金屬的結(jié)構(gòu)與結(jié)晶(材料第一章)

工程材料材料科學(xué)與工程學(xué)院金屬材料系sunwky@金屬學(xué)部分：主要介紹金屬材料的基本現(xiàn)象、基本概念和材料的組織與性能的變化基本規(guī)律；熱處理部分：主要介紹鋼的熱處理原理與工藝兩方面；金屬材料部分：主要結(jié)合金屬學(xué)與熱處理基本知識(shí)；非金屬材料部分：這部分主要包括高分子材料、陶瓷材料和復(fù)合材料;材料的機(jī)械性能及機(jī)械零件的失效與選材分析部分：主要介紹材料的常用機(jī)械性能指標(biāo)，機(jī)械零件的失效形式、原因及分析方法；實(shí)驗(yàn)部分:(1)鐵碳合金平衡組織觀察;(2)二元合金非平衡組織觀察；(3)碳鋼熱處理及硬度。組織架構(gòu)總學(xué)時(shí)：講課28課時(shí)+實(shí)驗(yàn)4課時(shí)=28課時(shí)考核：考試最后成績(jī)=50%平時(shí)成績(jī)+50%筆試考核了解和掌握所學(xué)工程材料方面的基本理論和基本知識(shí);了解和掌握各類工程材料的牌號(hào)、成分，組織與性能之間的相互關(guān)系及其變化規(guī)律;能正確選擇常用工程材料，合理制訂其生產(chǎn)工藝流程;基本要求E-mail：gcclxc2014@126.com密碼：abc123456緒論1.什么是工程材料工程材料：主要是指機(jī)械、船舶、建筑、化工、交通運(yùn)輸、航空航天等各項(xiàng)工程中經(jīng)常使用的各類材料。

2023/2/15緒論2.工程材料的重要性人類生產(chǎn)、生活的物質(zhì)基礎(chǔ)；人類社會(huì)文明程度的重要標(biāo)志之一；當(dāng)代社會(huì)經(jīng)濟(jì)的先導(dǎo)，是科技進(jìn)步的關(guān)鍵；2023/2/16結(jié)構(gòu)性能組織構(gòu)成材料的基本質(zhì)點(diǎn)(離子、原子或分子等)是如何結(jié)合與排列的，表明材料內(nèi)部的構(gòu)成方式借助于顯微鏡所觀察到的材料微觀組成與形貌---通常稱為顯微組織材料組織結(jié)構(gòu)與性能的關(guān)系緒論制備加工工藝性能分類緒論性能使用性能工藝性能力學(xué)性能物理性能化學(xué)性能強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性、蠕變和疲勞熔點(diǎn)、密度以及電、磁、光和熱耐腐蝕和抗老化材料本身所具有的使用特性性能使用性能工藝性能緒論鑄造塑性加工焊接熱處理粉末冶金液→固；流動(dòng)性鍛、拉、擠、軋、彎；延展性;變形抗力,變形開裂傾向可焊性熱誘發(fā)組織轉(zhuǎn)變經(jīng)壓制、燒結(jié)成固體材料本身所具有的可加工特性緒論鑄造緒論塑性加工緒論熱處理冶煉澆鑄均勻化退火鍛造預(yù)備熱處理機(jī)械加工最終熱處理精加工穩(wěn)定化處理裝配材料制備和加工工序2.材料中原子之間的鍵合特點(diǎn)金屬材料陶瓷材料高分子材料復(fù)合材料金屬是具有正的電阻溫度系數(shù)的物質(zhì),通常具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性、高的密度和高的光澤金屬材料陶瓷材料高分子材料復(fù)合材料金屬和非金屬元素間的化合物。具有很高的強(qiáng)度和硬度，較低的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性，延性、成型性及耐沖擊性都很差。極好的耐高溫和耐腐蝕特性,還有一些獨(dú)特的光學(xué)、電學(xué)。金屬材料陶瓷材料高分子材料復(fù)合材料非金屬元素構(gòu)成的大分子材料。每個(gè)大分子由許多結(jié)構(gòu)相同的單元相互連接而成。具有較高的強(qiáng)度、良好的塑性、較強(qiáng)的耐腐蝕性、絕緣性和低密度等優(yōu)良性能。

金屬材料陶瓷材料高分子材料復(fù)合材料由兩種或兩種以上材料組成，其性能是單一的組成材料所不具備的。一般具有非同尋常的剛度、強(qiáng)度、高溫性能和耐蝕性。第一章工程材料的基本理論

第二章金屬材料組織與性能的控制第一章材料的結(jié)構(gòu)與性能金錳鋁合金銅鈦合金不銹鋼基本概念金屬材料：由金屬元素或以金屬元素為主形成的具有一般金屬特征的一類材料。§1-1材料的鍵合方式金屬鍵金屬的特征?良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性；高密度，有光澤；正的電阻溫度系數(shù)；具有延展性；金屬的特征金屬的定義：具有正電阻穩(wěn)定系數(shù)的物質(zhì)。金屬鍵：大量金屬原子結(jié)合成固體時(shí)，失去外層電子的金屬正離子與自由電子的結(jié)合。金屬鍵模型示意圖舉例：(鎂)Mg:1s22s22p63s2(鋁)Al:1s22s22p63s23p1(鍺)Ge:1s22s22p63s3p3d10金屬原子外層電子排布最外層的電子數(shù)(價(jià)電子)很少，一般為1～2個(gè)，不超過3個(gè)

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§1-2晶體結(jié)構(gòu)常識(shí)一、晶體概念

三、三種常見的金屬晶格*二、立方晶系晶面、晶向指數(shù)四、晶體的各向異性一、晶體概念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⑴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(diǎn)（原子中心）稱結(jié)點(diǎn)。由結(jié)點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列稱空間點(diǎn)陣(晶格)⑵晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。⑷晶系：根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。90%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立方六方四方菱方正交單斜三斜⑶晶格常數(shù)：晶胞各邊的尺寸a、b、c。各棱間的夾角用、、表示。⑸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。⑹晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。*⑺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。*⑻致密度：晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。*二、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。⑴晶面指數(shù)表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：①

確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。②取三個(gè)截距值的倒數(shù)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⑵

晶向指數(shù)表示晶面的符號(hào)稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：①

確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，過原點(diǎn)作所求晶向的平行線。②求直線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)值并按比例化為最小整數(shù)，加方括弧。形式為[uvw]。2023/2/133例一、已知某過原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)為1、1.5、2，求該直線的晶向指數(shù)。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(diǎn),連接原點(diǎn)與該點(diǎn)的直線即所求晶向。[110][234]{110}（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY1、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，稱為金屬鍵。金屬原子趨向于緊密排列。價(jià)電子云正離子金屬鍵示意圖具有良好的導(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?！?-3金屬的晶體結(jié)構(gòu)與性能原子半徑：是利用晶格常數(shù)，算出晶胞中兩相切原子間距離的一半；單位晶胞原子數(shù)：一個(gè)晶胞所含的原子數(shù)目；配位數(shù)：是晶體結(jié)構(gòu)中任何一原子周圍最近鄰且等距離的原子數(shù)目，配位數(shù)越大，原子排列的越緊密；致密度：是單位晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比，其表達(dá)式為K=nv/V；K-致密度；n-單位晶胞原子數(shù)，v-每個(gè)原子的體積，V-晶胞體積，致密度越大，原子排列越緊密;間隙半徑：指晶格空隙中能容納的最大球體半徑。因?yàn)橄嗤叽绲脑樱仁拱醋罹o密方式排也會(huì)存在空隙；描述金屬晶體結(jié)構(gòu)的一些重要參數(shù)⑴

體心立方晶格(bcc)體心立方晶格體心立方晶格的參數(shù)體心立方晶格原子個(gè)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：⑵面心立方晶格(fcc)面心立方晶格面心立方晶格的參數(shù)

a42r=：原子半徑原子個(gè)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⑶密排六方晶格密排六方晶格的參數(shù)*a21r=：原子半徑原子個(gè)數(shù)：6配位數(shù)：

12致密度：0.74常見金屬：

Mg、Zn、Be、Cd等晶格常數(shù)：底面邊長(zhǎng)a和高c，

c/a=1.633密排六方晶格(hcp)⑷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(zhǎng)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。密排面數(shù)量密排方向數(shù)量體心立方晶格{110}6<111>4面心立方晶格{111}4<110>6密排六方晶格六方底面1底面對(duì)角線3三種常見晶格的密排面和密排方向六方底面底面對(duì)角線密排六方晶格面心立方晶格體心立方晶格體心立方(110)面面心立方(111)面密排六方底面四、晶體的各向異性由于晶體中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而晶體在不同方向上的性能便有所差異，這叫晶體的各向異性。§1-3-2

實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)變形金屬晶粒尺寸約1~100m，鑄造金屬可達(dá)幾mm。純鐵組織晶粒示意圖一、多晶體結(jié)構(gòu)單晶體：其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。晶粒：實(shí)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，這些小晶體稱為晶粒。沿晶斷口鉛錠宏觀組織晶界：晶粒之間的交界面。晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶體示意圖二、晶體缺陷晶格的不完整部位稱晶體缺陷。實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺陷，按形狀可分三類，即點(diǎn)、線、面缺陷。①點(diǎn)缺陷

空間三維尺寸都很小的缺陷?？瘴婚g隙原子置換原子a.

空位：晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。b.

間隙原子：擠進(jìn)晶格間隙中的原子?？梢允腔w金屬原子，也可以是外來原子。體心立方的四面體和八面體間隙c.

置換原子：

取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶空位間隙原子小置換原子大置換原子格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降?？瘴缓烷g隙原子引起的晶格畸變②線缺陷—晶體中的位錯(cuò)位錯(cuò)：晶格中一部分晶體相對(duì)于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界線稱作位錯(cuò)。刃型位錯(cuò)：當(dāng)一個(gè)完整晶體某晶面以上的某處多出半個(gè)原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個(gè)多余原子面的邊緣就是刃型位錯(cuò)。位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。=S/V(cm/cm3或1/cm2)金屬的位錯(cuò)密度為104~1012/cm2位錯(cuò)對(duì)性能的影響：金屬的塑性變形主要由位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)引起，因此阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)是強(qiáng)化金屬的主要途徑。減少或增加位錯(cuò)密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。金屬晶須退火態(tài)(105-108/cm2)

加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2)

電子顯微鏡下的位錯(cuò)觀察③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5~10個(gè)原子間距，位向差一般為20~40°。亞晶粒是晶粒內(nèi)部的尺寸很小,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(cuò)壁。晶界示意圖亞晶界示意圖亞晶組織晶界的特點(diǎn)：①

原子排列不規(guī)則。②

熔點(diǎn)低。③

耐蝕性差。④

易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來原子易在晶界偏聚。⑤

阻礙位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，是強(qiáng)化部位，因而實(shí)際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。⑥

是相變的優(yōu)先形核部位

顯微組織的顯示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)。組成合金的元素可以全部是金屬，也可是金屬與非金屬。組成合金的元素相互作用可形成不同的相。Al-Cu兩相合金黃銅§1-3-3合金的相結(jié)構(gòu)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: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。單相合金兩相合金一、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(shí)際合金多是單相固溶體合金或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。Cu-Ni置換固溶體Fe-C間隙固溶體①

置換固溶體溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)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②

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。③

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。Cu-Ni無限固溶體Cu-Zn有限固溶體固溶體化合物④

固溶體的性能隨溶質(zhì)含量增加,固溶體的強(qiáng)度、硬度增加,塑性、韌性下降—固溶強(qiáng)化。產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因是溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸變及對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用。與純金屬相比，固溶體的強(qiáng)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。二、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)均不相同且具有金屬特性的固相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、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(shí)，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性、韌性。金屬化合物也是合金的重要組成相。*①

正常價(jià)化合物—符合正常原子價(jià)規(guī)律。如Mg2Si*②

電子化合物—符合電子濃度規(guī)律。如Cu3Sn。

電子濃度為價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)的比值。③間隙化合物—由過渡族元素與C、N、B、等小原子半徑的非金屬元素組成。Al-Mg-Si合金中的Mg2SiPb基軸承合金中的電子化合物a.間隙相：r非/r金0.59時(shí)形成的具有簡(jiǎn)單晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物。如M4X(Fe4N)、M2X(Fe2N、W2C)、MX(TiC、VC、TiN)等。間隙相具有金屬特征和極高的硬度及熔點(diǎn)，非常穩(wěn)定。部分碳化物和所有氮化物屬于間隙相。VC的結(jié)構(gòu)b.具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物當(dāng)r非/r金>0.59時(shí)形成復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合物。如FeB、Fe3C、Cr23C6等。Fe3C稱滲碳體，是鋼中重要組成相，具有復(fù)雜斜方晶格?；衔镆部扇苋肫渌卦?，形成以化合物為基的固溶體。Fe3C的晶格高溫合金中的Cr23C6§1-3-4金屬材料的力學(xué)性能使用性能：材料在使用過程中所表現(xiàn)的性能。包括力學(xué)性能、物理性能和化學(xué)性能。工藝性能：材料在加工過程中所表現(xiàn)的性能。包括鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和切削性能等。金屬材料的力學(xué)性能是指在承受各種外加載荷（拉伸、壓縮、彎曲、扭轉(zhuǎn)、沖擊、交變應(yīng)力等）時(shí)，對(duì)變形與斷裂的抵抗能力及發(fā)生變形的能力。常用的力學(xué)性能有：強(qiáng)度、剛度、彈性、塑性、硬度、沖擊韌性及疲勞極限等。硬度：材料抵抗表面局部塑性變形的能力。（一）布氏硬度（二）洛氏硬度布氏硬度布氏硬度試驗(yàn)是指用一定直徑的硬質(zhì)合金球以相應(yīng)的試驗(yàn)力壓入試樣表面，經(jīng)規(guī)定保持時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用測(cè)量的表面壓痕直徑計(jì)算硬度的一種壓痕硬度試驗(yàn)。

測(cè)量比較軟的材料。測(cè)量范圍<650HBW的金屬材料。3.優(yōu)缺點(diǎn)2.應(yīng)用

壓痕大，測(cè)量準(zhǔn)確，但不能測(cè)量成品件。（二）洛氏硬度加初載荷加主載荷卸除主載荷讀硬度值2.應(yīng)用范圍20~671500N120°金剛石圓錐體HRC25~1001000N1.588mm鋼球HRB70~85600N120°金剛石圓錐體HRA常用洛氏硬度標(biāo)度的試驗(yàn)范圍優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便、迅速，效率高，可直接測(cè)量成品件及高硬度的材料