材料的组织结构及性能.ppt

1.材料的结构与性能,,本章导读,内容提要： 本章介绍金属材料的结构与组织，包括纯金属的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构、金属材料的组织介绍金属材料的工艺性能、机械性能和理化性能还介绍高分子材料和陶瓷材料的结构与性能学习目标： 本章重点掌握金属材料的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能了解高分子材料的结构与性能学习建议： 1．晶体结构部分应弄清三种常见金属的晶体结构及其特点，应充分发挥空间想象力 2．晶面指数及晶向指数的确定在学习时会感到困难应掌握常见的晶面和晶向的表示方法，需要多练多画 3．了解高分子材料的大分子链结构与聚集态，结合工程、生活实际归纳高分子材料的性能特点 4．对陶瓷材料的结构与性能只作一般了解1.1 金属材料的结构与组织,1.1.1 纯金属的晶体结构 晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式称为晶体结构（也称材料结构） 通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架这种格架称为晶格，晶格的结点为金属原子(或离子)平衡中心的位置晶体与非晶体,晶体：材料的原子（离子、分子）在三维空间呈规则的 周期性排列如金刚石、水晶、氯化钠等。

非晶体：材料的原子（离子、分子）无规则排列，和液 体相似，亦称为“过冷液体”或“无定形体” 如玻 璃、松香、石腊等a)、是否具有周期性、对称性 (b)、是否长程有序 (c)、是否有确定的熔点 (d)、是否各向异性,区 别,,晶体的特点是： （1）结构有序； （2）物理性质表现为各向异性； （3）有固定的熔点What? “组织结构”,,1.1.1 纯金属的晶体结构,右手螺旋直角坐标系：,1.1.1 纯金属的晶体结构,晶胞： 能反映该晶格特征的最小组成单元称为晶胞晶胞在三维空间的重复排列构成晶格晶胞的基本特性即反映该晶体结构(晶格)的特点晶格常数： 晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、γ等六个参数来描述其中a、b、c 为晶格常数1.1.1 纯金属的晶体结构,金属的晶格常数一般为: 1×10-10 m-7×10-10 m 不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数的不同,表现出不同的物理、化学和力学性能金属的晶体结构可用X射线结构分析技术进行测定晶格常数测量：X射线衍射,,,由于原子排列紧密程度不一样,当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时, 体积会发生变化。

这就是钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因不同晶体结构中原子排列的方式不同, 将会使它们的形变能力不同1.1.1 纯金属的晶体结构,1 金属三种常见的晶体结构 晶体结构有： 布拉维晶格在三维平面上有七大晶系，14种晶格分别为三斜晶系、单斜晶系、正交晶系、四方晶系、立方晶系、三方晶系、六角晶系三种晶体结构,,（1）体心立方晶胞,BCC(Body Center Club）晶格（晶胞) 八个原子处于立方体的角, 一个原子处于立方体的中心, 角上八个原子与中心原子紧靠体心立方晶胞特征,① 晶格常数： ② 晶胞原子数： ③原子半径： ④致密度： 晶胞中原子体积和/晶胞体积,体心立方晶胞特征,⑤间隙半径： 12个四面体间隙 6个八面体间隙,体心立方晶胞特征,⑥配位数： 任一原子相邻最近且距离相同的原子数 配位数大，原子排列紧密度大 BCC 晶胞配位数为：8,（2）面心立方晶胞,FCC晶胞(Face Center Club） 金属原子分布在立方体的八个角上和六个面的中心面中心的原子与该面四个角上的原子紧靠具有这种晶格的金属有铝(Al)、铜(Cu)、镍(Ni)、金(Au)、银(Ag)、γ- 铁( γ-Fe, 912℃-1394℃)等。

2）面心立方晶胞,,,,,四面体间隙8个 八面体间隙4个 ⑥配位数：12,,由于原子排列紧密程度不一样,当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时, 体积会发生变化这就是钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因不同晶体结构中原子排列的方式不同, 将会使它们的形变能力不同3) 密排六方晶格(胞) (HCP晶格),十二个金属原子分布在六方体的十二个角上, 在上下底面的中心各分布一个原子, 上下底面之间均匀分布三个原子具有这种晶格的金属有镁(Mg)、镉(Cd)、锌(Zn)、铍(Be)等3) 密排六方晶格(胞) (H.C.P.晶格),,,,,,晶体学抽象：,空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小组成单元）,3．三种典型的纯金属晶体晶胞,属于此类结构的金属有：碱金属、难溶金属（V、Nb、Cr、Mo、W）、a-Fe等,属于此类结构的金属的有：Al、Cu、Au、Ag、γ-Fe、Ni、Pb以及奥氏体不锈钢等属于此类结构的金属有： Mg、Zn 、 a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Co等体心立方晶胞bcc (Body-centered cubic),面心立方晶胞fcc (Face-centered cubic),密排六方晶胞hcp (hexagonal close-packed),(1) 体心立方晶胞BCC ——Body-Centered Cubic,(2) 面心立方晶胞FCC -----Face-Centered Cubic,（3）密排六方晶胞HCP----Hexagonal Close-Packed,,,上节课回顾,,2.金属晶体中的晶面和晶向,晶面：在晶体学中，通过晶体中原子中心的平面 晶向：通过原子中心的直线所指的方向,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,,X,Y,a,b,c,,,,,,,,（1）立方晶系的晶面表示方法,① 确定欲定晶面外的原点，建立坐标系，写出欲定晶面在三个坐标轴上的截距。

② 取三个截距值的倒数并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl） 负号：,立方晶系晶面指数的标定,例一.画出截距为、1、晶面的指数 截距值取倒数为0、1、0，加圆括弧得（010） 例二. 画出（112）晶面 取三指数的倒数1、1、1/2, 化成最小整数为2、2、1，即为X、Y、Z三坐标轴上的截距,晶面族,相互平行的晶面晶面指数相同（或指数相同符号相反） (hkl) 表示的是一组平行的晶面 晶面族：原子排列情况相同而空间位向不同（不平行）的晶面 ｛ 1 11 ｝,立方晶系常见的晶面为：,任意交换指数的位置和改变符号,都是该族的范围,{110},,（011）,晶向指数确定的步骤,1） 确定坐标系（例：xyz）； 2） 过坐标原点，作直线与待求晶向平行（例：引OB’ //AB）; 3） 在该直线上任取一点，并确定该点的坐标（x，y，z） （例：B’点坐标为-1,1,0）； 4） 将此值化成最小整数:u v w ，并加以方括号[u v w]即是 （例：AB晶向指数为[Ī 1 0]） （代表一组互相平行，方向一致的晶向）,（2）立方晶系的晶向表示方法,① 确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。

② 求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧形式为[uvw]立方晶系晶向指数的标定,例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2，画出该晶向 将三坐标值化为最小整数加方括弧得[234]例二、已知晶向指数为[110], 画出该晶向 找出1、1、0坐标点,连接原点与该点的直线即所求晶向相互平行的晶向晶向指数相同（或指数相同符号相反） [u v w]表示的是一组平行的晶向 晶向族：原子排列情况相同而空间位向不同（不平行）的晶向 ,立方晶系常见的晶向为：,,立方晶系常见的晶向,,,,[111],,,注意：,立方晶系中，晶向指数与晶面指数数值和符号相同时，该晶面与晶向垂直，例：（1 1 1）⊥ [ 1 1 1 ] 遇到负指数，“-”号放在该指数的上方 同一直线相反两个方向的晶向指数符号相反 如[110]与[110]方向相反3) 六方晶格的晶向指数和晶面指数,,(h k i l ), i= -( h+k ) [u v t w], t= -( u+v ),BCC中，密排面为｛1 1 0｝；密排方向为,FCC中，密排面为｛1 1 1｝；密排方向为,(4) 密排面与密排方向,原子密度最大的晶向,原子密度最大的晶面,,,,,密排面和密排方向,三种常见晶格的密排面和密排方向,3.晶体的特性,（1）有确定的熔点,,,,,,熔点,晶体,非晶体,不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象 晶体具有各向异性的原因，是由于在不同晶向上的原子紧密程度不同所致。

原子的紧密程度不同，意味着原子之间的距离不同，则导致原子间结合力不同，从而使晶体在不同晶向上的物理、化学和机械性能不同 实际金属不表现各向异性(多晶体),（2）各向异性,4.实际晶体结构,在实际应用的金属材料中，总是不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷一般说来，金属中这些偏离其规定位置的原子数很少，即使在最严重的情况下，金属晶体中位置偏离很大的原子数目至多占原子总数的千分之一因此，从总体来看，其结构还是接近完整的尽管如此，这些晶体缺陷不但对金属及合金的性能有重大影响，而且还在扩散、相变、塑性变形和再结晶等过程中扮演重要角色多晶体,通常使用的金属都是由很多小晶体组成的，这些小晶体内部的晶格位向是均匀一致的，而它们之间，晶格位向却彼此不同，这些外形不规则的的颗粒状小晶体称为晶粒每一个晶粒相当于一个单晶体晶粒与晶粒之间的界面称为晶界这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体多晶体的性能在各个方向基本上是一致的，这是由于多晶体中，虽然每个晶粒都是各向异性的，但它们的晶格位向彼此不同，晶体的性能在各个方向相互补充和抵消，再加上晶界的作用，因而表现出各向同性 晶粒的尺寸很小，如钢铁材料一般为10－1-10－3 mm左右，必须在显微镜下才能看见。

在显微镜下观察到的金属中晶粒的种类、大小、形态和分布称为显微组织，简称组织金属的组织对金属的机械性能有很大的影响不锈钢棒料,,,钛合金棒料,,,,,,晶体缺陷,实际金属晶体内部，其局部区域原子的规则排列往往受到干扰和破坏，不象理想晶体那样规则和完整，从而影响到金属的许多性能实际金属晶体中原子排列的这种不完整性，通常称为晶体缺陷根据晶体缺陷的几何形态特征，一般将它们分为以下三类：（点、线、面）,晶体缺陷：点缺陷,晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位某个晶格间隙挤进了原子，称为间隙原子材料中总存在着一些其它元素的杂质，它们可以形成间隙原子，也可能取代原来原子的位置，成为置换原子，三种点缺陷的形态见下图点缺陷的影响,空位、间隙原子和外来原子都是晶格的点缺陷它们破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称为晶格畸变 高能区域 非稳态区域 活跃区域 在产生晶格畸变时，原子离开了平衡位置，引起势能增加，自由能升高，稳定性降低，对晶体的一系列物理和化学性质产生影响空位数量与晶体内能,,,,线缺陷,晶体中最普通的线缺陷就是位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。

位错又可称为差排（英语：dislocation），在材料科学中，指晶体材料的一种内部微观缺陷，即原子的局部不规则排列（晶体学缺陷）从几何角度看，位错属于一种线缺陷，可视为晶体中已滑移部分与未滑移部分的分界线刃型位错,在晶格的上半部分挤出了一个多余的原子面这个多余原子面的下边缘像刀刃一样垂直切入，使晶体中位于滑移面上下两部分晶体间产生了 错排现象，因而称之为刃型位错 多余原子面的边缘称为“位错线”，在位错线周围，由于原子的错排使晶格发生了畸变，致使滑移面上部的原子受到压应力；滑移面下部的原子受到拉应力螺型位错,螺旋位错;screw dislocation; 一个晶体的某一部分相对于其余部分发生滑移，原子平面沿着一根轴线盘旋上升。