機(jī)械工程材料第一章

機(jī)械工程材料第一章第1頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五課程的主線Properties性能Structure結(jié)構(gòu)Classification分類Steels

鋼鐵Castiron

鑄鐵Nonferrous

有色金屬Ceramics

陶瓷Polymer

高分子Composite

復(fù)合材料Crystalstructure

晶體結(jié)構(gòu)Phasestructure

相結(jié)構(gòu)Microstructure

微觀組織Materialsprocessing材料加工Solidification凝固Plasticdeformation塑性變形Heattreatment熱處理第2頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五機(jī)械工程材料第一章金屬的晶體結(jié)構(gòu)第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)第二節(jié)實(shí)際金屬的微觀結(jié)構(gòu)第3頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五晶體結(jié)構(gòu)——原子排列方式與相互作用的結(jié)果

材料的性能取決于內(nèi)部結(jié)構(gòu)包括第一章金屬的晶體結(jié)構(gòu)本章目的晶體非晶體規(guī)則排列原子排列包括原子結(jié)構(gòu)原子鍵合原子運(yùn)動顯微組織金屬合金黃銅奧氏體不銹鋼第4頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第一章金屬的晶體結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容

三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)及特征參數(shù)：

體心立方、面心立方、密排六方單胞原子數(shù)、致密度、配位數(shù)

晶體的描述晶向指數(shù)和晶面指數(shù)

晶體缺陷點(diǎn)缺陷、線缺陷、面缺陷

晶體和點(diǎn)陣的概念

第5頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱為晶體結(jié)構(gòu)。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

一.金屬原子間的結(jié)合金剛石石墨第6頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五正離子和自由電子之間的正負(fù)電荷產(chǎn)生吸引力而使金屬原子結(jié)合。金屬特性：導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，塑性，強(qiáng)度↑，金屬光澤。1.金屬鍵第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

正離子與自由電子之間的吸引力自由電子氣模型第7頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五大量原子保持一平衡距離，使得結(jié)合能最低，原子自發(fā)趨于緊密排列——固態(tài)金屬中原子趨于規(guī)則排列2.結(jié)合力和結(jié)合能第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

雙原子作用模型三原子作用模型f=fa+frR0第8頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五二.晶體的概念1.定義

原子在三維空間作有規(guī)則的周期性重復(fù)排列的物質(zhì)2.特性

恒定熔點(diǎn)：晶體到液體或液體到晶體的轉(zhuǎn)變?yōu)橥蛔?/p>

各向異性：強(qiáng)度、彈性、導(dǎo)電性、熱膨脹性等

規(guī)則外形：個別晶體，如水晶、天然金剛石等第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

第9頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五3.其它金屬結(jié)構(gòu)狀態(tài)

非晶態(tài)金屬準(zhǔn)晶態(tài)金屬第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

準(zhǔn)晶體的結(jié)構(gòu)像晶體的原子像第10頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五陣點(diǎn)：將晶體的實(shí)際質(zhì)點(diǎn)(原子、分子)抽象為純粹的幾何點(diǎn)晶格：描述原子排列方式的幾何格架——空間點(diǎn)陣晶胞：晶格中具有代表性的最小的幾何單元。

——晶格則由晶胞重復(fù)堆砌而成。三.晶體的描述1.晶格與晶胞第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

晶體結(jié)構(gòu)晶格晶胞

幾何點(diǎn)的周圍環(huán)境相同第11頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

晶體結(jié)構(gòu)晶格晶胞

同一點(diǎn)陣中選取不同的晶胞

晶胞（1）點(diǎn)陣的周期性；（必要條件）（2）點(diǎn)陣的對稱性；（3）體積盡量小。原胞晶胞晶胞晶胞選取原則第12頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五

晶格常數(shù)：表示晶胞幾何形狀、大小的參數(shù)。如立方晶胞：

三棱邊a、b、c；

三棱邊夾角α、β、γ2.晶格特征參數(shù)第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

簡單單斜底心單斜簡單三斜第13頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

空間點(diǎn)陣根據(jù)“每個陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同”的要求，用數(shù)學(xué)分析法可推出空間點(diǎn)陣共有14種。體心立方面心立方簡單立方簡單單斜底心單斜簡單三斜立方六方四方菱方正交單斜三斜晶系：

根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。90%以上的金屬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=a3

c，==90，=120第14頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

四、金屬中三種常見的晶體結(jié)構(gòu)

體心立方BCC密排六方HCP面心立方FCC1.晶胞原子排列第15頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五2.幾何特征

特征：在立方體的中心有一個原子，晶格常數(shù)a=b=c，α=β=γ=900

晶胞原子數(shù)：2

配位數(shù)：8致密度：0.68(68％)常見金屬：α-Fe、Cr、Mo、W、V等

原子半徑:a43第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

體心立方

點(diǎn)陣模型晶胞原子數(shù)晶格配位數(shù)第16頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五2幾何特征

特征：立方體六個面的中心各有一個原子，晶格常數(shù)用邊長a表示

晶胞原子數(shù)：4

配位數(shù)：12

致密度：0.74(74％)

常見金屬：γ-Fe、Al、Cu、Ag、Ni等原子半徑：a42第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

面心立方點(diǎn)陣模型晶胞原子數(shù)晶格配位數(shù)第17頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五2幾何特征密排六方結(jié)構(gòu)晶胞原子數(shù)晶胞模型晶格配位數(shù)特征：六方柱體的上下底面中心各有一個原子，晶胞內(nèi)三個原子。晶格常數(shù)：正六邊形邊長a，上下底距離c，c/a≈1.63。晶胞原子數(shù)：6

配位數(shù)：12致密度：0.74(74％)常見金屬：Zn、Mg、α-Ti等

原子半徑：a21第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

第18頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣的區(qū)別：●晶體中原子的集合（或分布）稱為晶體結(jié)構(gòu)；●表示原子分布規(guī)律的代表點(diǎn)（幾何點(diǎn)）的集合稱為空間點(diǎn)陣。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

必然是等同點(diǎn)（周圍原子的種類與分布相同）

AB二維圖案以及由抽象出來的二維點(diǎn)陣正方點(diǎn)陣長方點(diǎn)陣菱形點(diǎn)陣長方點(diǎn)陣○代表結(jié)點(diǎn)，●代表原子第19頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

晶體結(jié)構(gòu)不同于點(diǎn)陣的例子●

Zn、Mg等金屬具有簡單六方點(diǎn)陣，密排六方結(jié)構(gòu)。晶體結(jié)構(gòu)有無數(shù)種，而空間點(diǎn)陣只有14種密排六方結(jié)構(gòu)六方點(diǎn)陣第20頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五五、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)晶面：晶格中一系列原子所組成的平面晶向：晶格中任意兩個原子之間連線所指的方向晶面指數(shù)和晶向指數(shù)：確定晶面和晶向在點(diǎn)陣中的幾何位置的一套標(biāo)志參量。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

XZYXZY[001][100][010][110][110]-[111][110]-[110][111][110]-[110]1.定義第21頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五(2)過O作OC//AB(3)求C點(diǎn)坐標(biāo)值：例：1/2，1/2，1(4)化為最小整數(shù)

[UVW]：[112]第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

(1)建立坐標(biāo)系2.晶向指數(shù)確定方法出現(xiàn)負(fù)數(shù)時，“-”號放在數(shù)字上面，如；第22頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

實(shí)例第23頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五xyzOABCEFGH求晶向OA、OB、OC、EF、EG、EH的晶向指數(shù)？第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

例題想想晶向指數(shù)確定？(作業(yè))第24頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五（1）[UVW]晶向指數(shù)：表示一組平行且同向的晶向；（2）＜UVW＞晶向族指數(shù)：表示原子排列情況相同的所有晶向；

<100>：[100]，[010]，[001],,,（3）兩晶向如指數(shù)的數(shù)字與順序相同而完全異號，則互相平行且反向。3、用晶向指數(shù)分析晶向和特殊晶向第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

第25頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五（1）建立坐標(biāo)系（2）求出待定晶面在坐標(biāo)上的截距例：1,1/2,1/2（3）取截距倒數(shù):122（4）化成最小整數(shù)（hkl）：(122)4、晶面指數(shù)確定方法第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

（5）晶面與坐標(biāo)軸平行時，截距為∞，倒數(shù)為0；截距為負(fù)數(shù)時，“-”號放在數(shù)字上面；第26頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五XZY(011)實(shí)例第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

第27頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五求晶面OAB、EFG、BCDE的晶面指數(shù)？第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

例題xyzOABCEGDF想想晶面指數(shù)確定？（作業(yè)）第28頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五（1）(hkl)：表示一組平行晶面；（2）兩晶面如指數(shù)的數(shù)字與順序相同而完全異號，則互相平行。第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

5.用晶面指數(shù)分析晶面和特殊晶面{111}晶面族

（3）{hkl}晶面族指數(shù)：表示原子排列情況相同的所有晶面；{111}：XZY(011)第29頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五6.晶向指數(shù)和晶面指數(shù)的關(guān)系立方晶系中，晶向指數(shù)與晶面指數(shù)性質(zhì)：1）指數(shù)相同：[uvw]⊥{hkl}；如：[111]⊥{111}2）hu+kv+lw=0時，[uvw]//{hkl}。

第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

[111]與(111)第30頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

<111>

<110>

<100>

晶向原子密度(原子數(shù)/長度)

晶向原子排列示意圖晶向原子密度(原子數(shù)/長度)晶向原子排列示意圖

晶向指數(shù)面心立方晶格體心立方晶格第31頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五

體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度第一節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)

{111}

{110}

{100}

晶面原子密度(原子數(shù)/面積)晶面原子排列示意圖晶面原子密度(原子數(shù)/面積)晶面原子排列示意圖

晶面指數(shù)面心立方晶格體心立方晶格第32頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)實(shí)際金屬的微觀結(jié)構(gòu)

一.實(shí)際金屬晶體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)1.多晶體實(shí)際金屬大多是多晶體組織，即由晶粒和晶界組成晶粒--小的單晶體(10-1～10-3mm）晶界--位向不同的晶粒之間的邊界多晶體結(jié)構(gòu)--由許多位向不同的晶粒構(gòu)成單晶體--其內(nèi)部晶格取向完全一致的小晶體第33頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五

顯微組織：用放大50~1000倍的光學(xué)顯微鏡觀察，可看到各種晶粒的大小、形態(tài)和分布.晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。

顯微組織的顯示第二節(jié)實(shí)際金屬的微觀結(jié)構(gòu)

第34頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五

多晶體示意圖亞晶粒是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’~2)的小晶塊。亞晶粒之間的交界面稱亞晶界。金屬晶粒內(nèi)的結(jié)構(gòu)第二節(jié)實(shí)際金屬的微觀結(jié)構(gòu)

第35頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第36頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五工業(yè)純鐵的顯微組織奧氏體不銹鋼的顯微組織鑄鐵的顯微組織高速鋼淬火+回火的顯微組織第37頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五點(diǎn)缺陷位錯根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特性分類：

點(diǎn)缺陷

線缺陷

面缺陷原子堆垛模型晶格晶格的不完整部位稱晶體缺陷。第二節(jié)實(shí)際金屬的微觀結(jié)構(gòu)

二.晶體缺陷1.晶體缺陷的概念第38頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五第二節(jié)實(shí)際金屬的微觀結(jié)構(gòu)

點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、置換原子

點(diǎn)缺陷的存在——破壞了原子的平衡狀態(tài)——使晶格發(fā)生扭曲，稱晶格畸變——從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降?？瘴婚g隙原子大置換原子第39頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五線缺陷：刃型位錯螺型位錯各種類型的位錯第二節(jié)實(shí)際金屬的微觀結(jié)構(gòu)

晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯線。第40頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五2.位錯的基本概念特征：1、有一個額外半原子面

2、存在晶格畸變，既有正應(yīng)變，又有切應(yīng)變。

3、與晶體滑移方向垂直，位錯線運(yùn)動的方向垂直于位錯線頂視圖、前視圖、位錯線簡圖、原子面簡化圖運(yùn)動圖：第二節(jié)實(shí)際金屬的微觀結(jié)構(gòu)

刃型位錯第41頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五螺型位錯的特征：1、沒有一個額外半原子面，位錯線附近呈螺旋形排列；2、晶格畸變管道，只有正應(yīng)變，而無切應(yīng)變。3、與晶體滑移方向平行，位錯線運(yùn)動的方向垂直于位錯線螺型位錯簡化圖、頂視圖、原子面簡化圖運(yùn)動圖：第二節(jié)實(shí)際金屬的微觀結(jié)構(gòu)

第42頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五

柏氏矢量與位錯線既不垂直也不平行——呈任意角度?；旌衔诲e可分解為刃型位錯和螺型位錯混合位錯混合位錯的產(chǎn)生混合位錯的結(jié)構(gòu)第二節(jié)實(shí)際金屬的微觀結(jié)構(gòu)

第43頁，共46頁，2023年，2月20日，星期五柏氏矢量與其位錯線互相垂直——刃型位錯柏氏矢量與其位錯線互相平行——螺型位錯位錯