機械工程材料-第二章--材料的結(jié)構(gòu)

1、第二章 材料的結(jié)構(gòu),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)稱為結(jié)構(gòu)。,C60,一、晶體結(jié)構(gòu)的基本概念,1、晶體與非晶體 晶體是指原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。晶體具有各向異性。 非晶體是指原子呈無序排列的固體。在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。,2、晶格與晶胞, 晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成。,的三維空間格架。直線的交點（原子中心）稱結(jié)點。由結(jié)點形成的空間點的陣列稱空間點陣, 晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。, 晶系： 根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。 90%

2、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, 晶格常數(shù)：晶胞個邊的尺寸 a、b、c。 各棱間的夾角用、表示。, 原子半徑：晶胞中原子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。, 晶胞原子數(shù)：一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。 配位數(shù)：晶格中與任一原子距離最近且相等的原子數(shù)目。 致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。,3、立方晶系晶面、晶向表示方法,晶體中各方位上的原子面稱晶面。 各方向上的原子列稱晶向。 晶面指數(shù) 表示晶面的符號稱晶面指數(shù)。 其確定步驟為：, 確定原點，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個坐標(biāo)軸上的截距。 取三個截距值的倒數(shù)

3、并按比例化為最小整數(shù)，加圓括弧，形式為（hkl）。,例一.求截距為、1、晶面的指數(shù) 截距值取倒數(shù)為0、1、0，加圓括弧得（010） 例二.求截距為2、3、 晶面的指數(shù) 取倒數(shù)為1/2、1/3 、 0, 化為最小整數(shù)加圓括弧得（320） 例三.畫出（112）晶面 取三指數(shù)的倒數(shù)1、1、1/2, 化成最小整數(shù)為2、2、1，即為X、Y、Z三坐標(biāo)軸上的截距, 晶向指數(shù) 表示晶面的符號稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：, 確定原點，建立坐標(biāo)系，過原點作所求晶向的平行線。 求直線上任一點的坐標(biāo)值并按比例化為最小整數(shù)，加方括弧。形式為uvw。,例一、已知某過原點晶向上一點的坐標(biāo)為1、1.5、2，求該直線的晶向指數(shù)。

4、 將三坐標(biāo)值化為最小整數(shù)加方括弧得234。,例二、已知晶向指數(shù)為110, 畫出該晶向。 找出1、1、0坐標(biāo)點,連接原點與該點的直線即所求晶向。, 晶面族與晶向族 (hkl)與uvw分別表示的是一組平行的晶向和晶面。 指數(shù)雖然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面稱作晶向族或晶面族。分別用hkl和表示。,例如112,立方晶系常見的晶面為：,110,立方晶系常見的晶面,立方晶系常見的晶向為：,111,說明： 在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相互垂直。 遇到負指數(shù)，“-”號放在該指數(shù)的上方。,221,110,二、金屬的晶體結(jié)構(gòu),1、純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用而結(jié)合的，

5、稱為金屬鍵。 金屬原子趨向于緊密排列。,具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。 常見純金屬的晶格類型有體心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。,體心立方晶格的參數(shù),體心立方晶格,原子個數(shù)：2 配位數(shù)： 8 致密度：0.68 常見金屬：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等,晶格常數(shù)：a(a=b=c),原子半徑：,面心立方晶格的參數(shù),原子個數(shù)：4 配位數(shù)： 12 致密度：0.74 常見金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等,晶格常數(shù)：a,面心立方晶格,密排六方晶格的參數(shù),原子個數(shù)：6 配位數(shù)： 12 致密度：0.74 常見金屬： Mg、Zn、 Be、Cd等,晶格

6、常數(shù)：底面邊長 a 和高 c， c/a=1.633,密排六方晶格, 三種常見晶格的密排面和密排方向 單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度。 單位長度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度。 原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。,三種常見晶格的密排面和密排方向,面心立方晶格與密排六方晶格密排面的堆垛順序 密排六方晶格的堆垛順序為ABABAB 面心立方晶格的堆垛順序為ABCABCABC,2、實際金屬的晶體結(jié)構(gòu),變形金屬晶粒尺寸約1100m，鑄造金屬可達幾mm。, 單晶體與多晶體 單晶體：其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。 多晶體： 晶粒：實際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這

7、些小晶體稱為晶粒。,A single crystal, also called monocrystal, is a crystalline solid in which the crystal lattice of the entire sample is continuous and unbroken to the edges of the sample, with no grain boundaries. The opposite of a single crystal sample is an amorphous structure where the atomic position i

8、s limited to short range order only. In between the two extremes exist polycrystalline and paracrystalline phases, which are made up of a number of smaller crystals known as crystallites.,晶界：晶粒之間的交界面。 晶粒越細小，晶界面積越大。 多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。, 晶體缺陷 晶格的不完整部位稱晶體缺陷。 實際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即點、線、面缺陷。, 點缺陷 空間三維尺寸都很

9、小的缺陷。,空位 間隙原子 置換原子,a. 空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點。 b. 間隙原子：擠進晶格間隙中的原子。可以是基體金屬原子，也可以是外來原子。,c. 置換原子：取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。 點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶,格畸變。從而使強度、硬度提高，塑性、韌性下降。,空位和間隙原子引起的晶格畸變, 線缺陷晶體中的位錯 位錯：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。分為刃型位錯和螺型位錯。,刃型位錯和螺型位錯,刃位錯的形成,刃型位錯：當(dāng)一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶

10、體，這個多余原子面的邊緣就是刃型位錯 (Edge Dislocation)。 半原子面在滑移面以上的稱正位錯，用“ ”表示。 半原子面在滑移面以下的稱負位錯，用“ ”表示。,位錯密度：單位體積內(nèi)所包含的位錯線總長度。 = S/V(cm/cm3或1/cm2) 金屬的位錯密度為1041012/cm2 位錯對性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯運動引起，因此阻礙位錯運動是強化金屬的主要途徑。 減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強度。,電鏡中觀察到的位錯,電鏡中觀察到的位錯,Dislocations in austenitic stainless steel,Dislocations in Si cr

11、ystal, orientation 111, 面缺陷晶界與亞晶界 晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為510個原子間距，位向差一般為2040。,Tilt and twist grain boundaries,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。亞晶界也可看作位錯壁。,晶界的特點： 原子排列不規(guī)則。 熔點低。 耐蝕性差。 易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子易在晶界偏聚。 阻礙位錯運動，是強化部位，因而實際使用的金屬力求獲得細晶粒。 是相變的優(yōu)先形核部位,顯微組織的顯示,3、合金的晶體結(jié)構(gòu),合金是指由兩種或兩種以上元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。 An

12、 alloy is a partial or complete solid solution of one or more elements in a metallic matrix. Complete solid solution alloys give single solid phase microstructure, while partial solutions give two or more phases that may be homogeneous in distribution depending on thermal (heat treatment) history. A

13、lloys usually have different properties from those of the component elements. 組成合金的元素相互作用可形成不同的相。,所謂相是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開的均勻組成部分。 顯微組織實質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的形態(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兩類。, 固溶體 合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固,相稱固溶體。習(xí)慣以、表示。 與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶劑。其它元素稱溶質(zhì)。 固溶體是合金的重要組成相，實際合金多是單相固溶體合金或

14、以固溶體為基的合金。 按溶質(zhì)原子所處位置分為置換固溶體和間隙固溶體。, 置換固溶體 溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點位置所形成的固溶體。 溶質(zhì)原子呈無序分布的稱無序固溶體，呈有序分布的稱有序固溶體。,黃銅置換固溶體組織, 間隙固溶體 溶質(zhì)原子嵌入溶劑晶格間隙所形成的固溶體。 形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金,屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般是過渡族元素。 形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r質(zhì)/r劑0.59。 間隙固溶體都是無序固溶體。, 固溶體的溶解度 溶質(zhì)原子在固溶體中的極限濃度。 溶解度有一定限度的固溶體稱有限固溶體。 組成元素?zé)o限互溶的固溶體稱無限固溶體。 組成元素原子半徑、電化

15、學(xué)特性相近，晶格類型相同的置換固溶體，才有可能形成無限固溶體。 間隙固溶體都是有限固溶體。, 固溶體的性能 隨溶質(zhì)含量增加, 固溶體的強度、硬度增加, 塑性、韌性下降固溶強化。 產(chǎn)生固溶強化的原因是溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸變及對位錯的釘扎作用。,與純金屬相比，固溶體的強度、硬度高，塑性、韌性低。但與化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。, 金屬化合物 合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。,鐵碳合金中的Fe3C,當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時，可提高其強度、硬度和耐磨性，但降低塑性。 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原子價規(guī)律。如Mg2Si 電子化合物符合電子濃度規(guī)律。如Cu3Sn。 電子濃度為價電子數(shù)與原子數(shù)的比值。 間隙化合物由過渡族元素與C、N、B、H等小原子半徑的非金屬元素組成。,a. 間隙相