工程材料资料

1、第三节 断裂韧性 断裂韧性或断裂韧度是用来反映材料抵抗裂纹扩展的能力，即抵抗脆性断裂能力的性能指标。当K1 1c时，裂纹扩展很慢或不扩展；当K1 1c时，则材料发生失稳脆断。它与裂纹的大小、形状、外加应力等无关，主要取决于材料的成分、内部组织和结构。第四节 材料的理化性能一、物理性能密度、熔点、热膨胀性、导电性、导热性、磁性二、 化学性能（1）耐腐蚀性、抗氧化性、化学稳定性第五节 材料的工艺性能材料的工艺性能主要包括铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、切削加工性能等n第二节 动载时材料的力学性能二、疲劳材料在低于s的重复交变应力作用下发生断裂的现象。第二章第二章 晶体结构与结晶晶体结构与

2、结晶 第一节 金属的晶体结构晶体结构 第二节 实际金属结构 第三节 非金属晶体 第四节 金属的结晶 自然界中的化学元素分为金属与非金属两大类。自然界中的化学元素分为金属与非金属两大类。按固体物质的原子聚集状态来分，又可分为晶体和按固体物质的原子聚集状态来分，又可分为晶体和非晶体。非晶体。固态金属基本上都是晶体物质固态金属基本上都是晶体物质，如钢铁、铜、，如钢铁、铜、铝等。在工业上应用较多的非金属材料大多也具有铝等。在工业上应用较多的非金属材料大多也具有晶体结构，如金刚石、硅酸盐、氧化镁等。而常见晶体结构，如金刚石、硅酸盐、氧化镁等。而常见的玻璃、松香等，则为非晶体物质。的玻璃、松香等，则为非晶

3、体物质。同一化学成分的金属材料，甚至同一结构的金属材料，由于其内部组织的不同，其某些性能仍然可以在一个相当的范围内变化。因此金属材料的化学成分、原子集合体的结构和内部组织是决定金属材料性能的内在因素，而金属材料性能方面的多变性，正是通过这三个内在因素而表现出来。金属及其合金的固态结构是决定金属材料性能的内在因素之一，研究固态物质内部的结构，即原子排列和分布规律是了解掌握材料性能的基础。金属元素区别于其他元素的共性就是外层电子较少，这个特点决定了金属原子间的结合键为金属键，因而金属具有良好的导电和导热性。由于金属键既无饱和性又无方向性，因此每个原子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能量的密堆

4、结构。当金属受力变形使得原子之间的相互位置改变时，金属键不至于被破坏，因此金属具有良好的延展性。第一节 金属的晶体结构晶体结构 一、晶体概念一、晶体概念 晶体是指其原子（原子团或离子）按一定的几何形状作晶体是指其原子（原子团或离子）按一定的几何形状作有规律的重复排列的物体。有规律的重复排列的物体。非晶体的原子则是无规律、无次序地堆聚在一起的。非晶体的原子则是无规律、无次序地堆聚在一起的。 晶体与非晶体在性能上也有区别，晶体具有固定的熔点（如铜为1083），且晶体在不同方向上具有不同的性能，即表现出晶体的各向异性，而非晶体则没有固定的熔点，而是一个温度范围，非晶体在各个方向上的原子聚集密度大致相

5、同，即表现出各向同性。晶体和非晶体在一定条件下可以相互转化。固态金属通常为晶态固体，如果从液态急冷（冷却速度达107s），也可获得非晶态金属。非晶态金属与晶态金属相比，具有一系列的突出性能，近年来已受到人们的重视。晶格、晶胞、晶格常数晶格、晶胞、晶格常数 （1 1）晶格）晶格 为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看为了便于表明晶体内部原子排列的规律，把每个原子看成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原成是固定不动的刚性小球，并用一些几何线条将晶格中各原子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处子的中心连接起来，构成一个空间格架，各原子的中心就处在格架的几个结点上

6、，这种抽象的、用于描述原子在晶体中在格架的几个结点上，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列形式的几何空间格架，简称排列形式的几何空间格架，简称晶格。 （ 2 2）晶胞）晶胞由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，由于晶体中原子有规则排列且有周期性的特点，为了便于讨论为了便于讨论。通常只从晶格中，选取一个能够完全反映晶格特通常只从晶格中，选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，征的、最小的几何单元来分析晶体中原子排列的规律，这个最小的几何单元称为这个最小的几何单元称为晶胞 ，整个晶格就是有许，整个晶格就是有许多大小、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成多大小

7、、形状和位向相同的晶胞在空间重复堆积而成的。的。 （3 3）晶格常数）晶格常数 在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱在晶体学中，通常取晶胞角上某一结点作为原点，沿其三条棱边作三个坐标轴边作三个坐标轴X X、Y Y、Z Z，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、，并称之为晶轴，而且规定坐标原点的前、右、上方为轴的正方向，反之为反方向，以棱边长度右、上方为轴的正方向，反之为反方向，以棱边长度 和和棱面夹角棱面夹角 来表示晶胞的形状和大小来表示晶胞的形状和大小 。在立方体晶格中在立方体晶格中a=b=c,a=b=c,夹角夹角=90=90只取一个晶格常数只取一个晶格常数a a足以表征尺寸

8、和形状。足以表征尺寸和形状。cb、ar、二、常见的金属晶格由于金属键有较强的结合力，所以金属晶体中的由于金属键有较强的结合力，所以金属晶体中的原子具有密排的倾向，这便使晶格排列形式的类型原子具有密排的倾向，这便使晶格排列形式的类型大为减少，而且具有较高的对称性和比较简单的几大为减少，而且具有较高的对称性和比较简单的几何形式的特点。何形式的特点。而非金属晶体，则一般具有比较复杂的晶格，其而非金属晶体，则一般具有比较复杂的晶格，其对称性比较低。对称性比较低。（一）晶胞的几何特征（一）晶胞的几何特征 （1）配位数。一个原子周围的最近邻原子数称为配位数CN，对于纯元素晶体来说，这些最近邻原子到所求原子

9、的距离必然是相等的，但对于多种元素形成的晶体，不同元素的最近邻原子到所求原子的距离就不一定相等，因此，“最近”是同种原子相比较而言。配位数就是各元素的最近邻原子数之和，例如CN12表示其配位数是12。 （2 2）一个晶胞内的原子数）一个晶胞内的原子数n n。 晶胞原子数是指一个晶胞内所包含的原子数目，晶胞原子数是指一个晶胞内所包含的原子数目，由于晶体具有严格的对称性，故晶体可看成由许由于晶体具有严格的对称性，故晶体可看成由许多晶胞堆砌而成，由于晶胞顶角处的原子为几个多晶胞堆砌而成，由于晶胞顶角处的原子为几个晶胞所共有，位于晶面上的原子同时属于两个相晶胞所共有，位于晶面上的原子同时属于两个相邻晶

10、胞，只有在晶胞体积内的原子才单独为一个邻晶胞，只有在晶胞体积内的原子才单独为一个晶胞所有，因此晶胞原子数可通过计算每个原子晶胞所有，因此晶胞原子数可通过计算每个原子在晶胞中所占的分数，再进行相加获得。在晶胞中所占的分数，再进行相加获得。（3）致密度。致密度）致密度。致密度又称为堆垛密度或紧密系数，致密度又称为堆垛密度或紧密系数，致密度=晶胞中各原子的体积之和晶胞的体积，即晶胞中各原子的体积之和晶胞的体积，即式中式中 n-晶胞中的原子数：晶胞中的原子数： v-个原子的体积：个原子的体积： V- 晶胞体积，这里将金属原子视为刚性等径球。晶胞体积，这里将金属原子视为刚性等径球。 在计算致密度在计算致

11、密度时，假定原子是半径为时，假定原子是半径为r的刚性球，且相距最近的刚性球，且相距最近的原子是彼此相切的。这里要补充的是，由于球形原子不可能的原子是彼此相切的。这里要补充的是，由于球形原子不可能无空隙地填满整个空间，故晶体中必存在间隙。在这里假定间无空隙地填满整个空间，故晶体中必存在间隙。在这里假定间隙为零。隙为零。Vnv三种典型晶体结构体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格（二）常见的金属晶格（1）体心立方结构具有该种晶体结构的金属有Cr、V、Mo、W和-Fe等30多种 体心立方晶格参数晶胞原子数：21881n体心立方晶格参数原子半径晶胞中原子密度最大的方向上相邻原子间平衡距离的一半。配位数：

12、8致密度： ararAA433468. 0433423423333aaarVnvA体心立方晶格参数（2）面心立方结构具有该种晶体结构的金属有Al、Cu、Ni和-Fe等约20种 面心立方晶格参数晶胞原子数：4881621n面心立方晶格参数原子半径晶胞中原子密度最大的方向上相邻原子间平衡距离的一半。配位数：12致密度： ararAA422474. 0423443443333aaarVnvA面心立方晶格参数面心立方晶格中的间隙面心立方晶格参数面心立方晶格中的间隙（3）密排六方结构具有该种晶体结构的金属有Mg、Zn、Cd、Be等20多种 密排六方晶格参数原子半径晶胞中原子密度最大的方向上相邻原子间平衡

13、距离的一半acarA633. 121密排六方晶格参数晶胞原子数：配位数：12致密度：632211261n74. 0633. 133234633aa密排六方晶格参数 2 21 1 名词解释名词解释 晶体、非晶体、单晶体、多晶体、晶粒。晶体、非晶体、单晶体、多晶体、晶粒。 2 22 2 何谓空间点阵、晶格、晶体结构和晶胞？何谓空间点阵、晶格、晶体结构和晶胞？常用金属的晶体结构是什么？画出其晶胞，并常用金属的晶体结构是什么？画出其晶胞，并分别计算其原子半径、配位数和致密度。分别计算其原子半径、配位数和致密度。 2 26 6 -Fe -Fe、-Fe-Fe、Al CuAl Cu、NiNi、PbPb、Cr

14、Cr、V V、MgMg、ZnZn各属何种晶体结构？各属何种晶体结构？金属的晶格类型不同，原子排列的致密程度不同。经计算表明：体心立方晶格中原子占总体积的68，而面心立方晶格和密排六方晶格中，有74的体积被原子所占据。致密度越大，原子排列越紧密，因此对于一些金属在温度不同时具有不同的晶格类型，这时会发生体积变化，而引起应力和变形。这就是在对钢铁进行热处理时，由一种晶格转变为另一种晶格而产生比容变化的重要原因之一。三、单晶体的各向异性三、单晶体的各向异性在晶体中，由于各晶面和各晶向上的原子排列密度不同，因而导致在同一晶体的不同晶面和晶向上的各种性能也不同，这种现象称为“各向异性”。 结晶方位完全一

15、致的晶体称为“单晶体”，如单晶体具有各向异性的特征，即在晶体的各个晶向上具有不同的物理、化学和力学性能。例如-Fe的单晶体，由于它在不同晶向上的原子密度不同，则原子结合力便不同，因而其弹性模量E也不同。（P11图2-5）但是，工业上实际应用的金属材料，一般不具有各向异性的特征。例如对纯铁进行测定，无论从任何方向取样，其弹性模量均为E2.1105 MPa。这是因为实际使用的工业纯铁多属于多晶体的缘故。 2 21 1 名词解释名词解释 晶体、非晶体、单晶体、多晶体、晶粒。晶体、非晶体、单晶体、多晶体、晶粒。 2 22 2 何谓空间点阵、晶格、晶体结构和晶胞？常用金属的晶何谓空间点阵、晶格、晶体结构

16、和晶胞？常用金属的晶体结构是什么？画出其晶胞，并分别计算其原子半径、配位数体结构是什么？画出其晶胞，并分别计算其原子半径、配位数和致密度。和致密度。 2 26 6 -Fe -Fe、-Fe-Fe、Al CuAl Cu、NiNi、PbPb、CrCr、V V、MgMg、ZnZn各属何各属何种晶体结构？种晶体结构？ 2 27 7 已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为已知铁和铜在室温下的晶格常数分别为2.862.861010-10-10m m和和3.6073.6071010-10-10m m，求，求1cm1cm3 3铁和铜中的原子数。铁和铜中的原子数。解： 3.3.已知铁常温下晶胞的原子量为已知铁常温下晶

17、胞的原子量为2 2（体心立方结构）带入（体心立方结构）带入。2231061027. 4)1086. 2(10122221054. 810227. 41.计算晶胞体积铁：（2.8610-10 ）32.计算1cm3的晶胞数量复习第一节 金属的晶体结构晶体结构一、晶体概念 晶体是指其原子（原子团或离子）按一定的几何形状作有规律的重复排列的物体。晶格、晶胞、晶格常数二、常见的金属晶格三种典型晶体结构三、单晶体的各向异性 在晶体中，由于各晶面和各晶向上的原子排列密度不同，因而导致在同一晶体的不同晶面和晶向上的各种性能也不同，这种现象称为“各向异性”。第二节 实际金属结构前面讨论的金属晶体结构，是把晶体看

18、成由原子按一定几何规律作周期性排列而成的，晶体内部晶格位向完全一致的晶体称为单晶体，单晶体具有各向异性的特征。在工业上，单晶体的金属材料基本上是不存在的。只有通过特殊制作才能获得，如半导体元件、磁性材料等。、多晶体结构实际上使用的金属材料，即使体积较小的材料，际上使用的金属材料，即使体积较小的材料，其内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内其内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部的晶格位向都基本一致，每个小晶体的外形呈不部的晶格位向都基本一致，每个小晶体的外形呈不规则的颗粒，我们称为晶粒。规则的颗粒，我们称为晶粒。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体就称为多晶体，一这种由许多晶粒组成的晶体就称为多晶体，一般金属材料都是多晶体。般金属材料都是多晶体。 多晶体示意图 金属多晶体示意图n因此实际金属材料的性能在各个方向上却基本一致，显示各向同性，n这是因为实际的金属材料由许多方位不同的晶粒组成的多晶体，一个晶粒的各向异性在许多方位不同的晶体之间相互抵消掉了。多晶体晶粒的大小与金属的制造