機械工程材料(精品課件)02第二章材料的結構

1、第二章是材料的結構。物質由原子組成。原子的組合和排列決定了物質的性質。原子、離子和分子之間的結合力稱為結合鍵。它們特定的組合狀態(tài)稱為結構。C60，1。晶體結構的基本概念。晶體和無定形晶體是指具有規(guī)則排列的原子的固體。在正常情況下，金屬主要以晶體形式存在。晶體是各向異性的。無定形是指原子排列無序的固體。在一定條件下，晶體和無定形可以相互轉化。晶格和晶胞晶格：它是由原子中心和假想的直線連接而成的。的三維空間網(wǎng)格。直線的交點(原子中心)稱為節(jié)點。由節(jié)點構成的空間點陣列稱為空間晶格，而晶胞是能夠代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單位。晶體系統(tǒng)根據(jù)不同的晶胞參數(shù)，晶體分為七個晶體系統(tǒng)。超過90%的金屬具有立

2、方和六邊形系統(tǒng)。立方系：a=b=c，=90六角系：a1=a2=a3 c，=90，=120，晶格常數(shù)：晶胞每邊的尺寸a、b和c。邊緣之間的夾角由、表示。原子半徑：單位晶胞中最大原子密度方向上相鄰原子間距離的一半。晶胞原子數(shù)：一個晶胞中包含的原子數(shù)。配位數(shù)：晶格中最接近且等于任何原子的原子數(shù)。密度：單位細胞中原子的體積百分比。3。立方系統(tǒng)的晶面和晶向的表示方法，晶體中每個位置的原子面稱為晶面。各個方向的原子柱稱為晶體取向。晶面指數(shù)表示晶面的符號。確定步驟如下：確定原點，建立坐標系，計算晶面在三個坐標軸上的截距。取三個截距值的倒數(shù)，用括號將其換算成最小的整數(shù)，形式為(hkl)。(010)示例1。如果

3、截距是1，晶面的指數(shù)截距值是倒數(shù)0，1，0，并加上括號，例2。如果截距是2，3，晶面的指數(shù)是1/2，1/3和0的倒數(shù)，它被簡化為最小的整數(shù)和括號，以及(320)例3。繪制(111)確定步驟如下：確定原點，建立坐標系，并通過原點畫出所需晶體方向的平行線。找出一條直線上任意一點的坐標值，用方括號將其換算成最小的整數(shù)。表格是uvw。(1)已知原點上方的點的坐標是1、1.5和2，并且計算直線的定向指數(shù)。將三個坐標值轉換成最小的整數(shù)和方括號，得到234。2.假設晶體取向指數(shù)為110，畫出晶體取向。找到坐標點1，1和0，連接原點和點的直線就是晶體取向。晶面和取向族(hkl)和uvw分別代表一組平行的晶體方

4、向和平面。盡管指數(shù)不同，但具有相同原子排列的晶體取向和晶面被稱為晶體取向族或晶面族。它們分別用hkl和hkl表示。例如，112，123，立方系的公共晶面為：110，立方系的公共晶向為：立方系的公共晶向為，111，表明在立方系中，具有相同折射率的晶面垂直于晶向。當遇到負索引時，索引上方會出現(xiàn)“-”號。221，110，2。金屬的晶體結構。純金屬的晶體結構金屬原子通過正離子和自由電子之間的相互作用結合在一起，稱為金屬鍵。金屬原子往往排列緊密。具有良好的導熱性、導電性、延展性和金屬光澤。純金屬常見的晶格類型有bcc、fcc和hcp。體心立方晶格，體心立方晶格參數(shù)，原子數(shù)：2配位數(shù)：8密度：0.68常見

5、金屬：鐵、鉻、鎢、鉬、釩、鈮等。晶格常數(shù)：a(a=b=c)，原子半徑：面心立方晶格，面心立方晶格原子數(shù)：4配位數(shù)：12密度：0.74常見金屬：鐵、鎳、鋁、銅、鉛、金等。晶格常數(shù)：A，面心立方晶格，密排六方晶格，密排六方晶格參數(shù)，原子數(shù)：6配位數(shù)：12密度：0.74常見金屬：鎂，鋅，鈹，鎘晶體方向上每單位長度的原子數(shù)稱為晶體方向上的原子密度。原子密度最高的晶面或方向稱為密堆積面或方向。常見的晶格有三種，即面心立方晶格和面心六邊形晶格的堆疊順序。面心立方晶格的堆積順序為ABCABCABC，面心立方晶格的原子堆積。2.實際金屬的晶體結構，變形金屬的晶粒尺寸約為110米，鑄造金屬的晶粒尺寸可達幾毫米。

6、單晶和多晶單晶：內部晶格取向完全一致的晶體。多晶：晶粒：實際使用的金屬材料是由許多不同方向和不規(guī)則形狀的小晶體組成的，這些晶體被稱為晶粒。晶粒間的界面。晶粒越細，晶界面積越大。多晶的：由多個晶粒組成的晶體結構。晶格的不完整部分稱為晶體缺陷。實際金屬中存在大量的晶體缺陷，根據(jù)其形狀可分為三種類型，即點缺陷、線缺陷和表面缺陷。點缺陷空間中三維尺寸較小的缺陷。空位：晶格中一些不存在的原子的空節(jié)點。間隙原子：原子被擠壓到晶格間隙中。它可以是賤金屬原子或外來原子。取代原子：取代原始原子位置的外來原子稱為取代原子。點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，扭曲了晶格，這就是所謂的晶體和晶格畸變。因此，強度和硬度提高，塑

7、性和韌性降低。由空位和間隙原子引起的晶格畸變，線缺陷晶體中的位錯：晶格中的一些晶體相對于另一部分晶體局部滑移，滑移面上滑移區(qū)和非滑移區(qū)之間的邊界線稱為位錯。分為邊緣錯位和螺釘錯位。邊緣位錯和螺旋位錯，邊緣位錯的形成，邊緣位錯：當一個完整的晶體在晶面上方某處有半個原子面時，晶面像刀片一樣切入晶體，額外原子面的邊緣就是邊緣位錯。滑動面上方半原子表面的正負位置用表示?；泼嫦碌陌朐用娣Q為負位錯，用“”表示。位錯密度：單位體積中包含的位錯線的總長度。=信噪比(厘米/厘米3或1/厘米2)金屬的位錯密度為1041012/厘米2。位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要是由位錯運動引起的，因此阻礙位錯運動是強

8、化金屬的主要途徑。降低或增加位錯密度可以提高金屬的強度。電鏡下位錯、電鏡下位錯觀察、表面缺陷晶界和亞晶界是不同取向晶粒的過渡部分，寬度為510原子間距，取向差一般為2040。亞晶粒是小尺寸和小取向差(102)的小塊。子顆粒之間的界面稱為子顆粒邊界。亞晶邊界也可視為位錯墻。晶界特征：原子的不規(guī)則排列。低熔點。耐腐蝕性差。它容易產生內部吸附，外來原子容易在晶界處偏析。阻礙位錯運動是強化部分，因此在實踐中使用的金屬努力獲得細晶粒。它是相變的優(yōu)先成核點，是微觀結構的顯示。合金的晶體結構，指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的材料。構成合金的元素可以是所有的金屬，也可以是金屬和非金屬。組成合金的元素

9、相互作用可以形成不同的相。所謂相，是指金屬或合金中成分相同、結構相同、與其它部分界面分離的均勻成分。微觀結構本質上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布的組合。固態(tài)合金中的相分為固溶體和金屬化合物。在固溶體合金中，其結構與組成元素之一的晶體結構相同。用來表示，用，表示。晶體結構與合金相同的元素稱為溶劑。其他元素被稱為溶質。固溶體是合金的重要組成相，大多數(shù)實際合金是單相固溶體合金或基于固溶體的合金。根據(jù)溶質原子的位置，可以分為置換固溶體和間隙固溶體。溶質原子占據(jù)溶劑晶格的某些節(jié)點位置而形成的固溶體。無序分布的溶質原子稱為無序固溶體，有序分布的溶質原子稱為有序固溶體。黃銅取

10、代了固溶體結構，間隙固溶體溶質原子嵌入到溶劑的晶格間隙中形成固溶體。形成間隙固溶體的溶質元素是原子半徑較小的非金元素，如碳、氮、硼等。而溶劑元素通常是過渡元素。形成間隙固溶體的一般規(guī)律是r質量/r劑0.59。所有間隙固溶體都是無序固溶體。固溶體的溶解度限制固溶體中溶質原子的濃度。溶解度有限的固溶體稱為有限固溶體。組成元素無限混溶的固溶體稱為無限固溶體。通過替換具有相似原子半徑和電化學特性以及相同晶格類型的固溶體，可以形成無限固溶體。所有間隙固溶體都是有限固溶體。隨著溶質含量的增加，固溶體的強度和硬度增加，塑性和韌性降低。固溶強化的原因是溶質原子扭曲晶格和釘扎位錯。與純金屬相比，固溶體具有較高的

11、強度和硬度，而塑性和韌性較低。但與化合物相比，它們的硬度低得多，而它們的塑性和韌性卻高得多。一種固相金屬化合物，其晶體結構不同于金屬化合物合金中組成元素的晶體結構。金屬化合物具有高熔點、硬度和脆性，其組成可用分子式表示。鐵碳合金中的Fe3C可以提高其強度、硬度和耐磨性，但當合金中出現(xiàn)金屬化合物時，會降低其塑性。金屬化合物也是合金的重要組成相。正常價化合物符合正常價定律。例如，Mg2Si電子化合物符合電子濃度定律。例如Cu3Sn。電子濃度是價電子與原子的比率。間隙化合物由過渡族元素和原子半徑小的非金屬元素組成，如碳、氮、硼和氫。間隙相：當r不是金/r為0.59時，形成簡單晶格結構的間隙化合物。例如M4X (Fe4N)、M2X (Fe2N、W2C)、MX (T