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1、1,主要内容,1.材料结构和缺陷,3.材料的凝固与相图、扩散,2.材料的变形、回复和再结晶,2,材料结构,原子结构,晶体结构,非晶体结构,长程有序和无序之分！,3,原子结构与原子结合 原子结合方式决定了其结构 基本概念和分类,晶体学基础 晶体学基本概念 晶向和晶面标定,纯金属的晶体结构 BCC、FCC and HCP characteristics 堆垛和间隙,合金的晶体结构 solid solution and intermetallic compounds 基本概念,材料结构,4,任何物质由原子组成,固态物质，是由各种元素通过原子、离子或分子结合而成,原子、离子、分子之间的结合力称为结合键
2、bond。它们的具体组合状态称为结构structure。,原子结构,5,原子的结合方式,结合键,强键,弱键,(化学键）,(物理键),离子键,共价键,金属键,分子键,(范德华键),电子转移,共用电子对,金属离子通过正离子和自由电子之间的引力而相互结合,6,晶体结构,7,1 晶体学基础,基本概念,（1）晶格,（2）晶胞,（3）晶格常数,（4）晶系,空间点阵与晶体结构的区别？,7种晶系，14种布拉维点阵,8,2 晶面指数和晶向指数,标定！,晶面、晶向和晶面族、晶向族的写法,确定步骤：A：确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线，B：求直线上任一点的坐标值并按比例化为最小整数，加方括弧，形式为u
3、vw。,确定步骤：A：确定原点，建立坐标系，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距，B：取三个截距值的倒数，并按比例化为最小整数，加圆括弧，形式为（hkl）。,9,立方晶系常见的晶面族为：,立方晶系常见的晶向为：,*2,10,晶带定律,晶带轴u v w与该晶带的晶面（h k l）之间存在以下关系：hu+kv+lw=0,对于常见晶系，晶面间距dhkl为：,晶面间距,11,在立方晶系中,两晶向的夹角解析计算,两晶面交线的晶向指数uvw,与晶带轴计算相同,12,2 纯金属的晶体结构,金属中的原子键为金属键，不具方向性，因此，对最邻近原子数和位置无限制，通常大部分金属都具有大的最邻近原子数和原子堆垛密度。,
4、体心立方结构(BCC)body-centered cubic,面心立方结构(FCC)face-centered cubic,密排六方结构(HCP)close-packed hexagonal,13,（1）原子半径(R),晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。,（2）晶胞原子数(n),一个晶胞内所包含的原子数目。,（3）致密度(K),晶胞中原子本身所占的体积百分数。,K V/V0,V：晶胞中原子的体积,V0：晶胞体积,Atomic radius,Atom number in a unit cell,Atomic packing factor,14,（4）配位数(CN),晶格中与任一原子直接
5、相邻结合的原子数目。,Coordination number,15,原子堆垛方式,三种常见晶格的密排面和密排方向,间隙 intersticestetra octa,16,Characteristics of BCC,FCC and HCP structures,17,3 合金相的晶体结构,合金（Alloy）：两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。组元（Component）：组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。组元间由于物理的或化学的相互作用，可形成各种相。,显微组织(microscopic
6、structure):实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相晶粒的形态、数量、大小和分布的组合。,相（Phase）：是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。,18,相phase,根据结构特点,固溶体Solid solution,中间相Intermediate phase(金属间化合物Intermetallic compound),置换固溶体Substitutional solid solution,间隙固溶体Interstitial solid solution,正常价化合物,电子化合物,尺寸因素化合物,基本概念！,19,固溶体的溶解度：是指溶质原子
7、在固溶体中的极限浓度。,溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体，组成元素无限互溶的固溶体称无限固溶体。,只有组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。而间隙固溶体都是有限固溶体。,影响固溶度的因素：晶体结构，原子尺寸、电负性、电子浓度,固溶体的主要性能固溶强化！,产生原因：是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用，阻碍了位错的运动。,20,合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。,当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重
8、要组成相。,中间相 intermediate phase,固溶体和中间相最本质的区别？,21,晶体缺陷,点缺陷 point defects,线缺陷 linear defects,面缺陷 Interfacial defects,22,点缺陷 point defects,空位,间隙原子,置换原子,肖脱基空位,弗兰克缺陷,热平衡点缺陷,过饱和的点缺陷,改变外部条件,在一定温度下具有一定的平衡浓度,点缺陷的运动：,空位和间隙原子不断的产生和复合，自扩散,点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降；电阻升高，密度减小等。,23,线缺陷 linear de
9、fects,位错,刃型位错,螺型位错,特点,混合位错,刃型位错：存在一个多余半原子面位错线与b垂直，滑移面只有一个即有切应变，又有正应变,螺型位错：不存在一个多余半原子面位错线与b平行，滑移面可以多个只有切应变,24,判断位错的正负,位错线,柏氏矢量,刃型正负,右手法则直角坐标,b,b,刃型位错,正,负,25,伯氏矢量的特性,1)物理量：是一个反映位错周围点阵畸变总积累的物理量。位错是柏氏矢量不为零的晶体缺陷。矢量方向：表示位错的性质与取向，表示位错运动导致晶体滑移的方向；矢量的模 b：表示该位错畸变的程度（或称位错的强度），也可表示该位错导致的晶体滑移的大小；模的平方b2：位错的畸变能与柏氏
10、矢量的模的平方的大小成正比；2)守恒性：柏氏矢量与回路起点及具体途径无关；3)唯一性：一根不分叉的位错线具有唯一的柏氏矢量，与位错的类型、形状、是否运动无关；4）矢量计算：柏氏矢量可分解、求和，满足矢量运算5)位错的连续性：位错不能中断于晶体内部，但可以形成一个封闭的位错环，或连接于晶界、位错结点，或终于表面。,26,滑移,攀移,位错的运动,滑移的特点1)刃型：滑移的切应力方向与位错线垂直，而螺型：滑移的与位错线平行；2)刃型和螺型，位错的运动方向与位错线垂直；（b方向代表晶体的滑移方向）3)刃：滑移方向与位错运动方向一致，螺：滑移方向与位错运动方向垂直；4)位错滑移的切应力方向与b一致；位错
11、滑移后，滑移面两侧晶体的相对位移与柏氏矢量一致。5)对螺型位错，还存在交滑移和双交滑移。,攀移：只对刃型位错而言，通过原子或空位的扩散来实现的,27,28,位错的交割,扭折,割阶,特点,刃型位错的割阶部分仍为刃型位错（垂直于b），而扭折部分则为螺型位错（平行于b）；（由柏氏矢量与位错线取向关系确定）螺型位错的割阶和扭折部分均为刃型位错；因为都垂直于b,29,位错的弹性性质：应力场：刃型位错、螺型位错弹性畸变能：正比于b2位错的存在使晶体处于高能的不稳定状态，位错线有尽量变直和缩短其长度的趋势,作用在位错上的作用力：F=tb,位错上的线张力,点缺陷的存在会阻碍位错运动，增加金属及合金塑性变形的抗
12、力,30,实际晶体结构中的位错 单位位错、全位错、不全位错（肖克莱不全位错、弗兰克不全位错）堆垛层错位错反应：几何条件、能量条件扩展位错：全位错分解为两个不全位错+一个堆垛层错,位错的生成和增殖：位错源、增殖机理：Frank-Read resource,31,面缺陷 Interfacial defects,外表面,对称倾斜,不对称倾斜,扭转,界面,32,晶界特性,晶界能量高，原子处于不稳定状态,杂质原子易于在晶界富集，导致晶界熔点低于晶内，加热时晶界先熔化，过热,易于原子扩散，故新相易于在晶界处形核,晶界原子扩散速度高于晶内，且晶内腐蚀比晶内也快,2）晶界原子排列不规则，且存在较多的缺陷，如空
13、位和位错等,对位错运动起阻碍作用，从而提高强度和硬度,3）晶界的长大和晶界的平直化会减少晶界面积和晶界能量。需要在高温下原子扩散才能实现,33,材料的变形,塑性变形的方式：主要通过滑移和孪生、还有扭折。,孪生是指晶体的一部分沿一定晶面和晶向相对于另一部分所发生的切变。,滑移是指晶体的一部分沿一定的晶面和晶向相对于另一部分发生滑动位移的现象。,34,滑移变形的特点：滑移只能在切应力的作用下发生。临界分切应力！,滑移常沿晶体中原子密度最大的晶面和晶向发生。,滑移时，晶体两部分的相对位移量是原子间距的整数倍.,滑移的同时伴随着晶体的转动。,(5)滑移是通过滑移面上的位错的运动来实现的。,单晶体金属的
14、塑性变形,临界分切应力,当外力在某一滑移系中的分切应力达到一定临界值时，该滑移系方向首先发生滑移，该分切应力称为临界分切应力,35,孪生与滑移的主要区别,1 孪生通过晶格切变使晶格位向改变，使变形部分与未变形部分呈镜面对称；而滑移不引起晶格位向改变。,2 孪生时，相邻原子面的相对位移量小于一个原子间距；而滑移时滑移面两侧晶体的相对位移量是原子间距的整数倍。,3 孪生所需要的切应力比滑移大得多，变形速度大得多,单晶体金属的塑性变形,36,多晶体金属的塑性变形,晶界及晶粒位向差的影响,晶粒大小对金属力学性能的影响细晶强化！,合金的塑性变形与强化,单相固溶体固溶强化,多相合金弥散强化,塑性变形对金属
15、性能的影响加工硬化,产生强化的原因！,37,回复、再结晶和晶粒长大,冷变形,加 热,概念，在每个阶段材料组织以及力学和物理性能会发生什么变化,38,回复阶段退火的作用：提高扩散 促进位错运动 释放内应变能,回复退火产生的结果：电阻率下降硬度、强度下降不多 降低内应力,39,再结晶消除加工硬化再结晶也是一个晶核形成和长大的过程，但不是相变过程，再结晶前后新旧晶粒的晶格类型和成分完全相同。,再结晶不是一个恒温过程，它是自某一温度开始，在一个温度范围内连续进行的过程，发生再结晶的最低温度称再结晶温度。,影响再结晶温度的因素：1、金属的预先变形度：,2、金属的纯度,5、加热速度和保温时间,3.原始晶粒
16、尺寸4.第二相粒子,40,冷加工与热加工的区别,低于再结晶温度的加工变形称为冷加工,高于再结晶温度的加工变形称为热加工,热加工：在加工变形的同时产生加工硬化和动态回复与再结晶，并且热加工产生的加工硬化很快被回复再结晶产生的软化所抵消，所以热加工体现不出加工硬化现象。,再结晶完成后，若继续升高加热温度或延长保温时间，将发生晶粒长大，这是一个自发的过程。,41,材料凝固,凝固,晶体,物质由液态转变为晶态的过程称为结晶crystallization其突出特点是材料的性能发生突变,非晶体,材料在凝固过程中逐渐变硬,结晶是由一个相（液相）转变为另一个相（固相）的过程称为相变，因而是相变过程。材料在凝固过
17、程中逐渐变硬只是一个凝固的过程，不是相变。,42,结晶,结晶条件,热力学条件,动力学条件,结构条件,能量条件,热过冷DT0(DG0),形核方式,晶体长大,均匀形核,非均匀形核,动态过冷DTk0,结构起伏（大于临界晶核尺寸r*）,能量起伏（大于临界形核功）,在均匀母相中完全靠过冷液体中的结构起伏和能量起伏来实现形核，故十分困难,依附在液体中的外来固体表面形成晶核，故在相同条件下，比均匀形核更容易,长大机制,长大形态,根据液固界面微观结构：连续长大、二维形核长大和借螺位错长大,根据液固界面微观结构和界面前沿液体中的温度梯度：平面状长大和树枝状长大,纯金属,43,合金凝固区别于纯金属凝固的最典型特征
18、：,成分过冷,在正温度梯度下可实现树枝状生长,固溶体的凝固理论,正常凝固,区域熔炼,平衡分配系数k0,有效分配系数ke,44,铸件组织,表层细晶区,柱状晶区,中心等轴晶区,铸件缺陷,缩孔,气孔,偏析,宏观偏析,显微偏析,正偏析,反偏析,比重偏析,胞状偏析,枝晶偏析,晶界偏析,45,细化晶粒的方法,提高过冷度,变质处理,振动、搅拌等,凝固理论的应用,46,二元相图,基本类型 匀晶相图（isomorphous phase diagram）共晶相图（eutectic phase diagram）包晶相图（peritectic phase diagram）,47,熟悉最基本的反应类型熟练杠杆定律熟练掌
19、握铁碳合金相图，应用杠杆定律,48,1.常见二元合金相图的基本类型,49,二元相图的分析步骤,实际二元相图往往比较复杂，可按下列步骤进行分析。分清相图中包括哪些基本类型相图,确定相区 相区接触法则：相邻两个相区的相数差为1 单相区的确定,50,两相区的确定：两个单相区之间夹有一个两相区，该两相区的相由两相邻单相区的相组成。,3.利用相图分析典型合金的结晶过程，从而判断出在室温下合金的组织组成或相组成。应用杠杆定律计算平衡相（组织）的相对量。注意杠杆定律只能在平衡条件下的二相区使用。,三相区的确定：二元相图中的水平线是三相区，其三个相由与该三相区点接触的三个单相区的相组成。,51,2.FeC合金
20、相图：是二元合金相图的综合应用,点：符号、成分、温度线,相区：5个单相区，7个两相区，和3个三相区（三条水平线）,组织组成物：标注,52,3.杠杆定律：只适用于两相区,杠杆的支点是合金的成分，杠杆的端点是所求的两平衡相（或两组织组成物）的成分。,53,作出典型合金冷却曲线示意图二元合金冷却曲线的特征是:在单相区和两相区冷却曲线为一斜线。（非等温！）,分析典型合金的结晶过程,由一个相区进入另一相区时,冷却曲线出现拐点:a.由相数少的相区进入相数多的相区曲线向右拐;,b.由相数多的相区进入相数少的相区曲线向左拐。发生三相等温转变时，冷却曲线呈一水平台阶。,54,分析合金结晶过程 画出组织转变示意图
21、。,计算各相、各组织组成物相对重量百分比：a.在单相区，合金由单相组成，相的成分、重量即合金的成分、重量。,要熟悉平衡结晶过程，会画高温到低温的组织转变！,55,4.杠杆定律在FeC相图中的应用,56,组织组成物和相在铁碳合金相图上标注,组织组成物与相组成物标注区别主要在+Fe3C和+Fe3C两个相区.+Fe3C相区中有四个组织组成物区，+Fe3C相区中有七个组织组成物区。,57,三元相图,成分图合金标定三元相图的立体图解析：匀晶和共晶立体图投影：等温截面图会分析合金结晶过程，给出在室温下存在的相或组织,58,e,两相共晶转变线,三相共晶转变点,两相共晶区分界线,59,6,1,2,3,4,5,
22、区 域,相组成,组织组成,1,A+B+C,2,A+B+C,3,A+B+C,A初+(A+B)+(A+B+C),B初+(A+B)+(A+B+C),B初+(C+B)+(A+B+C),4,A+B+C,C初+(C+B)+(A+B+C),5,A+B+C,C初+(A+C)+(A+B+C),6,A+B+C,A初+(A+C)+(A+B+C),三 元 简 单 共 晶 相 图 平衡结晶产物,60,区 域,相组成,组织组成,e1-e,A+B+C,e2-e,A+B+C,e3-e,A+B+C,(A+B)+(A+B+C),(B+C)+(A+B+C),(C+A)+(A+B+C),A-e,A+B+C,A初+(A+B+C),B-
23、e,A+B+C,B初+(A+B+C),C-e,A+B+C,C初+(A+B+C),e,A+B+C,(A+B+C),三 元 简 单 共 晶 相 图 平衡结晶产物,61,扩散,62,扩散定律和应用,1.菲克第一定律 Ficks first law,2.菲克第二定律 Ficks second law,稳定扩散的情形,非稳定扩散的情形,t x2Dt=常数,63,扩散分类：互扩散、自扩散、下坡扩散、上坡扩散,扩散驱动力化学势梯度,64,扩散机制 Diffusion mechanisms（扩散原子理论）,1、交换扩散（exchange diffusion）2、间隙扩散（interstitial diffusion）3、空位扩散（vacancy diffusion）4、晶界及表面扩散(grain boundary or surface diffusion)5、位错扩散（dislocation diffusion）,65,影响扩散的因素,扩散温度 扩散元素的性质 基体金属的性质 晶 体 缺 陷,66,谢谢大家！,
