第一章-材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)

第一章材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)結(jié)構(gòu)材料：（強(qiáng)度、塑性、韌性等力學(xué)性能）功能材料：（電、磁、光、熱等物理性能）金屬材料(metals)陶瓷材料(ceramics)高分子材料(polymers)復(fù)合材料(composites)材料的分類

按使用性能分：按組成分：材料科學(xué)與工程的四個(gè)要素制備合成/加工工藝processing成分/組織結(jié)構(gòu)composition/structure材料固有性能properties材料使用性能performance材料的固有性能：物理性能：電、磁、光、熱化學(xué)性能：耐腐蝕性能、抗氧化性能力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性材料的使用性能：指材料在服役條件下所表現(xiàn)出來的特性，它是材料的固有性能與服役條件、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工融合在一起所決定的因素。成分決定性能。成分不同，性能不同。組織結(jié)構(gòu)直接決定性能改變成分也會(huì)改變組織結(jié)構(gòu),從而改變其性能。制備合成加工過程主要是通過改變組織結(jié)構(gòu)而影響其性能。材料的固有性能直接決定材料的使用性能。制備合成/加工工藝成分/組織結(jié)構(gòu)材料固有性能材料使用性能舉例：河南第一工具廠生產(chǎn)的W4Mo3Cr4VSi鉆頭同一批材料，同一種工藝，但因鉆頭大小結(jié)構(gòu)不同，最終使用性能不同。材料的使用性能：指材料在服役條件下所表現(xiàn)出來的特性，它是材料的固有性能與服役條件、產(chǎn)品設(shè)計(jì)及加工融合在一起所決定的因素。產(chǎn)品設(shè)計(jì)因素對(duì)使用性能的影響材料科學(xué)與工程的四個(gè)要素組織結(jié)構(gòu)是核心，性能是材料研究工作的落腳點(diǎn)

第一章材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)●原子結(jié)構(gòu)（atomicstructure)●原子間的結(jié)合鍵(interatomicbonding)●原子的排列方式(atomicarrangement)●晶體材料的組織(structureofcrystalmaterials)●材料的穩(wěn)態(tài)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)(stableandmetastablestate)

第一章材料結(jié)構(gòu)的基本知識(shí)

“結(jié)構(gòu)”含義豐富，大致分四個(gè)層次：原子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)合鍵、材料中原子的排列方式、晶體材料的顯微組織?！?.1原子結(jié)構(gòu)

◆

物質(zhì)的組成

物質(zhì)是由無數(shù)微粒（分子、原子、離子）按一定方式聚集而成的集合體。

◆

原子結(jié)構(gòu)(atomicstructure)

原子是由原子核(由帶正電荷的質(zhì)子和呈電中性的中子組成)和核外電子(帶負(fù)電荷)構(gòu)成。

電子運(yùn)動(dòng)的軌道由四個(gè)量子數(shù)決定：主量子數(shù)n（電子層）、軌道量子數(shù)l（電子亞殼層）、磁量子數(shù)m（軌道數(shù)）、自旋角動(dòng)量量子數(shù)ms（自旋方向）。

其中最重要的是主量子數(shù)n，是確定電子離核遠(yuǎn)近和能級(jí)高低的主要參數(shù)。

在同一殼層上的電子又根據(jù)軌道量子數(shù)l的不同,分成若干能量水平不同的亞殼層,習(xí)慣上用s、p、d、f表示,反映了軌道的形狀,能量水平依次升高。磁量子數(shù)m確定了軌道的空間取向，s、p、d、f依次有1、3、5、7種空間取向。自旋量子數(shù)ms表示在每個(gè)狀態(tài)下可存在自旋方向相反的兩個(gè)電子。

s、p、d、f可容納最大電子數(shù)分別為2、6、10、14，各殼層能容納的電子總數(shù)分別為2、8、18、32。即2n2

§1.1原子結(jié)構(gòu)一、原子的電子排列

§1.1原子結(jié)構(gòu)

一、原子的電子排列

核外電子的分布與四個(gè)量子數(shù)有關(guān)，且服從兩個(gè)基本原理：1.Pauli不相容原理(Pauli

principle)：一個(gè)原子中不可能存在四個(gè)量子數(shù)完全相同的兩個(gè)電子。

2.能量最低原理：電子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低能量狀態(tài)。

§1.1原子結(jié)構(gòu)一、原子的電子排列

二、元素周期表及性能的周期性變化

元素的物理性質(zhì)（熔點(diǎn)、線膨脹系數(shù)）、化學(xué)性質(zhì)（電負(fù)性）及其原子半徑都呈現(xiàn)周期性變化價(jià)電子：電負(fù)性：用來衡量原子吸引電子能力的參數(shù)。根據(jù)量子力學(xué)，各個(gè)殼層的S態(tài)、P態(tài)中電子的充滿程度對(duì)該殼層的能量水平起著重要作用?！?.2原子間的結(jié)合鍵(interatomicbonding)

按結(jié)合力強(qiáng)弱分為一次鍵和二次鍵兩類一次鍵(primaryinteratomicbonds):又稱化學(xué)鍵或主價(jià)鍵，鍵力由弱到強(qiáng)依次是：金屬鍵→離子鍵→共價(jià)鍵二次鍵(secondarybonding):又稱物理鍵或次價(jià)鍵，主要有范德華鍵和氫鍵兩種。一、一次鍵（化學(xué)鍵、主價(jià)鍵）

1.金屬鍵(metallicbond)

特點(diǎn)：結(jié)合力較強(qiáng)，電子共有化,

沒有方向性和飽和性。金屬晶體的特性：(1)良好的導(dǎo)電、導(dǎo)熱性；(2)正的電阻溫度系數(shù)；(3)不透明，具有金屬光澤；(4)具有較高的強(qiáng)度和良好的塑性(5)金屬之間的溶解性(固溶能力)2.離子鍵(ionicbond)特點(diǎn)：

結(jié)合力較強(qiáng)，有飽和性，無方向性離子晶體的特性：(1)硬度、熔點(diǎn)高，強(qiáng)度大(2)脆性大(3)良好的絕緣體(4)典型離子晶體無色透明，如透明Al2O3高溫觀察窗口Cl與Na形成離子鍵

一種材料由兩種原子組成，且一種是金屬，另一種是非金屬時(shí)容易形成離子鍵的結(jié)合(如左圖)。由NaCl離子鍵的形成可以歸納出離子鍵特點(diǎn)如下：

1.金屬原子放棄一個(gè)外層電子，非金屬原子得到此電子使外層填滿，結(jié)果雙雙變得穩(wěn)定。

2.金屬原子失去電子帶正電荷，非金屬原子得到電子帶負(fù)電荷，雙雙均成為離子。

3.離子鍵的大小在離子周圍各個(gè)方向上都是相同的，所以，它沒有方向性Cl和Na離子在引力和斥力作用下，相互保持r0的距離，即F＝0，能量E為最小的位置。每一個(gè)Cl（或Na）離子與其近鄰的Na（或Cl）離子均保持這種最低的能量關(guān)系，從而形成NaCl特有的晶體結(jié)構(gòu)。許多陶瓷材料主要是離子鍵結(jié)合。離子鍵的結(jié)合能比較高，所以陶瓷材料的熔點(diǎn)也較高。圖

Cl和Na離子保持r0的距離

圖

NaCl晶體3.共價(jià)鍵(covalentbond)

特點(diǎn)：結(jié)合極為牢固，有明顯的方向性和飽和性。共價(jià)晶體的特點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(2)熔點(diǎn)高(3)硬度高，脆性大(4)導(dǎo)電能力差3.共價(jià)鍵(covalentbond)

特點(diǎn)：結(jié)合極為牢固，有明顯的方向性和飽和性。共價(jià)晶體的特點(diǎn)：(1)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(2)熔點(diǎn)高(3)硬度高，脆性大(4)導(dǎo)電能力差3.共價(jià)鍵(covalentbond)

二、二次鍵（物理鍵、次價(jià)鍵）

靠原子之間的偶極吸引結(jié)合而成

1.范德華鍵二、二次鍵（物理鍵、次價(jià)鍵）

靠原子之間的偶極吸引結(jié)合而成

1.范德華鍵特點(diǎn)：

鍵力低于一次鍵，

沒有方向性、飽和性2.氫鍵2.氫鍵特點(diǎn)：(1)結(jié)合力比范德華鍵強(qiáng)(2)表達(dá)式：X-H…Y(3)有飽和性、方向性對(duì)高分子材料重要三.混合鍵金屬中也有共價(jià)鍵、離子鍵混和；陶瓷中離子鍵與共價(jià)鍵混合?？捎孟率酱_定AB中離子結(jié)合的相對(duì)值。離子結(jié)合(%)=例：MgOXMg=1.31,XO=3.44（電負(fù)性）代入得離子結(jié)合比例=68%(離子鍵結(jié)合)GaAsXGa=1.81,XAs=2.18.代入得離子結(jié)合比例=4%（共價(jià)鍵結(jié)合）四、結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距原子的結(jié)合能E0(bindingenergies)—平衡距離下的作用能,相當(dāng)于把兩個(gè)原子完全分開所需的功結(jié)合能，又稱結(jié)合鍵能，其值越大，原子結(jié)合愈穩(wěn)定，熔點(diǎn)亦越高。（見表1.1）五、結(jié)合鍵與性能

◆大多數(shù)金屬具有較高的密度:1.物理性能①熔點(diǎn)：高低反映了材料的穩(wěn)定性程度。③密度：與結(jié)合鍵類型有關(guān)。

①較高的相對(duì)原子質(zhì)量;②金屬鍵沒有方向性和飽和性,達(dá)到密排結(jié)構(gòu).

◆陶瓷達(dá)不到密排結(jié)構(gòu),密度較低:

①共價(jià)鍵有飽和性;

②離子鍵要滿足正負(fù)離子間電荷平衡要求.◆高分子材料密度最低:①二次鍵結(jié)合,分子鏈堆垛不緊密②組成原子質(zhì)量小.②導(dǎo)熱、導(dǎo)電性：五、結(jié)合鍵與性能

2.力學(xué)性能

①彈性模量E（模型圖1-9）

②強(qiáng)度

③塑性1.物理性能三大類材料的結(jié)合鍵類型及性能特點(diǎn)§1.3原子的排列方式

一、晶體與非晶體

金屬及合金、絕大部分陶瓷、少數(shù)高分子材料是晶體多數(shù)高分子材料、玻璃及結(jié)構(gòu)復(fù)雜材料是非晶體

區(qū)別：⑴原子（分子）是否規(guī)則排列⑵有無固定熔點(diǎn)⑶是否各向異性晶體與非晶體的區(qū)別§1.3原子的排列方式

一、晶體與非晶體凝固與結(jié)晶

(凝固過程視頻）

結(jié)晶過程：形核與長(zhǎng)大過程晶核：結(jié)晶時(shí)形成的很多核心（有序原子團(tuán)）。晶粒：在晶體中，如果某一小區(qū)域內(nèi)原子排列規(guī)律相同，位向一致，則該小區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)晶粒。晶界：晶粒與晶粒間的分界面。單晶體：僅由一個(gè)晶粒組成的晶體，如金剛石。多晶體：很多晶粒組成。

§1.3原子的排列方式

一、晶體與非晶體凝固與結(jié)晶

§1.3原子的排列方式

一、晶體與非晶體凝固與結(jié)晶

§1.3原子的排列方式

一、晶體與非晶體凝固與結(jié)晶

鋼錠中的樹枝狀晶體凝固與結(jié)晶

Ni-Ta-Mn-Cr合金的樹枝狀界面§1.3原子的排列方式

一、晶體與非晶體二、原子排列的研究方法

一、組織的顯示與觀察金相試樣的制備：取樣-

磨制-拋光-腐蝕-觀察1.組織：各種晶粒的組合特征，即晶粒的相對(duì)量、大小、形狀及分布特征等。

宏觀組織：用肉眼或放大鏡觀察到的組織。

顯微組織：光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡下觀察到的內(nèi)部組織（又稱金相組織）。易隨成分及加工工藝而變化。是影響材料性能非常敏感而重要的結(jié)構(gòu)因素。§1.4晶體材料的組織

2.合金：指兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒結(jié)或用其它方法組合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。如：銅鎳合金、碳鋼、合金鋼、鑄鐵

組元：組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。

如：Cu-Ni合金，F(xiàn)e-FeS合金

二元合金：如：Fe-C二元系合金

三元合金：如：Fe-C-Cr三元系合金

多元合金3.相：合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一、并以界面相互分開的均勻組成部分。

單相合金：如：?jiǎn)蜗嗖讳P鋼（A）、單相黃銅

雙相合金：如：雙相不銹鋼（A+F）、雙相黃銅

單相組織：具有單一相的組織。純鐵、純鋁

多相組織：具有兩種或兩種以上的相的組織。1Cr18Ni9Ti王水浸蝕，800×

1050℃固溶處理，基體為奧氏體，部分晶粒呈孿晶二、單相組織

描述單相組織的特征：晶粒尺寸及形狀★晶粒尺寸：對(duì)材料的性能有重要影響。尺寸越小，強(qiáng)度越高，塑性、韌性越好—

細(xì)晶強(qiáng)化強(qiáng)化材料的四種途徑：固溶強(qiáng)化、彌散強(qiáng)化、加工硬化、細(xì)晶強(qiáng)化。★晶粒形狀：等軸晶、柱狀晶(圖1-16,P254圖6-26）

如：定向凝固★晶粒形狀除與凝固條件有關(guān)外，也會(huì)隨壓力加工工藝而變化。如：板材冷軋，絲材冷拔§1.4晶體材料的組織

§1.4晶體材料的組織

軋態(tài)與鑄態(tài)組織的比較單向凝固技術(shù)是根據(jù)凝固理論，通過控制散熱方向和溫度梯度，使凝固從鑄件的一端開始，沿陡峭的溫度梯度方向逐步進(jìn)行，從而獲得具有方向性的柱狀晶或自生復(fù)合材料（如共晶合金等）的一種凝固技術(shù)。制取單晶體的基本原理：保證液體結(jié)晶時(shí)只形成一個(gè)晶核，并由這個(gè)晶核長(zhǎng)成一個(gè)單晶體。下圖為普通鑄造葉片(a)、單向凝固生產(chǎn)的葉片(b)和單晶葉片(c)。單晶葉片的高溫性能最好，單向凝固葉片次之。(a)功率降低法生產(chǎn)的葉片組織

(b)普通精鑄法生產(chǎn)的葉片組織三種方法生產(chǎn)的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)葉片§1.4晶體材料的組織

鍛壓、軋制等方法八級(jí)標(biāo)準(zhǔn)晶粒圖三、多相組織

以兩相合金組織說明多相組織對(duì)材料性能的影響?！锶魞上嗑Я３叨认喈?dāng),且為等軸狀，均勻交替分布則:★若兩相晶粒尺度相差甚遠(yuǎn)，尺寸較小的相以球狀、點(diǎn)狀、片狀、針狀彌散分布于另一相晶?；w內(nèi)，且彌散相硬度明顯高于基體相—

彌散強(qiáng)化★第二相在基體相的晶界上分布若第二相不連續(xù)，對(duì)性能影響不大若第二相連續(xù)分布于晶界，對(duì)性能影響較大§1.4晶體材料的組織

GCr15鍛造后的網(wǎng)狀碳化物

材料是有結(jié)構(gòu)的，結(jié)構(gòu)是分層次的，材料的結(jié)構(gòu)決定材料的性能；材料的結(jié)構(gòu)是可以改變的，成分、工藝等條件可以通過改變材料的結(jié)構(gòu)而改變其性能，從而展現(xiàn)出工程材料的各種特征來。材料的結(jié)構(gòu)包含四個(gè)層次:原子結(jié)構(gòu)、原子結(jié)合鍵、材料中原子的排列、晶體材料的顯微組織同一材料,在不同的條件下,可得到不同的結(jié)構(gòu).穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)（平衡態(tài)結(jié)構(gòu)）－－能量最低