物理冶金原理课件阶段复习与习题参考答案
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物理冶金原理课件阶段复习与习题参考答案
按功能分类：
• 结构材料（按组成、性质、 用途……）
• 功能材料（磁性材料、电子 材料、超导材料、光电子信 息材料、催化材料、储能材 料、含能材料……）。
陶瓷材料的性能优点：
➢共价键及离子键原子间结合键强、 化学稳定性高
➢高温强度高、耐蚀性好、高源自文库抗 氧化性能好
➢硬度高、耐磨性优异 ➢导热系数低、隔热性能好 (TBCs) ➢不导电，绝缘材料
➢…………
陶瓷材料的性能缺点
➢ 无塑性、几乎无韧性、脆性极大、难承受 动载荷、应用面窄；
➢ 对缺陷极其敏感、无损伤容忍性 (No Damage－Tolerance)、 使用不安全
➢ 加工制造困难 (切削加工困难；无法焊 接、锻压、扎制、锚接、无法修复等)
1、种类繁多(占周期表三分之二)
合金种类及潜力无穷！
（Fe\Al\Ti\Cu\Mg等很少几个体系）
金属间化合物及其合金 用量最大(结构及功能材料)
2. 优异的物理性能：
– 磁、光、电子、信息、储 能等
– 优良的导电性及正的电阻 温度系数
– 优异的导热性
– …………….
3. 优异的力学性能配合
AB110
AC 101
AD011
BC 011
BD101
CD 110
面 ABC111或 111 面 ABD111或 111
面 BCD111或 111 面 ACD111或111
金属的晶体学结构
➢ fcc、bcc、hcp
➢致密度、配位数、原子半径 ➢间隙、间隙半径
1-3、求体心立方（BCC）、面心立方（FCC）及密排六方（HCP） 晶胞的原子数、原子半径、配位数、致密度、间隙半径；
➢ 加工硬化避免变形集中、均匀变形、 均匀承载、零件材料潜力得以充分利用
➢ 加工硬化避免变形集中、材料均匀变 形冷加工热加工成型成为可能。
6. 可以采用很多加工工艺手段 改变金属零件材料组织及性能
➢ 控制铸件及铸锭凝固过程与凝固加工工艺：
晶粒尺寸；合金相种类、形态、尺寸及其分布； 化学成分及组织均匀性；形成各种特殊组织….
造技术 ➢ 表面强化与表面加工制造技术 ➢ 几乎完全可回收利用 Materials Recycling
– Fully-Recyclable Environment-Friendly Materials-Ecomaterials
课程主要内容
➢ 金属的结构 ➢ 合金相图与相变 ➢ 金属的塑性变形
非晶合金的结构及性质
原 子 半 径 ： 4R 2a R 2a 4
原 子 数 ： 8 / 8 + 6 / 2 = 4( 0 0 0 )( 0 1 1 )( 1 0 1 )( 1 1 0 ) 2 2222 2
原 子 半 径 ： 4R 2a R 2a 4
配位数： 12
3
致密度：443 42a a3
0.74
八面体间隙中心到最近邻原子中心的方向是 1 0 0 方向
➢ 晶体学基础
➢ 金属的晶体结构 ➢ 合金的相结构 ➢ 晶体缺陷（位错、界面） ➢ 固体中原子的扩散
晶体学基础
➢ 空间点阵、晶胞及点阵常数 ➢晶面指数及晶向指数的求法 ➢晶面族及晶向族 ➢晶带、晶带轴及晶带定理
晶带轴[u v w]，晶带的晶面(h k l) hu+kv+lw=0
1-2、在面心立方晶胞中，ABCD四点构成一个正四面体，四点的坐标分别为A (0, 1/2, 1/2), B (1/2, 1, 1/2), C (1/2, 1/2, 0), D (0, 1, 0)， 写出该四面体中四个面的晶面指数及 六条边的晶向指数。
➢ 独特的塑性变形及加工硬化特性与优异的 冷加工成型能力：
– 冷轧、冷冲压、冷旋压、冷拔、冷挤压….. – 冷加工过程中同时实现零件及材料的强化）
➢ 优异的热加工成型能力：
– 锻造、热轧、热挤压、
5. 独特的抗过载能力及 使用安全性(加工硬化)
➢ 零件局部过载塑性变形加工硬化 材料强度提高不但不会失效、承载能 力反而提高、使用安全；
➢ 控制固态相变过程金属材料热处理
➢ 合金化改变合金成分、材料相组成及性能
➢ 塑性变形(加工硬化)控制材料性能
➢ 各种表面强化与表面改性：喷丸强化、表 面化学热处理、各种表面物理冶金技术
7. 制造技术成熟、材料可重复利用
➢ 铸、锻、焊、热处理等热加工制造技术 ➢ 车、铣、刨、磨等机械技工技术 ➢ 旋压、冲压、板金、铆接等各种冷加工制
r八面12aR0.414R
四面体间隙中心到最近邻原子中心的方向是 1 1 1 方向
• 优异的强韧性配合：
– 高强度～4000MPa – 高塑性及加工硬化 – 高韧性及损伤容限
• 使用温度范围宽广(高温、中温、 室温、低温)且力学性能优异
• 优异的耐蚀、耐摩、抗氧化、抗 热腐蚀等性能
4. 优异的成形加工性能 Processing ability
➢ 优异与灵活的凝固加工成型性能：
– 铸造成型：各种复杂形状及各种重量的零件 – 焊接成型：同种及异种金属材料的连接制造
➢ 回收利用(Recycling)难度大、成本高
高分子材料的性能缺点
➢ 使用温度范围窄 (高温软、低温脆) ➢ 高温力学性能低、高温老化 ➢ 低温韧性差、低温脆化； ➢ 长期化学及力学性能稳定性低性
能退化 (Degradation) ➢ 回收问题 (Recycling )
Characteristics of Metallic Bond
金属键及其特点
• • • • •
•
不无无自
塑 性 变 形 及 加
种 类 及 潜 力 无
选 择 结 合 对 象
饱 和 性
方 向 性
由 电 子 公 有 化
工穷
硬
化
“Gas” of Free Electrons； Metallic Ions
自由电子云； 金属离子
金属材料的特点
Characteristics of Metallic Materials (Metals and Alloys)
• 原子排列长程无序或短程有序 • 无晶界、无成飞偏析、成分完全均匀 • 没有固定熔点 • 各向同性 • 高强度、无加工硬化、低塑形 • 高弹性、高耐蚀、高耐磨 • 优异的磁性、储氢性能
金属的结构
Structure of Metals and Alloys (Atomic Arrangements )
按功能分类：
• 结构材料（按组成、性质、 用途……）
• 功能材料（磁性材料、电子 材料、超导材料、光电子信 息材料、催化材料、储能材 料、含能材料……）。
陶瓷材料的性能优点：
➢共价键及离子键原子间结合键强、 化学稳定性高
➢高温强度高、耐蚀性好、高源自文库抗 氧化性能好
➢硬度高、耐磨性优异 ➢导热系数低、隔热性能好 (TBCs) ➢不导电，绝缘材料
➢…………
陶瓷材料的性能缺点
➢ 无塑性、几乎无韧性、脆性极大、难承受 动载荷、应用面窄；
➢ 对缺陷极其敏感、无损伤容忍性 (No Damage－Tolerance)、 使用不安全
➢ 加工制造困难 (切削加工困难；无法焊 接、锻压、扎制、锚接、无法修复等)
1、种类繁多(占周期表三分之二)
合金种类及潜力无穷！
（Fe\Al\Ti\Cu\Mg等很少几个体系）
金属间化合物及其合金 用量最大(结构及功能材料)
2. 优异的物理性能：
– 磁、光、电子、信息、储 能等
– 优良的导电性及正的电阻 温度系数
– 优异的导热性
– …………….
3. 优异的力学性能配合
AB110
AC 101
AD011
BC 011
BD101
CD 110
面 ABC111或 111 面 ABD111或 111
面 BCD111或 111 面 ACD111或111
金属的晶体学结构
➢ fcc、bcc、hcp
➢致密度、配位数、原子半径 ➢间隙、间隙半径
1-3、求体心立方（BCC）、面心立方（FCC）及密排六方（HCP） 晶胞的原子数、原子半径、配位数、致密度、间隙半径；
➢ 加工硬化避免变形集中、均匀变形、 均匀承载、零件材料潜力得以充分利用
➢ 加工硬化避免变形集中、材料均匀变 形冷加工热加工成型成为可能。
6. 可以采用很多加工工艺手段 改变金属零件材料组织及性能
➢ 控制铸件及铸锭凝固过程与凝固加工工艺：
晶粒尺寸；合金相种类、形态、尺寸及其分布； 化学成分及组织均匀性；形成各种特殊组织….
造技术 ➢ 表面强化与表面加工制造技术 ➢ 几乎完全可回收利用 Materials Recycling
– Fully-Recyclable Environment-Friendly Materials-Ecomaterials
课程主要内容
➢ 金属的结构 ➢ 合金相图与相变 ➢ 金属的塑性变形
非晶合金的结构及性质
原 子 半 径 ： 4R 2a R 2a 4
原 子 数 ： 8 / 8 + 6 / 2 = 4( 0 0 0 )( 0 1 1 )( 1 0 1 )( 1 1 0 ) 2 2222 2
原 子 半 径 ： 4R 2a R 2a 4
配位数： 12
3
致密度：443 42a a3
0.74
八面体间隙中心到最近邻原子中心的方向是 1 0 0 方向
➢ 晶体学基础
➢ 金属的晶体结构 ➢ 合金的相结构 ➢ 晶体缺陷（位错、界面） ➢ 固体中原子的扩散
晶体学基础
➢ 空间点阵、晶胞及点阵常数 ➢晶面指数及晶向指数的求法 ➢晶面族及晶向族 ➢晶带、晶带轴及晶带定理
晶带轴[u v w]，晶带的晶面(h k l) hu+kv+lw=0
1-2、在面心立方晶胞中，ABCD四点构成一个正四面体，四点的坐标分别为A (0, 1/2, 1/2), B (1/2, 1, 1/2), C (1/2, 1/2, 0), D (0, 1, 0)， 写出该四面体中四个面的晶面指数及 六条边的晶向指数。
➢ 独特的塑性变形及加工硬化特性与优异的 冷加工成型能力：
– 冷轧、冷冲压、冷旋压、冷拔、冷挤压….. – 冷加工过程中同时实现零件及材料的强化）
➢ 优异的热加工成型能力：
– 锻造、热轧、热挤压、
5. 独特的抗过载能力及 使用安全性(加工硬化)
➢ 零件局部过载塑性变形加工硬化 材料强度提高不但不会失效、承载能 力反而提高、使用安全；
➢ 控制固态相变过程金属材料热处理
➢ 合金化改变合金成分、材料相组成及性能
➢ 塑性变形(加工硬化)控制材料性能
➢ 各种表面强化与表面改性：喷丸强化、表 面化学热处理、各种表面物理冶金技术
7. 制造技术成熟、材料可重复利用
➢ 铸、锻、焊、热处理等热加工制造技术 ➢ 车、铣、刨、磨等机械技工技术 ➢ 旋压、冲压、板金、铆接等各种冷加工制
r八面12aR0.414R
四面体间隙中心到最近邻原子中心的方向是 1 1 1 方向
• 优异的强韧性配合：
– 高强度～4000MPa – 高塑性及加工硬化 – 高韧性及损伤容限
• 使用温度范围宽广(高温、中温、 室温、低温)且力学性能优异
• 优异的耐蚀、耐摩、抗氧化、抗 热腐蚀等性能
4. 优异的成形加工性能 Processing ability
➢ 优异与灵活的凝固加工成型性能：
– 铸造成型：各种复杂形状及各种重量的零件 – 焊接成型：同种及异种金属材料的连接制造
➢ 回收利用(Recycling)难度大、成本高
高分子材料的性能缺点
➢ 使用温度范围窄 (高温软、低温脆) ➢ 高温力学性能低、高温老化 ➢ 低温韧性差、低温脆化； ➢ 长期化学及力学性能稳定性低性
能退化 (Degradation) ➢ 回收问题 (Recycling )
Characteristics of Metallic Bond
金属键及其特点
• • • • •
•
不无无自
塑 性 变 形 及 加
种 类 及 潜 力 无
选 择 结 合 对 象
饱 和 性
方 向 性
由 电 子 公 有 化
工穷
硬
化
“Gas” of Free Electrons； Metallic Ions
自由电子云； 金属离子
金属材料的特点
Characteristics of Metallic Materials (Metals and Alloys)
• 原子排列长程无序或短程有序 • 无晶界、无成飞偏析、成分完全均匀 • 没有固定熔点 • 各向同性 • 高强度、无加工硬化、低塑形 • 高弹性、高耐蚀、高耐磨 • 优异的磁性、储氢性能
金属的结构
Structure of Metals and Alloys (Atomic Arrangements )