寸锻件的加工方法 锻压 锻造与冲压 的两大组成部分之一 通过锻造能消除金属在冶炼过程中产生的铸态疏松等缺陷 优化微观组织结构 同时由于保存了完整的金属流线 锻件的机械性能一般优于同样材料的铸件 相关机械中负载高 工作条件严峻的重要零件 除形状较简单的可用轧制的板材 型材或焊接件外 多采用锻件 锻造性能主要取决于金属材料的塑性和变形抗力 塑性越好 变形抗力越小 金属的锻造性能越好 133 1 2 1金属材料的工艺性能 二 锻造性能金属在外力作用下产生塑性变形的能力称为锻造性能 它主要取决于金属的塑性大小 塑性越好 金属的锻造性能越好 各种钢和大多数有色金属及合金都有一定的塑性 因此它们可以在热态或冷态下进行锻造加工 金属材料经过锻造以后 可以使内部气孔焊合 分散细微的缩孔压实 增加金属的致密度 可使铸态的柱状晶体和粗大晶粒被击碎为细小的晶粒 提高金属的力学性能 134 135 自由锻 136 模锻 137 热轧 环轧 138 139 140 141 型材冷轧机 142 1 2 1金属材料的工艺性能 三 焊接性能焊接焊接是被焊工件的材质 同种或异种 通过加热或加压或两者并用 并且用或不用填充材料 使工件的材质达到原子间的结合而形成永久性连接的工艺过程 焊接过程中 工件和焊料熔化形成熔融区域 熔池冷却凝固后便形成材料之间的连接 这一过程中 通常还需要施加压力 焊接的能量来源有很多种 包括气体焰 电弧 激光 电子束 摩擦和超声波等 143 1 2 1金属材料的工艺性能 三 焊接性能焊接性能主要指钢材的可焊性 也就是钢材之间通过焊接方法连接在一起的结合性能 是钢材固有的焊接特性 不同的焊接方法有不同的焊接工艺 1 焊缝金属抗热裂纹的能力2 焊缝及热影响区得抗冷裂纹能力3 焊接接头的使用性能 包括常温与高温下力学性能 拉伸 弯曲 冲击 硬度 韧度 疲劳强度 低温韧性 耐蚀性4 焊接接头的抗消除应力裂纹与层状撕裂的能力 144 手工电弧焊 145 自动埋弧焊 146 激光焊 147 扩散焊 148 扩散焊 149 搅拌摩擦焊 150 1 2 1金属材料的工艺性能 四 切削加工性能切削加工性能一般用切削后的表面质量 以表面粗糙度高低衡量 和刀具寿命来表示 金属材料具有适当的硬度 170HBS 230HBS 和足够的脆性时切削性良好 改变钢的化学成分 如加入少量铅 磷等元素 和进行适当的热处理 如低碳钢进行正火 高碳钢进行球化退火 可提高钢的切削加工性能 铜有良好的切削加工性能 151 切削加工金属材料的难易程度称为切削加工性能 一般由工件切削后的表面粗糙度及刀具寿命等方面来衡量 影响切削加工性能的因素主要有工件的化学成分 组织状态 硬度 塑性等 铸铁比钢切削加工性能好 一般碳钢比高合金钢切削加工性能好 152 153 154 155 1 2 1金属材料的工艺性能 五 热处理工艺性能钢的热处理工艺性能主要考虑其淬透性 即钢接受淬火的能力 含Mn Cr Ni等合金元素的合金钢淬透性比较好 碳钢的淬透性较差 铝合金的热处理要求较严 铜合金只有几种可以用热处理强化 156 1 2 2金属材料的力学性能 金属的力学性能是指金属材料抵抗各种外加载荷的能力 其中包