1材料的组织结构及性能.ppt
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1、1.材料的结构与性能1 1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。2 2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。3 3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
2、性能特点。4对陶瓷材料的结构与性能只作一般了解。4 41.1 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。5 5晶体与非晶体晶体与非晶体晶体: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。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,和液非晶体:材料的原子(离子、分子)无规
3、则排列,和液 体相似,亦称为体相似,亦称为“过冷液体过冷液体”或或“无定形体无定形体”。如玻如玻 璃、松香、石腊等。璃、松香、石腊等。(a)(a)、是否具有周期性、对称性、是否具有周期性、对称性(b)(b)、是否长程有序、是否长程有序(c)(c)、是否有确定的熔点、是否有确定的熔点(d)(d)、是否各向异性、是否各向异性区区别别6 6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。7 7What?What?“组织结构组织结构”8 81.1.1 纯金属的晶体结构右手螺旋直角坐标系:9 91.1.1 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
4、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。1010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、等六个参数来描述。其中a、b、c 为晶格常数。11111.1.1 纯金属的晶体结构金属的晶格常数一般为:110-10 m-710-10 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。1212晶格常数测量:X射线衍射1313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
5、。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。14141.1.1 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。15151616三种晶体结构1717(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。1818体心立方晶胞特征晶格常数:晶胞原子数:原子半径:致密度:晶胞中原子体积和/晶胞体积1919体心立方晶胞特征间隙半径:12个四面体间隙6个八面体间隙2
6、020体心立方晶胞特征配位数: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:82121(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)、-铁(-Fe,912-1394)等。2222(2)面心立方晶胞23232424四面体间隙8个八面体间隙4个配位数:122525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
7、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。262627272828292930303131(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。32323333(3)密排六方晶格(胞)(H.C.P.晶格)343435353636晶体学抽象:晶体学抽象:空空间间规规则则排排列列的的原原子子刚刚球球模模型型晶晶格格(刚刚球球抽抽象象为为晶晶格格结结点点,构构成成空空间间格格架架)晶晶胞胞(具具有有周周期期性性最最小小组组
8、成成单元)单元)37373 3三种典型的纯金属晶体晶胞三种典型的纯金属晶体晶胞属于此类结构的金属属于此类结构的金属有:碱金属、难溶金有:碱金属、难溶金属(属(V、Nb、Cr、Mo、W)、)、a-Fe等等属于此类结构的金属的属于此类结构的金属的有:有:Al、Cu、Au、Ag、-Fe、Ni、Pb以及奥以及奥氏体不锈钢等。氏体不锈钢等。属于此类结构的金属属于此类结构的金属有:有:Mg、Zn、a-Be、a-Ti、a-Zr、a-Co等。等。体心立方晶胞体心立方晶胞bccbcc(Body-centered cubic)(Body-centered cubic)面心立方晶胞面心立方晶胞fccfcc(Face
9、-centered(Face-centered cubiccubic)密排六方晶胞密排六方晶胞hcphcp(hexagonal close-(hexagonal close-packedpacked)3838(1)(1)体心立方晶胞体心立方晶胞BCC BCC Body-Centered CubicBody-Centered Cubic 晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度BCCa=b=c,=902868%刚球模型刚球模型晶胞原子数晶胞原子数晶格模型晶格模型3939(2)(2)面心立方晶胞面心立方晶胞FCC-Face-Centered CubicFCC-Face-Centered Cub
10、ic晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度FCCa=b=c,=9041274%刚球模型刚球模型晶胞原子数晶胞原子数晶格模型晶格模型4040(3 3)密排六方晶胞)密排六方晶胞HCP-Hexagonal Close-PackedHCP-Hexagonal Close-Packed 晶胞晶体学参数原子半径晶胞原子数配位数致密度HCPa=bc,c/a=1.633=90=120a/261274%刚球模型刚球模型晶胞原子数晶胞原子数晶格模型晶格模型41414242上节课回顾43432.2.金属晶体中的晶面和晶向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面:在晶体学中,通过晶
11、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晶向:通过原子中心的直线所指的方向XYabcXYZabc4444(1 1)立方晶系的晶面表示方法)立方晶系的晶面表示方法4545 确定确定欲定晶面外欲定晶面外的原点,建立坐标系,写出欲定晶的原点,建立坐标系,写出欲定晶面在三个坐标轴上的面在三个坐标轴上的截距截距。取三个截距值的取三个截距值的倒数倒数并按比例化为并按比例化为最小整数最小整数,加圆括,加圆括弧,形式为(弧,形式为(hkl)。)。负号:负号:立方晶系晶面指数的标定立方晶系晶面指数的标定4646例一例一.画出截距为画出截距为、1、晶面的指数晶面的指数 截距值取倒数为截距值取倒数为0、
12、1、0,加圆括弧得(,加圆括弧得(010)例二例二.画出(画出(112)晶面)晶面 取三指数的倒数取三指数的倒数1、1、1/2,化成最小整数为化成最小整数为2、2、1,即为,即为X、Y、Z三坐标轴上的截距三坐标轴上的截距4747晶面族相互平行的晶面晶面相互平行的晶面晶面指数相同(或指数相指数相同(或指数相同符号相反)同符号相反)(hkl)(hkl)表示的是一组表示的是一组平行的晶面平行的晶面晶面族晶面族:原子排列情原子排列情况相同而空间位向不况相同而空间位向不同(不平行)的晶面同(不平行)的晶面 1 11 1 11 立方晶胞中主要晶面立方晶胞中主要晶面(100)(111)()(110)4848
13、立方晶系常见的晶面为:立方晶系常见的晶面为:任意交换指数的位置和改变符号任意交换指数的位置和改变符号,都是该族的范围都是该族的范围4949110(110)(110)(101)(101)(011)(011)XZY5050晶向指数确定的步骤晶向指数确定的步骤BXYZoAB1 1)确定坐标系确定坐标系(例:(例:xyzxyz);2 2)过坐标原点,作直线与待求晶向平行过坐标原点,作直线与待求晶向平行(例:引(例:引OBOB/AB/AB);3 3)在该直线上任取一点,并确定该点的在该直线上任取一点,并确定该点的坐标坐标(x x,y y,z z)(例:(例:B B点坐标为点坐标为-1,1,0-1,1,0
14、););4 4)将此值化成将此值化成最小整数最小整数:u v w:u v w,并加以,并加以方括号方括号u v wu v w即是即是 (例:(例:ABAB晶向指数为晶向指数为 1 0 1 0)。(代表一组互相平行,方向一致的晶向)(代表一组互相平行,方向一致的晶向)(2 2)立方晶系的晶向表示方法)立方晶系的晶向表示方法5151 确定原点,建立坐标系,过原点作所求晶确定原点,建立坐标系,过原点作所求晶向的平行线。向的平行线。求直线上任一点的坐标值并按比例化为最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。形式为小整数,加方括弧。形式为 uvwuvw。立方晶系晶向指数的标定立方晶系晶向指
15、数的标定5252例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为例一、已知某过原点晶向上一点的坐标为1、1.5、2,画出该晶向。,画出该晶向。将三坐标值化为最小整数加方括弧得将三坐标值化为最小整数加方括弧得234。l例二、已知晶向指数为例二、已知晶向指数为110,画出该晶向。画出该晶向。l找出找出1、1、0坐标点坐标点,连连接原点与该点的直线即接原点与该点的直线即所求晶向。所求晶向。1102345353相互平行的晶向晶向相互平行的晶向晶向指数相同(或指数相指数相同(或指数相同符号相反)同符号相反)u v w表示的是一组表示的是一组平行的晶向平行的晶向晶向族晶向族:原子排列情原子排列情况相同而空间位向不况相
16、同而空间位向不同(不平行)的晶向同(不平行)的晶向xzy100立方晶胞中主要晶向立方晶胞中主要晶向010001111110105454立方晶系常见的晶向为:立方晶系常见的晶向为:5555立立方方晶晶系系常常见见的的晶晶向向5656111111111111XZY5757注意:注意:立方晶系中,晶向指数与晶面立方晶系中,晶向指数与晶面指数数值和符号相同时,该晶指数数值和符号相同时,该晶面与晶向垂直,例:面与晶向垂直,例:(1 1 1)1 1 1 遇到负指数,遇到负指数,“-”号放在该指号放在该指数的上方数的上方同一直线相反两个方向的晶向同一直线相反两个方向的晶向指数符号相反指数符号相反如如110与
17、与110方向相反。方向相反。5858(3)(3)六方晶格的晶向指数和晶面指六方晶格的晶向指数和晶面指数数(h k i l),i=-(h+k)u v t w,t=-(u+v)四轴坐标系:四轴坐标系:a1,a2,a3,c120 120 a1ca2a35959l BCC BCC中,密排面为中,密排面为1 1 01 1 0;密排方向为;密排方向为 l FCC FCC中,密排面为中,密排面为1 1 11 1 1;密排方向为;密排方向为(4)(4)密排面与密排方向密排面与密排方向l 原子密度最大的晶向原子密度最大的晶向l 原子密度最大的晶面原子密度最大的晶面606061616262密排面密排面数量数量密排
18、方向密排方向数量数量体心立方晶格体心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方晶格密排六方晶格 六方底面六方底面1底面对角线底面对角线3密排面和密排方向密排面和密排方向6363三种常见晶格的密三种常见晶格的密排面和密排方向排面和密排方向六方底面六方底面底面对角线底面对角线密密排排六六方方晶晶格格面面心心立立方方晶晶格格体体心心立立方方晶晶格格6464体心立方体心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面65653.3.晶体的特性晶体的特性(1 1)有确定的熔点)有确定的熔点熔点熔点晶体晶体非晶体非晶体时间时间温温度度晶体和非晶体的熔化曲线晶体和非
19、晶体的熔化曲线6666不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象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。的物理、化学和机械性能不同。实际金属不表现各向异性实际金属不表现各向异性(多晶体多晶体)(2 2)各向异性)各向异性67674.实际晶体结构在
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