金屬學(xué)與造船材料PPT課件02

1、船舶工程學(xué)院船舶工程學(xué)院金屬學(xué)與造船材料金屬學(xué)與造船材料 第1章 金屬和合金的晶體結(jié)構(gòu)1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)1.3 合金相結(jié)構(gòu)1.4 金屬晶體缺陷什么是金屬？什么是金屬？ 金屬是具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì), 電阻隨溫度的升高而增加，而非金屬的電阻溫度系數(shù)為負(fù)值。 金屬是具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性、高的密度和金屬光澤 結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)原子的空原子的空間排列間排列 顯微組織顯微組織 原子核外電子的排布方式顯著影響材料的電、磁、光和熱性能，還影響到原子彼此結(jié)合的方式，從而決定材料的類型 金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)原子結(jié)構(gòu)理論原子 (10-8cm)原子

2、核(10-12cm)電子(10-13cm)(9.110-28g)質(zhì)子中子(10-8cm,1836倍)(10-8cm,1838倍)原子是由質(zhì)子和中子組成的原子核以及核外電子構(gòu)成的。原原子是由質(zhì)子和中子組成的原子核以及核外電子構(gòu)成的。原子的體積很小，原子核的直徑更小，原子的質(zhì)量主要集中在原子的體積很小，原子核的直徑更小，原子的質(zhì)量主要集中在原子核內(nèi)。子核內(nèi)。金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)其最外層的電子數(shù)很少，一般為12個(gè)，不超過3個(gè)。價(jià)電子金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)晶態(tài)和非晶態(tài)。晶體結(jié)構(gòu)顯著影響材料的力學(xué)性能。 結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)原子的空原子的空間排列間排列 顯

3、微組織顯微組織 金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)金屬原子的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)晶粒的大小、合金相的種類、數(shù)量和分布等參數(shù) 。 結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)原子的空原子的空間排列間排列 顯微組織顯微組織 1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵得失價(jià)電子正負(fù)離子 高熔點(diǎn)、高硬度、低塑良好的電絕緣體等1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵共有電子對(duì)鍵有飽和性 高熔點(diǎn)、高硬度、低塑性電絕緣體等1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)金屬鍵共有價(jià)電子電子云鍵無(wú)方向性和飽和性性能特點(diǎn)：性能特點(diǎn)： 1) 1)良好的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性；良好的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性； 2) 2)正的電阻溫度系數(shù)；正的電阻溫度系數(shù)； 3)3)良好的強(qiáng)度及塑性；良好的強(qiáng)度

4、及塑性； 4) 4)特有的金屬光澤。特有的金屬光澤。離子鍵離子鍵 共價(jià)鍵共價(jià)鍵 金屬鍵金屬鍵 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 方向性不明顯，配位數(shù)大 方向性明顯，配位數(shù)小，密度小 無(wú)方向性，配位數(shù)大，密度大 力學(xué)性能力學(xué)性能 強(qiáng)度高，劈裂性良好，硬度大 強(qiáng)度高，硬度大 有各種強(qiáng)度，有塑性 熱力性質(zhì)熱力性質(zhì) 熔點(diǎn)高，膨脹系數(shù)小，熔體中有離子存在 熔點(diǎn)高，膨脹系數(shù)小，熔體中有的含有分子 有各種熔點(diǎn)，導(dǎo)熱性好，液態(tài)的溫度范圍寬 電學(xué)性質(zhì)電學(xué)性質(zhì) 絕緣體，熔體為導(dǎo)體 絕緣體，熔體為非導(dǎo)體 導(dǎo)電體（自由電子） 光學(xué)性質(zhì)光學(xué)性質(zhì) 與各構(gòu)成離子的性質(zhì)相同，對(duì)紅外線的吸收強(qiáng)，多是無(wú)色或淺色透明的 折射率大，同氣體的吸收光譜

5、很不同 不透明，有金屬光澤 1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)結(jié)合鍵的特性結(jié)合鍵的特性問題：金屬原子為什么趨于規(guī)則排列？1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)結(jié)合力與結(jié)合能d0：原子的平衡位：原子的平衡位置，結(jié)合能最低。置，結(jié)合能最低。dc：最大結(jié)合力位：最大結(jié)合力位置，對(duì)應(yīng)著金屬的置，對(duì)應(yīng)著金屬的理論抗拉強(qiáng)度。理論抗拉強(qiáng)度。1.1 金屬原子間的鍵合特點(diǎn)結(jié)合力與結(jié)合能原子間必須保持一定的平衡距離，這是固態(tài)金屬中的原子趨于規(guī)則排列的重要原因。1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)材料的原子排列非晶態(tài)原子排列短程有序或無(wú)序1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)非晶體的特點(diǎn)是：非晶體的特點(diǎn)是：結(jié)結(jié)構(gòu)無(wú)序；構(gòu)無(wú)序；物理性質(zhì)表物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同

6、性；現(xiàn)為各向同性；沒有沒有固定的熔點(diǎn)；固定的熔點(diǎn)；熱導(dǎo)率熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）和膨脹性（導(dǎo)熱系數(shù)）和膨脹性?。恍?；1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)晶體基元在三維空間呈規(guī)律性排列長(zhǎng)程有序單個(gè)的原子、離子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。 晶體的主要特點(diǎn)是：晶體的主要特點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)有序；結(jié)構(gòu)有序；物理物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性；性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性；有固定的熔點(diǎn)；有固定的熔點(diǎn)；在一定條件下有規(guī)則的幾何外形。在一定條件下有規(guī)則的幾何外形。1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)空間點(diǎn)陣是一個(gè)幾何概念，它由一維、二維或三維規(guī)則排列的陣點(diǎn)組成。1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)剛球模型用剛球代表空間排列的原子晶格晶格剛球抽象為質(zhì)點(diǎn)質(zhì)點(diǎn)，構(gòu)成空間格

7、架空間格架晶胞晶胞保持點(diǎn)陣幾何特征的基本單元 1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)布拉菲在1948年根據(jù)“每個(gè)陣點(diǎn)環(huán)境相同”的要求，用數(shù)學(xué)分析法證明晶體的空間點(diǎn)陣只有14種，稱為布拉菲點(diǎn)陣，分屬7個(gè)晶系。1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)晶系 軸(棱邊)之間的夾角三斜晶系單斜晶系斜方晶系正方晶系菱方晶系六方晶系立方晶系1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)成晶體的基元在三維空間的具體的排列方式= 空間點(diǎn)陣 + 基元 1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)晶胞中所含原子數(shù)晶胞中所含原子數(shù) 晶胞中所含原子數(shù)是指一個(gè)晶胞內(nèi)真正包含的原子數(shù)目。晶胞中所含原子數(shù)是指一個(gè)晶胞內(nèi)真正包含的原子數(shù)目。 配位數(shù)配位數(shù) 是指在晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原子最近

8、鄰且等距離的原子數(shù)。是指在晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù)。致密度致密度 是指晶胞中原子所占體積分?jǐn)?shù)，即是指晶胞中原子所占體積分?jǐn)?shù)，即k = n v/ v k = n v/ v 。式中，。式中，n n為為晶胞所含原子數(shù)、晶胞所含原子數(shù)、vv為單個(gè)原子體積、為單個(gè)原子體積、v v為晶胞體積。為晶胞體積。 原子半徑原子半徑 原子半徑是指晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的原子半徑是指晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的一半。一半。 1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)三種典型晶體結(jié)構(gòu)體心立方體心立方面心立方面心立方密排六方密排六方體心立方晶格參數(shù)cr、v、mo、w和-fe等30多種 1

9、.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)體心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)原子數(shù)原子數(shù)81/8+1=2體心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)原子半徑原子半徑arar4334體心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)配位數(shù)配位數(shù)=81.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)vnv1致密度：致密度：面心立方晶格參數(shù)al、cu、ni和-fe等約20種 1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)面心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)原子數(shù)原子數(shù)81/8+61/2=4面心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)原子半徑原子半徑arar4224配位數(shù)配位數(shù)=12面心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)密排六方晶格參數(shù)mg、zn、c

10、d、be、-ti等20多種 1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)密排六方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)原子數(shù)原子數(shù)121/6+21/2+3=6密排六方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)原子半徑原子半徑r=a/21.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)密排六方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)74. 038233)2(34623334623231aaacarvnv致密度：致密度：配位數(shù)配位數(shù)=12面心立方晶格和密排六方的原子堆垛方式面心立方晶格和密排六方的原子堆垛方式為什么面心立方和密排六方具有相同的致密度，為什么面心立方和密排六方具有相同的致密度，相同的配位數(shù)？相同的配位數(shù)？1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)密排六方結(jié)構(gòu)的原子堆垛方

11、式密排六方結(jié)構(gòu)的原子堆垛方式1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)的原子堆垛方式面心立方結(jié)構(gòu)的原子堆垛方式體心立方結(jié)構(gòu)的原子堆垛方式體心立方結(jié)構(gòu)的原子堆垛方式1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)面心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)體心立方晶格參數(shù)1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)晶面及晶向的原子密度晶面及晶向的原子密度 不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列同晶向上的原子排列方式和排列緊密程度是不一樣的。下頁(yè)的兩緊密程度是不一樣的。下頁(yè)的兩個(gè)表給出了體心立方晶格和面心個(gè)表給出了體心立方晶格和面心立方晶格中各主要晶面、晶向上立方晶格中各主要晶面、晶向上的原子排列方式和緊密程

12、度。的原子排列方式和緊密程度。1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)晶向和晶面在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱為晶面。任意兩個(gè)原子之間連線所指的方向稱為晶向。 xyz晶向指數(shù)1.2材料的原子排列晶向指數(shù)的確定方法建立以晶胞的邊長(zhǎng)作為單位長(zhǎng)度的右旋坐標(biāo)系。定出該晶向上任兩點(diǎn)的坐標(biāo)。用末點(diǎn)坐標(biāo)減去始點(diǎn)坐標(biāo)。將相減后所得結(jié)果約成互質(zhì)整數(shù)，加一方括號(hào)。1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)xyz晶面及晶面指數(shù)晶面指數(shù)的確定方法在以晶胞的邊長(zhǎng)作為單位長(zhǎng)度的右旋坐標(biāo)系中取該晶面在各坐標(biāo)軸上的截距。取截距的倒數(shù)。將倒數(shù)約成互質(zhì)整數(shù)，加一圓括號(hào)。 1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)xyz六方晶系1.2 金屬晶體典型結(jié)構(gòu)xyz各向異性金屬的性能和金屬晶體的取向有關(guān)各向異性是由于在不同方向上的原子緊密程度各向異性是由于在不同方向上的原子緊密程度不同所致，意味著原子之間的距離不同，則導(dǎo)不同所致，意味著原子之間的距離不同，則導(dǎo)致原子間結(jié)合力不同。晶體區(qū)別于非晶體的一致原子間結(jié)合力不同。晶體區(qū)別于非晶體的一個(gè)重要標(biāo)志。個(gè)重要標(biāo)志。多晶型轉(zhuǎn)變1.2 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)外部的溫度和壓強(qiáng)改變時(shí)，有些金屬會(huì)由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，稱之為多晶型轉(zhuǎn)變，又稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變bccfccbccfefefe 9121394問題問題.a）設(shè)有一剛球模型，球的直徑不變，當(dāng)）設(shè)有一剛球模型，球的直徑不變，當(dāng)由面