工程材料课件

工程材料课件第一页，共二十二页，2022年，8月28日1、金属键

正离子与自由电子的相互吸引，将所有的金属原子结合起来，使金属处于稳定的晶体状态。金属原子的这种结合方式称为“金属键”。2、金属的特性(1)良好的导电、导热性能。(2)正的电阻温度系数。(3)不透明有金属光泽。(4)有延展性(塑性)。金属键无饱和性和方向性(5)键的结合力相差大金属键第二页，共二十二页，2022年，8月28日2.2金属晶体结构2.2.1晶体结构的基本概念

1、晶体—原子在空间呈规则排列的固体物质。晶体具有固定的熔点。具有各向异性非晶体—原子无序地堆积在一起。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。晶体：金刚石、NaCl、冰等非晶体：

蜂蜡、玻璃等。第三页，共二十二页，2022年，8月28日2、晶体结构

金属的性能不仅取决于原子间的键和方式，而且与原子在空间的排列情况密切相关。⑴晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。(2)晶胞：组成晶格的最小几何组元

由结点形成的空间点的阵列称空间点阵

直线的交点（原子中心）称结点第四页，共二十二页，2022年，8月28日(4)晶面：在晶格中由一系列原子所构成的平面。(3)晶格常数棱边夹角α、β、γ棱边长度a、b、c(5)晶向:在晶格中，任意两原子之间的连线所指的方向。(6)原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。(9)致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。(7)晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。(8)配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目第五页，共二十二页，2022年，8月28日2.2.2典型的金属晶体结构原子分布在立方晶胞的八个角上和立方体的体心。1、体心立方晶格(1)晶胞特征参数a(a=b=c),α=β=γ=90°(2)晶胞中的原子数n=8×1/8＋1=2个(3)原子半径α-Fe、Cr、Mo、W、V等

(4)配位数：8(5)致密度第六页，共二十二页，2022年，8月28日2、面心立方晶格原子分布在立方晶胞的八个角上和六个面的中心

γ-Fe、Cu、Ni、Al、Ag、Au等

(2)晶胞原子数：4(3)原子半径(5)致密度：AFP=0.74(4)配位数：12(1)晶胞特征参数a(a=b=c)，α=β=γ=90°;第七页，共二十二页，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个角上以及两底面的中心和两底面之间的三个均匀分布的间隙里。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)晶胞原子数：(3)原子半径：r=a/2n=3+2×1/2+12×1/6=6(4)配位数：12第八页，共二十二页，2022年，8月28日1、单晶体与多晶体结构力学性能特点：各向同性力学性能特点：各向异性(1)单晶体—结晶方位完全一致的晶体。(2)多晶体—由许多晶格排列方位不相同的晶粒(小晶体)构成的晶体。2.2.3典型的金属晶体结构ZXYZYX第九页，共二十二页，2022年，8月28日(3)晶界—晶粒与晶粒之间的界面亚晶界—亚晶粒的边界。亚晶粒—同一颗晶粒内尺寸更小、位向差很小(1o～2o)的小晶块。(4)显微组织—在显微镜下观察到的材料内部微观形态。即晶粒的形状、大小、数量和分布情况。2、晶格缺陷点缺陷线缺陷面缺陷种类晶格的不完整部位称晶体缺陷第十页，共二十二页，2022年，8月28日长、宽、高三个方向尺寸都很小的缺陷。(1)点缺陷对晶体性能影响点缺陷晶格畸变金属强度、硬度↑韧塑性↓、体积膨胀

在晶格的间隙中存在多余原子。结点上的原子被异类原子所置换。在正常的晶格结点上出现空位。种类空位和间隙原子有利于金属中原子的扩散间隙原子置换原子晶格空位第十一页，共二十二页，2022年，8月28日位错：晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律错排的现象(2)线缺陷在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸很小的缺陷。位错密度ρ：单位体积中包含的位错线总长度ρ＝L／V

当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错。第十二页，共二十二页，2022年，8月28日位错对性能的影响：

金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。应用①非晶②“晶须”—位错密度极低,尺寸极细的细丝。③冷变形、热处理使位错密度ρ↑(如马氏体相变等)位错密度强度Rm理论值金属须退火态106~108cm-2加工硬化1011~1012cm-2第十三页，共二十二页，2022年，8月28日晶界亚晶界种类对晶体性能的影响晶界处晶格畸变能量高于晶粒内部→熔点低，腐蚀性差，高温下强度和硬度较低，是相变优先形核部位阻碍位错运动→常温下强度和硬度较高，能够改善塑性、韧性。晶粒越细，则晶界越多，常温下强度和塑性越高。亚晶界由一系列刃型位错所构成。在一个方向上的尺寸较小，另外两个方向上的尺寸相对很大，呈面状分布(3)面缺陷第十四页，共二十二页，2022年，8月28日2.3合金相结构相同的相，其组织不一定相同，性能也不一样合金—由两种或两种以上的金属或金属与非金属组成的具有金属性质的物质组元—组成合金的最基本的独立的物质组元可以是元素或稳定化合物相—合金中具有同一化学成分、同一聚集状态、同一结构且以界面互相分开的各个均匀的组成部分。组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相构成金属材料的性能是由组织所决定的相的种类：固溶体、金属化合物(中间相)第十五页，共二十二页，2022年，8月28日2.3.1固溶体合金在固态下，组元间互相溶解而形成的在某一组元的晶格中包含有其它组元的均匀相1、固溶体的溶解度：在一定条件下，溶质原子在固溶体中的极限浓度。2、结构特点：点阵结构仍保持溶剂金属的结构。3、类型

按溶质原子的位置置换固溶体间隙固溶体按溶质原子的溶解度有限固溶体无限固溶体第十六页，共二十二页，2022年，8月28日(1)置换固溶体溶质原子占据溶剂原子的某些晶格结点位置而形成的固溶体。形成条件：溶质和溶剂原子大小比较接近种类：无限置换固溶体Cu-Ni有限置换固溶体Pb-Sn、(2)间隙固溶体

溶质原子溶入溶剂晶格各结点间的间隙中形成的固溶体r溶质/r溶剂＜0.59原子半径小于1Å的非金属元素溶入过渡族金属而形成形成条件第十七页，共二十二页，2022年，8月28日间隙固溶体都是有限固溶体(3)无限固溶体：两组元在固态无限溶解的固溶体。溶质与溶剂晶格类型相同原子直径和电负性相接近无限固溶体只能是置换固溶体形成条件(4)有限固溶体：组元在固态部分溶解的固溶体晶格畸变4、固溶体的性能位错运动阻力↑，使金属的滑移变形更加困难

随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降—固溶强化金属的强度、硬度↑第十八页，共二十二页，2022年，8月28日

合金组元之间发生相互作用而形成的一种新相，又称为中间相。③熔点高、硬度大、脆性较大，具有金属性质。1、特点①晶格类型不同于其中任一组元。例钢中Fe3C。②可用分子式来表示。2.3.2金属化合物2、作用提高合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性，但塑性有所降低。第十九页，共二十二页，2022年，8月28日3、种类(1)正常价化合物(2)电子化合物(3)间隙相和间隙化合物过渡金属+小半径非金属元素①间隙相r非/r金0.59，如WC、TiC、VC简单的晶体结构极高的硬度及熔点，脆性大。是高合金工具钢、硬质合金的重要组成相第二十页，共二十二页，2022年，8月28日合金渗碳体：渗碳体(Fe3C)中Fe原子被Mn、Cr、Mo、W等原子所置换，形成以间隙化合物为基的固溶体，如(Fe，Mn)3C、(Fe，Cr