工程材料的分类

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1、工程材料的分类工程材料的分类 材料(metals) 是人类用来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，是人类生活和生产的物质基础，反映人类社会文明的水平。材 料、生物、能源、信息是支撑人类文明大厦的四大支柱技术。 人类经历了石器时代（古猿到原始人的漫长进化过程，使用燧石和石英石原料），新石器时代（ 原始社会末期开始用火烧制陶 器），青铜器时代（公元前 2140 年开始），铁器时代（春秋战国时期开始大量使用铁器），钢铁新时代（18 世纪后），二十世纪五、 六十年代钢铁基本达到鼎盛时期, 现在进入了有机合成材料、复合材料、陶瓷材料、功能材料等新材料快速发展的时期。 工程材料主要是用来制造工程构件和机

2、械零件，一般将工程材料分为金属材料、高分子材料、陶瓷材料和复合材料等四大类。 1.1. 金属材料金属材料 黑色金属铁和以铁为基的合金(钢、铸铁等)。 有色金属黑色金属以外的所有金属及其合金。 2.2. 高分子材料高分子材料 塑料主要指工程塑料，又分热塑性和热固性塑料。 合成纤维由单体聚合而成再经过机械处理成的纤维材料。 橡胶经硫化处理，弹性优良的聚合物，分通用橡胶和特种橡胶。 胶粘剂分树脂型、橡胶型和混合型。 3.3. 陶瓷材料陶瓷材料 普通陶瓷主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料。 特种陶瓷高熔点的氧化物、碳化物、氮化物等烧结材料。 金属陶瓷用生产陶瓷的工艺来制取的金属与碳化物或其它化合物的粉末制

3、品。 4.4. 复合材料：复合材料：是由两种或两种以上的材料组合而成的材料。 按基体相种类分：聚合物基、金属基、陶瓷基、石墨基等。 按用途分：结构、功能、智能复合材料。 1 1三种常见的金属晶体结构三种常见的金属晶体结构 金属材料结构与组织金属材料结构与组织 2 固态物质按其原子的聚集状态可分为两大类：晶体和非晶体晶体和非晶体，晶体指的是材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的周期性 排列的物体，如金刚石、水晶、金属等。非晶体指的是材料的原子（离子、分子）在三维空间无规则排列的物体，如松香、石蜡、 玻璃等。在一定的条件下晶体和非晶体可以互相转化（I2-1）。 晶体结构是晶体中原子（离子或分子

4、）规则排列的方式。晶格是假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。 能反映晶格特征的最小组成单元称为晶胞（I2-2）。晶格常数指的是晶胞的三个棱边的长度 a,b,c。 常见的金属晶体结构有 体心立方晶格（BCCBody-Centered Cube），典型代表为钼（Mo）、钨、钒、铬、铌、-Fe 等，八个原子处于立方体的角上， 一个原子处于立方体的中心，如图 2 所示。 面心立方晶格（FCCFace-Centered Cube），典型代表为铝、铜、镍、金、银、-Fe 等，原子分布在立方体的八个角上和六 个面的中心，如图 1 所示。 密排六方晶格（HCPHexagonal Close

5、-Packed）典型代表为镁、镉（Cd）、锌、铍（Be）等。12 个原子分布在六方体的 12 个 角上，上下底面中心各分布一个原子，上下底面之间均匀分布 3 个原子，如图 3 所示。 图 1 面心立方晶格 图 2 体心立方晶格 图 3 密排六方晶格 原子半径指的是晶胞中相距最近的两个原子之间距离的一半，致密度指的是晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比。 体心立方模型与晶胞示意图（I2-3）,在体心立方晶格中如图 4： 图 4 晶格常数：a=b=c；a=b=g=90 晶胞原子数：2 原子半径：致密度：0.68 面心立方模型与晶胞示意图（I2-4），在面心立方晶格中如图 5： 图 5 晶

6、格常数：a=b=c；a=b=g=90 晶胞原子数：4 原子半径： 致密度：0.74 密排六方模型与晶胞示意图（I2-5）,在密排六方晶格中如图 1-6： 图 6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 三种晶胞类型的模型对比示意图（I 2-6）。 2.2. 金属晶体的特性金属晶体的特性 金属晶体区别于非晶体是其具有确定的熔点。在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而金属晶体不同方向上的 性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性各向异性，而非晶体则是各向同性的。但是对于实际的金属，其内部是由许多的晶粒组成，每

7、个晶粒 在空间分布的位向不同，因而在宏观上沿各个方向的性能趋于相同，晶体的各向异性显示不出来。 3.3. 实际金属中的晶体缺陷实际金属中的晶体缺陷 实际金属的结构中存在许多不同类型的缺陷，按几何特征可以分为点缺陷、线缺陷和面缺陷。 点缺陷点缺陷如图 7，指的是三维尺度上都很小，不超过几个原子直径的缺陷。它包括空位、间隙原子、异类原子。当晶格中某些原子由于 某种原因，（如热振动等）脱离其晶格结点而转移到晶格间隙这样就形成了点缺陷，点缺陷的存在会引起周围的晶格发生畸变，从而 使材料的性能发生变化，如屈服强度提高和电阻增加等。 图 7 点缺陷示意图 线缺陷线缺陷指的是原子排列的不规则区在空间一个方向

8、上的尺寸很大，而在其余两个方向上的尺寸很小。如：位错。 位错可认为是晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成。滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线，电子显微镜下 的位错（I2-7）。由于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，图 8a 为一种最简单的 “刃型位错”。因为相对滑移 的结果上半部分多出一半原子面，多余半原子面的边缘好像插入晶体中的一把刀的刃口，故称“刃型位错”。图 8b 为一种“螺型位 错”，晶体右边上部相对于下部晶面发生错动。 图 8b 螺型位错示意图 图 8a 刃型位错示意图 刃型位错与螺型位错的形成动画（M2-1）。 晶体中存在大量的位错，一般用位错密度来

9、表示位错的多少。位错密度指单位体积中 位错线的总长度或单位面积上位错线的根数，由于位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶 格发生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。实验和理论研究表明：晶体的强度和位错密度 有如图 9 的对应关系，当晶体中位错密度很低时，晶体强度很高；相反在晶体中位错密度很 高时，其强度也很高。但目前的技术，仅能制造出直径为几微米的晶须，不能满足使用上的 要求。而位错密度很高易实现，如剧烈的冷加工可使密度大大提高，这为材料强度的提高提 供途径。 图 9 金属强度与位错密度的关系 面缺陷指的是原子排列不规则的区域在空间两个方向上的尺寸很大，而另一方向上的尺寸很小的缺陷，包括晶界（晶粒

10、与晶粒之间的 接触界面）和亚晶界（亚晶粒之间的边界）两种。如图 10 所示。显然在晶界处原子排列很不规则，亚晶界处原子排列不规则程度虽 较晶界处小，但也是不规则的，可以看作是由无数刃型位错组成的位错墙。这样晶界及亚晶界愈多，晶格畸变越大，且位错密度愈大， 晶体的强度愈高。 图 10 面缺陷 合金的晶体结构合金的晶体结构 1.1.固溶体固溶体 一种金属元素同另一种或几种其它元素，通过熔化或其它方法结合在一起所形成具有金属特性的物质叫合金合金，组成合金独立的、最基 本的单元叫组元组元。 而相指的是化学成分和晶体结构相同，且有界面与其它部分分开的均匀组成部分。合金中有两类基本相固溶体和化合物。 合金

11、组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的，且结构与组元之一相同的固相称为固溶体，按溶质原子在溶剂晶格中的位置可分为置 换固溶体和间隙固溶体，按溶质原子在溶剂中的溶解度可分为有限固溶体和无限固溶体，按溶质原子在固溶体中分布是否规律可分为 无序固溶体和有序固溶体。 由于溶质原子溶入固溶体导致晶格发生畸变，晶格畸变随着溶质原子浓度的增大而增大，位错运动的阻力也随之增大，使金属的滑移 变形变得困难，从而提高合金的强度和硬度，这种现象就是固溶强化固溶强化，是金属强化的一种重要形式。 2.2.金属化合物金属化合物 合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相称为金属化合物，化合物类型包括正常价化合物、电子化合

12、物、间隙化合物三种， 间隙化合物按非金属原子半径与金属原子半径的比值可分为间隙相和复杂结构的间隙化合物。 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。当 r 非/r 金0.59 时，形成复杂结构的间隙化合物，如 Fe3C、Cr23C6。间隙化合物 熔点高、硬度高，脆性大。是高合金钢和硬质合金中的重要组成 相。 金属材料的组织金属材料的组织 组织指的是在金相显微镜下观察到的金属材料内部的微观形貌，与相是两个不同的概念。组织由数量、形态、大小和分布方式不同的 各种相构成。 金属材料的性能由组织决定，而组织

13、由化学成分和工艺过程决定。同一种钢经过不同的热处理可以获得不同的组织，从而获得不同的 性能，如 45 钢经过不同的热处理可以获得珠光体、索氏体、屈氏体、贝氏体、马氏体等组织，从而获得不同的性能。所以，金属材 料的 成分、工艺、组织结构和性能之间有着密切的关系。纯金属的结晶纯金属的结晶 1.1. 纯金属结晶的条件纯金属结晶的条件 通过实验，测得液体金属在结晶时的温度时间曲线（冷却曲线）如图 1。左边图表示理论结晶温度曲线，右边图表示实际结晶温度 曲线，从图 1 看出实际金属结晶开始温度低于理论结晶温度。所以把这种结晶时实际结晶温度 T1 总是低于理论结晶温度 T0 的现象称 为过冷。曲线上水平阶

14、段是由于结晶时放出结晶潜热，抵消了向外界散发的热量。 过冷度:?T=T0-T1（冷却速度?T），也就是实际结晶温度与理论结晶温度的差值。过冷度大小与冷却速度有关，冷速越大，过 冷度越大。 图 1 液体金属结晶曲线 过冷是结晶的必要条件，也是结晶的动力。 2.2. 纯金属结晶过程纯金属结晶过程 液态金属结晶是有生核和长大两个基本过程来实现的，晶核形成后便向各方向生长，同时又有新的晶核产生。晶核不断形成，不断长 大，直到液体完全消失。每个晶核最终长成一个晶粒，两晶粒接触后形成晶界。 结晶过程如图 2 所示。 图 2 结晶过程 晶核的形成，两种方式： 自发形核从液体结构内部有金属本事源自发长出的结晶

15、核心。 非自发形核实际金属中的杂质能够促进晶核在其表面上生成，故这种依附于杂质而生成的晶核叫做非自发形核 自发形核与非自发形核同时存在，非自发形核起主导作用。 晶体的长大 平面长大在冷却速度较小的情况下纯金属晶体主要一其表面向前平行推移的方式长大，进行平面式的长大。在实际金属的结晶中 是很少见的，如图 3。 树枝状长大当冷却速度较大特别是存在杂质时，晶体与液体界面的温度会高于近处液体的温度，形成负温度梯度，这时金属晶体 往往以树枝状的形式长大，如图 4。实际金属结晶主要以树枝状长大，其原因是由于存在负温度梯度，且晶核棱角处的散热条件好，生长快，先形成一次轴，一次轴又会产生二次轴等等，树枝间最后被填充。树枝状长大的显微照片（I3-1）。 图 3 平面长大 图 4 树枝长大 可用显微电镜拍摄晶核的树枝状长大过程，金属与冰晶核树枝状长大的树枝晶对比（I3-2）。 同素异构转变同素异构转变 同素异构转变同素异构转变金属在固态下随温度的改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程类似， 故称为二次结晶或重结晶。 以纯铁为例，图 1 为纯铁在结晶时的冷却曲线。 图 1 纯