机械工程材料课件-金属的晶体结构

1、n普通弹性材料（例如低碳钢）在拉伸实验中会经历普通弹性材料（例如低碳钢）在拉伸实验中会经历4个阶段：个阶段：弹性形变、屈服阶段、强化阶段、破坏直至断裂弹性形变、屈服阶段、强化阶段、破坏直至断裂 n弹性形变：即材料所受拉力在弹性极限之内，拉力与材料伸弹性形变：即材料所受拉力在弹性极限之内，拉力与材料伸长成正比（胡克定律）。当外力撤去之后，材料会恢复原来长成正比（胡克定律）。当外力撤去之后，材料会恢复原来的长度。的长度。 n屈服阶段：在外部拉力超过弹性极限之后，材料失去抵抗外屈服阶段：在外部拉力超过弹性极限之后，材料失去抵抗外力的能力而力的能力而“屈服屈服”，即在此情况下外力无显著变化材料依，即在

2、此情况下外力无显著变化材料依然会伸长。当外力撤去后，材料无法回到原来的长度。然会伸长。当外力撤去后，材料无法回到原来的长度。 n强化阶段：材料在内部晶体重新排列后重新获得抵抗拉伸的强化阶段：材料在内部晶体重新排列后重新获得抵抗拉伸的能力，但此时的形变为塑性形变，外力撤去后无法回到原来能力，但此时的形变为塑性形变，外力撤去后无法回到原来的长度。的长度。n破坏阶段：材料在过度受力后开始在薄弱部位出现颈缩现象，破坏阶段：材料在过度受力后开始在薄弱部位出现颈缩现象，抵抗拉伸能力急剧下降，直至断裂。抵抗拉伸能力急剧下降，直至断裂。 材料的主要性能材料的主要性能a aE=tga aB(s ss下下)A(s

3、 ss上上)C(s sb) gs s (MPa)200400e e0.10.2O屈服极限屈服极限：0APss s s0APbb s s抗拉强度抗拉强度：E1.弹性阶段弹性阶段2.屈服阶段屈服阶段3.强化阶段强化阶段线弹性阶段线弹性阶段屈服阶段屈服阶段强化阶段强化阶段低碳钢拉伸低碳钢拉伸应力应变曲线应力应变曲线颈缩阶段颈缩阶段屈服点屈服点s和抗拉强度和抗拉强度b是反映材料强度的两个性能指是反映材料强度的两个性能指标，也是拉伸试验中需要测定的重要数据。标，也是拉伸试验中需要测定的重要数据。0.2对应于试样产生对应于试样产生0.2%的塑性应变时的应力值的塑性应变时的应力值为材料的屈服强度为材料的屈服

4、强度对塑性低的材料（如铸铁），没有明显的屈服点对塑性低的材料（如铸铁），没有明显的屈服点第二章第二章 金属材料的组织结构金属材料的组织结构n金属的晶体结构金属的晶体结构n纯金属的结构纯金属的结构n金属的同素异构转变金属的同素异构转变n合金的相结构合金的相结构n合金相图合金相图一、金属的晶体结构一、金属的晶体结构n基本概念基本概念n纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构n合金的晶体结构合金的晶体结构1、基本概念、基本概念n晶体晶体：由许多金属原子：由许多金属原子/离子在空间按一定离子在空间按一定几何形式规则地紧密排列。（周期性）几何形式规则地紧密排列。（周期性）对比非晶体：原子无规则堆积（过冷液体）。

5、对比非晶体：原子无规则堆积（过冷液体）。晶体（晶体（金刚石、金刚石、NaClNaCl、冰冰 ）非晶体非晶体（蜂蜡、玻璃蜂蜡、玻璃 ）液体液体晶体特性晶体特性固定熔点；各向异性固定熔点；各向异性熔点熔点晶体晶体非晶体非晶体时间时间温温度度晶体和非晶体的熔化曲线晶体和非晶体的熔化曲线XYZ原子（离子）的刚球模型原子（离子）的刚球模型原子中心位置原子中心位置n晶体结构晶体结构晶胞晶胞点阵（晶格）模型点阵（晶格）模型n晶格晶格将原子抽象为一个几何结点，并将原子抽象为一个几何结点，并用直线联接中心，所构成的一个空间格架。用直线联接中心，所构成的一个空间格架。n晶胞晶胞晶格中能反映晶格特征的最小的晶格中能

6、反映晶格特征的最小的几何单元几何单元XYZabc晶格常数晶格常数a，b，ca a n晶格常数晶格常数n晶面晶面: 通过原子中心的平面通过原子中心的平面n晶向晶向：通过原子中心的直线所指的方向：通过原子中心的直线所指的方向XYZabcXYZabc2、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构n金属键金属键决定特性决定特性大量自由电子大量自由电子良好导电导热性良好导电导热性电子云与离子间引力电子云与离子间引力高强度和良好塑性高强度和良好塑性紧密的金属键紧密的金属键排列紧密的高对称晶格排列紧密的高对称晶格三种常见的金属晶体结构三种常见的金属晶体结构n体心立方晶格体心立方晶格 bccn面心立方晶格面心立方晶格

7、 fccn密排六方晶格密排六方晶格 hcp（1 1）体心立方晶格）体心立方晶格 bccbcc如如a a-Fe、W、V、Mo 等等晶格常数：晶格常数：a=b=c； a a = = = = = 90 = 90 晶胞原子数：晶胞原子数：原子半径：原子半径：致密度：致密度：0.680.68致密度致密度=Va /Vc=Va /Vc，其中，其中VcVc: :晶胞体积晶胞体积a a3 3VaVa: :原子总体积原子总体积2 2 4 4 r r3 3/3/3XYZabc2r2raa2 2（2 2）面心立方晶格）面心立方晶格 fccfcc如如 -Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等等晶格常数晶格常数：a=b=

8、c； a a = = = = = 90 = 90 晶胞原子数晶胞原子数：原子半径：原子半径：致密度：致密度：0.740.74XYZabc密排方向密排方向4 4（3 3）密排六方晶格）密排六方晶格 hcphcp如如C C（石墨）、（石墨）、MgMg、Zn Zn 等等 晶格常数晶格常数底面边长底面边长a a底面间距底面间距c c侧面间角侧面间角120120 侧面与底面夹角侧面与底面夹角9090 晶胞原子数：晶胞原子数：6 6原子半径：原子半径：a/2a/2致密度：致密度：0.740.743、实际金属的晶体结构、实际金属的晶体结构n单晶体单晶体原子排列相同，晶格位向一致原子排列相同，晶格位向一致n多

9、晶体多晶体多晶粒和多晶界多晶粒和多晶界 晶粒晶粒（单晶体）（单晶体）n晶粒晶粒晶体中包含的具有不规则颗粒外晶体中包含的具有不规则颗粒外形的小晶体形的小晶体n晶界晶界晶粒界面，不同的位向过渡区晶粒界面，不同的位向过渡区晶体缺陷类型晶体缺陷类型n点缺陷：空位、间隙原子、异类原子点缺陷：空位、间隙原子、异类原子n线缺陷：位错线缺陷：位错n面缺陷：晶界与亚晶界面缺陷：晶界与亚晶界间隙原子是其它元素则称为间隙原子是其它元素则称为异类原子异类原子 （杂质原子）（杂质原子）空位空位 间隙原子间隙原子（1 1）点缺陷）点缺陷（2 2）线缺陷）线缺陷 刃位错与螺位错刃位错与螺位错刃位错刃位错 刃位错刃位错 螺旋

10、位错螺旋位错（3 3）面缺陷）面缺陷晶界晶界亚晶界亚晶界亚晶界亚晶界面缺陷引起晶格畸变，面缺陷引起晶格畸变，晶粒越细，则晶界越多，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。强度和塑性越高。二、纯金属的结晶二、纯金属的结晶n结晶结晶n结晶条件（结晶温度）结晶条件（结晶温度）n结晶过程（形核与长大）结晶过程（形核与长大）n晶粒细化晶粒细化结晶：结晶： 液体液体 - 晶体晶体凝固凝固： 液体液体 - 固体（晶体固体（晶体 或或 非晶体）非晶体）晶体液体液体结晶结晶冷却曲线冷却曲线热分析法热分析法tTT0Tn理论结晶温度理论结晶温度开始结晶温度开始结晶温度 T T= T0 - Tn纯金属结晶的条件纯金属结

11、晶的条件就是应当有一定的就是应当有一定的过冷度过冷度（克服界面能）（克服界面能）冷却速度越大，则过冷度越大。冷却速度越大，则过冷度越大。结晶过程结晶过程形核形核和和晶核长大晶核长大的过程的过程液态金属液态金属形核形核晶核长大晶核长大完全结晶完全结晶（1 1）形核过程）形核过程自发形核自发形核由液体金属内部原子聚集，超过由液体金属内部原子聚集，超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。临界晶核尺寸后形成的结晶核心。非自发形核非自发形核是依附于外来杂质上生成的晶核。是依附于外来杂质上生成的晶核。（2 2）长大过程）长大过程平面生长平面生长与树枝状生长树枝状生长平面生长示意图平面生长示意图细化铸态金属晶粒的

12、措施细化铸态金属晶粒的措施晶粒度晶粒度表示晶粒大小，分表示晶粒大小，分8 8级级。晶粒度晶粒度1 12 23 34 45 56 67 78 8单位面积晶粒数单位面积晶粒数（个（个/mm/mm2 2）16326412825651210242048晶粒平均直径晶粒平均直径（mm）2501771258862443122细晶强化细晶强化晶粒细化使金属机械性能提高的现象晶粒细化使金属机械性能提高的现象细晶强化细晶强化强度、硬度、塑性、韧性强度、硬度、塑性、韧性细化晶粒的措施细化晶粒的措施（1 1）提高过冷度）提高过冷度形核率形核率N 、长大速度长大速度G 与与 过冷度过冷度T 的关系的关系（2 2）变质

13、处理）变质处理在液体金属中加入变质剂在液体金属中加入变质剂( (孕育剂孕育剂) )，以细，以细化晶粒和改善组织的工艺措施。化晶粒和改善组织的工艺措施。作用作用：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大：作为非自发形核的核心，或阻碍晶粒长大（3 3）振动结晶）振动结晶作用作用：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化：使树枝晶破碎，晶核数增加，晶粒细化机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。三、金属的同素异构转变三、金属的同素异构转变n同素异构性同素异构性一种金属具有两种或两种一种金属具有两种或两种以上的晶格结构以上的晶格结构n同素异构转变同素异构转变金属在固态下晶体结构金属在

14、固态下晶体结构随温度的改变而发生变化的现象。随温度的改变而发生变化的现象。重结晶特点重结晶特点：晶界形核，晶界形核， T大，内应力大大，内应力大纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变 -Fe，bcc -Fe，fcc a a-Fe，bcc1394 C912 C -Fe，fcca a-Fe，bcc912 C纯铁的冷却曲线纯铁的冷却曲线TFe，bcca-Fe，bcc-Fe，fccCooling curve770铁磁性铁磁性四、合金的相结构四、合金的相结构n基本概念基本概念n固溶体固溶体n化合物化合物1、基本概念、基本概念n合金合金两种以上元素组合成的、具有金属特性的两种以上元

15、素组合成的、具有金属特性的物质。如，物质。如，Cu-Zn, Fe-C等合金等合金n组元组元组成合金的最基本、独立的物质（元素、组成合金的最基本、独立的物质（元素、稳定化合物）。如，稳定化合物）。如，Fe-C合金中，合金中，Fe、C均为组元。均为组元。n相相化学成分、结构相同，且以界面分开的各均化学成分、结构相同，且以界面分开的各均匀组成部分。匀组成部分。水（液相）水（液相）水水+冰冰（双相）（双相）冰（固相）冰（固相）Fe-C合金中的相合金中的相F+ +Fe3 3 CFeFe3 3 C C 铁素体（铁素体（ F ）n组织组织 相的形状、分布、组合状态。相的形状、分布、组合状态。单相组织（单相组织（F）双相组织（双相组织（F+ Fe3 C）n固溶体固溶体 溶质原子溶于溶剂晶格中，保溶质原子溶于溶剂晶格中，保持溶剂晶格的合金相。持溶剂晶格的合金相。n化合物化合物合金组元形成晶格类型与任一合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相。组元都不相同的新相。合金中两类基本相：合金中两类基本相：2、固溶体、固溶体n间隙固溶体、置换固溶体间隙固溶体、置换固溶体铁中形成间隙固溶体的有：铁中形成间隙固溶体的有：H、O、C、B、N；形成置换固溶体的有：；形成置换固溶体的有：Mn、Ni、Cr、Si、Mon有限固溶体、无限固溶体有限固溶体、无限固溶体ZX