工學(xué)金屬材料及熱處理PPT課件

1、1第一章 材料的結(jié)構(gòu) 本章提要 結(jié)合鍵與材料的性質(zhì) 晶體學(xué)的基本概念 純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 合金的晶體結(jié)構(gòu)第1頁/共75頁2第一章 材料的結(jié)構(gòu)第一節(jié) 材料的結(jié)合方式化學(xué)鍵 化學(xué)鍵組成物質(zhì)的質(zhì)點的相互作用力。1. 共價鍵 共用電子對 有飽和性與方向性。 共價晶體高熔點，高強(qiáng)度，較好絕緣性。第2頁/共75頁32. 離子鍵得失電子形成沒有方向性和飽和性離子晶體高熔點，高硬度，導(dǎo)電（熔融） 第3頁/共75頁43. 金屬鍵原子共用自由電子形成無飽和性和方向性。金屬晶體原子排列密度高，能變形，導(dǎo)電，導(dǎo)熱。第4頁/共75頁5金屬原子結(jié)構(gòu)的特點外層電子少，易失去。有自由電子。金屬離子與自由電子形成鍵。金屬鍵無方向

2、性有良好的塑性有固溶能力第5頁/共75頁64. 范德瓦爾鍵 分子間靜電引力形成，分子鍵 聚合物鏈間沒有方向性和飽和性分子晶體 如冰、干冰等熔點低，硬度小第6頁/共75頁7工程材料的鍵性 圖1-4第7頁/共75頁8第二節(jié) 晶體學(xué)基礎(chǔ)晶體與非晶體晶體：物質(zhì)的質(zhì)點在三維空間作有規(guī)律的周期性重復(fù)排列所形成的物質(zhì)。長程有序晶體的特性：各向異性、固定的熔點、產(chǎn)生電子衍射等。第8頁/共75頁9Al 原子的微觀排列第9頁/共75頁10 單晶體的各向異性第10頁/共75頁11空間點陣1. 點陣、陣點與晶格 空間點陣：將理想晶體抽象為無數(shù)相同的質(zhì)點（原子等的中心），其在空間的排列稱為空間點陣，簡稱點陣。 陣點：點

3、陣中的單個質(zhì)點。 晶格：將陣點用一系列平行的直線連接起來構(gòu)成的空間格架。第11頁/共75頁122. 晶胞 晶胞：構(gòu)成點陣的最基本單元。 晶胞選擇的依據(jù)：反映點陣的規(guī)律 反映點陣對稱性。 平衡六面體內(nèi)各角與棱盡量相等。 棱之間盡量為直角。 晶胞體積最小。第12頁/共75頁133. 晶胞參數(shù)： 晶格常數(shù)、 晶軸間角、4. 七個晶系與十四種Bravis點陣第13頁/共75頁14第14頁/共75頁15晶向指數(shù)與晶面指數(shù)基本概念晶面：晶體中由一系列原子組成的平面。晶向：任意兩個原子之間連線所指的方向。晶向指數(shù)與晶面指數(shù)：標(biāo)明晶面與晶向空間方位排列的統(tǒng)一方法。第15頁/共75頁161.晶向指數(shù) 晶格中的點

4、 三步法確定晶向指數(shù) 建坐標(biāo)，確定點 “末”- “始”，數(shù)字定 化整，加 第16頁/共75頁17 試寫出以下晶向指數(shù)uvw第17頁/共75頁18 晶向族 平行且同向的晶向指數(shù)相同。 方向相反晶向的指數(shù)為相反數(shù)。 用代表所有原子排列相同但空間位向不同的晶向，稱晶向族。第18頁/共75頁19 正交系常用晶向指數(shù)第19頁/共75頁202.晶面指數(shù) 三步法確定晶面指數(shù)（hkl） 取坐標(biāo) 求截距 求倒數(shù)、化整 第20頁/共75頁21 試寫出以下晶面指數(shù)（hkl）第21頁/共75頁22 晶面族 平行晶面的指數(shù)相同 指數(shù)互為相反數(shù)時，晶面法線反向 用hkl代表空間位向不同，但原子排列情況完全相同的晶面，稱為

5、晶面族。第22頁/共75頁23 立方系常用晶面指數(shù)第23頁/共75頁24 111四面體 DABC第24頁/共75頁253. 六方晶系的晶面指數(shù)與晶向指數(shù)四軸坐標(biāo)晶面指數(shù) 同于立方系方法晶向指數(shù) 轉(zhuǎn)換法 u=1/3（2U-V） v=1/3（2V-U） t= -(u+v） w=W第25頁/共75頁26 六方系常用晶面與晶向第26頁/共75頁274. 晶帶與晶帶定理 晶帶：由與某一晶向直線平行及所有相交于該晶向直線的所有晶面構(gòu)成的集合。該直線稱為該晶體帶軸。 晶帶定理：在立方晶系中，若晶面（hkl）的晶帶軸是uvw，則必有hu+kv+lw=0 反之亦然。第27頁/共75頁28應(yīng)用： 根據(jù)兩不平行晶面

6、的指數(shù)（h1 k1 l1），（h2 k2 l2）可以求出它們所在晶帶的晶帶軸uvw。u=k1l2 - k2l1v=l1h2 - l2h1w=h1k2 - h2k1第28頁/共75頁295.晶面間距22222222221( )( )( )14 ()( )3hklhklhkldhklabcadhkldhhkklac 正交系 立方系 六方系第29頁/共75頁30第三節(jié) 材料的晶體結(jié)構(gòu)典型金屬的晶體結(jié)構(gòu) 體心立方、面心立方、密排六方結(jié)構(gòu) 第30頁/共75頁31 晶胞中的原子數(shù) 原子半徑 配位數(shù) 致密度 原子堆垛方式 晶體結(jié)構(gòu)中的間隙第31頁/共75頁321.晶胞中的原子數(shù)第32頁/共75頁332.原子

7、半徑第33頁/共75頁343. 配位數(shù) 配位數(shù)：一個原子周圍最近鄰并且等距離的原子的個數(shù)。FCCCPH第34頁/共75頁354.致密度晶胞中原子所占的體積體心立方面心立方密排六方第35頁/共75頁365.原子堆垛單擊看動畫體心立方的原子堆垛密排面110第36頁/共75頁37第37頁/共75頁38密排六方與面心立方的原子堆垛 密排面原子排列特點密排面111，（0001）原子形成密集堆積的堆積位置可以是 A, B或者C第38頁/共75頁39 面心立方晶胞中的密堆積面第39頁/共75頁40面心立方與密排六方堆垛的差異第40頁/共75頁41密排六方的原子堆垛第41頁/共75頁42面心立方的原子堆垛第4

8、2頁/共75頁436.晶體結(jié)構(gòu)中的間隙 體心立方結(jié)構(gòu)的間隙第43頁/共75頁44 面心立方結(jié)構(gòu)的間隙第44頁/共75頁45 密排六方結(jié)構(gòu)的間隙第45頁/共75頁467.多晶型性 多晶型性及多晶型轉(zhuǎn)變：一種材料具有幾種不同晶體結(jié)構(gòu)的性質(zhì)稱多晶型性。當(dāng)改變溫度或壓力時，晶體從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)，稱多晶型轉(zhuǎn)變。 意義：熱處理的工藝基礎(chǔ)通過改變結(jié)構(gòu)而改變性能 多晶型轉(zhuǎn)變的體積變化第46頁/共75頁47純鐵的多晶型轉(zhuǎn)變及體積變化第47頁/共75頁48共價晶體的晶體結(jié)構(gòu) 特點：配位數(shù)低（8-N），致密度低第48頁/共75頁49第49頁/共75頁50離子晶體的晶體結(jié)構(gòu) 特點：配位數(shù)主要由離子的半徑比決

9、定。第50頁/共75頁51簡單離子晶體的結(jié)構(gòu)第51頁/共75頁52合金的相結(jié)構(gòu) 基本概念合金：由兩種或兩種以上金屬元素，或金屬與非金屬元素，經(jīng)過熔煉、燒結(jié)或其他方法組合而成，具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金的最基本的獨立物質(zhì)，單質(zhì)或化合物。 相：聚集狀態(tài)相同的，結(jié)構(gòu)和性質(zhì)一致，并以界面相互隔開的均勻的組成部分。第52頁/共75頁53合金中的相的顯微鏡形貌 單相合金與兩相合金第53頁/共75頁541.固溶體 概念：B組元的原子完全溶入固相的A組元，并保持A的晶體結(jié)構(gòu)所形成的合金相。A,B分別稱為溶劑組元與溶質(zhì)組元。 分類 置換固溶體與間隙固溶體 有限固溶體與無限固溶體 有序固溶體與無序固溶體第

10、54頁/共75頁55 間隙固溶體 H,O,N,C,B等溶入過渡金屬中形成 Rb/Ra0.59 晶格膨脹 固溶度有限 溶劑間隙的形狀與大小影響固溶度第55頁/共75頁56 置換固溶體 常在過渡金屬組元之間形成 也有晶格畸變 條件合適時組元濃度可以連續(xù)變化第56頁/共75頁57 影響置換固溶體固溶度的因素 晶體結(jié)構(gòu)因素 相同時易實現(xiàn)無限互溶 原子尺寸因素R/Ra14%-15%，易大量固溶 電負(fù)性因素接近時易大量固溶 電子濃度因素受極限電子濃度制約，價越高的溶 質(zhì)其溶解度越小第57頁/共75頁58電子濃度因素 現(xiàn)象：1價以上的金屬原子溶于面心立方Cu（或者Ag,Au）中形成固溶體時，存在一極限電子濃

11、度值。超過此值將有新相形成。 核心：固溶體的固溶度受極限電子濃度制約。 電子濃度的定義 e/a(固溶體價電子數(shù)/原子數(shù))=Va,Vb:溶劑與溶質(zhì)的化合價X: 溶質(zhì)的原子數(shù)，100Va(100-x)+Vb x100第58頁/共75頁59 固溶體的微觀不均勻性宏觀均勻的固溶體微觀可表現(xiàn)為無序、偏聚及短程有序的分布。第59頁/共75頁60 有序固溶體第60頁/共75頁61第61頁/共75頁62 固溶體的晶格畸變第62頁/共75頁63 固溶體的性能與應(yīng)用 固溶強(qiáng)化隨溶質(zhì)濃度提高，強(qiáng)度硬度增大同時塑性韌性下降。 作為合金組織的基體相使用可以承力，可以變形。第63頁/共75頁642.中間相金屬化合物 概念

12、：溶質(zhì)含量超過溶解度極限時出現(xiàn)的具有全新晶體結(jié)構(gòu)的新相。 鍵性：主要金屬鍵，兼有離子鍵、共價鍵。 種類： 正常價化合物、電子化合物、間隙相與間隙化合物第64頁/共75頁65 正常價化合物 符合化合價規(guī)律 金屬IVA,VA,VIA元素間 電負(fù)性差越大，離子鍵比例越大，化合物越穩(wěn)定 常見的離子晶體型的陶瓷材料 高硬度高脆性，可作彌散強(qiáng)化相第65頁/共75頁66 常見結(jié)構(gòu)第66頁/共75頁67 電子化合物 Hume-Rothery定律 以貴金屬為主的過渡金屬間形成，成分有一定變化范圍 金屬鍵 硬度高脆性大 有色金屬中的彌散強(qiáng)化相第67頁/共75頁68 間隙相與間隙化合物 過渡金屬與H,B,C,N等形成 不是固溶體第68頁/共75頁69 間隙相 Rx/Rm0.59，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜 過渡金屬的碳化物 比間隙相略低的熔點和硬度 鋼中彌散強(qiáng)化相第70頁/共75頁71 中間相的性能與應(yīng)用 硬度高，熔點高 可作彌散強(qiáng)化相 提高合金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性、耐熱性 用于耐熱合金、硬質(zhì)合金、有色合金、鋼的強(qiáng)化第71頁/共75頁72