同学们好,欢迎你们学习工程材料课程!
巩前明
(机械系材料加工技术研究所)
工程材料
清华大学机械工程系
办公室:西主楼3区-417
Tel:010-******** 136******** E-mail:gongqianming@https://www.doczj.com/doc/589817221.html,
"十一五"国家级规划教材《工程材料》第4版配套课件
教材:
1.《工程材料》第四版,朱张校,姚可夫 主编,清华大学出版社 2.《工程材料习题与辅导》第四版,朱张 校,姚可夫主编,清华大学 出版社
第4版
网络课程网址
1.https://www.doczj.com/doc/589817221.html,/s70094/2002001/gccl.htm 2.清华大学网络学堂:常用
说在前面—— 实际上,有时是 可以商量的,^_^!
约法三章
不迟到,不缺课(有事可请假-书面).
课程安排
总学时: 讲课: 基本实验: 48(3学分) 36 6(西主楼四楼实验课教室2区-406; 负责人:张欣老师,136********, 62784856; 办公室:西主楼2区-409), 6 书面作业:随堂布置,交作业时间灵活处理; 工程材料网络课程习题:上机完成.
上课不准许看非本课程的书,杂志.
上课不准许使用手机.
上课不准许吃零食.
要按时交作业,实验报告.
讨论: 作业:
意在后面——
关于考试
开卷考试
90 85 80 75 70 65 60
86.3
85.3
83.2
83.5
总学时 48(3学分)
总成绩=平时(20%)+期中(10%-20%)+期末×(70%-60%)
50% 40% 30% 20% 10% 0%
2007春-热能
2007秋-精仪
2008春-热能
2008秋-精仪
2007春-热能 2007秋-精仪 2008春-热能 2008秋-精仪 2009春-航热汽
系 别
知识的积累关键在平时! 期盼合作愉快!
75~79 80~84 85~89 90~94 95~
60~69
70~74
祝同学们学习愉快,取得优异成绩!
什么是工程材料?
什么是工程材料?
工程材料课程是高等院校机械类专业的一 工程材料主要是指用于机械,车辆,船舶, 门十分重要的技术基础课. 建筑,化工,能源,仪器仪表,航空航天等工程 领域中的材料,用来制造工程构件和机械零件, 课程的任务是从机械工程的应用角度出发, 也包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能 阐明机械工程材料的基本理论,了解材料的成 (如耐蚀,耐高温等)的材料. 分,加工工艺,组织,结构与性能之间的关系; 介绍常用机械工程材料及其应用等基本知识.
课程的目的是使学生通过学习,在掌握机 械工程材料的基本理论及基本知识的基础上, 具备根据机械零件使用条件和性能要求,对结 构零件进行合理选材及制订零件工艺路线的初 步能力. 由于能源,材料和信息是现代社会和现代 科学技术的三大支柱,学习并掌握工程材料的 基础知识,对于工科院校机械类专业的学生是 十分必要的.
课 程 目 录
第1章 第2章 第3章 第4章 第5章 第6章 第7章 第8章 第9章 第10章 绪 论 材料的结构与性能 金属材料组织和性能的控制 金属材料 高分子材料 陶瓷材料 复合材料 功能材料 机械零件的失效与选材原则 典型工件的选材及工艺路线设计 工程材料的应用
绪
内容提要
论
0.1 中华民族对材料发展的重大贡献
材料是人类用来制造各种产品的物 质,是人类生活和生产的物质基础.人 类社会的发展伴随着材料的发明和发展. 材料的发展历史 石器—陶器—青铜器—铁器—高分子材料—复合材料
介绍中华民族对材料发展的重大贡献,新 材料新工艺的发展现状.根据结合键对工程材 料进行分类,一般介绍各类材料的性能特点.
学习目标
了解材料的结合键,了解各类工程材料的 性能特点.
0.1.1 中华民族对材料发展的重大贡献
●陶器与瓷器的发明和使用 新石器时代(公元前6000年～公元前 5000年),中华民族的先人们用粘土烧制 成陶器. 甘肃马家窑文化时期的 陶器表面彩绘条带纹,波纹 和舞蹈纹等,制品有炊具, 食具,盛储器皿等.
陶器
●石器的制造和使用 在人类的发展史上,最先使用的工具 是石器. 中华民族的祖先用坚硬的燧石和石英 石等天然材料制成石刀,石斧,石锄.
石器
瓷器——中国文化的象征 最早生产瓷器的国家. 东汉时期发明了瓷器. 于9世纪传到非洲东部 和阿拉伯国家,13世纪传到 瓷器 日本,15世纪传到欧洲. 瓷器成为中国文化的象征,对世界文明产 生了极大的影响. 中国瓷器畅销全球,名誉四海.
●我国劳动人民创造了灿烂的青铜文化 夏朝(公元前2140年始)以前我国青铜的冶 炼就开始. 殷,西周时期已发展到很高的水平. 制造各种工具,食器,兵器.
兵器
司母戊鼎
●从河南安阳晚商遗址出土的司母戊鼎重 8750 N, 长1.33 m,宽0.78 m,高1.10 m. 是迄今世界上最古老的大型青铜器.
●从湖北隋县出土的战国青铜编钟共计六 十四枚,分三层悬挂.造型壮观,音频准确. 铸造精美,音律齐全,音域宽广,音色和美, 乐律铭文珍贵. 是我国古代文化艺术高度发达的见证.
●世界上最古老的关于青铜成分的文字 记载 春秋战国时期《周礼考工记》: 六分其金而锡居一,谓之钟鼎之齐(剂); 五分其金而锡居一,谓之斧斤之齐; 四分其金而锡居一,谓之戈戟之齐; 三分其金而锡居一,谓之大刃之齐; 五分其金而锡居二,谓之削杀矢之齐; 金,锡半,谓之鉴燧之齐. 我们的祖先已经认识到了青铜的成 分,性能与应用之间的密切关系.
编钟
西汉时期 ● 铁器的生产和应用
青秋战国时期(公元前770年～公元前 221年)开始大量使用铁器. 从兴隆战国铁器遗址中发掘出了浇铸农 具用的铁模. 冶铸技术已由泥砂造型水平进入铁模铸 造的高级阶段.
炼铁技术有很大的提高,采用煤作为炼铁 的燃料,比欧洲早1700多年. 在河南巩县汉代冶铁遗址中,发掘出20多 座冶铁炉和锻炉.炉型庞大,结构复杂,并有 鼓风装置和铸造坑.生产规模壮观.
铁人
黄河蒲津渡浮桥大铁牛(唐开元12年铸)
我国古代创造了三种炼钢方法 ●从矿石中直接炼出自然钢.用这种 钢做的剑在东方各国享有盛誉,东汉时传 入了欧洲; ●西汉时期的经过"百次"冶炼锻打的 百炼钢; ●南北朝时期生产的灌钢.先炼铁后 炼钢的两步炼钢技术我国要比其它国家早 1600多年.
●钢的热处理技术达到相当高的水平 ●西汉《史记天官书》中有"水与火合 为淬"一说, 正确地说出了钢铁加热,水 冷的淬火热处理工艺要点. ●《汉书王褒传》中记载有"巧冶铸干 将之朴,清水淬其锋"的制剑技术. ●明代科学家宋应星在《天工开物》 一书中对钢铁的退火,淬火,渗碳工艺作 了详细的论述. 钢铁生产工具的发展,对社 会进步起了巨大的推动作用.
●丝绸——天然高分子材料 丝绸是一种天然高分子材料,在我国 有着悠久的历史. 我国丝绸质地柔软,色彩鲜艳,美观 华丽,光彩夺目. 于十一世纪传到波斯,阿拉伯,埃及, 于1470年传到意大利的威尼斯,进入欧洲. 中国丝绸,名扬四海 历史充分说明,我们勤劳智慧的祖先, 在材料的创造和使用上有着辉煌的成就,为 人类文明,世界进步作出了巨大贡献.
想一想:中华民族对材料发展作出 了重大贡献,你能再举出几个例子来吗?
0.1.2 新材料新工艺重大成果
一,新材料新工艺迅速发展
●高分子材料迅速发展 在当代,科学技术和生产飞跃发展. 从20世纪60年代到70年代,高分子材料每 材料,能源与信息作为现代社会和现代技 年以14%的速度增长.到70年代中期,全世界 术的三大支柱,发展格外迅猛. 的高分子材料和钢的体积产量已经相等; 高分子材料用作 结构材料代替钢铁外, 目前正在研究和开发 具有良好导电性能和 耐高温的高分子材料.
●陶瓷材料引人注目 陶瓷材料已用于制造机器零件和工程结构. 陶瓷具有许多特殊性能作为重要的功能材 料(例如可作光导纤维,激光晶体等). 陶瓷脆性和抗热震性正在逐步获得改善, 是最有前途的高温结构材料.
涤纶安全带
尼龙齿轮
耐磨陶瓷
绝缘陶瓷
●复合材料前途广阔 技术和工业的发展对材料性能提出越来 越高的要求.单一材料不能满足某些使用要 求.复合材料越来越得到人们的重视. 玻璃纤维树脂复合材料 碳纤维树脂复合材料 在航空航天工业中用于制造卫星壳体, 在石油化工工业中制造耐酸,耐碱, 在交通运输工业中制造汽车车身,轻 飞机机身,螺旋桨等; 耐油容器,管道等. 型船艇等;
玻璃钢赛车壳体
玻璃钢储液罐
玻璃钢灯杆,通信杆
玻璃钢 耐压容器
●功能材料发展很快 近年来超导材料,磁性材料,形状记 忆材料,信息材料等各种功能材料有很大 的发展.
二,我国在新材料新工艺的研究和应用 方面取得重大成果
●研制成功性能优越,用途广泛的新型 ●研制出零电阻温度为128.7 K的Tl-Ca结构钢—贝氏体钢; Ba-Cu-O超导体(铊系超导体); ●镁铝合金的开发和应用研究取得重大 成果.
光缆
磁浮列车(时速430公里) 镁铝合金叶轮 镁铝合金手机壳
●材料快速成型技术和材料表面处理 技术在我国得到迅速发展.
●我国汽车工业发展迅猛,汽车材料需 求迅速增加. 除金属材料外,高分子材料,陶瓷材料, 复合材料在汽车中得到重要应用.
分层实体快速成形 减速机箱体原型
熔融沉积快速成形叶 轮原型
●激光表面淬火,激光熔涂技术已在汽 车发动机缸套,凸轮轴,纺织用锭杆等零件 的表面强化上得到应用. ●化学气相沉积(CVD)可制造出高硬度, 高耐磨性的金黄色TiN薄膜, 用于耐磨零件 和装饰件的表面处理.
新型轿车
电动汽车
●航空,航天事业迅速崛起,带动航空, 航天材料的发展. 1966年我国成功发射人造卫星;
1999年我国载人航天工程试验飞船"神舟"一号 飞行成功; 2003年中国第一艘载人飞船"神舟"五号飞行成功. 2005年中国第二艘载人飞船"神舟"六号飞行成功. 2007年中国第一次登月,"嫦娥一号". 2008年,"神舟"7号,太空行走.
研制成功超7隐形战斗机,2003年8月30日 首飞成功. 研制成功歼7E,歼10战斗机.加强了国防 力量.
超7隐形战斗机
歼7E战斗机
人造卫星
神舟"五号飞行成功
●研制潜艇,导弹核潜艇,加强海军力量. 导弹核潜艇1983年8月加入海军 服役.装有12枚两级弹道导弹.
●碳纳米管的研究取得新成果 新型碳材料的研究方面取得许多新的成 果,利用碳纳米管作为衬底, 制备出均匀, 致密的金刚石薄膜,并用碳纳米管作为晶须 增强复合材料,制作纳米复合材料.
常规动力攻击潜艇 1999年5月首艇交付海 军使用.装有潜舰导弹,是 我国海军装备的最新一代国 产常规动力攻击潜艇.
导弹核潜艇
碳纳米管的结构 常规动力攻击潜艇
碳纳米管
0.2.1 材料的结合键
材料科学和材料工程发展很快. 我们需要掌握材料科学的基本理论和 基本知识,研究和发明新的材料和新的工 艺,合理地使用各种工程材料,为强国, 民族复兴作出贡献. 想一想:说出二个有关新材料,新工 艺的实际事例.
各种工程材料是由各种不同的元素组成, 由不同的原子,离子或分子结合而成. 原子,离子或分子之间的结合力称为结 合键. 结合键分为: 离子键 共价健 金属键 分子键
一,离子键 正电性元素原子失去最外层价电子变成正 离子,负电性元素原子后者获得电子变成负离 子.正离子和负离子由静电引力相互吸引,形 成稳定的离子键. NaCl,MgO,Al2O3等由离子键组成.
离子键特点: 结合力很大.离子晶体的硬度高,强 度大,热膨胀系统小,但脆性大. 离子键中很难产生可以自由运动的电 子,离子晶体都是良好的绝缘体. 离子外层电子被束缚,可见光的能量 一般不足以使其受激发,因而不吸收可见 光,典型的离子晶体是无色透明的.
离子键示意图
氧化镁结构
二,共价键 处于周期表中间位置的三,四,五价元素 原子之间或与邻近元素原子形成分子或晶体时, 以共用价电子形成稳定的电子满壳层的方式实 现结合. 由共用价电子对产生的结合键叫共价键.
金刚石为共价晶体.由碳原子组成,构成 正四面体:一个碳原子在中心,另外4个碳原 子在4个顶角上. 硅,锗,锡等元素也可构成共价晶体. 属于共价晶体的还有SiC,Si3N4,BN等化 合物. 共价键特点:结合力很大.共价晶体强度 高,硬度高,脆性大,熔点高,沸点高和挥发 性低.
共价键示意图
金刚石结构
三,金属键 周期表中Ⅰ,Ⅱ,Ⅲ族元素的原子丢失价电 子成为正离子.被丢失的价电子为全体原子所公 有,叫自由电子,在正离子之间自由运动,形成 电子气.正离子在三维空间规则分布. 正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力, 使全部离子结合起来.这种结合力叫金属键.
金属由金属键结合,金属具有下列特性: 1.良好的导电性和导热性. 金属中存在大量自由电子,外加电场时 2.正的电阻温度系数. 电子可以定向地流动. 随温度升高电阻增大. 3.不透明并呈现特有的金属光泽. 金属的导热性很好.自由电子的活动性 自由电子能吸收并随后辐射出大部分 4.良好的塑性变形能力,金属材料的 很强,金属离子振动作用导热. 投射到表面的光能. 强韧性好. 金属键没有方向性,受外力作用发生 原子位置的相对移动时,结合键不会遭到 破坏.
金属键示意图
钼的结构
四,分子键 甲烷分子在固态能相互结合成为晶体. 结合过程中没有电子的得失,共有或公有化. 靠范特瓦尔斯力结合起来,这种结合键 叫分子键.
在含氢的物质,特别是含氢的聚合物中, 一个氢原子可同时和两个与电子亲合能力大的, 半径较小的原子(F,O,N)相结合, 形成氢键. 氢健是一种较强的,有方向性的范特瓦尔斯键.
尼龙66的结构
分子键示意图
甲烷结构
分子键特点:范特瓦尔斯力很弱,由分 子键结合的固体材料熔点低,硬度也很低. 因无自由电子,材料有良好的绝缘性.
0.2.2 工程材料的分类 工程材料 用于机械,车辆,船舶,建筑, 化工,能源,仪器仪表,航空航天等工程 领域中的材料,用来制造工程构件和机械 零件. 包括一些用于制造工具的材料和具有 特殊性能(如耐蚀,耐高温等)的材料.
按结合键的性质,工程材料分类如下:
一,金属材料
金属材料是最重要的工程材料,包括 金属和以金属为基的合金. 最简单的金属材料是纯金属. 工程应用的金属材料,原子间的结合 键基本上为金属键,通常为金属晶体材 料.工业上把金属和其合金分为两大部分 (1)黑色金属 铁和以铁为基的合金 (钢,铸铁和铁合金); (2)有色金属 黑色金属以外的所有 金属及其合金.
金属材料
想一想:结合工程实际,说说金属材料 的实际应用.
二,高分子材料
高分子材料为有机合成材料,亦称聚合 物.由大量相对分子质量特别大的大分子化 合物组成. 大分子内的原子之间由很强的共价键结 合,大分子与大分子之间的结合力为较弱的 范特瓦尔斯力. 高分子材料耐蚀性,绝缘性好,密度小, 加工成型性好,强度不高,硬度较低,耐热 性较差.在工程上是发展最快的一类新型结 构材料.可进行纤维复合强化.
工程上通常根据机械性能和使用状态将高 分子材料分为四大类: 塑料 合成纤维 橡胶 胶粘剂
高分子材料制品
三,陶瓷材料
四,复合材料 复合材料 两种或两种以上不同材料的 组合材料,其性能优于它的组成材料. 复合材料可以由各种不同种类的材料复 合组成,结合键复杂.强度,刚度和耐蚀性 比单纯的金属,陶瓷和聚合物都优越. 具有广阔的发展前景.
陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属 元素形成的化合物. 非金属元素原子同金属原子化合时形成很 强的离子键,也存在有一定成分的共价键. 陶瓷材料属于无机非金属 材料,主要为硅酸盐材料,金 属氧化物,金属非氧化合物. 陶瓷的硬度很高,但脆性 很大.
莫来石复相陶瓷 (3Al2O3.2SiO2) 钛基复合材料
小 结
回顾: 工程材料按结合键分为四类: 金属材料(主要以金属键结合) 高分子材料(以分子键和共价键结合) 陶瓷材料(以离子键,共价键结合) 复合材料(由多种结合键组成)
1,中华民族对材料发展作出了重大贡献 中华民族在材料的创造和使用上有着辉 煌的成就,为人类文明,世界进步作出了巨 大贡献. 新材料,新工艺发展很快.掌握材料科 学的基本理论和基本知识,研究和发明新材 料新工艺,合理地使用各种工程材料是十分 重要的.
2,根据结合键工程材料分为四类 金属材料主要以金属键结合,其强韧性好, 塑性变形能力强,导电,导热性好,为主要的 工程材料. 高分子材料以分子键和共价键结合,耐蚀 性,绝缘性好,密度小,加工成型性好,强度 不高,硬度较低,耐热性较差. 陶瓷材料以离子键,共价键结合,熔点高, 硬度高,耐热,耐磨,脆性大,难以加工. 复合材料可由多种结合键组成,强韧性好, 比强度,比刚度高,抗疲劳性好.
第1章 材料的结构与性能
内容提要:
本章重点介绍金属材料的结构与组织,包括 纯金属的晶体结构,晶体缺陷和合金的结构,金 属材料的组织.一般介绍金属材料的性能,高分 子材料和陶瓷材料的结构与性能.
学习目标:
本章重点掌握金属材料的晶体结构,晶体缺 陷和合金的结构,了解金属材料的组织及性能. 了解高分子材料,陶瓷材料的结构与性能.
1.1 金属材料的结构与组织
1.1.1 纯金属的晶体结构
晶体中原子(离子或分子)规则排列的方 式称为晶体结构. 通过金属原子(离子)的中心划出许多直 线,形成空间格架,称为晶格.
晶胞:能反映该晶格特征的最小组成单元. 晶胞的几何特征: 棱边长a,b,c 棱边间夹角α,β,γ a,b,c 称为晶格常数. 金属的晶格常数一般为: 1×10-10 m～7×10-10 m 晶胞 (0.1nm～0.7nm) 提示:不同元素组成的金属晶体因晶格形式 及晶格常数的不同,表现出不同的物理,化 学和力学性能.金属的晶体结构可用X射线结 构分析技术进行测定.
一,三种常见的金属晶体结构
☆ 提示:重点内容
体心立方晶胞特征: (1)晶格常数
1. 体心立方晶格(胞) ( BCC 晶格) 八个原子处于立方体的角上,一个原子处于 立方体的中心, 角上八个原子与中心原子紧靠. 具有体心立方晶 格的金属有钼(Mo), 钨(W),钒(V),α铁(α-Fe, <912 ℃) 等.
a=b=c, α=β=γ=90°
(2)晶胞原子数 角上的原子属于8个相邻的晶胞,中心的原 子属于这个晶胞. 一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个.
(3)原子半径 晶胞中相距最近的两个原子之间距离的 一半称为原子半径(r原子).
(4)致密度 晶胞中原子占有的体积与该晶胞体积 之比称为致密度(也称密排系数). 体心立方晶胞的致密度为:
体心立方晶胞中原子半径与晶格常数a 之间的关系为: 致密度越大,原子排列紧密程度越大.
(5)空隙半径 在晶胞空隙中放入球的最大半径称为空隙半径. 体心立方晶胞中有两种空隙: ●四面体空隙半径:r四=0.29r原子 ●八面体空隙半径:r八=0.15r原子
(6)配位数 配位数为晶格中与任一个原子相距最近 且距离相等的原子数目.
体心立方晶格的配位数为8.
四面体空隙半径 八面体空隙半径
配位数越大,原子排列紧密程度就越大.
小结:
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教材: 1.《材料科学基础》,马泗春主编 2.《金属材料及热处理》,史美堂主编 3. Materials Science and Engineering: An Introduction; William D. Callister, Jr. 清华大学出版社2004年印刷 期刊: 1. 核心期刊,《机械工程材料》 2. 核心期刊,《金属热处理》 3. 期刊,《表面技术》 4. 期刊 ,《有色金属学报》 5. 期刊,《轻金属》
1.三种常见金属晶体结构: 体心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格 2.几个重要参数: 晶格常数,晶胞原子数,原子半径,致密度, 空隙半径,配位数 课后思考:如何量化地表征某种晶体结构?
内容回顾: 网络课程 网络课程
https://www.doczj.com/doc/589817221.html,/s70094/2002001/gccl.htm 1. 复习课件; 2. 自学其他相关内容; 3. 自我检验; 4. 交流学习; 5. 发布通告. 什么是工程材料?
工程材料主要是指用于机械,车辆,船舶,建筑,化工,能源,仪 器仪表,航空航天等工程领域中的材料,用来制造工程构件和机械零件, 也包括一些用于制造工具的材料和具有特殊性能(如耐蚀,耐高温等) 的材料.
这门课的主要内容和学习目的是什么?
课程的任务是从机械工程的应用角度出发,阐明机械工程材料的基 本理论,了解材料的成分,加工工艺,组织,结构与性能之间的关系; 介绍常用机械工程材料及其应用等基本知识.
中华民族在材料发展的历史长河里为世界文明所做的贡献.
根据结合键工程材料分为四类 金属材料主要以金属键结合,其强韧性好, 塑性变形能力强,导电,导热性好,为主要的 工程材料. 高分子材料以分子键和共价键结合,耐蚀 性,绝缘性好,密度小,加工成型性好,强度 不高,硬度较低,耐热性较差. 陶瓷材料以离子键,共价键结合,熔点高, 硬度高,耐热,耐磨,脆性大,难以加工. 复合材料可由多种结合键组成,强韧性好, 比强度,比刚度高,抗疲劳性好.
结合键
金属材料 陶瓷材料
碳钢 合金钢 铸铁 有色金属
材料的性 能与成分, 工艺过程的 关系; 机械零件 的失效,选 材原则,典 型工件的选 材及工艺路 线设计.
第1章 材料的结构与性能 第1章 材料的结构与性能
内容提要: 内容提要:
本章重点介绍金属材料的结构与组织,包括 本章重点介绍金属材料的结构与组织,包括 纯金属的晶体结构,晶体缺陷和合金的结构,金 纯金属的晶体结构,晶体缺陷和合金的结构,金 属材料的组织.一般介绍金属材料的性能,高分子材 属材料的组织.一般介绍金属材料的性能,高分子材 料和陶瓷材料的结构与性能. 料和陶瓷材料的结构与性能.
工程材料
高分子材料 复合材料
学习目标: 学习目标:
本章重点掌握金属材料的晶体结构,晶体缺 本章重点掌握金属材料的晶体结构,晶体缺 陷和合金的结构,了解金属材料的组织及性能. 陷和合金的结构,了解金属材料的组织及性能. 了解高分子材料,陶瓷材料的结构与性能. 了解高分子材料,陶瓷材料的结构与性能.
1.1 金属材料的结构与组织
1.1.1 纯金属的晶体结构
几个基本概念: 几个基本概念
晶胞原子数? 晶体结构? 晶格? 晶胞? 晶格常数? 原子半径? 致密度? 空隙半径? 配位数?
晶胞:能反映该晶格特征的最小组成单元. 晶胞的几何特征: 棱边长a,b,c 棱边间夹角α,β,γ a,b,c 称为晶格常数.
晶胞
一,三种常见的金属晶体结构
☆ 提示:重点内容
1. 体心立方晶格(胞) ( BCC 晶格)
金属的晶格常数一般为: 1×10-10 m～7×10-10 m (0.1nm～0.7nm)
具有体心立方晶格 的金属有钼(Mo),钨(W), 钒(V),α-铁(α-Fe, <912 ℃)等.
体心立方晶胞特征: (1)晶格常数
a=b=c, α=β=γ=90°
(3)原子半径 晶胞中相距最近的两个原子之间距离的 一半称为原子半径(r原子).
(2)晶胞原子数 角上的原子属于8个相邻的晶胞,中心的原 子属于这个晶胞. 一个体心立方晶胞所含的原子数为 2个.
体心立方晶胞中原子半径与晶格常数a 之间的关系为:
(5)空隙半径 (4)致密度 晶胞中原子占有的体积与该晶胞体积 之比称为致密度(也称密排系数). 体心立方晶胞的致密度为: ●四面体空隙半径:r四=0.29r原子 ●八面体空隙半径:r八=0.15r原子
致密度越大,原子排列紧密程度越大.
四面体空隙半径
八面体空隙半径
(6)配位数 配位数为晶格中与任一个原子相距最近 且距离相等的原子数目.
2. 面心立方晶格(胞) ( FCC 晶格) 金属原子分布在立方体的八个角上和六个 面的中心.面中心的原子与该面四个角上的原 子紧靠. 具有这种晶格的金 属有铝(Al),铜(Cu), 镍(Ni),金(Au),银 (Ag),γ- 铁( γ-Fe, 912 ℃～1394 ℃)等.
体心立方晶格的配位数为8. 配位数越大,原子排列紧密程度就越大.
面心立方晶胞的特征: (1)晶格常数 a=b=c, α=β=γ=90° (2)晶胞原子数 (个) 4 (3)原子半径
(5)空隙半径 ●四面体空隙半径: r四=0.225r原子 ●八面体空隙半径: r八=0.414r原子
(4)致密度 0.74 (74%)
四面体空隙半径
八面体空隙半径
(6)配位数
12
3. 密排六方晶格(胞) ( HCP 晶格)
十二个金属原子分布在六方体的十二个 角上, 在上下底面的中心各分布一个原子, 上下 底面之间均匀分布三个原子. 具有这种晶格的金 属有镁(Mg),镉(Cd), 锌(Zn),铍(Be)等.
密排六方晶胞特征:
(1)晶格常数 正六边形的边长a 两底面之间的距离c 相邻侧面夹角120° 侧面与底面夹角90° (2)晶胞原子数 (3)原子半径 6
(4)致密度
0.74 (74%)
(5)空隙半径 ●四面体空隙半径为: r四=0.225r原子 ●八面体空隙半径为: r八=0.414r原子 (6)配位数 12
小结:
提示:由于原子排列紧密程度不一样,当 金属从面心立方晶格向体心立方晶格转 变时, 体积会发生变化. 这是钢在淬火时因相变而发生体积 变化的原因. 不同晶体结构中原子排列的方式不 同, 使它们的形变能力不同.
1.三种常见金属晶体结构: 体心立方晶格,面心立方晶格,密排六方晶格 2.几个重要参数: 晶格常数,晶胞原子数,原子半径,致密度, 空隙半径,配位数 思考:如何量化地表征某种晶体的局部结构?
二,晶体中的晶面和晶向 通过晶体中原子中心的平面叫做晶面; 通过原子中心的直线为原子列,代表的 方向叫做晶向. 晶面用晶面指数表达; 晶向用晶向指数表达.
1. 立方晶系的晶面表示方法 以晶面ABB'A'为例:
晶面指数的一般标记 为(hkl).实际表示一组原 子排列相同的平行晶面.
晶面族: 在立方晶系中, 原子排列相同但在空间位 向不同的晶面组成晶面族. 晶面族用大括号表示, 即{hkl}.
立方晶胞中的主要晶面
在立方晶胞中 组成{111}晶面族:
如 面
晶面的截距可以为负数, 在指数上加负号, . 若某个晶面 的指数都乘以-1,则得到晶 , 则晶面 与 属于一组平行晶面.
{111} 晶面族
2. 立方晶系的晶向表示方法 以图中的晶向DA为例. 晶向OA : [100] 晶向OB : [110] 晶向OB' : [111]
立方晶胞中的主要晶向
晶向指数一般标记为[uvw], 表示一组原子排列相同的平行晶向.
若两个晶向的全部指数数值相同而符号 相反, 则它们相互平行或为同一原子列, 但 方向相反. 如[110]与 . 若只研究原子排列情况, 则晶向[110] 可用同一个指数[110]表示.
晶向族 原子排列情况相同而在空间位向不 同的晶向组成晶向族. 晶向族用尖括号表示, 即
与
在立方晶系中, 一个晶面指数与 一个晶向指数数值和符号相同时, 则 该晶面与该晶向互相垂直. 如:(111)⊥[111].
3. 六方晶系的晶面指数和 晶向指数 四指数方法表示晶面和晶向. 水平坐标轴选取互相成 120°夹角的三坐标轴a1,a2和 a3, 垂直轴为c 轴. 晶面表示为(hkil), 晶面族为{hkil}, 晶向表示为[uvtw], 晶向族为
六方晶系主要晶面和晶向
晶面与晶向互相垂直
4. 密排面和密排方向 不同晶体结构中不同晶面,不同晶向 上原子排列密度不一样. 密排面:原子密度最大的晶面. 密排方向:原子密度最大的晶向. ●在体心立方晶格中, 密排面为{110}. 密排方向为<111>. ●在面心立方晶格中, 密排面为{111}. 密排方向为<110>.
体心立方,面心立方晶格主要晶面的原子排列和密度
体心立方晶格 晶面 指数 晶面原子 排列示意图 晶面原子 密度 (原子数/面积) 面心立方晶格 晶面原子 排列示意图 晶面原子 密度 (原子数/面积)
{100}
{110}
{111}
体心立方,面心立方晶格主要晶向的原子排列和密度
体心立方晶格 晶向 指数 晶向原子 排列示意图 晶向原子 密度 (原子数/长度) 面心立方晶格 晶向原子 排列示意图 晶向原子 密度 (原子数/长度)
金属晶体的结构
<100>
<110>
金属晶体的特性
<111>
三,金属晶体的特性
2. 金属晶体具有各向异性 在晶体中, 不同晶面和晶向上原子排列 的方式和密度不同,它们之间的结合力的大 小也不相同,因而金属晶体不同方向上的性 能不同.这种性质叫做晶体的各向异性.
1. 金属晶体具有确定的熔点 纯金属缓慢加热到一定温度, 固态金属熔 化成为液态金属.熔化过程中温度不变. 熔化温度(T0)称为熔点. 非晶体材料在 加热时, 固态转变 为液态时, 温度变 化.
晶体和非晶体的熔化曲线
具体表现为晶体在不同的方向上的力学, 物理和化学等方面的性能不一样.
●单晶体铁(只含一个晶粒)的弹性模 ●简单六方结构的单晶石墨在不 ●单晶体铁在磁场中沿A方向磁 量, 同方向上的导热: 化容易.制造变压器用的硅钢片的A方 密排B方向上为2.90×105 MPa, 向应平行于导磁方向,以降低变压器 六边形面内方向上可达2000W/m.K, 非密排A方向上只有1.35×105 的铁损. 层面之间方向上只有3W/m.K-8W/m.K. MPa.
各向同性:非晶体在各个方向上性能完 全相同,这种性质叫非晶体的各向同性. 伪各向同性:实际使用的金属, 内部有 许多晶粒组成,每个晶粒在空间分布的位向 不同,在宏观上沿各个方向上的性能趋于相 同,晶体的各向异性显示不出来.
●锌在盐酸中溶解时,晶面的溶解速度 的次序从大到小是: