工程材料課件

工程材料課件第一頁，共二十二頁，2022年，8月28日1、金屬鍵

正離子與自由電子的相互吸引，將所有的金屬原子結(jié)合起來，使金屬處于穩(wěn)定的晶體狀態(tài)。金屬原子的這種結(jié)合方式稱為“金屬鍵”。2、金屬的特性(1)良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性能。(2)正的電阻溫度系數(shù)。(3)不透明有金屬光澤。(4)有延展性(塑性)。金屬鍵無飽和性和方向性(5)鍵的結(jié)合力相差大金屬鍵第二頁，共二十二頁，2022年，8月28日2.2金屬晶體結(jié)構(gòu)2.2.1晶體結(jié)構(gòu)的基本概念

1、晶體—原子在空間呈規(guī)則排列的固體物質(zhì)。晶體具有固定的熔點(diǎn)。具有各向異性非晶體—原子無序地堆積在一起。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。晶體：金剛石、NaCl、冰等非晶體：

蜂蠟、玻璃等。第三頁，共二十二頁，2022年，8月28日2、晶體結(jié)構(gòu)

金屬的性能不僅取決于原子間的鍵和方式，而且與原子在空間的排列情況密切相關(guān)。⑴晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成的三維空間格架。(2)晶胞：組成晶格的最小幾何組元

由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)陣

直線的交點(diǎn)（原子中心）稱結(jié)點(diǎn)第四頁，共二十二頁，2022年，8月28日(4)晶面：在晶格中由一系列原子所構(gòu)成的平面。(3)晶格常數(shù)棱邊夾角α、β、γ棱邊長度a、b、c(5)晶向:在晶格中，任意兩原子之間的連線所指的方向。(6)原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。(9)致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。(7)晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。(8)配位數(shù)：晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目第五頁，共二十二頁，2022年，8月28日2.2.2典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)原子分布在立方晶胞的八個(gè)角上和立方體的體心。1、體心立方晶格(1)晶胞特征參數(shù)a(a=b=c),α=β=γ=90°(2)晶胞中的原子數(shù)n=8×1/8＋1=2個(gè)(3)原子半徑α-Fe、Cr、Mo、W、V等

(4)配位數(shù)：8(5)致密度第六頁，共二十二頁，2022年，8月28日2、面心立方晶格原子分布在立方晶胞的八個(gè)角上和六個(gè)面的中心

γ-Fe、Cu、Ni、Al、Ag、Au等

(2)晶胞原子數(shù)：4(3)原子半徑(5)致密度：AFP=0.74(4)配位數(shù)：12(1)晶胞特征參數(shù)a(a=b=c)，α=β=γ=90°;第七頁，共二十二頁，2022年，8月28日3、密排六方晶格

原子分布在六方晶胞的十二個(gè)角上以及兩底面的中心和兩底面之間的三個(gè)均勻分布的間隙里。Zn、Mg、Be、Cd等(1)晶格尺寸a=b≠c，α=β=90o，γ=120o；c/a≈1.633(5)致密度(2)晶胞原子數(shù)：(3)原子半徑：r=a/2n=3+2×1/2+12×1/6=6(4)配位數(shù)：12第八頁，共二十二頁，2022年，8月28日1、單晶體與多晶體結(jié)構(gòu)力學(xué)性能特點(diǎn)：各向同性力學(xué)性能特點(diǎn)：各向異性(1)單晶體—結(jié)晶方位完全一致的晶體。(2)多晶體—由許多晶格排列方位不相同的晶粒(小晶體)構(gòu)成的晶體。2.2.3典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)ZXYZYX第九頁，共二十二頁，2022年，8月28日(3)晶界—晶粒與晶粒之間的界面亞晶界—亞晶粒的邊界。亞晶?！活w晶粒內(nèi)尺寸更小、位向差很小(1o～2o)的小晶塊。(4)顯微組織—在顯微鏡下觀察到的材料內(nèi)部微觀形態(tài)。即晶粒的形狀、大小、數(shù)量和分布情況。2、晶格缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷種類晶格的不完整部位稱晶體缺陷第十頁，共二十二頁，2022年，8月28日長、寬、高三個(gè)方向尺寸都很小的缺陷。(1)點(diǎn)缺陷對(duì)晶體性能影響點(diǎn)缺陷晶格畸變金屬強(qiáng)度、硬度↑韌塑性↓、體積膨脹

在晶格的間隙中存在多余原子。結(jié)點(diǎn)上的原子被異類原子所置換。在正常的晶格結(jié)點(diǎn)上出現(xiàn)空位。種類空位和間隙原子有利于金屬中原子的擴(kuò)散間隙原子置換原子晶格空位第十一頁，共二十二頁，2022年，8月28日位錯(cuò)：晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律錯(cuò)排的現(xiàn)象(2)線缺陷在一個(gè)方向上尺寸較大，而在另外兩個(gè)方向上尺寸很小的缺陷。位錯(cuò)密度ρ：單位體積中包含的位錯(cuò)線總長度ρ＝L／V

當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。第十二頁，共二十二頁，2022年，8月28日位錯(cuò)對(duì)性能的影響：

金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。減少或增加位錯(cuò)密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。應(yīng)用①非晶②“晶須”—位錯(cuò)密度極低,尺寸極細(xì)的細(xì)絲。③冷變形、熱處理使位錯(cuò)密度ρ↑(如馬氏體相變等)位錯(cuò)密度強(qiáng)度Rm理論值金屬須退火態(tài)106~108cm-2加工硬化1011~1012cm-2第十三頁，共二十二頁，2022年，8月28日晶界亞晶界種類對(duì)晶體性能的影響晶界處晶格畸變能量高于晶粒內(nèi)部→熔點(diǎn)低，腐蝕性差，高溫下強(qiáng)度和硬度較低，是相變優(yōu)先形核部位阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)→常溫下強(qiáng)度和硬度較高，能夠改善塑性、韌性。晶粒越細(xì)，則晶界越多，常溫下強(qiáng)度和塑性越高。亞晶界由一系列刃型位錯(cuò)所構(gòu)成。在一個(gè)方向上的尺寸較小，另外兩個(gè)方向上的尺寸相對(duì)很大，呈面狀分布(3)面缺陷第十四頁，共二十二頁，2022年，8月28日2.3合金相結(jié)構(gòu)相同的相，其組織不一定相同，性能也不一樣合金—由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬組成的具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)組元—組成合金的最基本的獨(dú)立的物質(zhì)組元可以是元素或穩(wěn)定化合物相—合金中具有同一化學(xué)成分、同一聚集狀態(tài)、同一結(jié)構(gòu)且以界面互相分開的各個(gè)均勻的組成部分。組織由數(shù)量、形態(tài)、大小和分布方式不同的各種相構(gòu)成金屬材料的性能是由組織所決定的相的種類：固溶體、金屬化合物(中間相)第十五頁，共二十二頁，2022年，8月28日2.3.1固溶體合金在固態(tài)下，組元間互相溶解而形成的在某一組元的晶格中包含有其它組元的均勻相1、固溶體的溶解度：在一定條件下，溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。2、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)：點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)仍保持溶劑金屬的結(jié)構(gòu)。3、類型

按溶質(zhì)原子的位置置換固溶體間隙固溶體按溶質(zhì)原子的溶解度有限固溶體無限固溶體第十六頁，共二十二頁，2022年，8月28日(1)置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑原子的某些晶格結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體。形成條件：溶質(zhì)和溶劑原子大小比較接近種類：無限置換固溶體Cu-Ni有限置換固溶體Pb-Sn、(2)間隙固溶體

溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格各結(jié)點(diǎn)間的間隙中形成的固溶體r溶質(zhì)/r溶劑＜0.59原子半徑小于1?的非金屬元素溶入過渡族金屬而形成形成條件第十七頁，共二十二頁，2022年，8月28日間隙固溶體都是有限固溶體(3)無限固溶體：兩組元在固態(tài)無限溶解的固溶體。溶質(zhì)與溶劑晶格類型相同原子直徑和電負(fù)性相接近無限固溶體只能是置換固溶體形成條件(4)有限固溶體：組元在固態(tài)部分溶解的固溶體晶格畸變4、固溶體的性能位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)阻力↑，使金屬的滑移變形更加困難

隨溶質(zhì)含量增加,固溶體的強(qiáng)度、硬度增加,塑性、韌性下降—固溶強(qiáng)化金屬的強(qiáng)度、硬度↑第十八頁，共二十二頁，2022年，8月28日

合金組元之間發(fā)生相互作用而形成的一種新相，又稱為中間相。③熔點(diǎn)高、硬度大、脆性較大，具有金屬性質(zhì)。1、特點(diǎn)①晶格類型不同于其中任一組元。例鋼中Fe3C。②可用分子式來表示。2.3.2金屬化合物2、作用提高合金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性及耐熱性，但塑性有所降低。第十九頁，共二十二頁，2022年，8月28日3、種類(1)正常價(jià)化合物(2)電子化合物(3)間隙相和間隙化合物過渡金屬+小半徑非金屬元素①間隙相r非/r金0.59，如WC、TiC、VC簡單的晶體結(jié)構(gòu)極高的硬度及熔點(diǎn)，脆性大。是高合金工具鋼、硬質(zhì)合金的重要組成相第二十頁，共二十二頁，2022年，8月28日合金滲碳體：滲碳體(Fe3C)中Fe原子被Mn、Cr、Mo、W等原子所置換，形成以間隙化合物為基的固溶體，如(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr