金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)

1、金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)第1頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三普通彈性材料（例如低碳鋼）在拉伸實(shí)驗(yàn)中會(huì)經(jīng)歷4個(gè)階段：彈性形變、屈服階段、強(qiáng)化階段、破壞直至斷裂 彈性形變：即材料所受拉力在彈性極限之內(nèi)，拉力與材料伸長(zhǎng)成正比（胡克定律）。當(dāng)外力撤去之后，材料會(huì)恢復(fù)原來(lái)的長(zhǎng)度。 屈服階段：在外部拉力超過(guò)彈性極限之后，材料失去抵抗外力的能力而“屈服”，即在此情況下外力無(wú)顯著變化材料依然會(huì)伸長(zhǎng)。當(dāng)外力撤去后，材料無(wú)法回到原來(lái)的長(zhǎng)度。 強(qiáng)化階段：材料在內(nèi)部晶體重新排列后重新獲得抵抗拉伸的能力，但此時(shí)的形變?yōu)樗苄孕巫儯饬Τ啡ズ鬅o(wú)法回到原來(lái)的長(zhǎng)度。破壞階段：材料在過(guò)度受力后開(kāi)始在薄弱部位出

2、現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，抵抗拉伸能力急劇下降，直至斷裂。 第2頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三aE=tgaB(ss下)A(ss上)C(sb) gs (MPa)200400e0.10.2O屈服極限：抗拉強(qiáng)度：E1.彈性階段2.屈服階段3.強(qiáng)化階段線(xiàn)彈性階段屈服階段強(qiáng)化階段低碳鋼拉伸應(yīng)力應(yīng)變曲線(xiàn)頸縮階段屈服點(diǎn)s和抗拉強(qiáng)度b是反映材料強(qiáng)度的兩個(gè)性能指標(biāo)，也是拉伸試驗(yàn)中需要測(cè)定的重要數(shù)據(jù)。第3頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三第4頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三0.2對(duì)應(yīng)于試樣產(chǎn)生0.2%的塑性應(yīng)變時(shí)的應(yīng)力值為材料的屈服強(qiáng)度對(duì)塑性低的材料

3、（如鑄鐵），沒(méi)有明顯的屈服點(diǎn)第5頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三第二章 金屬材料的組織結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu)純金屬的結(jié)構(gòu)金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變合金的相結(jié)構(gòu)合金相圖第6頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三一、金屬的晶體結(jié)構(gòu)基本概念純金屬的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)第7頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三1、基本概念晶體：由許多金屬原子/離子在空間按一定幾何形式規(guī)則地緊密排列。（周期性）對(duì)比非晶體：原子無(wú)規(guī)則堆積（過(guò)冷液體）。第8頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三晶體（金剛石、NaCl、冰 ）非晶體（蜂蠟、玻璃 ）液

4、體第9頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三晶體特性固定熔點(diǎn)；各向異性熔點(diǎn)晶體非晶體時(shí)間溫度晶體和非晶體的熔化曲線(xiàn)XYZ第10頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三原子（離子）的剛球模型原子中心位置晶體結(jié)構(gòu)第11頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三晶胞點(diǎn)陣（晶格）模型第12頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三晶格將原子抽象為一個(gè)幾何結(jié)點(diǎn)，并用直線(xiàn)聯(lián)接中心，所構(gòu)成的一個(gè)空間格架。晶胞晶格中能反映晶格特征的最小的幾何單元第13頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三XYZabc晶格常數(shù)a，b，c晶

5、格常數(shù)第14頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三晶面: 通過(guò)原子中心的平面晶向：通過(guò)原子中心的直線(xiàn)所指的方向XYZabcXYZabc第15頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三2、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬鍵決定特性大量自由電子良好導(dǎo)電導(dǎo)熱性電子云與離子間引力高強(qiáng)度和良好塑性緊密的金屬鍵排列緊密的高對(duì)稱(chēng)晶格第16頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三三種常見(jiàn)的金屬晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格 bcc面心立方晶格 fcc密排六方晶格 hcp第17頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三（1）體心立方晶格 bcc如-Fe、W、V、M

6、o 等第18頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三晶格常數(shù)：a=b=c； = = = 90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.68致密度=Va /Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3XYZabc2r2raa2第19頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三（2）面心立方晶格 fcc如-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等第20頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三晶格常數(shù)：a=b=c； = = = 90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.74XYZabc密排方向4第21頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，

7、星期三（3）密排六方晶格 hcp如C（石墨）、Mg、Zn 等 晶格常數(shù)底面邊長(zhǎng)a底面間距c側(cè)面間角120側(cè)面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0.74第22頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三3、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)單晶體原子排列相同，晶格位向一致多晶體多晶粒和多晶界 晶粒（單晶體）第23頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三晶粒晶體中包含的具有不規(guī)則顆粒外形的小晶體晶界晶粒界面，不同的位向過(guò)渡區(qū)第24頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三晶體缺陷類(lèi)型點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、異類(lèi)原子線(xiàn)缺陷：位錯(cuò)面缺陷：晶界與亞晶界第

8、25頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三間隙原子是其它元素則稱(chēng)為異類(lèi)原子 （雜質(zhì)原子）空位 間隙原子（1）點(diǎn)缺陷第26頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三（2）線(xiàn)缺陷 刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)刃位錯(cuò) 刃位錯(cuò) 第27頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三螺旋位錯(cuò)第28頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三（3）面缺陷晶界第29頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三亞晶界亞晶界面缺陷引起晶格畸變，晶粒越細(xì)，則晶界越多，強(qiáng)度和塑性越高。第30頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三二、純金

9、屬的結(jié)晶結(jié)晶結(jié)晶條件（結(jié)晶溫度）結(jié)晶過(guò)程（形核與長(zhǎng)大）晶粒細(xì)化第31頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三結(jié)晶： 液體 - 晶體凝固： 液體 - 固體（晶體 或 非晶體）晶體液體結(jié)晶第32頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三冷卻曲線(xiàn)熱分析法tTT0Tn理論結(jié)晶溫度開(kāi)始結(jié)晶溫度T過(guò)冷度T= T0 - Tn純金屬結(jié)晶的條件就是應(yīng)當(dāng)有一定的過(guò)冷度（克服界面能）第33頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三冷卻速度越大，則過(guò)冷度越大。第34頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三結(jié)晶過(guò)程形核和晶核長(zhǎng)大的過(guò)程液態(tài)金屬形核晶核長(zhǎng)

10、大完全結(jié)晶第35頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三（1）形核過(guò)程自發(fā)形核由液體金屬內(nèi)部原子聚集，超過(guò)臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。非自發(fā)形核是依附于外來(lái)雜質(zhì)上生成的晶核。第36頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三（2）長(zhǎng)大過(guò)程平面生長(zhǎng)與樹(shù)枝狀生長(zhǎng)平面生長(zhǎng)示意圖第37頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三細(xì)化鑄態(tài)金屬晶粒的措施晶粒度表示晶粒大小，分8級(jí)。晶粒度12345678單位面積晶粒數(shù)（個(gè)/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直徑（m）2501771258862443122細(xì)晶強(qiáng)化晶粒細(xì)化使金屬機(jī)械性

11、能提高的現(xiàn)象細(xì)晶強(qiáng)化強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性第38頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三細(xì)化晶粒的措施（1）提高過(guò)冷度形核率N 、長(zhǎng)大速度G 與 過(guò)冷度T 的關(guān)系第39頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三（2）變質(zhì)處理在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細(xì)化晶粒和改善組織的工藝措施。作用：作為非自發(fā)形核的核心，或阻礙晶粒長(zhǎng)大（3）振動(dòng)結(jié)晶作用：使樹(shù)枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細(xì)化機(jī)械振動(dòng)、超聲振動(dòng)，或電磁攪拌等。第40頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三三、金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變同素異構(gòu)性一種金屬具有兩種或兩種以上的晶格結(jié)構(gòu)同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變金

12、屬在固態(tài)下晶體結(jié)構(gòu)隨溫度的改變而發(fā)生變化的現(xiàn)象。重結(jié)晶特點(diǎn)：晶界形核， T大，內(nèi)應(yīng)力大第41頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe，bcc -Fe，fcc -Fe，bcc1394 C912 C-Fe，fcc-Fe，bcc912 C第42頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三純鐵的冷卻曲線(xiàn)TFe，bcc-Fe，bcc-Fe，fccCooling curve770鐵磁性第43頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三四、合金的相結(jié)構(gòu)基本概念固溶體化合物第44頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日

13、，22點(diǎn)16分，星期三1、基本概念合金兩種以上元素組合成的、具有金屬特性的物質(zhì)。如，Cu-Zn, Fe-C等合金組元組成合金的最基本、獨(dú)立的物質(zhì)（元素、穩(wěn)定化合物）。如，F(xiàn)e-C合金中，F(xiàn)e、C均為組元。相化學(xué)成分、結(jié)構(gòu)相同，且以界面分開(kāi)的各均勻組成部分。第45頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三水（液相）水+冰（雙相）冰（固相）第46頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三Fe-C合金中的相F+Fe3 CFe3 C 鐵素體（ F ）第47頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三組織 相的形狀、分布、組合狀態(tài)。單相組織（F）雙相組織（F+ Fe3 C）第48頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三固溶體 溶質(zhì)原子溶于溶劑晶格中，保持溶劑晶格的合金相?；衔锖辖鸾M元形成晶格類(lèi)型與任一組元都不相同的新相。合金中兩類(lèi)基本相：第49頁(yè)，共52頁(yè)，2022年，5月20日，22點(diǎn)16分，星期三2、固溶體間隙固溶體、置換固溶體鐵中形成間隙固溶體的有：H、O、C、B、N；形成置換固溶體的有：Mn、Ni、Cr、Si、Mo有限固溶體、無(wú)限固溶體第50頁(yè)，共52頁(yè)，