工程材料第1章0929

1、金属材料的性能 金属材料的结构与组织 高分子材料和陶瓷材料的 结构与性能 晶体晶体原子排列长程有序，有周期原子排列长程有序，有周期 非晶体非晶体原子排列短程有序，无周期原子排列短程有序，无周期 ZnS 型型 石英玻璃 (非晶体) 石英晶体(晶体) 熔点一定熔点一定 性能呈各向异性性能呈各向异性 晶胞常数：晶胞常数：a、b、c、 晶格常数：晶格常数：a、b、c 简单立方晶胞：简单立方晶胞： abc 90 晶体晶体 晶格（空间点阵）晶格（空间点阵） 晶胞晶胞 一、晶体的描述一、晶体的描述 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 结点结点 晶面、晶面指数、晶面族晶面、晶面指数、晶面族: : 致密度：致密度

2、： 晶向、晶向指数、晶向族晶向、晶向指数、晶向族: : 配位数：配位数： 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 二、金属中常见的二、金属中常见的晶格晶格类型类型 体心立方晶格体心立方晶格 （bcc） 面心立方晶格面心立方晶格 （fcc） 密排六方晶格密排六方晶格 （hcp） 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 金属中常见晶格类型的基本参数金属中常见晶格类型的基本参数 晶格类型晶格类型体心立方（体心立方（bcc）面心立方（面心立方（fcc）密排六方（密排六方（hcp） 晶胞结构晶胞结构 晶胞常数晶胞常数 晶胞内原子数晶胞内原子数 原子半径原子半径 致密度致密度 配位数配位数 典型金属典型金属 abc

3、90 abc 90 ab c/a1.633 90 120 0.680.680.740.740.740.74 8 812121212 -Fe、Mo、W、 V、Cr、-Ti -Fe、Al、Cu、 Ni、Au、Ag Mg、Cd、Zn、 Be、Ca、-Ti 三、晶体的各向异性三、晶体的各向异性 晶面晶面100110111 bcc fcc 晶向晶向 bcc fcc 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 结论：结论： 1.同一晶格内不同晶面（晶向)上原子分布不同 2.不同晶格类型、同一名称晶面（晶向）上原子分布不同 3.每一晶面（晶向）对应一晶面族（晶向族），其面间距（原子 排列紧密程度）不同 单晶单晶FeF

4、e的弹性模量：的弹性模量： E E 111111=290000MN/m =290000MN/m2 2 E E 100100=135000MN/m =135000MN/m2 2 E E = 210000MN/m= 210000MN/m2 2 FeFe的弹性模量：的弹性模量： 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 晶体缺陷的概念晶体缺陷的概念 晶体缺陷的产生晶体缺陷的产生 单晶体和多晶体单晶体和多晶体 单晶体多晶体 1.实际金属材料是由许多粒状单晶体组成的晶粒晶粒 2.晶粒大小（d：平均直径）晶粒尺寸晶粒尺寸 3.每一晶粒内部晶格位相基本一致 4.每个晶粒有许多亚晶粒亚晶粒组成 5.实际金属性能是各晶

5、粒性能平均值（各向同性各向同性） 晶体缺陷的分类晶体缺陷的分类 点缺陷点缺陷 空位及间隙原子空位及间隙原子 置换原子置换原子 特征：特征： 本身尺寸很小，但本身尺寸很小，但晶格畸变晶格畸变可波及很远可波及很远 空位和间隙原子均处于不断的运动和变化之中空位和间隙原子均处于不断的运动和变化之中 线缺陷（位错）线缺陷（位错） 刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错 电子显微镜下观察到电子显微镜下观察到 的位错线（的位错线（50,000X） 特征：特征：在位错线方向尺寸大在位错线方向尺寸大 位错线周围产生位错线周围产生晶格畸变晶格畸变 位错密度位错密度（）：cm/cm3 3 一般金属中 一般金属中 =10=

6、104 4 10 1012 12cm/cm3 3 晶体缺陷的分类晶体缺陷的分类 面缺陷面缺陷晶界、亚晶界晶界、亚晶界 亚晶界亚晶界 （位错墙模型位错墙模型） 晶界晶界 特征：特征：属面接触属面接触 产生产生晶格畸变晶格畸变 晶体缺陷的分类晶体缺陷的分类 晶体缺陷对材料性能的影响晶体缺陷对材料性能的影响 使实际金属的强度远远小于理想金属使实际金属的强度远远小于理想金属 晶界处位错密度高，使其局部晶界处位错密度高，使其局部强度、硬度提高强度、硬度提高 对实际金属来说，晶体缺陷越多对实际金属来说，晶体缺陷越多( (尤其位错尤其位错) )， 强度、硬度越高，塑性、韧性越低强度、硬度越高，塑性、韧性越低

7、 滑移滑移的实质：位错在切应力作用下运动的结果的实质：位错在切应力作用下运动的结果 晶体缺陷对塑性变形的影响晶体缺陷对塑性变形的影响 必须具有金属特性必须具有金属特性合金合金 冶炼、烧结、喷涂冶炼、烧结、喷涂合金合金化方法化方法 组成合金最基本的独立物质组成合金最基本的独立物质组元组元 给定组元配制出的一系列合金给定组元配制出的一系列合金合金系合金系 合金中具有相同成分、结构、聚集状态，合金中具有相同成分、结构、聚集状态， 并以界面相互隔开的均匀的组成部分并以界面相互隔开的均匀的组成部分 合金相（相）合金相（相） 金相显微组织金相显微组织金相磨面在显微镜下观察到的构造情况金相磨面在显微镜下观察

8、到的构造情况 有关合金的基本概念有关合金的基本概念 合金相 固溶体 化合物 机械混合物 合金相 固溶体 化合物 总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质 保有溶剂的晶格结构保有溶剂的晶格结构 成分可在一定范围内变化，性能随成分的变化而变化成分可在一定范围内变化，性能随成分的变化而变化 产生晶格畸变产生晶格畸变 特征特征 合金组元在固态能相互溶解所形成的一种均匀的相合金组元在固态能相互溶解所形成的一种均匀的相 概念概念 合金的相结构合金的相结构 1 1、固溶体、固溶体 按溶质位置 置换 固溶体 间隙 固溶体 固溶体的分类：固溶体的分类： 按

9、溶解度 有限 固溶体 无限 固溶体 按排列方式 有序 固溶体 无序 固溶体 置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体 影响固溶体类型、溶解度的因素影响固溶体类型、溶解度的因素 晶格类型 原子尺寸 电化学性（电负性） 电子浓度（价电子数与原子数的比值） 固溶体的形成对金属性能的影响固溶体的形成对金属性能的影响 因形成固溶体而使合金因形成固溶体而使合金的现象的现象 固溶强化：固溶强化： 概念：概念： 合金组元之间通过化合化合作用所形成的一种相对稳定相对稳定的相 分类：分类： 金属化合物具有金属性质，直接对合金性能产生影响 非金属化合物脆性大，一般为杂质 特征：特征： 可以用化学式（AmBn）表示，

10、 但不一定遵守化合价规律 正常价化合物：Mg2Si Mg2Pb 电子价化合物：CuZn Cu5Zn8 CuZn3 间隙化合物：WC VC Fe3C Cr23C6 Fe3C 2 2、化合物、化合物 VC 合金的相结构合金的相结构 一定程度上具有金属的性质 晶格结构完全不同于任一组元 熔点高、硬而脆 特征：特征： 可以用化学式（AmBn）表示， 但不一定遵守化合价规律 对合金性能的影响：对合金性能的影响： 弥散分布 片状分布 网状分布 、H H 有一定的有一定的()()、a ak k H H 、()()、a ak k 、H H ()()、a ak k 弥散强化弥散强化 2 2、化合物、化合物 凝固

11、的概念凝固的概念 : : 液体 - 固体（晶体 或 非晶体） 结晶的概念结晶的概念: : 液体 - 晶体 结晶的过冷现象结晶的过冷现象 当T= T0 时，时， FL=FS，两相平衡，两相平衡 当T T0 时，时， FLFS ，液相稳定，液相稳定 当TFS ，固相稳定，固相稳定 过冷度：过冷度： T= T0 - Tn 结晶的必要条件：结晶的必要条件： 必须有过冷度！必须有过冷度！ 影响过冷度的因素影响过冷度的因素 实际结晶温度 Tn： V V冷 冷 Tn T 纯纯度度 Tn T 晶体 液体 结晶 条件适宜条件适宜 T 长大长大 晶核晶核 晶粒晶粒 结晶的一般过程结晶的一般过程 晶胚晶胚 枝晶长大

12、（实际金属）枝晶长大（实际金属） 平面长大（小体积液体）平面长大（小体积液体） 晶体生长方式晶体生长方式 树枝状晶体形貌树枝状晶体形貌 l形核率（形核率（N） l长大速度（长大速度（G） l孕育期（孕育期（） 金属液体达到结晶温度后 实际结晶前需要等待的时间 N N、GG 越大，结晶越快越大，结晶越快 结晶温度越低，结晶温度越低， T 越越 大，大， 越短越短 与结晶有关的概念与结晶有关的概念 晶粒度的概念晶粒度的概念 晶粒大小对性能的影响晶粒大小对性能的影响 表示晶粒大小程度的物理量 评定标准：评定标准： 100100 与标准图比较 （，-1，0，） 1 1 8 8 （9，10，） d （晶粒度 ） 晶界多，强度硬度 晶粒多，塑性韧性 细晶强化细晶强化 结晶后晶粒的大小结晶后晶粒的大小 细晶强化细晶强化 增加过冷度增加过冷度 进行变质处理（孕育处理）进行变质处理（孕育处理） 增加液体的流动增加液体的流动 结晶时细