金属学与热处理ppt课件 绪论 第一章 材料的结构.ppt

主讲人：朱 芠Tel:027-87558310Email:,工程材料原理及应用,绪 论,课程简介 目的要求 教学内容 教学环节,课 程 简 介,课程前身：金属学与热处理 选用教材：金属学与热处理 崔中圻 主编 机械工业出版社 参考书目：物理冶金基础/曹明盛/冶金工业出版社 材料科学基础/石德珂/机械工业出版社 金属热处理原理/戚正风/机械工业出版社 金属材料学/王笑天/机械工业出版社 教学时间：32 学时,绪 论,目的要求,学习掌握材料科学的基本理论学习掌握材料热加工基本理论和工艺具备基本的组织结构分析能力，为后续的相关专业课程学习及进一步深造打好必要基础。,绪 论,教学内容,绪 论第一章：材料的结构第二章：合金的凝固第三章：二元相图第四章：塑性变形,绪 论,第五章：回复与再结晶第六章：金属热处理第七章：合金钢总 结,教学环节,教学环节,按热加工专业对材料学知识的要求作为主线。着重材料学基本原理，以金属材料为主要对象，扩展其他工程材料。,教学方法,教材 讲课 作业 复习 辅导 考核,绪 论,1.1 原子间结合 化学键1.2 晶体学基础1.3 金属的晶体结构1.4 材料的晶体缺陷1.5 本章小结,第一章 材料的结构,引言,材料的结构(Structure),晶体结构Crystal Structure,微观组织Microstructure,Comparison of crystal structures for(a)aluminum and(b)magnesium.,引言,原子,原子的结合,晶 体,晶体结构空间点阵,引言,热压烧结,热挤压,电弧等离子体法,微波湿化学法,Bi2Te3,第一节：原子的结合 化学键,化学键,即组成物质整体的质点(原子、分子或离子)间的相互作用力。,原子间相互作用时，其吸引和排斥情况的不同，从而形成了不同类型的化学键,化学键,共价键,离子键,金属键,1.1、共价键,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。,共价键具有方向性，故共价键材料是脆性的。具有很好的绝缘性。,金刚石、单质硅、SiC等属于共价键。,1.2、离子键,当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤族元素的原子)相互靠近时，其中电负性小的原子失去电子，成为正离子，电负性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。,大部分盐类、碱类和金属氧化物在固态下不能导电的，熔融时可以导电。这类化合物为离子化合物。,以NaCl晶体为例，离子晶体中，正负离子间有很强的吸引力，所以有较高熔点，故离子晶体材料基本是脆性的，导电性很差。,1.3、金属键,金属原子的外层电子少，容易失去，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，形成电子气。这种由金属正离子和自由电子之间的互相作用称为金属键。,金属键无方向性和饱和性，故金属有良好的延展性，良好的导电性和导热性。此外，金属具有正的电阻温度系数，不透明，具有金属光泽。,1.4、范德瓦尔斯键 分子键,许多物质其分子具有永久极性。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。,1.5、工程材料的键性,金属材料的结合主要是金属键,陶瓷材料的结合键主要是离子键与共价键,高分子材料的链状分子间的结合是范德瓦尔键而链内是共价键,第二节：晶体学基础,引言晶体结构对材料性能的影响,2.1、晶体和非晶体,晶 体,原子、离子或分子在三维空间按一定规律呈周期性重复排列，长程有序。不同方向原子的排列方式不相同，因而其表现的性能也有差异，各向异性。具有固定的熔点。,2.1、晶体和非晶体,非晶体,原子、离子或分子长程无规则的堆积，长程无序，短程有序。各向同性；无固定熔点，有一定软化温度范围。随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没有明显的温度界限。,2.2、晶体结构和空间点阵,为了表达空间原子排列的几何规律，把原子或分子在空间的平衡位置作为节点；人为地将节点用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架称为空间点阵或晶格。,2.3、晶胞与点阵常数,晶胞:构成晶格的最基本单元。在三维空间重复堆砌可构成整个空间点阵，通常为小的平行六面体。晶胞要顺序满足：能充分反映整个空间点阵的对称性，具有尽可能多的直角，体积要最小。,点阵常数:平行六面体的三个棱长a、b、c和其夹角、，可决定平行六面体尺寸和形状，这六个量亦称为点阵常数。,按点阵常数的特征对晶体的分类。,简单、体心、面心,简单、体心,简单,简单、底心、体心、面心,简单,简单、底心,简单,2.4、七大晶系和十四种布拉菲格子,晶向：空间点阵中节点列的方向。空间中任两节点的连线方向，代表晶体中原子列的方向。晶向指数：表示晶向方位符号。用u v w来表示。,任意阵点P的位置可以用矢量或者坐标来表示。,2.5、晶向与晶面指数,A.晶向指数,立方晶系晶向指数的标定,建立坐标系 结点为原点，三棱为方向，点阵常数为单位；在晶向上任两点的坐标(x1,y1,z1)(x2,y2,z2)。(若平移晶向或坐标，让在第一点在原点则下一步更简单)；计算x2-x1：y2-y1：z2-z1；化成最小、整数比u：v：w；放在方括号uvw中,不加逗号,负号记在上方。,六方晶系的晶向指数标定,六方晶系一般采用四轴(a1、a2、a3、c)坐标系进行标定。四轴坐标系中，由于多了一个坐标轴而有所不同。具体有以下两种方法：,六方晶系的晶向指数标定,方法一,1）用三轴坐标系（a1,a2,c)求出晶向指数U V W2）根据以下方程换算成四轴体系的u v t w:u=2/3U-1/3V v=2/3V-1/3U w=W,t=-(u+v),六方晶系的晶向指数标定,方法二,1）将坐标原点平移使其与晶向中的一点重合。2）从原点出发，沿平行于四个坐标轴方向依次移动，使之最后到达要标定方向上的某一格点，移动时要使a3轴移动的距离是a1、a2两轴移动距离之和的负值。3）将各轴移动距离简化为最小整数加上方括号。,晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶向的集合。表示方法：用尖括号表示，如：,与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶向。,晶向指数特征,可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。,B.晶面指数,晶面,空间中不在一直线任三个阵点的构成的平面，代表了晶体中原子列的方向。,晶面指数,表示晶面方位的符号(Miller指数），用(hkl)表示。,立方晶系晶面指数的标定,以晶胞相互垂直的三棱建立坐标系，采用平移法使坐标原点落在标定面以外，以免出现零截距。以棱边长度（点阵常数）为度量单位，求出待定晶面在三个坐标上的截距a1、a2、a3。计算其倒数 b1、b2、b3，约简成最小整数比h：k：l。放在圆括号内，不加逗号，有负号记在上方，(h k l)即为晶面指数。,六方晶系的晶面指数标定,1）建立坐标系：底面用互成120度的三个坐标轴a1、a2、a3，其单位为晶格常数a，加上垂直于底面的方向Z轴一起构建坐标系，其单位为高度方向的晶格常数c。注意a1、a2、a3三个坐标值不是独立的变量。2）方法同立方晶系，(h k i l)为在四个坐标轴的截距倒数的化简，其中 hki0。,六方晶系中代表性晶面指数,晶向族：原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶面的集合，用花括号h k l表示，如：,与原点位置无关；每一指数对应一组平行的晶面。,晶面指数特征,可见任意交换指数的位置和改变符号后的所有结果都是该族的范围。,2.6、其它晶体学概念,晶向的原子密度：该晶向单位长度上的节点(原子)数。,晶面的原子密度：该晶面单位面积上的节点(原子)数。,立方晶系中，相同指数的晶向和晶面垂直；h k l（h k l）,立方晶系中晶面族111表示正八面体的面；,立方晶系中晶面族110表示正十二面体的面；,2.6、其它晶体学概念,晶带和晶带轴：相交和平行于某一晶向的所有晶面的组合称为晶带，此直线叫做它们的晶带轴。晶带用晶带轴的晶向指数表示。,晶带定律：立方晶系中晶面(h k l)和其晶带轴u v w的指数之间满足关系：hu+kv+lw=0,两非平行晶面(h1 k1 l1)和(h2 k2 l2)晶带轴u v w的确定：u=k1l2-k2l1 v=l1h2-l2h1 w=h1k2-h2k1,2.6、其它晶体学概念,晶面间距：相邻两个平行晶面之间的垂直距离。晶面间距越大，该晶面上的原子密度也越大。同一晶面族的原子排列方式相同，它们的晶面间距也相同。不同晶面族的晶面间距也不相同。,简单立方晶系的晶面间距dhkl 计算公式如右，其中为晶格常数:,晶向和晶面之间的夹角,在立方晶系中按矢量关系，晶向u1 v1 w1与u2 v2 w2之间的夹角满足关系：,在立方晶系，晶面(h1 k1 l1)与(h2 k2 l2)之间的夹角也就是其法线 h1 k1 l1与 h2 k2 l2 的夹角，用上述公式同样可以求出。,2.6、其它晶体学概念,非立方晶系，晶面或晶向之间的夹角可以计算，但要复杂许多。,体心立方 bcc Body-centered cubic面心立方 fcc Face-centered cubic密堆六方 hcp Hexagonal close-packed,金属常见结构：,bcc,fcc,hcp,第三节：纯金属的晶体结构,原子位置 立方体的八个顶角和体心,3.1、体心立方,在体心立方晶格中密排面为110，密排方向为,体心立方中原子排列,密堆积结构中的两类空隙,A.四面体空隙,密堆积结构中的两类空隙,B.八面体空隙,八面体间隙,中心位置 面心和棱中点 单胞数量 12/4+6/2=6间隙半径,四面体间隙,侧面中心线1/4和3/4处 12 个,体心立方中的间隙,立方体的八个顶角和每个侧面中心都有原子,3.2、面心立方,面心立方中原子排列,面心立方晶格中密排面为111，密排方向为,八面体间隙,中心位置 体心和棱中点 单胞数量 12/4+1=4间隙半径,四面体间隙,体对角线1/4、3/4处8个,面心立方中的间隙,12个顶角、上下底心和体内3处,3.3、密排六方,在密堆六方晶格中密排面为0001，密排方向为,八面体间隙：位置:相间三棱柱中心线 1/4和3/4处.单胞数量:6大小：,四面体间隙：位置:1)棱及中心线的3/8和5/8 2)相间三棱柱中心线1/8和7/8处 单胞内数量:12大小：0.225r,密堆六方中的间隙,圆球平面排列的两种方式,3.4、面心立方和密堆六方的原子堆垛,原子的密排面的形式：在平面上每个原子与六个原子相切。,hcp中(0001)面，按-ABABABABAB-方式堆垛,fcc中(111)面，按 ABCABCABCABC-方式堆垛,-ABABAB-,-ABCABCABC-,fcc中(111)面,hcp中(0001)面,3.5、同素异构转变,大部分金属只有一种晶体结构，但也有少数金属如Fe、Mn、Ti、Co等具有两种或几种晶体结构，即具有多晶型。,同素异构转变,当外部条件(如温度和压力)改变时，金属由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称为多晶型转变或同素异构转变。,3.6、晶体的各向异性,晶体具有各向异性的根本原因是由于在不同晶向上的原子排列紧密程度不同所致。,原子紧密程度不同，意味不同方向原子间结合力不同，从而使晶体在不同晶向的理化、机械性能不同。,如：体心立方结构的a-Fe单晶方向的弹性模量是方向的两倍多。,第四节：晶体缺陷,完美晶体,原子完全象晶体学中论述的(理想晶体)那样呈现周期性的规则重复的排列。,缺陷晶体,实际晶体中可能在某个格位出现缺位，某些位置出现原子错排等缺陷。,晶体缺陷的种类、数量将给材料的性能带来巨大的影响。,晶体缺陷的分类,点缺陷：三维方向上原子尺寸大小级别的晶体缺陷，如空位、间隙原子等。,线缺陷：一个方向上的尺寸很大，另两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷，主要是晶体中的位错。,面缺陷：两个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外一个方向尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷，如晶界、亚晶界等。,4.1、点缺陷,1）点缺陷的类型,空位(Schottky 缺陷)间隙原子(Frenkel 缺陷)错位缺陷异类原子(杂质原子),点缺陷浓度与晶体自由能关系示意图,空位是一种热力学平衡缺陷，即一定温度下，晶体中总会有一定浓度的空位缺陷存在，这时体系的能量处于最低状态，也就是说，具有平衡浓度的晶体比理想晶体在热力学上更稳定。,2）点缺陷的平衡浓度,3)点缺陷对材料性能的影响,电子在点缺陷处受到额外的散射，增大材料的电阻。有利于原子扩散，空位可作为原子运动的周转站。形成其它晶体缺陷。过饱和的空位可集中在晶体内部形成空洞，集中一片的塌陷形成位错。,点缺陷的存在，会使其附近原子稍微偏离原结点位置，造成小区域的晶格畸变，对材料宏观性能产生影响。,位错的类型,根据位错线取向和位错线周围原子排列的几何特征，位错分为:刃位错 螺位错 混合位错,4.2、位错理论基础,1)刃型位错(Edge dislocation),原子模型,1)刃型位错(Edge dislocation),成 因,如：晶体塑性变形时，局部发生滑移，即可形成位错。因此位错可以理解为已滑移区和未滑移区的边界。,刃位错成因有多种可能，本质上是晶体受到应力作用产生滑移的结果。,滑移面上方：原子拥挤，原子间距变小，晶格受压应力。滑移面下方：原子稀疏，原子间距变大，晶格受到拉应力。滑移面上：晶格受切应力。,位错线周围一定区域内，原子离开平衡位置，晶格产生畸变，在半原子面两边的畸变是对称的，上下不对称。畸变区内存在复杂的应力场:,1)刃型位错(Edge dislocation),C刃型位错的应力场,位错线周围存在应力场，对附近其它位错有力的作用和影响，如一对在同一滑移面上平行刃位错，当其方向相同时互相排斥。当其方向相反时则互相吸引，最后可能互相中和而消失。螺型位错也有相同的行为。,1)刃型位错(Edge dislocation),D、位错间的交互作用,刃位错有一额外半原子面。位错线不一定是直线，也可以是直线或曲线，但位错线运动方向垂直于位错线。滑移面必定是同时包含位错线和滑移矢量的晶面，其它面上不能滑移。由于位错线与滑移矢量垂直，因此它们构成的滑移面只有一个。刃位错既有正应变，又有切应变。对于正刃型位错，滑移面上方为压应力，下方为拉应力。负刃错与之相反。,1)刃型位错(Edge dislocation),E、刃位错的特征概括,若将晶体的上半部分向后移动一个原子间距，再按原子的结合方式连接起来，同样除分界线附近的一管形区域外，其它部分基本也都是完好的晶体。而在分界线的区域形成一螺旋面，这就是螺型位错。,2)螺型位错(Screw dislocation),A.位错的原子模型,螺位错滑移面两侧晶面上原子的滑移情况：上层原子：下层原子,与螺位错垂直的晶面的形状,2)螺型位错(Screw dislocation),A.位错的原子模型,螺位错没有额外半原子面，原子错排呈轴对称。螺型位错线是一个具有一定宽度的细长的晶格畸变管道，只有切应变，没有正应变。即在垂直于位错线的平面投影上，看不到原子的位移，看不出有缺陷。螺型位错线与滑移方向平行，因此一定是直线。位错线运动方向与位错线垂直。,2)螺型位错(Screw dislocation),B.螺型位错的特点,在外力作用下，晶体两部分之间发生相对滑移，在晶体内部已滑移和未滑移部分的交线既不垂直也不平行滑移方向（柏氏矢量b），这样的位错称为混合位错。,3)混合位错（Composite dislocation）,（a）混合位错的形成,（b）混合位错分解为刃位错和螺位错示意图,(c)混合位错线附近原子滑移透视图,在研究位错时，为了摆脱位错区域内原子排列细节的约束，物理学家J.M.Burgers提出用一矢量来表征位错性质，而且还可以表示晶格畸变的大小和方向。因此该矢量称为柏氏矢量。,4)柏氏矢量（Burgers vector）,首先人为假设位错线的方向。对于刃位错目前有两种假定：一种是纸背到纸面的方向为正，另一种恰好相反。应当注意不同假设不会导致位错线和柏氏矢量方向的相对位向关系发生改变。这里采用第一种假设。,A、柏氏矢量的确定方法,在原子排列基本正常区域M出发，作一个包含位错的回路，也称为柏氏回路，这个回路包含了位错发生的畸变区。采用右手螺旋法则，使大拇指指向位错线的正向，右螺旋的走向为柏氏回路的走向，这样就可以确定柏氏回路的方向为逆时针方向。,在完整晶体中以同样方向和步数作相同回路，此时回路不能封闭。由完整晶体的回路终点Q到起点M引一矢量b使回路封闭，这个矢量就称为该位错的柏氏矢量。,螺位错的柏氏矢量可用相同方法（即人为的确定由纸背指向纸面为螺位错的正向，再根据右手螺旋法则确定柏氏回路的方向）确定。它的柏氏矢量与位错线平行，规定位错线与矢量b同向时为右螺旋位错，反向是为左螺型位错。,b,b,正刃错,负刃错,b,b,右螺型,左螺型,b,b1,b2,混合型,利用柏氏矢量可以简单判断位错类型。柏氏矢量与位错线相互垂直时为刃型位错；柏氏矢量与位错线相互平行时为螺型位错；柏氏矢量与位错线的夹角在090o为混合位错。柏氏矢量的大小可以表示位错的强度。通过柏氏回路将畸变叠加起来，总量的大小可用柏氏矢量表示出来。柏氏矢量越大，晶格畸变越严重。柏氏矢量可以表示晶体滑移的方向和大小。位错线是晶体在滑移面上已滑移区和未滑移区的边界线。位错线运动时扫过滑移面，晶体即发生滑移，滑移量的大小为柏氏矢量，方向为柏氏矢量的方向。,B、柏氏矢量的重要特征,同一位错的柏氏矢量与柏氏回路的大小和回路在位错线上的位置无关，每根位错具有唯一的柏氏矢量。一根不分叉的位错线，不管其形状如何，对应唯一柏氏矢量。位错不可能终止于晶体的内部，只能到表面、晶界和其他位错，在位错网的交汇点，必然是总的柏氏矢量之和为零。,C、柏氏矢量守恒,位错运动有滑移和攀移两种方式。过位错线并和柏氏矢量平行的平面(晶面)是该位错的滑移面位错在滑移面上的运动称为滑移位错在垂直于滑移面方向的运动称为攀移。,5)位错的运动,确定位错运动方向的右手定则,A.位错运动方向的确定,例1.方形位错环的运动,HG段：,正刃错,-x方向,x,y,z,EF段：,负刃错,x方向,EH段：,正螺错,-y方向,GF段：,负螺错,y方向,假如晶体中有一刃型位错在图示切应力作用下，应力足够大时，位错将在应力作用下发生向右的运动。因此：位错的运动在外加切应力的作用下发生；刃位错滑移方向与外力及柏氏矢量b平行，正、负刃位错滑移方向相反。位错运动扫过的区域晶体上下两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动；位错移出晶体将在晶体的表面上产生柏氏矢量大小的台阶。,t,t,C、刃位错的滑移运动,假如晶体中有一螺型位错，晶体受到足够大切应力作用下，螺位错将向后发生移动，移动过的区间上边晶体向右移动一柏氏矢量。因此：螺位错是在外加切应力的作用下发生运动；螺位错滑移方向与外力及柏氏矢量b垂直，左、右螺型位错滑移方向相反。位错扫过区域晶体的两部分发生了柏氏矢量大小的相对运动(滑移)；位错移过部分在表面留下部分台阶，全部移出晶体的表面上产生柏氏矢量大小的完整台阶。,D、螺型位错的滑移运动,混合位错滑移方向与外力及柏氏矢量b成一定角度（即沿位错线法线方向滑移）。,E、混合位错的运动,（a）正攀移（半原子面缩短）,(b)未攀移,（c）负攀移（半原子面伸长）,F、刃型位错的攀移,含位错试样抛光侵蚀后，位错露头易侵蚀而出现规则的多边型且排列有一定规律的蚀坑。这种观察方法在晶粒较大，位错较少时才有明显效果。,将试样减薄到几十到数百个原子层(500nm以下)，利用透射电镜进行观察，可直接观察到位错线。,6)位错的观察,高温合金热机械疲劳后产生的位错网,铝合金中的位错,柱状单晶铜中的位错,位错是已滑移区和未滑移区的边界，所以位错线不能中止在晶体的内部，只能中止在晶体的表面或晶界上。在晶体内部，位错线一定是封闭的，或者自身封闭成位错圈，或构成三维位错网络。晶体中位错数量可用位错密度、即单位体积位错线的总长度表示。退火状态下金属材料位错密度较低，约在106的数量级；经过较大的冷塑性变形，位错密度可达1010-12的数量级。详细内容到塑性变形一章再论述。,晶体强度与位错密度的关系,硅单晶,CeO2单晶纳米颗粒,4.3、晶体中的界面-面缺陷,1)单晶和多晶体结构,多晶Filled skutterudite 化合物的结构,晶界就是空间取向(或位向)不同的相邻晶粒之间的分界面。,小角度晶界。晶界两侧的晶粒位向差很小。可看成是一系列刃位错排列成墙，晶界中位错排列愈密，则位向差愈大。大角度晶界。晶界两侧的晶粒位向差较大，不能用位错模型。,2)晶 界,相界面的分类,两种不同相的分界面。,3)相界面,名词概念,内容要求,晶胞 晶格常数 晶粒与晶界 位错 柏氏矢量 滑移与攀移,晶向指数与晶面指数表示方法。常见三种典型结构的原子位置、单胞中原子数、致密度、配位数、密排面与密排方向、间隙形状、位置与大小。立方晶系中方向指数的夹角和晶面间距。晶体中常见的缺陷类型。柏氏回路和柏氏矢量的确定。柏氏矢量和位错类型的关系。刃位错和螺位错的特点。,小 结,作业：11；14；112；115,