第1章-工程材料的結(jié)構(gòu)與性能

第1章工程材料的結(jié)構(gòu)與性能1.1材料原子（或分子）的相互作用1.2晶體材料的原子排列1.3非晶態(tài)材料中的原子排列1.4合金的晶體結(jié)構(gòu)1.5高聚物的結(jié)構(gòu)1.6陶瓷的結(jié)構(gòu)1.7工程材料的性能思考題1.1材料原子（或分子）的相互作用1.1.1離子鍵當(dāng)正電性金屬原子與浮點(diǎn)型廢金屬原子接觸時(shí)，前者失去最外層電子而變成正離子，后者獲得電子而變成負(fù)離子，政府里自由與靜電引力而相互結(jié)合稱化合物，這種相互作用稱離子鍵。離子鍵示意圖1.1.2共價(jià)鍵當(dāng)兩個(gè)相同原子或兩種不同的原子相互作用時(shí)，原子間已形成公用電子對(duì)而結(jié)合，這種結(jié)合方式稱共價(jià)鍵。共價(jià)鍵示意圖1.1.3金屬鍵金屬正離子與自由電子間的靜引力作用，形成金屬整體，這種結(jié)合方式稱金屬鍵1.1.4分子鍵He，Ne，Ar等惰性氣體和H2，N2，O2等分子太氣體在低溫時(shí)依靠分子偶極間的作用力(色散力，有道理，取向力）而結(jié)合成液體或固體，這種相互作用成為分子鍵1.1.5氫鍵當(dāng)兩種負(fù)電性大的原子半徑比較小的原子與氫原子結(jié)合時(shí)，氫原子與一種原子間形成共價(jià)鍵，與另一種原子間形成氫鍵。金屬鍵分子鍵類型作用力來(lái)源鍵合強(qiáng)弱形成晶體的特點(diǎn)離子鍵原子得、失電子后形成負(fù)、正離子，正負(fù)離子間的庫(kù)侖引力

最強(qiáng)無(wú)方向性鍵、高配位數(shù)、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導(dǎo)電、熔態(tài)離子導(dǎo)電共價(jià)鍵相鄰原子價(jià)電子各處于相反的自旋狀態(tài)，原子核間的庫(kù)侖引力

強(qiáng)有方向性鍵、低配位數(shù)、高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度、高硬度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、即使在熔態(tài)也不導(dǎo)電金屬鍵自由電子氣與正離子實(shí)之間的庫(kù)侖引力較強(qiáng)無(wú)方向性鍵、結(jié)構(gòu)密堆、配位數(shù)高、塑性較好、有光澤、良好的導(dǎo)熱導(dǎo)電性分子鍵原子間瞬時(shí)電偶極矩的感應(yīng)作用較弱無(wú)方向性鍵、結(jié)構(gòu)密堆、高熔點(diǎn)、絕緣氫鍵氫原子核與極性分子間的庫(kù)侖引力

弱有方向性和飽和性

值得指出的是，實(shí)際晶體不一定只有一種鍵，可能是多種鍵合的混合，至少范氏力就是普遍存在的一種力。不過(guò)，在某一鍵合為主鍵的情形下，其他弱鍵就可以忽略。實(shí)際材料中存在的鍵合情況如右圖所示。以上我們簡(jiǎn)單地討論了結(jié)合鍵的類型及其本質(zhì)，由于各種結(jié)合鍵的本質(zhì)不同，所形成的固體其性質(zhì)也大不相同。我們將四大類工程材料的原子間的結(jié)合鍵及其性能總結(jié)成如下表格小結(jié)：1.2晶體材料的原子排列1.2.1理想的晶體結(jié)構(gòu)1.2.2實(shí)際晶體的結(jié)構(gòu)1.2.1理想的晶體結(jié)構(gòu)1.晶體的概念晶體：材料中的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期性排列。

非晶體：原子無(wú)規(guī)則堆積，也稱為“過(guò)冷液體”。非晶體：蜂蠟、玻璃等。晶體金剛石、NaCl、冰等。液體1.2晶體材料的原子排列動(dòng)畫：晶體中原子排列示意圖2.晶格

為方便描述晶體中原子排列規(guī)律，把晶體中原子（或離子鍵）想象成幾何結(jié)點(diǎn)，并用直線從其中心連接起來(lái)而構(gòu)成空間格架，稱為晶格。晶格中的結(jié)點(diǎn)位原子（或離子鍵）的平衡中心的位置，通過(guò)結(jié)點(diǎn)的任一平面稱為晶面；通過(guò)結(jié)點(diǎn)的任一直線稱為晶向；把能反映空間晶體排列方式的基本單元稱為晶胞。晶胞晶格（點(diǎn)陣）模型ZXYabc晶面通過(guò)原子中心的平面,如下圖晶向通過(guò)原子中心的直線所指的方向XYZabc晶胞XYZabc晶格常數(shù)a，b，c原子（離子）的剛球模型原子中心位置

晶體結(jié)構(gòu)3.常見(jiàn)的金屬晶體結(jié)構(gòu)（1）體心立方晶格bcca.特點(diǎn)：具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和較好的塑性。b.這種晶格的金屬有：鉻、鉬、鎢、釩和鐵（0℃—912℃，α—Fe）等。晶格常數(shù)：a=b=c；

===90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3XYZabc2r2raa2體心立方晶胞（2）面心立方晶格fcca.特點(diǎn)：塑性良好。b.這種晶格的金屬有：鋁、鋼、鎳和鐵（912℃—1394℃，γ—Fe)等。面心立方晶胞晶格常數(shù)：a=b=c；

===90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.74XYZabc密排方向4（3）密排六方晶格hcpC（石墨）、Mg、Zn等晶格常數(shù)底面邊長(zhǎng)a底面間距c側(cè)面間角120側(cè)面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0.741.2.2實(shí)際晶體的結(jié)構(gòu)1.單晶體和多晶體

①結(jié)晶方位完全一致的晶體稱為單晶體。在工業(yè)生產(chǎn)中，單晶體的金屬材料除專門制作外基本上是不存在的。（單晶Si半導(dǎo)體）②實(shí)際的金屬結(jié)構(gòu)包含著許多的小晶體，每個(gè)小晶體的晶格都一樣，但彼此方位不同，每個(gè)小晶體都具有不規(guī)則的顆粒狀外形，稱晶粒。晶粒與晶粒之間的界面叫做晶界（如圖所示）。而這種有許多位向不同晶粒組成的晶體就是多晶體。2.晶體缺陷晶體缺陷的分類：（1）點(diǎn)缺陷：空位、間隙原子、異類原子（2）線缺陷：位錯(cuò)（3）面缺陷：晶界與亞晶界【見(jiàn)下列圖解】（1）點(diǎn)缺陷如果間隙原子是其它元素就稱為異類原子（雜質(zhì)原子）空位間隙原子（2）線缺陷刃位錯(cuò)刃位錯(cuò)線缺陷的類型又分為:刃位錯(cuò)與螺位錯(cuò)螺位錯(cuò)（3）面缺陷晶粒（單晶體）晶界亞晶界:亞晶界面缺陷引起晶格畸變，晶粒越細(xì)，則晶界越多，強(qiáng)度和塑性越高。1.2本節(jié)重點(diǎn)晶體、晶格和晶胞三種典型晶格類型晶粒大小和性能的關(guān)系晶體缺陷類型1.3非晶態(tài)材料的原子排列所謂非靜態(tài),是相對(duì)靜態(tài)而言的,是固態(tài)物質(zhì)的另一種結(jié)構(gòu).非晶態(tài)材料是目前材料科學(xué)中廣泛研究的一個(gè)新領(lǐng)域,也是一類發(fā)展迅速的重要新型材料.(本小節(jié)內(nèi)容僅作了解)1.3.1短程有序

由于非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)程無(wú)序性,因而可以把非晶態(tài)材料看作是均勻的和各向同性的結(jié)構(gòu).1.3.2亞穩(wěn)態(tài)性晶態(tài)材料在熔點(diǎn)一下一般處在熱力學(xué)自由能最低的穩(wěn)定平衡態(tài).而非晶態(tài)則是一種亞穩(wěn)態(tài),即在一定條件下為非晶態(tài).1.4合金的晶體結(jié)構(gòu)1.4.1合金的相,組織及其關(guān)系1.4.2固溶體1.4.3金屬間化合物1.4.4合金的性能1.4合金的晶體結(jié)構(gòu)1.4.1合金的相,組織及其關(guān)系組元:組成合金的獨(dú)立的最基本單元。例如：元素、穩(wěn)定化合物。如，F(xiàn)e-C合金中，F(xiàn)e、C均為組元。相:化學(xué)成分和晶體結(jié)構(gòu)相同，且有界面與其它部分分開(kāi)的均勻組成部分。合金中有兩類基本相:固溶體和化合物1.4.2固溶體固溶體概念:

合金組元通過(guò)溶解形成成分和性能均勻的、結(jié)構(gòu)上與組元之一相同的固相。如:Fe(C)固溶體。固溶強(qiáng)化概念：融入固溶體中的溶質(zhì)原子造成晶格畸變，晶格畸變?cè)龃罅宋诲e(cuò)運(yùn)動(dòng)的阻力，使滑移難以進(jìn)行，從而使合金固溶體的強(qiáng)度與硬度增加。這種通過(guò)融入某種溶質(zhì)元素來(lái)形成固溶體而使金屬?gòu)?qiáng)化的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。在溶質(zhì)原子濃度適當(dāng)時(shí)，可提高材料的強(qiáng)度和硬度，而其韌性和塑性卻有所下降。固溶體類型ZXY置換固溶體置換原子間隙原子間隙固溶體YXZ晶格與固溶體相同的組元為固溶體的溶劑,其他組元為溶質(zhì),根據(jù)溶質(zhì)在溶劑中所在的位置,可將固溶體分為:1.置換固溶體2.間隙固溶體.晶格畸變小原子置換引起的晶格畸變間隙原子引起的晶格畸變1、固溶強(qiáng)化

溶劑的晶格發(fā)生畸變，使固溶體的強(qiáng)度和硬度升高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是提高合金力學(xué)性能的重要途徑之一。2、第二相強(qiáng)化——化合物作為第二相可以提高合金材料強(qiáng)度的現(xiàn)象。

性能特點(diǎn)：取決于化合物的數(shù)量、形狀、大小與分布狀況等。1.4.3金屬間化合物金屬化合物：化合物分類：合金組元形成晶格類型與任一組元都不相同的新相.1.正常價(jià)化合物：按化合價(jià)規(guī)律形成，如，Mg2Si。3.間隙化合物：過(guò)渡金屬+小半徑非金屬元素2.電子化合物：按電子濃度規(guī)律形成，如，Cu3Al。{間隙相r非/r金0.59，如，WC、TiC、VC復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物r非/r金0.59如，F(xiàn)e3C、Cr23C6間隙化合物特點(diǎn)：熔點(diǎn)高、硬度高，脆性大。1.4本節(jié)重點(diǎn)合金、相、組織的基本概念。固溶體和金屬化合物的概念及其類型。固溶體和金屬化合物對(duì)合金性能的影響。固溶強(qiáng)化概念及其強(qiáng)化原理。1.5高聚物的結(jié)構(gòu)高分子材料是以高分子化合物為主要組分的材料。高分子化合物是分子量很大的化合物，每個(gè)分子可含幾千、幾萬(wàn)甚至幾十萬(wàn)個(gè)原子。

1.5.1大分子鏈的結(jié)構(gòu)1.結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成

在元素周期表中只有ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA中部分非金屬、亞金屬元素（如N、C、B、O、P、S、Si、Se等）才能形成高分子鏈。由于高聚物中常見(jiàn)的C、H、O、N等元素均為輕元素，所以高分子材料具有密度小的特點(diǎn)。

2.結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式和鍵的構(gòu)型1)頭-尾連接：

2)頭-頭或尾-尾連接：

3)無(wú)規(guī)則連接：

3.大分子鏈的形態(tài)⑴線型分子鏈由許多鏈節(jié)組成的長(zhǎng)鏈，通常是卷曲成線團(tuán)狀。這類結(jié)構(gòu)高聚物的特點(diǎn)是彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性材料的典型結(jié)構(gòu)。⑵支化型分子鏈在主鏈上帶有支鏈。這類結(jié)構(gòu)高聚物的性能和加工都接近線型分子鏈高聚物。⑶體型分子鏈分子鏈之間由許多鏈節(jié)相互橫向交聯(lián)。具有這類結(jié)構(gòu)的高聚物硬度高、脆性大、無(wú)彈性和塑性，是熱固性材料的典型結(jié)構(gòu)。

1.5.2高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

高分子化合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是指高聚物內(nèi)部高分子鏈之間的幾何排列或堆砌結(jié)構(gòu),也稱超分子結(jié)構(gòu)。依分子在空間排列的規(guī)整性可將高聚物分為結(jié)晶型、部分結(jié)晶型和無(wú)定型(非晶態(tài))三類。

在實(shí)際生產(chǎn)中大多數(shù)聚合物都是部分晶態(tài)或完全非晶態(tài)。晶態(tài)結(jié)構(gòu)在高分子化合物中所占的質(zhì)量分?jǐn)?shù)或體積分?jǐn)?shù)稱為結(jié)晶度。結(jié)晶度越高，分子間作用力越強(qiáng)，因此高分子化合物的強(qiáng)度、硬度、剛度和熔點(diǎn)越高，耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性也越好；而與鍵運(yùn)動(dòng)有關(guān)的性能，如彈性、伸長(zhǎng)率、沖擊韌性則降低。

1.6陶瓷的結(jié)構(gòu)陶瓷是由金屬和非金屬的無(wú)機(jī)化合物所構(gòu)成的多相靜態(tài)物質(zhì)，實(shí)際上是各種無(wú)機(jī)非金屬材料的同城。1.6.1晶相晶體相簡(jiǎn)稱晶相。陶瓷中包含的晶相主要有：1.硅酸鹽傳統(tǒng)陶瓷的主要原料，也是陶瓷中的重要晶相。硅酸鹽由多個(gè)[SiO4]四面體通過(guò)共有丁點(diǎn)的陽(yáng)離子相互連接而成。（如右圖）2.氧化物

氧化物是大多數(shù)經(jīng)典陶瓷中特別是特種陶瓷中的主要晶相。特點(diǎn)：較大的陽(yáng)離子緊密排列成晶體結(jié)構(gòu)；較小的正離子填充他們的空隙。3.非氧化物主要指各種碳化物，氮化物及硼化物等，是特種陶瓷的主要組分和晶相。常見(jiàn)的有：VC，WC,TiC,SiC等碳化物及BN,Si3N4，AlN等氮化物。陶瓷的性能主要取決于結(jié)構(gòu)，還受到形態(tài)所構(gòu)成的纖維組織的影響，如細(xì)化晶?？商岣咛沾傻膹?qiáng)度和韌性等。1.6.2玻璃相陶瓷中高溫?zé)Y(jié)時(shí)各種組成為i和雜志產(chǎn)生一系列物理，化學(xué)反應(yīng)后形成的一種非晶態(tài)物質(zhì)。1.6.3氣相由于材料和工藝等方面的原因，陶瓷結(jié)構(gòu)中存在5%-10%的體積氣孔，成為組織中的氣相。1.7工程材料的性能1.7.1工程材料的力學(xué)性能1.7.2工程材料的物理性能1.7.3工程材料的化學(xué)性能1.7.4工程材料的工藝性能如密度、熔點(diǎn)、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等。如強(qiáng)度、硬度、彈性、塑性、韌性等。如耐酸性、耐堿性、抗氧化性等。如鑄造性、鍛壓性、焊接性、熱處理性和切削加工性等。

1.7工程材料的性能1.7.1工程材料的力學(xué)性能——指金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來(lái)的特性。作用：材料檢驗(yàn)、零件設(shè)計(jì)計(jì)算、材料選擇、評(píng)定工藝質(zhì)量的重要依據(jù)。內(nèi)容：強(qiáng)度、硬度、彈性、塑性、韌性等。1.強(qiáng)度和塑性強(qiáng)度是指材料在外力作用下抵抗變形和破壞的能力；塑性是指材料在外力作用下產(chǎn)生塑性變形而不破壞的能力。

強(qiáng)度根據(jù)外力的作用方式，有多種強(qiáng)度指標(biāo)，如抗拉強(qiáng)度、抗彎強(qiáng)度、抗剪強(qiáng)度等。其中以拉伸試驗(yàn)所得強(qiáng)度指標(biāo)的應(yīng)用最為廣泛。塑性

常用的塑性指標(biāo)：

延伸率δ，δ=×100％

斷面收縮率Ψ，Ψ=×100％材料的δ和Ψ值越大，說(shuō)明塑性越好。2.彈性與剛度

應(yīng)力與應(yīng)變的比值σ/ε稱為彈性模數(shù)E（MN/㎡）。E標(biāo)志材料抵抗彈性變形的能力，用以表示材料的剛度。

3.硬度硬度是指材料對(duì)局部塑性變形的抗力?，F(xiàn)在都用壓入硬度法測(cè)定。常用的硬度指標(biāo)有：i.布氏硬度（HB）優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量數(shù)值穩(wěn)定，準(zhǔn)確，能較真實(shí)地反映材料的平均硬度；缺點(diǎn)：壓痕較大，操作慢，不適用批量生產(chǎn)的成品件和薄形件。布氏硬度表示方法：符號(hào)HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如：120HBS10/1000/30表示直徑為10mm的鋼球在1000kgf（9.807kN）載荷作用下保持30s測(cè)得的布氏硬度值為120。HBS——表示用淬火鋼球壓頭測(cè)量的布氏硬度值。適用范圍：小于450；HBW——表示用硬質(zhì)合金壓頭測(cè)量的布氏硬度值。適用范圍：450~650。ii.洛氏硬度（HR）

洛氏硬度特點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量迅速、簡(jiǎn)便、壓痕小、硬度測(cè)量范圍大；缺點(diǎn)：數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性、穩(wěn)定性、重復(fù)性不如布氏硬度。洛氏硬度測(cè)量范圍：可用于成品和薄件，但不宜測(cè)量組粗大不均勻的材料（如上表所示）iii.維氏硬度（HV）

維氏硬度測(cè)量原理：與布氏硬度相似。采用相對(duì)面夾角為136°金剛石正四棱錐壓頭，以規(guī)定的試驗(yàn)力F壓入材料的表面，保持規(guī)定時(shí)間后卸除試驗(yàn)力，用正四棱錐壓痕單位表面積上所受的平均壓力表示硬度值。

維氏硬度特點(diǎn)：測(cè)量范圍大，可測(cè)量硬度為10~1000HV范圍的材料；量壓痕小。4.沖擊韌性材料的韌性是在沖擊載荷作用下，抵抗沖擊的作用而不被破壞的能力。通常用沖擊韌性來(lái)度量。值越大，表示材料的韌性越好。5.斷裂韌性表征材料阻止裂紋擴(kuò)展的能力，是度量材料的韌性好壞的一個(gè)定量指標(biāo)。在加載速度和溫度一定的條件下，對(duì)某種材料而言