3材料的结构(精品)

,十五,863,子课题验收汇报,*,*,机械与汽车工程学院,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,3,材料的结构,本次课教学内容：,金属的晶体结构；,金属的实际晶体结构；,金属材料的结构特点。,十五,863,子课题验收汇报,晶体：材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。,非晶体：原子在三维空间无规则堆积。,非晶体,：蜂蜡、玻璃 等。,晶体,金刚石、,NaCl,、冰,等。,晶体的概念,2.1,金属的晶体结构,图,2.1,晶体与非晶体,3,材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,金属晶体的特性,（,1,）,有确定的熔点,熔点,晶体,非晶体,时间,温度,图,2.2,晶体和非晶体的熔化曲线,3,材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,（,2,）,各向异性,不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象,X,Y,Z,X,Y,Z,图,2.3,晶体的各向异性,3,材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,图,2.4,原子（离子）的刚球模型,原子中心位置,晶体结构,晶格与晶胞,3,材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,晶胞,图,2.5,点阵（晶格）模型,晶格与晶胞,3,材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,晶胞的几何形状的表示晶格参数,X,Y,Z,a,b,c,晶格常数,a,，,b,，,c,图,2.6,晶格常数,3,材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,三种常见的金属晶体结构,（,1,）体心立方晶格（,bcc,）,体心立方晶格的晶胞它是一个立方体。在晶胞的中心和八个角上各有一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，每个晶胞实际上只占有,1,8,个原子。而中心的原子为该晶胞所独有。故晶胞中实际原子数为,81,8,1,2,（个）。,-Fe,、,W,、,V,、,Mo,等,图,2.7,体心立方晶格,3,材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,体心立方,晶胞的一些参数,晶格常数：,a=b=c,；,=90,晶胞原子数：,原子半径：,致密度：,0.68,致密度,=,Va,/,Vc,，,其中,Vc,:,晶胞体积,a,3,Va,:,原子总体积,2,4,r,3,/3,X,Y,Z,a,b,c,2r,2r,a,a,2,3,材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,（,2,）面心立方晶格（,fcc,）,面心立方晶格也是一个立方体，在晶胞的每个角上和晶胞的六个面的中心都排一个原子，晶胞角上的原子为相邻的八个晶胞所共有，而每个面中心的原子为两个晶胞共有。所以，面心立方晶胞中原子数为,81,8,61,2,4,（个）。,-Fe,、,Cu,、,Ni,、,Al,、,Au,、,Ag,等,图,2.8,面心立方晶格,3,材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,面心立方,晶胞的参数,晶格常数：,a=b=c,；,=90,晶胞原子数：,原子半径：,致密度：,0.74,X,Y,Z,a,b,c,密排方向,4,3,材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,（,3,）,密排六方,晶格（,hcp,）,密排六方晶胞每个角上的原子为相邻的六个晶胞所共有，上、下底面中心的原子为两个原子所共有，晶胞中三个原子为该晶胞独有。所以，密排六方晶胞中原子数为,121,6,21,2,3,6,（个）。,C,（,石墨）、,Mg,、,Zn,等,晶格常数,底面边长,a,底面间距,c,侧面间角,120,侧面与底面夹角,90,晶胞原子数：,6,原子半径：,a/2,致密度：,0.74,图,2.9,密排六方晶格,3,材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,合金的晶体结构,（,1,）,合金,的基本概念,由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质，称为,合金,。组成合金的最基本的、独立的物质叫做,组元,。组元通常是纯元素，但也可以是稳定的化合物。根据组成合金组元数目的多少，合金可以分为二元合金、三元合金和多元合金。,合金中，具有同一化学成分且结构相同的均匀部分叫做,相,。合金中相与相之间有明显的界面。液态合金通常都为单相液体。固态下，由一个固相组成时称为单相合金，由两个以上固相组成时称为多相合金。,合金的性能一般都是由组成合金的各相成分、结构、形态、性能和各相的组合情况,组织,所决定的。,3,材料的结构,显微组织：,是观察到的在金属内部组成相的大小、方向、形状、分布及相互结合状态。,十五,863,子课题验收汇报,（,2,）合金的相结构,由于组元间相互作用不同，固态合金的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。,1,、固溶体,合金在固态下，组元间能够互相溶解而形成的均匀相称为,固溶体,。,图,2.10,固溶体,第二章 材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,固溶体类型,Z,X,Y,间隙原子,间隙固溶体,置换固溶体,置换原子,Y,X,Z,十五,863,子课题验收汇报,不管溶质原子处于溶剂原子的间隙中或者代替了溶剂原子都会使固溶体的晶格发生畸变，使塑性变形抗力增大，结果使金属材料的强度、硬度增高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的强度、硬度升高的现象，称为,固溶强化,。,固溶强化,是提高金属材料力学性能的重要途径之一。实践表明，适当控制固溶体中的溶质含量，,可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。因此，对综合力学性能要求较高的结构材料，都是以固溶体为基体的合金。,图,2.11,固溶体中的晶格畸变示意图,第二章 材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,2,、金属化合物,金属化合物的晶格类型与形成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般可用化学分子式表示。钢中渗碳体（,Fe,3,C,）,是由铁原子和碳原子所组成的金属化合物，它具有复杂的晶格形式。,化合物类型：,正常价化合物,按化合价规律形成，如，,Mg2Si,。,电子化合物,按电子浓度规律形成，如，,Cu3Al,。,间隙化合物,过渡金属,+,小半径非金属元素,间隙相,r,非,/r,金,0.59,，如，,WC,、,TiC,、,VC,复杂结构的间隙化合物,r,非,/r,金,0.59,如，,Fe3C,、,Cr23C6,金属化合物的性能不同于任一组元，其溶点一般较高、硬而脆。当它呈细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时，将使合金的强度、硬度和耐磨性明显提高，这一现象称为,弥散强化,。金属化合物在合金中常作为强化相存在，它是许多合金钢、有色金属和硬质合金的重要组成相。,绝大多数合金的组织都是固溶体与少量金属化合物组成的混合物，其性质取决于固溶体与金属化合物的数量、大小、形态和分布状况。,第二章 材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,2.2,实际金属的晶体结构,（一）、金属材料都是多晶体,我们把晶格位向完全一致的晶体叫做单晶体。单晶体只有经过特殊制作才能获得。实际上，常使用的金属材料，由于受结晶条件和其它因素的限制，其内部结构都是由许多尺寸很小，各自结晶方位都不同的小单晶体组合在一起的多晶体构成。这些小晶体就是,晶粒,，它们之间的交界即为,晶界,。在一个晶粒内部其结晶方位基本相同，但也存在着许多尺寸更小，位向差更小的小晶粒，它们相互嵌镶成一颗晶粒，这些小晶块称为亚晶粒，亚晶粒之间的界面称为,亚晶界,。,第二章 材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,晶粒（单晶体）,图,2.11,多晶体示意图,单晶体,：内部晶格位向完全一致,的晶体（理想晶体）。,如单晶,Si,半导体。,多晶体,：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。,晶体缺陷,：实际金属晶体结构与理想结构,偏离的微观区域,晶体缺陷类型：,（,1,）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子,（,2,）线缺陷：位错,（,3,）面缺陷：晶界与亚晶界,第二章 材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,（,1,）点缺陷,空位和间隙原子,如果间隙原子是其它元素就称为,异类原子（杂质原子）,空位,间隙原子,在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占据，这种空着的位置称为,空位,。同时又可能在个别空隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格空隙之间的原子称为,间隙原子,。,图,2.12,点缺陷示意图,第二章 材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,（,2,）线缺陷,刃位错与螺位错,刃位错,刃位错,第二章 材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,螺位错,第二章 材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,（,3,）面缺陷,晶粒（单晶体）,晶界,第二章 材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,图,2.14,亚晶界示意图,亚晶界,晶粒越细，则晶界越多，,强度和塑性越高。,晶界的特点：,晶界对金属塑性变形会产生阻碍作用，使晶界具有较高的强度和硬度,细晶强化；,原子沿晶界的扩散速度比晶粒内部低，晶界的电阻比晶粒内部高；,熔点比晶粒内部低，腐蚀速度比晶粒内部快；,晶界的晶格畸变较大，晶界能较高，有自发向低能量状态转化的可能。,第二章 材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,小 结,1,、金属的晶格有体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构，由于致密度的不同，从一种晶格到另一种的变化会引起体积的变化。,2,、合金的相结构有固溶体和化合物。弥散强化和固溶强化可以提高金属材料的力学性能，所以，合金化是提高金属性能的方法之一。,3,、实际金属是由很多晶粒组成，金属内部存在着点缺陷、位错、晶界和亚晶界。点缺陷对金属材料的热处理过程极为重要。,位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响,。金属冷变形加工后的加工硬化，就是由于位错密度的增加所致。点缺陷、,晶界和亚晶界,也与材料的力学性能有关。,第二章 材料的结构,十五,863,子课题验收汇报,