理论工程材料学PPT学习教案

1、会计学1 理论工程材料学理论工程材料学 工程材料 金属基础理论 固溶体固溶体：相的晶体结构与某一组成元素的晶体结相的晶体结构与某一组成元素的晶体结 构相同构相同 。 固溶体分为固溶体分为间隙固溶体间隙固溶体和和置换固溶体置换固溶体。 第2页/共27页第1页/共27页 工程材料 金属基础理论 置换固溶体置换固溶体：溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而 形成的固溶体形成的固溶体 （溶剂与溶质原子尺寸相近，直径差别较小 ，大于15%就很难形 成置换固溶体） 。 置换固溶体中原子的分布通常是任意的，称之为置换固溶体中原子的分布通常是任意的，称之为无序固无序固 溶体溶

2、体。在某些条件下，原子成为有规则的排列，称为。在某些条件下，原子成为有规则的排列，称为有有 序固溶体序固溶体。两者之间的转变称为。两者之间的转变称为固溶体的有序化固溶体的有序化。这时。这时 ，合金的某些物理性能将发生很大的变化。，合金的某些物理性能将发生很大的变化。 第3页/共27页第2页/共27页 工程材料 金属基础理论 间隙固溶体间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而 形成的固溶体称为间隙固溶体，其中的溶质原子形成的固溶体称为间隙固溶体，其中的溶质原子 不占据晶格的正常位置不占据晶格的正常位置 。 只有溶质原子与溶剂原子的直径之比小于只有溶质原子与溶剂原子

3、的直径之比小于0.590.59时，才会时，才会 形成间隙固溶体。通常，间隙固溶体都是由原子直径很形成间隙固溶体。通常，间隙固溶体都是由原子直径很 小的碳、氮、氢、硼、氧等非金属元素溶入过渡族金属小的碳、氮、氢、硼、氧等非金属元素溶入过渡族金属 元素的晶格间隙中而形成的。元素的晶格间隙中而形成的。 第4页/共27页第3页/共27页 工程材料 金属基础理论 固溶体的溶解度固溶体的溶解度：溶质原子溶入固溶体的极限浓溶质原子溶入固溶体的极限浓 度。度。 据此可以分为有限固溶、无限固溶据此可以分为有限固溶、无限固溶 。 影响溶解度的因素有原子尺寸、晶格类型、电化影响溶解度的因素有原子尺寸、晶格类型、电化

4、 学性质以及电子浓度等学性质以及电子浓度等 。 第5页/共27页第4页/共27页 工程材料 金属基础理论 固溶体的性能固溶体的性能： 由于溶质原子尺寸与溶剂原子不同，其晶格都会产由于溶质原子尺寸与溶剂原子不同，其晶格都会产 生畸变。由于晶格畸变增加了位错移动的阻力，使滑移生畸变。由于晶格畸变增加了位错移动的阻力，使滑移 变形难以进行，因此固溶体的强度和硬度提高，塑性和变形难以进行，因此固溶体的强度和硬度提高，塑性和 韧性则有所下降。韧性则有所下降。 这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的 强度、硬度提高的现象称为强度、硬度提高的现象称为固溶

5、强化固溶强化 。 第6页/共27页第5页/共27页 工程材料 金属基础理论 金属化合物金属化合物 金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶格金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶格 类型及性能均不同于任一组元的合金固相。类型及性能均不同于任一组元的合金固相。 一般可用分子式大致表示其组成。金属化合物一一般可用分子式大致表示其组成。金属化合物一 般有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性。般有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性。 合金中出现化合物时，可提高强度、硬度和耐磨合金中出现化合物时，可提高强度、硬度和耐磨 性，但降低塑性。性，但降低塑性。 第7页/共27页第6页/共27页 工程材料

6、 金属基础理论 （1）正常价化合物正常价化合物 周期表上相距较远，电化学性质相差较大的两元素容易周期表上相距较远，电化学性质相差较大的两元素容易 形成正常价化合物。其特点是符合一般化合物的原子价形成正常价化合物。其特点是符合一般化合物的原子价 规律，成分固定，并可用化学式表示。如规律，成分固定，并可用化学式表示。如Mg2Pb、 Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。等。 性能特点：性能特点：高的硬度和脆性。弥散分布于固溶体基体中高的硬度和脆性。弥散分布于固溶体基体中 时，将起到强化相的作用，使合金强化。时，将起到强化相的作用，使合金强化。 第8页/共27页第7页/共27页 工程材料 金属基础理论

7、（2）电子化合物电子化合物 由第由第族或过渡族元素与第族或过渡族元素与第至第至第族元素结合而成的族元素结合而成的 。它们不遵循原子价规律，而服从电子浓度规律。电子。它们不遵循原子价规律，而服从电子浓度规律。电子 浓度指合金中化合物的价电子数目与原子数目之比。浓度指合金中化合物的价电子数目与原子数目之比。 性能特点性能特点：高的熔点和硬度，但塑性较低，一般只能作高的熔点和硬度，但塑性较低，一般只能作 为强化相存在于合金特别是有色金属合金中。为强化相存在于合金特别是有色金属合金中。 第9页/共27页第8页/共27页 工程材料 金属基础理论 （3）间隙化合物间隙化合物 由过渡族金属元素与碳、氮、氢、

8、硼等原子半径由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径 较小的非金属元素形成的金属化合物。较小的非金属元素形成的金属化合物。 根据组成元素原子半径比值及结构特征的不同，根据组成元素原子半径比值及结构特征的不同， 可将间隙化合物分为可将间隙化合物分为间隙相间隙相和和具有复杂结构的间隙化具有复杂结构的间隙化 合物合物。 第10页/共27页第9页/共27页 工程材料 金属基础理论 间隙相间隙相 当非金属原子半径与金属原子半径比值小于当非金属原子半径与金属原子半径比值小于0.59时，形时，形 成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相，如成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相，如TiC、 TiN、ZrC、

9、VC、NbC、Mo2N、Fe2N等。等。 性能特点：性能特点：极高的熔点、硬度和脆性，而且十分稳定，极高的熔点、硬度和脆性，而且十分稳定， 是高合金工具钢的重要组成相，也是硬质合金和高温金是高合金工具钢的重要组成相，也是硬质合金和高温金 属陶瓷材料的重要组成相。属陶瓷材料的重要组成相。 第11页/共27页第10页/共27页 工程材料 金属基础理论 具有复杂结构的间隙化合物具有复杂结构的间隙化合物 当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时时 ，形成具有复杂结构的间隙化合物。如钢中的，形成具有复杂结构的间隙化合物。如钢中的Fe3C、 Cr23C6、

10、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。等。Fe3C称为渗碳体称为渗碳体 ，具有复杂的斜方晶格。，具有复杂的斜方晶格。 第12页/共27页第11页/共27页 工程材料 金属基础理论 具有复杂结构的间隙化合物性能特点具有复杂结构的间隙化合物性能特点： 具有很高的熔点、硬度和脆性，但与间隙相具有很高的熔点、硬度和脆性，但与间隙相 相比要稍低一些，加热时也易于分解。这类化相比要稍低一些，加热时也易于分解。这类化 合物是碳钢及合金钢中重要的组成相。金属化合物是碳钢及合金钢中重要的组成相。金属化 合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金属合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金属 化合物为基的固溶体。化合物为

11、基的固溶体。 第13页/共27页第12页/共27页 工程材料 金属基础理论 纯金属的结晶： 液态金属结构示意图液态金属结构示意图 第14页/共27页第13页/共27页 工程材料 金属基础理论 结晶过程能量状态与温度的关系结晶过程能量状态与温度的关系： 结晶过程是一个自发过程，所以该过程是结晶过程是一个自发过程，所以该过程是 高能状态向低能状态的转变。高能状态向低能状态的转变。 第15页/共27页第14页/共27页 工程材料 液态金属结晶的热力学条件液态金属结晶的热力学条件 金属基础理论 液态金属的结晶是系统降低自由能的自发进行的过程 。系统的自由能G可由下式表示： TSHG H为焓、T为绝对温

12、度、S为熵 第16页/共27页第15页/共27页 工程材料 GS GL 温度 T T0 自由能 G 纯金属液、固两相体积自由能与温度的关系 在温度T0处GLGS，固 、液两相处于热力学平 衡状态。T0即为纯金属 的平衡结晶温度。 金属基础理论 第17页/共27页第16页/共27页 工程材料 当TT0时，GLGS，液相处于自由能更低的稳定状态 ，结晶不可能进行；只有当TGS，结晶才 可能自发进行。这时两相自由能的差值G就构成相 变（结晶）的驱动力： GLSGLGS（HLHS）T（SLSS）。 金属基础理论 第18页/共27页第17页/共27页 工程材料 一般结晶都发生在金属的熔点附近，故焓与熵随

13、温度 的变化可以忽略不计，则有HLHSL, SLSSS， 其中，L为结晶潜热、S为熔化熵。当TT0时, GLSL-T0S0，所以有S L/T0。因此，可得 ： 00 0 )( T TL T TT LG SL 金属基础理论 第19页/共27页第18页/共27页 工程材料 00 0 )( T TL T TT LG SL T=T0-T，为过冷度。对于给定金属，L与T0均为定值， 故GLS仅与T有关。因此，液态金属结晶的驱动力是 由过冷提供的，过冷度越大，结晶驱动力也就越大。过冷 度为零时，驱动力就不复存在。所以液态金属不会在没有 过冷度的情况下结晶。 金属基础理论 第20页/共27页第19页/共27

14、页 工程材料 系统的自由能变化系统的自由能变化由两部分构成，液相与固相的体 积自由能之差，它是相变的驱动力；另一部分是出现 了界面使系统增加了表面能，它是相变的阻力。前者 与晶胚半径的三次方成正比，后者与其平方成 正比。 LSV rGrG 23 4 3 4 金属基础理论 第21页/共27页第20页/共27页 工程材料 晶胚半径r较小时 ，表面能占优势； r较大时负值的体 积自由能变化占优 势。 在液体中，由于形成不同半径的球形 晶胚所引起的自由能变化的示意图。 第22页/共27页第21页/共27页 工程材料 当温度低于T0时，晶胚半径r大于临界半径r*时， 晶胚才是稳定的。比临界半径更小的晶胚

15、如果要 继续长大，则相应的自由能也要增加，不符合热 力学条件所以是不可能的。即小于r*的晶胚要分解 ，大于r*的晶胚可以继续长大。 下面来求出临界半径r* ： 金属基础理论 第23页/共27页第22页/共27页 工程材料 LsV rGrG 23 4 3 4 对r求导数，并令其等于0，即可得出临界形核半径r*: 0)4 3 4 ( 23 LsV rGr rr G m V T TL G 金属基础理论 第24页/共27页第23页/共27页 工程材料 表明临界半径临界半径r r* *与过冷度成反比与过冷度成反比，即过冷 度越大，形成晶核的晶胚的临界半径越小 。 TL T G r LC v LC 0 *

16、 22 金属基础理论 第25页/共27页第24页/共27页 工程材料 金属基础理论 过冷度愈大，液态和固态之间能量状态差就过冷度愈大，液态和固态之间能量状态差就 愈大，促使液体结晶的驱动力就愈大。只有愈大，促使液体结晶的驱动力就愈大。只有 当结晶的驱动力达到一定值时，结晶过程才当结晶的驱动力达到一定值时，结晶过程才 能进行。所以，能进行。所以，结晶的必要而且充分条件是结晶的必要而且充分条件是 具有一定的过冷度，冷速越大，过冷度越大具有一定的过冷度，冷速越大，过冷度越大 。 第26页/共27页第25页/共27页 工程材料 金属基础理论 在液态物质的冷却过程中，可以用热分折法来测定其温在液态物质的冷却过程中，