机械工程材料-2015-第一章.ppt

1、Mechanical Engineering Materials机 械 工 程 材 料 -材料科学基础,主讲人：肖桂勇材料科学与工程学院千佛山校区西配 88395119,内 容 提 要,0 绪论 0.1 学习机械工程材料课程的重要性 0.2 机械工程材料的目的和要求 1 机械工程材料的结构 1.1 材料的原子键合与排列方式（自学） 1.2 固体材料的晶体结构特点 1.3 实际晶体的结构特征,0.1 学习机械工程材料课程的重要性The Importance for Studying Mechanical Engineering Materials（见教材绪论P13）,0

2、.1.1 材料与材料科学的发展及其在国民经济中的地位 1. 材料是人类文明的标志，人类进化的里程碑 2. 发展中的材料大家族（材料的分类） 3. 材料、特别是新型材料，是发展高科技的先导和基石 4. 21世纪材料的发展趋势与可持续发展战略 0.1.2 机械工程材料与所学专业的关系,1.材料是人类文明的标志，人类进化的里程碑,材料是指人类用以制造各种有用器件的物质。材料是人类生产和生活所必须的物质基础。由于材料的重要性，历史学家就是根据人类所使用的材料来划分时代的（如下图所示）。,1. 材料是人类文明的标志，人类进化的里程碑,材料的发展与人类社会简图,1. 材料是人类文明的标志，人类进化的里程碑

3、,材料发展的历程示意图 ,2. 材料的主要分类（按化学成分）,金属材料 无机非金属材料（陶瓷） 有机高分子材料 复合材料,2. 材料的主要分类（按性能）,金属材料 无机非金属材料（陶瓷） 有机高分子材料 复合材料,2. 材料的主要分类（按性能）,结构陶瓷,功能陶瓷,氧化物陶瓷 非氧化物陶瓷 纳米陶瓷,电子陶瓷 热、光学功能陶瓷 生物、抗菌陶瓷,材料，特别是新型材料，是发展高科技的先导和基石,何谓新型材料？ 由航天飞机两次失事看 新型材料的重要性 新技术的需要促进了新型材料的不断发展,（1）新型材料的含义,新型材料一般指新出现的具有优异性能和特殊功能的材料，或是传统材料改进后性能明显提高和产生新

4、功能的材料，主要包括新型功能材料、高性能结构材料和先进复合材料，它具有多学科交叉和知识密集、技术密集的特点，是一类品种繁多、结构特性好、功能强、附加值高、更新换代快的材料。 传统材料是指已在大量生产、价格一般较低、在工业应用上已有长期使用经验和数据的材料。但是，新型材料解密后，开始商业化及大量生产、并积累了经验之后，就成为传统材料了；也可能一些传统材料采用特殊高科技工艺加工后，具有了新的、更优良的性能，则就成为新型材料了。,“挑战者”号爆炸 1986年1月28日，“挑战者”号航天飞机第l0次发射。然而航天飞机升空后突然发生爆炸，机上7名宇航员全部丧生。 “哥伦比亚”号解体 “哥伦比亚”号是美国

5、航空和航天局(NASA)建造的第架航天飞机，于1981年4月12日首航。2003年2月1日，“哥伦比亚”号结束了为期l6天的太空之旅返回地球时在6300米高空发生解体。,（2）由航天飞机两次失事看 新型材料的重要性,（2）由航天飞机两次失事看 新型材料的重要性, 挑战号,哥伦比亚号 ,“挑战号 ” 航天飞机爆炸悲剧的起因： 该航天飞机右侧的一枚助推火箭壳体上由于橡胶密封圈失效而出现一条裂缝，几千度高温的烈焰从那裂缝中喷向外燃料箱，点燃其内100多万公升的液态氢氧燃料，使7名机组人员还未来得及反应，便连同航天飞机粉身碎骨了。,“哥伦比亚”号航天飞机机毁人亡的技术原因： 是这架航天飞机发射升空81

6、.7秒后，外部燃料箱外表面脱离一块泡沫塑料，撞击机身而使航天飞机左翼前缘的热保护系统形成裂孔，最终导致返回大气层时的解体。,（2）由航天飞机两次失事看新型材料的重要性,（2）由9.3阅兵武器装备看 新型材料的重要性,（2）由9.3阅兵武器装备看 新型材料的重要性,（3）新技术的需要促进了新型材料的不断发展,例如，信息传输技术的发展。要架设1000km长的同轴电缆，电缆，大约需要铜50000t，铅200000t；采用新型材料光导纤维，仅需几十kg的石英玻璃即可。若用廉价的有机玻璃代替石英用于光纤，更具重要意义。利用光导纤维进行远距离通信的效率要比电缆通信提高10亿倍以上。,随着经济的飞速发展和科

7、学技术的不断进步，对材料的要求越来越苛刻，结构材料向高比强、高强韧性、耐高温、耐腐蚀、抗辐照以及多功能方向发展。,新型材料在不断地涌现,层出不穷。,石墨烯,可弯曲屏幕,碳纳米管,新材料涉及领域广泛，主要包括新型功能材料、高性能结构材料和先进复合材料，其范围随着经济发展、科技进步、产业升级不断发生变化。 国家“十二五”规划主要包括以下六大领域：特种金属功能材料。具有独特的声、光、电、热、磁等性能的金属材料。高端金属结构材料。较传统金属结构材料具有更高的强度、韧性和耐高温、抗腐蚀等性能的金属材料。先进高分子材料。具有相对独特物理化学性能、适宜在特殊领域或特定环境下应用的人工合成高分子新材料。新型无

8、机非金属材料。在传统无机非金属材料基础上新出现的具有耐磨、耐腐蚀、光电等特殊性能的材料。高性能复合材料。由两种或两种以上异质、异型、异性材料（一种作为基体，其他作为增强体）复合而成的具有特殊功能和结构的新型材料。前沿新材料。当前以基础研究为主，未来市场前景广阔，代表新材料科技发展方向，具有重要引领作用的材料。,21世纪对材料提出的新要求与可持续发展战略,（1） 时代对材料提出新的要求 i.结构与功能相结合 要求材料不仅能作为结构材料使用，而且具有特殊的功能或多种功能，正在开发研制的梯度功能材料和生物材料即是属于此。 ii.智能化 要求材料本身具有感知、自我调节和反馈能力，即具有敏感和驱动双重功

9、能。 iii.减少污染 为了人类的健康和生存，要求材料的制作和废弃过程中对环境产生的污染尽可能少。 iv.可再生性 是指一方面可保护和充分利用自然资源，另一方面又不为地球积存太多的废物，而且能再次利用。 v.节省能源 制造材料时耗能尽可能少，同时又可利用新开发的能源。 vi.长寿命 要求材料能长期保持其基本特性，稳定可靠，用来制造的设备和元器件能少维修或不维修。,(2)走材料的可持续发展之路, 在保证满足使用性能条件下，尽量选用节约资源、降低能耗的材料 开发与选用环境相容性的新材料，并对现有材料进行环境协调性改性 尽可能地选用环境降解材料 针对积累下来的污染问题，开发门类齐全的生态环境材料，对

10、环境进行修复、净化或替代等处理，逐渐改善地球的生态环境，使之朝可持续发展的方向前进。,材料的“生命周期”示意图 ,0.1.2 机械工程材料与我们所学专业的关系,机械工程材料课程是机械类、近机械类各专业的一门重要的技术基础课程。 作为一名工程技术人员，时时处处都会接触到有关材料方面的问题。 学好本课程，为后续专业课程的学习奠定坚实的基础。,0.2.1 主要目的：研究常用机械工程材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的相互关系及其变化规律，通过变更材料化学成分和加工工艺来控制内部组织结构，从而提高材料的性能或开发新性能的材料。 0.2.2 基本要求：吃透内容，掌握精髓，提高效率，密切联系生产

11、实际，积极参与综合开放式实验教学。,0.2 学习机械工程材料的目的和要求Objective and Requirements for Studying Mechanical Engineering Materials,0.2.1 材料科学的四要素与贯穿本课程的“纲”,材料科学的四要素,材料的合成与加工工艺着重研究获取材料的手段，以工艺技术的进步为标志；成分与组织结构反映材料的本质，是认识材料的理论基础；材料的特性表征了材料固有的力学等性能，是选用材料的重要依据；使用性能用来表示材料的加工和服役条件相结合来考察材料的使用寿命，它往往成为MSE的最终目标。它们之间有很强的关系，相辅相成而又是不可分

12、割的,0.2.1 材料科学的四要素与贯穿本课程的“纲”,贯穿机械工程材料课程的“纲”,化学成分(成分) 组成材料各元素在材料中的浓度。 组织的概念 用肉眼或借助于不同放大倍数的显微镜所观察到的材料内部的形貌图像。 宏观组织：习惯上把用肉眼或几十倍放大镜观察到组织。 显微组织：放大1002000倍的组织。 电镜组织：在电子显微镜下（几千几十万倍）的组织。 结构的概念 材料中各原子的具体组合状态。一般通过X-射线衍射或透射电镜研究。,0.2.2 主要目的,1. 获得有关材料与材料科学方面的基本理论知识； 2. 掌握强化机械工程材料性能的途径、基本原理与方法； 3. 熟悉常用机械工程材料的各类特点：

13、 4. 使学生具有合理选用机械工程材料并妥善安排 其加工工艺路线的初步能力。,0.2.3 主要内容与学习重点简介,0.2.4 机械工程材料课程的考核方法与主要参考书,1. 考核方法,平时成绩（包括课堂练习、课堂讨论，作业, 实验等) 10-30%； 综合性考试 70-90%。,2. 主要参考书,i. 主教材：机械工程材料(第3版)哈尔滨工业大学出版社。 配套教材：机械工程材料学习指导哈尔滨工业大学出版社。 ii. 参考教材： 机械工程材料大连理工大学出版社，王焕庭等主编 工程材料机械工业出版社，崔占全等主编 工程材料清华大学出版社，郑明新等主编,第1章 机械工程材料的结构 The Struct

14、ure of Mechanical Engineering Materials,【主要问题提示】Key questions and clues,1.晶体与非晶体材料的本质区别以及各自的特点是什麽？ 2.三种典型金属的晶体结构特点以及立方晶系中晶面、晶向指数的表示方法各是什么？ 3.何谓晶体缺陷？按其几何特征，它可分为几类？其主要形式（内容）及对性能的影响又各是什么？ 4.晶体材料的基本相结构可分为哪两大类，其类型、主要性能及在合金中的地位与作用分别是什么？ 5.试简述聚合物与无机材料的结构特点。 6.你能熟练地描绘纯铁的同素异构转变特征吗？,【学习重点与方法提示】Key points and

15、learning methods,本章的教学重点：掌握纯金属晶体结构（理想与实际）的特点，立方晶系中晶面、晶向指数（低指数）表示方法；合金相结构的基本类型，性能特点及在合金中的地位与作用。 本章学习方法提示：注意加深对基本概念、术语的理解和记忆。应注重更加自主地学好本章内容，为此要抓好预习环节，积极培育独立思考问题的能力。如对于三种晶体结构的学习，在重点理解体心立方晶胞特点基础上，积极思考面心立方、密排六方晶胞特点；又如晶面、晶向指数的学习，在例题分析的同时引发思维，使之更好地克服学习难点。,【本章学习要求】 Requirement for Studying,1. 熟悉三种典型金属晶体结构的特

16、点，立方晶胞中晶面、晶向的表示方法，实际金属中晶体缺陷的种类、主要形式及其对材料性能的影响； 2. 掌握金属合金相结构的基本类型、性能特点及其在合金中的地位与作用； 3. 了解聚合物与陶瓷材料的结构特点； 4. 建立“相”、“组织”的概念。,【内容梗概】 Abstract,晶 态:固体材料的结构规则排列; 非晶态:固体材料的结构不规则排列。 在绝大多数情况下，晶体结构并不是十分完整的，即在其规则排列中，局部存在着各种缺陷。 工程技术人员必须具备有关材料结构方面的基本知识。,化学组成,结构,+,材料的性能,结构,宏观组织结构,显微组织结构,微观组织结构,组织,结构,第1章 机械工程材料的结构 T

17、he Structure of Mechanical Engineering Materials,1.1 固体材料结构的有关概念 Concepts about structure of solid material 1.2 固体材料的晶体结构 Crystal structure of solid materials 1.3 一般工程材料的结构特点 Structure characteristics of common engineering materials 本章小结 Summary 阅读材料1 非晶态结构与非晶态材料 Amorphous Structure and Amorphous Ma

18、terials,1.1 固体材料结构的有关概念 Concepts about structure of solid material,1.1.1 晶体与非晶体 1.晶体结构长程有序 2.非晶态结构短程有序 （近程有序) 1.1.2 晶体结构的基本概念,1.1.1 晶体与非晶体Crystals and amorphous,材料按固体中原子排列的有序程度分为晶体结构和非晶态结构 晶体: 原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。 非晶体: 原子呈无序排列的固体。 在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。,晶态,非晶态,晶体结构示意图,晶态,非晶态,1. 晶体结构长程有序,“长程有序”(远程有

19、序)指的是原子在很大范围内均是按一定规则排列(即原子在三维空间作有规则的周期性重复排列)，具有长程有序排列的材料即为晶体材料。这种长程有序排列的特征（形式）就称之谓晶体结构。 晶体材料的特点是: （1）结构有序，物理性质表现为各向异性; （2）具有固定的熔点; （3）晶体的排列状态是由构成原子或分子的几何学形状和键的形式决定的; （4）一般当晶体的外形发生变化时，晶格类型并不改变。,所谓“短程有序”，系指原子仅在很小的范围(约几十个原子的尺度)内呈一定的规则排列，而从大范围来看，则找不到规则排列的规律。 若固体材料中仅存在短程有序，则称其为非晶体材料(或无定形材料)。这种短程有序排列的特征，即

20、称为非晶态结构(或无定形结构)。 注：非晶态结构被认为是“冻结了”的液态结构。 非晶体材料的共同特点是: （1）结构无序，物理性质表现为各向同性; （2）无固定熔点; （3）导热性和热膨胀性均小; （4）塑性形变大; （5）组成的变化范围大。,2. 非晶态结构短程有序,1.1.2 晶体结构的基本概念 Basic concepts about crystal structure,图1.1 纯铁的内部结构示意图,原子堆砌模型,晶格、结点,晶胞,晶格常数,原子半径(r),晶胞原子数(n),配位数(C),致密度(K),晶体结构,K=nv/V,纯铁金属的晶体结构,1.2 固体材料的晶体结构Crystal

21、 Structures of Solid Materials,1.2.1 纯金属的晶体结构 Crystal structures of pure metals 1. 典型金属的晶体结构 2. 晶体中的晶面与晶向(以立方晶系为例说明) 1.2.2 共价晶体与离子化合物的晶体结构 Crystal structures of covalent and ionic crystals 1.2.3 实际晶体的结构特征 Structure Characteristics of Real Crystals 1. 点缺陷（point defects） 2. 线缺陷（linear defects）即位错dislo

22、cation 3. 面缺陷（planar defects） 1.2.4 同素异构(晶)转变(亦称多晶型转变) Allotropy and polymorphism,1.2 固体材料的晶体结构,1.三种典型金属的晶体结构特点以及立方晶系中晶面、晶向指数的表示方法各是什么？ 2.何谓晶体缺陷？按其几何特征，它可分为几类？其主要形式（内容）及对性能的影响又各是什么？,本节问题提示：,1. 典型金属的晶体结构 在已知的80余种金属元素中，大都属于体心立方、面心立方或密排六方晶格中的一种。 球体堆砌模型； 晶格常数a 原子半径r=? 晶胞原子数n=? 配位数C=? 致密度K=? 同类金属,1.2.1 纯

23、金属的晶体结构 Crystal structures of pure metals,1.典型金属的晶体结构,（1）体心立方晶格(Body Centered Cubic ，缩写为BCC或bcc),（a）模型； （b）晶胞； （c）晶胞原子数,图1.2 体心立方晶胞示意图,配位数C= ? 致密度K= ？ 同类金属：-Fe,Cr,Mo,W,V,Nb,-Ti,Ta等,晶格常数：a 晶胞原子数 n=? 原子半径 r a,1.典型金属的晶体结构,（a）模型； （b）晶胞； （c）晶胞原子数,图1.3 面心立方晶胞示意图,（2）面心立方晶格(Face Centered Cubic ，缩写为FCC或fcc),

24、图1.4 面心立方晶格的配位数,晶格常数：a 晶胞原子数 n=? 原子半径 r = a,配位数C= ? 致密度K= ？ 同类金属：-Fe Cu, Al, Pb,Au,Ag,Ni 等,（3）密排六方晶格(Hexagonal Close-Packed，缩写HCP或hcp),1.典型金属的晶体结构,图1.5 密排六方晶胞示意图,晶格常数：a, c 晶胞原子数 n=? 原子半径 r = a,配位数C= ? 致密度K= ？ 同类金属：Zn, Mg, Be, Cd 等,1. 典型金属的晶体结构,表1.1 三种典型金属晶体结构特点,1,晶体中各种方位上的原子面称为晶面;各个方向上的原子列称为晶向。晶体的许多

25、性能(如各向异性等)和行为都和晶体中特定晶面和晶向密切相关。通常用晶面指数和晶向指数分别表示晶面和晶向,晶面指数与晶向指数又统称密勒（Miller）指数。,2.晶体中的晶面与晶向（以立方晶系为例说明）,（1）晶面指数表示法(如图1-6中ABCD晶面) : 选晶胞中任意结点为空间坐标系的原点(但注意不要把原点放在欲定的晶面上)，以晶胞的三条棱边为空间坐标轴OX、OY、OZ; 以晶格常数a、b、c分别为OX、OY、OZ轴上的长度度量单位，求出欲定晶面在三个坐标轴上的截距(即1，1，); 将所得三截距之值变为倒数(即1，1，0); 将所得三倒数值按比例化为最小简单整数(即1，1，0); 把所得最小简

26、单整数值，放在园括号内，如(110)，即为所求的晶面指数。,图1.6 立方晶胞中三种重要晶面指数,设坐标,取倒数,求截距,化简,入括号,2.晶体中的晶面与晶向（以立方晶系为例说明）,确定和运用晶面指数时，应注意: i.晶面指数通式为(hkl)，如果所求晶面在坐标轴上的截距为负值，则在相应的指数上加一负号，如( kl)； ii.在某些情况下，晶面可能只与两个或一个坐标轴相交、而与其它坐标轴平行，当晶面与某坐标轴平行时则在该轴上的截距值为无穷大，其倒数为0； iii.应当指出，某一晶面指数并不只代表某一具体晶面，而是代表一组相互平行的晶面（即所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数），当两晶面指数的

27、数字和顺序完全相同而符号相反时、则这两个晶面相互平行，它相当于用-1乘以某一晶面指数中的各个数字，如(100)晶面平行于( 00)晶面，(111)平行于( )等。 iv.由于对称关系，在同一种晶体结构中，有些晶面虽然在空间的位向不同，但其原子排列情况完全相同，这些晶面则隶属于同一晶面族，其晶面指数用大括号hkl表示,例如在立方晶系中晶面族包括(100)、(010)和(001)晶面； v.立方晶系中三种重要晶面111。,图1.6 立方晶胞中三种重要晶面指数,（2）晶向指数表示法,确定晶向指数(如图1-7AB晶向)的步骤如下: 设坐标 以晶胞的任一结点为原点，晶胞的三条棱边为坐标轴，并以晶胞棱边长

28、度为坐标轴的单位长度。 作平行线 过原点作一直线(OP)，使其平行于待标定的晶向(AB)。 求值 求直线上任一点(如P点)的三个坐标值(1，1，0)。 化简 将所求数值乘以公倍数化为最小简单整数(1，1，0); 入括号 将所求数值放入方括号，如110，即为所求的晶向指数。,2.晶体中的晶面与晶向（以立方晶系为例说明）,图1.7 立方晶胞中几种重要晶向指数,在确定和运用晶向指数时亦应注意: 晶向指数的通式可写成uvw； 同一晶向指数表示所有相互平行且方向一致的晶向； 原子排列相同但空间位向不同的所有晶向可归纳为同一晶向族，以uvw表示； 在立方晶系中，当一晶向uvw位于或平行于某一晶面(hkl)

29、时，必须满足以下关系:hu+kv+lw=0;当某一晶向与某一晶面垂直时，则其晶向指数和晶面指数必须完全相等，即u=h,v=k,w=l，例如100（100），111（111）等； 立方晶系中三种重要的晶向为、与。,（2）晶向指数表示法,2.晶体中的晶面与晶向（以立方晶系为例说明）,图1.7 立方晶胞中几种重要晶向指数,【例题1.2】 在一立方晶胞中，绘出下列晶面与晶向：（011）、（231）；111、231。,在立方晶系中，111晶面族共包含多少个晶面？,归纳与引申：,（1）已知晶面指数值，要求在所给定的立方晶胞中画出此晶面。其思考方法是依据晶面指数的求解步骤进行反向思维而展开，例如对于晶面（1

30、23），按照晶面指数的求解步骤反向进行就是先取倒数即1，1/2 ，1/3 ，这就是说该晶面在坐标系的三条坐标轴上的截距值为1，1/2 ，1/3 ，有了截距值该晶面就很容易绘出了。当已知晶向指数值时亦是如此，不过此时不是取倒数而是求出晶胞上某点的坐标值，例如对于晶向123，其求解步骤的反向就是找出该晶向上的某点在坐标系中的坐标值，即回到 化简前状态，1/3 ，2/3 ，1，那么该点 就很容易找出，从坐标原点出发连至该点 的有向直线即为所求晶向。,例题图1.2 立方晶胞示意图 ,（2）在已知立方晶胞中，若已知某晶面（或晶向）位置，欲求该晶面（或晶向）指数值。此时按求解晶面指数（晶向指数）步骤进行即

31、可。 （3）求解晶面（或晶向）指数时，应注意坐标原点的选取不是唯一的（即坐标原点可平移）。 （4）一定注意区分晶面族、晶向族与具体某晶面、某晶向，如100晶面族，它包括（100）、（010）与（001）三个晶面，而（100）晶面即为一具体晶面。,例题图1.2 立方晶胞示意图,晶面的原子密度是指该晶面单位面积中的原子数。 晶向的原子密度是指该晶向单位长度上的原子数。,（3）晶面及晶向的原子密度,2.晶体中的晶面与晶向,晶面的原子密度表,由于不同晶面与晶向具有不同的原子密度，因而晶体在不同方向上表现出不同的性能，即晶体各向异性。但实际上纯铁系多晶体，其在不同方向上并不表现各向异性，人们称之谓伪各向

32、同性。,（3）晶面及晶向的原子密度,2.晶体中的晶面与晶向,晶向的原子密度表,1.2.2 共价晶体与离子化合物的晶体结构Crystal structures of covalent and ionic crystals,（b）晶态聚乙烯,（a）金刚石,图1.8 常见的共价晶体结构,共价结合元素的键数等于(8-N)，N为外壳层的电子数。因此共价晶体的结构，也应服从(8-N)法则:在结构中每个原子都有(8-N)个最近邻原子（如图所示）。这类结构的特点是使每一离子共享有8个电子，成为稳定的共价结合。,（a）陶瓷MgO； （b）陶瓷ZrO2； （c）陶瓷Al2O3 图1-9 常见离子化合物的晶体结构,

33、常见的离子化合物的晶体结构有AB、AB2和A2B3三种类型，如上图1.9所示。,1.2.2 共价晶体与离子化合物的晶体结构Crystal structures of covalent and ionic crystals,1.2.3 实际晶体的结构特征Structure Characteristics of Real Crystals,实际晶体形成时，常会遇到一些不可避免的干扰，造成实际晶体与理想晶体(即单晶体)的一些差异。例如，处于晶体表面的离子与晶体内部的离子就有差别。又如，晶体在成长时，常常是在许多部位同时发展，结果得到的不是“单晶体”，而是由许多细小晶体按不规则排列组合起来的“多晶体”

34、（如图1-10所示）。所谓材料的组织系指各种晶粒的组合特征，即各种晶粒的尺寸大小、相对量、形状及其分布特征等。而实际应用的晶体材料的结构特点是，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。,（a）单晶体 （b）多晶体 （c）多晶体纯铁在显微镜下的组织 图1-10 单晶体与多晶体示意图,晶体缺陷 金属晶体中，原子排列或多或少地存在偏离理想结构的区域，称为晶体缺陷。 点缺陷 指在三维方向上尺度都很小(不超过几个原子直径)的缺陷。常见的点缺陷有三种，即空位、间隙原子和置换原子。,（a）弗兰克尔缺陷 （b）肖脱基缺陷,线缺陷：在晶体中，有一列或若干列原子发生有规律的错排现象

35、，即位错 ，用位错密度表示,金属的位错密度为1041012/cm2,晶体中刃型和螺型位错示意图,图1-13所示为螺型位错示意图。如图1.13（a）示，设想在简单立方晶体的右端施加一切应力，使其右端上、下两部分晶体沿滑移面ABCD发生一个原子间距的相对切变，此时左半部分晶体仍未产生滑移（塑性变形），出现了已滑移区和未滑移区的边界bb，此即螺型位错线。图（b）给出了bb附近原子的排列情况，晶体中大部分原子仍保持正常位置，但在bb和aa间出现了一个约几个原子间距宽，上、下层原子不吻合的过渡区，在此过渡区中，原子的正常排列遭到破坏。若以bb线为轴，从a点开始，按顺时针方向依次连接过渡区内的各原子，则其

36、走向与一个右旋螺纹的前进方向一样，如图（c）所示。这说明位错线附近的原子是按螺旋形排列的，故称其为螺型位错。若用拇指代表螺旋前进方向，而以其余四指代表螺旋的旋转方向，凡符合右手法则的称为右螺型位错，符合左手的则为左螺型位错。,线缺陷（linear defects）,图1.13 螺型位错示意图,线缺陷（linear defects）,在实际晶体中通常含有大量的位错，这些位错甚至相互连接呈网状分布(如左下图所示)。人们常用位错密度(单位体积中所包含的位错线的总长度或穿过单位截面积的位错线数目)表示，即=L/V(式中V-晶体体积;L-该晶体中位错线的总长度)，其量纲为cm/cm3或1/cm2。如图1

37、.14所示，一般在经充分退火的多晶体金属中位错密度达106108cm/cm3，而经过剧烈冷塑性变形的金属，其位错密度可高达10111012cm/cm3,即在1cm3的金属内含有千百万公里长的位错线。,图1.14 金属强度与位错密度关系,TEM下铁的位错网络,三维位错网络示意图,透射电镜观察钛合金中的位错线,高分辨率电镜观察刃位错（白点为原子）,面缺陷 指晶体中一维尺度很小而其它二维尺度很大的缺陷。面缺陷有相界、晶界、亚晶界、孪生晶界、堆垛层错等。,晶界（a）及亚晶界（b）,变形后的石英晶体中的亚晶结构,70%Cu-30%Zn合金孪晶结构,实际金属晶体中的缺陷,点缺陷 线缺陷 面缺陷,表1.2

38、实际金属晶体缺陷的特征,1.2.4 同素异构(晶)转变(多晶型转变)Allotropy and polymorphism,伴随着外界条件(温度或压力)的变化，物质在固态时所发生的晶体结构的转变，称为同素异构(晶)转变，亦称多晶型转变。具有同一化学组成却有不同晶体结构的材料，即称为同素异构(晶)体或多晶性材料。 固态下的同素异构转变与液态结晶一样，也是形核与长大的过程。为了与液态结晶加以区别，将这种固态下的晶体结构变化过程称为重结晶。同素异构转变也需要过冷，而且过冷倾向很大。由于晶格类型的改变必然伴随着体积的变化，所以造成很大的内应力。但在工程上，同素异构转变又具有重大实际意义。因为化学组成相同

39、的材料，可以具有不同的晶体结构，因而所获得的性能也迥然不同。,图1.16 纯铁的同素异构转变,1.2.4 同素异构(晶)转变(多晶型转变) Allotropy and polymorphism,如图1-16所示系纯铁的冷却曲线，可以看出，纯铁在1538结晶为-Fe,具有BCC结构；当温度继续冷却至1394时，-Fe转变为FCC的-Fe，通常把-Fe=-Fe的转变称为A4转变，转变的平衡临界点称为4点。当温度继续冷至912时，FCC的-Fe又转变为BCC的-Fe，把-Fe=-Fe的转变称为3转变，转变的平衡临界点称为3点。在912以下，铁的结构不再发生变化。这样一来，纯铁就具有三种同素异构状态，

40、即-Fe、-Fe和-Fe。纯铁的同素异构转变是构成铁碳合金相图、钢的合金化和热处理的重要基础。 许多无机材料和聚合物材料也都具有类似同素异构转变的特性，如石墨和金刚石同属于碳，但因晶体结构不同而具有截然不同的性能。,图1.16 纯铁的同素异构转变,1.组元、相、组织与合金的概念 （1）组元（constituent） 组成材料的最基本、独立的物质称为“组元”。组元可以是纯元素，也可是稳定化合物。金属材料的组元多为纯元素,无机材料则多为化合物。 （2）相（phase） 材料中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为“相”。若材料是由成分、结构相同的同种晶粒构

41、成的，尽管各晶粒之间有界面隔开，但它们仍属于同一种相。若材料是由成分、结构都不相同的几部分构成，则它们应属于不同的相。例如工业纯铁是单相合金（如左下图所示），共析碳钢在室温下由铁素体和渗碳体两相（如下图所示）组成，而陶瓷材料则由晶相、玻璃相(即非晶相)与气相三相所组成(如右下图所示)。,1.3.1 晶体材料的基本相结构 Structure Characteristics of Common Engineering Materials,1.组元、相、组织与合金的概念,“相结构”指的是相中原子的具体排列规律，即相的晶体结构。 （3）组织（microstructure）与相的关系 “组织”是与“相”

42、有紧密联系的概念。“相”是构成组织的最基本组成部分;但是当“相”的大小、形态与分布不同时会构成不同的微观形貌(图象)，各自成为独立的单相组织，或与别的相一起形成不同的复相组织。例如左下图所示工业纯铁的显微组织就是由单相构成的组织，而正下图所示共析碳钢的显微组织则是由相与Fe3C相层片交替、相间分布共同构成的组织（即称珠光体）。而普通陶瓷则由右下图所示晶相、玻璃相和气相所组成。,1.组元、相、组织与合金的概念 组织是材料性能的决定性因素。相同条件下，材料的性能随其组织的不同而变化。因此在工业生产中，控制和改变材料的组织具有相当重要意义。由于一般固体材料不透明，故需先制备金相试样，包括样品的截取、

43、磨光和抛光等步骤，把欲观察面制成平整而光滑如镜的表面，然后经过一定的浸蚀，再在金相显微镜下观察其显微组织（如左下图所示）。 （4）合金 由两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为“合金”。例如，黄铜是铜和锌组成的合金，碳钢和铸铁是铁和碳组成的合金。由给定组元可按不同比例配制出一系列不同成分的合金，这一系列合金就构成一个合金系统，简称合金系。两组元组成的为二元系，三组元组成的为三元系等。,（1）固溶体（solid solution） 定义：指溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的均一、保持溶剂晶体结构的结晶相。其分类如下。 按照溶质原子在溶剂晶格中所占据位置分类: i.置

44、换固溶体 系指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体，犹如这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换一样，因此称为置换固溶体，如图1-17a示。当溶质原子与溶剂原子的直径、电化学性质等较为接近时，一般可形成置换固溶体。 ii.间隙固溶体 溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是嵌入溶剂原子间的一些间隙中，如图1-17b示。当溶质原子直径(如C、N等元素)远小于溶剂原子(如Fe、Co、Ni等过渡族金属元素等)时，一般形成间隙固溶体。,2.晶体材料的基本相结构,图1.17 固溶体的两种类型,置换固溶体, 间隙固溶体,（1）固溶体（solid solution） 按固态溶解度分类: i.有限固溶体 在一定条件下，溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度，超过此限度就不再溶解了。这一限度称为溶解度或固溶度，这种固溶体称为有限固溶体，大部分固溶体都属于此类(间隙固溶体只能是有限固溶体)。 ii.无限固溶体 溶质原子能以任意比例溶