工程材料基础

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1、1机械工程材料MechanicalEngineeringMaterials2第1章材料的结构与凝固本章目录1.1金属的晶体结构1.2合金的晶体结构1.3非金属材料的结构1.4凝固的基本概念1.5金属的结晶1.6材料的同素异构现象31.1金属的晶体结构1.1.1晶体结构的基本概念晶体：内部原子或离子按一定几何形状有规则排列的固体（有熔点、各向异性）。非晶体：原子排列无规则的固体（无熔点，各向同性）。晶格：将构成晶体的实际质点（原子或离子）抽象为纯粹的几何阵点，并用直线连接起来构成的三维空间格架。晶胞：能够反映晶格特征的最小组成单元。原子堆垛模型晶格晶胞4晶格参数：晶格的几何特征可以用

2、晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角、、六个参数来描述晶格常数：a、b、c。1.1.1晶体结构的基本概念晶格参数5体心立方晶格：Ti、V、Cr、Mo、W及-Fe等属此种晶格。面心立方晶格：Al、Cu、Ag、Pt、Au及-Fe等属此种晶格。密排六方晶格：Zn、Mg、Be、Cd等属此种晶格。1.1.2三种常见的金属晶体结构体心立方面心立方密排六方晶格稳定性问题①以W为例:α-W：稳定晶型,体心立方,a=(0.316254±0.000004)nm(25℃);β-W：亚稳晶型,立方A15晶格,加热至600~700℃时转变为α-W,a=0.5037~0.509nm；γ-W

3、：面心立方,仅发现在溅射最初期的薄层和无定形钨中,a=0.423nm,>700℃时转变为α-W.71.1.3常见金属晶体结构的特征（1）晶胞中的原子数面心立方晶格密排六方晶格体心立方晶格81.1.3常见金属晶体结构的特征（2）原子半径面心立方晶格密排六方晶格体心立方晶格9配位数：晶体结构中与任一原子周围最近邻的且等距离的原子数。配位数越大，晶体中原子排列就越紧密。（3）配位数和致密度面心立方晶格：12密排六方晶格：12体心立方晶格：81.1.3常见金属晶体结构的特征10致密度：晶胞中所含原子的体积与晶胞体积的比值，配位数大，则致密度亦大。面心立方晶格：密排六方晶格：体心立方晶格：1

4、.1.3常见金属晶体结构的特征11三种典型金属晶体结构的特征晶格类型晶胞中的原子数原子半径配位数致密度体心立方280.68面心立方4120.74密排六方6120.741.1.3常见金属晶体结构的特征12晶面：通过晶体中原子中心的平面(由一系列原子组成)。晶面指数：用以表示晶面的数字符号称为晶面指数。1.1.4晶面、晶向及晶体的各向异性13晶向：晶体中原子列所表示的方向。晶向指数：表示晶向的数字符号称为晶向指数。各向异性：金属晶体沿不同方向性能不相同的现象。晶体与非晶体最根本的差别之一是单晶体具有明显的方向性，这与晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而它们之间的结合力大小不同有关

5、。1.1.4晶面、晶向及晶体的各向异性141.1.5实际金属的晶体结构（1）实际晶体结构单晶体：金属内部的晶格方位完全一致。多晶体：多晶粒组成的实际晶体结构。晶粒：组成多晶体的外形不规则的小晶体（队列进行解释）（微晶、纳米晶）一个晶粒就是单晶，多个晶粒就是多晶，没有晶粒就是非晶。晶界：晶粒与晶粒间的界面。组织：指金属的内部形貌。显微组织：利用金相显微镜所观察到的组织。15（2）晶体缺陷点缺陷：包括晶格空位、间隙原子和异类原子，点缺陷的存在会使晶格发生畸变，金属的性能发生变化。1.1.5实际金属的晶体结构16线缺陷：即位错，或称为位错线。位错是晶体中某处有一列或若干列原子，发生了规律

6、的错排现象。包括刃型位错和螺型位错。1.1.5实际金属的晶体结构17面缺陷：晶体中的面缺陷是晶界和亚晶界。面缺陷是晶体中不同区域之间，由于晶格方位的过渡所造成。位向差较小的亚晶界，可看成是位错线的堆积。1.1.5实际金属的晶体结构181.2.1合金的基本概念合金：一种金属元素同另一种或几种金属或非金属元素，通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。组元：组成合金最基本的独立物质。二元合金：由两个组元组成的合金称为二元合金。相：在金属或合金中，化学成分、晶体结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。组织组成物：合金组织中那些具有确定本质，一定形成机制和特殊形态的组成

7、部分。1.2合金的晶体结构19固溶体：合金组元通过溶解形成的一种成分和性能均匀、且结构与组元之一相同的固相。习惯以、、表示。溶剂与溶质：与合金晶体结构相同的元素称溶剂，其它元素称溶质。有限固溶体：若溶质超过某个溶解度有其他相形成，即两个元素之间的相互溶解度有一定的限度的固溶体。无限固溶体：溶质与溶剂能以任何比例相互溶解的固溶体。1.2.2固态合金的相结构20置换固溶体：在溶剂晶格的某些结点上，其原子被溶质原子所替代而形成的固溶体。间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格