哈尔滨工业大学机械工程材料课件第一章材料的结构

《哈尔滨工业大学机械工程材料课件第一章材料的结构》由会员分享，可在线阅读，更多相关《哈尔滨工业大学机械工程材料课件第一章材料的结构（89页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。

1、1,机械工程材料,主讲教师：吴宜勇 电话：86412462,2,主要内容,绪论 第一章 材料的内部结构 第二章 结晶与显微组织 第三章 工程材料的力学性能 第四章 工程材料的物理、化学性能 第五章 工程材料的强化理论 第六章 钢的热处理与马氏体相变强化 第七章 钢铁材料 第八章 有色金属及其合金,3,第一章 材料的内部结构,结构,电子结构,原子的空间排列,显微组织,4,第一章 材料的内部结构,结构,电子结构,原子的空间排列,显微组织,原子核外电子的排布方式，显著影响材料的电、磁、光、热性能甚至力学性能。 电子结构还是材料中原子间键合的直接原因之一，因此也影响到原子彼此结合的方式，从而决定材料的

2、类型,5,晶态和非晶态。晶体结构显著影响材料的各种性能和功能。,第一章 材料的内部结构,结构,电子结构,原子的空间排列,显微组织,6,第一章 材料的内部结构,结构,原子结构,原子的空间排列,显微组织,7,晶粒（原子集团）的形态、大小；合金相的种类、数量和分布等参数。,第一章 材料的内部结构,结构,原子结构,原子的空间排列,显微组织,8,第一章 材料的内部结构,9,第一章 材料的内部结构,1.1 原子键合及其特性,1.2材料的原子排列,1.3 金属的典型晶体结构,1.4 合金相结构,1.5 陶瓷的相结构,1.7晶体缺陷,1.6 高分子化合物的结构,10,1.1材料的原子键合及其特性,材料中外层电

3、子作用形式,基本点:保持稳定的电子排布结构,接受或释放核外价电子,共有电子,偶极矩“弱”相互作用,11,1.1材料的原子键合及其特性,金属键,离子键,共价键,12,金属键,离子键,共价键,键特点：共有价电子,即电子云键无方向性和饱和性 材料特点：原子趋向于规则排列金属有良好的导电性、塑性等,1.1材料的原子键合及其特性,13,1.1 原子间的键合特点,金属键,离子键,共价键,键特点：得失价电子正负离子方向性弱,有饱和性 材料特点： 高熔点,高硬度,低塑性 良好的电绝缘和其他物理性能等,14,1.1 原子间的键合特点,金属键,离子键,共价键,键特点：共有电子对(电子局域化)键有方向性和饱和性 材

4、料特征：高熔点、高硬度、低塑性 电绝缘、光学等物理特征,15,1.1 原子间的键合特点,金属键,离子键,共价键,16,1.1 原子间的键合特点,范德瓦尔(van der Waals) 键：即分子键，特征通过原子或分子间瞬态的感生偶极矩的静电作用引起的;键能小，无方向性和饱和性 材料特征： 强度低，熔点低，变形能力强；电绝缘等物理化学性能,17,第一章 材料的内部结构,1.1 原子键合及其特性,1.2材料的原子排列,1.3 金属的典型晶体结构,1.4 合金相结构,1.5 陶瓷的相结构,1.7晶体缺陷,1.6 高分子化合物的结构,18,1.2材料的原子排列,非晶态,原子排列短程(近邻与次近邻)有序

5、 长程无序,玻璃态,19,1.2材料的原子排列,晶体,原子排列长程有序 基元在三维空间呈规律性排列，成为空间点阵,基元：即基本组元(单元)，一般为单个的原子、离子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。,20,1.2材料的原子排列,空间点阵,是一个抽象的几何概念，它由一维、二维或三维规则排列的阵点组成。,21,1.2材料的原子排列,用刚球代表晶体中的原子-钢球模型 将刚球抽象成质点,空间排列原子成为空间格架，即空间点阵-晶格 保持点阵原子排列几何特征的基本单元为晶胞，一般用平行六面体表征 晶胞参数：6个-a，b， c；a，b，g,22,1.2材料的原子排列,晶体结构,构成晶体的基元在三维空间的具体

6、的排列方式,= 空间点阵+基元(晶胞),23,1.2材料的原子排列,自然界晶体结构分类：布拉菲在1948年根据“每个阵点环境相同”的要求，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲点阵，分属7个晶系。空间点阵虽然只有14种，但晶体结构则是多种多样、千变万化的。,24,1.2材料的原子排列,7个晶系晶胞参数特征,25,晶向,1.2材料的原子排列,晶体原子 的特定排 列方向,晶胞的几何表征：晶格常数、晶向、晶面,26,晶向指数,1.2材料的原子排列,晶向指数的确定方法 建立以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系； 定出该晶向上任两点的坐标； 用末点坐标减去始点坐标； 将相减后所得结果约成互

7、质整数，加一方括号。,27,晶面及晶面指数,1.2材料的原子排列,晶面指数的确定方法 在以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系中取该晶面在各坐标轴上的截距； 取截距的倒数； 将倒数约成互质整数，加一圆括号。,晶面是指晶体原子堆垛质心平面,28,六方晶系,1.2材料的原子排列,晶面和晶向指数确定方法： 采用四坐标体系，a1, a2, a3夹角120，c轴与上述三轴平面垂直； 晶面指数确定方法与立方晶系类似，获得指数(h,k,i,l)，前三个指数只有两个是独立的，满足关系式：i=-(h+k) 晶向指数确定较复杂，可先用三坐标系(a1, a2,c)指数转换。三座标指数U,V,W，按下式换算成四座标指数

8、u,v,t,w进行：,u = 1/3(2U-V), v = 1/3(2V-U), t= -(u+v), w = W,29,第一章 材料的内部结构,1.1 原子键合及其特性,1.2材料的原子排列,1.3 金属的典型晶体结构,1.4 合金相结构,1.5 陶瓷的相结构,1.7晶体缺陷,1.6 高分子化合物的结构,30,1.3 金属的典型晶体结构,三种典型晶体结构,体心立方,面心立方,密排六方,31,体心立方晶格参数,1.3 金属的典型晶体结构,常用金属：Cr、V、Mo、W和-Fe等30多种,32,体心立方晶格参数,1.3 金属的典型晶体结构,原子半径r与晶格常数a0关系,33,体心立方晶格参数,1.

9、3 金属的典型晶体结构,致密度：原子实在晶胞中所占有的体积分数，K=nv/V 配位数：晶体中任意原子的最近邻原子数，表征了晶体中原子密度 对bcc材料，致密度为0.68，配位数为 8,34,体心立方晶格参数,1.3 金属的典型晶体结构,间隙类型及尺寸： 八面体间隙，ri/r0=0.15 四面体间隙，ri/r0=0.29,35,面心立方晶格参数,1.3 金属的典型晶体结构,Al、Cu、Ag、 Ni和-Fe等约20种,36,面心立方晶格参数,1.3 金属的典型晶体结构,原子半径r与晶格常数a0关系：,37,1.3 金属的典型晶体结构,面心立方晶格参数,致密度：原子实在晶胞中所占有的体积分数，K=n

10、v/V 配位数：晶体中任意原子的最近邻原子数，表征了晶体中原子密度 对fcc材料，致密度为0.74，配位数为 12,38,面心立方晶格参数,1.3 金属的典型晶体结构,面心立方配位数的确定,39,面心立方晶格参数,1.3 金属的典型晶体结构,八面体间隙及尺寸 ri/r0=0.414,40,面心立方晶格参数,1.3 金属的典型晶体结构,四面体间隙及尺寸 ri/r0= 0.225,41,密排六方晶格参数,1.3 金属的典型晶体结构,Mg、Zn、Cd、Be等20多种,42,密排六方晶格参数,1.3 金属的典型晶体结构,原子半径r与晶格常数a0关系,43,密排六方晶格参数,1.3 金属的典型晶体结构,

11、对hcp材料: 致密度为0.74,44,密排六方晶格参数,1.3 金属的典型晶体结构,对hcp材料，配位数: 6+6,45,典型晶体结构的原子堆垛,ABA: 第三层位于第一层正上方(hcp),ABC: 第三层位于一二层间隙(fcc),1.3 金属的典型晶体结构,46,典型晶体结构的原子堆垛,1.3 金属的典型晶体结构,47,典型晶体结构的原子堆垛（fcc),1.3 金属的典型晶体结构,48,多晶型转变,1.3 金属的典型晶体结构,当外部的温度和压强改变时，有些材料会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为多晶型转变，又称为同素异构转变 结构变化会导致材料的密度、物理化学性能均发生相应变化 多

12、晶型转变成为改变（调整）材料性能（功能）的重要方法之一,49,多晶型转变导致性能变化,1.3 金属的典型晶体结构,温度-压力作用下的转变,50,第一章 材料的内部结构,1.1 原子键合及其特性,1.2材料的原子排列,1.3 金属的典型晶体结构,1.4 合金相结构,1.5 陶瓷的相结构,1.7晶体缺陷,1.6 高分子化合物的结构,51,1.4 合金相结构,合金,两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质,组元,组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素,相,是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开

13、的组成部分,52,1.4 合金相结构,固溶体,中间相(金属化合物),合金相,定义: 固体溶液，溶质原子完全溶于固体溶剂中，并能保持溶剂元素材料的晶格类型，这种合金相称为固溶体。 结构特征: 保持溶剂晶格类型,但晶格畸变(晶格常数变化); 溶质原子的偏聚与短程有序; 溶质原子的长程有序与有序固溶体;溶质原子固溶度可变 性能特点：与溶剂元素材料的性能类似 分类：置换式固溶体，间隙式固溶体,53,间隙固溶体,1.4 合金相结构,溶质原子在溶剂元素晶格的间隙内 溶质原子一般半径小，如C，H，O，N，B等 晶格畸变大 有限固溶度,54,置换固溶体,1.4 合金相结构,溶质原子占据溶剂元素晶格原子位置 晶

14、格畸变大 在一定条件下可获得无限固溶度,55,1.4 合金相结构,固溶体,金属化合物,合金相,定义: 合金组元间发生相互作用而形成的新相, 成份处于组元固溶度之间, 称为中间相. 组元间具有一定的化学成份比, 且具有一定金属性质, 又称金属间化合物 结构特征: 原子间结合键多样性(包含一定金属键性质)；晶格类型不同于任一组元;可以是化合物或化合物基固溶体(即中间固溶体) 性能特点: 不同于任一组元; 高熔点、硬度和脆性 分类: 正常价化合物, 电子化合物, 间隙相, 间隙化合物,56,1.4 合金相结构,正常价化合物：符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有严格的化合比，成分固定不变。它的

15、结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同，如分子式具有AB型的正常价化合物其晶体结构为NaCl型，多为离子化合物，例如MgPb, MnS,57,1.4 合金相结构,电子化合物：是指当化合物中价电子浓度一定(21/12, 21/13, 21/14)时，形成的化合物晶格类型相同。电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。 例：CuZn, CuZn3, Cu5Zn8: Cu价电子+1, Zn价电子数+2 CuZn电子浓度: 价电子数/原子数 = (1+2)/2 = 3/2 = 21/14；体心立方结构 CuZn3电子浓度: 价电子数/原子数 = (1+6)/(1+3) =

16、7/4 = 21/12；密排六方结构 Cu5Zn8电子浓度: 价电子数/原子数 = (5+16)/(5+8) = 21/13；复杂立方结构,58,1.4 合金相结构,间隙相: 过渡族金属元素与原子半径较小的非金属元素(H,C,N,B等)形成的化合物。当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时, 将形成具有简单晶体结构的金属间化合物, 其熔点高、硬度高、较脆。例如氢化物、氮化物和部分碳化物(TaC,VC,ZrC,TiC等） 间隙化合物: 当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时, 将形成具有复杂晶体结构的金属间化合物, 间隙化合物也具有很高的熔点和硬度, 脆性较大。如硼化物和部分碳化物(Fe3C,Cr7C3,Cr23C6等) 性能对比: 与间隙相相比, 间隙化合物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一些。,59,第一章 材料的内部结构,1.1 原子键合及其特性,