工程材料及成型技术基础课件

《工程材料及成型技术基础课件》由会员分享，可在线阅读，更多相关《工程材料及成型技术基础课件（54页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、工程材料及成型技术基础,第1章 工程材料的结构与性能,材料的性能主要取决于成分、结构和组织。,1.2 晶体材料的原子排列,当材料处于固态时,若组成它的离子、原子或分子在三维空间呈有规则的长距离的周期性重复排列，即具有长程有序,这一类固态物质称为晶体。它们离子、原子或分子规则排列的方式称为晶体结构。,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 原子无规则堆积，也称为 “过冷液体” 。, 晶体的概念,1.2.1 理想晶体结构 1晶体 为了便于描述晶体中的原子排列规律，把晶体中的原子（或离子、分子）想象成几何结点，并用直线从其中心连接起来而构成的空间格架，称为晶格。晶格中

2、的结点为原子平衡中心的位置，通过结点的任一平面称为晶面，通过结点的任一直线所指的方向称为晶向。把能反映空间晶体排列方式的基本单元称为晶胞。晶胞大小和形状可用其三条棱边长度a、b、c和棱边夹角、来描述，a、b、c称为晶格常数（10-10m）。,原子（离子）的刚球模型, 晶体结构,点阵（晶格）模型,晶胞,X,Y,Z,a,b,c,晶格常数 a，b，c,2常见的金属晶体结构 体心立方晶格 由八个原子构成一个立方体，在立方体的中心还有一个原子。晶格常数用a(=b=c)表示。晶胞在其立方体对角线方向上的原子是彼此紧密相接触排列的。晶胞每个顶点上的原子同属于相邻八个晶胞所共有，因此每个晶胞实际包含原子数为（

3、1/8）8+1=2。,（1）体心立方晶格,-Fe、W、V、Mo 等,晶胞中原子排列的紧密程度可用致密度K表示。致密度指晶胞中原子所占的总体积与该晶胞体积之比。K体=0.68。 属于体心立方晶格的金属有-Fe（912以下的纯铁）、Cr、Mo、V、Nb、Na、K、-Ti等。,体心立方晶胞,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a3 Va:原子总体积24r3/3,X,Y,Z,a,b,c,2r,2r,a,a,2,面心立方晶格 在晶胞每个角及每个面中心各分布一个原子，在每个面的对角线上各原子彼此相互接触。由于每个面心位置上的

4、原子同属于两个晶胞所共有，因此每个晶胞实际包含原子数为（1/8）8+（1/2）6=4。K面=0.74。 属于面心立方晶格的金属有-Fe（912-1394的纯铁）、Cu、Al、Au、Ni、Ag、Pt、-Co等。,（2）面心立方晶格,-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag 等,面心立方晶胞,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,密排六方晶格 六棱柱体的上下底面六个角及中心各有一个原子，柱体中心还有三个原子。K密=0.74。 属于密排六方晶格的金属有Be、Zn、Cd、Mg、-Ti、-Co等。,（3）密排六方晶格,C（石墨）、M

5、g、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. 74,3. 晶面和晶向的表示方法 采用晶面指数（hkl）和晶向指数uvw的形式。（hkl）晶面或uvw 晶向实际上是表示一组原子排列相同的平行晶面或晶向。 在立方晶系中，由于原子排列具有高度的对称性，故存在着许多原子排列完全相同但不平行的对称晶面或晶向，通常把这些晶面或晶向归结为同一晶面或晶向族用hkl或表示。在同一晶面或晶向族中的各个晶面或晶向的指数值相同，但符号和次序不同。 由于不同晶面和不同晶向上原子排列的方式和密度不同，因而在同一单晶体的不同晶面和晶向上的

6、各种性能也会不同，这种现象就称为各向异性。,金属晶体中的晶面和晶向,X,Y,Z,a,b,c,晶面 通过原子中心的平面,晶向 通过原子中心的直线所指的方向,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,1.2.2 实际晶体结构 1单晶体与多晶体 结晶方位完全一致的晶体称为单晶体。在单晶体中，所有晶胞均呈相同的位向，故单晶体具有各向异性。 实际的金属结构都包含着许多小晶体，每个小晶体的晶格是一样的，而各小晶体之间彼此方位不同。由于每个小晶体都具有不规则的颗粒状外形，故称为晶粒，晶粒与晶粒之间的界面叫做晶界。,实际金属中的晶体缺陷,实际金属晶体结构与理想结构的偏离,单晶体：内

7、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。,由于晶界是两相邻晶粒不同晶格方位的过渡区，所以在晶界上原子排列总是不规则的。这种由多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。在多晶体金属中，不显示各向异性。这是因为在多晶体中各个晶粒的位向紊乱，其各向异性显示不出来，结果使多晶体呈现各向同性，这种现象也称为伪无向性。 多晶体晶粒的大小与金属的制造及处理方法有关。晶粒大小对材料性能影响很大，在常温下，晶粒愈小，材料的强度愈高，塑性、韧性愈好。,2晶体缺陷 点缺陷：包括空位、间隙原子、置换原子。 点缺陷造成晶格畸变，使材料的强度、硬度增加。,（1）点缺陷,如果

8、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,线缺陷：主要是各种类型的位错。 位错是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了某种有规律的错排现象。位错最基本的形式有刃型位错和螺型位错。 位错的出现使位错线周围造成晶格畸变，畸变程度随离位错线的距离增大而逐渐减小直至为零。严重晶格畸变的范围约为几个原子间距。 在退火的金属中，位错密度降低；在大量冷变形或淬火的金属中，位错密度增高。随着位错密度增高，材料强度会显著增加，所以提高位错密度是金属强化的重要途径之一。,（2）线缺陷 刃位错与螺位错,刃位错,刃位错,螺形位错,面缺陷：最常见的是金属中的晶界、亚晶界和相界。 晶界是多晶体中晶粒

9、与晶粒之间的过渡区，由于相邻两晶粒的晶格位向不同，致使该过渡区的原子排列不规整，偏离其平衡位置，产生晶格畸变。,（3）面缺陷,亚晶界,亚晶界,面缺陷引起晶格畸变， 晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。,即使在晶粒内部，原子的排列也并非是完全理想的规则排列，而是存在着许多小尺寸、小位向差的晶块，这些小晶块称为亚晶粒（或称亚结构）。两相邻的亚晶粒间的边界称为亚晶界。亚晶界的原子排列也不规则，它实际上由一系列刃型位错所构成，因而也产生晶格畸变。 面缺陷使材料的强度、塑性、韧性都增加。,1.4 合金的晶体结构,由两种或两种以上的金属元素，或金属元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质，称为合金。组成

10、合金的独立的、最基本的单元称为组元，组元可以是纯元素或是稳定的化合物。,1.4.1 合金的相、组织及其关系 相是指合金中具有相同的物理、化学性能，并与该系统的其余部分以界面分开的物质部分。合金的性能，一方面取决于组成合金的各相本身的晶体结构，但另一方面，也取决于由各相形态决定的合金组织状态。合金组织是用金相显微镜观察法，在金属及合金内部看到的涉及各相（晶体或晶粒）大小、方向、形状、排列状况等组成关系和构造情况。,组织是合金的微观形态，它是由合金中各相的形态所构成。当材料成分一定时，相同的相在不同处理条件下形成，会具有各种不同的形态（大小、方向、形状、排列状况等），从而构成不同的显微组织。可见，

11、一个相可以构成一种或一种以上的组织。,1.4.2 合金的相结构 1固溶体 在固态下，合金组元间会相互溶解，形成在某一组元晶格中包含有其他组元的新相，这种新相称为固溶体。晶格与固溶体相同的组元为固溶体的溶剂，其他组元为溶质。,置换固溶体：指溶质原子取代部分溶剂原子而占据着晶格的结点位置所形成的固溶体。 溶解度大小主要取决于溶质与溶剂的晶格类型、原子直径的差别和在周期表中的相互位置。若晶格类型相同，原子直径差别愈小，在周期表中位置愈靠近，则溶解度愈大，甚至在任何比例下均能互溶而形成无限固溶体。反之，则溶质在溶剂中的溶解度是有限的，这种固溶体称为有限固溶体。,间隙固溶体：溶质原子分布在晶格间隙所形成

12、的固溶体。 当溶质元素与溶剂的原子直径比D质/D剂0.59时才能形成间隙固溶体。过渡族金属元素（溶剂）与尺寸较小的C、H、N、O、B等元素易形成间隙固溶体。 由于溶剂晶格的空隙有限，且随着溶入的溶质原子愈多，引起的晶格畸变愈大，溶质原子的进一步溶入受到的阻碍愈大，因此间隙固溶体只能是有限固溶体。,固溶体类型,2金属间化合物 当合金中溶质含量超过固溶体的溶解度时，将析出新相。若新相的晶体结构与合金其他组元的相同，则新相为以另一组元为溶剂的固溶体。若新相的晶体结构不同于任一组元，则新相是组元间形成的一种新物质化合物。 Fe3C是钢铁中的一种最重要的化合物，称为渗碳体，具有复杂的斜方晶格，它作为强化

13、相对钢铁材料的性能有重大影响。,1.4.3 合金性能 1固溶体与固溶强化 在固溶体中，溶质原子的溶入将造成晶格畸变，并随着溶质原子浓度的增加，晶格畸变增大，从而导致固溶体的强度和硬度升高，这种现象称为固溶强化。在同等条件下，间隙固溶体的所产生的固溶强化效果要远大于置换固溶体。,固溶强化,形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象,正常晶格,晶格畸变,晶格畸变,小原子置换引起的 晶格畸变,间隙原子引起的 晶格畸变,适当控制固溶体中溶质的种类、配合和含量，可以在显著提高金属材料强度、硬度的同时，保持或改善其良好的塑性和韧性。所以，固溶强化是金属材料改性的重要途径之一。 固溶体的性能特点是在提高强度同时仍

14、保持其良好的塑性和韧性。若作为单相固溶体合金材料，则常用于制造各种冷成形件。若作为复相合金材料，则固溶体将作为合金材料的基体相，以保证合金材料的韧性。,2化合物与第二相强化 化合物的性能特点是高熔点、高硬度和高脆性。因此，化合物很少作为单相合金材料使用，而是与固溶体组成复相合金材料。化合物在复相合金材料中作为强化相，分布在固溶体基体上，以保证合金材料的强度。 化合物作为第二相可提高合金材料的强度，又称为第二相强化，其效果主要取决于化合物的形态（大小、形状、分布状况等）。,若化合物分布在固溶体晶界上呈不连续或连续的网状，这对合金的强度和塑性都是不利的，特别是使韧性大大降低，如过共析钢中网状的二次渗碳体出现将增大钢的脆性和降低强度，所以这种形态是要极力避免的。若化合物在固溶体晶粒内呈弥散质点或颗粒分布，它既可显著提高合金的强度和硬度，又使塑性和韧性下降不大，颗粒愈细小，分布愈均匀，则强化效果就愈好，所以这是最有利的形态。这种强化称为弥散强化或颗粒强化。,1.7 工程材料的性能,工程材料的性能包括使用性能和工艺性能。工艺性能指材料在加工过程中反映出的性能，如切削加工性能、铸造性能、塑性加工性能、焊接性能和热处理性能。 硬度：是在外力作用下材料抵抗局部塑性变形的能力，即材料抵