金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)課件

1、材料的主要性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能工藝性能材料的主要性能力學(xué)性能普通彈性材料（例如低碳鋼）在拉伸實(shí)驗(yàn)中會(huì)經(jīng)歷4個(gè)階段：彈性形變、屈服階段、強(qiáng)化階段、破壞直至斷裂 彈性形變：即材料所受拉力在彈性極限之內(nèi)，拉力與材料伸長成正比（胡克定律）。當(dāng)外力撤去之后，材料會(huì)恢復(fù)原來的長度。 屈服階段：在外部拉力超過彈性極限之后，材料失去抵抗外力的能力而“屈服”，即在此情況下外力無顯著變化材料依然會(huì)伸長。當(dāng)外力撤去后，材料無法回到原來的長度。 強(qiáng)化階段：材料在內(nèi)部晶體重新排列后重新獲得抵抗拉伸的能力，但此時(shí)的形變?yōu)樗苄孕巫?，外力撤去后無法回到原來的長度。破壞階段：材料在過度受力后開始在薄弱部位出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，

2、抵抗拉伸能力急劇下降，直至斷裂。 普通彈性材料（例如低碳鋼）在拉伸實(shí)驗(yàn)中會(huì)經(jīng)歷4個(gè)階段：彈性形aE=tgaB(ss下)A(ss上)C(sb) gs (MPa)200400e0.10.2O屈服極限：抗拉強(qiáng)度：E1.彈性階段2.屈服階段3.強(qiáng)化階段線彈性階段屈服階段強(qiáng)化階段低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線頸縮階段屈服點(diǎn)s和抗拉強(qiáng)度b是反映材料強(qiáng)度的兩個(gè)性能指標(biāo)，也是拉伸試驗(yàn)中需要測定的重要數(shù)據(jù)。aE=tgaB(ss下)A(ss上)C(sb) gs (MP金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)0.2對(duì)應(yīng)于試樣產(chǎn)生0.2%的塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值為材料的屈服強(qiáng)度對(duì)塑性低的材料（如鑄鐵），沒有明顯的屈服點(diǎn)0.2對(duì)應(yīng)于試樣產(chǎn)生0.2%的塑

3、性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值為材料第二章 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的結(jié)構(gòu)金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變合金的相結(jié)構(gòu)合金相圖第二章 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)基本概念純金屬的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)基本概念1、基本概念晶體：由許多金屬原子/離子在空間按一定幾何形式規(guī)則地緊密排列。（周期性）對(duì)比非晶體：原子無規(guī)則堆積（過冷液體）。1、基本概念晶體：由許多金屬原子/離子在空間按一定幾何形式規(guī)晶體（金剛石、NaCl、冰 ）非晶體（蜂蠟、玻璃 ）液體晶體（金剛石、NaCl、冰 ）非晶體（蜂蠟、玻璃 ）晶體特性固定熔點(diǎn)；各向異性熔點(diǎn)晶體非晶體時(shí)間溫度晶體和非晶體的熔化曲線XY

4、Z晶體特性固定熔點(diǎn)；各向異性熔點(diǎn)晶體非晶體時(shí)間溫度晶體和非原子（離子）的剛球模型原子中心位置晶體結(jié)構(gòu)原子（離子）的剛球模型原子中心位置晶體結(jié)構(gòu)晶胞點(diǎn)陣（晶格）模型晶胞點(diǎn)陣（晶格）模型晶格將原子抽象為一個(gè)幾何結(jié)點(diǎn)，并用直線聯(lián)接中心，所構(gòu)成的一個(gè)空間格架。晶胞晶格中能反映晶格特征的最小的幾何單元晶格將原子抽象為一個(gè)幾何結(jié)點(diǎn)，并用直線聯(lián)接中心，所構(gòu)成的XYZabc晶格常數(shù)a，b，c晶格常數(shù)XYZabc晶格常數(shù)晶格常數(shù)晶面: 通過原子中心的平面晶向：通過原子中心的直線所指的方向XYZabcXYZabc晶面: 通過原子中心的平面XYZabcXYZabc2、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬鍵決定特性大量自由電子良好導(dǎo)

5、電導(dǎo)熱性電子云與離子間引力高強(qiáng)度和良好塑性緊密的金屬鍵排列緊密的高對(duì)稱晶格2、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬鍵決定特性三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格 bcc面心立方晶格 fcc密排六方晶格 hcp三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格 bcc（1）體心立方晶格 bcc如-Fe、W、V、Mo 等（1）體心立方晶格 bcc如-Fe、W、V、Mo 等晶格常數(shù)：a=b=c； = = = 90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.68致密度=Va /Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3XYZabc2r2raa2晶格常數(shù)：a=b=c；晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.68（2）面心立方晶格 fcc如

6、-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等（2）面心立方晶格 fcc如-Fe、Cu、Ni、Al、Au晶格常數(shù)：a=b=c； = = = 90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.74XYZabc密排方向4晶格常數(shù)：a=b=c；晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.74（3）密排六方晶格 hcp如C（石墨）、Mg、Zn 等 晶格常數(shù)底面邊長a底面間距c側(cè)面間角120側(cè)面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0.74（3）密排六方晶格 hcp如C（石墨）、Mg、Zn 等 3、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)單晶體原子排列相同，晶格位向一致多晶體多晶粒和多晶界 晶粒（單晶體）3、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)單晶體原子排

7、列相同，晶格位向一致晶粒晶體中包含的具有不規(guī)則顆粒外形的小晶體晶界晶粒界面，不同的位向過渡區(qū)晶粒晶體中包含的具有不規(guī)則顆粒外形的小晶體晶體缺陷類型點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、異類原子線缺陷：位錯(cuò)面缺陷：晶界與亞晶界晶體缺陷類型點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、異類原子間隙原子是其它元素則稱為異類原子 （雜質(zhì)原子）空位 間隙原子（1）點(diǎn)缺陷間隙原子是其它元素則稱為空位 （2）線缺陷 刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)刃位錯(cuò) 刃位錯(cuò) （2）線缺陷 刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)刃位錯(cuò) 螺旋位錯(cuò)螺旋位錯(cuò)（3）面缺陷晶界（3）面缺陷晶界亞晶界亞晶界面缺陷引起晶格畸變，晶粒越細(xì)，則晶界越多，強(qiáng)度和塑性越高。亞晶界亞晶界面缺陷引起晶格畸變，二、純金屬的結(jié)

8、晶結(jié)晶結(jié)晶條件（結(jié)晶溫度）結(jié)晶過程（形核與長大）晶粒細(xì)化二、純金屬的結(jié)晶結(jié)晶結(jié)晶： 液體 - 晶體凝固： 液體 - 固體（晶體 或 非晶體）晶體液體結(jié)晶結(jié)晶： 液體 - 晶體凝固： 液體 - 固體（晶體冷卻曲線熱分析法tTT0Tn理論結(jié)晶溫度開始結(jié)晶溫度T過冷度T= T0 - Tn純金屬結(jié)晶的條件就是應(yīng)當(dāng)有一定的過冷度（克服界面能）冷卻曲線熱分析法tTT0Tn理論結(jié)晶溫度開始結(jié)晶溫度冷卻速度越大，則過冷度越大。冷卻速度越大，則過冷度越大。結(jié)晶過程形核和晶核長大的過程液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶結(jié)晶過程形核和晶核長大的過程液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶（1）形核過程自發(fā)形核由液體金屬內(nèi)部原子聚集，

9、超過臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。非自發(fā)形核是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。（1）形核過程自發(fā)形核由液體金屬內(nèi)部原子聚集，超過臨界晶（2）長大過程平面生長與樹枝狀生長平面生長示意圖（2）長大過程平面生長與樹枝狀生長平面生長示意圖細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施晶粒度表示晶粒大小，分8級(jí)。晶粒度12345678單位面積晶粒數(shù)（個(gè)/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直徑（m）2501771258862443122細(xì)晶強(qiáng)化晶粒細(xì)化使金屬機(jī)械性能提高的現(xiàn)象細(xì)晶強(qiáng)化強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施晶粒度表示晶粒大小，分8級(jí)。晶粒度細(xì)化晶粒的措施（1）提高過冷度形核率N 、長大

10、速度G 與 過冷度T 的關(guān)系細(xì)化晶粒的措施（1）提高過冷度形核率N 、長大速度G 與 過（2）變質(zhì)處理在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細(xì)化晶粒和改善組織的工藝措施。作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長大（3）振動(dòng)結(jié)晶作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)，或電磁攪拌等。（2）變質(zhì)處理在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細(xì)化晶三、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)性一種金屬具有兩種或兩種以上的晶格結(jié)構(gòu)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。重結(jié)晶特點(diǎn)：晶界形核， T大，內(nèi)應(yīng)力大三、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)性一種金屬具有兩種或兩種以純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-F

11、e，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc1394 C912 C-Fe，fcc-Fe，bcc912 C純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe，bcc -Fe，fcc 純鐵的冷卻曲線TFe，bcc-Fe，bcc-Fe，fccCooling curve770鐵磁性純鐵的冷卻曲線TFe，bcc四、合金的相結(jié)構(gòu)基本概念固溶體化合物四、合金的相結(jié)構(gòu)基本概念1、基本概念合金兩種以上元素組合成的、具有金屬特性的物質(zhì)。如，Cu-Zn, Fe-C等合金組元組成合金的最基本、獨(dú)立的物質(zhì)（元素、穩(wěn)定化合物）。如，F(xiàn)e-C合金中，F(xiàn)e、C均為組元。相化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)相同，且以界面分開的各均勻組成部分。1、基本概念水（液相）水+冰（雙相）冰（固相）水（液相）水+冰（雙相）冰（固相）Fe-C合金中的相F+Fe3 CFe3 C 鐵素體（ F ）Fe-C合金中的相F+Fe3 CFe3 C 鐵素體（ F組織 相的形狀、分布、組合狀態(tài)。單相組織（F）雙相組織（F+ Fe3 C）組織 相的形狀、分布、組合狀態(tài)。單相組織（F）雙相組織（固溶體 溶質(zhì)原子溶于溶劑晶格中，保持溶劑晶格的合金相。化合物合金組元形成晶格類型與任一組元都不相同的新相。合金中兩類基本相：固溶體 溶質(zhì)原子溶于溶劑晶格中，保持溶劑晶格的合