第二章材料結(jié)構(gòu)與性能課件

在外界條件固定時(shí)，材料的性能取決于材料內(nèi)部的構(gòu)造。這種構(gòu)造便是組成材料的原子種類和分量，以及它們的排列方式和空間分布。習(xí)慣上將前者叫做成分，后者叫做組織結(jié)構(gòu)，而我們把這兩者統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)。物質(zhì)通常具有三種存在形態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)，而在使用狀態(tài)下的材料通常都是固態(tài)。(材料在固態(tài)下結(jié)合方式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn))在外界條件固定時(shí)，材料的性能取決于材料內(nèi)部的構(gòu)造1第一節(jié)材料的結(jié)合方式在所有的固體中，原子靠鍵結(jié)合在一起。鍵使固體具有強(qiáng)度和相應(yīng)的電學(xué)和熱學(xué)性能。例如，強(qiáng)的鍵導(dǎo)致高熔點(diǎn)、高彈性模量、較短的原子間距和較低的熱膨脹系數(shù)。第一節(jié)材料的結(jié)合方式在所有的固體中，原2一、結(jié)合鍵1.離子鍵一、結(jié)合鍵1.離子鍵32.共價(jià)鍵共價(jià)鍵是一種強(qiáng)吸引力的結(jié)合鍵。當(dāng)兩個(gè)相同原子或性質(zhì)相近的原子接近時(shí)，價(jià)電子不會(huì)轉(zhuǎn)移，原子間借共用電子對(duì)所產(chǎn)生的力而結(jié)合，形成共價(jià)鍵。2.共價(jià)鍵4共價(jià)鍵使原子間有很強(qiáng)的吸引力，這一點(diǎn)在金剛石中很明顯，金剛石是自然界中最硬的材料，而且它完全是由碳原子組成。每個(gè)碳原子有四個(gè)價(jià)電子，這些價(jià)電子與鄰近原子共用，形成完全由價(jià)電子對(duì)結(jié)合而成的三維點(diǎn)陣。這些三維點(diǎn)陣使金剛石具有很高的硬度和熔點(diǎn)。共價(jià)鍵使原子間有很強(qiáng)的吸引力，這一點(diǎn)在金剛石中很明顯，金剛石53.金屬鍵

3.金屬鍵

6金屬是由金屬鍵結(jié)合而成的，它具有同非金屬完全不同的特性。金屬原子的外層電子少，容易失去。當(dāng)金屬原子相互靠近時(shí)，這些外層原子就脫離原子，成為自由電子，為整個(gè)金屬所共有，自由電子在金屬內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，形成電子氣。這種由自由電子與金屬正離子之間的結(jié)合方式稱為金屬鍵金屬是由金屬鍵結(jié)合而成的，它具有同非金屬完全不同的特性。金屬74．分子鍵

分子鍵又叫范德華鍵，是最弱的一種結(jié)合鍵。它是靠原子各自內(nèi)部電子分布不均勻產(chǎn)生較弱的靜電引力，稱為范德華力，由這種分子力結(jié)合起來的鍵叫做分子鍵。4．分子鍵

分子鍵又叫范德華鍵，是最弱的一種結(jié)合鍵85．氫鍵

另一種范德華力實(shí)際上是極性分子的一種特殊情況。C－H、O－H或N－H鍵端部暴露的質(zhì)子是沒有電子屏蔽的，所以，這個(gè)正電荷可以吸引相鄰分子的價(jià)電子，于是形成了一種庫侖型的鍵，稱為氫鍵，氫鍵是所有范德瓦爾斯鍵中最強(qiáng)的。5．氫鍵

另一種范德華力實(shí)際上是極性分子的一種特殊9氫鍵最典型的例子是水，一個(gè)水分子中氫質(zhì)子吸引相鄰分子中氧的孤對(duì)電子，氫鍵使水成為所有低分子量物質(zhì)中沸點(diǎn)最高的物質(zhì)。氫鍵最典型的例子是水，一個(gè)水分子中氫質(zhì)子吸引相鄰分子中氧的孤10二、結(jié)合鍵對(duì)材料性能的影響1．金屬材料

金屬材料的結(jié)合鍵主要是金屬鍵。1）金屬具有良好的導(dǎo)電性；2）金屬的導(dǎo)熱性好；3）正的電阻溫度系數(shù)；4）具有良好的變形能力；

二、結(jié)合鍵對(duì)材料性能的影響1．金屬材料

金屬材料的11另外，自由電子可以吸收光的能量，因而金屬不透明；而所吸收的能量在電子回復(fù)到原來狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生輻射，使金屬具有光澤。另外，自由電子可以吸收光的能量，因而金屬不透明；而所吸收的能122．陶瓷材料

陶瓷材料通常具有極高的熔點(diǎn)和硬度，但同時(shí)陶瓷材料的脆性也很大。

2．陶瓷材料

陶瓷材料通常具有極高的熔點(diǎn)和硬度，但13簡單說來，陶瓷材料是包含金屬和非金屬元素的化合物，其結(jié)合鍵主要是離子鍵和共價(jià)鍵，大多數(shù)是離子鍵。離子鍵賦予陶瓷材料相當(dāng)高的穩(wěn)定性，所以陶瓷材料通常具有極高的熔點(diǎn)和硬度，但同時(shí)陶瓷材料的脆性也很大。簡單說來，陶瓷材料是包含金屬和非金屬元素的化合物，其結(jié)合鍵主143．高分子材料具有很好的力學(xué)性能。

3．高分子材料15高分子材料的結(jié)合鍵是共價(jià)鍵、氫鍵和分子鍵。其中，組成分子的結(jié)合鍵是共價(jià)鍵和氫鍵，而分子間的結(jié)合鍵是范德瓦爾斯鍵。盡管范德瓦爾斯鍵較弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子間的作用力也相應(yīng)較大，這使得高分子材料具有很好的力學(xué)性能。高分子材料的結(jié)合鍵是共價(jià)鍵、氫鍵和分子鍵。其中，組成分子的結(jié)16三、晶體與非晶體1．晶體

晶體的特點(diǎn)是1）結(jié)構(gòu)有序；2）物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性；3）有固定的熔點(diǎn)。

三、晶體與非晶體1．晶體

晶體的特點(diǎn)是1）172．非晶體

非晶體的結(jié)構(gòu)是原子無序排列，這一點(diǎn)與液體的結(jié)構(gòu)很相似，所以非晶體往往被稱為過冷液體。典型的非晶體材料是玻璃，所以非晶體也被稱為玻璃體。

2．非晶體

非晶體的結(jié)構(gòu)是原子無序排列，這一點(diǎn)18雖然非晶體在整體上是無序的，但在很小的范圍內(nèi)觀察，還是有一定的規(guī)律性，所以在結(jié)構(gòu)上稱之為短程有序。雖然非晶體在整體上是無序的，但在很小的范圍內(nèi)觀察，還是有一定19非晶體材料的特點(diǎn)是1）結(jié)構(gòu)無序；2）物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性；3）沒有固定熔點(diǎn)；4）導(dǎo)熱率和熱膨脹性??；5）塑性形變大；6）組成的范圍變化大。非晶體材料的特點(diǎn)是1）結(jié)構(gòu)無序；2）物理性質(zhì)表現(xiàn)為203．晶體和非晶體的轉(zhuǎn)化比如，金屬液體在高速冷卻條件下可以得到非晶態(tài)金屬，即所謂的金屬玻璃；而玻璃經(jīng)過適當(dāng)處理，也可形成晶態(tài)玻璃。有些物質(zhì)可以看成是有序和無序的中間狀態(tài)，如塑料、液晶、準(zhǔn)晶態(tài)等。

3．晶體和非晶體的轉(zhuǎn)化21非晶體結(jié)構(gòu)是短程有序，即在很小的尺寸范圍內(nèi)存在著有序性，而晶體內(nèi)部也有缺陷，在很小的尺寸范圍內(nèi)也存在著無序性。所以兩者之間也有共同特點(diǎn)。而物質(zhì)在不同條件下，既可形成晶體結(jié)構(gòu)，也可形成非晶體結(jié)構(gòu)。非晶體結(jié)構(gòu)是短程有序，即在很小的尺寸范圍內(nèi)存在著有序性，而晶22第二節(jié)金屬及合金的結(jié)構(gòu)第二節(jié)金屬及合金的結(jié)構(gòu)23一、晶體的基本概念晶體結(jié)構(gòu)指晶體內(nèi)部原子規(guī)則排列的方式。晶體結(jié)構(gòu)不同，其性能往往相差很大。一、晶體的基本概念晶體結(jié)構(gòu)指晶體內(nèi)部原子規(guī)則排列的方式。晶體24為了便于分析研究各種晶體中原子或分子的排列情況，通常把原子抽象為幾何點(diǎn)，并用許多假想的直線連接起來，這樣得到的三維空間幾何格架稱為晶格。為了便于分析研究各種晶體中原子或分子的排列情況，通常把原子抽25圖1簡單立方晶體

（a）晶體結(jié)構(gòu)（b）晶格（c）晶胞圖1簡單立方晶體

（a）26為了描述晶格中原子排列的緊密程度，通常采用配位數(shù)和致密度（K）來表示。配位數(shù)是指晶格中與任一原子處于相等距離并相距最近的原子數(shù)目；致密度是指晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)，即晶胞中所包含的原子體積與晶胞體積（V）的比值。為了描述晶格中原子排列的緊密程度，通常采用配位數(shù)27二、常見純金屬的晶格類型常見的晶格類型有以下三種：

1.體心立方晶格

體心立方晶格的晶胞如圖2-4所示。它的形狀是一個(gè)立方體，其晶格常數(shù)a=b=c，所以只要一個(gè)常數(shù)a即可表示；其α=β=γ=90o。在體心立方晶胞中，原子位于立方體的八個(gè)頂角和中心。屬于這類晶格的金屬有α-Fe、Cr、V、W、Mo、Nb等。二、常見純金屬的晶格類型常見的晶格類型有以下三種：

1.體28圖2體心立方晶胞

（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數(shù)圖2體心立方晶胞

（a）模型292．面心立方晶格

面心立方晶胞如圖所示。它的形狀也是一個(gè)立方體。在面心立方晶胞中，原子位于立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面的中心。屬于這類晶格的金屬有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等2．面心立方晶格30圖3面心立方晶胞

（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數(shù)圖3面心立方313.密排六方晶格

密排六方晶胞如圖4所示。它是一個(gè)正六面柱體，在晶胞的12個(gè)角上各有一個(gè)原子，上底面和下底面的中心各有一個(gè)原子，上下底面的中間有三個(gè)原子。屬于這類晶格的金屬有Mg、Zn、Be、Cd等。3.密排六方晶格

密排六方晶胞如圖4所示。它是一個(gè)正六面柱32圖4密排六方晶胞

（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數(shù)其晶格常數(shù)用正六邊形底面的邊長a和晶胞的高度c來表示。兩者的比值c/a≈1.633圖4密排六方晶胞

（a）模33三、晶面指數(shù)和晶向指數(shù)晶體中原子排列的規(guī)律性，可以從晶面和晶向上反映出來。晶體中各種方位上的原子面叫做晶面，各種方向上的原子列叫做晶向。三、晶面指數(shù)和晶向指數(shù)晶體中原子排列的規(guī)律性，可以從晶面341．晶面指數(shù)

確定晶面指數(shù)的步驟如下：

（1）設(shè)晶格中某一原子為原點(diǎn)，通過該點(diǎn)平行于晶胞的三棱邊作OX、OY、OZ三坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)a、b、c分別作為相應(yīng)的三個(gè)坐標(biāo)軸上的度量單位，求出所需確定的晶面在三坐標(biāo)軸上的截距。

（2）將所得三截距之值變?yōu)榈箶?shù)。

（3）再將這三個(gè)倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)，并加上一圓括號(hào)，即為晶面指數(shù)，一般表示為（hkl）。1．晶面指數(shù)

確定晶面指數(shù)的步驟如下：

（1）設(shè)晶格中某一原352．晶向指數(shù)

確定晶向指數(shù)的步驟如下：

（1）通過坐標(biāo)原點(diǎn)引一直線，使其平行于所求的晶向。

（2）求出該直線上任意一點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)值。

（3）將三個(gè)坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)，加一方括號(hào)，即為所求的晶面指數(shù)，其一般形式為［uvw］。2．晶向指數(shù)

確定晶向指數(shù)的步驟如下：

（1）通過坐標(biāo)原點(diǎn)引36四、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用的金屬材料中，總是不可避免地存在著一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域，這就是晶體缺陷。四、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用的金屬材料中，總是不可避免37一般說來，金屬中這些偏離其規(guī)定位置的原子數(shù)很少，即使在最嚴(yán)重的情況下，金屬晶體中位置偏離很大的原子數(shù)目至多占原子總數(shù)的千分之一。因此，從總體來看，其結(jié)構(gòu)還是接近完整的。盡管如此，這些晶體缺陷不但對(duì)金屬及合金的性能有重大影響，而且還在擴(kuò)散、相變、塑性變形和再結(jié)晶等過程中扮演重要角色。一般說來，金屬中這些偏離其規(guī)定位置的原子數(shù)很少，即使在最嚴(yán)重381．多晶體

通常使用的金屬都是由很多小晶體組成的，這些小晶體內(nèi)部的晶格位向是均勻一致的，而它們之間，晶格位向卻彼此不同，這些外形不規(guī)則的的顆粒狀小晶體稱為晶粒。每一個(gè)晶粒相當(dāng)于一個(gè)單晶體。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稱為多晶體。1．多晶體

通常使用的金屬都是由很多小晶體組成的，這些小晶體39多晶體的性能在各個(gè)方向基本上是一致的，這是由于多晶體中，雖然每個(gè)晶粒都是各向異性的，但它們的晶格位向彼此不同，晶體的性能在各個(gè)方向相互補(bǔ)充和抵消，再加上晶界的作用，因而表現(xiàn)出各向同性。

晶粒的尺寸很小，如鋼鐵材料一般為3mm左右，必須在顯微鏡下才能看見。在顯微鏡下觀察到的金屬中晶粒的種類、大小、形態(tài)和分布稱為顯微組織，簡稱組織。金屬的組織對(duì)金屬的機(jī)械性能有很大的影響。多晶體的性能在各個(gè)方向基本上是一致的，這是由于402．晶體缺陷

根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，一般將它們分為以下三類：

（1）點(diǎn)缺陷（2）線缺陷（3）面缺陷2．晶體缺陷

根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，一般將它們分為以41實(shí)際金屬晶體內(nèi)部，由于鑄造、變形等一系列原因，其局部區(qū)域原子的規(guī)則排列往往受到干擾和破壞，不象理想晶體那樣規(guī)則和完整，從而影響到金屬的許多性能。實(shí)際金屬晶體中原子排列的這種不完整性，通常稱為晶體缺陷。實(shí)際金屬晶體內(nèi)部，由于鑄造、變形等一系列原因，其局部區(qū)域原子42點(diǎn)缺陷

晶格中某個(gè)原子脫離了平衡位置，形成空結(jié)點(diǎn)，稱為空位。某個(gè)晶格間隙擠進(jìn)了原子，稱為間隙原子。材料中總存在著一些其它元素的雜質(zhì)，它們可以形成間隙原子，也可能取代原來原子的位置，成為置換原子，三種點(diǎn)缺陷的形態(tài)點(diǎn)缺陷

晶格中某個(gè)原子脫離了平衡位置，形成空結(jié)點(diǎn)，43線缺陷

晶體中最普通的線缺陷就是位錯(cuò)，它是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。這種錯(cuò)排現(xiàn)象是晶體內(nèi)部局部滑移造成的，根據(jù)局部滑移的方式不同，可以形成不同類型的位錯(cuò)，刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。線缺陷

晶體中最普通的線缺陷就是位錯(cuò)，它是在晶體中某處有一44第二章材料結(jié)構(gòu)與性能課件45位錯(cuò)的存在對(duì)金屬的強(qiáng)度有著重要的影響，如圖所示。從圖中可見，增加或降低位錯(cuò)密度，都能有效地提高金屬強(qiáng)度。理想晶體的強(qiáng)度很高，位錯(cuò)的存在可降低強(qiáng)度，當(dāng)位錯(cuò)大量產(chǎn)生后，強(qiáng)度又提高。由于沒有缺陷的晶體很難得到，所以生產(chǎn)中一般依靠增加位錯(cuò)密度來提高金屬強(qiáng)度，但塑性隨之降低。位錯(cuò)的存在對(duì)金屬的強(qiáng)度有著重要的影響，如圖所示。從圖中可見，46面缺陷

面缺陷包括晶界和亞晶界。如前所述，晶界是晶粒與晶粒之間的界面，由于晶界原子需要同時(shí)適應(yīng)相鄰兩個(gè)晶粒的位向，就必須從一種晶粒位向逐步過渡到另一種晶粒位向，成為不同晶粒之間的過渡層，因而晶界上的原子多處于無規(guī)則狀態(tài)或兩種晶粒位向的折衷位置上。另外，晶粒內(nèi)部也不是理想晶體，而是由位向差很小的稱為嵌鑲塊的小塊所組成，稱為亞晶粒，尺寸為10－4～10－6cm。亞晶粒的交界稱為亞晶界。面缺陷

面缺陷包括晶界和亞晶界。如前所述，晶界是晶粒與晶粒47晶粒之間位向差較大，亞晶粒之間位向差較小。大于10°～15°的晶界稱為大角度晶界，亞晶界是小角度晶界，其結(jié)構(gòu)可以看成是位錯(cuò)的規(guī)則排列。面缺陷能提高金屬材料的強(qiáng)度和塑性。細(xì)化晶粒是改善金屬機(jī)械性能的有效手段。晶粒之間位向差較大，亞晶粒之間位向差較小。大于10°～15°48五、合金的相結(jié)構(gòu)所謂合金，是指兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。合金具有比純金屬高得多的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等機(jī)械性能，是工程上使用得最多的金屬材料。

五、合金的相結(jié)構(gòu)所謂合金，是指兩種或兩種以上的金屬元素，或49純金屬具有良好的物理和化學(xué)性能，但機(jī)械性能很差，價(jià)格昂貴，種類有限。為了滿足各種機(jī)器零件對(duì)不同性能的要求，因此出現(xiàn)了合金。（先）純金屬具有良好的物理和化學(xué)性能，但機(jī)械性能很差，價(jià)格昂貴，種50組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。通常，合金的組元就是組成合金的各種元素，但某些穩(wěn)定的化合物也可以看成是組元。根據(jù)合金組元個(gè)數(shù)不同，把由兩個(gè)組元組成的合金稱為二元合金，由三個(gè)或三個(gè)以上組元組成的合金稱為多元合金。組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。通常，合金的組元就是組51組成合金的元素相互作用會(huì)形成各種不同的相。相是指合金中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，并以界面互相分開的、均勻的組成部分。組成合金的元素相互作用會(huì)形成各種不同的相。相是指合金中具有同52固態(tài)金屬一般是一個(gè)相，而合金則可能是幾個(gè)相。由于形成條件不同，各相可以不同的數(shù)量、形狀、大小組合。在顯微鏡下觀察，可以看到不同的組織。固態(tài)金屬一般是一個(gè)相，而合金則可能是幾個(gè)相。由于形成條件不同53固態(tài)合金的相，可分成兩大類：若相的晶體結(jié)構(gòu)與某一組成元素的晶體結(jié)構(gòu)相同，這種固相稱為固溶體；若相的晶體結(jié)構(gòu)與組成合金元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同，這種固相稱為金屬化合物。固態(tài)合金的相，可分成兩大類：若相的晶體結(jié)構(gòu)與某一組成元素的晶541．固溶體

組成合金的元素互相溶解，形成一種與某一元素的晶體結(jié)構(gòu)相同，并包含有其它元素的合金固相，稱為固溶體。1．固溶體

組成合金的元素互相溶解，形成一種與某一元55其中，與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱為溶劑，其它元素稱為溶質(zhì)。固溶體一般用α、β、γ……來表示。其中，與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱為溶劑，其它元素稱為溶質(zhì)。固56（1）置換固溶體

溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體稱為置換固溶體。

通常，當(dāng)溶劑與溶質(zhì)原子尺寸相近，直徑差別較小，容易形成置換固溶體；當(dāng)直徑差別大于15%時(shí)，就很難形成置換固溶體了。置換固溶體中原子的分布通常是任意的，稱之為無序固溶體。在某些條件下，原子成為有規(guī)則的排列，稱為有序固溶體。兩者之間的轉(zhuǎn)變稱為固溶體的有序化。這時(shí)，合金的某些物理性能將發(fā)生很大的變化。（1）置換固溶體

溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)位置而形成57（2）間隙固溶體

溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙中而形成的固溶體稱為間隙固溶體，其中的溶質(zhì)原子不占據(jù)晶格的正常位置。只有溶質(zhì)原子與溶劑原子的直徑之比小于0.59時(shí)，才會(huì)形成間隙固溶體。通常，間隙固溶體都是由原子直徑很小的碳、氮、氫、硼、氧等非金屬元素溶入過渡族金屬元素的晶格間隙中而形成的。（2）間隙固溶體

溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙中而形成的固溶58（3）固溶體的溶解度

溶質(zhì)原子溶入固溶體中的數(shù)量稱為固溶體的濃度，在一定條件下的極限濃度叫做溶解度。如果固溶體的溶解度有一定的限度，這叫做有限固溶體。但是，當(dāng)置換固溶體的溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑差別很小，且晶體結(jié)構(gòu)相同，在周期表中的位置又靠得較近，則它們就有可能以任何成分比例形成固溶體，這種固溶體叫做無限固溶體。

影響溶解度的因素有原子尺寸、晶格類型、電化學(xué)性質(zhì)以及電子濃度等。（3）固溶體的溶解度

溶質(zhì)原子溶入固溶體中的數(shù)量稱59（4）固溶體的性能

無論是置換固溶體還是間隙固溶體，由于溶質(zhì)原子尺寸與溶劑原子不同，其晶格都會(huì)產(chǎn)生畸變。由于晶格畸變增加了位錯(cuò)移動(dòng)的阻力，使滑移變形難以進(jìn)行，因此固溶體的強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性則有所下降。這種通過溶入某種溶質(zhì)元素來形成固溶體而使金屬的強(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。（4）固溶體的性能

無論是置換固溶體還是間隙固溶體，由于溶602．金屬化合物

金屬化合物是合金組元間相互作用所形成的一種晶格類型及性能均不同于任一組元的合金固相。一般可用分子式大致表示其組成。2．金屬化合物

金屬化合物是合金組元間相互作用所形成的一種61金屬化合物一般有較高的熔點(diǎn)、較高的硬度和較大的脆性。合金中出現(xiàn)化合物時(shí)，可提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。根據(jù)金屬化合物的形成規(guī)律及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其分為三大類型：正常價(jià)化合物、電子化合物、間隙化合物

金屬化合物一般有較高的熔點(diǎn)、較高的硬度和較大的脆性。合金中出621）正常價(jià)化合物

周期表上相距較遠(yuǎn)，電化學(xué)性質(zhì)相差較大的兩元素容易形成正常價(jià)化合物。其特點(diǎn)是符合一般化合物的原子價(jià)規(guī)律，成分固定，并可用化學(xué)式表示。如Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。

正常價(jià)化合物具有高的硬度和脆性。當(dāng)其在合金中彌散分布于固溶體基體中時(shí)，將起到強(qiáng)化相的作用，使合金強(qiáng)化。1）正常價(jià)化合物

周期表上相距較遠(yuǎn)，電化學(xué)性質(zhì)相差較大的兩632）電子化合物

電子化合物是由第Ⅰ族或過渡族元素與第Ⅱ至第Ⅴ族元素結(jié)合而成的。它們不遵循原子價(jià)規(guī)律，而服從電子濃度規(guī)律。電子濃度是指合金中化合物的價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值。

2）電子化合物

電子化合物是由第Ⅰ族或過渡族元素與第Ⅱ至第64電子化合物具有高的熔點(diǎn)和硬度，但塑性較低，一般只能作為強(qiáng)化相存在于合金特別是有色金屬合金中。

電子化合物的結(jié)構(gòu)取決于電子濃度，當(dāng)電子濃度為3/2時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)為體心立方晶格，稱為β相；電子濃度為21/13時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)為復(fù)雜立方晶格，稱為γ相；電子濃度為7/4時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)為密排六方晶格，稱為ε相。合金中常見的電子化合物見表2-1。電子化合物具有高的熔點(diǎn)和硬度，但塑性較低，一般只能作為強(qiáng)化相65第二章材料結(jié)構(gòu)與性能課件663）間隙化合物

間隙化合物是由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的金屬化合物。根據(jù)組成元素原子半徑比值及結(jié)構(gòu)特征的不同，可將間隙化合物分為兩類：間隙相和具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。3）間隙化合物

間隙化合物是由過渡族金屬元素與碳、67a）間隙相

當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑比值小于0.59時(shí)，形成具有簡單晶格的間隙化合物，稱為間隙相，如TiC、TiN、ZrC、VC、NbC、Mo2N、Fe2N等。

間隙相具有極高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，而且十分穩(wěn)定，是高合金工具鋼的重要組成相，也是硬質(zhì)合金和高溫金屬陶瓷材料的重要組成相。a）間隙相

當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑比值小于068b）具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物

當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值大于0.59時(shí)，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。如鋼中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。

b）具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物

當(dāng)非金屬原子半徑與金屬69具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物也具有很高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，但與間隙相相比要稍低一些，加熱時(shí)也易于分解。這類化合物是碳鋼及合金鋼中重要的組成相。金屬化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金屬化合物為基的固溶體。具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物也具有很高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，但與間70材料性能是用于表征材料在給定外界條件下行為的一種參量。例如用表征材料在外力作用下拉伸行為的屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度等力學(xué)性能又例如用表征材料在外磁場作用下行為的矯頑力:剩余磁感、貯藏的磁能等磁學(xué)性能材料性能是由其結(jié)構(gòu)決定的第三節(jié)材料的性能材料性能是用于表征材料在給定外界條件下行為的一種參量。第三節(jié)71一、力學(xué)性能

材料受力后就會(huì)產(chǎn)生變形，材料力學(xué)性能是指材料在受力時(shí)的行為。描述材料變形行為的指標(biāo)是應(yīng)力σ和應(yīng)變?chǔ)?，σ是單位面積上的作用力，ε是單位長度的變形。描述材料力學(xué)性能的主要指標(biāo)是強(qiáng)度、延性和韌性。其中，強(qiáng)度是使材料破壞的應(yīng)力大小的度量；延性是材料在破壞前永久應(yīng)變的數(shù)值；而韌性卻是材料在破壞時(shí)所吸收的能量的數(shù)值。一、力學(xué)性能

材料受力后就會(huì)產(chǎn)生變形，材料力學(xué)性能是指材72圖材料力學(xué)性能的指標(biāo)圖圖材料力學(xué)性能的指標(biāo)圖73設(shè)計(jì)師們對(duì)這些力學(xué)性能制訂了各種各樣的規(guī)范。例如，對(duì)一種鋼管，人們要求它有較高的強(qiáng)度，但也希望它有較高的延性，以增加韌性，由于在強(qiáng)度和延性二者之間往往是矛盾的，工程師們要做出最佳設(shè)計(jì)常常需要在二者中權(quán)衡比較。同時(shí)，還有各種各樣的方法確定材料的強(qiáng)度和延性。當(dāng)鋼棒彎曲時(shí)就算破壞，還是必須發(fā)生斷裂才算破壞？答案當(dāng)然取決于工程設(shè)計(jì)的需要。但是這種差別表明至少應(yīng)有兩種強(qiáng)度判據(jù)：一種是開始屈服，另一種是材料所能承受的最大載荷，這說明僅僅描述材料強(qiáng)度的指標(biāo)至少就有兩個(gè)以上。一般來說，描述材料力學(xué)性能的指標(biāo)有以下幾項(xiàng)：設(shè)計(jì)師們對(duì)這些力學(xué)性能制訂了各種各樣的規(guī)范。例如，對(duì)一種鋼管74圖1-6應(yīng)力-應(yīng)變圖（a）無塑性變形的脆性材料（例如鑄鐵）；（b）有明顯屈服點(diǎn)的延性材料（例如低碳鋼）；（c）沒有明顯屈服點(diǎn)的延性材料（例如純鋁）。1.彈性和剛度圖1-6應(yīng)力-應(yīng)變圖1.彈性和剛75在圖中的σ—ε曲線上，OA段為彈性階段，在此階段，如卸去載荷，試樣伸長量消失，試樣恢復(fù)原狀。材料的這種不產(chǎn)生永久殘余變形的能力稱為彈性。A點(diǎn)對(duì)應(yīng)的應(yīng)力值稱為彈性極限，記為σe。

材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變成正比，其比值E=σ/ε（MN/m2）稱為彈性模量。E標(biāo)志著材料抵抗彈性變形的能力，用以表示材料的剛度。E值主要取決于各種材料的本性，一些處理方法（如熱處理、冷熱加工、合金化等）對(duì)它影響很小。零件提高剛度的方法是增加橫截面積或改變截面形狀。金屬的E值隨溫度的升高而逐漸降低。在圖中的σ—ε曲線上，OA段為彈性階段，在此階段，如卸去載荷765.疲勞強(qiáng)度在交變載荷反復(fù)作用下，材料常在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)度的應(yīng)力下即發(fā)生斷裂，這種現(xiàn)象稱為“疲勞”。材料在規(guī)定次數(shù)（一般鋼鐵材料取107次，有色金屬及其合金取108次）的交變載荷作用下，而不至引起斷裂的最大應(yīng)力稱為“疲勞極限”。5.疲勞強(qiáng)度在交變載荷反復(fù)作用下，材料常在遠(yuǎn)低于其屈服強(qiáng)776．韌性（1）沖擊韌性aK是在沖擊載荷作用下，抵抗沖擊力的作用而不被破壞的能力。（2）斷裂韌性K16．韌性（1）沖擊韌性aK78斷裂韌性K在實(shí)際生產(chǎn)中，有的大型傳動(dòng)零件、高壓容器、船舶、橋梁等，常在其工作應(yīng)力遠(yuǎn)低于σS的情況下，突然發(fā)生低應(yīng)力脆斷。斷裂韌性K79通過大量研究認(rèn)為，這種破壞與制件本身存在裂紋和裂紋擴(kuò)展有關(guān)。實(shí)際使用的材料，不可避免地存在一定的冶金和加工缺陷，如氣孔、夾雜物、機(jī)械缺陷等，它們破壞了材料的連續(xù)性，實(shí)際上成為材料內(nèi)部的微裂紋。在服役過程中，裂紋擴(kuò)展的結(jié)果，造成零件在較低應(yīng)力狀態(tài)下，即低于材料的屈服強(qiáng)度，而材料本身的塑性和沖擊韌性又不低于傳統(tǒng)的經(jīng)驗(yàn)值的情況下，發(fā)生低應(yīng)力脆斷。通過大量研究認(rèn)為，這種破壞與制件本身存在裂紋和裂紋擴(kuò)展有關(guān)。80斷裂強(qiáng)度與裂紋深度之間的關(guān)系曲線斷裂強(qiáng)度與裂紋深度之間的關(guān)系曲線81為了研究裂紋對(duì)材料斷裂強(qiáng)度的影響，把刻有不同深度的試件進(jìn)行拉伸試驗(yàn)，畫出如圖所示的裂紋深度a與實(shí)際斷裂強(qiáng)度的關(guān)系曲線。且有公式成立。對(duì)某種材料來說，K是一個(gè)常數(shù)，它也是材料機(jī)械性能的指標(biāo)，稱為斷裂韌性。為了研究裂紋對(duì)材料斷裂強(qiáng)度的影響，把刻有不同深度82二物理性能二物理性能83精品課件！精品課件！84精品課件！精品課件！85四工藝性能1．鑄造性：鑄造性是指澆注鑄件時(shí)，材料能充滿比較復(fù)雜的鑄型并獲得優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。2．可鍛性可鍛性是指材料是否易于進(jìn)行壓力加工的性能?？慑懶院脡闹饕圆牧系乃苄院妥冃慰沽砗饬?。3.可焊性可焊性是指材料是否易于焊接在一起并能保證焊縫質(zhì)量的性能，一般用焊接處出現(xiàn)各種缺陷的傾向來衡量。4．切削加工性：切削加工性是指材料是否易于切削加工的性能。四工藝性能1．鑄造性：鑄造性是指澆注鑄件時(shí)，材料能充滿比較86在外界條件固定時(shí)，材料的性能取決于材料內(nèi)部的構(gòu)造。這種構(gòu)造便是組成材料的原子種類和分量，以及它們的排列方式和空間分布。習(xí)慣上將前者叫做成分，后者叫做組織結(jié)構(gòu)，而我們把這兩者統(tǒng)稱為結(jié)構(gòu)。物質(zhì)通常具有三種存在形態(tài)：氣態(tài)、液態(tài)、固態(tài)，而在使用狀態(tài)下的材料通常都是固態(tài)。(材料在固態(tài)下結(jié)合方式及結(jié)構(gòu)特點(diǎn))在外界條件固定時(shí)，材料的性能取決于材料內(nèi)部的構(gòu)造87第一節(jié)材料的結(jié)合方式在所有的固體中，原子靠鍵結(jié)合在一起。鍵使固體具有強(qiáng)度和相應(yīng)的電學(xué)和熱學(xué)性能。例如，強(qiáng)的鍵導(dǎo)致高熔點(diǎn)、高彈性模量、較短的原子間距和較低的熱膨脹系數(shù)。第一節(jié)材料的結(jié)合方式在所有的固體中，原88一、結(jié)合鍵1.離子鍵一、結(jié)合鍵1.離子鍵892.共價(jià)鍵共價(jià)鍵是一種強(qiáng)吸引力的結(jié)合鍵。當(dāng)兩個(gè)相同原子或性質(zhì)相近的原子接近時(shí)，價(jià)電子不會(huì)轉(zhuǎn)移，原子間借共用電子對(duì)所產(chǎn)生的力而結(jié)合，形成共價(jià)鍵。2.共價(jià)鍵90共價(jià)鍵使原子間有很強(qiáng)的吸引力，這一點(diǎn)在金剛石中很明顯，金剛石是自然界中最硬的材料，而且它完全是由碳原子組成。每個(gè)碳原子有四個(gè)價(jià)電子，這些價(jià)電子與鄰近原子共用，形成完全由價(jià)電子對(duì)結(jié)合而成的三維點(diǎn)陣。這些三維點(diǎn)陣使金剛石具有很高的硬度和熔點(diǎn)。共價(jià)鍵使原子間有很強(qiáng)的吸引力，這一點(diǎn)在金剛石中很明顯，金剛石913.金屬鍵

3.金屬鍵

92金屬是由金屬鍵結(jié)合而成的，它具有同非金屬完全不同的特性。金屬原子的外層電子少，容易失去。當(dāng)金屬原子相互靠近時(shí)，這些外層原子就脫離原子，成為自由電子，為整個(gè)金屬所共有，自由電子在金屬內(nèi)部運(yùn)動(dòng)，形成電子氣。這種由自由電子與金屬正離子之間的結(jié)合方式稱為金屬鍵金屬是由金屬鍵結(jié)合而成的，它具有同非金屬完全不同的特性。金屬934．分子鍵

分子鍵又叫范德華鍵，是最弱的一種結(jié)合鍵。它是靠原子各自內(nèi)部電子分布不均勻產(chǎn)生較弱的靜電引力，稱為范德華力，由這種分子力結(jié)合起來的鍵叫做分子鍵。4．分子鍵

分子鍵又叫范德華鍵，是最弱的一種結(jié)合鍵945．氫鍵

另一種范德華力實(shí)際上是極性分子的一種特殊情況。C－H、O－H或N－H鍵端部暴露的質(zhì)子是沒有電子屏蔽的，所以，這個(gè)正電荷可以吸引相鄰分子的價(jià)電子，于是形成了一種庫侖型的鍵，稱為氫鍵，氫鍵是所有范德瓦爾斯鍵中最強(qiáng)的。5．氫鍵

另一種范德華力實(shí)際上是極性分子的一種特殊95氫鍵最典型的例子是水，一個(gè)水分子中氫質(zhì)子吸引相鄰分子中氧的孤對(duì)電子，氫鍵使水成為所有低分子量物質(zhì)中沸點(diǎn)最高的物質(zhì)。氫鍵最典型的例子是水，一個(gè)水分子中氫質(zhì)子吸引相鄰分子中氧的孤96二、結(jié)合鍵對(duì)材料性能的影響1．金屬材料

金屬材料的結(jié)合鍵主要是金屬鍵。1）金屬具有良好的導(dǎo)電性；2）金屬的導(dǎo)熱性好；3）正的電阻溫度系數(shù)；4）具有良好的變形能力；

二、結(jié)合鍵對(duì)材料性能的影響1．金屬材料

金屬材料的97另外，自由電子可以吸收光的能量，因而金屬不透明；而所吸收的能量在電子回復(fù)到原來狀態(tài)時(shí)產(chǎn)生輻射，使金屬具有光澤。另外，自由電子可以吸收光的能量，因而金屬不透明；而所吸收的能982．陶瓷材料

陶瓷材料通常具有極高的熔點(diǎn)和硬度，但同時(shí)陶瓷材料的脆性也很大。

2．陶瓷材料

陶瓷材料通常具有極高的熔點(diǎn)和硬度，但99簡單說來，陶瓷材料是包含金屬和非金屬元素的化合物，其結(jié)合鍵主要是離子鍵和共價(jià)鍵，大多數(shù)是離子鍵。離子鍵賦予陶瓷材料相當(dāng)高的穩(wěn)定性，所以陶瓷材料通常具有極高的熔點(diǎn)和硬度，但同時(shí)陶瓷材料的脆性也很大。簡單說來，陶瓷材料是包含金屬和非金屬元素的化合物，其結(jié)合鍵主1003．高分子材料具有很好的力學(xué)性能。

3．高分子材料101高分子材料的結(jié)合鍵是共價(jià)鍵、氫鍵和分子鍵。其中，組成分子的結(jié)合鍵是共價(jià)鍵和氫鍵，而分子間的結(jié)合鍵是范德瓦爾斯鍵。盡管范德瓦爾斯鍵較弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子間的作用力也相應(yīng)較大，這使得高分子材料具有很好的力學(xué)性能。高分子材料的結(jié)合鍵是共價(jià)鍵、氫鍵和分子鍵。其中，組成分子的結(jié)102三、晶體與非晶體1．晶體

晶體的特點(diǎn)是1）結(jié)構(gòu)有序；2）物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向異性；3）有固定的熔點(diǎn)。

三、晶體與非晶體1．晶體

晶體的特點(diǎn)是1）1032．非晶體

非晶體的結(jié)構(gòu)是原子無序排列，這一點(diǎn)與液體的結(jié)構(gòu)很相似，所以非晶體往往被稱為過冷液體。典型的非晶體材料是玻璃，所以非晶體也被稱為玻璃體。

2．非晶體

非晶體的結(jié)構(gòu)是原子無序排列，這一點(diǎn)104雖然非晶體在整體上是無序的，但在很小的范圍內(nèi)觀察，還是有一定的規(guī)律性，所以在結(jié)構(gòu)上稱之為短程有序。雖然非晶體在整體上是無序的，但在很小的范圍內(nèi)觀察，還是有一定105非晶體材料的特點(diǎn)是1）結(jié)構(gòu)無序；2）物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性；3）沒有固定熔點(diǎn)；4）導(dǎo)熱率和熱膨脹性??；5）塑性形變大；6）組成的范圍變化大。非晶體材料的特點(diǎn)是1）結(jié)構(gòu)無序；2）物理性質(zhì)表現(xiàn)為1063．晶體和非晶體的轉(zhuǎn)化比如，金屬液體在高速冷卻條件下可以得到非晶態(tài)金屬，即所謂的金屬玻璃；而玻璃經(jīng)過適當(dāng)處理，也可形成晶態(tài)玻璃。有些物質(zhì)可以看成是有序和無序的中間狀態(tài)，如塑料、液晶、準(zhǔn)晶態(tài)等。

3．晶體和非晶體的轉(zhuǎn)化107非晶體結(jié)構(gòu)是短程有序，即在很小的尺寸范圍內(nèi)存在著有序性，而晶體內(nèi)部也有缺陷，在很小的尺寸范圍內(nèi)也存在著無序性。所以兩者之間也有共同特點(diǎn)。而物質(zhì)在不同條件下，既可形成晶體結(jié)構(gòu)，也可形成非晶體結(jié)構(gòu)。非晶體結(jié)構(gòu)是短程有序，即在很小的尺寸范圍內(nèi)存在著有序性，而晶108第二節(jié)金屬及合金的結(jié)構(gòu)第二節(jié)金屬及合金的結(jié)構(gòu)109一、晶體的基本概念晶體結(jié)構(gòu)指晶體內(nèi)部原子規(guī)則排列的方式。晶體結(jié)構(gòu)不同，其性能往往相差很大。一、晶體的基本概念晶體結(jié)構(gòu)指晶體內(nèi)部原子規(guī)則排列的方式。晶體110為了便于分析研究各種晶體中原子或分子的排列情況，通常把原子抽象為幾何點(diǎn)，并用許多假想的直線連接起來，這樣得到的三維空間幾何格架稱為晶格。為了便于分析研究各種晶體中原子或分子的排列情況，通常把原子抽111圖1簡單立方晶體

（a）晶體結(jié)構(gòu)（b）晶格（c）晶胞圖1簡單立方晶體

（a）112為了描述晶格中原子排列的緊密程度，通常采用配位數(shù)和致密度（K）來表示。配位數(shù)是指晶格中與任一原子處于相等距離并相距最近的原子數(shù)目；致密度是指晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)，即晶胞中所包含的原子體積與晶胞體積（V）的比值。為了描述晶格中原子排列的緊密程度，通常采用配位數(shù)113二、常見純金屬的晶格類型常見的晶格類型有以下三種：

1.體心立方晶格

體心立方晶格的晶胞如圖2-4所示。它的形狀是一個(gè)立方體，其晶格常數(shù)a=b=c，所以只要一個(gè)常數(shù)a即可表示；其α=β=γ=90o。在體心立方晶胞中，原子位于立方體的八個(gè)頂角和中心。屬于這類晶格的金屬有α-Fe、Cr、V、W、Mo、Nb等。二、常見純金屬的晶格類型常見的晶格類型有以下三種：

1.體114圖2體心立方晶胞

（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數(shù)圖2體心立方晶胞

（a）模型1152．面心立方晶格

面心立方晶胞如圖所示。它的形狀也是一個(gè)立方體。在面心立方晶胞中，原子位于立方體的八個(gè)頂角和六個(gè)面的中心。屬于這類晶格的金屬有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等2．面心立方晶格116圖3面心立方晶胞

（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數(shù)圖3面心立方1173.密排六方晶格

密排六方晶胞如圖4所示。它是一個(gè)正六面柱體，在晶胞的12個(gè)角上各有一個(gè)原子，上底面和下底面的中心各有一個(gè)原子，上下底面的中間有三個(gè)原子。屬于這類晶格的金屬有Mg、Zn、Be、Cd等。3.密排六方晶格

密排六方晶胞如圖4所示。它是一個(gè)正六面柱118圖4密排六方晶胞

（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數(shù)其晶格常數(shù)用正六邊形底面的邊長a和晶胞的高度c來表示。兩者的比值c/a≈1.633圖4密排六方晶胞

（a）模119三、晶面指數(shù)和晶向指數(shù)晶體中原子排列的規(guī)律性，可以從晶面和晶向上反映出來。晶體中各種方位上的原子面叫做晶面，各種方向上的原子列叫做晶向。三、晶面指數(shù)和晶向指數(shù)晶體中原子排列的規(guī)律性，可以從晶面1201．晶面指數(shù)

確定晶面指數(shù)的步驟如下：

（1）設(shè)晶格中某一原子為原點(diǎn)，通過該點(diǎn)平行于晶胞的三棱邊作OX、OY、OZ三坐標(biāo)軸，以晶格常數(shù)a、b、c分別作為相應(yīng)的三個(gè)坐標(biāo)軸上的度量單位，求出所需確定的晶面在三坐標(biāo)軸上的截距。

（2）將所得三截距之值變?yōu)榈箶?shù)。

（3）再將這三個(gè)倒數(shù)按比例化為最小整數(shù)，并加上一圓括號(hào)，即為晶面指數(shù)，一般表示為（hkl）。1．晶面指數(shù)

確定晶面指數(shù)的步驟如下：

（1）設(shè)晶格中某一原1212．晶向指數(shù)

確定晶向指數(shù)的步驟如下：

（1）通過坐標(biāo)原點(diǎn)引一直線，使其平行于所求的晶向。

（2）求出該直線上任意一點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)值。

（3）將三個(gè)坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)，加一方括號(hào)，即為所求的晶面指數(shù)，其一般形式為［uvw］。2．晶向指數(shù)

確定晶向指數(shù)的步驟如下：

（1）通過坐標(biāo)原點(diǎn)引122四、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用的金屬材料中，總是不可避免地存在著一些原子偏離規(guī)則排列的不完整性區(qū)域，這就是晶體缺陷。四、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)在實(shí)際應(yīng)用的金屬材料中，總是不可避免123一般說來，金屬中這些偏離其規(guī)定位置的原子數(shù)很少，即使在最嚴(yán)重的情況下，金屬晶體中位置偏離很大的原子數(shù)目至多占原子總數(shù)的千分之一。因此，從總體來看，其結(jié)構(gòu)還是接近完整的。盡管如此，這些晶體缺陷不但對(duì)金屬及合金的性能有重大影響，而且還在擴(kuò)散、相變、塑性變形和再結(jié)晶等過程中扮演重要角色。一般說來，金屬中這些偏離其規(guī)定位置的原子數(shù)很少，即使在最嚴(yán)重1241．多晶體

通常使用的金屬都是由很多小晶體組成的，這些小晶體內(nèi)部的晶格位向是均勻一致的，而它們之間，晶格位向卻彼此不同，這些外形不規(guī)則的的顆粒狀小晶體稱為晶粒。每一個(gè)晶粒相當(dāng)于一個(gè)單晶體。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稱為多晶體。1．多晶體

通常使用的金屬都是由很多小晶體組成的，這些小晶體125多晶體的性能在各個(gè)方向基本上是一致的，這是由于多晶體中，雖然每個(gè)晶粒都是各向異性的，但它們的晶格位向彼此不同，晶體的性能在各個(gè)方向相互補(bǔ)充和抵消，再加上晶界的作用，因而表現(xiàn)出各向同性。

晶粒的尺寸很小，如鋼鐵材料一般為3mm左右，必須在顯微鏡下才能看見。在顯微鏡下觀察到的金屬中晶粒的種類、大小、形態(tài)和分布稱為顯微組織，簡稱組織。金屬的組織對(duì)金屬的機(jī)械性能有很大的影響。多晶體的性能在各個(gè)方向基本上是一致的，這是由于1262．晶體缺陷

根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，一般將它們分為以下三類：

（1）點(diǎn)缺陷（2）線缺陷（3）面缺陷2．晶體缺陷

根據(jù)晶體缺陷的幾何形態(tài)特征，一般將它們分為以127實(shí)際金屬晶體內(nèi)部，由于鑄造、變形等一系列原因，其局部區(qū)域原子的規(guī)則排列往往受到干擾和破壞，不象理想晶體那樣規(guī)則和完整，從而影響到金屬的許多性能。實(shí)際金屬晶體中原子排列的這種不完整性，通常稱為晶體缺陷。實(shí)際金屬晶體內(nèi)部，由于鑄造、變形等一系列原因，其局部區(qū)域原子128點(diǎn)缺陷

晶格中某個(gè)原子脫離了平衡位置，形成空結(jié)點(diǎn)，稱為空位。某個(gè)晶格間隙擠進(jìn)了原子，稱為間隙原子。材料中總存在著一些其它元素的雜質(zhì)，它們可以形成間隙原子，也可能取代原來原子的位置，成為置換原子，三種點(diǎn)缺陷的形態(tài)點(diǎn)缺陷

晶格中某個(gè)原子脫離了平衡位置，形成空結(jié)點(diǎn)，129線缺陷

晶體中最普通的線缺陷就是位錯(cuò)，它是在晶體中某處有一列或若干列原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。這種錯(cuò)排現(xiàn)象是晶體內(nèi)部局部滑移造成的，根據(jù)局部滑移的方式不同，可以形成不同類型的位錯(cuò)，刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。線缺陷

晶體中最普通的線缺陷就是位錯(cuò)，它是在晶體中某處有一130第二章材料結(jié)構(gòu)與性能課件131位錯(cuò)的存在對(duì)金屬的強(qiáng)度有著重要的影響，如圖所示。從圖中可見，增加或降低位錯(cuò)密度，都能有效地提高金屬強(qiáng)度。理想晶體的強(qiáng)度很高，位錯(cuò)的存在可降低強(qiáng)度，當(dāng)位錯(cuò)大量產(chǎn)生后，強(qiáng)度又提高。由于沒有缺陷的晶體很難得到，所以生產(chǎn)中一般依靠增加位錯(cuò)密度來提高金屬強(qiáng)度，但塑性隨之降低。位錯(cuò)的存在對(duì)金屬的強(qiáng)度有著重要的影響，如圖所示。從圖中可見，132面缺陷

面缺陷包括晶界和亞晶界。如前所述，晶界是晶粒與晶粒之間的界面，由于晶界原子需要同時(shí)適應(yīng)相鄰兩個(gè)晶粒的位向，就必須從一種晶粒位向逐步過渡到另一種晶粒位向，成為不同晶粒之間的過渡層，因而晶界上的原子多處于無規(guī)則狀態(tài)或兩種晶粒位向的折衷位置上。另外，晶粒內(nèi)部也不是理想晶體，而是由位向差很小的稱為嵌鑲塊的小塊所組成，稱為亞晶粒，尺寸為10－4～10－6cm。亞晶粒的交界稱為亞晶界。面缺陷

面缺陷包括晶界和亞晶界。如前所述，晶界是晶粒與晶粒133晶粒之間位向差較大，亞晶粒之間位向差較小。大于10°～15°的晶界稱為大角度晶界，亞晶界是小角度晶界，其結(jié)構(gòu)可以看成是位錯(cuò)的規(guī)則排列。面缺陷能提高金屬材料的強(qiáng)度和塑性。細(xì)化晶粒是改善金屬機(jī)械性能的有效手段。晶粒之間位向差較大，亞晶粒之間位向差較小。大于10°～15°134五、合金的相結(jié)構(gòu)所謂合金，是指兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質(zhì)。合金具有比純金屬高得多的強(qiáng)度、硬度、耐磨性等機(jī)械性能，是工程上使用得最多的金屬材料。

五、合金的相結(jié)構(gòu)所謂合金，是指兩種或兩種以上的金屬元素，或135純金屬具有良好的物理和化學(xué)性能，但機(jī)械性能很差，價(jià)格昂貴，種類有限。為了滿足各種機(jī)器零件對(duì)不同性能的要求，因此出現(xiàn)了合金。（先）純金屬具有良好的物理和化學(xué)性能，但機(jī)械性能很差，價(jià)格昂貴，種136組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。通常，合金的組元就是組成合金的各種元素，但某些穩(wěn)定的化合物也可以看成是組元。根據(jù)合金組元個(gè)數(shù)不同，把由兩個(gè)組元組成的合金稱為二元合金，由三個(gè)或三個(gè)以上組元組成的合金稱為多元合金。組成合金最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)稱為組元。通常，合金的組元就是組137組成合金的元素相互作用會(huì)形成各種不同的相。相是指合金中具有同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)和原子聚集狀態(tài)，并以界面互相分開的、均勻的組成部分。組成合金的元素相互作用會(huì)形成各種不同的相。相是指合金中具有同138固態(tài)金屬一般是一個(gè)相，而合金則可能是幾個(gè)相。由于形成條件不同，各相可以不同的數(shù)量、形狀、大小組合。在顯微鏡下觀察，可以看到不同的組織。固態(tài)金屬一般是一個(gè)相，而合金則可能是幾個(gè)相。由于形成條件不同139固態(tài)合金的相，可分成兩大類：若相的晶體結(jié)構(gòu)與某一組成元素的晶體結(jié)構(gòu)相同，這種固相稱為固溶體；若相的晶體結(jié)構(gòu)與組成合金元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同，這種固相稱為金屬化合物。固態(tài)合金的相，可分成兩大類：若相的晶體結(jié)構(gòu)與某一組成元素的晶1401．固溶體

組成合金的元素互相溶解，形成一種與某一元素的晶體結(jié)構(gòu)相同，并包含有其它元素的合金固相，稱為固溶體。1．固溶體

組成合金的元素互相溶解，形成一種與某一元141其中，與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱為溶劑，其它元素稱為溶質(zhì)。固溶體一般用α、β、γ……來表示。其中，與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱為溶劑，其它元素稱為溶質(zhì)。固142（1）置換固溶體

溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)位置而形成的固溶體稱為置換固溶體。

通常，當(dāng)溶劑與溶質(zhì)原子尺寸相近，直徑差別較小，容易形成置換固溶體；當(dāng)直徑差別大于15%時(shí)，就很難形成置換固溶體了。置換固溶體中原子的分布通常是任意的，稱之為無序固溶體。在某些條件下，原子成為有規(guī)則的排列，稱為有序固溶體。兩者之間的轉(zhuǎn)變稱為固溶體的有序化。這時(shí)，合金的某些物理性能將發(fā)生很大的變化。（1）置換固溶體

溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)位置而形成143（2）間隙固溶體

溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙中而形成的固溶體稱為間隙固溶體，其中的溶質(zhì)原子不占據(jù)晶格的正常位置。只有溶質(zhì)原子與溶劑原子的直徑之比小于0.59時(shí)，才會(huì)形成間隙固溶體。通常，間隙固溶體都是由原子直徑很小的碳、氮、氫、硼、氧等非金屬元素溶入過渡族金屬元素的晶格間隙中而形成的。（2）間隙固溶體

溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙中而形成的固溶144（3）固溶體的溶解度

溶質(zhì)原子溶入固溶體中的數(shù)量稱為固溶體的濃度，在一定條件下的極限濃度叫做溶解度。如果固溶體的溶解度有一定的限度，這叫做有限固溶體。但是，當(dāng)置換固溶體的溶質(zhì)原子與溶劑原子直徑差別很小，且晶體結(jié)構(gòu)相同，在周期表中的位置又靠得較近，則它們就有可能以任何成分比例形成固溶體，這種固溶體叫做無限固溶體。

影響溶解度的因素有原子尺寸、晶格類型、電化學(xué)性質(zhì)以及電子濃度等。（3）固溶體的溶解度

溶質(zhì)原子溶入固溶體中的數(shù)量稱145（4）固溶體的性能

無論是置換固溶體還是間隙固溶體，由于溶質(zhì)原子尺寸與溶劑原子不同，其晶格都會(huì)產(chǎn)生畸變。由于晶格畸變增加了位錯(cuò)移動(dòng)的阻力，使滑移變形難以進(jìn)行，因此固溶體的強(qiáng)度和硬度提高，塑性和韌性則有所下降。這種通過溶入某種溶質(zhì)元素來形成固溶體而使金屬的強(qiáng)度、硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。（4）固溶體的性能

無論是置換固溶體還是間隙固溶體，由于溶1462．金屬化合物

金屬化合物是合金組元間相互作用所形成的一種晶格類型及性能均不同于任一組元的合金固相。一般可用分子式大致表示其組成。2．金屬化合物

金屬化合物是合金組元間相互作用所形成的一種147金屬化合物一般有較高的熔點(diǎn)、較高的硬度和較大的脆性。合金中出現(xiàn)化合物時(shí)，可提高強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。根據(jù)金屬化合物的形成規(guī)律及結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，可將其分為三大類型：正常價(jià)化合物、電子化合物、間隙化合物

金屬化合物一般有較高的熔點(diǎn)、較高的硬度和較大的脆性。合金中出1481）正常價(jià)化合物

周期表上相距較遠(yuǎn)，電化學(xué)性質(zhì)相差較大的兩元素容易形成正常價(jià)化合物。其特點(diǎn)是符合一般化合物的原子價(jià)規(guī)律，成分固定，并可用化學(xué)式表示。如Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。

正常價(jià)化合物具有高的硬度和脆性。當(dāng)其在合金中彌散分布于固溶體基體中時(shí)，將起到強(qiáng)化相的作用，使合金強(qiáng)化。1）正常價(jià)化合物

周期表上相距較遠(yuǎn)，電化學(xué)性質(zhì)相差較大的兩1492）電子化合物

電子化合物是由第Ⅰ族或過渡族元素與第Ⅱ至第Ⅴ族元素結(jié)合而成的。它們不遵循原子價(jià)規(guī)律，而服從電子濃度規(guī)律。電子濃度是指合金中化合物的價(jià)電子數(shù)目與原子數(shù)目的比值。

2）電子化合物

電子化合物是由第Ⅰ族或過渡族元素與第Ⅱ至第150電子化合物具有高的熔點(diǎn)和硬度，但塑性較低，一般只能作為強(qiáng)化相存在于合金特別是有色金屬合金中。

電子化合物的結(jié)構(gòu)取決于電子濃度，當(dāng)電子濃度為3/2時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)為體心立方晶格，稱為β相；電子濃度為21/13時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)為復(fù)雜立方晶格，稱為γ相；電子濃度為7/4時(shí)，晶體結(jié)構(gòu)為密排六方晶格，稱為ε相。合金中常見的電子化合物見表2-1。電子化合物具有高的熔點(diǎn)和硬度，但塑性較低，一般只能作為強(qiáng)化相151第二章材料結(jié)構(gòu)與性能課件1523）間隙化合物

間隙化合物是由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的金屬化合物。根據(jù)組成元素原子半徑比值及結(jié)構(gòu)特征的不同，可將間隙化合物分為兩類：間隙相和具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。3）間隙化合物

間隙化合物是由過渡族金屬元素與碳、153a）間隙相

當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑比值小于0.59時(shí)，形成具有簡單晶格的間隙化合物，稱為間隙相，如TiC、TiN、ZrC、VC、NbC、Mo2N、Fe2N等。

間隙相具有極高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，而且十分穩(wěn)定，是高合金工具鋼的重要組成相，也是硬質(zhì)合金和高溫金屬陶瓷材料的重要組成相。a）間隙相

當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑比值小于0154b）具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物

當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值大于0.59時(shí)，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。如鋼中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。

b）具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物

當(dāng)非金屬原子半徑與金屬155具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙