清华大学-工程材料课件(1)

第1章材料的结构与性能内容提要：本章重点介绍纯金属的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构、金属材料的组织。一般介绍金属材料的性能、高分子材料和陶瓷材料的结构与性能。学习目标：本章重点掌握金属的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。了解高分子材料、陶瓷材料的结构与性能。1.1金属材料的结构与组织1.1.1纯金属的晶体结构晶体结构晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式。通过金属原子(离子)的中心划出许多直线，形成空间格架，称为晶格。棱边长a、b、c棱边间夹角α、β、γa、b、c称为晶格常数。金属的晶格常数一般为:1×10-10m～7×10-10m(0.1nm～0.7nm)晶胞老师提示不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、化学和力学性能。金属的晶体结构可用X射线结构分析技术进行测定。晶胞：能反映该晶格特征的最小组成单元。一、三种常见的金属晶体结构☆老师提示：重点内容1.体心立方晶格(胞)(BCC晶格)8个原子处于立方体的角上，1个原子处于立方体的中心,角上8个原子与中心原子紧靠。具有体心立方晶格的金属有钼(Mo)、钨(W)、钒(V)、α-铁(α-Fe,912℃)等。体心立方晶胞特征：（1）晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°（2）晶胞原子数角上的原子属于8个相邻的晶胞，中心的原子属于这个晶胞。一个体心立方晶胞所含的原子数为2个。（3）原子半径晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半称为原子半径(r原子)。体心立方晶胞中原子半径与晶格常数a之间的关系为：（4）致密度晶胞中原子占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数)。致密度越大，原子排列紧密程度越大。体心立方晶胞的致密度为：（5）空隙半径在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径。体心立方晶胞中有两种空隙：●四面体空隙半径:r四=0.29r原子●八面体空隙半径:r八=0.15r原子四面体空隙半径八面体空隙半径（6）配位数配位数为晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目。配位数越大，原子排列紧密程度就越大。体心立方晶格的配位数为8。2.面心立方晶格(胞)(FCC晶格)金属原子分布在立方体的8个角上和6个面的中心。面中心的原子与该面4个角上的原子紧靠。具有这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ-铁(γ-Fe,912℃～1394℃)等。面心立方晶胞的特征：（1）晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°（2）晶胞原子数(个)4（3）原子半径（4）致密度0.74(74%)（5）空隙半径●四面体空隙半径:r四=0.225r原子●八面体空隙半径:r八=0.414r原子（6）配位数12四面体空隙半径八面体空隙半径3.密排六方晶格(胞)(HCP晶格)12个金属原子分布在六方体的12个角上,在上下底面的中心各分布1个原子,上下底面之间均匀分布3个原子。具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等。密排六方晶胞特征：（1）晶格常数正六边形的边长a两底面之间的距离c相邻侧面夹角120°侧面与底面夹角90°（2）晶胞原子数6（3）原子半径（4）致密度0.74(74%)（5）空隙半径●四面体空隙半径为:r四=0.225r原子●八面体空隙半径为:r八=0.414r原子（6）配位数12老师提示由于原子排列紧密程度不一样，当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时,体积会发生变化。钢在淬火时因晶格转变发生体积变化。不同晶体结构中原子排列的方式不同,使它们的形变能力不同。二、晶体中的晶面和晶向通过晶体中原子中心的平面叫做晶面；通过原子中心的直线为原子列，代表的方向叫做晶向。晶面用晶面指数表达。晶向用晶向指数表达。1.立方晶系的晶面表示方法以晶面ABB’A’为例：晶面的截距可以为负数,在指数上加负号,如。若某个晶面的指数都乘以-1,得到晶面,则晶面与属于一组平行晶面。立方晶胞中的主要晶面晶面指数的一般标记为(hkl)。实际表示一组原子排列相同的平行晶面。晶面族：在立方晶系中,原子排列相同但在空间方向不同的晶面组成晶面族。晶面族用大括号表示,即{hkl}。{111}晶面族在立方晶胞中组成{111}晶面族：以晶向DA为例：2.立方晶系的晶向表示方法立方晶胞中的主要晶向晶向OA：[100]晶向OB：[110]晶向OB’：晶向指数一般标记为[uvw]，表示一组原子排列相同的平行晶向。[111]若两个晶向的全部指数数值相同而符号相反,则它们相互平行或为同一原子列,但方向相反。如[110]与。若只研究原子排列情况,则晶向[110]与可用同一个指数[110]表示。晶向族原子排列情况相同而在空间位向不同的晶向组成晶向族。晶向族用尖括号表示,即uvw。如:100=[100]+[010]+[001]在立方晶系中,一个晶面指数与一个晶向指数数值和符号相同时,则该晶面与该晶向互相垂直。如：(111)⊥[111]。晶面与晶向互相垂直3.六方晶系的晶面指数和晶向指数四指数方法表示晶面和晶向。水平坐标轴选取互相成120°夹角的三坐标轴a1、a2和a3,垂直轴为c轴。晶面表示为(hkil),晶面族为{hkil},晶向表示为[uvtw],晶向族为uvtw。六方晶系主要晶面和晶向4.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密度不一样。密排面：原子密度最大的晶面。密排方向：原子密度最大的晶向。●在体心立方晶格中，密排面为{110}。密排方向为111。●在面心立方晶格中,密排面为{111}。密排方向为110。体心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度晶面指数体心立方晶格面心立方晶格晶面原子排列示意图晶面原子密度(原子数/面积)晶面原子排列示意图晶面原子密度(原子数/面积){100}{110}{111}体心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度晶向指数体心立方晶格面心立方晶格晶向原子排列示意图晶向原子密度(原子数/长度)晶向原子排列示意图晶向原子密度(原子数/长度)100110111三、金属晶体的特性1.金属晶体具有确定的熔点纯金属缓慢加热到一定温度,固态金属熔化成为液态金属。熔化过程中温度不变。熔化温度(T0)称为熔点。晶体和非晶体的熔化曲线非晶体材料在加热时,固态转变为液态时,温度变化。2.金属晶体具有各向异性在晶体中,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。●单晶体铁(只含一个晶粒)的弹性模量，111方向上为2.90×105MPa,100方向上只有1.35×105MPa。●单晶体铁在磁场中沿100方向磁化容易。制造变压器用的硅钢片的100方向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。●锌在盐酸中溶解时，晶面的溶解速度的次序从大到小是：各向异性：晶体在不同的方向上的力学、物理和化学等性能不一样。各向同性：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。实际使用的金属,内部有许多晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同，晶体的各向异性显示不出来。☆练习写出体心立方晶格、面心立方晶格的密排面和密排方向。四、实际金属中的晶体缺陷1.点缺陷在三维尺度上都很小的的缺陷。（1）空位晶格中某结点上没有原子。有利于金属内部原子的扩散。（2）间隙原子位于晶格间隙之中的原子叫间隙原子。（3）异类原子纯金属中存在的其它元素。●异类原子与金属原子的半径接近时,占据晶格的一些结点;异类原子老师提示：点缺陷造成局部晶格畸变,使金属的屈服强度、电阻率增加,密度发生变化。●异类原子的半径比金属原子的半径小得多,位于晶格的空隙中。2.线缺陷指两维尺度很小而第三维尺度很大的缺陷，叫位错。由晶体中原子平面的错动引起。（1）刃型位错晶体的一部分出现一个多余的半原子面。如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。这种线缺陷称刃型位错。半原子面在上面的称正刃型位错,半原子面在下面的称负刃型位错。（2）螺型位错晶体右边的上部相对于下部向后错动一个原子间距。晶面发生错动。错动区的原子用线连接起来，成螺旋状。这种线缺陷称螺型位错。位错的形成：在金属的结晶、塑性变形和相变等过程中形成。不锈钢中的位错线位错的量：用位错线长度来表示。位错密度：单位体积中位错线的总长度。式中：ρ为位错密度,单位为m-2，ΣL为位错线总长度,单位为m,V为体积,单位为m3。位错对性能的影响：●金属为理想晶体或含极少量位错时,金属的屈服强度σs很高。●当含有一定量的位错时,强度降低。●退火金属中位错密度为106～8cm-2，强度最低。金属的强度与位错密度的关系●形变加工时,位错密度增加,σs增高。3.面缺陷二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷。（1）晶界实际金属为多晶体。每个晶粒可视为单晶体。所有晶粒的结构相同,位向不同,位向差为几十分、几度或几十度。1Cr17不锈钢的多晶体晶界原子排列示意图晶界晶粒与晶粒之间的接触界面。晶界在空间呈网状；晶界上原子的排列规则性较差。（2）亚晶界晶粒由许多位向相差很小的亚晶粒(嵌镶块)组成。亚晶粒之间的位向差只有几秒、几分，最多达1～2度。亚晶界亚晶粒之间的边界。亚晶界由位错垂直排列成位错墙构成。老师提示晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多,晶粒越细,金属的塑性变形能力越大,塑性越好。亚晶界1.1.2合金的晶体结构合金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性的物质。组元：组成合金的独立的、最基本的单元。组元可以是金属、非金属元素或稳定化合物。二元合金：由两个组元组成的合金。如铁碳合金、铜镍合金、铝铜合金等。合金的强度、硬度、耐磨性等机械性能比纯金属高许多；某些合金还具有特殊的电、磁、耐热、耐蚀等物理、化学性能。合金的应用比纯金属广泛得多。相：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。液态物质为液相。固态物质为固相。固态合金中有两类基本相：固溶体金属化合物一、固溶体固溶体合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相。溶剂与固溶体晶格相同的组元溶质其他另一组元（含量较少）固溶体用α、β、γ等符号表示。A、B组元组成的固溶体也可表示为A(B),其中A为溶剂,B为溶质。例如铜锌合金中锌溶入铜中形成的固溶体一般用α表示,亦可表示为Cu(Zn)。1.固溶体的分类（1）按溶质原子在溶剂晶格中的位置分●置换固溶体:溶质原子代换了溶剂晶格某些结点上的原子;●间隙固溶体溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。置换固溶体间隙固溶体（2）按溶质原子在溶剂中的溶解度分有限固溶体、无限固溶体两种。固溶体中溶质的含量即为固溶体的浓度，用质量分数或摩尔分数表示。在一定温度和压力条件下，溶质在固溶体中的极限浓度即为溶质在固溶体中的溶解度。●有限固溶体超过溶解度有其它相形成。●无限固溶体溶质可以任意比例溶入，即溶质溶解度可达100%。（3）按溶质原子在固溶体中分布有否规律分●无序固溶体：溶质原子无规则分布●有序固溶体：溶质原子规则分布无序固溶体有序固溶体有序化转变：在一定条件下，一些合金的无序固溶体可转变为有序固溶体。2.固溶体的性能固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。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。如：●纯铜的σb为220MPa,硬度为40HB,断面收缩率ψ为70%。●当加入1%的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%。固溶体综合机械性能很好,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,磁矫顽力增大。二、金属化合物合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物,