材料的结构与性能学习教案.pptx

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1、会计学 1材料的结构与性能第一页，编辑于星期日：十六点 三分。C60物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。它们的具体组合状态称为结构。第1 页/共64 页第二页，编辑于星期日：十六点 三分。一、晶体结构的基本概念 一、晶体结构的基本概念 金属的结构晶态 非晶态SiO2的结构n n 1 1、晶体与非晶体、晶体与非晶体(晶体结构是指晶体内部原子规则排列的方式 晶体结构是指晶体内部原子规则排列的方式)n n 晶体 晶体是指原子呈规则排列的固体。是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以 常态下金属主要以晶体形式存在。晶体形式存在。晶体具有各

2、向异性 晶体具有各向异性。n n 非晶体 非晶体是指原子呈无序排列的固体。是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下 在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。晶体和非晶体可互相转化。第2 页/共64 页第三页，编辑于星期日：十六点 三分。2 2、晶格与晶胞、晶格与晶胞n n 晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成 用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点（原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵第3 页/共64 页第四页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。第4 页/共6

3、4 页第五页，编辑于星期日：十六点 三分。第5 页/共64 页第六页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 晶系：晶系：n n 根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系。n n 90%90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。以上的金属具有立方晶系和六方晶系。n n 立方晶系：立方晶系：a a=b b=c c，=90=90 n n 六方晶系：六方晶系：a a1 1=a a2 2=a a3 3 c c，=90=90，=120=120 立方六方四方菱方正交单斜三斜l 晶格常数：晶胞个边的尺寸 a、b、c。l 各棱间的夹角用、表示。第6 页/共64 页第七页，编辑于星期

4、日：十六点 三分。n n 原子半径：原子半径：晶胞中原 晶胞中原子密度最大方向上相邻 子密度最大方向上相邻原子间距的一半。原子间距的一半。l 晶胞原子数：一个晶胞内所包含的原子数目。l 配位数：晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目。l 致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。第7 页/共64 页第八页，编辑于星期日：十六点 三分。二、金属的晶体结构 二、金属的晶体结构n n 1 1、纯金属的晶体结构、纯金属的晶体结构n n 金属原子是通过正离子与自 金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，由电子的相互作用而结合的，称为 称为金属键 金属键。n n 金属原子趋向于紧密排列。金属原子

5、趋向于紧密排列。价电子云正离子金属键示意图l 具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。l 常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。第8 页/共64 页第九页，编辑于星期日：十六点 三分。体 体心 心立 立方 方晶 晶格 格第9 页/共64 页第十页，编辑于星期日：十六点 三分。体心立方晶格 体心立方晶格第10 页/共64 页第十一页，编辑于星期日：十六点 三分。体心立方晶格的参数 体心立方晶格的参数第11 页/共64 页第十二页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 体心立方晶格原子个数：2配位数：8致密度：常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、

6、Nb等晶格常数：a(a=b=c)原子半径：第12 页/共64 页第十三页，编辑于星期日：十六点 三分。面 面心 心立 立方 方晶 晶格 格第13 页/共64 页第十四页，编辑于星期日：十六点 三分。面心立方晶格 面心立方晶格第14 页/共64 页第十五页，编辑于星期日：十六点 三分。面心立方晶格的参数 面心立方晶格的参数第15 页/共64 页第十六页，编辑于星期日：十六点 三分。a42r=：原子半径原子个数：4配位数：12致密度：常见金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等晶格常数：an n 面心立方晶格第16 页/共64 页第十七页，编辑于星期日：十六点 三分。密排六方晶格 密排六方晶格

7、第17 页/共64 页第十八页，编辑于星期日：十六点 三分。密排六方晶格的参数 密排六方晶格的参数第18 页/共64 页第十九页，编辑于星期日：十六点 三分。a21r=：原子半径原子个数：6配位数：12致密度：常见金属：Mg、Zn、Be、Cd等晶格常数：底面边长 a 和高 c，n n 密排六方晶格第19 页/共64 页第二十页，编辑于星期日：十六点 三分。第20 页/共64 页第二十一页，编辑于星期日：十六点 三分。3.晶格的晶面和晶向（1）晶面指数及晶向指数（2）晶面及晶向的原子密度第21 页/共64 页第二十二页，编辑于星期日：十六点 三分。1）晶面指数及晶向指数n n 晶体中各种方位上的

8、原子面叫晶面；各种方向上的原子列叫晶向。在研究金属晶体结构的细节及其性能时，往往需要分析它们的各种晶面和晶向中原子分布的特点，因此有必要给各种晶面和晶向定出一定的符号，以表示出它们在晶体中的方位或方向。晶面的这种符号叫“晶面指数”，晶向的符号叫“晶向指数”。第22 页/共64 页第二十三页，编辑于星期日：十六点 三分。2)确定晶面指数的步骤如下：n n（1 1）设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作）设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作 OX OX、OY OY、OZ OZ 三个坐标轴，以晶格常数 三个坐标轴，以晶格常数 a a、b b、c c 分别作为相应的三个坐

9、标轴 分别作为相应的三个坐标轴上的量度单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距（见图）。上的量度单位，求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距（见图）。n n（2 2）将所得三截距之值变为倒数；）将所得三截距之值变为倒数；n n（3 3）再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为晶面指数。）再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号，即为晶面指数。晶面指数的一般形式用（晶面指数的一般形式用（hkl hkl）表示。）表示。第23 页/共64 页第二十四页，编辑于星期日：十六点 三分。第24 页/共64 页第二十五页，编辑于星期日：十六点 三分。第25 页/共64 页第二十六页，编

10、辑于星期日：十六点 三分。晶向指数的确定方法是：n n（1 1）以格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作）以格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边作 OX OX、OY OY、OZ OZ 三个坐标轴，通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；三个坐标轴，通过坐标原点引一直线，使其平行于所求的晶向；n n（2 2）求出该直线上任意一点的三个坐标来；）求出该直线上任意一点的三个坐标来；n n（3 3）将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶面指数，）将三个坐标值按比例化为最小整数，加一方括号，即为所求的晶面指数，其一般形式为 其一般形式为 uvw uvw。第26

11、页/共64 页第二十七页，编辑于星期日：十六点 三分。第27 页/共64 页第二十八页，编辑于星期日：十六点 三分。三种常见晶格的 三种常见晶格的晶面原子密度和晶向原子密度 晶面原子密度和晶向原子密度(1)(1)单位面积晶面上的原子数称 单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度 晶面原子密度。(2)(2)单位长度晶向上的原子数称 单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度 晶向原子密度。n n 三种常见晶格的密排面和密排方向(1)原子密度最大的晶面称密排面(2)原子密度最大的晶向称密排方向第28 页/共64 页第二十九页，编辑于星期日：十六点 三分。n n。密排面 数量 密排方向 数量体心立方晶格1 1

12、0 6 4面心立方晶格1 1 1 4 6密排六方晶格 六方底面1底面对角线3第29 页/共64 页第三十页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 三种常见晶格的密排面和密排方向六方底面底面对角线密排六方晶格面心立方晶格体心立方晶格第30 页/共64 页第三十一页，编辑于星期日：十六点 三分。体心立方(110)面 面心立方(111)面 密排六方底面第31 页/共64 页第三十二页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序 面心立方晶格与密排六方晶格密排面的堆垛顺序n n 密排六方晶格 密排六方晶格的堆垛顺序为 的堆垛顺序为ABABAB ABABABn n 面心

13、立方晶格 面心立方晶格的堆垛顺序为 的堆垛顺序为ABCABCABC ABCABCABC第32 页/共64 页第三十三页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 面心立方晶格的原子堆垛第33 页/共64 页第三十四页，编辑于星期日：十六点 三分。2 2、实际金属的晶体结构、实际金属的晶体结构l 变形金属晶粒尺寸约1100 m，铸造金属可达几mm。纯铁组织晶粒示意图n n 单晶体与多晶体 单晶体与多晶体n n 单晶体：单晶体：其内部晶格方位完全 其内部晶格方位完全一致的晶体。一致的晶体。n n 多晶体：多晶体：n n 晶粒：实际使用的金属材料是 晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不 由

14、许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成，这些小晶 规则的小晶体组成，这些小晶体称为晶粒 体称为晶粒。第34 页/共64 页第三十五页，编辑于星期日：十六点 三分。沿晶断口 沿晶断口铅锭宏观组织第35 页/共64 页第三十六页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 晶界：晶界：晶粒之间的交界面。晶粒之间的交界面。n n 晶粒越细小，晶界面积越大。晶粒越细小，晶界面积越大。n n 多晶体：多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。由多晶粒组成的晶体结构。光学金相显示的纯铁晶界 多晶体示意图第36 页/共64 页第三十七页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 晶体缺陷 晶体缺陷n n 晶格的不完整部 晶格的不

15、完整部位称 位称晶体缺陷 晶体缺陷。n n 实际金属中存在着 实际金属中存在着大量的晶体缺陷，大量的晶体缺陷，按形状可分三类，按形状可分三类，即点、线、面 即点、线、面缺陷。缺陷。第37 页/共64 页第三十八页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 点缺陷 点缺陷 n n 空间三维尺寸都很 空间三维尺寸都很小的缺陷。小的缺陷。l 空位l 间隙原子l 置换原子第38 页/共64 页第三十九页，编辑于星期日：十六点 三分。n n a a.空位：空位：晶格中某些 晶格中某些缺排原子的空结点。缺排原子的空结点。n n b b.间隙原子：间隙原子：挤进晶格 挤进晶格间隙中的原子。间隙中的原子。可以是 可

16、以是基体金属原子，也可以是 基体金属原子，也可以是外来原子。外来原子。体心立方的四面体和八面体间隙第39 页/共64 页第四十页，编辑于星期日：十六点 三分。n n c c.置换原子：置换原子：取代原来原子位置的外来 取代原来原子位置的外来原子称置换原子。原子称置换原子。n n 点缺陷破坏了原子的平衡状态，点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称 使晶格发生扭曲，称晶 晶空位 间隙原子 大置换原子 小置换原子格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。第40 页/共64 页第四十一页，编辑于星期日：十六点 三分。空位和间隙原子引起的晶格畸变 空位和间隙原子引起的晶格畸变第41 页/共6

17、4 页第四十二页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 线缺陷 线缺陷 晶体中的位错 晶体中的位错n n 位错：位错：晶格中一部分晶体相 晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑 对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移区与未 移，滑移面上滑移区与未刃型位错 螺型位错滑移区的交界线称作位错。分为刃型位错和螺型位错。第42 页/共64 页第四十三页，编辑于星期日：十六点 三分。刃型位错和螺型位错 刃型位错和螺型位错刃位错的形成第43 页/共64 页第四十四页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 刃型位错：刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个 当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个

18、原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面 原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是 的边缘就是刃型位错 刃型位错。n n 半原子面在滑移面以上的称 半原子面在滑移面以上的称正位错 正位错，用，用“”表示。表示。n n 半原子面在滑移面以下的称 半原子面在滑移面以下的称负位错 负位错，用，用“”表示。表示。第44 页/共64 页第四十五页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 位错密度：位错密度：单位体积内所包含 单位体积内所包含的位错线总长度。的位错线总长度。=S/V=S/V(cm/cm(cm/cm3 3或 或1/cm 1/cm2 2)n n 金属的位错密度为 金属的位

19、错密度为10 104 410 1012 12/cm/cm2 2n n 位错对性能的影响 位错对性能的影响：金属的塑 金属的塑性变形主要由位错运动引起，性变形主要由位错运动引起，（要使变形继续进行，必须增加（要使变形继续进行，必须增加外力）因此阻碍位错运动是强化 外力）因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径。金属的主要途径。金属晶须退火态(105-108/cm2)加工硬化态(1011-1012/cm2)第45 页/共64 页第四十六页，编辑于星期日：十六点 三分。电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃位错 高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）（白点为原子）第46 页

20、/共64 页第四十七页，编辑于星期日：十六点 三分。电子显微镜下的位错观察第47 页/共64 页第四十八页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 面缺陷 面缺陷 晶界与亚晶界 晶界与亚晶界n n 晶界是不同位向晶粒的过度部位 晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为，宽度为510 510个原子间 个原子间距，位向差一般为 距，位向差一般为2040 2040。第48 页/共64 页第四十九页，编辑于星期日：十六点 三分。亚晶粒 大角度和小角度晶界位错壁n n 亚晶粒 亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小 位向差也很小(10 2(10 2)的小晶块。的小晶块。n n 亚晶粒之间

21、的交界面称 亚晶粒之间的交界面称亚晶界 亚晶界。亚晶界也可看作 亚晶界也可看作位错壁 位错壁。第49 页/共64 页第五十页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 晶界的特点：晶界的特点：n n 原子排列不规则 原子排列不规则。n n 熔点低 熔点低。n n 耐蚀性差 耐蚀性差。n n 易产生内吸附 易产生内吸附，外来原子，外来原子易在晶界偏聚。易在晶界偏聚。n n 阻碍位错运动 阻碍位错运动，是强化，是强化部位，因而实际使用的金属力 部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒。求获得细晶粒。n n 是相变的优先形核部位 是相变的优先形核部位 显微组织的显示第50 页/共64 页第五十一页，编辑于星

22、期日：十六点 三分。实际金属中的缺陷对材料力学性能的影响如下：n n 点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，降低 点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，降低了材料的塑性和韧性，增加位错密度可提高金属 了材料的塑性和韧性，增加位错密度可提高金属强度，但塑性随之降低 强度，但塑性随之降低n n 面缺陷能提高金属材料的强度和塑性 面缺陷能提高金属材料的强度和塑性n n 细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段 细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段第51 页/共64 页第五十二页，编辑于星期日：十六点 三分。、合金的晶体结构、合金的晶体结构n n 合金 合金是指由两种或两种以上 是指由两种或两种以上元素组

23、成的具有金属特性的 元素组成的具有金属特性的物质。物质。n n 组成合金的元素可以是全部 组成合金的元素可以是全部是金属，也可是金属与非金 是金属，也可是金属与非金属。属。n n 组成合金的元素相互作用可 组成合金的元素相互作用可形成不同的 形成不同的相 相。Al-Cu两相合金黄铜第52 页/共64 页第五十三页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 所谓 所谓相 相是指金属或合金中凡成 是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它 分相同、结构相同，并与其它部分有界面分开的均匀组成部 部分有界面分开的均匀组成部分。（分。（液相和固相 液相和固相）n n 显微组织 显微组织实质上是指在显微镜

24、实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶 下观察到的金属中各相或各晶粒的 粒的形态、数量、大小和分布 形态、数量、大小和分布的组合。的组合。n n 固态合金中的相 固态合金中的相分为 分为固溶体 固溶体和 和金属化合物 金属化合物两类。两类。单相合金两相合金第53 页/共64 页第五十四页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 固溶体 固溶体n n 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固 相称固溶体。习惯以、表示。l 与合金晶体结构相同的元素称溶剂。其它元素称溶质。l 固溶体是合金的重要组成相，实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金

25、。l 按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体第54 页/共64 页第五十五页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 置换固溶体 置换固溶体n n 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。n n 溶质原子呈无序分布的称 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，无序固溶体，呈有序分布的 呈有序分布的称 称有序固溶体。有序固溶体。黄铜置换固溶体组织第55 页/共64 页第五十六页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 间隙固溶体 间隙固溶体n n 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。溶质原子嵌入溶剂晶格间

26、隙所形成的固溶体。n n 形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金 形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金 属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。l 形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂。l 间隙固溶体都是无序固溶体。第56 页/共64 页第五十七页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 固溶体的溶解度 固溶体的溶解度n n 溶质原子在固溶体中的极限浓度。溶质原子在固溶体中的极限浓度。n n 溶解度有一定限度的固溶体称 溶解度有一定限度的固溶体称有 有限固溶体 限固溶体。n n 组成元素无限互溶的固溶体称 组成元素无限互溶的固溶体称无限 无限固溶体 固溶体。n n 组成元

27、素原子半径、电化学特性 组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶 相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。体，才有可能形成无限固溶体。n n 间隙固溶体都是有限固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体。Cu-Ni无限固溶体Cu-Zn有限固溶体固溶体化合物第57 页/共64 页第五十八页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 固溶体的性能 固溶体的性能n n 随溶质含量增加 随溶质含量增加,固溶体的 固溶体的强度 强度、硬度增加 硬度增加,塑性、韧 塑性、韧性下降 性下降 固溶强化 固溶强化。n n 产生固溶强化的原因是 产生固溶强化的原因是溶质原子使 溶质原子使晶格发生畸

28、 晶格发生畸变 变及对位错的 及对位错的钉扎作用 钉扎作用。l 与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。第58 页/共64 页第五十九页，编辑于星期日：十六点 三分。n n 金属化合物 金属化合物n n 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物 金属化合物。金属化合物具有 金属化合物具有较高的熔点、硬度和 较高的熔点、硬度和脆性 脆性，并，并可用分子式表示 可用分子式表示其组成。其组成。铁碳合金中的Fe3Cl 当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度

29、和耐磨性，但降低塑性。l 金属化合物也是合金的重要组成相。第59 页/共64 页第六十页，编辑于星期日：十六点 三分。正常价化合物 正常价化合物 符合正常 符合正常原子价规律。如 原子价规律。如Mg Mg2 2Si Si 电子化合物 电子化合物 符合电子浓 符合电子浓度规律。如 度规律。如Cu Cu3 3Sn Sn。电子浓度 电子浓度为价电子数与原子 为价电子数与原子数的比值。数的比值。间隙化合物 间隙化合物 由过渡族元 由过渡族元素与 素与C C、N N、B B、H H等小原子 等小原子半径的非金属元素组成。半径的非金属元素组成。Al-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基轴承合金中的电子化合物

30、第60 页/共64 页第六十一页，编辑于星期日：十六点 三分。n n a a.间隙相：间隙相：r r非 非/r/r金 金 时形 时形 成的 成的具有简单晶格结构的间隙化合 具有简单晶格结构的间隙化合物。物。如 如n n M M4 4X X(Fe(Fe4 4N)N)、n n M M2 2X X(Fe(Fe2 2N N、W W2 2C)C)、n n MX MX(TiC(TiC、VC VC、TiN)TiN)等。等。n n 间隙相具有金属特征和极高 间隙相具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。的硬度及熔点，非常稳定。n n 部分碳化物和所有氮化物属于 部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。间隙相。VC

31、的结构第61 页/共64 页第六十二页，编辑于星期日：十六点 三分。n n b b.具有复杂结构的间隙化合物 具有复杂结构的间隙化合物n n 当 当r r非 非/r/r金 金时形成复杂结构间隙 时形成复杂结构间隙化合物。化合物。n n 如 如FeB FeB、Fe Fe3 3C C、Cr Cr23 23C C6 6等。等。Fe Fe3 3C C称 称渗碳体，渗碳体，是钢中重要 是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格 组成相，具有复杂斜方晶格。n n 化合物也可溶入其它元素原 化合物也可溶入其它元素原子，形成以化合物为基的固 子，形成以化合物为基的固溶体。溶体。Fe3C的晶格高温合金中的Cr23C6第62 页/共64 页第六十三页，编辑于星期日：十六点 三分。1常见的金属晶体结构有哪几种？它们的原子排列和晶格常数有什么特点？Fe、Fe、Al、Cu、Ni、Pb、Cr、V、Mg、Zn各属何种结构？2已知 Fe的晶格常数（a）要大于 Fe的晶格常数（a2.89A），但为什么 Fe冷却到912转变为 Fe时，体积反而增大？习 题 第63 页/共64 页第六十四页，编辑于星期日：十六点 三分。