第三章 材料.ppt

1、3.1材料的结合方式3.2金属材料的结构特征3.3非金属材料的结构特征(自学) 3.4材料的凝固和结晶3.5铁元素碳合金相图、第3章材料的结构和凝固、1 .了解材料的结晶结构和非晶结构的结构特征2 .了解金属的结晶过程和非金属的形成特征3 .重点掌握铁元素碳相图及其应用，了解铁元素碳合金的成分、组织、性能、学习目的、3.1材料的耦合方式、1 .材料均在一定性能和性能之间存在差异2 .金属材料性能差异的原因： (1)化学成分：对应冶金学研究(2)组织架构：其变化来源于不同的加工处理技术结构：原子排列方式和空间分布。 凝固：固体变成液体。 结晶和非晶质体，3.1.1键结合，通常材料的液体和固体称为

2、凝聚态。 在凝聚态中，原子间的距离非常近的话，就会产生原子间的力，使原子结合或者结合。 材料的很多性能很大程度上依赖于原子键合。 根据结合力的强弱，一次结合力较强，可分为络离子结合、共价键和金属键两种。 二次键的键合力弱，包括范德华键和氢键。 1 .络离子键，2种电阴性度差大的原子(如碱金属元素体和卤族元素的原子)接近时，电阴性度小的原子失去电子而成为正络离子，电阴性度大的原子得到电子而成为还原离子。 两种络离子在静电引力的作用下结合形成络离子结合。 NaCl结构是络离子键的结合。 大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以络离子键结合。 由于络离子键具有较强的结合力，络离子化合物和离子晶体具有较高的

3、熔点、沸点和硬度，热胀冷缩系数小，但脆性相对较大。 2 .共价键，两个相同的原子或性质差异少的原子相互接近，电子不移动。 原子间通过共用电子对产生的力结合，形成共价键。 金刚石、SiC等结构具有这样的结合型。 共价键属于强键，原子间的键牢固，因此通过共价键结合的原子晶体大多熔点和硬度较高。 3 .通过金属键、金属正络离子和自由电子的相互作用结合的方式称为金属键。 从金属键的结合特性可以说明金属晶体的一般性能。 良好的导电性良好的热传导性具有优良的变形能力金属不透明的金属具有光泽。 4 .范德瓦尔斯键在电子原子、分子难以接近时，由于各自内部电子的不均匀分布而产生弱静电引力，称为范德瓦尔斯力，通过

4、这种力的作用而相互结合的方式称为分子键或范德瓦尔斯键。 由于分子键不能改变原子的电子结构，所以分子键很弱。 由分子键作用形成的物质具有低熔点、低沸点、低硬度等性能特点。 5 .氢键、氢键是特殊的分子间作用力，由于氢原子结构的特殊性，当与电负性大的原子结合时，由于电子强烈偏移，还可以与电负性大的原子发生静电引力形成氢键。 氢键和分子键的能量大致相同，约为共价键的十分之一。一般工程材料的结合类型、金属材料的结合键主要为金属键，也有共价键和络离子键(金属间化合物等)。 蜂窝混合双打材料的键是络离子键和共价键，大部分材料以络离子键为主，因此蜂窝混合双打材料具有较高的熔点和较高的硬度，但脆性较大。 高分

5、子材料也称为聚合物，其键键为共价键和分子键。 因为高分子材料的分子很大，所以分子间的力也很大。 因此，具有一定的力学性能，结晶材料中的原子(络离子、分子)是三度空间有序、周期性排列的. 非晶质体原子不规则堆积，也被称为“过蒸发制冷液体”。3.1.2晶体和非晶质、晶体的特征：晶体的排列有规则且周期性有序，晶体有固定的熔点、熔点、晶体、非晶质、晶体熔化时有固定熔点(熔点是从晶体到非晶质的临界温度)，非晶质没有固定熔点，有软化温度范围。 由于各向异性现象、晶面或晶体上的原子密度的不同而导致的性能的不同，由于晶体具有规则的几何外形和各向异性现象的特性，在不同的方向上测定其性能(如导电性、导热性、热胀冷

6、缩性、弹性和强度等)，出现大小不同的非晶质体为各向同性，不同方向的性能相同，因方向而不同3.2金属材料的结构特征，3.2.1晶体结构的基本概念3.2.2三种典型的金属晶体结构3.2.3实际金属的晶体结构3.2.4合金的晶体结构，、原子(络离子)的刚体模型，晶体结构：晶体中的原子(络离子或者分子)有规律排列的方式， 3.2.1结晶构造的基本概念，格子(格子)模型，格子设想了通过原子节点的中心引出很多空间直线形成的空间格子架。 单位晶格是反映晶格特征的最小构成单位。 (1)体心立方晶格bcc (2)面心立方晶格fcc (3)将六方晶格hcp紧密排列的(1)体心立方晶格bcc，b，c，光栅常数单位格

7、子的3个棱线的长度为a，b，c，3.2.2的典型的金属晶体结构为，(bcc (2)将hcp紧密排列的面心立方晶格fcc、-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等，、光栅常数： a=b=c； 六方晶格hcp、c (黑金属铅)、Mg、Zn等紧密排列，光栅常数底面边长a底面间隔c侧面间角120侧面和底面间角90、3.2.3实际金属的结晶构造与理想构造的偏差，单晶：内部晶格方位完全一致的结晶(理想晶体)。 例如金刚石、水晶、单晶Si半导体。 多晶体：由许多方位不同的晶粒组成的晶体。 多晶体的示意图，2 .晶体缺陷类型，(1)点缺陷：三度空间各方向的尺寸小，尺寸范围约为1个或数个原子尺度，也称为零维缺陷，

8、例如空穴、间隙原子、异种原子(2)线缺陷：也称为一维度缺陷，其特征在于两个方向的尺寸小，另一个方向长其特征是在空间的单向式上尺寸小，在其他方向上扩展很大，也称为晶界和亚晶粒界等二次元缺陷，如果点缺陷、间隙原子是其他的元素体，则可以使用异种原子(杂质原子)、或如果某个间隙原子在一盏茶中具有较大的振动能量，并且振幅在一定程度上增大，那么，可以克服周围原子的制约，从原来的位置离开，在晶格中形成空的节点，称为空位。 在一定的条件下，结晶表面的原子也有可能沿着结晶内部的间隙形成间隙原子。 在远离平衡位置的原子上，移动到结晶表面或内面的正常的节点位置，在结晶内部残留空孔，有被称为散粒牛鼻子(Schottk

9、y )空孔的三个场所插入晶格的间隙位置，在结晶中使相同数量的空孔和间隙原子形成云同步，去被称为菲涅耳缺陷的其他空座，空座(2)线缺陷刃型位错，表示两者的相对位置，所以后面只是容易讨论。 刃型位错的示意图、滑动的位错移动反应历程、位错密度、位错密度：单位体积的结晶所包含的位错线的总长度，其数学式是L/V(cm-2 )式，其中l是位错线的总长度，v是结晶的体积。试验结果发现，通常退火成一盏茶的多晶金属的位错密度约为106108 cm-2，但是经过精心制造、处理过的超纯金属单晶经过位错密度为103 cm-2以下的急剧冷变形的金属的位错密度高达10101012 cm-2，为1cm2 晶须：实验室用几种

10、特殊方法制造的几乎不含位错结构的完整小晶体，其强度接近理论计算值。 (3)面缺陷、晶界、亚晶界、亚晶界，面缺陷引起晶格变形，晶粒越细晶界越多，强度和塑性越高。 晶界中原子的不规则排列增大了晶界的性能和晶内的差异：晶界原子比晶内原子更容易发生化学反应，因此容易被腐蚀的晶界原子接近液态结构，晶界的熔点比晶内低，异种原子和杂质存在于晶界时能量低，因此晶界是杂质原子容易聚集的场所因此，金属晶体粒的大小对金属的性能影响很大。 晶界构造的示意图，金属晶体缺陷的影响？ 点缺陷-引起局部的晶格应变，降低金属的电阻率，屈服强度增加，密度变化。 线缺陷-形成的位错对金属的机械性能影响很大，位错极少时，金属的强度越

11、高，位错密度越大，金属的强度也越高。 作为面缺陷的晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高，金属塑性变形能力越大，塑性越好。 概念固态溶液金属化合物，3.2.4构成合金的晶体结构、元素体、合金的独立的、最基本的元素体是元素体，元素体也可以是纯元素体，例如金属元素体Cu、Ni、Al、Ti、Fe等，和包括c、n、b、o等的化合物Al2O3、SiO2、ZrO等。 1 .概念、材料可由纯金属、Al2O3结晶等单个元素体构成，也可由Al-Cu-Mg金属材料、MgO- Al2O3- SiO2系蜂窝混合双打材料等多个元素体构成。 合金是指两种以上的金属、或者金属和非金属熔制或者通过其他方法制作的具有金属特性

12、的物质。 由两个元素体构成的合金称为二元合金。 由三个元素体组成的合金叫三元合金。 由三个以上的元素体组成的合金叫做多元合金。 由一系列相同元素体组成的不同成分的合金称为合金系。 合金例：碳钢(carbon steel ) :由铁元素和碳构成的合金。 白铜：主要由铜和镍组成的合金。 黄铜(brass ) :由铜和亚金属铅等元素体构成的合金。 合金除了具有纯金属的基本特性外，还具有纯金属无法达到的一系列机械特性和理化特性，如高强度、高硬度、耐磨性、铁磁性、耐腐蚀性等。 在相、固体中，物质可以是单相也可以是多相。 纯铁元素为单相，钢通常为两相或多相。 固体白铜(铜和镍二元合金)为单相。 由固相构成

13、的合金称为单相合金。 由几种不同的固相组成的合金称为多相合金。 合金有固态溶液和金属化合物两种基本相。 物质中，成分相同，结构相同，与其他部分界面分离的均匀构成部分称为相。 二、合金的相根据构成合金的各元素体间的相互作用，固体合金的相大致分为固态溶液和金属化合物。 1、即使固态溶液、溶质原子溶解于溶剂晶格中，也保持溶剂晶格型的合金相称为固态溶液。 固态溶液分为置换固态溶液和间隙固态溶液。 *取代固态溶液溶质原子取代溶剂原子的一部分，占据溶剂的一部分节点。 *间隙固态溶液溶质的原子进入溶剂晶格的空隙部分，不占节点的位置。 例如，c溶解在-Fe或-Fe中的镍锌铁氧体、奥氏体不锈钢。 所有的铁元素碳

14、合金都是间隙固态溶液。碳的溶解度有限，是有限固态溶液，碳在铁元素中的溶解度主要取决于铁元素的晶格类型，随温度的升高而增加。 固溶强化在形成固态溶液时，溶剂的晶格发生一定程度的应变，该应变使塑性形变电阻增加，固态溶液的强度、硬度增加的现象称为固溶强化。 2、金属化合物金属化合物的各元素体以一定的整数比结合，是一种具有金属性质的均匀物质，为单相组织，金属化合物一般具有复杂的晶格，与各元素体的晶格不同，其性能特点是硬脆。 例如，渗碳体Fe3C为金属化合物，硬度极高，800HBS能够切玻璃，塑性韧性极低，伸长率和冲击韧性接近零。 渗碳体为强化相，组织呈板状、球状、网状等不同形状，渗碳体的数量、形态、分

15、布严重影响钢的性能。 渗碳体在一定条件下可以分解： Fe3C3Fe C黑金属铅，3，机械混合物。 机械混合物是结晶过程中形成的两相组织，如纯金属、固态溶液或化合物的混合物，各相保持原来的晶格，混合物的性能介于各组之间，与各相的形状、大小、分布有关。 碳铁元素合金中的机械混合物有珍珠岩和酸橙。 组织、合金的组织由数量、大小、形状、分布方式不同的各种相构成。 金属材料的性能取决于组织，而组织则取决于化学成分和工艺。 由组织构成的材料性能不同。 仅由一个相构成的组织，单相组织由两种以上的相构成的组织称为多相组织，组织是指用肉眼和显微镜等观察的材料内部的微观形态。 2、固态溶液、合金中两组的元素体在液

16、体和固体下相互溶解，形成一种成分和性能均匀，且结构与组织元素体之一相同的固相，称为固态溶液。 固态溶液、溶剂、溶质、固相、失去了原来的格子型的元素体被称为溶质，一般合金中的含量少。 (solid solution )、固态溶液的分类可以根据溶质原子在溶剂晶格中所占的位置，将固态溶液分为间隙固态溶液和置换固态溶液。 根据溶质原子是否分布于溶剂晶格中，可以将固态溶液分为有序固态溶液和无序固态溶液。 根据溶质原子在溶剂晶格中的溶解度，固态溶液可以分为有限固态溶液和无限固态溶液。 溶解度：指溶质在固态溶液中的临界浓度。 固态溶液类型，间隙固态溶液，溶质原子进入溶剂晶格中的间隙产生的固态溶液。 (interstitial solid solutions )，置换固态溶液，(substitutional solid solution )，溶质原子在有溶剂晶格的节点上，晶格上的某溶剂原子被置换后的固态溶液。 间隙固态溶液、溶质原子与溶剂原子的直径之比必须小于059。 由直径大的原子构成的晶格，空隙的大小也大。 过渡族元素体(溶剂)和尺寸小的元素体c、n、h、b等容易形成间隙固态溶液。 溶质原子在间隙固态溶液中的溶解度一般较小，所以间隙固态溶液都是有限固态溶液。 溶质原子使间隙固态溶液变形，其浓度越大，变形越大。 间隙固态溶液是无序的