機(jī)械工程材料課件-金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1、n普通彈性材料（例如低碳鋼）在拉伸實(shí)驗(yàn)中會(huì)經(jīng)歷普通彈性材料（例如低碳鋼）在拉伸實(shí)驗(yàn)中會(huì)經(jīng)歷4個(gè)階段：個(gè)階段：彈性形變、屈服階段、強(qiáng)化階段、破壞直至斷裂彈性形變、屈服階段、強(qiáng)化階段、破壞直至斷裂 n彈性形變：即材料所受拉力在彈性極限之內(nèi)，拉力與材料伸彈性形變：即材料所受拉力在彈性極限之內(nèi)，拉力與材料伸長(zhǎng)成正比（胡克定律）。當(dāng)外力撤去之后，材料會(huì)恢復(fù)原來(lái)長(zhǎng)成正比（胡克定律）。當(dāng)外力撤去之后，材料會(huì)恢復(fù)原來(lái)的長(zhǎng)度。的長(zhǎng)度。 n屈服階段：在外部拉力超過(guò)彈性極限之后，材料失去抵抗外屈服階段：在外部拉力超過(guò)彈性極限之后，材料失去抵抗外力的能力而力的能力而“屈服屈服”，即在此情況下外力無(wú)顯著變化材料依，即在

2、此情況下外力無(wú)顯著變化材料依然會(huì)伸長(zhǎng)。當(dāng)外力撤去后，材料無(wú)法回到原來(lái)的長(zhǎng)度。然會(huì)伸長(zhǎng)。當(dāng)外力撤去后，材料無(wú)法回到原來(lái)的長(zhǎng)度。 n強(qiáng)化階段：材料在內(nèi)部晶體重新排列后重新獲得抵抗拉伸的強(qiáng)化階段：材料在內(nèi)部晶體重新排列后重新獲得抵抗拉伸的能力，但此時(shí)的形變?yōu)樗苄孕巫儯饬Τ啡ズ鬅o(wú)法回到原來(lái)能力，但此時(shí)的形變?yōu)樗苄孕巫儯饬Τ啡ズ鬅o(wú)法回到原來(lái)的長(zhǎng)度。的長(zhǎng)度。n破壞階段：材料在過(guò)度受力后開(kāi)始在薄弱部位出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，破壞階段：材料在過(guò)度受力后開(kāi)始在薄弱部位出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，抵抗拉伸能力急劇下降，直至斷裂。抵抗拉伸能力急劇下降，直至斷裂。 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屈服極限屈服極限：0APss s s0APbb s s抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度：E1.彈性階段彈性階段2.屈服階段屈服階段3.強(qiáng)化階段強(qiáng)化階段線彈性階段線彈性階段屈服階段屈服階段強(qiáng)化階段強(qiáng)化階段低碳鋼拉伸低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線應(yīng)力應(yīng)變曲線頸縮階段頸縮階段屈服點(diǎn)屈服點(diǎn)s和抗拉強(qiáng)度和抗拉強(qiáng)度b是反映材料強(qiáng)度的兩個(gè)性能指是反映材料強(qiáng)度的兩個(gè)性能指標(biāo)，也是拉伸試驗(yàn)中需要測(cè)定的重要數(shù)據(jù)。標(biāo)，也是拉伸試驗(yàn)中需要測(cè)定的重要數(shù)據(jù)。0.2對(duì)應(yīng)于試樣產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于試樣產(chǎn)生0.2%的塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值的塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值為材料的屈服強(qiáng)度為材料的屈服

4、強(qiáng)度對(duì)塑性低的材料（如鑄鐵），沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)對(duì)塑性低的材料（如鑄鐵），沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)第二章第二章 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬材料的組織結(jié)構(gòu)n金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)n純金屬的結(jié)構(gòu)純金屬的結(jié)構(gòu)n金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變n合金的相結(jié)構(gòu)合金的相結(jié)構(gòu)n合金相圖合金相圖一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)n基本概念基本概念n純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu)n合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)1、基本概念、基本概念n晶體晶體：由許多金屬原子：由許多金屬原子/離子在空間按一定離子在空間按一定幾何形式規(guī)則地緊密排列。（周期性）幾何形式規(guī)則地緊密排列。（周期性）對(duì)比非晶體：原子無(wú)規(guī)則堆積（過(guò)冷液體）。

5、對(duì)比非晶體：原子無(wú)規(guī)則堆積（過(guò)冷液體）。晶體（晶體（金剛石、金剛石、NaClNaCl、冰冰 ）非晶體非晶體（蜂蠟、玻璃蜂蠟、玻璃 ）液體液體晶體特性晶體特性固定熔點(diǎn)；各向異性固定熔點(diǎn)；各向異性熔點(diǎn)熔點(diǎn)晶體晶體非晶體非晶體時(shí)間時(shí)間溫溫度度晶體和非晶體的熔化曲線晶體和非晶體的熔化曲線XYZ原子（離子）的剛球模型原子（離子）的剛球模型原子中心位置原子中心位置n晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)晶胞晶胞點(diǎn)陣（晶格）模型點(diǎn)陣（晶格）模型n晶格晶格將原子抽象為一個(gè)幾何結(jié)點(diǎn)，并將原子抽象為一個(gè)幾何結(jié)點(diǎn)，并用直線聯(lián)接中心，所構(gòu)成的一個(gè)空間格架。用直線聯(lián)接中心，所構(gòu)成的一個(gè)空間格架。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幾何單元幾何單元XYZabc晶格常數(shù)晶格常數(shù)a，b，ca a n晶格常數(shù)晶格常數(shù)n晶面晶面: 通過(guò)原子中心的平面通過(guò)原子中心的平面n晶向晶向：通過(guò)原子中心的直線所指的方向：通過(guò)原子中心的直線所指的方向XYZabcXYZabc2、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)n金屬鍵金屬鍵決定特性決定特性大量自由電子大量自由電子良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性電子云與離子間引力電子云與離子間引力高強(qiáng)度和良好塑性高強(qiáng)度和良好塑性緊密的金屬鍵緊密的金屬鍵排列緊密的高對(duì)稱晶格排列緊密的高對(duì)稱晶格三種常見(jiàn)的金屬晶體結(jié)構(gòu)三種常見(jiàn)的金屬晶體結(jié)構(gòu)n體心立方晶格體心立方晶格 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）體心立方晶格）體心立方晶格 bccbcc如如a a-Fe、W、V、Mo 等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a=b=c； a a = = = = = 90 = 90 晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：原子半徑：原子半徑：致密度：致密度：0.680.68致密度致密度=Va /Vc=Va /Vc，其中，其中VcVc: :晶胞體積晶胞體積a a3 3VaVa: :原子總體積原子總體積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 等等晶格常數(shù)晶格常數(shù)：a=b=

8、c； a a = = = = = 90 = 90 晶胞原子數(shù)晶胞原子數(shù)：原子半徑：原子半徑：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 晶格常數(shù)晶格常數(shù)底面邊長(zhǎng)底面邊長(zhǎng)a a底面間距底面間距c c側(cè)面間角側(cè)面間角120120 側(cè)面與底面夾角側(cè)面與底面夾角9090 晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：6 6原子半徑：原子半徑：a/2a/2致密度：致密度：0.740.743、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)n單晶體單晶體原子排列相同，晶格位向一致原子排列相同，晶格位向一致n多

9、晶體多晶體多晶粒和多晶界多晶粒和多晶界 晶粒晶粒（單晶體）（單晶體）n晶粒晶粒晶體中包含的具有不規(guī)則顆粒外晶體中包含的具有不規(guī)則顆粒外形的小晶體形的小晶體n晶界晶界晶粒界面，不同的位向過(guò)渡區(qū)晶粒界面，不同的位向過(guò)渡區(qū)晶體缺陷類型晶體缺陷類型n點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、異類原子點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、異類原子n線缺陷：位錯(cuò)線缺陷：位錯(cuò)n面缺陷：晶界與亞晶界面缺陷：晶界與亞晶界間隙原子是其它元素則稱為間隙原子是其它元素則稱為異類原子異類原子 （雜質(zhì)原子）（雜質(zhì)原子）空位空位 間隙原子間隙原子（1 1）點(diǎn)缺陷）點(diǎn)缺陷（2 2）線缺陷）線缺陷 刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)刃位錯(cuò)刃位錯(cuò) 刃位錯(cuò)刃位錯(cuò) 螺旋

10、位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)（3 3）面缺陷）面缺陷晶界晶界亞晶界亞晶界亞晶界亞晶界面缺陷引起晶格畸變，面缺陷引起晶格畸變，晶粒越細(xì)，則晶界越多，晶粒越細(xì)，則晶界越多，強(qiáng)度和塑性越高。強(qiáng)度和塑性越高。二、純金屬的結(jié)晶二、純金屬的結(jié)晶n結(jié)晶結(jié)晶n結(jié)晶條件（結(jié)晶溫度）結(jié)晶條件（結(jié)晶溫度）n結(jié)晶過(guò)程（形核與長(zhǎng)大）結(jié)晶過(guò)程（形核與長(zhǎng)大）n晶粒細(xì)化晶粒細(xì)化結(jié)晶：結(jié)晶： 液體液體 - 晶體晶體凝固凝固： 液體液體 - 固體（晶體固體（晶體 或或 非晶體）非晶體）晶體液體液體結(jié)晶結(jié)晶冷卻曲線冷卻曲線熱分析法熱分析法tTT0Tn理論結(jié)晶溫度理論結(jié)晶溫度開(kāi)始結(jié)晶溫度開(kāi)始結(jié)晶溫度 T T= T0 - Tn純金屬結(jié)晶的條件純金屬結(jié)

11、晶的條件就是應(yīng)當(dāng)有一定的就是應(yīng)當(dāng)有一定的過(guò)冷度過(guò)冷度（克服界面能）（克服界面能）冷卻速度越大，則過(guò)冷度越大。冷卻速度越大，則過(guò)冷度越大。結(jié)晶過(guò)程結(jié)晶過(guò)程形核形核和和晶核長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大的過(guò)程的過(guò)程液態(tài)金屬液態(tài)金屬形核形核晶核長(zhǎng)大晶核長(zhǎng)大完全結(jié)晶完全結(jié)晶（1 1）形核過(guò)程）形核過(guò)程自發(fā)形核自發(fā)形核由液體金屬內(nèi)部原子聚集，超過(guò)由液體金屬內(nèi)部原子聚集，超過(guò)臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。非自發(fā)形核非自發(fā)形核是依附于外來(lái)雜質(zhì)上生成的晶核。是依附于外來(lái)雜質(zhì)上生成的晶核。（2 2）長(zhǎng)大過(guò)程）長(zhǎng)大過(guò)程平面生長(zhǎng)平面生長(zhǎng)與樹(shù)枝狀生長(zhǎng)樹(shù)枝狀生長(zhǎng)平面生長(zhǎng)示意圖平面生長(zhǎng)示意圖細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的

12、措施細(xì)化鑄態(tài)金屬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級(jí)級(jí)。晶粒度晶粒度1 12 23 34 45 56 67 78 8單位面積晶粒數(shù)單位面積晶粒數(shù)（個(gè)（個(gè)/mm/mm2 2）16326412825651210242048晶粒平均直徑晶粒平均直徑（mm）2501771258862443122細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化晶粒細(xì)化使金屬機(jī)械性能提高的現(xiàn)象晶粒細(xì)化使金屬機(jī)械性能提高的現(xiàn)象細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性細(xì)化晶粒的措施細(xì)化晶粒的措施（1 1）提高過(guò)冷度）提高過(guò)冷度形核率形核率N 、長(zhǎng)大速度長(zhǎng)大速度G 與與 過(guò)冷度過(guò)冷度T 的關(guān)系的關(guān)系（2 2）變質(zhì)

13、處理）變質(zhì)處理在液體金屬中加入變質(zhì)劑在液體金屬中加入變質(zhì)劑( (孕育劑孕育劑) )，以細(xì)，以細(xì)化晶粒和改善組織的工藝措施?；Я：透纳平M織的工藝措施。作用作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長(zhǎng)大：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長(zhǎng)大（3 3）振動(dòng)結(jié)晶）振動(dòng)結(jié)晶作用作用：使樹(shù)枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化：使樹(shù)枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)，或電磁攪拌等。機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)，或電磁攪拌等。三、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變?nèi)?、金屬的同素異?gòu)轉(zhuǎn)變n同素異構(gòu)性同素異構(gòu)性一種金屬具有兩種或兩種一種金屬具有兩種或兩種以上的晶格結(jié)構(gòu)以上的晶格結(jié)構(gòu)n同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)金屬在

14、固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。重結(jié)晶特點(diǎn)重結(jié)晶特點(diǎn)：晶界形核，晶界形核， T大，內(nèi)應(yīng)力大大，內(nèi)應(yīng)力大純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變 -Fe，bcc -Fe，fcc a a-Fe，bcc1394 C912 C -Fe，fcca a-Fe，bcc912 C純鐵的冷卻曲線純鐵的冷卻曲線TFe，bcca-Fe，bcc-Fe，fccCooling curve770鐵磁性鐵磁性四、合金的相結(jié)構(gòu)四、合金的相結(jié)構(gòu)n基本概念基本概念n固溶體固溶體n化合物化合物1、基本概念、基本概念n合金合金兩種以上元素組合成的、具有金屬特性的兩種以上元

15、素組合成的、具有金屬特性的物質(zhì)。如，物質(zhì)。如，Cu-Zn, Fe-C等合金等合金n組元組元組成合金的最基本、獨(dú)立的物質(zhì)（元素、組成合金的最基本、獨(dú)立的物質(zhì)（元素、穩(wěn)定化合物）。如，穩(wěn)定化合物）。如，F(xiàn)e-C合金中，合金中，F(xiàn)e、C均為組元。均為組元。n相相化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)相同，且以界面分開(kāi)的各均化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)相同，且以界面分開(kāi)的各均勻組成部分。勻組成部分。水（液相）水（液相）水水+冰冰（雙相）（雙相）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 鐵素體（鐵素體（ F ）n組織組織 相的形狀、分布、組合狀態(tài)。相的形狀、分布、組合狀態(tài)。單相組織（單相組織（F）雙相組織（雙相組織（F+ Fe3 C）n固溶體固溶體 溶質(zhì)原子溶于溶劑晶格中，保溶質(zhì)原子溶于溶劑晶格中，保持溶劑晶格的合金相。持溶劑晶格的合金相。n化合物化合物合金組元形成晶格類型與任一合金組元形成晶格類型與任一組元都不相同的新相。組元都不相同的新相。合金中兩類基本相：合金中兩類基本相：2、固溶體、固溶體n間隙固溶體、置換固溶體間隙固溶體、置換固溶體鐵中形成間隙固溶體的有：鐵中形成間隙固溶體的有：H、O、C、B、N；形成置換固溶體的有：；形成置換固溶體的有：Mn、Ni、Cr、Si、Mon有限固溶體、無(wú)限固溶體有限固溶體、無(wú)限固溶體ZX