金属材料结构性能.pptx
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1、第二部分:金属材料第二部分:金属材料第二部分:金属材料第二部分:金属材料梁玉军梁玉军材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院歼歼10 (10 (中国中国)太行发动机(中国)太行发动机(中国)材材 料料 学学 科科金金属属材材料料与与热热处处理理钢钢铁铁冶冶金金有有色色金金属属冶冶金金冶冶金金物物理理化化学学金金属属压压力力加加工工无无机机非非金金属属材材料料硅硅酸酸盐盐工工程程高高分分子子材材料料与与工工程程粉粉末末冶冶金金复复合合材材料料腐腐蚀蚀与与防防护护材材料料科科学学与与工工程程复复合合材材料料铸铸造造焊焊接接金属材料金属材料课程内容课程内容2、金属材料的力学性能、金属材料的力学性
2、能 3、金属合金相图、金属合金相图1、金属晶体结构、金属固溶体和晶体缺陷、金属晶体结构、金属固溶体和晶体缺陷 4、新型金属材料、新型金属材料 金属材料金属材料 金属材料是由化学元素周金属材料是由化学元素周期表中的金属元素组成的材料。期表中的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成的可分为由一种金属元素构成的单质(纯金属);由两种或两单质(纯金属);由两种或两种以上的金属元素或金属与非种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。合金又金属元素构成的合金。合金又可分为固溶体和金属间化合物可分为固溶体和金属间化合物。在在103种种元元素素中中,除除He,Ne,Ar等等6种种惰惰性性元元素素和和
3、C、Si、N等等16种种非非金金属属元元素素外外,其其余余81种种为为金金属属元元素素。除除Hg之之外外,单单质质金金属属在在常常温温下下呈呈现现固固体体形形态态,外外观观不不透透明明,具具有有特特殊殊的的金金属属光光泽泽及及良良好好的的导导电电性性和和导导热热性性。在在力力学学性性质质方方面面,具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。具有较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。单质金属单质金属 合合金金是是由由两两种种或或两两种种以以上上的的金金属属元元素素,或或金金属属元元素素与与非非金金属属元元素素熔熔合合在在一一起起形形成成的的具具有有金金属属特特性性的的新新物物质质。合合金金的的性性质质
4、与与组组成成合合金金的的各各个个相相的的性性质质有有关关,同同时时也也与与这这些些相相在合金中的数量、形状及分布有关。在合金中的数量、形状及分布有关。合合 金金合合 金金组元组元:组成材料的最基本的独立的物质称为:组成材料的最基本的独立的物质称为“组组元元”,组元可以是金属元素或非金属元素(例如:,组元可以是金属元素或非金属元素(例如:普通碳钢的组元是普通碳钢的组元是Fe与与C),也可以是稳定的化合,也可以是稳定的化合物。物。相相:材料中成份、性能、结构相同并以界面互相:材料中成份、性能、结构相同并以界面互相分开的均匀的组成部分称为分开的均匀的组成部分称为“相相”。金属的结构1、体心立方结构、
5、体心立方结构(a)刚球模型(b)质点模型(c)晶胞原子数图图1 1 体心立方晶胞体心立方晶胞(a)刚球模型)刚球模型(b)质点模型)质点模型(c)晶胞原子数)晶胞原子数金属的结构2、面心立方结构、面心立方结构(a)刚球模型)刚球模型(b)质点模型)质点模型(c)晶胞原子数)晶胞原子数图图2 2 面心立方晶胞面心立方晶胞 金属的结构3、密排六方结构、密排六方结构图图3 3 密排六方晶胞密排六方晶胞(a)刚球模型)刚球模型(b)质点模型)质点模型(c)晶胞原子数)晶胞原子数金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构实际上,金属是一个多晶体结构,实际上,金属是一个多晶体结构,这种原子排列方位基本一致,但这
6、种原子排列方位基本一致,但外形不规则的小晶体,称为晶粒。外形不规则的小晶体,称为晶粒。由于金属是多晶体结构,单个晶由于金属是多晶体结构,单个晶粒的各向异性彼此相互抵消,金属粒的各向异性彼此相互抵消,金属就显示出各向同性,若对金属进行就显示出各向同性,若对金属进行单方向的塑性变形(如冷扎、冷拉单方向的塑性变形(如冷扎、冷拉等),使各个晶粒的晶格趋向一致,等),使各个晶粒的晶格趋向一致,则多晶体金属又会显示出各向异性。则多晶体金属又会显示出各向异性。图图4 4 金属的多晶体结金属的多晶体结构示意图构示意图 金属间化合物金属间化合物合金的分类合金的分类固溶体固溶体合金的结构按其组元在结晶时彼此作用的
7、不同,合金的结构按其组元在结晶时彼此作用的不同,可以分为固溶体、金属化合物、机械混合物三种类型。可以分为固溶体、金属化合物、机械混合物三种类型。合金固溶体合金固溶体 当金属的晶体结构保持溶剂组元当金属的晶体结构保持溶剂组元的晶体结构时,这种合金称为一次固的晶体结构时,这种合金称为一次固溶体或端际固溶体,简称为溶体或端际固溶体,简称为固溶体固溶体。合金金属间化合物合金金属间化合物 金金属属元元素素与与其其它它金金属属元元素素或或非非金金属属元元素素之之间间形形成成合合金金时时,除除固固溶溶体体外外,还可能形成还可能形成金属间化合物金属间化合物。合金金属间化合物合金金属间化合物 A、B两组元相互溶
8、解后所形成的新的物质两组元相互溶解后所形成的新的物质既不是既不是A组元的结构,也不是组元的结构,也不是B组元的结构,而组元的结构,而是自身的一种独立的结构。是自身的一种独立的结构。例如:例如:Fe和和C所形成的化合物所形成的化合物Fe3C,就是一种,就是一种典型的金属化合物。典型的金属化合物。合金中的固溶体合金中的固溶体固溶体的分类固溶体的分类根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置,固溶根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置,固溶体可分为:体可分为:1.置换固溶体(代位固溶体)置换固溶体(代位固溶体)2.间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体特点特点 置换固溶体:置换固溶体:A组元的原子取代了组元的
9、原子取代了B组元的原子。组元的原子。当当A、B两个组元的原子直径相差不大时,两个组两个组元的原子直径相差不大时,两个组元可以以任何比例溶解,形成无限固溶体,反之则为元可以以任何比例溶解,形成无限固溶体,反之则为有限固溶体。有限固溶体。在在置换固溶体置换固溶体中,溶质原子位于溶剂晶体结构的中,溶质原子位于溶剂晶体结构的晶格格点上。晶格格点上。置换固溶体置换固溶体置换固溶体置换固溶体置换固溶体置换固溶体4(a)随机置换固溶体)随机置换固溶体(b)有序置换固溶体)有序置换固溶体特点特点间隙固溶体间隙固溶体 间隙固溶体:间隙固溶体:A组元溶入组元溶入B组元的的间隙中。只能组元的的间隙中。只能形成有限固
10、溶体。形成有限固溶体。例如:例如:C溶入溶入-Fe或或-Fe 所形成的铁素体、奥氏体。所形成的铁素体、奥氏体。在在间间隙隙固固溶溶体体中中,溶溶质质原原子子位位于于溶溶剂剂晶晶体体结结构构的的晶晶格格间间隙隙。溶溶质质原原子子在在固固溶溶体体中中的的分分布布可可以以是是随随机机的的,即即呈呈统统计计分分布布;也也可可以以是是部部分分有有序序或或完完全全有有序序,在在完完全全有有序序固固溶溶体体中中,异异类类原原子子趋趋于于相相邻邻,这这种种结结构构亦亦称称为超点阵或超结构。为超点阵或超结构。间隙固溶体间隙固溶体间隙固溶体间隙固溶体间隙固溶体间隙固溶体随机间隙固溶体随机间隙固溶体固溶体中的溶质丛
11、聚固溶体中的溶质丛聚 固溶体的电学、热学、磁学等物理性质固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化,但一般都不是线性也随成分而连续变化,但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元,而塑性则较低。元,而塑性则较低。合金中的固溶体合金中的固溶体合金中的固溶体合金中的固溶体实实际际应应用用:铂铂、铑铑单单独独做做热热电电偶偶材材料料使使用用,熔熔点点为为1450,而而将将铂铂铑铑合合金金做做其其中中的的一一根根热热电电偶偶,铂铂做做另另一一根根热热电电偶偶,熔熔点点为为1700,若若两两根根热热电电偶偶都都用用铂铂铑铑合合金金而而只只是铂铑比
12、例不同,熔点达是铂铑比例不同,熔点达2000以上。以上。金属间化合物金属间化合物特点特点金属间化合物可分为三类,金属间化合物可分为三类,即由负电性决定的即由负电性决定的原子价化合物原子价化合物(简称价化合物)(简称价化合物)、由电子浓度决定的、由电子浓度决定的电子化合物电子化合物(亦称为电子相)(亦称为电子相)以及由原子尺寸决定的以及由原子尺寸决定的尺寸因素化合物尺寸因素化合物。除了这三类由单一元素决定的典型金属间化合物外,除了这三类由单一元素决定的典型金属间化合物外,还有许多金属间化合物,还有许多金属间化合物,其结构由两个或多个因素决定,称之为复杂化合物。其结构由两个或多个因素决定,称之为复
13、杂化合物。晶体结构缺陷晶体结构缺陷缺陷的含义缺陷的含义:通常把晶体点阵结构中周期性势:通常把晶体点阵结构中周期性势 场的畸变称为晶体的场的畸变称为晶体的结构缺陷结构缺陷。理想晶体理想晶体:质点严格按照空间点阵排列。:质点严格按照空间点阵排列。实际晶体实际晶体:存在着各种各样的结构的不完整性。:存在着各种各样的结构的不完整性。由由于于缺缺陷陷的的存存在在,才才使使晶晶体体表表现现出出各各种种各各样样的的性性质质,使使材材料料加加工工、使使用用过过程程中中的的各各种种性性能能得得以以有有效效控控制制和和改改变变,使使材材料料性性能能的的改改善善和和复复合合材材料料的的制制备备得得以以实实现现。因因
14、此此,了了解解缺缺陷陷的的形形成成及及其其运运动动规规律律,对对材材料料工工艺艺过过程程的的控控制制,对对材材料料性性能能的的改改善善,对对于于新新型型材材料料的的设设计计、研研究究与与开开发发具具有有重重要要意意义义。研究缺陷的意义研究缺陷的意义缺陷的类型缺陷的类型点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷面缺陷热缺陷热缺陷杂质缺陷杂质缺陷非化学计量缺陷非化学计量缺陷缺陷的成因缺陷的成因晶体结构缺陷晶体结构缺陷点缺陷(零维缺陷)点缺陷(零维缺陷)Point Defect缺陷尺寸处于原子大小的数量级上,即三维方向上缺陷尺寸处于原子大小的数量级上,即三维方向上缺陷的尺寸都很小。缺陷的尺寸都很小。包括:包括:
15、空位(空位(vacancy)间隙质点(间隙质点(interstitial particle)错位原子或离子错位原子或离子 外来原子或离子外来原子或离子(杂质质点(杂质质点)(foreign particle)双空位等复合体双空位等复合体点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。动力学过程等有关。Now What Do You See?VacancyInterstitial 空位空位:-结构中存在空位原子。间隙质点间隙质点:-原子间存在特殊原子。发生概率高发生概率低点缺陷(零维缺陷)点缺陷(零维缺陷)Point Defect点缺陷(
16、零维缺陷)点缺陷(零维缺陷)Point DefectOR替位合金(Substitutional alloy)(如:Cu in Ni)间隙合金(Interstitial alloy)(如:C in Fe)线缺陷线缺陷指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷,即缺陷尺寸在一维规则性排列所产生的缺陷,即缺陷尺寸在一维方向较长,另外二维方向上很短。如各种方向较长,另外二维方向上很短。如各种位错位错(dislocation),),如如图图所示。所示。线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。密切相关。线缺陷
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