第三章金屬材料

第三章金屬材料第1頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月引言化學元素中，80％為金屬元素，占有非常重要的地位傳統(tǒng)的金屬材料：鐵、鋁、銅、鉛、鋅等新型金屬材料：鈦、銦、釩、鈷、鉭、鋯等——電子技術、原子能、宇航科技等領域金屬材料的功能：非晶態(tài)、形狀記憶、高塑性、耐高溫、超導、半導、強磁性、高儲氫能力等研究金屬晶體中化學鍵的本質和金屬晶體的性質是當前材料研究的重大課題第2頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月重點1.金屬鍵-能帶理論2.金屬單質結構-密堆積,A1,A2,A3型結構3.合金-定義,結構及性能了解1.金屬性質2.金屬材料-鋁合金,鋼鐵,金屬玻璃,形狀記憶合金難點金屬單質結構:密堆積,A1,A2,A3第3頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬材料的特性與金屬鍵第4頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬特性1、不透明，有光澤第5頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2、良導體（電、熱）第6頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月3、延展性（拉伸為絲，碾成薄片）第7頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬鍵金屬晶體中原子高配位、密堆積排列，沒有方向性和飽和性非共價鍵非離子鍵金屬單質原子間電負性相同，合金電負性相近，難以形成離子鍵非分子間力和氫鍵原子結合力強第8頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬鍵參加共用的原子多——所有原子電子離域范圍大——三維空間自由運動能量下降，形成強鍵原子化熱——金屬鍵的強弱1mol金屬由固態(tài)變?yōu)闅鈶B(tài)所需的能量特殊的離域共價鍵金屬鍵第9頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬鍵理論自由電子理論能帶理論第10頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月自由電子理論電子氣電子在金屬中自由運動，受到均勻恒定的勢場作用，類似于理想氣體，價電子無相互作用電子在金屬中的自由運動——金屬的熱、電傳導性自由電子吸收多種波長的光，發(fā)生躍遷，并馬上釋放——金屬具有不透明，金屬光澤性自由電子的膠合作用——延展性，可塑性第11頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月能帶理論自由電子理論存在的問題：電子所處勢場實際是不均勻的——電子與帶正電的離子相互吸引，電子與離子距離不同，所受勢能大小不同第12頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月非完全自由電子模型（1）電子所處勢場是非均勻的，是有一定周期性的，電子在一個周期性變化的勢場中運動。電子除做直線運動外，還要在正電荷附近做輕微的振動第13頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月運動的電子相當于一個德布羅意平面波，電子波在金屬晶體中運動受布拉格方程（nλ＝2dsinθ）限制。當滿足布拉格方程時，電子波將被晶面反射，不能通過晶格，使得原有的能級發(fā)生斷裂，產生各種能帶。第14頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月空帶導帶滿帶易吸收光發(fā)生躍遷——金屬光澤，電場作用下容易產生電子流——導電E金屬的能帶——良導體禁帶第15頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月導體半導體絕緣體≥5eV導體、半導體、絕緣體的能帶導帶禁帶≤3eV第16頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月分子軌道理論金屬形成多原子離域鍵時，N個原子軌道線性組合而成N個分子軌道，可以容納2N個電子多原子軌道線性組合Na1S22S22P63S1導帶3s2p2s1s3s2p2s1sMg1S22S22P63S23p第17頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬單質結構第18頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬單質結構的近似模型—等徑圓球密堆積金屬單質由金屬原子按周期組成，金屬原子可以看作是半徑相等的圓球組成，并且這些圓球的排列是密堆積的第19頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月密置列沿直線方向伸展的等徑圓球密堆積的一種排列方式直線點陣第20頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月密置層沿二維空間伸展的等徑圓球密堆積的唯一的一種排列方式六方點陣第21頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月密置雙層由兩個密置層組成的最密堆積稱為密置雙層為保持最緊密堆積，第二層球的投影位置應落在第一層中三個球所圍成的空隙中心上，即上下兩個層接觸并平行的錯開六方點陣第22頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月密置雙層A層B層兩種間隙三個A層原子與1個B層原子，組成正四面體間隙四面體間隙第23頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月第24頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月三個A層原子與3個B層原子，組成正八面體間隙八面體間隙第25頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月第26頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月密堆積的三種典型型式A1型：立方最緊密堆積A3型：六方最緊密堆積A2型：體心立方密堆積第27頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月立方最緊密堆積A1型密堆積第28頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月面心立方FCC點陣形式晶胞內原子數(shù)8×1/8+6×1/2=4密置層（111）面晶胞第29頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月配位數(shù)N原子周圍最近鄰的原子12第30頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月四面體間隙數(shù)8第31頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月八面體間隙數(shù)41+12×1/4=4第32頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月密置層重復方式從（111）方向看ABCABCA密置方式：ABCABC第33頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月空間占有率晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比晶胞體積V=a3原子體積原子半徑a原子數(shù)目4空間占有率=74.05%第34頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月六方最緊密堆積A3型密堆積第35頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月簡單六方點陣形式晶胞內原子數(shù)12×1/6+2×1/2+3=6密置層（001）面晶胞晶體結構密排六方HCP第36頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月配位數(shù)N原子周圍最近鄰的原子12第37頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月四面體間隙數(shù)122+6×2×1/3+2×3=12第38頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月八面體間隙數(shù)62×3=6第39頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月密置層重復方式密置方式：ABABABA第40頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月第41頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月空間占有率空間占有率=74.05%aac第42頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月體心立方密堆積A2型密堆積第43頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月點陣形式晶胞內原子數(shù)8×1/8+1=2晶胞體心立方第44頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月配位數(shù)N原子周圍最近鄰的原子8第45頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月四面體間隙數(shù)124×1/2×6=12第46頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月八面體間隙數(shù)66×1/2+12×1/4=6第47頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月空間占有率晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比晶胞體積V=a3原子體積原子半徑原子數(shù)目2空間占有率=68.02%a第48頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬元素中，A1,A2,A3結構的有58種第49頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬元素中，A1,A2,A3結構的有58種第50頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月第51頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月第52頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月a.s,p層電子數(shù)較少，易為A2型密排－Na，3s1——A2b.s,p層電子數(shù)較多，易為A1型密排：Al，3s13p2——A1c.s,p層電子數(shù)居中，易為A3型密排，Mg，3s2——A3第53頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月第54頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月Back第55頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月back第56頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月back第57頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月back第58頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月back第59頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月back第60頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月back第61頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月back第62頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月合金結構第63頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月合金兩種或兩種以上的金屬（或金屬與某些非金屬）經(jīng)熔合后形成的宏觀均勻體系定義分類金屬固溶體金屬化合物置換固溶體間隙固溶體正常價化合物（組成確定）電子價化合物（組分可變）第64頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬固溶體第65頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月置換固溶體特點1、結構保持其中一種元素單質的形式，其中一部分原子被另一組分的原子統(tǒng)計的取代CuAuCuAu+=AuCu統(tǒng)計的取代沒有確定的位置，按照配比占據(jù)如AuCu，每個位置Au與Cu各有1/2可能占據(jù)第66頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月統(tǒng)計的取代沒有確定的位置，按照配比占據(jù)每個位置Au與Cu各有1/2可能占據(jù)，Au1/2Cu1/2如果為Cu3Au每個位置為Au1/4Cu3/4第67頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2、相似者相熔原則單質結構形式相同原子半徑接近（<15%）價電子結構、電負性等相似例Ag-Au晶體結構均為A1原子半徑：Ag144.5pm，Au144.2pm價電子結構：4d105S1，5d106S1Ag-Au可以形成完全互熔體系即Ag和Au可以以任何比例互熔第68頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2、無序結構與有序結構AuCu無序結構原子沒有特定的位置，為統(tǒng)計分布有序結構原子在晶胞中有特定的位置制備方法快速淬火得到無序結構緩慢退火得到有序結構面心立方簡單四方第69頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月間隙固溶體特點1、原子半徑較小的非金屬原子（H,B,N,C等）統(tǒng)計的滲入過度金屬的間隙中鋼鐵C元素在金屬Fe中的間隙固溶體C含量<0.02%——純鐵>2.0生鐵0.02-0.2%鋼，<0.25低碳鋼，0.25-0.6%中碳鋼0.6-2.0%高碳鋼金屬N，C化合物AlN:Al原子六方密堆積，N原子在四面體間隙TiN,TiC,ZrC:金屬面心立方，N原子在八面體間隙第70頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月特性具有與金屬相仿的導電性，具有金屬光澤硬度大，熔點高（金屬-非金屬間生成部分共價鍵第71頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬化合物各組分原子分別占據(jù)不同的結構位置結構形式一般不同于純組分金屬的結構第72頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2×1/2+12×1/6=312×1/2+6+6×1/2=15正常價化合物（組成確定）AmBn不喪失均勻性的前提下，組分沒有改變的余地CaCu5六方晶胞，有a，b兩層交替堆積而成,即ABAB排列a層CaCub層原子數(shù)Ca：Cu=1：5第73頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月主要材料LaNi5,LaCo5,CeCo5等主要用途儲氫材料：與氫結合，使氫氣以固體的形式運輸和儲存，安全性能大大提升第74頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月電子化合物（組成確定）AmBn組分可以在一定范圍內變化而化合物均勻性不變化合物結構決定于均攤到每個原子上的價電子數(shù)第75頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月合金材料結構與性能第76頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月單相合金工業(yè)上應用的單相合金都是單相固溶體，其性能決定于溶劑金屬的性質和溶質元素的種類、數(shù)量和溶入方式對于一定的溶劑和溶質，溶入的溶質越多，溶劑晶格畸變越大，固溶體強度、硬度和電阻越高。單相固溶體合金還具有較高的塑性、韌性和耐蝕性第77頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月多相合金最常見的多相合金相結構是以一種固溶體為基體，其上分布著第二相幾個相的固溶體，性能決定于相組成相、相對數(shù)量及相的形狀、大小和分布情況第二相硬而脆的化合物或以化合物為溶劑的固溶體，在基體中起阻礙基體運動的作用基體多相固溶體，具有較好的塑性形變能力第78頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月第二相在基體中的分布情況不同，影響整個合金的性能1、網(wǎng)狀第二相分布于晶界網(wǎng)狀第二相為危害相導致合金塑性、韌性下降，強度降低，并且加熱時易斷裂（熱脆性），生產時要避免出現(xiàn)第79頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2、片狀第二相以片狀形式分布于基體的晶粒內塑性比1好，強度、硬度升高，層片越細，強度、硬度越大第80頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2、顆粒第二相以顆粒形式分布于基體的晶粒內塑性極好,優(yōu)于比1,2強度硬度比2低鋼的球化退火:通過退火,使鋼中的滲碳體球化,降低硬度,便于加工例第81頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月2、彌散第二相以質點的形式均勻分布于基體的晶粒內塑性好強度,硬度大大增加工業(yè)上應用廣泛——彌散強化,高強鋼等第82頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月金屬材料第83頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月輕質金屬材料基體Al，Mg，Ti等輕金屬合金鋁合金航空航天,交通運輸,輕工業(yè)等鎂合金汽車,通信,電子,航空航天,等鈦合金航天航空,石油化工,生物醫(yī)學等第84頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月鋁合金僅次于鋼鐵的第二大金屬材料超硬超強鋁合金Al-Mg,Al-Cu等合金強化機制Al與Mg或Cu只能形成有限固溶體,超過固溶極限后,過量的Mg或Cu與Al生成CuAl2,形成第二相特點強度接近于鋼,但密度比鋼小很多用途飛機螺旋槳,結構件,鉚釘和飛機蒙皮等Fe,Si為有害元素,生產的時候要嚴格控制其含量第85頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月鑄造鋁合金為降低生產成本,通過改善制造高硬鋁合金的工藝條件而得到的鋁合金,一般通過變形法得到快速凝固粉末冶金新方法高性能Al-Zn-Mg-CuAl-Fe,Al-Cr,Al-Ti高強耐蝕耐熱Al-Li-Cu-Mg-Zr低密度高模噴射沉積Al-LiAl-SiAl-SiC第86頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月鎂合金發(fā)展還不充分,產量為鋁合金的1%限制鎂合金的因素鎂活潑,制備過程容易燃燒,生產難度大生產技術不完善耐蝕性能差高溫性能差-耐熱性差常溫力學性能差用途發(fā)動機機匣,飛機剎車輪轂,儀表,儀器照相機,望遠鏡等的殼體第87頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月鎂合金主要研究領域耐熱鎂合金Mg-RE,Mg-Si德國:Mg-Al-Si美國:Mg-8Zn-5Al-0.6Ca加拿大:Mg-5Al-0.8Ga日本:Mg-2Y-1Zn,高強,高塑,高耐熱和耐蝕耐蝕鎂合金提高純度:嚴格控制Fe,Cu,Ni含量表面處理:化學.陽極氧化,有機物涂覆,電鍍,化學鍍,熱噴涂等阻燃鎂合金溶劑和氣氛保護法:環(huán)境污染,性能降低Mg-Ca合金:機械性能降低其它高強高韌鎂合金變形鎂合金通過大變形加工來提高性能鎂合金加工技術變形鑄造其它第88頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月鈦合金20世紀50年代發(fā)展的新型合金1954年Ti-6Al-4V:耐熱,高強,高塑,耐蝕,可焊接,生物相容性,75%-85%20世紀60年代航空發(fā)動機用高溫鈦合金及結構鈦合金20世紀70年代耐蝕鈦合金,形狀記憶合金:Ti-Ni20世紀80年代耐蝕,高強耐熱50年代:400℃,90年代:650℃用途飛行器蒙皮,導流葉輪,壓氣機機匣葉片,葉輪,超音速飛機結構等第89頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月主要研究方向快速凝固,纖維,顆粒增強等方法高溫鈦合金化合物基鈦合金以Ti3Al,TiAl為基體高溫性能好,抗氧化性強,抗蠕變,質量輕高溫高韌鈦合金易鍛,可軋,可焊機械性,環(huán)境抗力,強度,韌性好抗氧化,冷熱加工性能好阻燃鈦合金醫(yī)用鈦合金無毒,輕質,生物相容第90頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼鐵材料的結構與性能第91頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼鐵以鐵和碳為基本元素的合金體系的總稱,是最大的合金材料鐵熔點:1535℃沸點:3000℃結構α相:A2型密排β相:A2型密排γ相:A1型密排δ相:A2型密排第92頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月第93頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼的主要物相奧氏體C在γ-Fe中的間隙固溶體,723℃時溶入0.8%的碳鐵素體C在α-Fe中的間隙固溶體,由于α-Fe晶胞較小,僅能溶入0.02%的碳,性能與純鐵相似滲碳體Fe與C形成的3:1化合物,Fe3C,屬于正交晶系,在鋼鐵中起到第二相的作用馬氏體C在α-Fe中形成的過飽和間隙固溶體,C的含量為1.6%,性能與鐵素體不同,很脆很硬,結構為四方第94頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月鋼鐵的性能依賴于鋼鐵的化學成分和內部結構化學成分碳含量越高,硬度越高,如果含滲碳體和馬氏體物相比例高,則硬而脆內部結構不同物相具有不同晶體結構,決定了鋼鐵的性能第95頁，課件共102頁，創(chuàng)作于2023年2月非晶態(tài)金屬材料非結晶狀態(tài)的金屬