工程材料基础

书名：工程材料基础ISBN：978-7-111-29512-9作者：张文灼赵振学出版社：机械工业出版社本书配有电子课件工程材料基础ppt课件第二章金属学基础知识纯金属的晶体结构金属的结晶合金的晶体结构金属的冷塑性变形金属的热塑性变形工程材料基础ppt课件晶体与非晶体晶体：固态下分子或原子呈规则排列的聚集状态特征：整齐规则的几何外形固定熔点你是否可以列举生活中的晶体呢？盐、味精、砂糖、碱牙齿、骨骼泥土、砂石金属制品松香、琥珀、玻璃非晶体辨别：X技术进行结构分析工程材料基础ppt课件工程材料基础ppt课件

晶胞常数：a、b、c、α、β、γ晶格常数：a、b、c简单立方晶胞：a＝b＝cα＝β＝γ＝90℃晶体晶格（空间格架）晶胞一、晶体结构

纯金属的晶体结构取向相同的晶胞构成晶粒工程材料基础ppt课件纯金属的晶体结构二、典型晶格类型体心立方晶格（bcc）面心立方晶格（fcc）密排六方晶格（hcp）工程材料基础ppt课件金属中常见晶格类型的基本参数晶格类型体心立方（bcc）面心立方（fcc）密排六方（hcp）晶胞结构晶胞常数晶胞内原子数原子半径致密度配位数典型金属a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃a＝b＝c

α＝β＝γ＝90℃a＝bc/a＝1.633

α＝β＝90℃γ＝120℃0.680.740.7481212α-Fe、Mo、W、V、Cr、β-Tiγ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、AgMg、Zn、Be、Ca、α-Ti反映原子排列紧密程度工程材料基础ppt课件三、单晶体的各向异性纯金属的晶体结构晶面{100}{110}{111}bccfcc晶向<100><110><111>bccfcc工程材料基础ppt课件结论：同一晶格内不同晶面（晶向)上原子分布不同不同晶格类型、同一名称晶面（晶向）上原子分布不同每一晶面（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∴单晶体具有各向异性工程材料基础ppt课件实际金属多为多晶体单晶体多晶体

四、实际金属晶体结构及晶体缺陷实际金属材料是由许多粒状单晶体组成的——晶粒晶粒大小（d：平均直径）——晶粒尺寸每一晶粒内部晶格位向基本一致每个晶粒有许多亚晶粒组成实际金属性能是各晶粒性能平均值（各向同性）纯金属的晶体结构工程材料基础ppt课件点缺陷——空位、间隙原子、置代原子晶体缺陷物质扩散的原因特征：①在位错线方向尺寸大②位错线周围产生晶格畸变

金属实际结构及晶体缺陷刃型位错螺型位错线缺陷——位错晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象

内部滑移造成面缺陷——晶界、亚晶界

金属实际结构及晶体缺陷特征：①属面接触②产生晶格畸变

亚晶界

晶界细化晶粒可增加面缺陷，提高强度金属实际结构及晶体缺陷晶界处位错密度高，使其局部σH对实际金属来说，晶体缺陷越多（尤其位错）

σHδ（ψ）ak晶体缺陷对性能的影响案例天然钻石和合成钻石部是由碳原子构成的，并且是按照相同的晶体点阵排列，所以它们具有相同的物理性质。仅有的特徵是显微结构和原子尺度的晶体点阵中的不规则性，也就是晶体缺陷。天然钻石是在地表以下200公里的深度在极端的高温（约1500°C）和高压（约50000大气压）的条件下生长的。但人们已经可以在实验室的环境下创造同样的条件来生产合成钻石

金属的结晶

结晶的概念:液体-->固态晶体结晶的过冷现象

过冷度：

T=T0-Tn结晶的必要条件：有过冷度！一、冷却曲线与过冷度金属的结晶实际结晶温度Tn：

V冷TnT

纯度TnT

影响过冷度的因素

金属的结晶晶体液体结晶液态金属形核晶核长大完全结晶条件适宜

T

长大

晶核晶粒二、纯金属的结晶晶胚

形核方式金属的结晶自发形核（均质形核）非自发形核（非均质形核）在结晶过程中，晶核完全是由液体中瞬时短程有序的原子团形成依靠液体中存在的固体杂质或容器壁形核在实际结晶过程中，两者同时存在的，但以非自发形核方式发生结晶更为普遍

水蒸气在高空受冷凝结，以灰尘为晶核形成雪花金属的结晶枝晶长大（实际金属）

平面长大（小体积液体）晶体生长方式过冷度小时易发生晶核棱角处的散热条件好、生长快，先形成枝干，而枝干间最后被填充金属的结晶形核率（N）长大速度（G）孕育期（τ）——金属液体达到结晶温度后实际结晶前需要等待的时间N、G越大，结晶越快结晶温度越低，

T越大，τ越短与结晶有关的概念金属的结晶晶粒度的概念晶粒大小对性能的影响结晶时细化晶粒的方法增加过冷度进行变质处理增加液体的流动——表示晶粒大小程度的物理量三、晶粒大小及其控制晶粒小、晶粒多塑性、韧性硬度、强度四、金属铸锭组织铸锭是将熔化的金属倒入永久的或可以重复使用的铸模中制造出来的。凝固之后，这些锭（或棒料、板坯或方坯，根据容器而定）被进一步机械加工成多种新的形状静态铸锭是单纯将熔化的金属倒入永久的铸模中凝固后，将铸锭从铸模中抽出，铸模可以再次使用（钢的生产）半连续铸锭工艺在铝工业中用于制造大多数的铸造合金，由这些合金加工出棒料、薄板、板条和板材的形状。在这一工艺中，熔化的铝被传送到一个由水冷却的永久铸模中，在铸模的长活塞上装有活动底座。在铸模表面进一步凝固而形成一层坚硬的“皮”之后，活塞向下运动，更多的金属连续填入容器中。最后，活塞运动至全长，过程停止。

连续铸锭是将熔化的金属被送到一个永久铸模中，铸造开始时与半连续铸造极为相似。然而，该过程不是在一定时间后停止，凝固的铸锭被连续剪成或切成一定长度并且在铸造过程中被运走金属的结晶1——表面细晶粒层（激冷层）2——柱状晶粒层3——中心等轴晶粒四、金属铸锭组织细小合金的晶体结构一、合金基本概念以一种金属元素为主导，必须具有金属特性合金冶炼、烧结、喷涂…组成合金的最基本的独立物质合金化方法组元合金中具有相同成分、结构、且性能相同的均匀组成部分合金相（相）借助肉眼或显微镜所观察到的金属材料内部的相的组成、各相量的多少、相的形态分布和晶粒的大小等部分

组织二、合金相结构合金相固溶体化合物机械混合物固溶体

①总是以一种金属元素为溶剂，另一种或多种元素为溶质②保有溶剂的晶格结构③成分可在一定范围内变化，性能随成分的变化而变化④产生晶格畸变特征一种组元的原子溶入另一组元的晶格中所形成的均匀固相

概念固溶强化分类置换固溶体间隙固溶体分类金属化合物合金各组元的原子按一定的整数比化合而成的一种新相

性能特点熔点高、硬度高、脆性大

影响强度、硬度和耐磨性提高，塑性和韧性降低机械混合物混合物中的各组成相既不溶解，也不化合

具有更高的综合性能

金属的冷塑性变形基本概念塑性塑性成形塑性成形的目的——常用塑性成形方法——材料在外力作用下发生永久变形又不破坏其完整性的能力——材料在外力作用下，利用自身的塑性而使其加工成具有一定形状、尺寸及力学性能的工件的加工方法改变形状、尺寸改善组织及性能轧制挤压拉拔锻压冲压一、单晶体塑性变形滑移：晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分发生滑动

二、多晶体塑性变形变形过程复杂晶粒位向的影响晶界的影响晶粒大小的影响产生内应力出现竹节现象强度提高，塑性韧性得到改善纤维组织的形成晶粒内产生亚结构形成形变织构产生残余应力产生加工硬化