金属材料的结构与性能文档格式.docx

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焊接性能是指材料是否适宜通常的焊接方法与工艺的性能。

四、切削加工性能：

切削加工性能是指材料是否易于切削。

五、热处理性能：

人处理是改变材料性能的主要手段。

热处理性能是指材料热处理的难易程度和产生热处理缺陷的倾向。

第二章材料的结构

第一节材料的结合键

各种工程材料是由不同的元素组成。

由于物质是由原子、分子或离子结合而成，其结合键的性质和状态存在的区别。

一：

化学键

1：

共价键

2：

离子键

3：

金属键

4：

范德。

瓦尔键

二：

工程材料的键性

化学键：

组成物质整体的质点（原子、分子、离子）间的相互作用力，成为化学键。

1：

共价键：

有些同类原子，例如周期表Ⅳa、Ⅴa、Ⅵa族中大多元素或电负性相差不大的原子相互接近时，原子之间不产生电子的转移，此时借共用电子对所产生的力结合，形成共价键，如金刚石、单质硅、SiC等属于共价键。

2：

离子键：

大部分盐类、碱类和金属氧化物在固态下是不导电的，熔融时可以导电。

这类化合物为离子化合物。

当两种电负性相差大的原子（如碱金属元素与卤素元素的原子）相互靠近是，其中电负姓小的原子失去电子，成为正离子，电负姓大的原子获得电子成为负离子，两种离子靠静电引力结合在一起形成离子键。

离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系数小，但脆性大，是良好的绝缘体，是无色透明的。

3：

金属键：

当金属原子相互靠近时，其外层的价电子脱离原子成为自由电子，为整个金属所共有，它们在整个金属内部运动形成电子气。

这种由金属正离子和自由电子之间相互作用而结合称为金属键。

用金属键可以粗略地解释金属的一般特性：

1。

良好的导电性和导热性2。

正的电阻温度系数3。

良好的延展性4。

金属不透明并呈现特有的金属光泽。

4：

范得.瓦尔键：

许多物质其分子具有永久性。

分子的一部分往往带正电荷，而另一部分往往带负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电力相吸引，使之结合在一起，称为范德。

瓦尔键也叫分子键。

分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低。

金属与合金这种键不多，而聚合物通常链内是共价键，而链与链之间是范得瓦尔键。

在实际的工程材料中，原子（或离子、分子）间相互作用的性质，只有少数是上术四种键型的极端情况，大多数是这四种键型的过渡。

如果以四种键为顶点，作个四面体，就可把工程材料的结合键范围示意在四面体上。

第二节材料的晶体结构

晶体与非晶体

晶体

非晶体

金属晶格的基本类型（重点掌握）

体心立方晶格

面心立方晶格

密排立方晶格

三：

晶格的致密度及晶面与晶向指数

晶格的致密度

晶面及晶向指数

四：

晶体的各向异性

晶体：

物质的质点（分子、原子或离子）在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体，如水晶、食盐、黄铜矿等。

非晶体：

非晶体在整体上无序的，当原子间也靠化学键结合在一起，所以在有限的小范围内观察还有一定规律，可将非晶体的这种结构称为近程有序。

金属晶格的基本类型

体心立方晶格：

具有体心立方晶胞的金属有α－Fe，W，Mo，V，Cr，β-Ti等。

面心立方晶格：

具有面心立方晶格的金属有γ－Fe，Al，Au，Pb，β-Co等。

密排六方晶格：

晶格的致密度及晶面和晶面指数

1）致密度：

晶格中原子排列的紧密程度常用晶格的致密度表示。

致密度是指晶胞中原子所占体积与该晶胞体积之比。

2）配位数：

所谓配位数即指晶格中任一原子周围紧邻的最近且等距离的原子数。

配位数越大，原子的排列就越紧密。

晶面和晶面指数：

在金属晶体中，通过一系列原子所构成的平面，称为晶面。

通过两个以上原子中心的直线，表示了晶格空间的各个方向，称为晶向。

1）：

晶面指数：

确定晶面指数的方法包括如下三个步骤：

（1）：

设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶胞的三棱边做OX，OY，OZ三坐标轴，以晶格常数a，b，c分别作出相应的三个坐标轴的量度单位，求出所需确定的晶面在三坐轴上的截距；

（2）：

将所得三截距之值变为倒数；

（3）：

再将这三个倒数按比例化为最小整数，并加上圆括号，既为晶面指数。

晶面指数的一般形式用（hkl）表示。

2）：

晶向指数：

晶向指数确定的方法是：

通过坐标原点引一条直线，使其平行于所求的晶向；

求出该直线上任意一点的三个坐标值；

将三个坐标值按比例化为最小整数，加上方括号，即为所求的晶面指数；

晶面及晶向的原子密度：

所谓某晶面的原子密度即指单位面积中的原子数，而晶向原子密度则指其单位长度上的原子数。

在各种晶格中，不同晶面和晶向上的原子密度都是不同的。

四：

晶面的各向异性

由于晶体中不同晶面和晶向上原子的密度不同，因此在晶体中不同的晶面和晶向上原子结合力也就不同，从而在不同晶面和晶向上显示出不同的性能，这就是晶体具有各向异性的原因。

第三节实际金属的晶体结构及晶体缺陷

多晶体结构与亚结构

多晶体的概念

亚结构

晶体缺陷

点缺陷－空位和间隙原子

线缺陷－位错

面缺陷－晶界和亚晶界

多晶体的结构和亚结构

单晶体与多晶体

如果一块晶体，其内部的晶格位向完全一致时，我们称这块晶体为“单晶体”。

在实际金属晶体中，一个晶粒内部，其晶格位向也并不是像理想晶体那样完全一致，而是存在着许多尺寸更小。

位向差也很小（一般为几十分到1~2度）的小晶块，它们相互镶嵌成一颗晶粒，这些小晶块称为亚结构（或称亚晶粒、镶嵌块）。

根据缺陷产生的原因，分为热缺陷、杂质缺陷和非化学计量结构缺陷（即电荷缺陷）。

1、热缺陷：

当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热运动，使一部分能量较大的原子离开平衡位置造成的缺陷。

如Frankel缺陷、Schttky缺陷。

2、杂质缺陷：

杂质原子进入晶体而产生的缺陷。

原子进入晶体的数量一般小于0.1%。

种类——间隙杂质、置换杂质。

特点——杂质缺陷的浓度与温度无关，只决定于溶解度。

存在的原因——本身存在或有目的加入（改善晶体的某种性能）。

3、非化学计量结构缺陷（电荷缺陷）：

存在于非化学计量化合物中的结构缺陷，化合物化学组成与周围环境气氛有关；

不同种类的离子或原子数之比不能用简单整数表示。

价带产生空穴，导带存在电子，产生附加电场，周期排列不变、周期势场畸变、产生电荷缺陷。

根据应力集中原理物体内部应力越大，破坏该物体所需的外力就越小。

点缺陷－空位和间隙原子。

在实际晶体结构中，晶格的某些结点，往往未被原子所占有，这种空着的位子称为“空位”。

同时又可能在个别晶格间隙处出现多余的原子，这种不占有正常的晶格位置，而处在晶格间隙之间的原子称为“间隙原子”。

这种晶格中原子偏离平衡位置的现象称为晶格畸变。

线缺陷即晶格中的＂位错线＂，或简称为＂位错＂。

所谓位错可视为晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体的局部滑移而造成的结果，晶体已滑移部分与未滑移部分的交界线即为位错线。

由于晶体中局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错。

面缺陷即晶界和亚晶界，这两种晶体中不同区域之间的晶格位向过渡所造成的，但在小角度位向差的亚晶界情况下，则可把它看成是一种位错线的堆积或称“位错壁”。

通过上述讨论可见，凡晶体缺陷处及其附近，均有明显的晶格畸变，因而会引起晶格能量的提高，并使金属物理。

化学和机械性能发生显著的变化，如晶界和亚晶界愈多，位错密度愈大，金属的强度愈高。

第四节合金的晶体结构

合金的概念

合金

相

合金的相结构

固溶体

金属化合物

合金：

由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质，称为合金。

2）组元：

组成合金最基本的，独立的物质叫组元。

组元通常是元素，但也可以是稳定的化合物。

根据组成合金数目的多少，合金可以分为二元合金，三元合金和多元合金等。

相：

合金中具有一化学成分且结构相同的均匀部分叫做相。

合金中相和相之间有明显的界面。

固溶体：

当合金有液态结晶为固态时，组成元素间会像合金溶液那样相互溶解，形成一种在某种元素的晶格结构中包含有其他元素原子的新相，称为固溶体。

固溶体的结构与分类：

按照溶质原子在溶剂晶格中分布情况的不同，将固溶体分为以下两类：

<

1>

：

置换固溶体：

当溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格中某些结点位置时，所形成的固溶体称为置换固溶体。

2>

间隙固溶体：

若溶质原子在溶剂晶格中并不占据结点的位置，而是处于各结点间的空隙中，则这种形式的固溶体称为间隙固溶体。

固溶体的性能：

通过溶入某种溶质元素形成固溶体而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化。

固溶强化是材料的一种主要的强化途径。

金属化合物：

金属化合物的晶格类型与组成化合物各组元的晶格类型完全不同，一般具有复杂的晶格结构、熔点高、硬而脆。

当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度，硬度和耐磨性，但会降低塑性和韧性。

正常价化合物：

金属化合物的种类很多，常见的有以下三种类型。

组成正常价化合物的元素是严格按原子价规律结合的，因而其成分固定不变，并可用化学式表示。

正常化合价具有很高的硬度和脆性，在合金中，当它在固溶体基体上合理分布时，将使合金得到强化，因而起着强化相的作用。

电子化合物：

它们与正常价化合物不同，不遵循原子价规律，而是按照一定的电子浓度组成一定晶格结构的化合物。

电子化合物的熔点和硬度都很高，但塑性很差，因此与正常价化合物一样，一般只能作为强化相存在与合金中。

3）：

间隙化合物：

间隙化合物的晶格结构特点是：

直径较大的过渡族元素的原子占据了新晶格的正常位置，而直径较小的非金属元素的原子则有规律地嵌入晶格的间隙中，因而称为间隙化合物。

间隙相：

是具有简单晶格结构的间隙化合物

是具有复杂晶格结构的间隙化合物。

第五节非金属材料的结构

高分子合成材料的聚态结构。

高聚物的结构

高聚物的聚集态结构

陶瓷材料的组织结构

晶相

玻璃相

气相

高分子合成材料的聚集结构

高分子合成材料是分子量很大的材料，由许多单体（低分子）用共价键连接（聚合）起来的大分子化合物。

所以高分子又称大分子，高分子化合物又称高聚物或聚合物。

高聚物的结构可分为两种类型：

均聚物和共聚物。

均聚物：

只含有一个单链节，若干个链节用共价键按一定方式重复连接起来，像一根又细又长的链子一样。

此结构称为线型结构。

支链型高聚物好象一根“节上生枝”的枝干一样，主链较长，支链较短，其性质和线性高聚物结构基本相同。

因此线型高聚物易于加工成型，并可重复使用。

一些合成纤维和热塑性塑料（如聚氯乙烯。

聚苯乙烯等）就属此类结构。

网状高聚物是在一根根长链之间有若干个支链把它们交连起来，构成一种网状形状。

如果这种网状的支链像空间发展的话，变得到体型高聚物结构。

这种高聚物结构的特点是在任何情况下都不熔化也不溶解并且在保持形状稳定，耐热及耐溶剂作用发面有起优越性。

热固性塑料（如酚醛，脲醛等塑料）就属于这一类。

共聚物：

共聚物是由两种以上不同的单体链节聚合而成的，由于各种单体的成分不同共聚的高分子排列形式也多种多样，可归纳为：

无规则型、交替型、嵌段型、接支型。

例如将M1和M2两种结构的单体分别以有斜线的圆圈和空白圆圈表示。

共聚物在实际应用上具有十分重要的意义。

因为共聚物能把两种或多种自聚的特性综合到一种聚合物中来。

因此有人把共聚物称为非金属的“合金”，这是一个很恰当的比喻。

例如ABS树脂是丙烯腈、丁而烯和苯乙烯三元共聚物具有较好的耐冲击、耐热、耐油、耐腐蚀及易加工等综合性能。

高聚物的聚集态结构是指高聚物材料本体内部高分子链之间的几何排列和堆砌结构，也称为超分子结构。

高聚物按照大分子排列是否有序。

可分为结晶态和非结晶态两类。

结晶态聚合物分子排列规则有序；

非结晶态高聚物分子排列杂乱不规则。

高聚物材料的性能不仅与高分子的分子量和大分子链结构有关，而且和高聚物的聚集状态有直接关系。

陶瓷材料的聚集状态

金属是以金属键结合，高聚物是以共价键相结合，而陶瓷材料的结合键主要是离子键和共价键的混合键。

晶相：

晶相是陶瓷材料的主要组成相，它由某些固溶体或化合物所组成。

陶瓷材料的晶相常常不止一个，而是多相多晶体。

多相中又可分为主晶相、次晶相、第三晶相等。

组成陶瓷晶相的晶体一般有两类：

一类是氧化物（如氧化铝、氧化钛等），另一类是含氧酸盐（如硅酸盐、钛酸盐等）。

玻璃相：

玻璃相是非晶态的低熔点固体相，它的作用是粘结分散的晶相，填充气孔空隙。

降低烧结温度及抑制晶体长大等，但玻璃相的热稳定差，机械强度比晶相低。

气相：

气相是指陶瓷内孔隙中的气体，均匀分布的气孔可是陶瓷材料的绝缘。

绝热性能大大提高，但由于气孔是产生应力集中的地方，固导致机械强度降低，并引起陶瓷材料的介电损耗增大，抗电击穿能力下降。

第三章材料的凝固与结晶

第一节凝固的概念

一、晶体的凝固

二、非晶体的凝固

物质从液态到固态的转变过程统称为“凝固”，如果通过凝固能形成晶体结构，则可称为“晶体”。

凡纯元素（金属或非金属）的结晶都具有一个严格的“平衡结晶温度”（即理论结晶温度T0），高于此温度（即实际结晶温度T1）才能进行结晶；

两者之差ΔT＝T0－T1称为过冷度，处于平衡结晶温度时，液体与晶体同时共存，达到可逆平衡。

为什么纯元素的结晶都具有一个严格不变的平衡结晶温度呢？

这是因为它们的液体与晶体之间的能量在该温度下能够达到平衡的缘故。

这一能量叫做＂自由能（F）。

同一物质的液体与晶体，由于其结构不同，它们在不同温度下的自由能变化是不同的，如图3-1所示。

由此可见，要使液体进行结晶，就必须使其温度低于理论温度，造成液体与晶体间的自由能差：

（ΔF=F液－F晶），即具有一定的结晶驱动力才行。

非晶体的凝固

若凝固后的物质不是晶体，而是非晶体，那就不能称之为结晶，只能称为凝固。

非晶体的凝固与晶体的晶体，都是由液体转化为固体，但本质上又有区别。

非晶体的凝固实质上是靠熔体粘滞系数连续加大完成，即非晶体固态可看作粘滞系数很大的“熔体”，需在一个温度范围内逐渐完成凝固。

第二节金属的结晶和铸锭

金属的结晶过程

金属结晶后的晶粒大小

晶粒大小与性能的关系

晶粒大小的控制

金属铸锭组织

表面细晶粒层

柱状晶粒层

中心等轴晶

纯金属的结晶过程是在冷却曲线上平台所经历的这段时间内发生的。

它是不断形成晶核和晶核不断长大的过程。

金属结晶后是由许多晶粒组成的多晶体，而晶粒的大小是金属组织的重要标志之一。

一般情况下，晶粒愈细小，金属的强度就愈高，塑性和韧性也愈好。

金属结晶后单位体积中晶粒数目Z，取决于结晶时的形核率N（晶核形核数目/S•m㎡）与晶核生长速率G（㎜/s），它们存在着以下的关系：

Z∝√N/G，由上可知，当晶粒生长速率G一定时，晶核形核率N愈大，晶粒数目就愈多，反之则愈细。

增大过冷度：

金属结晶时的冷却速度愈大，其过冷度便愈大，不同过冷度ΔT对晶核形核率N和生长速率G的影响。

变质处理：

在液态金属结晶前，加入一些细小的变质剂，使金属结晶时的晶核形核率N增加或生长速率G降低，这种细化晶粒的方法，称为变质处理。

附加振动：

金属结晶时，如对液态金属附加机械振动。

超声波振动。

电磁振动等措施，由于振动能使液态金属在铸模中运动加速，造成枝晶破碎，这就不仅可以使已长成的晶粒因破碎而细化，而且破碎的枝晶可以作为晶核，增加形核率N。

所以，附加振动也能使晶粒细化。

金属的铸锭组织

典型的金属的铸锭组织有三个区域组成：

表面细晶粒区；

柱状晶区；

中心等轴晶区。

表面细晶粒层：

表面细晶粒的形成主要是因为钢液刚浇入铸模后，由于模壁温度较低，表面金属遭到剧烈的冷却，造成了较大的冷却所致，此外，模壁的人工晶核作用也是这层晶粒细化的原因之一。

柱状晶粒层：

柱状晶粒的形成主要是因为铸锭模壁散热的影响。

中心等轴晶粒

随着柱状晶粒成长到一定程度，铸锭中心部的剩余液体温度差也愈来愈小，趋于均匀冷却的状态;

同时由于一些未熔杂志推移至铸锭中心，或将柱状晶的枝晶分枝冲断，漂移到铸锭中心，它们都可以成为剩余液体的晶核，这些晶核由于在不同方向上的成长速度相同，因而便形成较粗大的等轴晶粒区。

第三节合金的结晶过程

二元合金相图的建立

相图的意义及几个名词的解释

二元相图的建立

二元匀晶相图

相图分析

合金的结晶过程

二元相图的杠杆定律

二元共晶相图

合金结晶过程

比重偏析

二元包晶相图

五：

形成稳定化合物的二元合金相图

六：

具有共析反应的二元合金相图

七：

合金的性能与相图间的关系

相图的定义及几个名词的解释

组元：

通常把组成合金的最简单。

最基本。

能够独立存在的物质称为组元。

合金系：

由两个或两个以上组元按不同比例配制成的一系列不同成分的合金，称为合金系。

相图：

用来表示合金系中各个合金的结晶过程的简明图解称为相图，有城状态图或平衡图，相图上所表示的组织都是十分缓慢冷却的条件下获得的，都是接近平衡状态的组织。

以Pb-Sn合金系为例，说明用热分析实验方法测定相图的过程。

（图3－9，42页）

配制一系列不同成分的Pb-Sn合金。

配制的合金数目愈多，合金成分的间隔愈小，测绘出来的合金相图就愈精确。

在非常缓慢冷却条件下，测定这些合金从液态到固态在平衡结晶过程中的冷却曲线，如图3-10所示。

如图3-10所示：

找出各合金冷却曲线上的临界点，并将它们标注在成分--温度坐标系。

4）：

将各成分线上具有相同意义的点连接成线，并根据已知条件和实际分析结果写上数字。

字母和各区所存在的像或组织名称，就得到一个完整的二元合金相图。

（图3－10，43页）

当两组元在液态和固态均无限互溶时所构成的相图，称为二元匀晶相图，具有这类相图的合金系主要有：

Cu-Ni，Cu-Au，Au-Ag，Fe-Ni及W-Mo等。

图3-11（a）为Cu-Ni合金相图（45页，图3－11）。

下面就此合金为例进行分析。

这类相图很简单，只有两条线，其中AB︿为液相线;

AB︶为固相线，在液相线以上，称为液相区;

在固相线以下称为固相区;

在液相线与固相线之间称为液。

固两相并存区。

固相线的两个端点A和B是合金系统的两个组元Cu和Ni的熔点。

如图3-11（a）所示，设有合金K，其成分垂线ok与相图上的相区分界线交于1，4两点，分析合金在冷却曲线上的各段所发生的结晶或相变过程，如图3-11（b）所示。

通过分析可知，液（固）相线也表示在无限缓慢的冷却条件下，液。

固两相平衡存在时，液（固）相化学成分随温度的变化情况。

理论和实践都已证明了这一结论的正确性。

必须着重指出：

除了液。

固两相并存时的情况以外，在其他性质相同的两相区中也是这样，即相互处于平衡状态的两个相的成分，分别沿着两相区的两个边界线改变。

在两相区结晶过程中，两相的成分和相对量都在不断变化。

杠杆定律就是确定状态图中两相区内两平衡相的成分和相对重量的重要工具。

如图3-12所示，假设：

合金的总重量为WO，液相的重量为WL，，固相的重量为WS。

若已知液相中的含Ni量为X1，合金的含Ni量为X，则可写出

　　　　　　WL+WS=WO

｛WL×

X1+WS×

X2=W0×

X　　　　　　　　　　　　（３－１）

　解方程式（３－１）得

　　　　　WL/WS=（X2-X）/（X-X1）=bo/oa　　　　　　　　（３－２）

式（３－２）好象力学中的杠杆定律，故称之为杠杆定律。

式（３－２）可写成

WL/WO=bo/ba×

100%（３－３）

WS/WO=oa/ba×

100%（３－４）

必须指出，杠杆定律只适用于二元私合金相图中两相区，对其他区域就不适应，自然就不能在用杠杆定律。

４：

固溶体合金中的偏析

在平衡条件下结晶，由于冷速极为缓慢，原子可充分进行扩散，最后仍能得到成分均匀的固溶体。

但在实际生产条件下，由于冷速较快，最后将得到晶体内部化学成分不均匀的树枝壮晶体，这种现象，称为枝晶偏析或晶内偏析。

枝晶偏析的存在，会严重降低合金的机械性能和加工工艺性能。

因此在生产上常把有枝晶偏析的合金加热到高温，并经长时间保温，使原子进行充分扩散，以达到成分均匀的目的，这种热处理方法称为扩散退火或均匀化退火，用以消除枝晶偏析。

当两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互溶，而且发生共晶反应时，所构成的相图称为二元相图。

具有这类相图的合金系主要有：

Pb-Sn，Pb-Sb）。

相图分析：

图3-14（48页）表示Pb-Sb合金相图及成分线。

下面就以此合金相图为例进行分析。

图中A。

B分别表示组元Pb。

Sn的熔点，ACB线为液相线，AECDB为固相线。

L。

α。

β是该合金系的三个基本相，α为Sb