机械工程材料 第二章金属的晶体结构_第1页
机械工程材料 第二章金属的晶体结构_第2页
机械工程材料 第二章金属的晶体结构_第3页
机械工程材料 第二章金属的晶体结构_第4页
机械工程材料 第二章金属的晶体结构_第5页
已阅读5页,还剩74页未读 继续免费阅读

下载本文档

版权说明:本文档由用户提供并上传,收益归属内容提供方,若内容存在侵权,请进行举报或认领

文档简介

机械工程材料第二章金属的晶体结构第1页,共79页,2023年,2月20日,星期一第一节材料的结合方式一、化学键组成物质的质点(原子、分子或离子)之间的相互联系----化学键离子键共价键金属键氢键分子键第2页,共79页,2023年,2月20日,星期一正负离子通过静电引力互相吸引,当引力与离子间的斥力相等时形成稳定的离子键第3页,共79页,2023年,2月20日,星期一通过共用电子对而形成的结合键成为共价键第4页,共79页,2023年,2月20日,星期一金属离子通过正离子和自由电子之间的引力而互相结合,这种结合键称为金属键第5页,共79页,2023年,2月20日,星期一一个分子的带正电部分会吸引另一个分子的带负电部分,这种结合力称为分子键第6页,共79页,2023年,2月20日,星期一氢键第7页,共79页,2023年,2月20日,星期一二、结合键的性能特点第8页,共79页,2023年,2月20日,星期一三、工程材料的键性第9页,共79页,2023年,2月20日,星期一四、晶体与非晶体金属的结构晶态非晶态SiO2的结构晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。第10页,共79页,2023年,2月20日,星期一非晶体材料的特点1各向同性2没有固定的熔点3导热率和热膨胀系数小4塑性变形大如普通玻璃、石蜡、松香等第11页,共79页,2023年,2月20日,星期一第二节金属的晶体结构一、晶体的基本概念组成物质的原子或原子集团在三维空间周期性排列第12页,共79页,2023年,2月20日,星期一晶格与晶胞晶格: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。直线的交点(即原子中心)称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。晶胞:能代表晶格原子排列规律的最小几何单元.晶体晶格晶胞示意图第13页,共79页,2023年,2月20日,星期一晶系:根据晶胞参数不同,将晶体分为七种晶系。90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。立方晶系:a=b=c,===90六方晶系:a1=a2=a3c,==90,=120立方六方四方菱方正交单斜三斜晶格常数:晶胞每个边的尺寸a、b、c。各棱间的夹角用、、表示。第14页,共79页,2023年,2月20日,星期一晶系晶系点阵棱边长度及夹角关系立方简单立方a=b=c===90

体心立方面心立方四方简单四方a=bc===90

体心立方菱方简单菱方a=b=c==90六方简单六方a1=a2=a3c==90=120正交简单正交abc===90

底心正交体心正交面心正交单斜简单单斜abc==90底心单斜三斜简单三斜abc90第15页,共79页,2023年,2月20日,星期一1简单三斜简单单斜底心单斜简单正交

底心正交体心正交面心正交简单六方简单菱方简单四方体心四方12简单立方13体心立方14面心立方第16页,共79页,2023年,2月20日,星期一晶胞尺寸和原子半径晶胞中原子密度最大方向上相邻两原子之间距离的一半—原子半径与晶体结构有关--同一元素在不同结构中原子半径不同!!第17页,共79页,2023年,2月20日,星期一晶胞原子数第18页,共79页,2023年,2月20日,星期一配位数和致密度配位数----晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目致密度--晶胞中原子本身所占的体积的百分数第19页,共79页,2023年,2月20日,星期一二、常见金属的晶格类型体心立方晶格

(BCC

bcc

bcc)原子个数:2配位数:8致密度:0.68常见金属:-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等晶格常数:a(a=b=c)原子半径:第20页,共79页,2023年,2月20日,星期一计算体心立方晶格金属的致密度总原子体积2x(4/3)r3----------------=---------------晶胞体积a3原子半径:第21页,共79页,2023年,2月20日,星期一原子个数:4配位数:12致密度:0.74常见金属:-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等

面心立方晶格(FCC,fcc,fcc)晶格常数:a

原子半径:第22页,共79页,2023年,2月20日,星期一a21r=:原子半径原子个数:6配位数:

12致密度:0.74常见金属:

Mg、Zn、Be、Cd等晶格常数:底面边长a和高c,c/a=1.633密排六方晶格

(HCP

hcp

hcp)第23页,共79页,2023年,2月20日,星期一第24页,共79页,2023年,2月20日,星期一课堂练习写出三个表征材料力学性能的指标,并说明它们的意义。第25页,共79页,2023年,2月20日,星期一晶体---组成物质的原子或原子团在三维空间周期性地排列晶格,晶胞,面心立方,体心立方,密排六方:配位数,晶胞中原子数,致密度.第26页,共79页,2023年,2月20日,星期一三、立方晶系晶面、晶向表示方法晶体中各方位上的原子面称晶面各方向上的原子列称晶向1、晶面指数表示晶面的符号称晶面指数。其确定步骤为:

⑴确定原点,建立坐标系,求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。⑵取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数,加圆括弧,形式为(hkl)。XYZ第27页,共79页,2023年,2月20日,星期一第28页,共79页,2023年,2月20日,星期一例一、求截距为1,,晶面的指数。

截距值取倒数为1,0,0,加圆括弧得(100)例二、求截距为1,2,3晶面的指数。

取倒数为1,1/2,1/3,化为最小整数加圆括弧得(632)例三、画出(112)晶面。取三指数的倒数1,1,1/2,化成最小整数为2,2,1,即为X,Y,Z三坐标轴上的截距。(632)(221)第29页,共79页,2023年,2月20日,星期一2、晶向指数表示晶向的符号称晶向指数。其步骤为:⑴

确定原点,建立坐标系,过原点作所求晶向的平行线。⑵求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数,加方括弧。形式为[uvw]。第30页,共79页,2023年,2月20日,星期一第31页,共79页,2023年,2月20日,星期一例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1,1.5,2,求该直线的晶向指数。将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]。例二、已知晶向指数为[110],画出该晶向。找出1,1,0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向。[110][234]第32页,共79页,2023年,2月20日,星期一3、晶面族与晶向族(hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。指数虽然不同,但原子排列完全相同(晶体学上等效),而且相互不平行的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用{hkl}和<uvw>表示。第33页,共79页,2023年,2月20日,星期一立方晶系常见的晶面为:第34页,共79页,2023年,2月20日,星期一{110}(110)(110)(101)(101)(011)(011)XZY第35页,共79页,2023年,2月20日,星期一立方晶系常见的晶向为:第36页,共79页,2023年,2月20日,星期一<111>[111][111][111][111]XZY第37页,共79页,2023年,2月20日,星期一说明:①在立方晶系中,指数相同的晶面与晶向相互垂直。②遇到负指数,“-”号放在该指数的上方。--③晶向具有方向性,如[110]与[110]方向相反。XZY(221)[221][110][110]第38页,共79页,2023年,2月20日,星期一4、密排面和密排方向(bcc

fcc)单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。

第39页,共79页,2023年,2月20日,星期一面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序密排六方晶格的堆垛顺序为ABABAB…面心立方晶格的堆垛顺序为ABCABCABC…第40页,共79页,2023年,2月20日,星期一四、实际金属的晶体结构上面介绍的是理想晶体(单晶体且没有缺陷)的结构及描述方法第41页,共79页,2023年,2月20日,星期一变形金属晶粒尺寸约1-100m,铸造金属可达几mm。纯铁组织晶粒示意图1、多晶体单晶体:其内部晶格方位完全一致的晶体。多晶体:由多晶粒组成的晶体结构。晶粒:实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成,这些小晶体称为晶粒。第42页,共79页,2023年,2月20日,星期一沿晶断口铅锭宏观组织第43页,共79页,2023年,2月20日,星期一晶界:晶粒之间的交界面。晶粒越细小,晶界面积越大。2、晶体缺陷晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷,按几何形态可分三类,即点、线、面缺陷。光学金相显示的纯铁晶界多晶体示意图第44页,共79页,2023年,2月20日,星期一⑴点缺陷

——

空位、间隙原子、置换原子①空位:晶格中某些缺排原子的空结点。②

间隙原子:挤进晶格间隙中的原子称间隙原子。间隙原子可以是基体金属原子,也可以是外来原子。面心立方的四面体与八面体间隙体心立方的间隙第45页,共79页,2023年,2月20日,星期一③置换原子:

取代原来原子位置的外来原子称置换原子。点缺陷破坏了原子的平衡状态,使晶格发生扭曲,称晶空位间隙原子小置换原子大置换原子格畸变。从而使强度、硬度提高,塑性、韧性下降。第46页,共79页,2023年,2月20日,星期一

⑵线缺陷—晶体中的位错

位错:晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移,滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称作位错。有刃型位错和螺型位错两种类型。第47页,共79页,2023年,2月20日,星期一刃型位错: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。半原子面在滑移面以上的称正位错,用“”表示。半原子面在滑移面以下的称负位错,用“ㅜ”表示。刃型位错第48页,共79页,2023年,2月20日,星期一⑶面缺陷—晶界与亚晶界晶界是不同位向晶粒的过度部位,宽度为5~10个原子间距,位向差一般为20~40°。第49页,共79页,2023年,2月20日,星期一亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小,位向差也很小(10’-2°)的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。亚晶界也可看作位错壁。第50页,共79页,2023年,2月20日,星期一孪晶第51页,共79页,2023年,2月20日,星期一晶界的特点:①原子排列不规则。②熔点低。③耐蚀性差。④易产生内吸附,外来原子易在晶界偏聚。⑤阻碍位错运动,是强化部位,因而实际使用的金属力求获得细晶粒。(位错塞积)⑥是相变的优先形核部位。

第52页,共79页,2023年,2月20日,星期一五、合金的晶体结构合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的元素可以全部是金属,也可是金属与非金属。组成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu两相合金黄铜第53页,共79页,2023年,2月20日,星期一所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同,并与其它部分有界面分开的均匀组成部分。显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。单相合金两相合金第54页,共79页,2023年,2月20日,星期一晶面族,晶向族点缺陷:空位,间隙原子,置换原子线缺陷:刃位错,螺位错面缺陷:晶界,亚晶界,相界合金,相,固溶体,金属间化合物第55页,共79页,2023年,2月20日,星期一

1、固溶体合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相

称固溶体。习惯以、、表示。与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。固溶体是合金的重要组成相,实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金。按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体第56页,共79页,2023年,2月20日,星期一⑴置换固溶体溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子呈无序分布的称无序固溶体,呈有序分布的称有序固溶体。黄铜置换固溶体组织第57页,共79页,2023年,2月20日,星期一⑵

间隙固溶体溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金

属元素,如C、N、B等,而溶剂元素一般是过渡族元素。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂<0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。第58页,共79页,2023年,2月20日,星期一⑶固溶体的溶解度溶质原子在固溶体中的极限浓度。溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。组成元素原子半径、电化学特性相近,晶格类型相同的置换固溶体,才有可能形成无限固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体。Cu-Ni无限固溶体Cu-Zn有限固溶体固溶体化合物第59页,共79页,2023年,2月20日,星期一⑷

固溶体的性能随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降—固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。与纯金属相比,固溶体的强度、硬度高,塑性、韧性低。但与化合物相比,其硬度要低得多,而塑性和韧性则要高得多。第60页,共79页,2023年,2月20日,星期一2、金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性,并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的Fe3C当合金中出现金属化合物时,可提高其强度、硬度和耐磨性,但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。第61页,共79页,2023年,2月20日,星期一⑴正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si。⑶间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。Al-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基轴承合金中的电子化合物第62页,共79页,2023年,2月20日,星期一⑵电子化合物—结构符合电子浓度规律。如Cu3Sn。电子浓度为价电子数与原子数的比值。第63页,共79页,2023年,2月20日,星期一间隙化合物分为:间隙相----简单晶格的间隙化合物----非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59第64页,共79页,2023年,2月20日,星期一①间隙相:r非/r金0.59时形成的具有简单晶格结构的间隙化合物。如

M4X(Fe4N)、

M2X(Fe2N、W2C)、

MX(TiC、VC、TiN)等。间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点,非常稳定。部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。

VC的结构第65页,共79页,2023年,2月20日,星期一②具有复杂结构的间隙化合物当r非/r金>0.59时形成复杂结构间隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Fe3C称渗碳体,是钢中重要组成相,具有复杂斜方晶格。化合物也可溶入其它元素原子,形成以化合物为基的固溶体。Fe3C的晶格高温合金中的Cr23C6第66页,共79页,2023年,2月20日,星期一宏观相第67页,共79页,2023年,2月20日,星期一灰铸铁----微观相第68页,共79页,2023年,2月20日,星期一第三节陶瓷和聚合物的结构特点第69页,共79页,2023年,2月20日,星期一工业上应用的典型的传统陶瓷产品如陶瓷器、玻璃、水泥等。随着现代科技的发展,出现了许多性能优良的新型陶瓷。陶瓷材料是除金属和高聚物以外的无机非金属材料通称。第70页,共79页,2023年,2月20日,星期一一、陶瓷材料的特点

1、陶瓷材料的相组成特点陶瓷材料通常由三种不同的相组成,即晶相(1)、玻璃相(2)和气相(3)[气孔]。第71页,共79页,2023年,2月20日,星期一(1)晶相是陶瓷材料中主要的组成相,决定陶瓷材料物理化学性质的主要是晶相。大多数陶瓷材料是由离子键构成的离子晶体或共价键构成的共价晶体。硅酸盐是普通陶瓷的主要成分,其晶体的主体硅氧四面体(SiO4);氧化物、炭化物、氮化物、硼化物等化合物晶体。第72页,共79页,2023年,2月20日,星期一(2)玻璃相是非晶态结构的低熔点固体,其作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料致密度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。但其强度低、绝缘性及稳定性差,工业陶瓷中玻璃相的数量一般控制在20-40%。第73页,共79页,2023年,2月20日,星期一(3)气相是在工艺过程中形成并保留下来的,往往会成为裂纹源,使陶瓷强度降低。普通陶瓷的气孔率为5-10%,特种陶瓷为5%以下。第74页,共79页,2023年,2月20日,星期一二、

温馨提示

  • 1. 本站所有资源如无特殊说明,都需要本地电脑安装OFFICE2007和PDF阅读器。图纸软件为CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.压缩文件请下载最新的WinRAR软件解压。
  • 2. 本站的文档不包含任何第三方提供的附件图纸等,如果需要附件,请联系上传者。文件的所有权益归上传用户所有。
  • 3. 本站RAR压缩包中若带图纸,网页内容里面会有图纸预览,若没有图纸预览就没有图纸。
  • 4. 未经权益所有人同意不得将文件中的内容挪作商业或盈利用途。
  • 5. 人人文库网仅提供信息存储空间,仅对用户上传内容的表现方式做保护处理,对用户上传分享的文档内容本身不做任何修改或编辑,并不能对任何下载内容负责。
  • 6. 下载文件中如有侵权或不适当内容,请与我们联系,我们立即纠正。
  • 7. 本站不保证下载资源的准确性、安全性和完整性, 同时也不承担用户因使用这些下载资源对自己和他人造成任何形式的伤害或损失。

评论

0/150

提交评论