工程材料与成形技术基础.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第 页,单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,封面,目 录,1.1,概述,1.1.1,金属材料的发展,1.1.2,非金属材料及复合材料的发展,1.1.3,新材料的发展趋势,1.2,固体材料的性能,1.3,金属的结构,1.3.1,金属的晶体结构,1.3.2,实际金属的晶体结构,第,1,章 工程材料,材料是现代文明的三大支柱之一，也是,发展国民经济和机械工业的重要物质基础。材料作为生产活动的基本投入之一，对生产力的发展有深远的影响。历史上曾把当时使用的材料，当作历史发展的里程碑，如,“,石器时代,”,、,“,青铜器时代,”,、,“,铁器时代,”,等。,科学技术的进步，推动了材料工业的发展，使新材料不断涌现。石油化学工业的发展，促进了合成材料的兴起和应用；,20,世纪,80,年代特种陶瓷材料又有很大进展，工程材料随之扩展为包括金属材料、有机高分子材料（聚合物）和无机非金属材料三大系列的全材料范围。,1,1.1,概述,第,1,章 工程材料,人类早在,6000,年以前就发明了金属冶炼，公元前,4000,年，古埃及人便掌握了炼铜技术。我国青铜冶炼始于公元前,2000,年（夏代早期）。古埃及在,5000,年以前，就用含镍,7.5,的陨石铁做成铁球。我国春秋战国时期，已经大量使用铁器。,铸铁的发展经历了,5 000,年的漫长岁月，只是到了瓦特发明蒸汽机以后，由于在铁轨、铸铁管制造中的大量应用，才走上工业生产的道路。从,20,世纪,50,年代到,2006,年，全世界的钢产量由,2.1,亿吨增加到,12.39,亿吨。而我国,2006,年钢产量达到,4.19,亿吨，超过,20,世纪,50,年代全球钢产量一倍，跃居全球钢产量首位。,在黑色金属发展的同时，非铁金属也得到发展。人类自,1866,年发明电解铝以来，铝已成为用量仅次于钢铁的金属。,1910,年纯钛的制取，满足了航空工业发展的需求。,2,1.1.1,金属材料的发展,1.1.2,非金属材料及复合材料的发展,非金属材料如陶瓷、橡胶等的发展历史也十分悠久。进入到,20,世纪后，更是取得了重大的进展。,20,世纪,60,年代到,70,年代，有机合成材料每年以,14,的速度增长，而金属材料年增长率仅为,4,。,1970,年世界高分子材料为,4000,万吨，其中,3000,万吨为塑料；橡胶为,500,万吨，这已超过天然橡胶的产量；合成纤维,400,万吨。,20,世纪,90,年代，塑料产量已逾亿吨，,2006,年我国塑料产量达到,2801.9,万吨。,陶瓷材料在冶金、建筑、化工和尖端技术领域已成为耐高温、耐腐蚀和各种功能材料的主要用材。,航空、航天、电子、通信、机械、化工、能源等工业的发展对材料的性能提出了越来越高的要求。传统的单一材料已不能满足使用要求，复合材料的研究和应用引起了人们的重视。玻璃纤维树脂复合材料、碳纤维树脂复合材料等已在航空航天工业和交通运输、石油化工等工业中广泛应用。,3,1.1.3,新材料的发展趋势,随着社会的发展和科学技术的进步，新材料层出不穷。每一种重要的新材料的发现和应用，都把人类支配自然的能力提高到一个新的水平。工程材料目前正朝高比强度（单位密度的强度）、高比模量（单位密度的模量）、耐高温、耐腐蚀的方向发展。图,1,-,1,为材料比强度随时间的进展的示意图，今日先进材料强度比早期材料增长,50,倍。,图,1,-,1,材料比强度随时间的进展,4,5,新材料主要在以下几方面获得发展：,1.,先进复合材料,由基体材料（高分子材料、金属或陶瓷）和增强材料（纤维、晶须、颗粒）复合而成的具有优异性能的新型材料。,2.,光电子信息材料,光电子信息材料包括量子材料、生物光电子材料、非线性光电子材料等。,3.,低维材料,指超微粒子（零维）、纤维（一维）和薄膜（二维）材料，这是近年来发展最快的材料领域。,4.,新型金属材料,如镍基高温合金、非晶态合金、微晶合金、,Al-Li,合金金属间化合物等。,1.2,固体材料的性能,6,固体材料的主要性能包括力学性能、物理性能、化学性能、工艺性能等。力学性能是工程材料最主要的性能，又称机械性能，指材料在外力作用下表现出来的性能，包括弹性、强度、塑性、硬度、韧性、疲劳强度、蠕变和磨损等。外力即载荷，常见的各种外载荷如图,1,-,2,所示。,图,1,-,2,载荷的形式,1.,强度和塑性,材料强度指材料在达到允许的变形程度或断裂前所能承受的最大应力，如弹性极限、屈服点、抗拉强度、疲劳极限、蠕变极限等等。按外力作用的方式不同，强度可分为抗拉、抗压、抗弯、抗剪强度等。工程上最常用的强度指标有屈服强度和抗拉强度。,7,材料的强度、塑性指标可以通过实验测定。,图,1,-,3,低碳钢拉伸应力应变图,图,1,-,3a,为低碳钢拉伸试验测得的应力应变图。试验时将材料做成如图,1,-,3b,标准试样，试样在外力作用下，发生伸长。,试样在外力作用下，其内部产生一种内力，其数值大小与外力相等，方向相反。材料单位面积上的内力称为应力，以,(,单位：,Pa),表示。可按下式计算：,8,(1,-,1),1),弹性和弹性模量,试样加载后应力不超过,e,，若卸载，试样能恢复原状，这种材料不产生永久变形的性能，称为弹性。,e,为材料不产生永久变形时所能承受的最大应力，称为弹性极限。,图中,Op,为直线，表示应力,(,),与应变,(,),成正比。,P,点是保持这种正比关系的最高点，,p,称为比列极限。,p,与,e,在数值上很接近，应用时两者常取同一数值。,9,Op,的斜率,E,(,E,=),称为材料的弹性模量，即引起单位弹性变形所需要的应力。工程上把弹性模量,E,称为材料的刚度，表示材料抵抗弹性变形的能力。,弹性模量,E,主要取决于材料的化学成分，,对金属材料来说，,E,主要取决于基体材料，,合金化、,冷热加工对它的影响很小。,室温时钢的弹性模量,E,在,190 000,22 0000,MPa,之间。弹性模量随温度的升高而逐渐降低。,2),塑性,10,载荷超过弹性极限后，若卸载，试样的变形不能全部消失，将保留一部分残余变形。这种不能恢复的残余变形，称为塑性变形，产生塑性变形而不断裂的性能称为塑性。塑性的大小用伸长率,和断面收缩率,表示。,(1-2),式中,:,l,试样拉断后对接的标距长度，,mm,；,l,0,试样原标距长度，,mm,。,(1-3),11,式中,S,0,试样原始横截面积，,mm,2,。,S,试样拉断后缩颈处最小横截面积,(mm,2,),。,、,愈大，表示材料的塑性愈好。伸长率,的值随试样原始长度增加而减小。所以，同一材料的短试样,(,l,0,5,d,0,，,d,0,为试样原标距直径,),比长试样,(,l,0,10,d,0,),的伸长率大,20,左右。用短试样和长试样测得的伸长率分别用,5,和,10,表示。,金属材料因具有一定的塑性才能进行各种变形加工，并使零件在使用中偶然过载时，产生一定的塑性变形，而不至于突然断裂，提高零件使用的可靠性。,3),强度,12,在外力作用下，材料抵抗变形和断裂的能力称为强度。按外力不同，分为抗拉强度、抗压强度、抗扭强度等，常用指标屈服强度,s,和抗拉强度,b,。,(1),屈服强度,s,如图,1,-,3,所示，在,s,点（称屈服点）出现横向震荡曲线或水平线段，这表示拉力不再增加，但变形仍在进行，此时若卸载，试样的变形不能全部消失，产生微量的塑性变形。,s,即表示材料在外力作用下开始产生塑性变形时的最低应力，即材料抵抗微量塑性变形的能力。,需要指出，大多数金属材料在拉伸时没有明显的屈服现象，按,GB 228,1987,要求，取规定非比例伸长与原标距长度比为,0.2,时的应力（记为,p0.2,），作为屈服强度指标，称为条件屈服强度，可用,0.2,表示。,13,（,1,-,4,）,式中,:,F,0.2,试样产生,0.2,塑性变形时的外力。,零件在工作时一般不允许发生塑性变形。所以，屈服强度是零件设计时的主要参数。,（,2,）抗拉强度 抗拉强度为图,1-3,所示的,b,值，即材料被拉断前的最大承载能力。当载荷达到,F,b,时，试样产生,“缩颈”,现象。故载荷也逐渐减小，当达到拉伸曲线上,k,点时，试样发生断裂。,s,与,b,的比值称为屈强比，其值一般在,0.65,0.75,之间。屈强比愈小，工程构件的可靠性愈高；屈强比愈大，材料的强度利用率愈高，但可靠性降低。,抗拉强度是零件设计时的重要参数。合金化、热处理、冷热加工对材料的,s,与,b,均有很大的影响。,2.,硬度,14,硬度是指金属材料表面抵抗其它硬物体压入的能力，它是衡量金属材料软硬程度的指标。硬度值和抗拉强度等其它力学性能指标之间存在一定关系，故在零件图上，对力学性能的技术要求往往是标注硬度值。,生产中也常以硬度作为检验材料性能是否合格的主要依据，并以材料硬度作为制定零件加工工艺的主要参考。测定硬度最常用的方法是压入法，工程上常用的硬度指标是布氏、洛氏和维氏硬度。硬度测定的方法和适用范围见表,1,-,1,。,由于各种硬度试验的条件不同，因此，相互间没有换算公式。但根据试验结果，可获得大致的换算关系如下：,HBW10 HRC,；,HBWHV,。,表,1,-,1,常用硬度指标测试方法和适用范围,15,硬度分类,测试原理,计算公式及适用范围,测试原理简图,布氏硬度,用一定直径的硬质合金或淬火钢球体，以相应的试验力压入试样表面，经规定保持时间后卸载，用测量的表面压痕计算硬度,适用测定硬度值,650,以下材料,记为,HBW,洛氏硬度,在初始试验力及总试验力先后作用下，将压头（金刚石圆锥或淬火钢球）压入试样表面，经规定保持时间后卸载，用测量残余压痕深度增量计算硬度,HRA,测定硬质合金、表面淬火层、渗碳钢,;HRB,测非铁金属、退火钢、正火钢；,HRC,测淬火钢、调质钢,维氏硬度,用锥面夹角,136,度的金刚石四棱锥体压头，在载荷,F,作用下，在试样表面压出一个四方锥形压痕，通过测量压痕投影两对角线平均长度,d,测量硬度,可采用统一的硬度指标，测量从极软到极硬材料的硬度，硬度范围为,8,1 000 HV,。因压痕浅，特别适用于测定极薄试样的表面，但测量麻烦,硬度指标,划痕法硬度值（莫氏硬度）,弹性回跳法硬度值（肖氏硬度、里氏硬度）,压入法硬度值（工业中应用广泛）,布氏硬度（,HBS),淬火钢球，（,HBW),硬质合金球,洛氏硬度,(HRC),（,锥角为,120,的金刚石圆锥体）,维氏硬度,(HV),（,锥面角为,136,的金刚石四棱锥体为压头,(1),布氏硬度,HB(,Brinell,-hardness),布氏硬度计,了解几种常用硬度测量方法,(1),布氏硬度,HB(Brinell-hardness),适用范围,:,450HBS;,650HBW;,(1),布氏硬度,HB(,Brinell,-hardness),符号,HBS,或,HBW,之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如,:,120HBS,10,/,1000,/,30,表示直径为,10,mm,的钢球在,1000,kgf,（,9.807kN,）,载荷作用下保持,30,s,测得的布氏硬度值为,120,。,(2),洛氏硬度,HR(Rockwll hardness),h,1,-,h,0,洛氏硬度测试示意图,洛氏硬度计,10HRCHBS,(3),维氏硬度,HV (diamond penetrator hardness),适用范围,:,测量薄板类,;,HVHBS;,3.,冲击韧度,16,评定材料抵抗大能量冲击载荷能力的指标称为冲击韧度,a,K,。常用一次摆锤冲击弯曲试验来测定金属材料的冲击韧度。其测定方法如图,1,-,4,。则冲击韧性,a,K,（单位：,J/cm,2,),的值为：,图,1,-,4,摆锤冲击试验 图,1,-,5,材料的冲击韧度值温度关系曲线,17,a,K,=,(1,-,5),式中：,S,试样缺口处的原始截面积，,cm,2,。,材料的冲击韧度值主要取决于其塑性，并与温度有关。第二次世界大战中，美国建造了约,5 000,艘全焊接,“,自由轮,”,。其中在,1942,年至,1946,年间发生破断的船舶达,1 000,艘，,1946,年至,1956,年之间有,200,艘发生严重折断事故。,1943,年,1,月美国的一艘,T-2y,油船停泊在装货码头时断裂成两半。当时计算的甲板应力水平仅为,70,MPa,，远远低于船板钢的强度极限。,1945,年,1948,年美国国家标准局认真分析和研究了第二次世界大战焊接船舶的破断事故，通过在不同的温度下对材料进行一系列冲击试验，得知材料的冲击韧度值随温度的降低而减小（图,1,-,5,），当温度降低到某一温度范围时，冲击韧度急剧下降，材料由韧性状态转变为脆性状态。这种现象称为,“,冷脆,”,。该温度范围称为,“,冷脆转变温度范围,”,。其数值愈低，表示材料的低温冲击性能愈好。这对于在低温下工作的零件具有重要的意义。,4.,疲劳强度,18,许多机器零件的弹簧、轴、齿轮等，在工作时承受交变载荷，当交变载荷的值远远低于其屈服强度时发生断裂，这种现象称为疲劳断裂。疲劳断裂与在静载作用下材料的断裂不同，不管是脆性材料还是韧性材料，疲劳断裂都是突然发生的，事先无明显的塑性变形，属于低应力脆断。,基本概念,交变载荷：载荷大小和方向随时间发生周期变化的载荷。,疲劳断裂：零件在交变载荷下经过长时间工作而发生断裂的现象成为疲劳断裂。,疲劳断裂过程：裂纹萌生、疲劳裂纹扩展、最后瞬时断裂。,疲劳断口的特点,19,疲劳源区和疲劳扩展区的微观形貌,一个疲劳源,两个疲劳源,微裂纹,疲劳条纹,20,疲劳抗力指标,1,、无裂纹构件的疲劳抗力指标,：,疲劳极限,过载持久值,疲劳极限：材料经过无限次应力循环不发生断裂的最大应力。对应于疲劳曲线上水平部分对应的应力值。,疲劳曲线,21,两种类型的疲劳曲线,a),钢铁材料,b),部分有色金属（如铝合金）,条件疲劳极限,疲劳极限,22,过载持久值：材料在高于疲劳极限的应力作用下发生疲劳断裂的循环周次。,高周疲劳：,N,f,10,5,低周疲劳,:,N,f,10,5,2,、,带裂纹构件的疲劳抗力指标,疲劳裂纹扩展曲线,裂纹扩展速率（,da/dN,),疲劳裂纹扩展门槛值,(,DK,th,）,23,影响疲劳抗力的因素,1,、载荷类型,拉压疲劳和扭转疲劳的疲劳极限均小于对称弯曲疲劳。,2,、材料本质,材料种类、组织、纯度、强度、塑性、韧性均对疲劳极限有影响。,3,、零件表面状态,表面有缺陷会降低疲劳极限。,4,、工作温度,温度升高，疲劳极限降低。,5,、腐蚀介质,腐蚀介质使疲劳极限降低。,24,25,材料的强度愈高，疲劳强度也愈高。当工件表面留存残余压应力时，材料表面疲劳极限提高。,材料的疲劳强度与其抗拉强度之间存在一定的经验关系，如碳钢,-1,0.43,b,，合金钢,-1,0.35,b,12MP,a,。因此在其他条件相同的情况下，材料的疲劳强度随抗拉强度的提高而增加。,5.,断裂韧度,26,一些工程结构件和机器零件在低于许用应力的条件下工作，产生无明显塑性变形的断裂，这种断裂称为低应力脆断。低应力脆断是由于材料内部已存在的宏观裂纹失稳扩展引起的。,如图,1,-,7,所示，材料中存在一条长度为,2,a,的裂纹，在与裂纹方向垂直的外加拉应力,作用下，裂纹尖端附近的应力分布不再均匀，存在严重的应力集中现象，形成裂纹尖端应力集中场，其大小可用应力强度因子,K,（单位：,Nmm,-,2/3,）来描述。,K,=,(1-6),27,随,或,a,增大，,K,亦增大。当,K,增大到某一临界值时，使裂纹尖端的应力场大到足以使裂纹失稳扩展，从而导致材料发生断裂。这个应力强度因子,K,的临界值，称为材料的断裂韧度，用,K,C,表示。它反映材料有裂纹存在时，抵抗脆性断裂的能力。它是材料本身的特性，与材料的成分、热处理及加工工艺等有关。,图,1,-,7,张开型裂纹及其尖端应力场示意图,6.,金属的高温力学性能,28,材料在高温下其力学性能与常温下是完全不同的。,许多机械零件在高温下工作，在室温下测定的性能指标就不能代表其在高温下的性能。一般来说，随着温度的升高，弹性模量,E,、屈服强度,S,、硬度等值都将降低，而塑性将会增加，除此之外，还会发生蠕变现象。,蠕变是指金属在高温长时间应力作用下，即使所加应力小于该温度下的屈服强度，也会逐渐产生明显的塑性变形直至断裂。有机高分子材料，即使在室温下也会发生蠕变现象。,材料在高温下的力学行为,1,、材料的强度随温度的升高而降抵。,2,、高温下材料的强度随时间的延长而降抵。,3,、高温下材料的变形量随时间的延长而增加。,蠕变：材料在长时间恒应力作用下缓慢产生塑性变形的现象称为蠕变。,评价材料高温力学性能指标,1,、蠕变极限：高温长期载荷作用下材料对塑性变形的抗力指标成为蠕变极限。,表示方法：,（,1,）在规定温度下,使试样产生规定稳态蠕变速率的应力值,，符号为,（,2,）,给定温度下，在规定时间内使试样产生一定蠕变总变形量,d,的应力值，符号为：,29,持久强度：材料在高温长期载荷作用下抵抗断裂的能力。,表示方法：,用给定温度和规定时间内试样发生断裂时的应力表示，,s,T,t,t-,时间；,T-,温度,；,高温下零件的失效和防止,高温下零件的,失效形式,：过量塑性变形（蠕变变形）、断裂、磨损、氧化腐蚀等。,防止措施,：正确选材（选熔点高、组织稳定的材料）；表面处理（表面渡硬铬、热喷涂铝和陶瓷等）。,30,1.3,金属的结构,固态物质按原子的聚集状态分为晶体和非晶体。固态金属基本上都是晶体，非金属物质大部分也是晶体，如金刚石、硅酸盐、氧化镁等，而常见的玻璃、松香等，则为非晶体。,1.3.1,金属的晶体结构,31,图,1,-,8,晶体中原子排列示意图,1.,晶体和金属的特性,原子在空间呈规则排列的固体物质称为,“,晶体,”,，如图,1,-,8a,所示。晶体具有固定的熔点。,32,金属原子结合方式,-,金属键,金属晶体中，金属原子失去最外层电子变成正离子，每一个正离子按一定规则排列并在固定位置上作热振动，自由电子在各正离子间自由运动，并为整个金属所共有，形成带负电的电子云。正离子与自由电子的相互吸引，将所有的金属原子结合起来，使金属处于稳定的晶体状态。金属原子的这种结合方式称为,“,金属键,”,。,33,利用金属键可以解释金属晶体的各种特性：,金属键的特点是没有饱和性和方向性。自由电子的定向移动形成了电流，使金属表现出良好的导电性；正电荷的热振动阻碍了自由电子的定向移动，使金属具有电阻；温度升高，正电荷热振动振幅增加，电阻增大，电阻温度系数增大，使金属具有正的温度系数；自由电子能吸收可见光的能量，使金属具有不透明性；当自由电子从高能级回到低能级时，将吸收的可见光的能量以电磁波的形式辐射出来，使金属具有光泽；晶体中原子发生相对移动时，正电荷与自由电子仍能保持金属键结合，使金属具有良好的塑性。,非晶体的原子则是无规律、无次序地堆积在一起的。,2.,晶格、晶胞和晶格常数,34,为了便于分析晶体中原子排列规律及几何形状，将每一个原子假设成一个几何点，忽略其尺寸和重量，再用假想线把这些点连接起来，得到一个表示金属内部原子排列规律的抽象的空间格子，称为,“晶格”,，如图,1-8b,所示。,晶格中各种方位的原子面称为,“晶面”,，构成晶格的最基本几何单元称为,“,晶胞,”,，如图,1-8c,所示。晶胞的大小以其各边尺寸,a,、,b,、,c,表示，称为,“晶格常数”,，以,(,埃,),为单位。,(1 =110,-,8,cm),晶胞各边之间的夹角以,、,、,表示，如图,1,-,8c,所示。,3.,晶向与晶面,35,（,1,）立方晶系的晶向指数,在晶体中，任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。通常采用晶向指数来确定晶向在晶体中的位向（图,1,-,9,）。,确定立方晶系的晶向指数方法如下：,1,）建立坐标。选定晶胞的某一点阵为原点，以晶胞的,3,条棱边为坐标轴，以棱边的长度为单位长度；,2,）画有向线。过原点作一有向线平行,于待定晶向，所有相互平行的晶向有相同,的晶向指数,uvw,，如果方向相反，则它们,的晶向指数的数值相同，但符号相反；,3,）化简坐标值放入,uvw,内。取有向线段,上任一点的座标值化为最简整数，加以方括,号，,uvw,即为晶向指数。,例如，当坐标值,x,=1,，,y,=2,z,=1/3,时，其,晶向指数为,361,。,图,1,-,9,立方晶系的一些晶向指数,图,1,-,10,立方晶系中一些主要晶面的晶面指数,36,（,2,）立方晶系的晶面指数,晶体中各种方位的原子面称为晶面。立方晶系的晶面指数通常采用密勒指数法确定，即晶面指数是根据晶面与,3,个坐标轴的截距来决定。晶面指数形式为,(,h k l,),，按如下步骤确定：,1,）建坐标；,2,）求截距；,3,）取倒数并化整，放圆括号,(),内，即得。,相互平行的晶面，晶面指数相同。指数值相同而符号相反的两个晶面，如,(100),与,(),，则平行地分布在原点两边。图,1,-,10,所示为立方晶系中一些主要晶面的晶面指数。,4.,常见的晶格类型,根据晶胞的三条棱边是否相等、三个夹角是否相等以及是否为直角关系，晶体学将所有晶体分为,7,个晶系，,14,种空间点阵，称作布喇菲空间点阵（图,1,-,10.1,）。,由于金属键结合力较强，使金属原子具有趋于紧密排列的倾向，故大多数金属属于以下三种晶格类型。,图,1,-,10.1,布喇菲空间点阵,37,（,1,）体心立方晶格,38,体心立方晶胞如图,1,-,11a,所示，由八个原子构成一个立方体，在立方体的中心还有一个原子，其晶格常数,a=b=c,，棱边夹角,=,=,90,。晶胞实际原子数为,2,个。属于这类晶格的金属有：,-Fe,、铬,(Cr),、钼,(Mo),、钒,(V),、钨,(W),等。,图,1-11,体心立方晶胞,（,2,）面心立方晶格,39,面心立方晶格的晶胞如图,1,-,12a,所示，由八个原子构成一个立方体，在立方体六个面的中心各有一个原子，晶胞中实际原子数为,81/8+61/2=4,个。属于这类晶格的金属有：,-Fe,、铝,(Al),、铜,(Cu),、银,(Ag),、镍,(Ni),、金,(Au),等。,图,1,-,12,面心立方晶胞,（,3,）密排六方晶格,40,密排六方晶格的晶胞如图,1,-,13a,所示，是一个六方柱体。柱体的上、下底面六个角及中心各有一个原子，柱体中心还有三个原子。柱体角上的原子为相邻六个晶胞共有，上、下底面的原子为两个晶胞共有，柱体中心的三个原子为该晶胞独有，如图,1-13b,所示，故晶胞中实际原子数为,121/6+21/2+3=6,个。属于这类晶格的金属有：镁,(Mg),、锌,(Zn),、铍,(Be),、镉,(,Cd,),等。,图,1,-,13,密排六方晶胞,5.,晶体结构的致密度,41,晶体结构的致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比，用来对原子排列的紧密程度进行定量比较。,体心立方晶胞中含有,2,个原子，这,2,个原子的体积为,2(4,3),r,3,，式中,r,为原子半径，如图,1,-,14,所示，原子半径与晶格常数,a,的关系为,r,=(,4),a,，晶胞体积为,a,3,，故体心立方晶格的致密度为,表明在体心立方晶格中，有,68,的体积被原子所占有，其余为空隙。同理亦可求出面心立方及密排六方晶格的致密度均为,0.74,。致密度愈大，原子排列就愈紧密。所以，当纯铁由面心立方晶格转变为体心立方晶格时，由于致密度减小体积膨胀。,图,1,-,14,体心立方晶胞,原子半径计算,1.3.2,实际金属的晶体结构,42,1.,多晶体与亚结构,结晶方位完全一致的晶体称为,“单晶体”,，如图,1,-,15,所示。单晶体在不同晶面和晶向的力学性能不同，这种现象称为,“各向异性”,。实际金属晶体内部包含了许多颗粒状晶格位向不同的小晶体，每个小晶体内部晶格位向一致，如图,1,-,16,所示。小晶体称为,“晶粒”,，这种由多晶粒构成的晶体结构称为“多晶体”，晶粒与晶粒之间的界面称为,“晶界”,。晶界上原子排列是不规则的。多晶体呈现各向同性。,图,1-16,实际金属晶体,图,1-15,单晶体,43,钢铁材料的晶粒的尺寸一般为,10,-,1,10,-,3,mm,，所以必须在显微镜下才能观察到。在显微镜下观察到的各种晶粒的形态、大小和分布情况，,称为“显微组织”,。同一颗晶粒内还存在许多尺寸更小、位向差也很小,(1,2),的小晶块，称为,“,亚晶粒,”,，亚晶粒的边界,称为“亚晶界”,，如图,1,-,16_2,所示。,图,1,-,16_2,晶界和亚晶界,（,2,）线缺陷,45,线缺陷是指在一个方向上尺寸较大，而在另外两个方向上尺寸很小的缺陷，呈线状分布，其具体形式是各种位错。较简单的一种是,“刃型位错”,，如图,1,-,18,所示，好像沿着某个晶面插入一列原子但又未插到底，如同刀刃切入一样。多出的一列原子位于晶体的上部称为“正刃型位错”，用符号“”表示；多出的一列原子位于晶体的下部,称为“负刃型位错”,，用符号“”表示。,图,1,-,18,刃型位错示意图,（,3,）面缺陷,46+,面缺陷是指在两个方向上尺寸较大，而在另一个方向上尺寸很小的缺陷，如图,1,-,18_2,所示。如晶界和亚晶界。多晶体中存在晶界和亚晶界，导致晶格畸变，使晶界处能量高出晶粒内部，晶界易被腐蚀；熔点较低；晶界处原子扩散速度较快；晶界的强度、硬度较晶粒内部高。,图,1-18_2,面缺陷示意图,作业,P76-77,：习题,2,、,7,。,THE END,47,