机械专业工程材料学1.ppt

1、工程材料学 主讲人：李涛,绪论 1、工程材料及其发展概况： 工程材料：与工程有关的材料，包括：金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料四大类。 发展史： 2、学习内容： 本书中将介绍：金属学、热处理原理与工艺、金属材料三部分的内容； 金属学：介绍晶体结构与结晶、二元合金相图、铁碳合金相图、金属的塑性变形和再结晶。,热处理原理与工艺： 热处理：将金属在固态下加热到预定温度、并在该温度下保温一段时间，然后以一定的速度冷却下来的热加工工艺。 本书中将介绍有关热处理原理与工艺的一些知识（钢的热处理）。 金属材料：研究合金钢的成分、组织、性能、特点等（合金钢）。,学习重点： 一个中心：金属及合金的成分、

2、组织结构间的变化规律； 二个图形：相图、曲线 ； 五大转变：珠光体转变、奥氏体转变、贝氏体转变、马氏体转变、回火转变； 四把大火：正火、退火、淬火、回火； 八大钢种：渗碳钢、调质钢、轴承钢、刃具钢、模具钢、量具钢、特殊性能钢。,3、学习方法： 课堂上的内容应当堂消化 温故而知新 4、学习特点： 概念性强； 连贯性强； 实践性强； 抽象性强； 参考书：金属材料及热处理 史美堂主编、 工程材料学 燕来生主编、金属学与热处理 崔忠圻主编 教材： 工程材料陈积伟 机械工业出版社；,第一章 金属的晶体结构和结晶,第一节 金属的晶体结构 1、晶体的概念： 1.1晶体：内部的原子呈一定规律重复排列着的固态物

3、质。书P2图1-1；例如：钻石、冰等。,1.2晶体的特性：有一定的熔点；各向异性,1.3空间点阵：用以表示晶体中原子（离子或分子）排列形式的空间格子，也叫晶格。（在这里将晶体的实际质点忽略而抽象为纯粹的几何点，称为阵点或结点，用许多平行的直线将这些阵点连接所构成的三维空间格架）,1.4晶胞：从晶格中选取一个能够完全反映原子排列规律的最小几何单元。 晶格常数：晶胞的棱边长度a、b、c ，单位为埃（）；以及轴间夹角、。 例如：a=b=c，而=90就是简单立方晶胞。,晶胞,X,Y,Z,a,b,c,晶格常数 a，b，c,2 、金属的特性,2.1 外观 特征：金属光泽和不透明性 2.2 正的电阻温度系数

4、 2.3 良好的机械性能、良好的导电性、导热性,3、金属晶体中常见的三种晶格类型：,3.1 体心立方晶胞（Body Centered Cubic) （简称bcc）书P4图1-3 3.1.1 原子分布：8个顶点各有一个原子，在体心处还有一个原子。 3.1.2 原子个数：,3.1.3 原子半径：原子半径r= a。 3.1.4 致密度与配位数： 致密度：晶胞中所含的原子所占的体积与该晶胞的体积之比，用K表示。 k=n Va /Vc,bcc的k=0.68 （n=2;v=4/3r3;V=a3 配位数：晶格中与任一原子最近邻、且等距的原子数目，用N表示。而bcc的N=8。 3.1.5晶格常数： a=b=c

5、； =90,3.2 、面心立方晶胞（Face Centered Cubic）（英文简称fcc）,3.2.1 原子分布：8个顶点各有一个原子，立方体的每个面的中心还各有一个原子。书P6图1-4 3.2.2 原子个数： 3.2.3 晶格常数：a=b=c； =90 3.2.4 原子半径：在每个面的对角线上原子是紧密接触的，r= a 3.2.5 致密度与配位数：K=0.74 ；N=12。,3.3.1 原子分布：六方体的12个顶点各有一个原子，上下底面的面中心各有一个原子，晶胞内还有3个原子。 3.3.2 原子个数：,3.3 密排六方晶胞（hcp） 书P7图1-5,3.3.3 晶格常数：底边棱长a；两底

6、面间的高度c。 3.3.4 原子半径与致密度与配位数：r=a/2 ，K=0.74，N=12。,表11三种典型金属晶格的数据,三种典型金属晶格的各种数据见书 P7表1-1,4、晶向指数与晶面指数：,4.1 定义： 晶向：在晶体的晶格中穿过两个以上原子中心的方向（直）线。 晶面：在晶体的晶格中通过原子中心所构成的平面。 晶面、晶向指数：表示各种晶面和晶向位向的统一符号，以表示它们在晶体中的方位和方向。,确定步骤如下： 设坐标轴 ：以晶胞的三条棱边为坐标轴x、y、z，坐标轴的原点应在待定晶面之外。 求截距：以晶格常数a、b、c为度量单位，求出晶面在各轴上的截距。 求倒数：将各截距值求倒数。 化整数：

7、 将前面的三个倒数化为最小简单整数，并放在圆括号内。一般表示为（hkl），如果截距为负值，则在相应的指数上加负号，例如（kl）。,4.2 晶面指数,注意：1、这里所谓的晶面指数并非仅指一个晶格中的某一个晶面，而是泛指该晶格中所有那些与其相平行的位向相同的晶面。 2、在同一晶格中，有些晶面虽然在空间位向上不同，但其原子排列情况完全相同，将这些晶面列为同一晶面族，用hkl表示，（晶面在空间位向上不同但其原子排列情况完全相同表现在指数上是数字不变，而对这些数字进行排列组合）,4.3 晶向指数：用来表示晶向在晶体中的原子排列情况及位向的符号。,确定步骤： 设坐标轴：以晶胞的三个棱边为坐标轴x、y、z。

8、 引平行线：过原点引一条有向直线平行于待定晶向 求坐标值：以晶格常数为度量单位，在该方向上求出最近原子的坐标值。 化整数 ：将三个坐标值化为最小简单整数，放入方括号内，一般用uvw表示。,注意： 所有互相平行，方向一致的晶向具有相同的晶向指数。 当晶向指数某一坐标为负方向时，则该坐标值为负值， 同一直线有相反的两个晶向，其晶向指数的数字相同，但符号相反。 晶向族：原子排列相同，但空间位向不同的所有晶向构成晶向族，用uvw表示。 特点：立方结构的晶体中，晶向指数的数字相同，但排列顺序不同，则具有相同的原子排列 在立方结构的晶体中，当一晶向uvw位于或平行于某一晶面（hkl）时，则hu+kv+lw

9、=0；当某一晶向与某一晶面垂直时，则u=h、v=k、w=l。,晶面及晶向的原子密度,晶面原子密度=该面积上实际包含的原子数/晶面面积 晶向原子密度=该长度上实际包含的原子数/晶向长度 体心立方晶体中110 、111 面心立方晶体111、 110 密排六方晶体 底面 底面对角线,4.4 晶体的各向异性,由于晶体中而不同晶面或晶向上原子密度不同，原子间距离不同，导致原子结合力不同，从而引起性能不同的现象,4.5金属的同素异构转变（金属的多晶型性）： 定义：某些金属（Fe、Mn、Ti、Co等）当外部的条件（温度、压强）改变时，由一种晶体结构转变为另一种晶体结构的现象； 例如：Fe的同素异构转变：有三

10、种同素异构晶型， -Fe、 -Fe、 -Fe： 912：-Fe（bcc） -Fe（fcc）； 1394 ： -Fe（fcc ） -Fe（bcc）； 如图212所示，不同的晶体结构，致密度不同，因而发生多晶型转变时，将伴随有比容或体积的突变；,纯铁的同素异构转变,-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc,1394 C,912 C,912 C,纯铁的冷却曲线,T,t,1538,1394,912,-Fe，bcc,-Fe，bcc,-Fe，fcc,Cooling curve,770,铁磁性,作业： 1、解释下列名词：晶体， 晶胞，致密度，配位数，晶体的各向异性，晶面指数，晶向指数 2、常见的金属晶

11、体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？ -Fe、 -Fe、Al、Cu、Ni、Cr、Mg、Zn各属何种晶体？ 3、在立方晶体中，一平面通过Y=0.5、Z=3并平行于X轴，它的晶面指数是多少？绘图表示。 4、在面心立方晶格中，哪个晶面和晶向的原子密度最大？ 5、在立方晶体结构中，AB晶向如图中所示，求AB的晶向指数？,1、单晶体与多晶体 几个名词： 晶粒：在实际使用的金属材料中，晶体是由许多细小的颗粒组成，这些细小的颗粒，叫做晶粒。 单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体），由一个晶粒所组成。如单晶Si半导体。 多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体 晶界：晶粒与晶粒之间的界面

12、。,第二节实际金属的晶体结构,2. 实际金属晶体的缺陷,晶体缺陷类型 （1）点缺陷：空位、间隙原子 （2）线缺陷：位错 （3）面缺陷：晶界与亚晶界,实际晶体中原子排列不规律的地方统称为“晶体缺陷,2、晶体的缺陷： 2.1 点缺陷：其特征是在三个方向上的尺寸都很小，常见的有“空位”、“间隙原子”。 空位：当晶格中的某些原子由于某种原因，脱离原来的平衡位置，则在原处出现了一个空结点，叫做空位。, 间隙原子：处于晶格间隙中的原子，叫做间隙原子。,由于空位和间隙原子的存在，会使其周围的晶格发生畸变。,2.2 线缺陷:,位错：在晶格中，发生一列或几列原子有规律的错排的现象。 类型：刃型位错；螺型位错。,

13、 刃型位错：使晶体的右上部分相对右下部分发生了局部的滑移，结果在晶格的上半部分中挤出了一层多余的原子面，犹如用一把锋利的尖刀将晶体的上半部分切开，沿切口硬插入额外的半层原子面，将刃口处的原子列EF称为刃型位错。,在晶体右上角施加一切应力，促使右上部晶体中的原子沿滑移面 自左向右移动一个原子间距，由于此时左上角的原子尚未滑移， 于是在晶体内部就出现了已滑移区和未滑移区的边界。在边界附 近，原子排列的规则性遭到了破坏，此边界线就相当于额外半原子 面的边缘。, 螺型位错： 在立方晶体的右端施加一切应力，使右端的上下两部分沿滑移面ABCD发生了一个原子间距的相对切变，于是就出现了已滑移区与未滑移区的边

14、界BC，BC就是螺型位错。,A,螺位错,2.3 面缺陷：, 晶界：由于各晶粒的位向不同，故晶界实际上是不同 位向晶粒之间原子排列无规律的过渡层。图 1-11, 亚晶界：在金属晶体的每一个晶粒内部，其晶格位向也并不像理想晶体那样完整，它是由许多位向很小的小晶块组成，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面叫做亚晶界。,以上我们讨论的是晶体缺陷，凡是晶格缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸变，因而会引起晶格能量的提高，并使金属的物理、化学和机械性能显著变化。例如：由于晶界上存在着晶格畸变，因而在室温下对金属材料的塑性变形起着阻碍作用，在宏观上表现为使金属材料具有更高的强度和硬度，显然，晶粒越细，金属材料

15、的强度、硬度就越高。,晶体缺陷对金属性能的影响,第三节 金属的结晶,1、结晶的概念：一切物质从液态向固态转变的过程，称为凝固。如果在这个过程中能够形成晶体，则称之为结晶 1.1结晶： 液体 - 晶体,凝固： 液体 - 固体（晶体 或 非晶体）,冷却曲线,T0,Tn,理论结晶温度,开始结晶温度,T,过冷度,T= T0 - Tn,纯金属结晶的条件就是应当有一定的过冷度（克服界面能）,1.2 结晶的宏观过程：通过分析此过程有两个特点： 1.2.1 过冷现象：,过冷度：金属的实际结晶温度T1与理论结晶温度T0之差，称为过冷度，以T表示。T=T0T1；显然， T越大，则T1越低。 1.3 结晶潜热：金属

16、在结晶时，从液态转变为固态时会放出能量，此能量称为结晶潜热。从图中可以看出：当液态金属的温度达到结晶温度T1时，由于结晶潜热的释放，补偿了散失到周围环境中的热量，所以在冷却平曲线上出现了平台，平台延续的时间就是结晶过程所需的时间。,冷却速度越大，则过冷度越大。,2、结晶的热力学条件：,为什么液态金属在理论结晶温度不能结晶，而必须在一定的过冷度条件下才能进行呢？这是由热力学条件所决定的。热力学第二定律指出：在等温等压的条件下，物质系统总是自发地从自由能高的状态向自由能低的状态转变。,当T=T0 （Tm)时，GS=GL，两相可以同时共存，具有同样的稳定性，既不熔化也不结晶，处于热力学平衡状态，所以

17、T0 （Tm)就是理论结晶温度，即熔点。 当TT0 （Tm)时，GSGL，所以液态金属可以自发地转变为固态金属，而两相的自由能差（G）就构成了金属结晶的驱动力。 当TT0 （Tm)时，GSGL，所以固态金属可以自发的熔化为液态。 综上所述，只有当TT0时，即存在一定的过冷度时，液态金属才能结晶。,GL（纯金属的液态自由能）、GS（纯金属的固态自由能）都随温度的升高而降低，而液相自由能曲线的斜率较固相的大，所以两曲线必然在某一温度相交。交点处的温度用T0 （Tm)表示。,液相和固相自由能随温度变化示意图,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,金属的结晶包括晶核的形成和晶核长大的过程,3、金属结晶的

18、过程：,两种形核方式 自发形核 与 非自发形核,自发形核 由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。,非自发形核 是依附于外来杂质上生成的晶核。,3.1 晶核的形成方式,晶核的形成：利用x射线研究金属的结构时发现：在液态金属中，原子并不是散乱地分布，而是在微小的范围内存在着紧密接触、规则排列的原子集团，称为“近程有序”集团，而且它们不是固定不动的，而是处于不断的变化之中，它会瞬时消失，瞬时产生，此起彼伏，不断变化，我们把这种不断变化的近程有序集团称为“结构起伏”或“相起伏”。 晶胚：在液态金属中，每一瞬间都会涌现出大量尺寸不等的相起伏，尺寸较大的相起伏在结晶时，有可能转变为晶

19、核。这些相起伏就是晶核的胚芽。所以，尺寸较大的相起伏叫做晶胚。,3.2 晶核的长大：晶核形成后，便开始晶核的长大。宏观上，晶体的长大是晶体的界面向液相中逐步推移的过程。而在微观上，晶体的长大是液相中的原子逐步向晶体表面扩散的过程。 长大的条件： 需要一定的过冷度。（10-310-4即可） 液相温度足够高，以完成原子由液相到固相的迁移。,长大过程：,a）在晶核长大的初期，其外形还比较规则。 b）由于晶体棱角的形成，棱角的散热条件优于其他部位，因此得到优先成长。就如树枝一样先长出枝干，再长出分枝，最后再把晶间添满。 这种长大方式叫做“枝晶成长”。书P17图1-15,综上所述：我们可以把金属的结晶过

20、程用书P16图1-14示意出来。在枝晶的成长过程中，由于液体的流动，枝轴本身的重力作用，以及彼此之间的碰撞、杂质元素的影响等种种原因，会使某些枝轴发生偏斜或折断，以致造成晶粒中的亚晶界、位错等各种缺陷。,4、晶粒大小的控制：,4.1 晶粒度：晶粒的大小称为晶粒度，通常用晶粒的平均面积或平均直径来表示。 晶粒的大小对金属的机械性能有很大的影响，在常温下，金属的晶粒越细小，强度和硬度则越高，同时塑性、韧性也越好。那么怎样控制晶粒的大小呢？,1.提高过冷度 2.变质处理 3.振动或搅动,4.2细化晶粒的措施,长大速率（成长率）：单位时间内晶体向周围长大的线速度。用G表示。 N、G与过冷度之间的关系：书P19图1-17。从图中可知，当T=0时：N=0、G=0，所以既不形核也不长大；当T增大时，N、G都增大，而且N/G 增大，晶粒也就越小。,1.增加过冷度 形核率：单位时间、单位体积液相中形成的晶核的数目。用N表示。,工业生产中，我们经常用提高液态金属的冷却速度，来提高T， 具体做法有： 用金属型代替砂型；增加金属型的厚度；局部加冷铁；以及采用水冷铸型等等。,在液体金属中故意加入某些难熔杂质（变质剂），以细化晶粒和改善组织的工艺措施。 变质剂的作用：作为非自发形核的核心，或阻碍