工程材料基礎(chǔ)

機(jī)械工程材料MechanicalEngineeringMaterials1工程材料基礎(chǔ)

第1章材料的結(jié)構(gòu)與凝固

本章目錄1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.2合金的晶體結(jié)構(gòu)1.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)1.4凝固的基本概念1.5金屬的結(jié)晶1.6材料的同素異構(gòu)現(xiàn)象2工程材料基礎(chǔ)

1.1金屬的晶體結(jié)構(gòu)

1.1.1晶體結(jié)構(gòu)的基本概念晶體：內(nèi)部原子或離子按一定幾何形狀有規(guī)則排列的固體（有熔點(diǎn)、各向異性）。非晶體：原子排列無規(guī)則的固體（無熔點(diǎn)，各向同性）。晶格：將構(gòu)成晶體的實(shí)際質(zhì)點(diǎn)（原子或離子）抽象為純粹的幾何陣點(diǎn)，并用直線連接起來構(gòu)成的三維空間格架。晶胞：能夠反映晶格特征的最小組成單元。原子堆垛模型晶格晶胞3工程材料基礎(chǔ)晶格參數(shù)：晶格的幾何特征可以用晶胞的三條棱邊長(zhǎng)a、b、c和三條棱邊之間的夾角、、

六個(gè)參數(shù)來描述晶格常數(shù)：a、b、c。1.1.1晶體結(jié)構(gòu)的基本概念晶格參數(shù)4工程材料基礎(chǔ)體心立方晶格：Ti、V、Cr、Mo、W及-Fe等屬此種晶格。面心立方晶格：Al、Cu、Ag、Pt、Au及-Fe等屬此種晶格。密排六方晶格：Zn、Mg、Be、Cd等屬此種晶格。1.1.2三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)體心立方面心立方密排六方5工程材料基礎(chǔ)晶格穩(wěn)定性問題①以W為例:α-W：穩(wěn)定晶型,體心立方,a=(0.316254±0.000004)nm(25℃);β-W：亞穩(wěn)晶型,立方A15晶格,加熱至600~700℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?W,a=0.5037~0.509nm；

γ-W：面心立方,僅發(fā)現(xiàn)在濺射最初期的薄層和無定形鎢中,a=0.423nm,>700℃時(shí)轉(zhuǎn)變?yōu)棣?W.

工程材料基礎(chǔ)1.1.3常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征（1）晶胞中的原子數(shù)面心立方晶格密排六方晶格體心立方晶格7工程材料基礎(chǔ)1.1.3常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征（2）原子半徑面心立方晶格密排六方晶格體心立方晶格8工程材料基礎(chǔ)配位數(shù)：晶體結(jié)構(gòu)中與任一原子周圍最近鄰的且等距離的原子數(shù)。配位數(shù)越大，晶體中原子排列就越緊密。（3）配位數(shù)和致密度面心立方晶格：12密排六方晶格：12體心立方晶格：81.1.3常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征9工程材料基礎(chǔ)致密度：晶胞中所含原子的體積與晶胞體積的比值，配位數(shù)大，則致密度亦大。面心立方晶格：密排六方晶格：體心立方晶格：1.1.3常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征10工程材料基礎(chǔ)三種典型金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征晶格類型晶胞中的原子數(shù)原子半徑配位數(shù)致密度體心立方280.68面心立方4120.74密排六方6120.741.1.3常見金屬晶體結(jié)構(gòu)的特征11工程材料基礎(chǔ)晶面：通過晶體中原子中心的平面(由一系列原子組成)。晶面指數(shù)：用以表示晶面的數(shù)字符號(hào)稱為晶面指數(shù)。1.1.4

晶面、晶向及晶體的各向異性12工程材料基礎(chǔ)晶向：晶體中原子列所表示的方向。晶向指數(shù)：表示晶向的數(shù)字符號(hào)稱為晶向指數(shù)。各向異性：金屬晶體沿不同方向性能不相同的現(xiàn)象。晶體與非晶體最根本的差別之一是單晶體具有明顯的方向性，這與晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而它們之間的結(jié)合力大小不同有關(guān)。1.1.4

晶面、晶向及晶體的各向異性13工程材料基礎(chǔ)

1.1.5實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)（1）實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)單晶體：金屬內(nèi)部的晶格方位完全一致。多晶體：多晶粒組成的實(shí)際晶體結(jié)構(gòu)。晶粒：組成多晶體的外形不規(guī)則的小晶體（隊(duì)列進(jìn)行解釋）（微晶、納米晶）

一個(gè)晶粒就是單晶，多個(gè)晶粒就是多晶，沒有晶粒就是非晶。晶界：晶粒與晶粒間的界面。組織：指金屬的內(nèi)部形貌。顯微組織：利用金相顯微鏡所觀察到的組織。14工程材料基礎(chǔ)（2）

晶體缺陷點(diǎn)缺陷：包括晶格空位、間隙原子和異類原子，點(diǎn)缺陷的存在會(huì)使晶格發(fā)生畸變，金屬的性能發(fā)生變化。

1.1.5實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)15工程材料基礎(chǔ)線缺陷：即位錯(cuò)，或稱為位錯(cuò)線。位錯(cuò)是晶體中某處有一列或若干列原子，發(fā)生了規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。包括刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)。

1.1.5實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)16工程材料基礎(chǔ)面缺陷：晶體中的面缺陷是晶界和亞晶界。

面缺陷是晶體中不同區(qū)域之間，由于晶格方位的過渡所造成。位向差較小的亞晶界，可看成是位錯(cuò)線的堆積。

1.1.5實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)17工程材料基礎(chǔ)

1.2.1合金的基本概念合金：一種金屬元素同另一種或幾種金屬或非金屬元素，通過熔化或其他方法結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。組元：組成合金最基本的獨(dú)立物質(zhì)。二元合金：由兩個(gè)組元組成的合金稱為二元合金。相：在金屬或合金中，化學(xué)成分、晶體結(jié)構(gòu)相同并與其他部分有界面分開的均勻組成部分。組織組成物：合金組織中那些具有確定本質(zhì)，一定形成機(jī)制和特殊形態(tài)的組成部分。1.2合金的晶體結(jié)構(gòu)18工程材料基礎(chǔ)固溶體：合金組元通過溶解形成的一種成分和性能均勻、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相。習(xí)慣以、、表示。溶劑與溶質(zhì)：與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶劑，其它元素稱溶質(zhì)。有限固溶體：若溶質(zhì)超過某個(gè)溶解度有其他相形成，即兩個(gè)元素之間的相互溶解度有一定的限度的固溶體。無限固溶體：溶質(zhì)與溶劑能以任何比例相互溶解的固溶體。1.2.2固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)19工程材料基礎(chǔ)置換固溶體：在溶劑晶格的某些結(jié)點(diǎn)上，其原子被溶質(zhì)原子所替代而形成的固溶體。間隙固溶體：溶質(zhì)原子進(jìn)入溶劑晶格的間隙之中形成的固溶體。1.2.2固態(tài)合金的相結(jié)構(gòu)Cu-Ni置換固溶體Fe-C間隙固溶體20工程材料基礎(chǔ)

置換固溶體無序固溶體：溶質(zhì)原子呈無序分布的固溶體。有序固溶體：溶質(zhì)原子呈有序分布的固溶體。黃銅置換固溶體組織21工程材料基礎(chǔ)

間隙固溶體形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般是過渡族元素。形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r質(zhì)/r劑<0.59。間隙固溶體都是無序固溶體。22工程材料基礎(chǔ)

固溶體的溶解度有限固溶體：溶解度有一定限度的固溶體。無限固溶體：組成元素?zé)o限互溶的固溶體。組成元素原子半徑、電化學(xué)特性相近，晶格類型相同的置換固溶體，才有可能形成無限固溶體。

間隙固溶體都是有限固溶體。

Cu-Ni無限固溶體Cu-Zn有限固溶體固溶體化合物23工程材料基礎(chǔ)固溶強(qiáng)化：通過形成固溶體使金屬的強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象。固溶強(qiáng)化的原因：溶質(zhì)原子的溶入，造成了不同程度的晶格畸變，阻礙了晶體的滑移，從而使合金固溶體的強(qiáng)度和硬度得到提高。固溶強(qiáng)化24工程材料基礎(chǔ)

固溶體的性能隨溶質(zhì)含量增加,固溶體的強(qiáng)度、硬度增加,塑性、韌性下降—固溶強(qiáng)化。產(chǎn)生固溶強(qiáng)化的原因是溶質(zhì)原子使晶格發(fā)生畸變及對(duì)位錯(cuò)的釘扎作用。與純金屬相比，固溶體的強(qiáng)度、硬度高，塑性、韌性低。但與化合物相比，固溶體的硬度要低得多，而塑性和韌性則要高得多。25工程材料基礎(chǔ)金屬化合物：合金組元之間相互作用形成的、晶格類型和特性均不同于任一組元的新相。正常價(jià)化合物：由元素周期表上相距較遠(yuǎn)而化學(xué)性質(zhì)相差較大的兩元素形成的、嚴(yán)格遵守化合價(jià)規(guī)律的化合物。電子化合物：不遵守一般的化合價(jià)規(guī)律但符合一定的電子濃度（化合物的價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)之比值）的化合物。間隙相和間隙化合物：非金屬原子半徑與金屬原子的比值小于0.59時(shí)形成簡(jiǎn)單晶格的間隙相，如VC、TiN、TiC、NbC等；非金屬原子半徑與金屬原子的比值大于0.59時(shí)形成具有復(fù)雜晶格結(jié)構(gòu)的間隙化合物，如鋼中的Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、FeB、Fe2B等。金屬化合物26工程材料基礎(chǔ)

金屬化合物合金中其晶體結(jié)構(gòu)與組成元素的晶體結(jié)構(gòu)均不相同的固相稱金屬化合物。金屬化合物具有較高的熔點(diǎn)、硬度和脆性，并可用分子式表示其組成。鐵碳合金中的Fe3C當(dāng)合金中出現(xiàn)金屬化合物時(shí)，可提高其強(qiáng)度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金屬化合物也是合金的重要組成相。27工程材料基礎(chǔ)①正常價(jià)化合物—符合正常原子價(jià)規(guī)律。如Mg2Si。②電子化合物—符合電子濃度規(guī)律。如Cu3Sn。電子濃度為價(jià)電子數(shù)與原子數(shù)的比值。③間隙相和間隙化合物—由過渡族元素與C、N、B、H等小原子半徑的非金屬元素組成。28工程材料基礎(chǔ)

1.3.1高分子材料的結(jié)構(gòu)（1）高分子材料概述高分子聚合物（簡(jiǎn)稱高聚物）：以高分子化合物為主要組分的有機(jī)材料，其相對(duì)分子質(zhì)量在5000以上。分類：分為天然和人工合成兩類。天然的包括天然橡膠、蠶絲、羊毛、纖維素、油脂、蛋白質(zhì)淀粉等；人工合成的有合成橡膠、塑料、合成纖維、涂料和膠粘劑等。單體：彼此能相互連接起來而形成高分子化合物的低分子化合物。如聚乙烯是由乙烯單體（CH2=CH2）聚合而成的。鏈節(jié)：組成高分子化合物的長(zhǎng)鏈中的基本結(jié)構(gòu)單元。

1.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)29工程材料基礎(chǔ)高分子化合物化學(xué)結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)：高分子化合物的分子量很大，化學(xué)組成比較簡(jiǎn)單，同有機(jī)化合物一樣僅由幾種元素所組成。其結(jié)構(gòu)像一條長(zhǎng)鏈，這個(gè)長(zhǎng)鏈?zhǔn)怯稍S多結(jié)構(gòu)相同的重復(fù)單元（即鏈節(jié)）組成。高分子鏈的所有原子之間的結(jié)合鍵都是共價(jià)鍵。高分子化合物總含有各種大小不同（鍵長(zhǎng)不同、分子量不同）的分子。高分子化合物的分子量是一個(gè)平均值。30工程材料基礎(chǔ)（2）大分子鏈的結(jié)構(gòu)均聚物：只含有一種單體鏈節(jié)，若干個(gè)鏈節(jié)由共價(jià)鍵按一定方式重復(fù)連接起來，像一根又細(xì)又長(zhǎng)的鏈子一樣。

（a）線型結(jié)構(gòu)（b）支鏈型結(jié)構(gòu)（c）網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)31工程材料基礎(chǔ)共聚物：由兩種以上不同的單體鏈節(jié)聚合而成的高分子聚合物。共聚物結(jié)構(gòu)示意圖（●表示M1，○表示M2）32工程材料基礎(chǔ)（3）高聚物的聚集狀態(tài)高聚物的聚集狀態(tài)有結(jié)晶態(tài)、部分結(jié)晶態(tài)和非結(jié)晶態(tài)三種。結(jié)晶態(tài)聚合物分子排列規(guī)則有序；部分結(jié)晶態(tài)聚合物分子排列部分規(guī)則有序；非結(jié)晶態(tài)（亦稱玻璃態(tài)）聚合物分子排列雜亂不規(guī)則。通常線型聚合物在一定條件下可以形成結(jié)晶態(tài)或形成部分結(jié)晶態(tài)；而網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)聚合物為非結(jié)晶態(tài)（或玻璃態(tài)）。非晶態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)中的大分子排列過去一直被認(rèn)為是雜亂無章、相互穿插交纏的；近來研究發(fā)現(xiàn)，非晶態(tài)聚合物的結(jié)構(gòu)只在大距離范圍內(nèi)是無序的，小距離范圍內(nèi)是有序的，即為遠(yuǎn)程無序。33工程材料基礎(chǔ)（3）高聚物的聚集狀態(tài)在實(shí)際生產(chǎn)中獲得完全晶態(tài)的聚合物是很困難的，大多數(shù)聚合物都是部分結(jié)晶態(tài)和完全非結(jié)晶態(tài)。聚合物由結(jié)晶區(qū)（分子有規(guī)則緊密排列的區(qū)域）和非結(jié)晶區(qū)（分子處于無序狀態(tài)的區(qū)域）組成。高聚物的結(jié)晶區(qū)與非結(jié)晶區(qū)示意圖34工程材料基礎(chǔ)（3）高聚物的聚集狀態(tài)結(jié)晶態(tài)與非結(jié)晶態(tài)結(jié)構(gòu)均影響高聚物的性能。結(jié)晶態(tài)聚合物分子排列緊密而有規(guī)則，分子間作用力較大，所以使高聚物的密度、強(qiáng)度、硬度、剛度、熔點(diǎn)、耐熱性、耐化學(xué)性、抗液體及氣體透過性等性能較高；而依賴鏈運(yùn)動(dòng)有關(guān)性能，如彈性、塑性和韌性等性能較低。非結(jié)晶態(tài)聚合物由于分子鏈無規(guī)則排列，分子鏈的活動(dòng)能力大，故其彈性、塑性和韌性等性能較高。部分結(jié)晶態(tài)聚合物性能介于上述二者之間，且隨著結(jié)晶度的增加，熔點(diǎn)、相對(duì)密度、強(qiáng)度、剛度、耐熱性和抗熔性均提高，而彈性、塑性和韌性等性能降低。35工程材料基礎(chǔ)1.3.2陶瓷材料的結(jié)構(gòu)陶瓷是一種多晶固體材料，其內(nèi)部的組織結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，一般由晶體相、玻璃相和氣相組成。陶瓷材料的性能及應(yīng)用主要決定于其組成相的結(jié)構(gòu)、形態(tài)、大小、數(shù)量、分布狀況等。晶體相：由某些金屬化合物或固溶體組成，是陶瓷材料的主要組成相，一般數(shù)量較多，對(duì)性能的影響較大。在陶瓷的晶體相結(jié)構(gòu)中，通常分為硅酸鹽結(jié)構(gòu)、氧化物結(jié)構(gòu)和非氧化物結(jié)構(gòu)三種。36工程材料基礎(chǔ)1.3.2陶瓷材料的結(jié)構(gòu)玻璃相：是一種非晶態(tài)的低熔點(diǎn)固體相。形成玻璃相的內(nèi)部條件是粘度，外部條件是冷卻速度。一般粘度較大的物質(zhì)，如Al2O3、、SiO2、、B2O3等化合物的液體，當(dāng)其快速冷卻時(shí)很容易凝固成非晶態(tài)的玻璃體，而緩慢冷卻或保溫一段時(shí)間，則往往會(huì)形成不透明的晶體。氣相：是指陶瓷組織結(jié)構(gòu)中的氣孔，它使材料的強(qiáng)度降低，熱導(dǎo)率、抗電擊穿能力下降，介電損耗增大，而且它往往是產(chǎn)生裂紋的原因。同時(shí)，氣相對(duì)光有散射作用而降低陶瓷的透明度。37工程材料基礎(chǔ)

1.4.1

凝固與結(jié)晶的概念

物質(zhì)從液態(tài)冷卻轉(zhuǎn)變?yōu)楣虘B(tài)的過程稱為凝固。凝固后的物質(zhì)可以是晶體，也可以是非晶體。若凝固后的物質(zhì)為晶體，則這種凝固成為結(jié)晶。結(jié)晶是一個(gè)自發(fā)過程，但必須具備一定條件，即需要驅(qū)動(dòng)力。自然界的一切自發(fā)轉(zhuǎn)變過程，總是由一種較高的能量狀態(tài)趨向較低的能量狀態(tài)。通常在凝固條件下，金屬及其合金凝固后都是晶體，故也稱其為結(jié)晶。金屬材料的成形，除粉末冶金材料外，一般要經(jīng)過熔煉和澆注，即經(jīng)過一個(gè)結(jié)晶過程。1.4凝固的基本概念38工程材料基礎(chǔ)結(jié)晶是一個(gè)自發(fā)過程，但必須具備一定條件，即需要驅(qū)動(dòng)力。理論結(jié)晶溫度T0與實(shí)際結(jié)晶溫度Tn之差稱為過冷度，即ΔT=T0-Tn。只有當(dāng)驅(qū)動(dòng)力達(dá)到一定程度時(shí)，液態(tài)金屬才能開始結(jié)晶。可見結(jié)晶的必要充分條件是液態(tài)金屬具有一定的過冷度。1.4.2結(jié)晶概述39工程材料基礎(chǔ)液態(tài)物質(zhì)凝固成固態(tài)時(shí)，凝固的產(chǎn)物并非都是晶體，也可能是非晶體。凝固時(shí)形成晶體還是非晶體，主要取決于熔融液體的黏度和凝固的速度。冷卻速度是影響凝固過程的最主要外部因素從能量觀點(diǎn)看，若熔體在凝固時(shí)能完全釋放內(nèi)能，它將轉(zhuǎn)變成晶體；若部分釋放內(nèi)能，則轉(zhuǎn)化成非晶體。所以，非晶體是處于亞穩(wěn)定狀態(tài)的物質(zhì)。1.4.2結(jié)晶概述40工程材料基礎(chǔ)

金屬的結(jié)晶都要經(jīng)歷晶核的形成和晶核的長(zhǎng)大兩個(gè)過程。（1）晶核的形成：在過冷液體中形成固態(tài)晶核，有兩種形核方式：一種是均勻形核，又稱為均質(zhì)形核；另一種稱為非均勻形核，又稱為異質(zhì)形核（也稱雜質(zhì)形核）。1.5

金屬的結(jié)晶41工程材料基礎(chǔ)均質(zhì)形核是純凈的過冷液態(tài)金屬依靠自身原子的規(guī)則排列形成晶核的過程。它形成的具體過程是液態(tài)金屬過冷到某一溫度時(shí)，其內(nèi)部尺寸較大的近程有序原子集團(tuán)達(dá)到某一臨界尺寸后成為晶核。異質(zhì)形核是液態(tài)金屬原子，依附于模壁或液相中未熔固相質(zhì)點(diǎn)表面，優(yōu)先形成晶核的過程。由形核的討論可知過冷是結(jié)晶的必要條件，但過冷后還需通過能量起伏和結(jié)構(gòu)起伏，使近程有序的原子集團(tuán)達(dá)到某一臨界尺寸后才能形成晶核。42工程材料基礎(chǔ)

（2）晶核的長(zhǎng)大一旦晶核形成，晶核就繼續(xù)長(zhǎng)大而形成晶粒。晶體的長(zhǎng)大過程可以看作是液相中的原子向晶核表面遷移、液—固相界面向液相不斷推進(jìn)的過程。晶體的生長(zhǎng)有2種常見的形態(tài)。一種是平面狀態(tài)生長(zhǎng)；另一種是樹枝狀態(tài)生長(zhǎng)。43工程材料基礎(chǔ)

通常把實(shí)際結(jié)晶溫度低于理論結(jié)晶溫度的現(xiàn)象稱為過冷現(xiàn)象，理論結(jié)晶溫度與實(shí)際結(jié)晶溫度的差稱為過冷度。只有當(dāng)溫度降到T0以下某一溫度T1時(shí)，固態(tài)原子的自由能低于保持液態(tài)原子的自由能低，結(jié)晶才能有效進(jìn)行。1.5.1金屬的冷卻曲線44工程材料基礎(chǔ)

結(jié)晶后的晶粒大小及其控制金屬結(jié)晶后，獲得由大量晶粒組成的多晶體。晶粒的大小可用晶粒度來表示，晶粒的大小是形核率N和長(zhǎng)大速度的函數(shù)，影響形核率和長(zhǎng)大速度的重要因素是冷卻速度和難熔雜質(zhì)。1.5.2結(jié)晶后的晶粒大小及其控制45工程材料基礎(chǔ)

晶粒大小對(duì)金屬的機(jī)械性能有很大的影響，在常溫下，金屬的晶粒度越細(xì)小，強(qiáng)度和硬度則越高，同時(shí)塑性韌性也越好。通常把通過細(xì)化晶粒來提高材料性能的方法稱為細(xì)晶強(qiáng)化。

細(xì)化晶粒的方法主要有如下幾種：（1）增大過冷度（2）變質(zhì)處理（3）振動(dòng)和攪拌46工程材料基礎(chǔ)金屬鑄錠的組織特