第1章工程材料的性能.pptVIP

第一章 工程材料的性能 第一节 强度与塑性 硬度 第二章 晶体结构与晶体 (2)面心立方晶格（Face-centred cubic lattice，简称f.c.c） 化工学院 §2-1 金属的晶体结构 三、晶体的各向异性 由于晶体中不同晶面和晶向上的原子密度不同，因而便造成了它在不同方向上的性能差异，晶体的这种“各向异性”的特点是它区别于非晶体的重要标志之一 例如，体心立方的Fe晶体，由于它在不同晶向上的原子密度不同，原子结合力不同，因而其弹性模量E便不同。许多晶体物质如石膏、云母、方解石等常沿一定的晶面易于破裂，具有一定的解理面，也都是这个道理。 晶体的各向异性不论在物理、化学或机械性能方面，即不论在弹性模量、破断抗力、屈服强度，或电阻、导磁率、线胀系数，以及在酸中的溶解速度等许多方面都会表现出来，并在工业上得到了应用，指导生产，获得优异性能的产品 如制作变压品的硅钢片，因它在不同的晶向的磁化能力不同，我们可通过特殊的轧制工艺，使其易磁化的晶向平行于轧制方向从而得到优异的导磁率等。 化工学院 §2-2 实际金属结构 一、多晶体结构 单晶体的金属材料除专门制作外基本上不存在，如半导体工业中的单晶硅。实际的金属结构包含许多小晶体，每个小晶体的晶格是一样的，但各小晶体之间彼此方位不同。 示意图 显微组织照片 每个小晶体具有不规则的颗粒状外形，即晶粒，两相邻晶粒之间之间的界面不同晶格方位的过渡区，所以在晶界上原子排列总是不规则的，这种多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。一般情况下，多晶体中不显各向异性。为什么？ 化工学院 §2-2 实际金属结构 多晶体的性能在各个方向基本是一致的，这是由于多晶体中，虽然每个晶粒都是各向异性的，但它们的晶格位向彼此不同，晶体的性能在各个方向相互补充和抵消，再加上晶界的作用，因而表现出各向同性。这种各向同性被称伪各向同性。 多晶体晶粒的大小：与金属制造及处理有关系，直径一般为10-1-10—3mm左右，所以在显微镜下才能看到。 显微组织：在显微镜下看到的各种晶粒的形态、大小和分布情况。 有色金属，如铜、锡、铝、锌等晶粒，一般比钢铁的晶粒大些，通常用肉眼可看见。例如镀锌板表面的锌晶粒，其尺寸通常达几毫米甚至几十毫米。 晶粒的大小对材料的性能影响很大，在常温下，晶粒愈小，材料的强度愈高，塑性、韧性愈好。 化工学院 §2-2 实际金属结构 二、晶体缺陷 实际上每个晶粒内部，其结构也不是那么理想，存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域，这就是晶体缺陷。晶体缺陷的形式有点缺陷、线缺陷、面缺陷。 1.点缺陷 化工学院 点缺陷的具体形式有如下三种。 (1) 空位 晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成空结点，称为空位。当晶格中的某些原子由于某种原因（如热振动等）脱离其晶格节点将产生此类点缺陷。这些点缺陷的存在会使其周围的晶格产生畸变。 (2) 间隙原子 在晶格节点以外存在的原子，称为间隙原子。在金属的晶体结构中都存在者间隙，一些尺寸较少的原子容易进入晶格的间隙形成间隙原子。 (3) 置换原子 杂质元素占据金属晶格的结点位置称为置换原子。当杂质原子的直径与金属原子的半径相当或较大时，容易形成置换原子。 点缺陷示意图 §2-2 实际金属结构 化工学院 晶体中最普通的线缺陷就是位错，它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。这种错徘现象是晶体内部局部滑移造成的，根据局部滑移的方式不同，可形成不同类型的位错，如图所示为常见的一种刃型位错。由于该晶体的右上部分相对于右下部分局部滑移，结果在晶格的上半部中挤出了一层多余的原子面EFGH，好象在晶格中额外插入了半层原子面一样，该多余半原子面的边缘EF便是位错线。沿位错线的周围，晶格发生了畸变。 §2-2 实际金属结构 2.线缺陷 化工学院 金属晶体中的位错很多，相互连结成网状分布。位错线的密度可用单位体积内位错线的总长度表示，通常为104一1012cm／cm3之间。位错密度愈大，塑性变形抗力愈大，因此，目前通过塑性变形，提高位错密度，是强化金属的有效途径之一。 面缺陷包括晶界和亚晶界。如前所述，晶界是晶粒与晶粒之间的界面，由于晶界原子需要同时适应相邻两个晶粒的位向，就必须从一种晶粒位向逐步过渡到另一种晶粒位向，成为不同晶粒之间的过渡层，因而晶界上的原子多处于无规则状态或两种晶粒位向的折衷位置上（如图所示）。 3.面缺陷 §2-2 实际金属结构 化工学院 另外，晶粒内部也不是理想晶体，而是由位向差很小的称为嵌镶块的小块所组成，称为亚晶粒，尺寸为10-4~10-6cm。亚晶粒的交界称为亚晶界（如图所示）。 亚晶界