金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)

關(guān)于金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)第1頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月普通彈性材料（例如低碳鋼）在拉伸實驗中會經(jīng)歷4個階段：彈性形變、屈服階段、強化階段、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)，拉力與材料伸長成正比（胡克定律）。當外力撤去之后，材料會恢復原來的長度。屈服階段：在外部拉力超過彈性極限之后，材料失去抵抗外力的能力而“屈服”，即在此情況下外力無顯著變化材料依然會伸長。當外力撤去后，材料無法回到原來的長度。強化階段：材料在內(nèi)部晶體重新排列后重新獲得抵抗拉伸的能力，但此時的形變?yōu)樗苄孕巫?，外力撤去后無法回到原來的長度。破壞階段：材料在過度受力后開始在薄弱部位出現(xiàn)頸縮現(xiàn)象，抵抗拉伸能力急劇下降，直至斷裂。

第2頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月aE=tgaB(ss下)A(ss上)C(sb)gs(MPa)200400e0.10.2O屈服極限：抗拉強度：E1.彈性階段2.屈服階段3.強化階段線彈性階段屈服階段強化階段低碳鋼拉伸應力應變曲線頸縮階段屈服點σs和抗拉強度σb是反映材料強度的兩個性能指標，也是拉伸試驗中需要測定的重要數(shù)據(jù)。第3頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月第4頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月σ0.2——對應于試樣產(chǎn)生0.2%的塑性應變時的應力值為材料的屈服強度對塑性低的材料（如鑄鐵），沒有明顯的屈服點第5頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月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，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月一、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，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月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）對比非晶體：原子無規(guī)則堆積（過冷液體）。第8頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體（金剛石、NaCl、冰……）非晶體（蜂蠟、玻璃……）液體第9頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體特性——固定熔點；各向異性熔點晶體非晶體時間溫度晶體和非晶體的熔化曲線XYZ第10頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月原子（離子）的剛球模型原子中心位置晶體結(jié)構(gòu)第11頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月晶胞點陣（晶格）模型第12頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月晶格——將原子抽象為一個幾何結(jié)點，并用直線聯(lián)接中心，所構(gòu)成的一個空間格架。晶胞——晶格中能反映晶格特征的最小的幾何單元第13頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月XYZabc晶格常數(shù)a，b，c晶格常數(shù)第14頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月晶面:通過原子中心的平面晶向：通過原子中心的直線所指的方向XYZabcXYZabc第15頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月2、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬鍵——決定特性大量自由電子→良好導電導熱性電子云與離子間引力→高強度和良好塑性緊密的金屬鍵→排列緊密的高對稱晶格第16頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月三種常見的金屬晶體結(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，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）體心立方晶格bcc如-Fe、W、V、Mo

等第18頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月晶格常數(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，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）面心立方晶格fcc如-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag

等第20頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月晶格常數(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，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）密排六方晶格hcp如C（石墨）、Mg、Zn等

晶格常數(shù)底面邊長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，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月3、實際金屬的晶體結(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，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月晶?！w中包含的具有不規(guī)則顆粒外形的小晶體晶界——晶粒界面，不同的位向過渡區(qū)第24頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月晶體缺陷類型點缺陷：空位、間隙原子、異類原子線缺陷：位錯面缺陷：晶界與亞晶界第25頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月間隙原子是其它元素則稱為異類原子（雜質(zhì)原子）空位間隙原子（1）點缺陷第26頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）線缺陷

——

刃位錯與螺位錯刃位錯刃位錯第27頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月螺旋位錯第28頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月（3）面缺陷晶界第29頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月亞晶界亞晶界面缺陷引起晶格畸變，晶粒越細，則晶界越多，強度和塑性越高。第30頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月二、純金屬的結(jié)晶結(jié)晶結(jié)晶條件（結(jié)晶溫度）結(jié)晶過程（形核與長大）晶粒細化第31頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月結(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，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月冷卻曲線——熱分析法tTT0Tn理論結(jié)晶溫度開始結(jié)晶溫度}T過冷度T=T0-Tn純金屬結(jié)晶的條件就是應當有一定的過冷度（克服界面能）第33頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月冷卻速度越大，則過冷度越大。第34頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月結(jié)晶過程——形核和晶核長大的過程液態(tài)金屬形核晶核長大完全結(jié)晶第35頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月（1）形核過程自發(fā)形核——由液體金屬內(nèi)部原子聚集，超過臨界晶核尺寸后形成的結(jié)晶核心。非自發(fā)形核——是依附于外來雜質(zhì)上生成的晶核。第36頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）長大過程——平面生長與樹枝狀生長平面生長示意圖第37頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月細化鑄態(tài)金屬晶粒的措施晶粒度——表示晶粒大小，分8級。晶粒度12345678單位面積晶粒數(shù)（個/mm2）16326412825651210242048晶粒平均直徑（μm）2501771258862443122細晶強化——晶粒細化使金屬機械性能提高的現(xiàn)象細晶強化→強度、硬度、塑性、韌性↑第38頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月細化晶粒的措施（1）提高過冷度形核率N

、長大速度G與過冷度T的關(guān)系第39頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月（2）變質(zhì)處理

在液體金屬中加入變質(zhì)劑(孕育劑)，以細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，或阻礙晶粒長大（3）振動結(jié)晶作用：使樹枝晶破碎，晶核數(shù)增加，晶粒細化——機械振動、超聲振動，或電磁攪拌等。第40頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月三、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：晶界形核，T大，內(nèi)應力大第41頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月純鐵的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變-Fe，bcc-Fe，fcc-Fe，bcc1394C912C-Fe，fcc-Fe，bcc912C第42頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月純鐵的冷卻曲線T-Fe，bcc}-Fe，bcc}-Fe，fccCoolingcurve770鐵磁性第43頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月四、合金的相結(jié)構(gòu)基本概念固溶體化合物第44頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月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——化學成分、結(jié)構(gòu)相同，且以界面分開的各均勻組成部分。第45頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月水（液相）水+冰（雙相）冰（固相）第46頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月Fe-C合金中的相——F+Fe3

CFe3

C鐵素體（F）第47頁，課件共51頁，創(chuàng)作于2023年2月組織——相的形狀、分布、組合狀態(tài)。單相組織（F）雙相組