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金属的构造和子I(精)

时间:2019-11-03 09:25 来源:未知 编辑:admin

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国际焊接工程师可选途径培训班预备班 材料基础知识 薛小怀 副教授 上海交通大学材料科学与工程学院 简历: 西安石油学院焊接工艺与设备本科 (1995) 西安交通大学焊接工艺与设备...

  

金属的构造和子I(精)

金属的构造和子I(精)

金属的构造和子I(精)

  国际焊接工程师可选途径培训班预备班 材料基础知识 薛小怀 副教授 上海交通大学材料科学与工程学院 简历: 西安石油学院焊接工艺与设备本科 (1995) 西安交通大学焊接工艺与设备硕士(1998) 中国科学院金属研究所材料加工工程博士 (2001) 上海交通大学博士后流动站 (2003) 上海交通大学材料科学与工程学院(至今) 联系方式: Tel.:E-mail address: 晶体的结构: 绝大部分金属和合金都属于晶体。 晶体的 特点: 基本质点在空间规则排列,具有规则的外形; 具有一定熔点; 各向异性。 金属的结构和特性I 晶体和晶胞: 为了研究晶体中原/分子的排列情况,将其抽象为几 何点,并用直线连接起来形成的三维空间格架称为晶格, 交点称为结点,组成晶格的最小几何单元称为晶胞。 金属的结构和特性I 简单立方晶体 (a) 晶体结构 (b) 晶格 (c) 晶胞 金属的结构和特性I 金属晶体的结构类型 体心立方晶胞(铬、钒、钨、钼、铌、α-Fe等 ) (a) 模型; (b) 晶胞; (c) 晶胞原子数 金属的结构和特性I 面心立方晶胞(γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等) (a) 模型; (b) 晶胞; (c) 晶胞原子数 金属的结构和特性I 密排六方晶胞( Mg、Zn、Be、铜交易厂家-铜交易厂家公司企业 - 阿里巴巴公司,Cd等) (a) 模型; (b) 晶胞; (c) 晶胞原子数 金属的结构和特性I 晶面指数与晶向指数 工程材料 晶体中原子排列的规律性,可以从晶面和晶向上 反映出来。晶体中各种方位上的原子面叫做晶面,各 种方向上的原子列叫做晶向。金属的许多性能都和晶 体中的特定晶面和晶向有密切联系。 金属的结构和特性I 立方晶格中,[100]、[110]、[111]三 种晶向最重要。应该指出,晶向指数所表示的不 仅仅是一条直线的位向,而是一族平行线的位向。 即所有相互平行的晶向,都具有相同的晶向指数。 另外,原子排列相同但空间位向不同的所有晶向 称为晶向族,以〈uvw〉表示。 金属的结构和特性I 体心立方晶格中几个主要晶面和晶向 金属的结构和特性I 由于同一晶格中不同晶面和晶向上原子排列 的疏密程度不同,因而晶体在不同方向上表现的 性能有所不同,即所谓晶体的“各向异性”。 金属的结构和特性I 实际金属的晶体结构: 在实际金属中,不可避免地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。一般说来, 金属中这些偏离其规定位置的原子数很少,从总体来看, 其结构还是接近完整的。但是这些晶体缺陷不但对金属 及合金的性能有重大影响,而且还在扩散、相变、塑性 变形和再结晶等过程中扮演重要角色。 金属的结构和特性I 工程材料 (1)点缺陷: 在三维方向上的尺寸都很小; 比如:空位、间隙原子。 原子脱离结点(形成空位)进入晶格 (间隙原子), 在空位与间隙原子附近的平衡力场被破坏,使周围的原 子偏离原来位置,造成晶格的局部弹性畸变,称为晶格 “畸变”。 金属的结构和特性I 工程材料 (2)线缺陷(位错): 一列或若干列原子发生有 规律的错排现象。 刃型位错: EF为位错线。ABCD面上方的 原子受到压应力,下方则受到拉 应力。 金属的结构和特性I 螺型位错: 金属的结构和特性I (3)面缺陷: 晶界:晶粒与晶粒之间的界面,晶粒之间的过渡 层。相邻晶粒之间位向差为20~40?,其特点为: 晶界上晶格畸变大、规则性差;位错、杂质原 子多,能量高。常温硬度、强度高,高温低,容 易被腐蚀,原子扩散速度快。 金属的结构和特性I 工程材料 亚晶界: 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 。 晶粒大小一定,亚结构越细,强度越高。 金属的结构和特性I 晶界过渡和亚结构示意图 金属的结构和特性I 晶体缺陷处晶格处于畸变状态,引起晶体内部 产生内应力,导致材料塑性变形抗力的增大, 从而使金属材料在常温下的强度、硬度提高。 例如,生产中常用的压力加工工艺.通过金属材料的 塑性变形使晶体产生缺陷,达到金属强化。用产生塑 性变形使金属得到强化的方法称为形变强化。 金属的结构和特性I 合金的相结构: 纯金属: 物理、化学性能良好,力学性能差。价格 昂贵、种类有限。 合金: 两种或两种金属与金属或与非金属元素组成具 有金属性质的物质。 强度、硬度、耐磨性高,是工程上使用得最多的金属 材料 。 比如:黄铜( Cu+Zn)、钢(Fe+C)、铝合金等。 合金 固溶体的几个基本概念: 组元: 组成合金的元素,或稳定化合物。根据组元多 少合金可分为二元合金、多元合金。 相:组元之间相互作用形成具有同一化学成分、同一 结构和原子聚集状态,并以界面互相分开的、均匀的 组成部分 。 合金 相可以分为固溶体和金属化合物。 固溶体:相的晶体结构与某一组成元素的晶体结 构相同 。 固溶体分为间隙固溶体和置换固溶体。 合金 置换固溶体: 溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形成的固 溶体 (溶剂与溶质原子尺寸相近,直径差别较小 ,大于15%就很难形成置换固溶 体) 。 合金 间隙固溶体:溶质原子进入溶剂晶格的间隙中而 形成的固溶体称为间隙固溶体,其中的溶质原子 不占据晶格的正常位置 。 只有溶质原子与溶剂原子的直径之比小于0.59时,才会 形成间隙固溶体。通常,间隙固溶体都是由原子直径很 小的碳、氮、氢、硼、氧等非金属元素溶入过渡族金属 元素的晶格间隙中而形成的。 合金 固溶体的溶解度:溶质原子溶入固溶体的极限浓 度。 据此可以分为有限固溶、无限固溶 。 影响溶解度的因素有原子尺寸、晶格类型、电化 学性质以及电子浓度等 。 合金 固溶体的性能: 由于溶质原子尺寸与溶剂原子不同,其晶格都会产生 畸变。由于晶格畸变增加了位错移动的阻力,使滑移变 形难以进行,因此固溶体的强度和硬度提高,塑性和韧 性则有所下降。 这种通过溶入某种溶质元素来形成固溶体而使金属的 强度、硬度提高的现象称为固溶强化 。 合金 金属化合物 金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶 格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。 一般可用分子式大致表示其组成。金属化合物一般 有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性。 合金中出现化合物时,可提高强度、硬度和耐磨性, 但降低塑性。 合金 (1)正常价化合物 周期表上相距较远,电化学性质相差较大的两元素容易 形成正常价化合物。其特点是符合一般化合物的原子价 规律,成分固定,并可用化学式表示。如Mg2Pb、 Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。 性能特点:高的硬度和脆性。弥散分布于固溶体基体中 时,将起到强化相的作用,使合金强化。 合金 (2)电子化合物 由第Ⅰ族或过渡族元素与第Ⅱ至第Ⅴ族元素结合而成的。 它们不遵循原子价规律,而服从电子浓度规律。电子浓 度指合金中化合物的价电子数目与原子数目之比。 性能特点:高的熔点和硬度,但塑性较低,一般只能作 为强化相存在于合金特别是有色金属合金中。 合金 (3)间隙化合物 由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径 较小的非金属元素形成的金属化合物。 合金 纯金属的结晶: 金属由液态转变为晶体状态的过程 称为结晶(或一次结晶)。 把一种固态转变为另一种固态称为 二次结晶。 液态金属一般为非晶态,并非完全 无序排列,在很小范围内有序, 即近程有序,远程无序。 液态金属结构示意图 金属的结构和特性I 结晶过程能量状态与温度的关系: 结晶过程是一个自发过程,所以该过程是 高能状态向低能状态的转变,即系统自由能降 低的过程。 金属的结构和特性I GL 自由能 G 在温度T0处GL=GS,固、 GS 液两相处于热力学平衡 T0 温度 T 状态。T0即为纯金属的 平衡结晶温度。 纯金属液、固两相体积 自由能与温度的关系 金属的结构和特性I 当TT0时,GLGS,液相处于自由能更低的稳定状 态,结晶不可能进行;只有当TT0时,GLGS,结 晶才可能自发进行。 △T=T0-T,为过冷度。因此,液态金属结晶的驱动力 是由过冷提供的,过冷度越大,结晶驱动力也就越大。 过冷度为零时,驱动力就不复存在。所以液态金属不 会在没有过冷度的情况下结晶。 金属的结构和特性I 过冷度愈大,液态和固态之间能量状态差就 愈大,促使液体结晶的驱动力就愈大。只有 当结晶的驱动力达到一定值时,结晶过程才 能进行。所以,结晶的必要而且充分条件是 具有一定的过冷度,冷速越大,过冷度越大。 金属的结构和特性I 在液态物质的冷却过程中,可以用热分折法来测定其温 度的变化规律,即冷却曲线温度以上时.液态金 属的温度是均匀下降的。当冷却到低于T0的某一个温度 时,液态物质开始结晶,并不断放出结晶潜热,保持系 统温度不变,即在曲线上出现“平台”。结晶完毕后, 温度继续均匀下降。 纯金属的冷却曲线 金属的结构和特性I 金属结晶的一般过程: 当液态金属过冷到一定温度时,一些尺寸较大的近 程原子集团开始变得稳定,而成为结晶核心,又称为晶 核。形成的晶核按各自方向吸附周围原子自由长大,在 长大的同时又有新晶核出现、长大。当相邻晶体被此接 触时,被迫停止长大.而只能向尚未凝固的液体部分伸 展,直至全部结晶完毕。因此,在一般情况下金属是由 许多外形不规则、位向不同、大小不同的晶粒组成的多 晶体。 金属的结构和特性I 纯金属结晶的一般过程 金属的结构和特性I 晶核形成: (1)自发形核(纯金属):近程有序的原子集团 达到一定过冷度时称为稳定晶核,由自身产生。 (2)非自发形核(合金) :依靠悬浮在熔体中 难熔杂质的固态颗粒或有意加入固态微粒形成 的晶核。 金属的结构和特性I 晶粒度及其控制: (1)晶粒大小与性能的关系: HOLL-PETCH关系。 (2)晶粒大小控制 (控制形核率?) : 增大过冷度; 变质处理; 振动搅拌。 金属的结构和特性I 金属的同素异晶转变: 金属在固态下随温度的改变由一种晶格变为 另一晶格的现象。 常温下同素异晶体用?表示,较高温度依次 用?、?、?等表示。 金属的结构和特性II 液态铁结晶后是体心立方晶 格,称为δ-Fe。在1394℃以下转 变为面心立方晶格,称为γ-Fe, γ-Fe的晶核容易在δ-Fe的晶界 上形成。γ-Fe冷却到912℃又要 转变为体心立方晶格,称为α-Fe。 金属的结构和特性II 同素异晶转变的规律与特点: 有一定的转变温度、需要过冷、有潜热生成,转变过 程仍旧是晶核的形成与长大来完成。特点为: (1)受扩散过程的影响,需要较大的过冷度; (2)晶格变化引起体积变化,产生内应力; (3)新相晶核在旧相晶界或某些特定晶面上生成。 金属的结构和特性II 相图I 为什么添加元素? 使材料的性能提高。 影响性能的因素? 添加元素的种类和数量、原子之间的相互作用以及温 度、成分等有关。 相图的作用? 能反映出某一合金系成分、温度与存在相之间 的关系。 相图I 二元相图 合金中各组元在凝固过程中析出形式? 单质、固溶体、化合物。 对凝固过程基本规律的研究常以二元系合金为 对象; 用二元系合金的凝固规律来分析多 元系合金的凝固特征。 相图I 二元相图的建立: 常用热分析法。 相图I CuNi二元相图的建立 所有二元相图都是由共晶、偏晶、包晶及匀 晶(固溶体)四种基本相图构成的。 匀晶相图 相图I 两组元液态时完全互溶,固态时形成无限固溶体的合金相图 匀晶凝固过程 相图I 最常见的多相合 金凝固是共晶凝固, 具有共晶成分LE的液 相在凝固过程中同时 有两个固相析出。 LE→α+β 相图I 工程材料 共晶合金凝固 相图I 两组元液态时完全互溶,固态时形成有限固溶体的合金相图 包晶凝固图,是液相L和另一固相β反应生成一个 新的固相α,即 L+β→α 相图I 由于新相A首先在 L相与?相的相界上形 核并包着?H相长大故 称为包晶转变。 相图I 偏晶凝固与共晶相似,但析出相中有一相为液相, 即由液相L1析出α及L2,即 L1→α+L2 相图I 共晶、偏晶及包晶转变均是在恒温下进行的。 共析转变在铁-碳相图中介绍。 三元合金相图请自学。 相图I 二元合金相图的杠杆定律 在合金的结晶过程中,各相的成分及其相对质量 都在不断变化。在某一温度下处于平衡状态的两相的 成分和相对质量可用杠杆定律确定。 相图I 两平衡相的成分 液、固两相并存时液相成 分沿着液相线变化,固相的成 分沿着固相线变化。要想确定 合金I在t1温度时两平衡相的成 分,沿t1作水平线,与液、固 相线交点为a、b。a、b分别对 应的CL、Ca即为液相的成分和 已结晶固相的成分。 相图I 两平衡相的相对质量 设合金I的总质量为1,液相的质量 为WL,固相的质量为Wa,则: WL + Wa = 1 合金1中的Ni的总质量应该为液相 和固相中的Ni量之和,即 WLCL+WaCa=1?C 由上边两个等式可以得到:WL/Wa=rb/ar 相图I 如果将合金I成分的C的点r看作 杠杆的支点,将WL和Wa看作作用 在a和b上的力,按照力学上的杠杆 原理,可将 WL / Wa= rb / ar 称为杠杆定律。 相图I 杠杆定律的文字表达 要求合金在某温度时的两平衡相的相对质量,可在该 合金成分的垂直线上,沿该温度坐标点画一水平杠杆与该 两相区的边界相交,其交点在横坐标上的投影就是两平衡 相的成分。此时两交点内的水平线被合金的成分分为两个 线段,两相的重量比与这两线段的长度成反比。 应当注意杠杆定律只能适用于两相区。 相图I 金属的结构和特性I(精)_职业技术培训_职业教育_教育专区。金属的结构和特性I(精)

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