工程材料第一章

1、第1 1章 材料的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn) 內(nèi)容提要： 本章重點(diǎn)介紹純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷本章重點(diǎn)介紹純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和合金的結(jié)構(gòu)、金屬材料的組織。和合金的結(jié)構(gòu)、金屬材料的組織。 一般介紹金屬材料的性能、高分子材料和陶一般介紹金屬材料的性能、高分子材料和陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能。瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能。 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 本章重點(diǎn)掌握金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和本章重點(diǎn)掌握金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和合金的結(jié)構(gòu)，了解金屬材料的組織及性能。了解合金的結(jié)構(gòu)，了解金屬材料的組織及性能。了解高分子材料、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能。高分子材料、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能。1.11.1 金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織 1

2、.1.11.1.1 純金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 晶體中原子晶體中原子( (離子或分子離子或分子) )規(guī)規(guī)則排列的方式。則排列的方式。 通過(guò)金屬原子通過(guò)金屬原子( (離子離子) )的中心劃出許多直的中心劃出許多直線，形成空間格架，稱為線，形成空間格架，稱為晶格晶格。晶格參數(shù)：晶格參數(shù)：棱邊長(zhǎng)棱邊長(zhǎng)a a、b b、c c 棱邊間夾角棱邊間夾角、晶胞晶胞老師提示老師提示 不同元素組成的金屬晶體因晶格不同元素組成的金屬晶體因晶格形式及晶格常數(shù)的不同，表現(xiàn)出不同的物理、形式及晶格常數(shù)的不同，表現(xiàn)出不同的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。金屬的晶體結(jié)構(gòu)可用化學(xué)和力學(xué)性能。金屬的晶體結(jié)構(gòu)可用X

3、X射線射線結(jié)構(gòu)分析技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。結(jié)構(gòu)分析技術(shù)進(jìn)行測(cè)定。 晶胞：晶胞：能反映該晶格特征的最小組成單元。能反映該晶格特征的最小組成單元。 a a、b b、c c 稱為稱為晶格常數(shù)晶格常數(shù)。 金屬的晶格常數(shù)一般為金屬的晶格常數(shù)一般為: 1 11010-10-10 m m7 71010-10 -10 m m (0.1nm (0.1nm0.7nm)0.7nm) 一、三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu) 老師提示：老師提示：重點(diǎn)內(nèi)容重點(diǎn)內(nèi)容 1.1.體心立方晶格體心立方晶格( (胞胞) ( BCC ) ( BCC 晶格晶格) ) 8 8個(gè)原子處于立方體的角上，個(gè)原子處于立方體的角上，1 1個(gè)原子處于個(gè)原子處于立方體的中

4、心立方體的中心, , 角上角上8 8個(gè)原子與中心原子緊靠。個(gè)原子與中心原子緊靠。體心立方晶格金屬：體心立方晶格金屬：鉬鉬(Mo)(Mo)、鎢、鎢(W)(W)、釩釩(V)(V)、-鐵鐵(-Fe, (-Fe, 912 )912 )等。等。 體心立方晶胞特征：體心立方晶胞特征： （1 1）晶格常數(shù)）晶格常數(shù) a a= =b b= =c, c, = = =90=90 （2 2）晶胞原子數(shù)）晶胞原子數(shù) 角上的原子屬于角上的原子屬于8 8個(gè)相鄰的晶胞。個(gè)相鄰的晶胞。 中心的原子屬于這個(gè)晶胞。中心的原子屬于這個(gè)晶胞。 一個(gè)體心立方晶胞所含的原子數(shù)為一個(gè)體心立方晶胞所含的原子數(shù)為2 2個(gè)。個(gè)。 （3 3）原子

5、半徑）原子半徑 晶胞中相距最近的兩個(gè)原子之間距離的晶胞中相距最近的兩個(gè)原子之間距離的一半稱為原子半徑一半稱為原子半徑( (r r原子原子) )。 體心立方晶胞中原子半徑與晶格常數(shù)體心立方晶胞中原子半徑與晶格常數(shù)a a之間的關(guān)系為：之間的關(guān)系為： （4 4）致密度）致密度 晶胞中原子占有的體積與該晶胞體積晶胞中原子占有的體積與該晶胞體積之比稱為致密度之比稱為致密度( (也稱密排系數(shù)也稱密排系數(shù)) )。 致密度越大，原子排列緊密程度越大。致密度越大，原子排列緊密程度越大。 體心立方晶胞的致密度為：體心立方晶胞的致密度為： （5 5）空隙半徑）空隙半徑 晶胞空隙中放入球的最大半徑稱為空隙半徑。晶胞空

6、隙中放入球的最大半徑稱為空隙半徑。 體心立方晶胞中有兩種空隙：體心立方晶胞中有兩種空隙： 四面體空隙半徑四面體空隙半徑: :r r四四= =0.290.29r r原子原子 八面體空隙半徑八面體空隙半徑: :r r八八= =0.150.15r r原子原子 四面體空隙半徑四面體空隙半徑八面體空隙半徑八面體空隙半徑 （6 6）配位數(shù)）配位數(shù) 配位數(shù)為晶格中與任一個(gè)原子相距最近且配位數(shù)為晶格中與任一個(gè)原子相距最近且距離相等的原子數(shù)目。距離相等的原子數(shù)目。 配位數(shù)越大，原子排列緊密程度就越大。配位數(shù)越大，原子排列緊密程度就越大。 體心立方晶格的配位數(shù)為體心立方晶格的配位數(shù)為8 8。 2.2.面心立方晶格

7、面心立方晶格( (胞胞) ( FCC ) ( FCC 晶格晶格) ) 金屬原子分布在立方體的金屬原子分布在立方體的8 8個(gè)角上和個(gè)角上和6 6個(gè)面的中心。面中心的原子與該面?zhèn)€面的中心。面中心的原子與該面4 4個(gè)角上個(gè)角上的原子緊靠。的原子緊靠。 面心立方晶格金屬：面心立方晶格金屬：鋁鋁(Al)(Al)、銅、銅(Cu)(Cu)、鎳鎳(Ni)(Ni)、金、金(Au)(Au)、銀銀(Ag)(Ag)、-鐵鐵(-Fe, (-Fe, 9129121394)1394)等。等。 面心立方晶胞的特征：面心立方晶胞的特征： （1 1）晶格常數(shù)）晶格常數(shù) a a= =b b= =c c = = =90=90（2 2

8、）晶胞原子數(shù)）晶胞原子數(shù) ( (個(gè)個(gè)) ) 4 4 （3 3）原子半徑）原子半徑 （4 4）致密度）致密度 0.74 (74%)0.74 (74%) （5 5）空隙半徑）空隙半徑 四面體空隙半徑四面體空隙半徑: : r r四四=0.225=0.225r r原子原子 八面體空隙半徑八面體空隙半徑: : r r八八=0.414=0.414r r原子原子四面體空隙半徑四面體空隙半徑八面體空隙半徑八面體空隙半徑 （6 6）配位數(shù)）配位數(shù) 1212 3. 3.密排六方晶格密排六方晶格( (胞胞) ( HCP ) ( HCP 晶格晶格) ) 1212個(gè)金屬原子分布在六方體的個(gè)金屬原子分布在六方體的1212

9、個(gè)角上個(gè)角上, , 在上下底面的中心各分布在上下底面的中心各分布1 1個(gè)原子個(gè)原子, , 上下底面之上下底面之間均勻分布間均勻分布3 3個(gè)原子。個(gè)原子。密排六方晶格金屬：密排六方晶格金屬：鎂鎂(Mg)(Mg)、鎘、鎘(Cd(Cd) )、鋅鋅(Zn)(Zn)、鈹、鈹(Be)(Be)等。等。 密排六方晶胞特征：密排六方晶胞特征： （1 1）晶格常數(shù)）晶格常數(shù) 正六邊形的邊長(zhǎng)正六邊形的邊長(zhǎng)a a 兩底面之間的距離兩底面之間的距離c c 相鄰側(cè)面夾角相鄰側(cè)面夾角120120 側(cè)面與底面夾角側(cè)面與底面夾角9090 （2 2）晶胞原子數(shù)）晶胞原子數(shù) 6 6 （3 3）原子半徑）原子半徑 （4 4）致密度）

10、致密度 0.74 (74%)0.74 (74%) （5 5）空隙半徑）空隙半徑 四面體空隙半徑四面體空隙半徑為為: : r r四四= =0.2250.225r r原子原子 八面體空隙半徑八面體空隙半徑為為: : r r八八= =0.4140.414r r原子原子 （6 6）配位數(shù)）配位數(shù) 1212老師提示老師提示 由于原子排列緊密程度不一由于原子排列緊密程度不一樣，當(dāng)金屬?gòu)拿嫘牧⒎骄Ц裣蝮w心立方樣，當(dāng)金屬?gòu)拿嫘牧⒎骄Ц裣蝮w心立方晶格轉(zhuǎn)變時(shí)晶格轉(zhuǎn)變時(shí), , 體積會(huì)發(fā)生變化。體積會(huì)發(fā)生變化。 鋼在淬火時(shí)因晶格轉(zhuǎn)變發(fā)生體積變鋼在淬火時(shí)因晶格轉(zhuǎn)變發(fā)生體積變化。化。 不同晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的方式不不同晶

11、體結(jié)構(gòu)中原子排列的方式不同同, , 使它們的形變能力不同。使它們的形變能力不同。 二、晶體中的晶面和晶向 通過(guò)晶體中原子中心的平面叫做通過(guò)晶體中原子中心的平面叫做晶面晶面。 通過(guò)原子中心的直線為原子列，代表的通過(guò)原子中心的直線為原子列，代表的方向叫做方向叫做晶向晶向。 晶面用晶面指數(shù)表達(dá)。晶面用晶面指數(shù)表達(dá)。 晶向用晶向指數(shù)表達(dá)。晶向用晶向指數(shù)表達(dá)。 1. 1.立方晶系的晶面表示方法立方晶系的晶面表示方法 以晶面以晶面ABBAABBA為例：為例： 晶面的截距可以為負(fù)數(shù)晶面的截距可以為負(fù)數(shù), , 在指數(shù)上加負(fù)號(hào)在指數(shù)上加負(fù)號(hào), , 如如 。 若某個(gè)晶面若某個(gè)晶面 的指數(shù)都乘以的指數(shù)都乘以-1,-

12、1,得到晶面得到晶面 , , 則晶面則晶面 與與 屬于一組平行晶面。屬于一組平行晶面。立方晶胞中的主要晶面立方晶胞中的主要晶面 晶面指數(shù)的一般標(biāo)記晶面指數(shù)的一般標(biāo)記為為( (hklhkl) )。 實(shí)際表示一組原子排實(shí)際表示一組原子排列相同的平行晶面。列相同的平行晶面。 晶面族：晶面族： 在立方晶系中在立方晶系中, , 原子排列相同但在空間方原子排列相同但在空間方向不同的晶面組成晶面族。向不同的晶面組成晶面族。 晶面族用大括號(hào)表示晶面族用大括號(hào)表示, , 即即 hklhkl 。111 111 晶面族晶面族在立方晶胞中在立方晶胞中 組成組成111111晶面族晶面族： 晶面間距：晶面間距： 兩相鄰平

13、行晶面之間的距離兩相鄰平行晶面之間的距離d d 。 在立方晶系中晶面間距計(jì)算：在立方晶系中晶面間距計(jì)算：練習(xí)：練習(xí)：已知晶格常數(shù)已知晶格常數(shù)a a，求（求（110110）面的）面的 晶面間距。晶面間距。 a a 為晶格常數(shù)，為晶格常數(shù)， h h、k k、l l 為為晶面的晶面的三個(gè)指數(shù)。三個(gè)指數(shù)。 以晶向以晶向DADA為例：為例： 2. 2. 立方晶系的晶向表示方法立方晶系的晶向表示方法 立方晶胞中的主要晶向立方晶胞中的主要晶向 晶向晶向OA OA ： 100 100 晶向晶向OB OB ： 110110 晶向晶向OB OB ： 晶向指數(shù)一般標(biāo)記為晶向指數(shù)一般標(biāo)記為 uvwuvw ， 表示一組

14、原子排列相同的平行晶向。表示一組原子排列相同的平行晶向。111111 若兩個(gè)晶向的全部指數(shù)數(shù)值相同而符若兩個(gè)晶向的全部指數(shù)數(shù)值相同而符號(hào)相反號(hào)相反, , 則它們相互平行或?yàn)橥辉恿袆t它們相互平行或?yàn)橥辉恿? , 但方向相反。但方向相反。 如如110110與與 。 若只研究原子排列情況若只研究原子排列情況, , 則晶向則晶向110110與與 可用同一個(gè)指數(shù)可用同一個(gè)指數(shù)110110表示。表示。晶向族晶向族 原子排列情況相同而在空間位向不原子排列情況相同而在空間位向不同的晶向組成晶向族。同的晶向組成晶向族。 晶向族用尖括號(hào)表示晶向族用尖括號(hào)表示, , 即即 。 如如: : = 100 + 0

15、10 + 001 = 100 + 010 + 001晶面與晶向互相垂直晶面與晶向互相垂直 在立方晶系中在立方晶系中, , 一個(gè)晶面指數(shù)與一個(gè)晶面指數(shù)與一個(gè)晶向指數(shù)數(shù)值和符號(hào)相同時(shí)一個(gè)晶向指數(shù)數(shù)值和符號(hào)相同時(shí), , 則則該晶面與該晶向互相垂直。該晶面與該晶向互相垂直。 如：如：(111)111(111)111。 (110)110(110)110 3 3、六方晶系的晶面指數(shù)和、六方晶系的晶面指數(shù)和 晶向指數(shù)晶向指數(shù) 四指數(shù)方法表示晶面和晶向。四指數(shù)方法表示晶面和晶向。 水平坐標(biāo)軸選取互相成水平坐標(biāo)軸選取互相成120120夾角的三坐標(biāo)軸夾角的三坐標(biāo)軸a a1 1、a a2 2和和a a3 3, ,

16、垂直軸為垂直軸為c c 軸。軸。 晶面表示為晶面表示為( (hkilhkil), ), 晶面族為晶面族為 hkilhkil, , 晶向表示為晶向表示為 uvtwuvtw, , 晶向族為晶向族為 。 六方晶系主要晶面和晶向六方晶系主要晶面和晶向 4. 4.密排面和密排方向密排面和密排方向 不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上原子排不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上原子排列密度不一樣。列密度不一樣。 在體心立方晶格中在體心立方晶格中 密排面為密排面為110110。 密排方向?yàn)槊芘欧较驗(yàn)椤?在面心立方晶格中在面心立方晶格中 密排面為密排面為111111。 密排方向?yàn)槊芘欧较驗(yàn)椤?密密 排排 面：面：原

17、子密度最大的晶面。原子密度最大的晶面。 密排方向：密排方向：原子密度最大的晶向。原子密度最大的晶向。 體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度體心立方、面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度晶面晶面 指數(shù)指數(shù) 體心立方晶格體心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格晶面原子晶面原子 排列示意圖排列示意圖 晶面原子晶面原子密度密度( (原子數(shù)原子數(shù)/ /面積面積) ) 晶面原子晶面原子 排列示意圖排列示意圖 晶面原子晶面原子密度密度( (原子數(shù)原子數(shù)/ /面積面積) ) 100 100 110 110 111 111 體心立方、面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度體心立方、面心立方晶格主要晶向的原

18、子排列和密度晶向晶向 指數(shù)指數(shù) 體心立方晶格體心立方晶格 面心立方晶格面心立方晶格晶向原子晶向原子 排列示意圖排列示意圖 晶向原子晶向原子密度密度( (原子數(shù)原子數(shù)/ /長(zhǎng)度長(zhǎng)度) ) 晶向原子晶向原子 排列示意圖排列示意圖 晶向原子晶向原子密度密度( (原子數(shù)原子數(shù)/ /長(zhǎng)度長(zhǎng)度) ) 三、金屬晶體的特性 1.1.金屬晶體具有確定的熔點(diǎn)金屬晶體具有確定的熔點(diǎn) 純金屬緩慢加熱到一定溫度純金屬緩慢加熱到一定溫度, , 固態(tài)金屬熔固態(tài)金屬熔化成為液態(tài)金屬。熔化過(guò)程中溫度不變?；蔀橐簯B(tài)金屬。熔化過(guò)程中溫度不變。 熔化溫度熔化溫度( (T T0 0) )稱為稱為熔點(diǎn)熔點(diǎn)。晶體和非晶體的熔化曲線晶體和

19、非晶體的熔化曲線 非晶體材料在非晶體材料在加熱時(shí)加熱時(shí), , 固態(tài)轉(zhuǎn)變固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)時(shí)為液態(tài)時(shí), , 溫度變溫度變化。化。 2. 2.金屬晶體具有各向異性金屬晶體具有各向異性 在晶體中在晶體中, , 不同晶面和晶向上原子排列不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它們之間的結(jié)合力的大的方式和密度不同，它們之間的結(jié)合力的大小也不相同，因而金屬晶體不同方向上的性小也不相同，因而金屬晶體不同方向上的性能不同。這種性質(zhì)叫做晶體的能不同。這種性質(zhì)叫做晶體的各向異性各向異性。 單晶體鐵單晶體鐵( (只含一個(gè)晶粒只含一個(gè)晶粒) )的彈性模量，的彈性模量， 方向上為方向上為2.902.9010105 5 M

20、PaMPa, , 方向上只有方向上只有1.351.3510105 5 MPaMPa。 單晶體鐵在磁場(chǎng)中沿單晶體鐵在磁場(chǎng)中沿方向磁化容方向磁化容易。制造變壓器用的硅鋼片的易。制造變壓器用的硅鋼片的方向應(yīng)平方向應(yīng)平行于導(dǎo)磁方向，以降低變壓器的鐵損。行于導(dǎo)磁方向，以降低變壓器的鐵損。 鋅在鹽酸中溶解時(shí)，晶面的溶解速度鋅在鹽酸中溶解時(shí)，晶面的溶解速度的次序從大到小是：的次序從大到小是： 各向異性：各向異性：晶體晶體在不同的方向上的力學(xué)、在不同的方向上的力學(xué)、物理和化學(xué)等性能不一樣。物理和化學(xué)等性能不一樣。 各向同性：各向同性：非晶體非晶體在各個(gè)方向上性能完在各個(gè)方向上性能完全相同，這種性質(zhì)叫非晶體的全

21、相同，這種性質(zhì)叫非晶體的各向同性各向同性。 實(shí)際使用的金屬實(shí)際使用的金屬, , 內(nèi)部有許多晶粒組成，內(nèi)部有許多晶粒組成，每個(gè)晶粒在空間分布的位向不同，在宏觀上每個(gè)晶粒在空間分布的位向不同，在宏觀上沿各個(gè)方向上的性能趨于相同，晶體的各向沿各個(gè)方向上的性能趨于相同，晶體的各向異性顯示不出來(lái)。異性顯示不出來(lái)。 練習(xí)練習(xí) 寫出體心立方晶格、面心立方晶格的寫出體心立方晶格、面心立方晶格的密排面和密排方向。密排面和密排方向。 四、實(shí)際金屬中的晶體缺陷 1.1.點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 在三維尺度上都很小的的缺陷。在三維尺度上都很小的的缺陷。 （1 1）空位）空位 晶格中某結(jié)點(diǎn)上沒(méi)有原子。晶格中某結(jié)點(diǎn)上沒(méi)有原子。有利于

22、金屬內(nèi)部原子的擴(kuò)散。有利于金屬內(nèi)部原子的擴(kuò)散。 （2 2）間隙原子）間隙原子 位于晶格間隙之中的原子位于晶格間隙之中的原子叫間隙原子。叫間隙原子。 （3 3）異類原子）異類原子 純金屬中存在的其它元素。純金屬中存在的其它元素。 異類原子與金屬原子的半徑接近時(shí)異類原子與金屬原子的半徑接近時(shí), , 占據(jù)占據(jù)晶格的一些結(jié)點(diǎn)。晶格的一些結(jié)點(diǎn)。 異類原子異類原子 老師提示：老師提示：點(diǎn)缺陷造成局部晶格畸變點(diǎn)缺陷造成局部晶格畸變, , 使金屬使金屬的屈服強(qiáng)度、電阻率增加的屈服強(qiáng)度、電阻率增加, , 密度發(fā)生變化。密度發(fā)生變化。 異類原子的半徑比金屬原子的半徑小得多異類原子的半徑比金屬原子的半徑小得多, ,

23、 位于晶格的空隙中。位于晶格的空隙中。 2. 2.線缺陷線缺陷 指兩維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷，指兩維尺度很小而第三維尺度很大的缺陷，叫位錯(cuò)。由晶體中原子平面的錯(cuò)動(dòng)引起。叫位錯(cuò)。由晶體中原子平面的錯(cuò)動(dòng)引起。 （1 1）刃型位錯(cuò)）刃型位錯(cuò) 晶體的一部分出現(xiàn)一個(gè)多晶體的一部分出現(xiàn)一個(gè)多余的半原子面。如切入晶體的余的半原子面。如切入晶體的刀片，刀片的刃口線即為位錯(cuò)刀片，刀片的刃口線即為位錯(cuò)線。這種線缺陷稱刃型位錯(cuò)。線。這種線缺陷稱刃型位錯(cuò)。 半原子面在上面的稱正刃型位錯(cuò)。半原子面在上面的稱正刃型位錯(cuò)。 半原子面在下面的稱負(fù)刃型位錯(cuò)。半原子面在下面的稱負(fù)刃型位錯(cuò)。 （2 2）螺型位錯(cuò)）螺型位錯(cuò)

24、晶體右邊的上部相對(duì)于下晶體右邊的上部相對(duì)于下部向后錯(cuò)動(dòng)一個(gè)原子間距。部向后錯(cuò)動(dòng)一個(gè)原子間距。 晶面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。晶面發(fā)生錯(cuò)動(dòng)。 錯(cuò)動(dòng)區(qū)的原子用線連接起錯(cuò)動(dòng)區(qū)的原子用線連接起來(lái)，成螺旋狀。來(lái)，成螺旋狀。 這種線缺陷稱螺型位錯(cuò)。這種線缺陷稱螺型位錯(cuò)。位錯(cuò)的形成位錯(cuò)的形成 位錯(cuò)能夠在金屬的結(jié)晶、塑性變形和位錯(cuò)能夠在金屬的結(jié)晶、塑性變形和相變等過(guò)程中形成。相變等過(guò)程中形成。 位錯(cuò)可以用透射電鏡觀察到。位錯(cuò)可以用透射電鏡觀察到。 不銹鋼中的位錯(cuò)線不銹鋼中的位錯(cuò)線 (3)(3)柏氏矢量：柏氏矢量：表征位錯(cuò)的大小和方向。表征位錯(cuò)的大小和方向。刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定（右手螺旋法）刃型位錯(cuò)柏氏矢量的確定（右手螺旋法

25、）刃型位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線方向垂直。刃型位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線方向垂直。 a. a.指定位錯(cuò)線指定位錯(cuò)線mnmn的方向由紙面向里。的方向由紙面向里。 b. b.右手拇指指向位錯(cuò)線方向，四指彎曲，回右手拇指指向位錯(cuò)線方向，四指彎曲，回繞位錯(cuò)線作回路繞位錯(cuò)線作回路abcdeabcde，每個(gè)方向原子數(shù)相同，每個(gè)方向原子數(shù)相同，回路不能閉合?；芈凡荒荛]合。 c. c.連接起始點(diǎn)連接起始點(diǎn)a a至終點(diǎn)至終點(diǎn)e e。 矢量矢量aeae稱為柏氏矢量，用稱為柏氏矢量，用 b b 表示。表示。刃型位錯(cuò)位錯(cuò)線、柏氏矢量方向刃型位錯(cuò)位錯(cuò)線、柏氏矢量方向和半原子面位置的關(guān)系和半原子面位置的關(guān)系 右手中指彎曲，與手掌

26、垂直，食指、拇指右手中指彎曲，與手掌垂直，食指、拇指伸直。食指指向位錯(cuò)線方向，中指指向柏氏矢伸直。食指指向位錯(cuò)線方向，中指指向柏氏矢量方向，則拇指指向半原子面的位置。量方向，則拇指指向半原子面的位置。 若拇指向上，若拇指向上，為正刃型位錯(cuò)。為正刃型位錯(cuò)。 若拇指向下，若拇指向下，為負(fù)刃型位錯(cuò)。為負(fù)刃型位錯(cuò)。正刃型位錯(cuò)正刃型位錯(cuò) 負(fù)刃型位錯(cuò)負(fù)刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)柏氏矢量的確定螺型位錯(cuò)柏氏矢量的確定方法與刃型位錯(cuò)的相同。方法與刃型位錯(cuò)的相同。 afaf 即為該螺型位錯(cuò)的柏氏矢量。即為該螺型位錯(cuò)的柏氏矢量。 螺型位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線方向平行。螺型位錯(cuò)的柏氏矢量與位錯(cuò)線方向平行。 右螺型位錯(cuò)：右螺型位錯(cuò)

27、：柏氏矢量與位錯(cuò)線方向同向。柏氏矢量與位錯(cuò)線方向同向。 左螺型位錯(cuò)：左螺型位錯(cuò)：柏氏矢量與位錯(cuò)線方向相反。柏氏矢量與位錯(cuò)線方向相反。 （3 3）混合位錯(cuò)）混合位錯(cuò) 實(shí)際晶體中往往存在曲線狀的位錯(cuò)線或位錯(cuò)實(shí)際晶體中往往存在曲線狀的位錯(cuò)線或位錯(cuò)環(huán)。位錯(cuò)線呈曲線狀的位錯(cuò)由刃型位錯(cuò)和螺型位環(huán)。位錯(cuò)線呈曲線狀的位錯(cuò)由刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)混合而成，稱為混合位錯(cuò)。錯(cuò)混合而成，稱為混合位錯(cuò)。晶體中的位錯(cuò)環(huán)晶體中的位錯(cuò)環(huán)( (俯視俯視) )位錯(cuò)特點(diǎn)位錯(cuò)特點(diǎn) a.a.位錯(cuò)導(dǎo)致晶格畸變，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。位錯(cuò)導(dǎo)致晶格畸變，產(chǎn)生內(nèi)應(yīng)力。 對(duì)于刃型位錯(cuò)：對(duì)于刃型位錯(cuò)： 原子較密區(qū)域原子受到壓應(yīng)力。原子較密區(qū)域原子受到壓應(yīng)力。

28、原子較疏區(qū)域原子受到拉應(yīng)力。原子較疏區(qū)域原子受到拉應(yīng)力。b.b.刃型位錯(cuò)容易吸納異類原子。刃型位錯(cuò)容易吸納異類原子。 原子較密區(qū)域吸納小直徑的異類原子。原子較密區(qū)域吸納小直徑的異類原子。 原子較疏區(qū)域吸納大直徑的異類原子。原子較疏區(qū)域吸納大直徑的異類原子。 c. c.位錯(cuò)具有易動(dòng)性。位錯(cuò)具有易動(dòng)性。 在外力作用下，位錯(cuò)能產(chǎn)生移動(dòng)。在外力作用下，位錯(cuò)能產(chǎn)生移動(dòng)。 刃型位錯(cuò)移動(dòng)的方向與切應(yīng)力的方向相同。刃型位錯(cuò)移動(dòng)的方向與切應(yīng)力的方向相同。 螺型位錯(cuò)移動(dòng)的方向與切應(yīng)力的方向垂直。螺型位錯(cuò)移動(dòng)的方向與切應(yīng)力的方向垂直。 d. d.在外力或熱的作用下位錯(cuò)移動(dòng)，正、負(fù)在外力或熱的作用下位錯(cuò)移動(dòng)，正、負(fù)刃

29、型位錯(cuò)能夠復(fù)合而消失。刃型位錯(cuò)能夠復(fù)合而消失。 e. e.位錯(cuò)可以與間隙原子或空位復(fù)合，而使位錯(cuò)可以與間隙原子或空位復(fù)合，而使刃型位錯(cuò)半原子面擴(kuò)大或者縮小。刃型位錯(cuò)半原子面擴(kuò)大或者縮小。 這種現(xiàn)象叫作位錯(cuò)攀移。這種現(xiàn)象叫作位錯(cuò)攀移。老師提示老師提示 位錯(cuò)理論是金屬材料強(qiáng)化的重要理論基礎(chǔ)。位錯(cuò)理論是金屬材料強(qiáng)化的重要理論基礎(chǔ)。 金屬材料的許多強(qiáng)化機(jī)制都與位錯(cuò)有關(guān)。金屬材料的許多強(qiáng)化機(jī)制都與位錯(cuò)有關(guān)。 如：如： 固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化 細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化 形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化 彌散強(qiáng)化彌散強(qiáng)化 將在后面的課程中詳細(xì)介紹。將在后面的課程中詳細(xì)介紹。 位錯(cuò)的量：位錯(cuò)的量：用位錯(cuò)線長(zhǎng)度來(lái)表示。用位錯(cuò)線長(zhǎng)度來(lái)表示。

30、位錯(cuò)密度：位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積中位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度。單位體積中位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度。 式中：式中： 為位錯(cuò)密度為位錯(cuò)密度, , 單位為單位為m m-2-2， LL 為位錯(cuò)線總長(zhǎng)度為位錯(cuò)線總長(zhǎng)度, , 單位為單位為m, m, V V為體積為體積, , 單位為單位為m m3 3。位錯(cuò)對(duì)性能的影響位錯(cuò)對(duì)性能的影響 金屬為理想晶體或含極少量位錯(cuò)時(shí)金屬為理想晶體或含極少量位錯(cuò)時(shí), , 金屬的屈服強(qiáng)度金屬的屈服強(qiáng)度s s 很高。很高。 當(dāng)含有一定量的位錯(cuò)時(shí)當(dāng)含有一定量的位錯(cuò)時(shí), , 強(qiáng)度降低。強(qiáng)度降低。 退火金屬中位錯(cuò)密度為退火金屬中位錯(cuò)密度為 10106 68 8 cmcm-2-2 ，強(qiáng)度最低。強(qiáng)度最低。金屬的強(qiáng)度

31、與位錯(cuò)密度的關(guān)系金屬的強(qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系 形變加工時(shí)形變加工時(shí), , 位錯(cuò)密度增加位錯(cuò)密度增加, , s s 增高。增高。 3. 3.面缺陷面缺陷 二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。二維尺度很大而第三維尺度很小的缺陷。 （1 1）晶界）晶界 實(shí)際金屬為多晶體。實(shí)際金屬為多晶體。 每個(gè)晶粒可視為單晶體。每個(gè)晶粒可視為單晶體。 所有晶粒的結(jié)構(gòu)相同所有晶粒的結(jié)構(gòu)相同, , 位向位向不同。位向差為幾十分、幾度或不同。位向差為幾十分、幾度或幾十度。幾十度。10Cr17(1Cr17)10Cr17(1Cr17)不銹鋼的多晶體不銹鋼的多晶體 晶界原子排列晶界原子排列示意圖示意圖 晶界晶界 晶粒與晶粒之間的

32、接晶粒與晶粒之間的接觸界面觸界面。 晶界在空間呈網(wǎng)狀；晶界上晶界在空間呈網(wǎng)狀；晶界上原子的排列規(guī)則性較差。原子的排列規(guī)則性較差。 （2 2）亞晶界）亞晶界 晶粒由許多位向相差很小的亞晶粒晶粒由許多位向相差很小的亞晶粒( (嵌鑲塊嵌鑲塊) )組成。亞晶粒之間的位向差只有幾秒、幾分，組成。亞晶粒之間的位向差只有幾秒、幾分，最多達(dá)最多達(dá)1 12 2度。度。 亞晶界亞晶界 亞晶粒之間的邊界。亞晶粒之間的邊界。 亞晶界由位錯(cuò)垂直排列成位錯(cuò)墻構(gòu)成。亞晶界由位錯(cuò)垂直排列成位錯(cuò)墻構(gòu)成。亞晶界亞晶界晶界、亞晶界對(duì)金屬的影響晶界、亞晶界對(duì)金屬的影響 在晶界、亞晶界上，晶格畸變較大，原子在晶界、亞晶界上，晶格畸變較

33、大，原子處于較高的能量狀態(tài)。處于較高的能量狀態(tài)。 晶界、亞晶界對(duì)金屬中的許多過(guò)程的進(jìn)行晶界、亞晶界對(duì)金屬中的許多過(guò)程的進(jìn)行, , 具有極為重要的作用。具有極為重要的作用。 b. b.晶界處存在較多的空位、位錯(cuò)，容易吸晶界處存在較多的空位、位錯(cuò)，容易吸附異類原子，導(dǎo)致某些元素產(chǎn)生晶界偏聚。附異類原子，導(dǎo)致某些元素產(chǎn)生晶界偏聚。 a. a.晶界處原子的平均能量比晶內(nèi)高，晶粒晶界處原子的平均能量比晶內(nèi)高，晶粒長(zhǎng)大和晶界的平直化可以降低晶界的總能量。長(zhǎng)大和晶界的平直化可以降低晶界的總能量。因此在高溫時(shí)，晶粒容易長(zhǎng)大。因此在高溫時(shí)，晶粒容易長(zhǎng)大。 c. c.發(fā)生相變時(shí)，新相往往在母相的晶界處發(fā)生相變時(shí)，

34、新相往往在母相的晶界處形成。形成。 母相晶粒越細(xì)，晶界越多，新相晶粒的數(shù)母相晶粒越細(xì)，晶界越多，新相晶粒的數(shù)目就越多，晶粒也就越細(xì)。目就越多，晶粒也就越細(xì)。 d. d.晶界和亞晶界均可提高金屬的強(qiáng)度。晶界和亞晶界均可提高金屬的強(qiáng)度。 晶界越多晶界越多, , 晶粒越細(xì)晶粒越細(xì), , 金屬的塑性變形能金屬的塑性變形能力就越大力就越大, , 塑性越好。塑性越好。1.1.21.1.2 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)合金合金 一種金屬元素同另一種或幾種其一種金屬元素同另一種或幾種其它元素它元素, , 通過(guò)熔化或其它方法結(jié)合在一通過(guò)熔化或其它方法結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。起所形成的具有金屬特性的

35、物質(zhì)。 組元：組元：組成合金的獨(dú)立的、最基本的單元。組成合金的獨(dú)立的、最基本的單元。 組元可以是金屬、非金屬元素或穩(wěn)定化合物。組元可以是金屬、非金屬元素或穩(wěn)定化合物。 二元合金：二元合金：由兩個(gè)組元組成的合金。由兩個(gè)組元組成的合金。 如鐵碳合金、銅鎳合金、鋁銅合金等。如鐵碳合金、銅鎳合金、鋁銅合金等。 合金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等機(jī)械性能比合金的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等機(jī)械性能比純金屬高許多。純金屬高許多。 某些合金還具有特殊的電、磁、耐熱、耐某些合金還具有特殊的電、磁、耐熱、耐蝕等物理、化學(xué)性能。蝕等物理、化學(xué)性能。 合金的應(yīng)用比純金屬?gòu)V泛得多。合金的應(yīng)用比純金屬?gòu)V泛得多。 相：相：在金屬或合金中

36、，凡化學(xué)成分相同、在金屬或合金中，凡化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其它部分分開的均勻晶體結(jié)構(gòu)相同并有界面與其它部分分開的均勻組成部分。組成部分。 液態(tài)物質(zhì)為液相。液態(tài)物質(zhì)為液相。 固態(tài)物質(zhì)為固相。固態(tài)物質(zhì)為固相。固態(tài)合金中有兩類基本相：固態(tài)合金中有兩類基本相： 固溶體固溶體 金屬化合物金屬化合物 一、固溶體固溶體固溶體 合金組元通過(guò)溶解形成一種成合金組元通過(guò)溶解形成一種成分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相分和性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相。同的固相。溶劑溶劑 與固溶體晶格相同的組元與固溶體晶格相同的組元溶質(zhì)溶質(zhì) 其他另一組元（含量較少）其他另一組元（含量較少） 固溶體用固溶體用、

37、等符號(hào)表示。等符號(hào)表示。 A A、B B組元組成的固溶體也可表示為組元組成的固溶體也可表示為A(B), A(B), 其中其中A A為溶劑為溶劑, B, B為溶質(zhì)。為溶質(zhì)。 例如銅鋅合金中鋅溶入銅中形成的固溶例如銅鋅合金中鋅溶入銅中形成的固溶體一般用體一般用表示表示, , 亦可表示為亦可表示為Cu(Zn)Cu(Zn)。 1. 1.固溶體的分類固溶體的分類 （1 1）按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置分）按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置分 置換固溶體置換固溶體: :溶質(zhì)原子代換了溶劑晶格某些溶質(zhì)原子代換了溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)上的原子。結(jié)點(diǎn)上的原子。 間隙固溶體間隙固溶體溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑

38、晶格的間隙之中。之中。置換固溶體置換固溶體 間隙固溶體間隙固溶體 （2 2）按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度分）按溶質(zhì)原子在溶劑中的溶解度分 有限固溶體、無(wú)限固溶體有限固溶體、無(wú)限固溶體兩種。兩種。 固溶體中溶質(zhì)的含量即為固溶體的固溶體中溶質(zhì)的含量即為固溶體的濃度濃度，用，用質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)表示。質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)表示。 在一定溫度和壓力條件下，溶質(zhì)在固溶體中在一定溫度和壓力條件下，溶質(zhì)在固溶體中的的極限濃度極限濃度即為溶質(zhì)在固溶體中的即為溶質(zhì)在固溶體中的溶解度溶解度。 有限固溶體有限固溶體 超過(guò)溶解度有其它相形成。超過(guò)溶解度有其它相形成。 Fe-CFe-C合金中的合金中的相、相、Pb-SnPb-

39、Sn合金中的合金中的相相 無(wú)限固溶體無(wú)限固溶體 溶質(zhì)可以任意比例溶入，即溶質(zhì)可以任意比例溶入，即溶質(zhì)溶解度可達(dá)溶質(zhì)溶解度可達(dá)100%100%。 Cu-NiCu-Ni合金中的合金中的相相 （3 3）按溶質(zhì)原子在固溶體中分布有否規(guī)律分）按溶質(zhì)原子在固溶體中分布有否規(guī)律分 無(wú)序固溶體：無(wú)序固溶體：溶質(zhì)原子無(wú)規(guī)則分布溶質(zhì)原子無(wú)規(guī)則分布 有序固溶體：有序固溶體：溶質(zhì)原子規(guī)則分布溶質(zhì)原子規(guī)則分布無(wú)序固溶體無(wú)序固溶體有序固溶體有序固溶體有序化轉(zhuǎn)變：有序化轉(zhuǎn)變：在一定條件下，一些合金的無(wú)序在一定條件下，一些合金的無(wú)序固溶體可轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w。固溶體可轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w。 2.2.固溶體的性能固溶體的性能 固溶體

40、隨著溶質(zhì)原子的溶入晶格發(fā)生畸變。固溶體隨著溶質(zhì)原子的溶入晶格發(fā)生畸變。 晶格畸變?cè)龃笪诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使金屬的滑晶格畸變?cè)龃笪诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使金屬的滑移變形變得更加困難，從而提高合金的強(qiáng)度和硬移變形變得更加困難，從而提高合金的強(qiáng)度和硬度。度。通過(guò)形成固溶體使金屬?gòu)?qiáng)度和硬通過(guò)形成固溶體使金屬?gòu)?qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化。 固溶強(qiáng)化是金屬?gòu)?qiáng)化的一種重要形式。固溶強(qiáng)化是金屬?gòu)?qiáng)化的一種重要形式。 在溶質(zhì)含量適當(dāng)時(shí)，可顯著提高材料的強(qiáng)在溶質(zhì)含量適當(dāng)時(shí)，可顯著提高材料的強(qiáng)度和硬度，而塑性和韌性沒(méi)有明顯降低。度和硬度，而塑性和韌性沒(méi)有明顯降低。 如：如： 純銅的純銅的b b為為22

41、0 MPa220 MPa, , 硬度為硬度為40 HB, 40 HB, 斷面收縮率斷面收縮率為為70%70%。 當(dāng)加入當(dāng)加入1%1%的鎳形成單相固溶體后的鎳形成單相固溶體后, , 強(qiáng)強(qiáng)度升高到度升高到390 MPa390 MPa, , 硬度升高到硬度升高到70 HB, 70 HB, 而斷而斷面收縮率仍有面收縮率仍有50%50%。 固溶體綜合機(jī)械性能很好固溶體綜合機(jī)械性能很好, , 常作為結(jié)構(gòu)常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。合金的基體相。 固溶體與純金屬相比固溶體與純金屬相比, , 物理性能有較大物理性能有較大的變化的變化, , 如電阻率上升如電阻率上升, , 導(dǎo)電率下降導(dǎo)電率下降, , 磁矯磁矯頑力增

42、大。頑力增大。 二、金屬化合物 合金組元相互作用形成的晶格類型合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相和特性完全不同于任一組元的新相即為金屬化合物即為金屬化合物, , 或稱或稱中間相中間相。 金屬化合物一般熔點(diǎn)較高金屬化合物一般熔點(diǎn)較高, , 硬度高硬度高, , 脆性大。脆性大。 合金中含有金屬化合物時(shí)合金中含有金屬化合物時(shí), , 強(qiáng)度、硬強(qiáng)度、硬度和耐磨性提高度和耐磨性提高, , 而塑性和韌性降低。而塑性和韌性降低。 1. 1.正常價(jià)化合物正常價(jià)化合物 嚴(yán)格遵守化合價(jià)規(guī)律的化合物。嚴(yán)格遵守化合價(jià)規(guī)律的化合物。 由元素周期表中相距較遠(yuǎn)、電負(fù)性相差較大由元素周期表中相距較遠(yuǎn)、

43、電負(fù)性相差較大的兩元素組成，可用確定的化學(xué)式表示。的兩元素組成，可用確定的化學(xué)式表示。 大多數(shù)金屬和大多數(shù)金屬和AA族、族、族、族、AA族元素生成族元素生成MgMg2 2SiSi、MgMg2 2SbSb3 3、MgMg2 2SnSn、CuCu2 2SeSe、ZnSZnS、AlPAlP及及-SiC-SiC等。等。 性能特點(diǎn)是硬度高、脆性大。性能特點(diǎn)是硬度高、脆性大。 2. 2.電子化合物電子化合物 不遵守化合價(jià)規(guī)律但符合于一定電子濃度不遵守化合價(jià)規(guī)律但符合于一定電子濃度( (化合物中價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之比化合物中價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之比) )的化合物叫的化合物叫做做電子化合物電子化合物。 由由BB族或

44、過(guò)渡族元素與族或過(guò)渡族元素與BB族、族、AA族、族、AA族、族、AA族元素所組成。族元素所組成。 一定電子濃度的化合物相應(yīng)有確定的晶體一定電子濃度的化合物相應(yīng)有確定的晶體結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu), , 并且還可溶解其組元并且還可溶解其組元, , 形成以電子化合形成以電子化合物為基的固溶體。物為基的固溶體。 生成電子化合物時(shí)生成電子化合物時(shí), , 元素每個(gè)原子所貢獻(xiàn)的元素每個(gè)原子所貢獻(xiàn)的價(jià)電子數(shù)：價(jià)電子數(shù)： AuAu、AgAg、CuCu為為1 1個(gè)個(gè) BeBe、MgMg、ZnZn為為2 2個(gè)個(gè) AlAl為為3 3個(gè)個(gè) FeFe、NiNi為為0 0個(gè)個(gè)Cu-ZnCu-Zn合金中電子化合物：合金中電子化合物： 性能

45、：性能：主要以金屬鍵結(jié)合主要以金屬鍵結(jié)合, , 具有明顯的金屬具有明顯的金屬特性特性, , 導(dǎo)電，熔點(diǎn)和硬度較高，但塑性較差，有導(dǎo)電，熔點(diǎn)和硬度較高，但塑性較差，有色金屬中重要的強(qiáng)化相。色金屬中重要的強(qiáng)化相。CuZnCuZn 體心立方晶格，電子濃度體心立方晶格，電子濃度21/1421/14（3/2 3/2 ）CuCu5 5ZnZn8 8 復(fù)雜立方晶格，電子濃度復(fù)雜立方晶格，電子濃度21/1321/13CuZnCuZn3 3 密排六方晶格，電子濃度密排六方晶格，電子濃度21/1221/12（7/4 7/4 ） 3. 3.間隙化合物間隙化合物 由過(guò)渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子由過(guò)渡族金屬元素

46、與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物。半徑較小的非金屬元素形成的化合物。 性能：性能：具有金屬特性，有極具有金屬特性，有極高的熔點(diǎn)和硬度高的熔點(diǎn)和硬度, , 非常穩(wěn)定。非常穩(wěn)定。 提高鋼的強(qiáng)度、熱強(qiáng)性、紅提高鋼的強(qiáng)度、熱強(qiáng)性、紅硬性和耐磨性，是高合金鋼和硬硬性和耐磨性，是高合金鋼和硬質(zhì)合金中的重要組成相。質(zhì)合金中的重要組成相。間隙相（間隙相（TiC) （1 1）間隙相）間隙相 當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.590.59時(shí)，形成具有簡(jiǎn)單晶格的間隙化合物，稱為時(shí)，形成具有簡(jiǎn)單晶格的間隙化合物，稱為間隙相間隙相。 （2 2）復(fù)雜結(jié)構(gòu)

47、的間隙化合物）復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物 當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比大于0.590.59時(shí)，形成具有時(shí)，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。 如鋼如鋼中的中的FeFe3 3C C、FeFe4 4W W2 2C C、CrCr7 7C C3 3、FeBFeB等。等。復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物(Fe3C) Fe Fe3 3C C具有復(fù)雜的晶體具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)。鐵原子可以部分結(jié)構(gòu)。鐵原子可以部分地被地被MnMn、CrCr等金屬原子等金屬原子置換置換, , 形成以間隙化合形成以間隙化合物為基的固溶體物為基的固溶體, , 如如(Fe(F

48、e、Mn)Mn)3 3C C、(Fe(Fe、Cr)Cr)3 3C C。 性能：性能：具有很高的熔具有很高的熔點(diǎn)和硬度點(diǎn)和硬度, , 但比間隙相稍但比間隙相稍低些。低些。 在鋼中起強(qiáng)化相作用。在鋼中起強(qiáng)化相作用。1 1.1.31.3 金屬材料的組織金屬材料的組織 一、組織的概念 在金相顯微鏡下觀察，可以看到金屬在金相顯微鏡下觀察，可以看到金屬材料內(nèi)部的微觀形貌。材料內(nèi)部的微觀形貌。 材料內(nèi)部所有的微觀組成總稱材料內(nèi)部所有的微觀組成總稱顯微組顯微組織織( (簡(jiǎn)稱簡(jiǎn)稱組織組織) )。 組織由數(shù)量、形態(tài)、大小和分布方式不同組織由數(shù)量、形態(tài)、大小和分布方式不同的各種相組成。的各種相組成。 金屬材料的組織

49、可以由單相組成，也可以金屬材料的組織可以由單相組成，也可以由多相組成。由多相組成。 二、影響組織的因素 組織取決于化學(xué)成分和工藝過(guò)程。組織取決于化學(xué)成分和工藝過(guò)程。 1.1.化學(xué)成分化學(xué)成分 不同碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鐵碳合金在平衡結(jié)晶后的室不同碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)的鐵碳合金在平衡結(jié)晶后的室溫組織不一樣。溫組織不一樣。 圖圖(a)(a)為純鐵的組織，叫為純鐵的組織，叫鐵素體鐵素體。 圖圖(c)(c)是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為是碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%0.77%的鐵碳合金的組的鐵碳合金的組織織, , 叫叫珠光體珠光體。 (a) 0.01%C (b) 0.45%C (c) 0.77%C (d) 1.2%C鐵碳合金的室溫平衡組織鐵碳

50、合金的室溫平衡組織 2. 2.工藝工藝 金屬材料的化學(xué)成分一定時(shí)金屬材料的化學(xué)成分一定時(shí), , 工藝過(guò)程是工藝過(guò)程是組織最重要的影響因素。組織最重要的影響因素。 純鐵經(jīng)冷拔后純鐵經(jīng)冷拔后, , 等軸形狀的鐵素體晶粒等軸形狀的鐵素體晶粒變成拉長(zhǎng)了的鐵素體晶粒。變成拉長(zhǎng)了的鐵素體晶粒。變形前變形前 變形后變形后 片狀珠光體片狀珠光體 球狀珠光體球狀珠光體 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%0.77%的鐵碳合金的鐵碳合金 室溫平衡組織室溫平衡組織 片狀珠光體片狀珠光體。 球化退火后組織球化退火后組織 球狀珠光體球狀珠光體。 三、組織與性能的關(guān)系 材料的性能與組織密切相關(guān)。材料的性能與組織密切相關(guān)。

51、三種不同組織的灰口鑄鐵三種不同組織的灰口鑄鐵 (a)(a)組織為鐵素體和片狀石墨，組織為鐵素體和片狀石墨， b b為為150MPa150MPa (b) (b)組織為鐵素體和團(tuán)絮狀石墨，組織為鐵素體和團(tuán)絮狀石墨，b b為為350MPa350MPa (c) (c)組織為鐵素體和球狀石墨，組織為鐵素體和球狀石墨， b b為為420MPa420MPa 沖擊韌度最高的是沖擊韌度最高的是(c),(c),其次為其次為(b),(b),最低的是最低的是(a)(a) 灰口鑄鐵的組織灰口鑄鐵的組織（a a） （b b） （c c） 純鐵純鐵 冷拔前抗拉強(qiáng)度為冷拔前抗拉強(qiáng)度為180 MPa180 MPa。 冷拔后（變

52、形度為冷拔后（變形度為80%80%）抗拉強(qiáng)度為）抗拉強(qiáng)度為500 MPa500 MPa。 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)為0.77%0.77%的鐵碳合金的鐵碳合金 室溫平衡組織中片狀室溫平衡組織中片狀FeFe3 3C C相相, , 切削加工時(shí)切削加工時(shí), , 刀刀具磨損很厲害。具磨損很厲害。 球化退火后球化退火后, Fe, Fe3 3C C相變?yōu)榉稚⒌念w粒狀相變?yōu)榉稚⒌念w粒狀, , 切削切削時(shí)對(duì)刀具的磨損較小。時(shí)對(duì)刀具的磨損較小。老師提示老師提示 金屬的組織結(jié)構(gòu)由材料的成分、工藝所決定。金屬的組織結(jié)構(gòu)由材料的成分、工藝所決定。 金屬材料的性能由金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)所決金屬材料的性能由金屬內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)所

53、決定。不同組織結(jié)構(gòu)的材料具有不同的性能。定。不同組織結(jié)構(gòu)的材料具有不同的性能。1.21.2 金屬材料的性能特點(diǎn)金屬材料的性能特點(diǎn) 金屬材料的性能：金屬材料的性能：工藝性能工藝性能 使用性能使用性能。 工藝性能工藝性能 制造工藝過(guò)程中材料適應(yīng)加工的制造工藝過(guò)程中材料適應(yīng)加工的性能。性能。 鑄造性能鑄造性能、鍛壓性能、焊接性能、鍛壓性能、焊接性能、 切削加工性能、熱處理性能切削加工性能、熱處理性能 使用性能使用性能 材料在使用條件下表現(xiàn)出來(lái)的性材料在使用條件下表現(xiàn)出來(lái)的性能。能。 力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能力學(xué)性能、物理性能、化學(xué)性能 一、鑄造性能 金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)良金屬材料鑄造成形獲得優(yōu)

54、良鑄件的能力。鑄件的能力。鑄造鑄造 1. 1.流動(dòng)性流動(dòng)性 熔融金屬的流動(dòng)能力。熔融金屬的流動(dòng)能力。 完整、尺寸精確、輪廓清晰的鑄件。完整、尺寸精確、輪廓清晰的鑄件。 2. 2.收縮性收縮性 鑄件在凝固和冷卻過(guò)程中，其體積和尺寸減鑄件在凝固和冷卻過(guò)程中，其體積和尺寸減少的現(xiàn)象。少的現(xiàn)象。 鑄件收縮不僅影響尺寸，還會(huì)使鑄件產(chǎn)生縮鑄件收縮不僅影響尺寸，還會(huì)使鑄件產(chǎn)生縮孔、疏松、內(nèi)應(yīng)力、變形和開裂等缺陷?？?、疏松、內(nèi)應(yīng)力、變形和開裂等缺陷。 鑄造用金屬材料的收縮率越小越好。鑄造用金屬材料的收縮率越小越好。 3. 3.偏析偏析 金屬凝固后，鑄錠或鑄件化學(xué)成分和組織的金屬凝固后，鑄錠或鑄件化學(xué)成分和組織

55、的不均勻現(xiàn)象。不均勻現(xiàn)象。 偏析大使鑄件各部分的力學(xué)性能有很大的差偏析大使鑄件各部分的力學(xué)性能有很大的差異，降低鑄件的質(zhì)量。異，降低鑄件的質(zhì)量。1.2.1 1.2.1 金屬材料的工藝性能金屬材料的工藝性能 二、鍛造性能 鍛造性鍛造性 金屬材料用鍛壓加工方法成形的金屬材料用鍛壓加工方法成形的適應(yīng)能力。適應(yīng)能力。鍛造鍛造 冷沖冷沖 金屬材料的塑性越好，變形抗力越小，金屬材料的塑性越好，變形抗力越小，金屬的鍛造性能越好。金屬的鍛造性能越好。 三、焊接性能 焊接性焊接性 金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性。金屬材料對(duì)焊接加工的適應(yīng)性。 獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。獲得優(yōu)質(zhì)焊接接頭的難易程度。 電弧焊電弧焊 氣

56、焊氣焊 鋼材的碳含量是焊接性好壞的主要因素。鋼材的碳含量是焊接性好壞的主要因素。 低碳鋼和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于低碳鋼和碳的質(zhì)量分?jǐn)?shù)低于0.18 %0.18 %的合金鋼焊的合金鋼焊接性能較好。接性能較好。 碳含量和合金元素含量越高碳含量和合金元素含量越高, , 焊接性能越差。焊接性能越差。 四、切削加工性能 用切削后的表面粗糙度用切削后的表面粗糙度和刀具壽命來(lái)表示。和刀具壽命來(lái)表示。 金屬材料具有適當(dāng)?shù)挠捕冉饘俨牧暇哂羞m當(dāng)?shù)挠捕?170 HBS(170 HBS230 HBS)230 HBS)和足夠的脆性時(shí)切削性良好。和足夠的脆性時(shí)切削性良好。 改變鋼的化學(xué)成分改變鋼的化學(xué)成分( (加少量鉛、磷加少量

57、鉛、磷) )和進(jìn)行適當(dāng)和進(jìn)行適當(dāng)?shù)臒崽幚淼臒崽幚? (低碳鋼正火，高碳鋼球化退火低碳鋼正火，高碳鋼球化退火) )可提高鋼可提高鋼的切削加工性能。的切削加工性能。 銅有良好的切削加工性能。銅有良好的切削加工性能。切削加工切削加工 五、熱處理工藝性能 鋼的熱處理工藝性能主要考慮其淬透性鋼的熱處理工藝性能主要考慮其淬透性, , 即鋼接受淬火的能力。即鋼接受淬火的能力。 含含MnMn、CrCr、NiNi等合金元素的合金鋼淬透等合金元素的合金鋼淬透性比較好性比較好, , 碳鋼的淬透性較差。碳鋼的淬透性較差。 鋁合金的熱處理要求較嚴(yán)。鋁合金的熱處理要求較嚴(yán)。 銅合金只有幾種可以用熱處理強(qiáng)化。銅合金只有幾種

58、可以用熱處理強(qiáng)化。 1.2.2 1.2.2 金屬材料的力學(xué)性能金屬材料的力學(xué)性能 金屬材料的機(jī)械性能，即是指金屬材料在外金屬材料的機(jī)械性能，即是指金屬材料在外力（載荷）作用時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的性能。力（載荷）作用時(shí)表現(xiàn)出來(lái)的性能。 強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度強(qiáng)度、塑性、硬度、韌性、疲勞強(qiáng)度 載荷的形式載荷的形式 一、強(qiáng)度 金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。金屬材料抵抗塑性變形或斷裂的能力。 材料的強(qiáng)度用拉伸試驗(yàn)測(cè)定。材料的強(qiáng)度用拉伸試驗(yàn)測(cè)定。(a)(a)原始試樣原始試樣 （b)b)拉伸后試樣拉伸后試樣 圓形拉伸試樣圓形拉伸試樣拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)拉伸曲線拉伸曲線 1. 1.彈性極限彈性極限e e 材

59、料保持彈性變形材料保持彈性變形, , 不產(chǎn)生永久變形的最不產(chǎn)生永久變形的最大應(yīng)力。大應(yīng)力。 2. 2.屈服極限（屈服強(qiáng)度）屈服極限（屈服強(qiáng)度）s s 金屬開始發(fā)生明顯塑性變形的抗力。金屬開始發(fā)生明顯塑性變形的抗力。 條件屈服極限條件屈服極限0.2 0.2 鑄鐵等材料沒(méi)有明顯的屈鑄鐵等材料沒(méi)有明顯的屈服現(xiàn)象服現(xiàn)象, , 用產(chǎn)生用產(chǎn)生0.2%0.2%殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值表示。殘余應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值表示。 3. 3.強(qiáng)度極限強(qiáng)度極限( (抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度b b ) ) 金屬受拉時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。金屬受拉時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。 金屬材料的強(qiáng)度與其化學(xué)成分和工藝過(guò)程金屬材料的強(qiáng)度與其化學(xué)成分和工藝過(guò)程,

60、, 尤尤其是熱處理工藝有密切關(guān)系。其是熱處理工藝有密切關(guān)系。 純金屬的抗拉強(qiáng)度較低純金屬的抗拉強(qiáng)度較低, ,合金的抗拉強(qiáng)度較高。合金的抗拉強(qiáng)度較高。 銅為銅為60MPa60MPa、銅合金的達(dá)、銅合金的達(dá)600MPa600MPa700MPa700MPa。 鋁為鋁為40MPa40MPa。鋁合金的一般為。鋁合金的一般為400MPa400MPa600MPa600MPa。 退火狀態(tài)的三種鐵碳合金：退火狀態(tài)的三種鐵碳合金： 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.2%,0.2%,抗拉強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度為350MPa350MPa 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)0.4%,0.4%,抗拉強(qiáng)度為抗拉強(qiáng)度為500MPa500MPa 碳質(zhì)量分?jǐn)?shù)碳