金属学基础课件.pptx

金属学基础课件2影响材料性能得内部因素影响材料性能得内部因素材料成分材料成分组织结构组织结构使役性能使役性能工艺工艺各种元素含量各种元素含量冶炼、锻造、焊接、热处冶炼、锻造、焊接、热处理、表面处理、形变、等理、表面处理、形变、等等等结合键、晶体结构、组结合键、晶体结构、组织、内部缺陷织、内部缺陷机械机械:强度、韧性等强度、韧性等物理物理:导热、导电等导热、导电等化学化学:耐腐、相容性耐腐、相容性材料成分、组织结构与性能得关系材料成分、组织结构与性能得关系材料成分材料成分组织结构组织结构使役性能使役性能工艺工艺各种元素含量各种元素含量冶炼、锻造、焊接、冶炼、锻造、焊接、热处理、表面处理、热处理、表面处理、形变、等等形变、等等结合键、晶体结构、结合键、晶体结构、组织、内部缺陷组织、内部缺陷机械机械:强度、韧性等强度、韧性等物理物理:导热、导电等导热、导电等化学化学:耐腐、相容性耐腐、相容性金属学金属学研究材料性能研究材料性能与其化学成分、与其化学成分、生产工艺和微生产工艺和微观组织之间关观组织之间关系和变化规律系和变化规律服役性能服役性能制备制备性能性能成分与结构成分与结构影响材料性能得内部因素影响材料性能得内部因素2、1 晶体结构、组织晶体结构、组织1 1、0 0 晶体学基础晶体学基础 (1/2)(1/2)晶体与非晶体晶体与非晶体 通常按原子在物质内部得排列规则性将物质分为晶体与非晶体。通常按原子在物质内部得排列规则性将物质分为晶体与非晶体。晶体晶体晶体就是原子在其内部沿三维空间呈周期性规则排列得一类物质。晶体就是原子在其内部沿三维空间呈周期性规则排列得一类物质。晶体特点晶体特点结构有序结构有序;物理性质表现为各向异性物理性质表现为各向异性;有固定得熔点有固定得熔点;在一定条件下有规则得几何外形。在一定条件下有规则得几何外形。绝大多数得工程材料绝大多数得工程材料金属及其合金金属及其合金天然得岩石、矿物等天然得岩石、矿物等1 1、0 0 晶体学基础晶体学基础(2/2)晶体与非晶体晶体与非晶体 通常按原子在物质内部得排列规则性将物质分为晶体与非晶体。通常按原子在物质内部得排列规则性将物质分为晶体与非晶体。非晶体非晶体非晶体就是原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列得一类物质。非晶体就是原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列得一类物质。非晶体特点非晶体特点:结构无序结构无序;物理性质表现为各向同性物理性质表现为各向同性;没有固定得熔点没有固定得熔点;热导率热导率(导热系数导热系数)与膨胀性小与膨胀性小;在相同应力作用下在相同应力作用下,非晶体得塑性形变大非晶体得塑性形变大;组成非晶体得化学成分变化范围大。组成非晶体得化学成分变化范围大。多数得玻璃与聚合物多数得玻璃与聚合物晶晶态态SiO2得结构得结构纯铁得显微组织纯铁得显微组织晶界、晶粒、取向晶界、晶粒、取向晶体原子排列晶体原子排列空间点阵、晶格空间点阵、晶格晶胞晶胞纯铁金属得晶体结构纯铁金属得晶体结构1 1、1 1 晶体学基本概念晶体学基本概念1.阵点或结点:由晶体中原子抽象而成得几何点;2.平面点阵:阵点在一个平面上规则得排列方式;3.空间点阵:规则分布于三维空间中得阵点所组成得空间图形4.晶格:用一系列平行线将阵点连接起来,构成空间得格架。5.晶胞:表示空间点阵几何规律得基本空间单元,一般取最小平行六面体。6.点阵参数:三条棱边长a、b、c及三个夹角、,只要确定了6个参数,阵点在空间得分布规律就完全确定了。7.晶粒:排列位向相同得无数个晶胞得聚合体称为晶粒。纯金属通常就是由许多取向不同得晶粒组成得,故称为多晶体。8.晶界:多晶体中晶粒之间边界称为晶界。晶格结构相同,仅取向不同得晶粒之间得过渡界面。14种布拉菲点阵与种布拉菲点阵与7个晶系个晶系abca ab bg g90 立方立方 四方四方 三方三方 简单六方简单六方 正交正交 单斜单斜 三斜三斜初基初基底心底心体心体心面心面心 a=b=ca a=b b=g g=90a=bca a=b b=g g=90a=b=ca a=b b=g g90a=b,g g=120a a=b b=90abca a=b b=g g=90abca a=g g=90b b90原子半径原子半径晶胞原子数晶胞原子数配位数配位数(邻位原子数邻位原子数)致密度致密度大家学习辛苦了，还是要坚持继续保持安静继续保持安静1、2 典型金属得晶体结构典型金属得晶体结构晶胞晶胞 空间点阵几何规律得基本空间单元空间点阵几何规律得基本空间单元,一般取最小平行六面体。一般取最小平行六面体。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1、3 反应堆常用材料结构反应堆常用材料结构Zr:室温为密排六方结构室温为密排六方结构;高温为体心立方高温为体心立方铁素体铁素体:体心立方结构体心立方结构奥氏体奥氏体:面心立方结构面心立方结构1、4 实际金属得晶体结构实际金属得晶体结构l单晶体单晶体l多晶体多晶体l晶粒晶粒l晶界晶界多晶体示意图多晶体示意图光学金相显示的纯铁晶界光学金相显示的纯铁晶界2、2 晶体缺陷晶体缺陷l实际金属中存在实际金属中存在着大量得晶体缺着大量得晶体缺陷陷,按形状可分三按形状可分三类类,点缺陷点缺陷线缺陷线缺陷面缺陷。面缺陷。2、1 点缺陷点缺陷p点缺陷破坏了原子得平衡状态点缺陷破坏了原子得平衡状态,使晶格发生扭曲使晶格发生扭曲;p使强度、硬度提高使强度、硬度提高,塑性、韧性下降。塑性、韧性下降。2 2、2 2位错位错位错位错:晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律得错排。干列原子有规律得错排。位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示。位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示。1.金属得塑性变形主要由位错运动金属得塑性变形主要由位错运动引起引起,阻碍位错运动就是强化金阻碍位错运动就是强化金属得主要途径。属得主要途径。2.减少或增加位错密度都可以提高减少或增加位错密度都可以提高金属得强度。金属得强度。金属晶须金属晶须退火态退火态加工硬化态加工硬化态2、3 面缺陷面缺陷l晶界就是不同位向晶粒得过渡部位晶界就是不同位向晶粒得过渡部位,宽度为宽度为510个原个原子间距。子间距。亚晶粒亚晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位错壁位错壁l亚晶粒就是组成晶粒得尺寸亚晶粒就是组成晶粒得尺寸很小很小,位向差也很小位向差也很小(小于小于2 )得小晶块。得小晶块。l亚晶粒之间得交界面称亚晶亚晶粒之间得交界面称亚晶界。亚晶界也可瞧作位错壁。界。亚晶界也可瞧作位错壁。l晶界得特点晶界得特点:原子排列不规则。原子排列不规则。熔点低。熔点低。耐蚀性差。耐蚀性差。易产生内吸附易产生内吸附,外来原子外来原子易在晶界偏聚。易在晶界偏聚。阻碍位错运动阻碍位错运动,就是强化就是强化部位部位,因而实际使用得金属因而实际使用得金属力求获得细晶粒。力求获得细晶粒。就是相变得优先形核部就是相变得优先形核部位位 显微组织得显示显微组织得显示2 2、4 4 实际金属晶体中得缺陷实际金属晶体中得缺陷l点缺陷l线缺陷l面缺陷2、3 金属材料得强化机理金属材料得强化机理3、0 金属材料得强化机理l固溶强化l细晶强化l沉淀强化/第二相强化 l相变强化l形变强化3、1 合金得相结构 l合金金属元素与金属或非金属组合而成,具有金属特性,如铜锌合金、钢、铸铁等 l组元组成合金得最基本独立物质,可以就是组成合金得元素,也可以就是稳定得化合物 l相同一聚集态,成分、性能均一,以界面互相分开l实际所使用得大部分金属材料为具有单相或多相得合金。实际所使用得大部分金属材料为具有单相或多相得合金。固溶体固溶体 合金得组元通过溶解形成一种成分及性能均匀得、且结构与组元之一相同得固相合金得组元通过溶解形成一种成分及性能均匀得、且结构与组元之一相同得固相,称为称为固溶体。与固溶体结构相同得组元为溶剂固溶体。与固溶体结构相同得组元为溶剂,另一组元为溶质。另一组元为溶质。p固溶体得分类固溶体得分类 p按溶质原子在溶剂晶格中得位置按溶质原子在溶剂晶格中得位置,固溶体可分为置换固溶体与固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。间隙固溶体两种。p按溶质原子在固体中得溶解度按溶质原子在固体中得溶解度,固溶体可分为有限固溶体与无限固溶体两固溶体可分为有限固溶体与无限固溶体两种。种。p按溶质原子在固溶体内分布就是否有规则按溶质原子在固溶体内分布就是否有规则,固溶体分为有序固溶体与无序固溶体分为有序固溶体与无序固溶体两种。固溶体两种。p固溶体得性能固溶体得性能p固溶体得综合力学性能较好固溶体得综合力学性能较好,常作为结构合金得基体相。常作为结构合金得基体相。中间相l溶质含量超过溶解度溶质含量超过溶解度,出现新相出现新相(化合物或化合物或化合物为基得固溶体化合物为基得固溶体),成分处于成分处于 A 在在 B 中与中与 B 在在 A 中得最大溶中得最大溶 解度之间解度之间,故称中故称中间相间相,晶体结构与组元不同晶体结构与组元不同 l中间相就是金属化合物中间相就是金属化合物,主要就是金属键主要就是金属键,兼有离子键、共价键兼有离子键、共价键,高熔点、高硬度高熔点、高硬度,作作强化相强化相 l分为正常价化合物、电子化合物、间隙相分为正常价化合物、电子化合物、间隙相与间隙化合物与间隙化合物 金属化合物金属化合物合金组元相互作用形成得晶格类型与特性完全不同于任一合金组元相互作用形成得晶格类型与特性完全不同于任一组元得新相即为金属化合物组元得新相即为金属化合物,或称中间相。或称中间相。性能特点就是熔点一般较高性能特点就是熔点一般较高,硬度高硬度高,脆性大。脆性大。金属化合物就是许多合金得重要组成相金属化合物就是许多合金得重要组成相(常作为强化相常作为强化相)正常价化合物正常价化合物组元间电负性相差较大组元间电负性相差较大,且形成得化合物时严格遵守化合价且形成得化合物时严格遵守化合价 规律。规律。硬度高、脆性大。硬度高、脆性大。比如比如MnSMnS,ZnSZnS电子化合物电子化合物组元间形成化合物时不遵守化合价规律组元间形成化合物时不遵守化合价规律,但符合一定电子浓但符合一定电子浓度。度。熔点与硬度较高熔点与硬度较高,塑性较差。塑性较差。比如比如:FeAl,NiAl中间相中间相间隙化合物间隙化合物 由由过过渡渡族族元元素素与与碳碳、氮氮、氢氢、硼硼等等原原子子半半径径较较小小得得非非金金属属元元素素形形成成得得化化合合物称为间隙化合物。物称为间隙化合物。Fe,Co,Ni,V,Ti,Cr,Cu Fe,Co,Ni,V,Ti,Cr,Cu 等等(1 1)间隙相间隙相 当当非非金金属属原原子子半半径径与与金金属属原原子子半半径径之之比比小小于于0 0、5959时时,形形成成具具有有简简单单晶晶格格得得间隙化合物间隙化合物,称为间隙相。一些间隙相及晶格类型见表称为间隙相。一些间隙相及晶格类型见表1 1。间隙相具有金属特性间隙相具有金属特性,有极高得熔点及硬度有极高得熔点及硬度,非常稳定。非常稳定。化学式类型化学式类型钢中可能遇到得间隙相化学式钢中可能遇到得间隙相化学式晶格类型晶格类型M4XFe4 N,Nb4 C,Mn4 C面心立方面心立方M2XFe2 N,Cr2N,W2C,Mo2C密排六方密排六方MXTaC,TiC,ZrC,VCTiN,ZrN,VNMoN,CrN,WC面心立方面心立方体心立方体心立方简单六方简单六方MX2VC2,CeC2,ZrH2,TiH2,LaC2面心立方面心立方表表1 1 间隙相得化学式及晶格类型间隙相得化学式及晶格类型p间隙化合物间隙化合物p当非金属原子半径与金属原子半径之比大于当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0 0、5959时时,形成具有复形成具有复杂结构得间隙化合物。杂结构得间隙化合物。p钢中得钢中得FeFe3 3C C、CrCr2323C C6 6、FeBFeB、FeFe4 4W W2 2C C、CrCr7 7C C3 3、FeFe2 2B B等均属于这类化等均属于这类化合物。合物。3、2 固溶强化l无论就是置换固溶体,还就是间隙型固溶体,溶质原子都会引起溶剂晶格畸变,导致强度上升,塑性下降。形成置换固溶体时,直径比溶剂大得溶质原子常被吸引到刃型位错下部受膨胀得部位;而比溶剂原子小得溶质原子常聚集在刃型位错上部受压缩得部分。当形成间隙固溶体时,由于溶质原子直径很小,因此总就是被吸引在刃型位错下部受拉应力得部位 3、3 细晶强化工程材料一般都就是多晶体,多晶体中得晶界就是位错运动得障碍物,位错得运动在晶界受阻而塞积,必需有更大得应力才能使相邻得方位不同得晶粒中得滑移系开动。减小晶粒尺寸就增加了晶界,因而使屈服强度提高。细晶强化不仅可以提高强度,还有利于提高材料得塑性、韧性与脆断抗力,所以细化晶粒就是金属强韧化得有效手段。屈服强度与晶粒大小得关系符合霍尔派奇(Hall-Petch)公式:细化晶粒提高金属强度得方法细化晶粒提高金属强度得方法s ss s为屈服强度为屈服强度;s si i为位错运动得摩擦阻力为位错运动得摩擦阻力;kY 为与材料有为与材料有关得常数关得常数;d 为晶粒得平均直径。为晶粒得平均直径。3、4 沉淀强化/第二相强化工程上用得金属材料可通过弥散于基体晶粒中、晶界上或聚集成块得第二相硬粒子来强化。第二相得强化效果还与其形状、尺寸、数量与分布以及它与基体得晶体学配合与界面能等因素有关。当硬质点在基体中存弥散分布时强化效果最佳。位错线只能绕过不可变形得第二相,在其周围形成一个位错环。位错线绕过时所需克服得阻力决定于第二相得间距L、基体得切变模量G及位错得布氏矢量b,即tGb/L。3、5 相变强化l钢经过淬火后会形成强度比较高得马氏体相FeC过饱与固溶体内部有高密度得位错、孪晶等亚结构l亚稳定奥氏体不锈钢304(18-8,1Cr18Ni9等)在经过冷变形后会发生形变马氏体转变成分与奥氏体相相同,但结构从fcc变成bcc强度明显升高,韧性下降3、6 形变强化l机械性能表现形变后屈服强度升高真应力与真应变之间得关系(n为加工硬化指数):SKen l微观机理位错阻塞造成位错进一步滑移困难2、4 金属材料得显微组织金属材料得显微组织10m10m4、0 金属材料得组织金属材料得组织组织就是指用金相观察方法观察材料内部时瞧到得涉及组织就是指用金相观察方法观察材料内部时瞧到得涉及晶体或晶粒大小、方向、形状排列状况等组成关系得组晶体或晶粒大小、方向、形状排列状况等组成关系得组成物。成物。2020钢退火态组织照片钢退火态组织照片304304不锈钢不锈钢SEMSEM照片照片 变形变形304304钢钢TEMTEM照片照片 AFM/MFM AFM/MFM图像图像 250nm250nma a g g共析钢共析钢-珠光体珠光体球化珠光体球化珠光体低碳钢低碳钢-珠光体珠光体+铁素体铁素体1、4%carbon steel铁素体铁素体 Ferrite碳钢组织碳钢组织白口铸铁白口铸铁球墨铸铁球墨铸铁2、5 合金相图合金相图合金相图简介合金相图简介 l相图表达物质系统得存在状态与化学成分、温度及压力关系得图线。l合金相图应用图解得方法,表示合金得成分、平衡相状态及外界条件(温度、压力等)之间关系得图线,它就是研究合金中得相变规律得基础。对合金系统对合金系统,一般压力变化并不影响其存在状态一般压力变化并不影响其存在状态,所以所以通常相图就是表示在一个大气压下得状态随化学成分通常相图就是表示在一个大气压下得状态随化学成分与温度得变化与温度得变化,温度与成分分别取为纵横坐标。温度与成分分别取为纵横坐标。二元合金相图 lCu、Ni都就是fcc结构,可无限固溶lCuNi二元相图就是一种最简单形式得状态图,物质系统得二组元在液态与固态下都可以完全互溶Cu-Ni Cu-Ni 二元相图二元相图 AgAgCu Cu 二元相图二元相图 lAgCu二组元之间在固态不能完全互溶,只能形成有限固溶体lAgCu有一个共晶转变点(E),由液相同时结晶出两种成分不同得固相共晶体包晶相图Pt-Ag Pt-Ag 相图相图l包晶转变由已结晶得固相与液相相互反应,生成另一种固相DPC为包晶转变线P点为包晶转变点包晶反应:CPDEF具有化合物相得相图具有化合物相得相图l在某些二元合金系中,组元间可能形成一种或多种化合物,它们在相图中都处于中间位置,所以化合物亦被称为中间相。l根据化合物得稳定性可将其分为稳定化合物与不稳定化合物。稳定化合物有一定得熔点,在熔化之前保持它固有得结构与成分,不发生分解;不稳定化合物在熔化之前就会分解为两个相。Sn-ZrSn-Zr相图相图:形成不稳定化合物形成不稳定化合物 FeFe3C相图相图:具有固态相变具有固态相变l纯Fe得相变Fe3C含碳含碳6、67wt%,具有复杂得正具有复杂得正交结构交结构,为稳定得间隙化合物。为稳定得间隙化合物。L d d-Fe g g-Fe a a-Fe1538 1394 912bcc结构结构fcc结构结构工业纯铁,w(C)0、0218%共析出钢,w(C)=0、77%亚共析出钢,0、0218%w(C)0、77%过共析出钢,0、77%w(C)2、11%共晶白口铸铁,w(C)=4、30%亚共晶白口铸铁,2、11%w(C)4、30%过共晶白口铸铁,4、30%w(C)6、69%l碳溶解于 铁或 铁中形成得固溶体为铁素体,用或表示,最大溶解度为0、0218%l碳溶解于 铁中形成得固溶体称为奥氏体,用 表示,最大溶解度为2、11%lFe3C具有复杂得斜方结构,无同素异构转变,硬度很高,塑性几乎为零 就是碳钢中主要得强化相lFe3C在钢与铸铁中可呈片状、球状、网状、板状