材料力学教程.pptx
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1、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。第1页/共87页学习建议: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。第2页/共87页1.1.金属的晶体结构金属的晶体结构化学成分内部组织决 定材料的性能固态物质聚集状态晶 体非晶体第3页/共87页1).1).晶体晶体 (crystal):(crystal):物体内部的原子物体内部的原子 (或分或分子子 )在三维空间中在三维空间中 ,按一定按一定规律作周期性排列规律作周期性排列的固体
2、。的固体。性质性质:固定的熔点固定的熔点;各向异各向异性等。性等。例如例如 ,所有的金属、所有的金属、食盐等。食盐等。第4页/共87页2 2).非晶体非晶体 (non-crystal):(non-crystal):物体内部的原子呈散乱分布物体内部的原子呈散乱分布,其其 物理和力学性能物理和力学性能各向同性各向同性。例如。例如,普通玻璃、松香等。普通玻璃、松香等。金属的结构金属的结构晶晶 态态非晶态非晶态SiO2的结构的结构非晶态非晶态晶态晶态第5页/共87页1.1 1.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构几个重要定义几个重要定义晶体结构(晶体结构(CrystalStructure):晶体中原子
3、(离子或分子):晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式。规则排列的方式。晶晶 格格(crystallattice):为了研究的方便,假设通过金属原为了研究的方便,假设通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线,这些直线形成的空间框架。子(离子)的中心划出许多空间直线,这些直线形成的空间框架。晶晶 胞胞(unitcell):能反映晶格特征的最小组成单元。能反映晶格特征的最小组成单元。晶胞的几何特征参数晶胞的几何特征参数三棱边长(晶格常数三棱边长(晶格常数latticeconstant)a、b、c棱边夹角:棱边夹角:、bac110-10m 710-10m可用可用X X射线结构分析技术进行测定射线结
4、构分析技术进行测定第6页/共87页晶系与布拉菲点阵晶系与布拉菲点阵晶系与布拉菲点阵晶系与布拉菲点阵1855年年,法国学者法国学者布拉菲布拉菲(Bravais)用数学方法证明了空间点阵共有且只能用数学方法证明了空间点阵共有且只能有有十四十四种种,并归纳为并归纳为七七个晶系个晶系:第7页/共87页十十四四种种空空间间点点阵阵第8页/共87页三种常见的金属晶体结构(、)三种常见的金属晶体结构(、)三种常见的金属晶体结构(、)三种常见的金属晶体结构(、)一、体心立方晶体结构(一、体心立方晶体结构(Body-Centered CubicBody-Centered Cubic)A A2 21)具有此结构的
5、典型金属)具有此结构的典型金属:钠(钠(NaNa)、钾()、钾(K K)、铬()、铬(CrCr)、钼(钼(MoMo)、钨()、钨(WW)、钒)、钒(V V)、)、-Fe-Fe等。等。2 2)主要特征:)主要特征:晶胞的特征参数晶胞的特征参数:a=b=c,=90:a=b=c,=90晶胞中的原子数晶胞中的原子数:n=8 1:n=8 18 81=21=2个个原子半径原子半径致密度致密度 0.680.68空隙半径空隙半径 r r4=4=0.29r0.29r原子;原子;r r8 8=0.15r=0.15r原子原子配位数配位数8 8 第9页/共87页第10页/共87页第11页/共87页二、面心立方晶体结构
6、(二、面心立方晶体结构(face-Centered Cubicface-Centered Cubic)A A1 11 1)具有此结构的典型金属具有此结构的典型金属:铝(铝(AlAl)、铜()、铜(CuCu)、铂()、铂(PtPt)、镍()、镍(NiNi)、金()、金(AuAu)、)、银(银(AgAg)、)、-Fe-Fe等。等。2 2)主要特征:)主要特征:a=b=c,a=b=c,9090o o;晶胞原子数:晶胞原子数:81/8+61/281/8+61/24 4;原子半径原子半径致密度致密度 0.740.74空隙半径空隙半径r4=o.225r;r8=0.414rr4=o.225r;r8=0.41
7、4r配位数配位数1212第12页/共87页第13页/共87页三、密排六方晶体结构(三、密排六方晶体结构(Hexagonal CloseHexagonal ClosePackedPacked)A A3 31 1)具有此结构的典型金属具有此结构的典型金属:镁(镁(MgMg)、镉()、镉(CdCd)、锌()、锌(ZnZn)、铍()、铍(BeBe)。)。2 2)主要特征:)主要特征:晶格常数:正六边形边长晶格常数:正六边形边长a a,高为,高为c,c,侧面之间夹角侧面之间夹角120120o o,侧底面间夹角侧底面间夹角9090o o。c/a=1.633 晶胞原子数:晶胞原子数:21/2+121/6+3
8、21/2+121/6+36 6;原子半径原子半径致密度致密度 0.740.74空隙半径空隙半径r4=o.225r;r8=0.414rr4=o.225r;r8=0.414r配位数配位数1212第14页/共87页第15页/共87页金属晶体中的晶面和晶向金属晶体中的晶面和晶向金属晶体中的晶面和晶向金属晶体中的晶面和晶向晶面:晶面:通过晶体中原子中心的平面。通过晶体中原子中心的平面。晶向晶向:通过原子中心的直线为原子列,其代表的方向叫做晶向。:通过原子中心的直线为原子列,其代表的方向叫做晶向。(1)晶面和晶向的表示方法晶面和晶向的表示方法1立方晶系的晶面表示方法及步骤:立方晶系的晶面表示方法及步骤:1
9、。规定一空间坐标,使待标定的晶面在。规定一空间坐标,使待标定的晶面在三条坐标轴上有截距或者无穷大三条坐标轴上有截距或者无穷大。注意:原点不能选择在欲定晶面上注意:原点不能选择在欲定晶面上2。以晶格长度。以晶格长度a为长度单位,写出欲为长度单位,写出欲定晶面在三条坐标轴上的截距。定晶面在三条坐标轴上的截距。3。截距取倒数。截距取倒数。4。截距的倒数化为最小整数。截距的倒数化为最小整数。5。将三整数写在圆括号内。将三整数写在圆括号内。ZYX第16页/共87页晶面族:在立方晶系中,由于原子的排列具有高度的对称性,往往晶面族:在立方晶系中,由于原子的排列具有高度的对称性,往往存在有许多原子排列完全相同
10、但在空间的位向不同,这些晶面总存在有许多原子排列完全相同但在空间的位向不同,这些晶面总称为晶面族。称为晶面族。例如:例如:2立方晶系的晶向表示方法及步骤:立方晶系的晶向表示方法及步骤:晶向族:在立方晶系中,原子排列情况相同但在空间的位向不同,这些晶晶向族:在立方晶系中,原子排列情况相同但在空间的位向不同,这些晶向总称为晶面向总称为晶面族。族。例如:例如:1 1。规定一空间坐标。规定一空间坐标注意:原点要选择在欲定晶向的结点上注意:原点要选择在欲定晶向的结点上2 2。写出该晶向另一结点的空间坐标值。写出该晶向另一结点的空间坐标值3 3。将坐标值按比例化为最小整数。将坐标值按比例化为最小整数4 4
11、。将化好的整数记在方括号内。将化好的整数记在方括号内第17页/共87页密排面和密排方向不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上原子排列方式和排列密度不一样。在体心立方晶格中,原子密度最大的晶面为110,称为密排面;原子密度最大的晶向为,称为密排方向。在面心立方晶格中,密排面为111,密排方向为。第18页/共87页第19页/共87页第20页/共87页金属晶体的特性(1)金属晶体具有确定的熔点纯金属进行缓慢加热时,达到一定的温度,固态金属会熔化成为液态金属。在熔化过程中,温度保持不变。其熔化温度(T0)称为熔点。而非晶体材料在加热时,由固态转变为液态时,其温度逐渐变化。第21页/共87页晶体和非晶体的熔
12、化曲线晶体和非晶体的熔化曲线第22页/共87页金属晶体具有各向异性非晶体在各个方向上性能完全相同,这种性质叫非晶体的各向同性。在晶体中,不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同,它们之间的结合力的大小也不相同,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。第23页/共87页说明说明对于实际使用的金属,由于其内部有许许多多个晶粒组成,每个晶粒在空间分布的位向不同,因而在宏观上沿各个方向上的性能趋于相同,晶体的各向异性就显示不出来了。第24页/共87页实际金属中的晶体缺陷实际金属中的晶体缺陷crystaldefect点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷体缺陷体缺陷第25页/共87页
13、1)1)点缺陷点缺陷(pointdefect)(pointdefect)空位空位(vacancyvacancy)间隙原子间隙原子(gap atomgap atom)置换原子置换原子(substitutional substitutional atomatom)第26页/共87页间隙原子间隙原子晶格空位晶格空位置换原子置换原子点缺陷造成局部晶格畸变点缺陷造成局部晶格畸变第27页/共87页 2 2)线缺陷)线缺陷(linedefect)(linedefect)-位错位错(dislocation)(dislocation)刃型位错刃型位错(blade dislocationblade disloca
14、tion)螺旋型位错螺旋型位错(screw dislocationscrew dislocation)第28页/共87页刃型位错示意图刃型位错示意图第29页/共87页刃型位错示意图刃型位错示意图正刃型位错正刃型位错负刃型位错负刃型位错第30页/共87页螺旋型位错示意图螺旋型位错示意图第31页/共87页第32页/共87页位错密度位错密度 L/V(mL/V(m-2-2)NOTE:位错的存在极大影响了金属的机械性能位错的存在极大影响了金属的机械性能第33页/共87页3 3)面缺陷)面缺陷(surface-defect)(surface-defect)晶体表面晶体表面晶界晶界(grainboundar
15、y)相界面相界面(phaseinterface)其它界面其它界面:孪晶界、亚晶界、层错界第34页/共87页1Cr17不锈钢的多晶体第35页/共87页晶界与亚晶界结构示意图晶界与亚晶界结构示意图大角度晶界大角度晶界-晶界晶界小角度晶界小角度晶界-亚晶界亚晶界第36页/共87页4 4)体缺陷)体缺陷(body-defect)(body-defect)弥散分布的第二相超显微微粒超显微空洞第37页/共87页1.2 1.2 合金的晶体结构合金的晶体结构几个基本概念:几个基本概念:合金:(alloy)一种金属元素同另一种或几种其它元素,通过熔化或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
16、一起所形成的具有金属特征的物质。其它方法结合在一起所形成的具有金属特征的物质。组元:(element)组成合金的独立的、最基本单元。组成合金的独立的、最基本单元。相:(phase)在金属或合金中,凡化学成分相同、晶体结构相同并在金属或合金中,凡化学成分相同、晶体结构相同并有界面与其它部分分开的均匀组成部分。有界面与其它部分分开的均匀组成部分。固溶体固溶体 固态合金固态合金 金属化合物金属化合物第38页/共87页一.固溶体 (solidsolution)溶剂A+溶质B =C bccfccbcc例如例如:-Fe-Fe +C C =F(F(铁素体铁素体 )体心体心 六方六方 体心体心v固溶体的结构特
17、点固溶体的结构特点第39页/共87页铁素体的晶体结构第40页/共87页a)a)固溶体的主要类型固溶体的主要类型1.置换固溶体(substitutionsolidsolution)第41页/共87页置换固溶体结构示意图置换固溶体结构示意图第42页/共87页2.2.间隙固溶体间隙固溶体间隙固溶体间隙固溶体(interstitialsolidsolution)(interstitialsolidsolution)第43页/共87页固溶体的其它分类方式固溶体的其它分类方式v无限固溶体无限固溶体有限固溶体有限固溶体v无序固溶体无序固溶体有序固溶体有序固溶体间隙固溶体都是有限且无序间隙固溶体都是有限且无序
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