工第1章材料的结构和性能

1、 本章介绍金属材料的结构与组织，包括纯金属的晶体结构，晶体缺陷和合金的结构，金属材料的组织。介绍金属材料的工艺性能、机械性能和理化性能。还介绍高分子材料和陶瓷材料的结构与性能。学习目标：学习目标： 本章重点掌握金属材料的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。学习建议：学习建议： 1晶体结构部分应弄清三种常见金属的晶体结构及其特点，应充分发挥空间想象力。 2晶面指数及晶向指数的确定在学习时会感到困难。应掌握常见的晶面和晶向的表示方法，需要多练多画。 化学成分内部组织决 定材料的性能固态物质聚集状态晶 体非晶体1).1).晶体晶体 ( crystal ) :( crystal

2、) : 物体内部的原子物体内部的原子 ( ( 或分或分子子 ) ) 在三维空间中在三维空间中 , , 按一定按一定规律作周期性排列规律作周期性排列的固体。的固体。性质性质: : 固定的熔点固定的熔点; ; 各向异各向异性等。性等。 例如例如 , , 所有的金属、所有的金属、食盐等。食盐等。2 2）. .非晶体非晶体 ( non- crystal ) :( non- crystal ) : 物体内部的原子呈散乱分布物体内部的原子呈散乱分布, ,其其 物理和力学性能物理和力学性能各向同性各向同性。例如。例如, ,普通玻璃、松香等。普通玻璃、松香等。金属的结构金属的结构晶晶 态态非晶态非晶态SiO2

3、的结构的结构非晶态非晶态晶态晶态几个重要定义几个重要定义 晶体结构（晶体结构（Crystal Structure ）：晶体中原子（离子或分子）规：晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式。则排列的方式。 晶晶 格格(crystal lattice):为了研究的方便，假设通过金属原子为了研究的方便，假设通过金属原子（离子）的中心划出许多空间直线，这些直线形成的空间框架。（离子）的中心划出许多空间直线，这些直线形成的空间框架。 晶晶 胞胞( unit cell ):能反映晶格特征的最小组成单元。能反映晶格特征的最小组成单元。晶胞的几何特征参数晶胞的几何特征参数三棱边长（晶格常数三棱边长（晶格常数 l

4、attice constant ）a、 b、 c棱边夹角：棱边夹角：、bac110-10m 710-10m可用可用X X射线结构分析技术进行测定射线结构分析技术进行测定 1855年年, ,法国学者法国学者布拉菲布拉菲(Bravais)用数学方法证明了空间点阵共有且只能用数学方法证明了空间点阵共有且只能有有十四十四种种, ,并归纳为并归纳为七七个晶系个晶系: :十四种空间点阵十四种空间点阵一、体心立方晶体结构（一、体心立方晶体结构（Body-Centered CubicBody-Centered Cubic） A A2 21）具有此结构的典型金属）具有此结构的典型金属： 钠（钠（NaNa）、钾（

5、）、钾（K K）、铬（）、铬（CrCr）、钼（钼（MoMo）、钨（）、钨（WW）、钒（）、钒（V V）、）、-Fe-Fe等。等。2 2）主要特征：）主要特征：晶胞的特征参数晶胞的特征参数: a = b = c , = = = 90: a = b = c , = = = 90晶胞中的原子数晶胞中的原子数: n= 8 : n= 8 1 18 81= 21= 2个个原子半径原子半径致密度致密度 0.680.68空隙半径空隙半径 r r4=4=0.29r0.29r原子；原子；r r8 8=0.15r=0.15r原子原子配位数配位数8 8 1834aa43a43二、面心立方晶体结构（二、面心立方晶体结构

6、（face-Centered Cubicface-Centered Cubic） A A1 11 1）具有此结构的典型金属具有此结构的典型金属： 铝（铝（AlAl）、铜（）、铜（CuCu）、铂（）、铂（PtPt）、镍（）、镍（NiNi）、金（）、金（AuAu）、银）、银（AgAg）、）、-Fe-Fe等。等。2 2）主要特征：）主要特征：a=b=c, a=b=c, 9090o o；晶胞原子数：晶胞原子数：8 81/8+61/8+61/21/24 4；原子半径原子半径致密度致密度 0.740.74空隙半径空隙半径r4=o.225r;r8=0.414rr4=o.225r;r8=0.414r配位数配位

7、数1212a42三、密排六方晶体结构（三、密排六方晶体结构（Hexagonal CloseHexagonal ClosePackedPacked） A A3 31 1）具有此结构的典型金属具有此结构的典型金属： 镁（镁（MgMg）、镉（）、镉（CdCd）、锌（）、锌（ZnZn）、铍（）、铍（BeBe）。）。2 2）主要特征：）主要特征：晶格常数：正六边形边长晶格常数：正六边形边长a a，高为，高为c, c,侧面之间夹角侧面之间夹角120120o o， 侧底面间夹角侧底面间夹角9090o o。 c/a = 1.633 晶胞原子数：晶胞原子数：2 21/2+121/2+121/6+31/6+36

8、6；原子半径原子半径致密度致密度 0.740.74空隙半径空隙半径r4=o.225r;r8=0.414rr4=o.225r;r8=0.414r配位数配位数1212a42晶面：晶面：通过晶体中原子中心的平面。通过晶体中原子中心的平面。晶向晶向：通过原子中心的直线为原子列，其代表的方向叫做晶向。：通过原子中心的直线为原子列，其代表的方向叫做晶向。（1）晶面和晶向的表示方法晶面和晶向的表示方法1立方晶系的晶面表示方法及步骤：立方晶系的晶面表示方法及步骤：1。规定一空间坐标，使待标定的晶面在。规定一空间坐标，使待标定的晶面在三条坐标轴上有截距或者无穷大三条坐标轴上有截距或者无穷大。2。以晶格长度。以晶

9、格长度a为长度单位，写出欲为长度单位，写出欲定晶面在三条坐标轴上的截距。定晶面在三条坐标轴上的截距。3。截距取倒数。截距取倒数。4。截距的倒数化为最小整数。截距的倒数化为最小整数。5。将三整数写在圆括号内。将三整数写在圆括号内。ZYX晶面族：在立方晶系中，由于原子的排列具有高度的对称性，往往存在晶面族：在立方晶系中，由于原子的排列具有高度的对称性，往往存在有许多原子排列完全相同但在空间的位向不同，这些晶面总称为晶面有许多原子排列完全相同但在空间的位向不同，这些晶面总称为晶面族。族。例如：例如：2立方晶系的晶向表示方法及步骤：立方晶系的晶向表示方法及步骤：晶向族：在立方晶系中，原子排列情况相同但

10、在空间的位向不同，这些晶向总称晶向族：在立方晶系中，原子排列情况相同但在空间的位向不同，这些晶向总称为晶面为晶面 族。族。例如：例如： 111111111111111001010100100密排面和密排方向密排面和密排方向 不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上原子排列方式和排列密度不一样。 在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面为110, 称为密排面; 原子密度最大的晶向为, 称为密排方向。 在面心立方晶格中, 密排面为111, 密排方向为。金属晶体的特性 (1) 金属晶体具有确定的熔点 纯金属进行缓慢加热时, 达到一定的温度, 固态金属会熔化成为液态金属。在熔化过程中, 温度保持不变。其熔化温度

11、(T0)称为熔点。而非晶体材料在加热时, 由固态转变为液态时, 其温度逐渐变化。金属晶体具有各向异性金属晶体具有各向异性 非晶体在各个方向上性能完全相同, 这种性质叫非晶体的各向同性。 在晶体中, 不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同, 它们之间的结合力的大小也不相同, 因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的各向异性。 对于实际使用的金属, 由于其内部有许许多多个晶粒组成, 每个晶粒在空间分布的位向不同, 因而在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同, 晶体的各向异性就显示不出来了。实际金属中的晶体缺陷实际金属中的晶体缺陷 crystal defect 点缺陷点缺陷 线缺陷线缺陷

12、面缺陷面缺陷 体缺陷体缺陷空位空位( ( vacancyvacancy ) )间隙原子间隙原子( ( gap atomgap atom ) )置换原子置换原子( ( substitutional substitutional atomatom ) )间隙原子间隙原子晶格空位晶格空位置换原子置换原子点缺陷造成局部晶格畸变点缺陷造成局部晶格畸变 刃型位错刃型位错( ( blade dislocationblade dislocation ) ) 螺旋型位错螺旋型位错( ( screw dislocationscrew dislocation ) )正刃型位错正刃型位错负刃型位错负刃型位错NOTE：

13、位错的存在极大影响了金属的机械性能位错的存在极大影响了金属的机械性能 晶体表面晶体表面 晶界晶界( grain boundary ) 相界面相界面（phase interface） 其它界面其它界面：孪晶界、亚晶界、层错界：孪晶界、亚晶界、层错界1Cr17不锈钢的多晶体大角度晶界大角度晶界-晶界晶界小角度晶界小角度晶界-亚晶界亚晶界 弥散分布的第二相超显微微粒 超显微空洞几个基本概念：几个基本概念：合金：( alloy ) 一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成的具有金属特征的物质。方法结合在一起所形成的具有金属

14、特征的物质。组元： ( element ) 组成合金的独立的、最基本单元。组成合金的独立的、最基本单元。相： ( phase ) 在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。面与其它部分分开的均匀组成部分。 固溶体固溶体 固态合金固态合金 金属化合物金属化合物 溶剂溶剂A + 溶质溶质B = C bcc fcc bcc例如例如: : -Fe-Fe + + C C = = F ( F ( 铁素体铁素体 ) ) 体心体心 六方六方 体心体心v固溶体的结构特点固溶体的结构特点1.置换固溶体置换固溶体 ( subs

15、titution solid solution ) 置换固溶体结构示意图置换固溶体结构示意图v无限固溶体无限固溶体有限固溶体有限固溶体v无序固溶体无序固溶体有序固溶体有序固溶体间隙固溶体都是有限且无序间隙固溶体都是有限且无序的，无限和有序的固溶体一的，无限和有序的固溶体一定是置换固溶体定是置换固溶体Cu3AuCuAu 固溶强化固溶强化 ( solution strength )( solution strength )晶格畸变晶格畸变 ( distortion of lattice )( distortion of lattice )固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。固溶体随着溶质原子的溶

16、入晶格发生畸变。晶格畸变增大位错运动的阻力， 使金属的滑移变形滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。 固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。 例例 纯铜的 b 为220MPa, 硬度为40HB, 断面收缩率 为70%。当加入1%镍形成单相固溶体后, 强度升高到390MPa, 硬度升高到70HB, 而断面收缩率仍有50%。所以固溶体的综合机械性能很好, 常常作为结构合金的基体相。固溶体与纯金属相比, 物理性能有较大的变化, 如电阻率上升, 导电率下降, 磁矫顽力

17、增大。组元组元A + 组元组元B = C bcc fcc cph 例如例如: : 3Fe 3Fe + + C C = = FeFe3 3C C 体心体心 六方六方 复杂结构复杂结构v金属化合物的结构特点金属化合物的结构特点1.1.正常价化合物正常价化合物 ( normal compounds )( normal compounds )2.2.电子价化合物电子价化合物 ( electron compounds )( electron compounds )3.3.间隙化合物间隙化合物 ( interstitial compounds )( interstitial compounds )间隙相间

18、隙相 复杂结构的间隙化合物复杂结构的间隙化合物1 正常价化合物正常价化合物 严格遵守化合价规律的化合物称正常价化合物。它们由元素周期表中相距较远、电负性相差较大的两元素组成，可用确定的化学式表示。例如，大多数金属和A族、族、A族元素生成Mg2Si、Mg2Sb3、Mg2Sn、Cu2Se、ZnS、AlP及-SiC等, 皆为正常价化合物。这类化合物性能的特点是硬度高、脆性大。2 电子化合物电子化合物 不遵守化合价规律但符合于一定电子浓度(化合物中价电子数与原子数之比)的化合物叫做电子化合物。它们由B族或过渡族元素与B族、A族、A族、A族元素所组成。一定电子浓度的化合物相应有确定的晶体结构, 并且还可

19、溶解其组元, 形成以电子化合物为基的固溶体。生成这种合金相时, 元素的每个原子所贡献的价电子数Au、Ag、Cu为1个, Be、Mg、Zn为二个, Al为3个, Fe、Ni为0个。 电子化合物主要以金属键结合, 具有明显的金属特性, 可以导电。它们的熔点和硬度较高，塑性较差，在许多有色金属中为重要的强化相。3 间隙化合物间隙化合物 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化合物为间隙化合物。尺寸较大的过渡族元素原子占据晶格的结点位置，尺寸较小的非金属原子则有规则地嵌入晶格的间隙之中。根据结构特点，间隙化合物分间隙相和复杂结构的间隙化合物两种。间隙相间隙相 当非金属原子半径

20、与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度, 非常稳定。它们的合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。复杂结构的间隙化合物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之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。钢中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C、FeB、Fe2B等都是这类化合物。Fe3C是铁碳合金中的重要组成相, 具有复杂的斜方晶格。其中铁原子可以部分地被 锰、铬、钼、钨等金属原子所置换, 形成以间隙化合物为基的固溶体, 如(F

21、e、Mn)3C、(Fe、Cr)3C等。复杂结构的间隙化合物也具有很高的熔点和硬度, 但比间隙相稍低些, 在钢中也起强化相作用。 具有一定程度的金属性质。具有一定程度的金属性质。 具有较高的熔点。具有较高的熔点。 硬度较高。硬度较高。 脆性高。脆性高。1 1）概念）概念原始材料原始材料 打磨打磨 抛光抛光 腐蚀腐蚀 观察观察微观形貌微观形貌 组织组织由数量、形态、大小和分布方式不同由数量、形态、大小和分布方式不同的各种的各种相相组成，可以由单相组成，也可以组成，可以由单相组成，也可以由多相组成。由多相组成。 相：相：在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结在金属或合金中，凡化学成分相同、晶体结构相

22、同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。 珠光体珠光体粗片状的相和细片状的Fe3C相两相铁素体相 不同碳含量的铁碳合金在平衡结晶后获得的室温组织不一样。 金属材料的化学成分一定时, 工艺过程则是其组织的最重要的影响因素。 纯铁经冷拔后, 其组织由原来的等轴形状的铁素体晶粒变成拉长了的铁素体晶粒。 碳含量为0.77%的铁碳合金经球化退火后, 得到的组织为球状珠光体。这种组织与室温平衡组织片状珠光体的形态完全不一样。化学成分工艺过程工艺过程片状珠光体球状珠光体3 3）组织与性能的关系）组织与性能的关系组织结构决定性能！组织结构决定性能！例如：灰口铸铁例如

23、：灰口铸铁A A）F+F+片状石墨片状石墨 B B）F+F+团絮状石墨团絮状石墨 C C）F+F+球状石墨球状石墨冲击韧性冲击韧性抗拉强度抗拉强度增大增大1 1）金属组织名称相同，组成相相同，但晶粒）金属组织名称相同，组成相相同，但晶粒形状、大小不同，则性能也不同形状、大小不同，则性能也不同例：不同晶粒度的纯铁例：不同晶粒度的纯铁2 2）组织相同，组成相也相同，形状、大小无）组织相同，组成相也相同，形状、大小无明显差异，只是成分有所不同，则性能也明显差异，只是成分有所不同，则性能也不同。不同。例：例：Cu-NiCu-Ni合金合金 主要内容主要内容工艺性能：工艺性能：制造工艺过程中制造工艺过程中

24、材料适应加工材料适应加工的性能的性能使用性能：使用性能：在在使用条件下使用条件下所表现出来的性所表现出来的性能，包括力学（机械）性能、物化等性能能，包括力学（机械）性能、物化等性能冶炼冶炼 铸造铸造 铸锭铸锭 热锻、热轧热锻、热轧铸件铸件板、棒、型材、管材板、棒、型材、管材锻件锻件焊接焊接机加工机加工冷轧、冷拔冷轧、冷拔 冷冲冷冲零件零件机加工机加工工艺性能直接影响零件加工后的质量，是选材和工艺性能直接影响零件加工后的质量，是选材和制定零件加工工艺路线时应当考虑的重要因素！制定零件加工工艺路线时应当考虑的重要因素！u铸造性能铸造性能u锻造性能锻造性能u焊接性能焊接性能u切削加工性能切削加工性能

25、u热处理工艺性能热处理工艺性能金属材料铸造成形获得优良铸件的能力金属材料铸造成形获得优良铸件的能力 流动性流动性 收缩性收缩性 偏析偏析金属材料用锻压方法成形的适应能力称为锻金属材料用锻压方法成形的适应能力称为锻造性能。造性能。金属材料对焊接加工的适应性。金属材料对焊接加工的适应性。影响因素：影响因素：碳质量分数碳质量分数、合金元素质量分数合金元素质量分数用切削后的表面粗糙度和刀具寿命表示用切削后的表面粗糙度和刀具寿命表示主要是淬透性，即钢接受淬火的能力主要是淬透性，即钢接受淬火的能力p强度强度p塑性塑性p硬度硬度p韧性韧性p疲劳强度疲劳强度p断裂韧性断裂韧性(strength):材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力。根据承受载荷类型不同：根据承受载荷类型不同：抗拉强度、抗压强度、抗拉强度、抗压强度、 抗弯强度抗弯强度 、抗剪强度抗剪强度 、抗扭强度、抗扭强度拉伸试样拉伸试样拉伸试验机拉伸试验机拉伸试样的颈缩现象拉伸试样的颈缩现象应力应变曲线应力应变曲线(plasticity): 是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不是指材料在载荷作用下产生塑性变形而不被破坏的能力被破坏的能力(1)(1)断面收缩率断面收缩率(percentage reduction in(percentage reduction in area):