1、1,機(jī)械工程材料,Mechanical Engineering Materials,2,第1章 材料的結(jié)構(gòu)與凝固,本章目錄 1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu) 1.2 合金的晶體結(jié)構(gòu) 1.3 非金屬材料的結(jié)構(gòu) 1.4 凝固的基本概念 1.5 金屬的結(jié)晶 1.6 材料的同素異構(gòu)現(xiàn)象,3,1.1 金屬的晶體結(jié)構(gòu),1.1.1 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念 晶體：內(nèi)部原子或離子按一定幾何形狀有規(guī)則排列的固體（有熔點(diǎn)、各向異性）。 非晶體：原子排列無(wú)規(guī)則的固體（無(wú)熔點(diǎn)，各向同性）。 晶格：將構(gòu)成晶體的實(shí)際質(zhì)點(diǎn)（原子或離子）抽象為純粹的 幾何陣點(diǎn)，并用直線連接起來構(gòu)成的三維空間格架。 晶胞：能夠反映晶格特征的最小組成單元。,原

2、子堆垛模型 晶格 晶胞,4,晶格參數(shù)：晶格的幾何特征可以用晶胞的三條棱邊長(zhǎng)a、b、c和三條棱邊之間的夾角、 六個(gè)參數(shù)來描述 晶格常數(shù)：a、b、c。,1.1.1 晶體結(jié)構(gòu)的基本概念,晶格參數(shù),5,體心立方晶格：Ti、V、Cr、Mo、W及-Fe等屬此種晶格。 面心立方晶格：Al、Cu、Ag、Pt、Au及-Fe等屬此種晶格。 密排六方晶格：Zn、Mg、Be、Cd等屬此種晶格。,1.1.2 三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu),體心立方,面心立方,密排六方,晶格穩(wěn)定性問題,以W為例: -W：穩(wěn)定晶型, 體心立方, a=(0.316254 0.000004)nm (25); -W：亞穩(wěn)晶型, 立方A15晶格, 加熱至

3、600700時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)?W, a=0.50370.509nm； -W：面心立方, 僅發(fā)現(xiàn)在濺射最初期的薄層和無(wú)定形鎢中, a=0.423 nm, 700時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)?W.,7,1.1.3 常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征,（1）晶胞中的原子數(shù),面心立方晶格,密排六方晶格,體心立方晶格,8,1.1.3 常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征,（2）原子半徑,面心立方晶格,密排六方晶格,體心立方晶格,9,配位數(shù)：晶體結(jié)構(gòu)中與任一原子周圍最近鄰的且等距離的原子數(shù)。配位數(shù)越大，晶體中原子排列就越緊密。,（3）配位數(shù)和致密度,面心立方晶格：12,密排六方晶格：12,體心立方晶格：8,1.1.3 常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征,10,致密度：晶

4、胞中所含原子的體積與晶胞體積的比值，配位數(shù)大，則致密度亦大。,面心立方晶格：,密排六方晶格：,體心立方晶格：,1.1.3 常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征,11,三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征,1.1.3 常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征,12,晶面：通過晶體中原子中心的平面(由一系列原子組成)。 晶面指數(shù)：用以表示晶面的數(shù)字符號(hào)稱為晶面指數(shù)。,1.1.4 晶面、晶向及晶體的各向異性,13,晶向：晶體中原子列所表示的方向。 晶向指數(shù)：表示晶向的數(shù)字符號(hào)稱為晶向指數(shù)。 各向異性：金屬晶體沿不同方向性能不相同的現(xiàn)象。 晶體與非晶體最根本的差別之一是單晶體具有明顯的方向性，這與晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而它們

5、之間的結(jié)合力大小不同有關(guān)。,1.1.4 晶面、晶向及晶體的各向異性,14,1.1.5 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu),（1）實(shí)際晶體結(jié)構(gòu) 單晶體：金屬內(nèi)部的晶格方位完全一致。 多晶體：多晶粒組成的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)。 晶粒：組成多晶體的外形不規(guī)則的小晶體（隊(duì)列進(jìn)行解釋）（微晶、納米晶） 一個(gè)晶粒就是單晶，多個(gè)晶粒就是多晶，沒有晶粒就是非晶。 晶界：晶粒與晶粒間的界面。組織：指金屬的內(nèi)部形貌。 顯微組織：利用金相顯微鏡所觀察到的組織。,15,（2） 晶體缺陷,點(diǎn)缺陷：包括晶格空位、間隙原子和異類原子，點(diǎn)缺陷的存在會(huì)使晶格發(fā)生畸變，金屬的性能發(fā)生變化。,1.1.5 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu),16,線缺陷：即位錯(cuò)，或稱為位

6、錯(cuò)線。 位錯(cuò)是晶體中某處有一列或若干列原子，發(fā)生了規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。包括刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。,1.1.5 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu),17,面缺陷： 晶體中的面缺陷是晶界和亞晶界。 面缺陷是晶體中不同區(qū)域之間，由于晶格方位的過渡所造成。位向差較小的亞晶界，可看成是位錯(cuò)線的堆積。,1.1.5 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu),18,1.2.1 合金的基本概念 合金：一種金屬元素同另一種或幾種金屬或非金屬元素，通過熔化或其他方法結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。 組元：組成合金最基本的獨(dú)立物質(zhì)。 二元合金：由兩個(gè)組元組成的合金稱為二元合金。 相：在金屬或合金中，化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)相同并與其他部分有界面分開的均勻組成部

7、分。 組織組成物：合金組織中那些具有確定本質(zhì)，一定形成機(jī)制和特殊形態(tài)的組成部分。,1.2 合金的晶體結(jié)構(gòu),19,固溶體 ：合金組元通過溶解形成的一種成分和性能均勻、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相。 習(xí)慣以、表示。 溶劑與溶質(zhì)：與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶劑，其它元素稱溶質(zhì)。 有限固溶體：若溶質(zhì)超過某個(gè)溶解度有其他相形成，即兩個(gè)元素之間的相互溶解度有一定的限度的固溶體。 無(wú)限固溶體：溶質(zhì)與溶劑能以任何比例相互溶解的固溶體。,1.2.2 固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu),20,置換固溶體：在溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)上，其原子被溶質(zhì)原子所替代而形成的固溶體。 間隙固溶體：溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙之中形成的固溶體。,1.2.

8、2 固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu),21,置換固溶體 無(wú)序固溶體：溶質(zhì)原子呈無(wú)序分布的固溶體。 有序固溶體：溶質(zhì)原子呈有序分布的固溶體。,黃銅置換固溶體組織,22,間隙固溶體,形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般是過渡族元素。 形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r質(zhì)/r劑0.59。 間隙固溶體都是無(wú)序固溶體。,23,固溶體的溶解度 有限固溶體：溶解度有一定限度的固溶體。 無(wú)限固溶體：組成元素?zé)o限互溶的固溶體。 組成元素原子半徑、電化學(xué)特性相近，晶格類型相同的置換固溶體，才有可能形成無(wú)限固溶體。 間隙固溶體都是有限固溶體。,24,固溶強(qiáng)化：通過形成固溶體使金屬的強(qiáng)度和硬度

9、提高的現(xiàn)象。 固溶強(qiáng)化的原因：溶質(zhì)原子的溶入，造成了不同程度的晶格畸變，阻礙了晶體的滑移，從而使合金固溶體的強(qiáng)度和硬度得到提高。,固溶強(qiáng)化,25,固溶體的性能 隨溶質(zhì)含量增加, 固溶體的強(qiáng)度、硬度增加, 塑性、韌性下降固溶強(qiáng)化。 產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因是溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸變及對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用。,與純金屬相比，固溶體的強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性低。但與化合物相比，固溶體的硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。,26,金屬化合物：合金組元之間相互作用形成的、晶格類型和特性均不同于任一組元的新相。 正常價(jià)化合物：由元素周期表上相距較遠(yuǎn)而化學(xué)性質(zhì)相差較大的兩元素形成的、嚴(yán)格遵守化合價(jià)規(guī)律的化合物。 電子化

10、合物：不遵守一般的化合價(jià)規(guī)律但符合一定的電子濃度（化合物的價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之比值）的化合物。 間隙相和間隙化合物：非金屬原子半徑與金屬原子的比值小于0.59時(shí)形成簡(jiǎn)單晶格的間隙相，如VC、TiN、TiC 、NbC等；非金屬原子半徑與金屬原子的比值大于0.59時(shí)形成具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物，如鋼中的Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、FeB、Fe2B等。,金屬化合物,27,金屬化合物 合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。,鐵碳合金中的Fe3C,當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低

11、塑性。 金屬化合物也是合金的重要組成相。,28, 正常價(jià)化合物符合正常原子價(jià)規(guī)律。如Mg2Si。 電子化合物符合電子濃度規(guī)律。如Cu3Sn。 電子濃度為價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)的比值。 間隙相和間隙化合物由過渡族元素與C、N、B、H等小原子半徑的非金屬元素組成。,29,1.3.1 高分子材料的結(jié)構(gòu) （1）高分子材料概述 高分子聚合物（簡(jiǎn)稱高聚物）：以高分子化合物為主要組分的有機(jī)材料，其相對(duì)分子質(zhì)量在5000以上。 分類：分為天然和人工合成兩類。天然的包括天然橡膠、蠶絲、羊毛、纖維素、油脂、蛋白質(zhì)淀粉等；人工合成的有合成橡膠、塑料、合成纖維、涂料和膠粘劑等。 單體：彼此能相互連接起來而形成高分子化合物的

12、低分子化合物。如聚乙烯是由乙烯單體（CH2=CH2）聚合而成的。 鏈節(jié)：組成高分子化合物的長(zhǎng)鏈中的基本結(jié)構(gòu)單元。,1.3 非金屬材料的結(jié)構(gòu),30,高分子化合物化學(xué)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)： 高分子化合物的分子量很大，化學(xué)組成比較簡(jiǎn)單，同有機(jī)化合物一樣僅由幾種元素所組成。 其結(jié)構(gòu)像一條長(zhǎng)鏈，這個(gè)長(zhǎng)鏈?zhǔn)怯稍S多結(jié)構(gòu)相同的重復(fù)單元（即鏈節(jié)）組成。 高分子鏈的所有原子之間的結(jié)合鍵都是共價(jià)鍵。 高分子化合物總含有各種大小不同（鍵長(zhǎng)不同、分子量不同）的分子。高分子化合物的分子量是一個(gè)平均值。,31,（2）大分子鏈的結(jié)構(gòu) 均聚物：只含有一種單體鏈節(jié)，若干個(gè)鏈節(jié)由共價(jià)鍵按一定方式重復(fù)連接起來，像一根又細(xì)又長(zhǎng)的鏈子一樣。,（a

13、）線型結(jié)構(gòu) （b）支鏈型結(jié)構(gòu) （c）網(wǎng)狀結(jié)構(gòu),32,共聚物：由兩種以上不同的單體鏈節(jié)聚合而成的高分子聚合物。,共聚物結(jié)構(gòu)示意圖（表示M1，表示M2）,33,（3）高聚物的聚集狀態(tài),高聚物的聚集狀態(tài)有結(jié)晶態(tài)、部分結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)三種。結(jié)晶態(tài)聚合物分子排列規(guī)則有序；部分結(jié)晶態(tài)聚合物分子排列部分規(guī)則有序；非結(jié)晶態(tài)（亦稱玻璃態(tài)）聚合物分子排列雜亂不規(guī)則。 通常線型聚合物在一定條件下可以形成結(jié)晶態(tài)或形成部分結(jié)晶態(tài)；而網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聚合物為非結(jié)晶態(tài)（或玻璃態(tài)）。 非晶態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)中的大分子排列過去一直被認(rèn)為是雜亂無(wú)章、相互穿插交纏的；近來研究發(fā)現(xiàn)，非晶態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)只在大距離范圍內(nèi)是無(wú)序的，小距離范圍內(nèi)是有序

14、的，即為遠(yuǎn)程無(wú)序。,34,（3）高聚物的聚集狀態(tài),在實(shí)際生產(chǎn)中獲得完全晶態(tài)的聚合物是很困難的，大多數(shù)聚合物都是部分結(jié)晶態(tài)和完全非結(jié)晶態(tài)。聚合物由結(jié)晶區(qū)（分子有規(guī)則緊密排列的區(qū)域）和非結(jié)晶區(qū)（分子處于無(wú)序狀態(tài)的區(qū)域）組成。,高聚物的結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)示意圖,35,（3）高聚物的聚集狀態(tài),結(jié)晶態(tài)與非結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)均影響高聚物的性能。 結(jié)晶態(tài)聚合物分子排列緊密而有規(guī)則，分子間作用力較大，所以使高聚物的密度、強(qiáng)度、硬度、剛度、熔點(diǎn)、耐熱性、耐化學(xué)性、抗液體及氣體透過性等性能較高；而依賴鏈運(yùn)動(dòng)有關(guān)性能，如彈性、塑性和韌性等性能較低。 非結(jié)晶態(tài)聚合物由于分子鏈無(wú)規(guī)則排列，分子鏈的活動(dòng)能力大，故其彈性、塑性和韌性

15、等性能較高。 部分結(jié)晶態(tài)聚合物性能介于上述二者之間，且隨著結(jié)晶度的增加，熔點(diǎn)、相對(duì)密度、強(qiáng)度、剛度、耐熱性和抗熔性均提高，而彈性、塑性和韌性等性能降低。,36,1.3.2 陶瓷材料的結(jié)構(gòu),陶瓷是一種多晶固體材料，其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般由晶體相、玻璃相和氣相組成。陶瓷材料的性能及應(yīng)用主要決定于其組成相的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、大小、數(shù)量、分布狀況等。 晶體相：由某些金屬化合物或固溶體組成，是陶瓷材料的主要組成相，一般數(shù)量較多，對(duì)性能的影響較大。在陶瓷的晶體相結(jié)構(gòu)中，通常分為硅酸鹽結(jié)構(gòu)、氧化物結(jié)構(gòu)和非氧化物結(jié)構(gòu)三種。,37,1.3.2 陶瓷材料的結(jié)構(gòu),玻璃相：是一種非晶態(tài)的低熔點(diǎn)固體相。形成玻璃相的內(nèi)

16、部條件是粘度，外部條件是冷卻速度。一般粘度較大的物質(zhì)，如Al2O3、SiO2、B2O3等化合物的液體，當(dāng)其快速冷卻時(shí)很容易凝固成非晶態(tài)的玻璃體，而緩慢冷卻或保溫一段時(shí)間，則往往會(huì)形成不透明的晶體。 氣相：是指陶瓷組織結(jié)構(gòu)中的氣孔，它使材料的強(qiáng)度降低，熱導(dǎo)率、抗電擊穿能力下降，介電損耗增大，而且它往往是產(chǎn)生裂紋的原因。同時(shí)，氣相對(duì)光有散射作用而降低陶瓷的透明度。,38,1.4.1 凝固與結(jié)晶的概念 物質(zhì)從液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。凝固后的物質(zhì)可以是晶體，也可以是非晶體。若凝固后的物質(zhì)為晶體，則這種凝固成為結(jié)晶。 結(jié)晶是一個(gè)自發(fā)過程，但必須具備一定條件，即需要驅(qū)動(dòng)力。自然界的一切自發(fā)轉(zhuǎn)變過

17、程，總是由一種較高的能量狀態(tài)趨向較低的能量狀態(tài)。 通常在凝固條件下，金屬及其合金凝固后都是晶體，故也稱其為結(jié)晶。金屬材料的成形，除粉末冶金材料外，一般要經(jīng)過熔煉和澆注，即經(jīng)過一個(gè)結(jié)晶過程。,1.4 凝固的基本概念,39,結(jié)晶是一個(gè)自發(fā)過程，但必須具備一定條件，即需要驅(qū)動(dòng)力。 理論結(jié)晶溫度T0與實(shí)際結(jié)晶溫度Tn之差稱為過冷度，即T=T0-Tn。 只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)力達(dá)到一定程度時(shí)，液態(tài)金屬才能開始結(jié)晶?？梢娊Y(jié)晶的必要充分條件是液態(tài)金屬具有一定的過冷度。,1.4.2 結(jié)晶概述,40,液態(tài)物質(zhì)凝固成固態(tài)時(shí)，凝固的產(chǎn)物并非都是晶 體，也可能是非晶體。 凝固時(shí)形成晶體還是非晶體，主要取決于熔融液體的黏度和凝固的

18、速度。 冷卻速度是影響凝固過程的最主要外部因素從能量觀點(diǎn)看，若熔體在凝固時(shí)能完全釋放內(nèi)能，它將轉(zhuǎn)變成晶體；若部分釋放內(nèi)能，則轉(zhuǎn)化成非晶體。所以，非晶體是處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的物質(zhì)。,1.4.2 結(jié)晶概述,41,金屬的結(jié)晶都要經(jīng)歷晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)過程。 （1）晶核的形成：在過冷液體中形成固態(tài)晶核，有兩種形核方式：一種是均勻形核，又稱為均質(zhì)形核；另一種稱為非均勻形核，又稱為異質(zhì)形核（也稱雜質(zhì)形核）。,1.5 金屬的結(jié)晶,42,均質(zhì)形核是純凈的過冷液態(tài)金屬依靠自身原子的規(guī)則排列形成晶核的過程。它形成的具體過程是液態(tài)金屬過冷到某一溫度時(shí)，其內(nèi)部尺寸較大的近程有序原子集團(tuán)達(dá)到某一臨界尺寸后成為晶核。

19、 異質(zhì)形核是液態(tài)金屬原子，依附于模壁或液相中未熔固相質(zhì)點(diǎn)表面，優(yōu)先形成晶核的過程。 由形核的討論可知過冷是結(jié)晶的必要條件，但過冷后還需通過能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏，使近程有序的原子集團(tuán)達(dá)到某一臨界尺寸后才能形成晶核。,43,（2）晶核的長(zhǎng)大 一旦晶核形成，晶核就繼續(xù)長(zhǎng)大而形成晶粒。晶體的長(zhǎng)大過程可以看作是液相中的原子向晶核表面遷移、液固相界面向液相不斷推進(jìn)的過程。晶體的生長(zhǎng)有2種常見的形態(tài)。一種是平面狀態(tài)生長(zhǎng)；另一種是樹枝狀態(tài)生長(zhǎng)。,44,通常把實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象，理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差稱為過冷度。 只有當(dāng)溫度降到T0以下某一溫度T1時(shí)，固態(tài)原子的自由能低于保持液

20、態(tài)原子的自由能低，結(jié)晶才能有效進(jìn)行。,1.5.1 金屬的冷卻曲線,45,結(jié)晶后的晶粒大小及其控制金屬結(jié)晶后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。晶粒的大小可用晶粒度來表示， 晶粒的大小是形核率N和長(zhǎng)大速度的函數(shù)，影響形核率和長(zhǎng)大速度的重要因素是冷卻速度和難熔雜質(zhì)。,1.5.2 結(jié)晶后的晶粒大小及其控制,46,晶粒大小對(duì)金屬的機(jī)械性能有很大的影響，在常溫下，金屬的晶粒度越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度則越高，同時(shí)塑性韌性也越好。 通常把通過細(xì)化晶粒來提高材料性能的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。 細(xì)化晶粒的方法主要有如下幾種： （1）增大過冷度 （2）變質(zhì)處理 （3）振動(dòng)和攪拌,47,金屬鑄錠的組織特點(diǎn)： （1）表層細(xì)晶區(qū)； （2）柱狀晶區(qū)； （3）中心等軸晶區(qū)。,1.5.3 金屬鑄錠的結(jié)晶組織,48,金屬晶體的同素異構(gòu) 金屬的晶格因溫度改變而發(fā)生晶格類型變化的現(xiàn)象稱為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變。 金屬的同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變是原子重新排列的過程