1、第三節(jié) 斷裂韌性 斷裂韌性或斷裂韌度是用來反映材料抵抗裂紋擴(kuò)展的能力，即抵抗脆性斷裂能力的性能指標(biāo)。當(dāng)K1 1c時(shí)，裂紋擴(kuò)展很慢或不擴(kuò)展；當(dāng)K1 1c時(shí)，則材料發(fā)生失穩(wěn)脆斷。它與裂紋的大小、形狀、外加應(yīng)力等無關(guān)，主要取決于材料的成分、內(nèi)部組織和結(jié)構(gòu)。第四節(jié) 材料的理化性能一、物理性能密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、磁性二、 化學(xué)性能（1）耐腐蝕性、抗氧化性、化學(xué)穩(wěn)定性第五節(jié) 材料的工藝性能材料的工藝性能主要包括鑄造性能、鍛造性能、焊接性能、熱處理性能、切削加工性能等n第二節(jié) 動(dòng)載時(shí)材料的力學(xué)性能二、疲勞材料在低于s的重復(fù)交變應(yīng)力作用下發(fā)生斷裂的現(xiàn)象。第二章第二章 晶體結(jié)構(gòu)與結(jié)晶晶體結(jié)構(gòu)與

2、結(jié)晶 第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 第二節(jié) 實(shí)際金屬結(jié)構(gòu) 第三節(jié) 非金屬晶體 第四節(jié) 金屬的結(jié)晶 自然界中的化學(xué)元素分為金屬與非金屬兩大類。自然界中的化學(xué)元素分為金屬與非金屬兩大類。按固體物質(zhì)的原子聚集狀態(tài)來分，又可分為晶體和按固體物質(zhì)的原子聚集狀態(tài)來分，又可分為晶體和非晶體。非晶體。固態(tài)金屬基本上都是晶體物質(zhì)固態(tài)金屬基本上都是晶體物質(zhì)，如鋼鐵、銅、，如鋼鐵、銅、鋁等。在工業(yè)上應(yīng)用較多的非金屬材料大多也具有鋁等。在工業(yè)上應(yīng)用較多的非金屬材料大多也具有晶體結(jié)構(gòu)，如金剛石、硅酸鹽、氧化鎂等。而常見晶體結(jié)構(gòu)，如金剛石、硅酸鹽、氧化鎂等。而常見的玻璃、松香等，則為非晶體物質(zhì)。的玻璃、松香等，則為非晶

3、體物質(zhì)。同一化學(xué)成分的金屬材料，甚至同一結(jié)構(gòu)的金屬材料，由于其內(nèi)部組織的不同，其某些性能仍然可以在一個(gè)相當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)變化。因此金屬材料的化學(xué)成分、原子集合體的結(jié)構(gòu)和內(nèi)部組織是決定金屬材料性能的內(nèi)在因素，而金屬材料性能方面的多變性，正是通過這三個(gè)內(nèi)在因素而表現(xiàn)出來。金屬及其合金的固態(tài)結(jié)構(gòu)是決定金屬材料性能的內(nèi)在因素之一，研究固態(tài)物質(zhì)內(nèi)部的結(jié)構(gòu)，即原子排列和分布規(guī)律是了解掌握材料性能的基礎(chǔ)。金屬元素區(qū)別于其他元素的共性就是外層電子較少，這個(gè)特點(diǎn)決定了金屬原子間的結(jié)合鍵為金屬鍵，因而金屬具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性。由于金屬鍵既無飽和性又無方向性，因此每個(gè)原子有可能同更多的原子相結(jié)合，并趨于形成低能量的密堆

4、結(jié)構(gòu)。當(dāng)金屬受力變形使得原子之間的相互位置改變時(shí)，金屬鍵不至于被破壞，因此金屬具有良好的延展性。第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu) 一、晶體概念一、晶體概念 晶體是指其原子（原子團(tuán)或離子）按一定的幾何形狀作晶體是指其原子（原子團(tuán)或離子）按一定的幾何形狀作有規(guī)律的重復(fù)排列的物體。有規(guī)律的重復(fù)排列的物體。非晶體的原子則是無規(guī)律、無次序地堆聚在一起的。非晶體的原子則是無規(guī)律、無次序地堆聚在一起的。 晶體與非晶體在性能上也有區(qū)別，晶體具有固定的熔點(diǎn)（如銅為1083），且晶體在不同方向上具有不同的性能，即表現(xiàn)出晶體的各向異性，而非晶體則沒有固定的熔點(diǎn)，而是一個(gè)溫度范圍，非晶體在各個(gè)方向上的原子聚集密度大致相

5、同，即表現(xiàn)出各向同性。晶體和非晶體在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)化。固態(tài)金屬通常為晶態(tài)固體，如果從液態(tài)急冷（冷卻速度達(dá)107s），也可獲得非晶態(tài)金屬。非晶態(tài)金屬與晶態(tài)金屬相比，具有一系列的突出性能，近年來已受到人們的重視。晶格、晶胞、晶格常數(shù)晶格、晶胞、晶格常數(shù) （1 1）晶格）晶格 為了便于表明晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律，把每個(gè)原子看為了便于表明晶體內(nèi)部原子排列的規(guī)律，把每個(gè)原子看成是固定不動(dòng)的剛性小球，并用一些幾何線條將晶格中各原成是固定不動(dòng)的剛性小球，并用一些幾何線條將晶格中各原子的中心連接起來，構(gòu)成一個(gè)空間格架，各原子的中心就處子的中心連接起來，構(gòu)成一個(gè)空間格架，各原子的中心就處在格架的幾個(gè)結(jié)點(diǎn)上

6、，這種抽象的、用于描述原子在晶體中在格架的幾個(gè)結(jié)點(diǎn)上，這種抽象的、用于描述原子在晶體中排列形式的幾何空間格架，簡稱排列形式的幾何空間格架，簡稱晶格。 （ 2 2）晶胞）晶胞由于晶體中原子有規(guī)則排列且有周期性的特點(diǎn)，由于晶體中原子有規(guī)則排列且有周期性的特點(diǎn)，為了便于討論為了便于討論。通常只從晶格中，選取一個(gè)能夠完全反映晶格特通常只從晶格中，選取一個(gè)能夠完全反映晶格特征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律，征的、最小的幾何單元來分析晶體中原子排列的規(guī)律，這個(gè)最小的幾何單元稱為這個(gè)最小的幾何單元稱為晶胞 ，整個(gè)晶格就是有許，整個(gè)晶格就是有許多大小、形狀和位向相同的晶胞在空間重復(fù)堆積而成多大小

7、、形狀和位向相同的晶胞在空間重復(fù)堆積而成的。的。 （3 3）晶格常數(shù)）晶格常數(shù) 在晶體學(xué)中，通常取晶胞角上某一結(jié)點(diǎn)作為原點(diǎn)，沿其三條棱在晶體學(xué)中，通常取晶胞角上某一結(jié)點(diǎn)作為原點(diǎn)，沿其三條棱邊作三個(gè)坐標(biāo)軸邊作三個(gè)坐標(biāo)軸X X、Y Y、Z Z，并稱之為晶軸，而且規(guī)定坐標(biāo)原點(diǎn)的前、，并稱之為晶軸，而且規(guī)定坐標(biāo)原點(diǎn)的前、右、上方為軸的正方向，反之為反方向，以棱邊長度右、上方為軸的正方向，反之為反方向，以棱邊長度 和和棱面夾角棱面夾角 來表示晶胞的形狀和大小來表示晶胞的形狀和大小 。在立方體晶格中在立方體晶格中a=b=c,a=b=c,夾角夾角=90=90只取一個(gè)晶格常數(shù)只取一個(gè)晶格常數(shù)a a足以表征尺寸

8、和形狀。足以表征尺寸和形狀。cb、ar、二、常見的金屬晶格由于金屬鍵有較強(qiáng)的結(jié)合力，所以金屬晶體中的由于金屬鍵有較強(qiáng)的結(jié)合力，所以金屬晶體中的原子具有密排的傾向，這便使晶格排列形式的類型原子具有密排的傾向，這便使晶格排列形式的類型大為減少，而且具有較高的對(duì)稱性和比較簡單的幾大為減少，而且具有較高的對(duì)稱性和比較簡單的幾何形式的特點(diǎn)。何形式的特點(diǎn)。而非金屬晶體，則一般具有比較復(fù)雜的晶格，其而非金屬晶體，則一般具有比較復(fù)雜的晶格，其對(duì)稱性比較低。對(duì)稱性比較低。（一）晶胞的幾何特征（一）晶胞的幾何特征 （1）配位數(shù)。一個(gè)原子周圍的最近鄰原子數(shù)稱為配位數(shù)CN，對(duì)于純?cè)鼐w來說，這些最近鄰原子到所求原子

9、的距離必然是相等的，但對(duì)于多種元素形成的晶體，不同元素的最近鄰原子到所求原子的距離就不一定相等，因此，“最近”是同種原子相比較而言。配位數(shù)就是各元素的最近鄰原子數(shù)之和，例如CN12表示其配位數(shù)是12。 （2 2）一個(gè)晶胞內(nèi)的原子數(shù)）一個(gè)晶胞內(nèi)的原子數(shù)n n。 晶胞原子數(shù)是指一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目，晶胞原子數(shù)是指一個(gè)晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目，由于晶體具有嚴(yán)格的對(duì)稱性，故晶體可看成由許由于晶體具有嚴(yán)格的對(duì)稱性，故晶體可看成由許多晶胞堆砌而成，由于晶胞頂角處的原子為幾個(gè)多晶胞堆砌而成，由于晶胞頂角處的原子為幾個(gè)晶胞所共有，位于晶面上的原子同時(shí)屬于兩個(gè)相晶胞所共有，位于晶面上的原子同時(shí)屬于兩個(gè)相鄰晶

10、胞，只有在晶胞體積內(nèi)的原子才單獨(dú)為一個(gè)鄰晶胞，只有在晶胞體積內(nèi)的原子才單獨(dú)為一個(gè)晶胞所有，因此晶胞原子數(shù)可通過計(jì)算每個(gè)原子晶胞所有，因此晶胞原子數(shù)可通過計(jì)算每個(gè)原子在晶胞中所占的分?jǐn)?shù)，再進(jìn)行相加獲得。在晶胞中所占的分?jǐn)?shù)，再進(jìn)行相加獲得。（3）致密度。致密度）致密度。致密度又稱為堆垛密度或緊密系數(shù)，致密度又稱為堆垛密度或緊密系數(shù)，致密度=晶胞中各原子的體積之和晶胞的體積，即晶胞中各原子的體積之和晶胞的體積，即式中式中 n-晶胞中的原子數(shù)：晶胞中的原子數(shù)： v-個(gè)原子的體積：個(gè)原子的體積： V- 晶胞體積，這里將金屬原子視為剛性等徑球。晶胞體積，這里將金屬原子視為剛性等徑球。 在計(jì)算致密度在計(jì)算致

11、密度時(shí)，假定原子是半徑為時(shí)，假定原子是半徑為r的剛性球，且相距最近的剛性球，且相距最近的原子是彼此相切的。這里要補(bǔ)充的是，由于球形原子不可能的原子是彼此相切的。這里要補(bǔ)充的是，由于球形原子不可能無空隙地填滿整個(gè)空間，故晶體中必存在間隙。在這里假定間無空隙地填滿整個(gè)空間，故晶體中必存在間隙。在這里假定間隙為零。隙為零。Vnv三種典型晶體結(jié)構(gòu)體心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格（二）常見的金屬晶格（1）體心立方結(jié)構(gòu)具有該種晶體結(jié)構(gòu)的金屬有Cr、V、Mo、W和-Fe等30多種 體心立方晶格參數(shù)晶胞原子數(shù)：21881n體心立方晶格參數(shù)原子半徑晶胞中原子密度最大的方向上相鄰原子間平衡距離的一半。配位數(shù)：

12、8致密度： ararAA433468. 0433423423333aaarVnvA體心立方晶格參數(shù)（2）面心立方結(jié)構(gòu)具有該種晶體結(jié)構(gòu)的金屬有Al、Cu、Ni和-Fe等約20種 面心立方晶格參數(shù)晶胞原子數(shù)：4881621n面心立方晶格參數(shù)原子半徑晶胞中原子密度最大的方向上相鄰原子間平衡距離的一半。配位數(shù)：12致密度： ararAA422474. 0423443443333aaarVnvA面心立方晶格參數(shù)面心立方晶格中的間隙面心立方晶格參數(shù)面心立方晶格中的間隙（3）密排六方結(jié)構(gòu)具有該種晶體結(jié)構(gòu)的金屬有Mg、Zn、Cd、Be等20多種 密排六方晶格參數(shù)原子半徑晶胞中原子密度最大的方向上相鄰原子間平衡

13、距離的一半acarA633. 121密排六方晶格參數(shù)晶胞原子數(shù)：配位數(shù)：12致密度：632211261n74. 0633. 133234633aa密排六方晶格參數(shù) 2 21 1 名詞解釋名詞解釋 晶體、非晶體、單晶體、多晶體、晶粒。晶體、非晶體、單晶體、多晶體、晶粒。 2 22 2 何謂空間點(diǎn)陣、晶格、晶體結(jié)構(gòu)和晶胞？何謂空間點(diǎn)陣、晶格、晶體結(jié)構(gòu)和晶胞？常用金屬的晶體結(jié)構(gòu)是什么？畫出其晶胞，并常用金屬的晶體結(jié)構(gòu)是什么？畫出其晶胞，并分別計(jì)算其原子半徑、配位數(shù)和致密度。分別計(jì)算其原子半徑、配位數(shù)和致密度。 2 26 6 -Fe -Fe、-Fe-Fe、Al CuAl Cu、NiNi、PbPb、Cr

14、Cr、V V、MgMg、ZnZn各屬何種晶體結(jié)構(gòu)？各屬何種晶體結(jié)構(gòu)？金屬的晶格類型不同，原子排列的致密程度不同。經(jīng)計(jì)算表明：體心立方晶格中原子占總體積的68，而面心立方晶格和密排六方晶格中，有74的體積被原子所占據(jù)。致密度越大，原子排列越緊密，因此對(duì)于一些金屬在溫度不同時(shí)具有不同的晶格類型，這時(shí)會(huì)發(fā)生體積變化，而引起應(yīng)力和變形。這就是在對(duì)鋼鐵進(jìn)行熱處理時(shí)，由一種晶格轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N晶格而產(chǎn)生比容變化的重要原因之一。三、單晶體的各向異性三、單晶體的各向異性在晶體中，由于各晶面和各晶向上的原子排列密度不同，因而導(dǎo)致在同一晶體的不同晶面和晶向上的各種性能也不同，這種現(xiàn)象稱為“各向異性”。 結(jié)晶方位完全一

15、致的晶體稱為“單晶體”，如單晶體具有各向異性的特征，即在晶體的各個(gè)晶向上具有不同的物理、化學(xué)和力學(xué)性能。例如-Fe的單晶體，由于它在不同晶向上的原子密度不同，則原子結(jié)合力便不同，因而其彈性模量E也不同。（P11圖2-5）但是，工業(yè)上實(shí)際應(yīng)用的金屬材料，一般不具有各向異性的特征。例如對(duì)純鐵進(jìn)行測(cè)定，無論從任何方向取樣，其彈性模量均為E2.1105 MPa。這是因?yàn)閷?shí)際使用的工業(yè)純鐵多屬于多晶體的緣故。 2 21 1 名詞解釋名詞解釋 晶體、非晶體、單晶體、多晶體、晶粒。晶體、非晶體、單晶體、多晶體、晶粒。 2 22 2 何謂空間點(diǎn)陣、晶格、晶體結(jié)構(gòu)和晶胞？常用金屬的晶何謂空間點(diǎn)陣、晶格、晶體結(jié)構(gòu)

16、和晶胞？常用金屬的晶體結(jié)構(gòu)是什么？畫出其晶胞，并分別計(jì)算其原子半徑、配位數(shù)體結(jié)構(gòu)是什么？畫出其晶胞，并分別計(jì)算其原子半徑、配位數(shù)和致密度。和致密度。 2 26 6 -Fe -Fe、-Fe-Fe、Al CuAl Cu、NiNi、PbPb、CrCr、V V、MgMg、ZnZn各屬何各屬何種晶體結(jié)構(gòu)？種晶體結(jié)構(gòu)？ 2 27 7 已知鐵和銅在室溫下的晶格常數(shù)分別為已知鐵和銅在室溫下的晶格常數(shù)分別為2.862.861010-10-10m m和和3.6073.6071010-10-10m m，求，求1cm1cm3 3鐵和銅中的原子數(shù)。鐵和銅中的原子數(shù)。解： 3.3.已知鐵常溫下晶胞的原子量為已知鐵常溫下晶

17、胞的原子量為2 2（體心立方結(jié)構(gòu)）帶入（體心立方結(jié)構(gòu)）帶入。2231061027. 4)1086. 2(10122221054. 810227. 41.計(jì)算晶胞體積鐵：（2.8610-10 ）32.計(jì)算1cm3的晶胞數(shù)量復(fù)習(xí)第一節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)一、晶體概念 晶體是指其原子（原子團(tuán)或離子）按一定的幾何形狀作有規(guī)律的重復(fù)排列的物體。晶格、晶胞、晶格常數(shù)二、常見的金屬晶格三種典型晶體結(jié)構(gòu)三、單晶體的各向異性 在晶體中，由于各晶面和各晶向上的原子排列密度不同，因而導(dǎo)致在同一晶體的不同晶面和晶向上的各種性能也不同，這種現(xiàn)象稱為“各向異性”。第二節(jié) 實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)前面討論的金屬晶體結(jié)構(gòu)，是把晶體看

18、成由原子按一定幾何規(guī)律作周期性排列而成的，晶體內(nèi)部晶格位向完全一致的晶體稱為單晶體，單晶體具有各向異性的特征。在工業(yè)上，單晶體的金屬材料基本上是不存在的。只有通過特殊制作才能獲得，如半導(dǎo)體元件、磁性材料等。、多晶體結(jié)構(gòu)實(shí)際上使用的金屬材料，即使體積較小的材料，際上使用的金屬材料，即使體積較小的材料，其內(nèi)部包含了許多顆粒狀的小晶體，每個(gè)小晶體內(nèi)其內(nèi)部包含了許多顆粒狀的小晶體，每個(gè)小晶體內(nèi)部的晶格位向都基本一致，每個(gè)小晶體的外形呈不部的晶格位向都基本一致，每個(gè)小晶體的外形呈不規(guī)則的顆粒，我們稱為晶粒。規(guī)則的顆粒，我們稱為晶粒。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。這種由許多晶粒組成的晶體就稱為多晶體，一這種由許多晶粒組成的晶體就稱為多晶體，一般金屬材料都是多晶體。般金屬材料都是多晶體。 多晶體示意圖 金屬多晶體示意圖n因此實(shí)際金屬材料的性能在各個(gè)方向上卻基本一致，顯示各向同性，n這是因?yàn)閷?shí)際的金屬材料由許多方位不同的晶粒組成的多晶體，一個(gè)晶粒的各向異性在許多方位不同的晶體之間相互抵消掉了。多晶體晶粒的大小與金屬的制造