第01章-工程材料的結(jié)構(gòu)與性能

1、工程材料的結(jié)構(gòu)與性能工程材料的結(jié)構(gòu)與性能主講老師：孫順平主講老師：孫順平Email: or School of Materials Engineering, Jiangsu University of Technology, Changzhou, 213001, China 提綱提綱1.材料原子材料原子( (或分子或分子) )的相互作用的相互作用2.晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列3.合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)5.工程材料的性能工程材料的性能4.非金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)非金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)鈉的原子結(jié)構(gòu)（鈉原子序數(shù) 11）11 質(zhì)子12 中子K shell (n = 1)L shell (n

2、= 2)M shell (n = 3)1s22s22p63s1原子結(jié)構(gòu)1.1 材料原子材料原子(或分子或分子)的相互作用的相互作用1.1 材料原子材料原子(或分子或分子)的相互作用的相互作用結(jié)合鍵結(jié)合鍵 鍵：相鄰的兩個(gè)或多個(gè)原子間的相互作用鍵：相鄰的兩個(gè)或多個(gè)原子間的相互作用 原子、離子或分子之間的結(jié)合力稱(chēng)為原子、離子或分子之間的結(jié)合力稱(chēng)為結(jié)合鍵結(jié)合鍵。屬于化學(xué)范疇的概念，所以也叫屬于化學(xué)范疇的概念，所以也叫化學(xué)鍵化學(xué)鍵 一般可把結(jié)合鍵分為一般可把結(jié)合鍵分為離子鍵離子鍵、共價(jià)健共價(jià)健、金屬鍵金屬鍵和和分子鍵分子鍵四種。四種。 1.1 材料原子材料原子(或分子或分子)的相互作用的相互作用1.1.

3、1 離子鍵離子鍵 正、負(fù)離子由于靜電引力而相互結(jié)合成化合物，這種正、負(fù)離子由于靜電引力而相互結(jié)合成化合物，這種相互作用就稱(chēng)為離子鍵。相互作用就稱(chēng)為離子鍵。 大部分鹽類(lèi)、堿類(lèi)和金屬氧化物大部分鹽類(lèi)、堿類(lèi)和金屬氧化物:MgO/Al2O3/ZrO2離子鍵的結(jié)合力較強(qiáng)，所以離子化合物硬度、熔離子鍵的結(jié)合力較強(qiáng)，所以離子化合物硬度、熔點(diǎn)、沸點(diǎn)較高、熱膨脹系數(shù)較小。點(diǎn)、沸點(diǎn)較高、熱膨脹系數(shù)較小。 1.1 材料原子材料原子(或分子或分子)的相互作用的相互作用1.1.2 共價(jià)鍵共價(jià)鍵 原子間以形成公用價(jià)電子對(duì)而結(jié)合。原子間以形成公用價(jià)電子對(duì)而結(jié)合。 共價(jià)鍵結(jié)共價(jià)鍵結(jié)合極為牢固。合極為牢固。 金剛石、半導(dǎo)體材料

4、金剛石、半導(dǎo)體材料、SiC、Si3N4、BN等化合物等化合物1.1 材料原子材料原子(或分子或分子)的相互作用的相互作用1.1 材料原子材料原子(或分子或分子)的相互作用的相互作用共價(jià)鍵的結(jié)合力很大，所以共價(jià)晶體強(qiáng)度高、硬共價(jià)鍵的結(jié)合力很大，所以共價(jià)晶體強(qiáng)度高、硬度高、熔點(diǎn)高、沸點(diǎn)高、脆性大度高、熔點(diǎn)高、沸點(diǎn)高、脆性大 。 1.1 材料原子材料原子(或分子或分子)的相互作用的相互作用1.1.3 金屬鍵金屬鍵金屬金屬金屬鍵無(wú)飽和性和方向性。金屬鍵無(wú)飽和性和方向性。 正離子和電子氣之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電吸引力，使正離子和電子氣之間產(chǎn)生強(qiáng)烈的靜電吸引力，使全部離子結(jié)合起來(lái)。這種結(jié)合力就叫做金屬鍵。全部離

5、子結(jié)合起來(lái)。這種結(jié)合力就叫做金屬鍵。 1.1.4 分子鍵分子鍵原子或分子間相互作用是依靠分子原子或分子間相互作用是依靠分子(或原子或原子)偶極間的作用力偶極間的作用力(色散力、誘導(dǎo)力、取向力色散力、誘導(dǎo)力、取向力)來(lái)完成的。稱(chēng)為范德華力。來(lái)完成的。稱(chēng)為范德華力。 惰性氣體，分子態(tài)氣體。惰性氣體，分子態(tài)氣體。1.1 材料原子材料原子(或分子或分子)的相互作用的相互作用范特瓦爾斯力很弱，因此由分子鍵結(jié)合的固體材料熔點(diǎn)低、范特瓦爾斯力很弱，因此由分子鍵結(jié)合的固體材料熔點(diǎn)低、硬度也很低，因無(wú)自由電子，因此材料有良好的絕緣性。硬度也很低，因無(wú)自由電子，因此材料有良好的絕緣性。 1.1 材料原子材料原子(

6、或分子或分子)的相互作用的相互作用1.1.5 氫鍵氫鍵 兩種電負(fù)性大而原子半徑小的原子與氫結(jié)合時(shí)，一個(gè)形兩種電負(fù)性大而原子半徑小的原子與氫結(jié)合時(shí)，一個(gè)形成共價(jià)鍵，一個(gè)形成氫鍵。成共價(jià)鍵，一個(gè)形成氫鍵。 HF H2O共價(jià)鍵共價(jià)鍵離子鍵離子鍵金屬鍵金屬鍵氫鍵氫鍵分子鍵分子鍵鍵的強(qiáng)弱順序鍵的強(qiáng)弱順序1.1 材料原子材料原子(或分子或分子)的相互作用的相互作用金屬的定義：金屬的定義：1.一般一般具有良好導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤的物質(zhì)具有良好導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性和金屬光澤的物質(zhì)銻銻 Sb塑性很差塑性很差鈰鈰 Ce 鐠鐠 Pr 導(dǎo)電性不如石墨導(dǎo)電性不如石墨2. 金屬具有金屬具有正的電阻溫度系數(shù)正

7、的電阻溫度系數(shù)金屬的特性金屬的特性1. 1. 良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性。2. 2. 正的電阻溫度系數(shù)。正的電阻溫度系數(shù)。3.3.良好的塑性變形能力，金屬材料的強(qiáng)韌性好。良好的塑性變形能力，金屬材料的強(qiáng)韌性好。 金屬鍵沒(méi)有方向性，原子間也沒(méi)有選擇性，所以在受外力金屬鍵沒(méi)有方向性，原子間也沒(méi)有選擇性，所以在受外力作用而發(fā)生原子位置的相對(duì)移動(dòng)時(shí)，結(jié)合鍵不會(huì)遭到破壞作用而發(fā)生原子位置的相對(duì)移動(dòng)時(shí)，結(jié)合鍵不會(huì)遭到破壞4.4.不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤。不透明并呈現(xiàn)特有的金屬光澤。金屬中的自由電子能吸收，并隨后輻射出大部分投射到表面的光能金屬中的自由電子能吸收，并隨后輻射出大部分投射到表

8、面的光能。金屬鍵金屬鍵金屬中存在大量自由電子，外加電場(chǎng)時(shí)電子可以定向地流動(dòng)。金屬中存在大量自由電子，外加電場(chǎng)時(shí)電子可以定向地流動(dòng)。金屬的導(dǎo)熱性很好。自由電子的活動(dòng)性很強(qiáng)，金屬離子振動(dòng)作用導(dǎo)熱金屬的導(dǎo)熱性很好。自由電子的活動(dòng)性很強(qiáng)，金屬離子振動(dòng)作用導(dǎo)熱。隨溫度升高電阻增大。隨溫度升高電阻增大。 1.1 材料原子材料原子(或分子或分子)的相互作用的相互作用金屬鍵金屬鍵平衡距離平衡距離規(guī)則排列規(guī)則排列晶體：晶體：內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間成周期性重復(fù)排列的即是內(nèi)部質(zhì)點(diǎn)在三維空間成周期性重復(fù)排列的即是晶體，反之為晶體，反之為非晶體非晶體 天然的晶體往往具有規(guī)則的幾何外形天然的晶體往往具有規(guī)則的幾何外形但是晶體

9、與非晶體的區(qū)別不是外形而是內(nèi)部原子排列但是晶體與非晶體的區(qū)別不是外形而是內(nèi)部原子排列晶體及其特征晶體及其特征1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列晶體與非晶體的區(qū)別晶體與非晶體的區(qū)別 晶體與非晶體是有聯(lián)系的，可以相互轉(zhuǎn)化晶體與非晶體是有聯(lián)系的，可以相互轉(zhuǎn)化 金屬的結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)晶態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)玻璃的結(jié)構(gòu)玻璃的結(jié)構(gòu)晶體晶體 長(zhǎng)程有序長(zhǎng)程有序 有相對(duì)固定的熔點(diǎn)有相對(duì)固定的

10、熔點(diǎn) 各向異性各向異性非晶體非晶體 短程有序短程有序 無(wú)相對(duì)固定的熔點(diǎn)無(wú)相對(duì)固定的熔點(diǎn) 各向同性各向同性晶體結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)：晶體物質(zhì)中的原子、分子、離子或者相同性質(zhì)的原子群、分：晶體物質(zhì)中的原子、分子、離子或者相同性質(zhì)的原子群、分子群、離子群的具體的排列方式子群、離子群的具體的排列方式結(jié)點(diǎn)：結(jié)點(diǎn)：質(zhì)點(diǎn)的中心位置稱(chēng)為晶格的結(jié)點(diǎn)。點(diǎn)陣中結(jié)點(diǎn)僅有幾何意義，并質(zhì)點(diǎn)的中心位置稱(chēng)為晶格的結(jié)點(diǎn)。點(diǎn)陣中結(jié)點(diǎn)僅有幾何意義，并不真正代表任何質(zhì)點(diǎn)。不真正代表任何質(zhì)點(diǎn)。晶體點(diǎn)陣：晶體點(diǎn)陣：由這些結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的空間總體稱(chēng)為晶體點(diǎn)陣（空間格子或空間由這些結(jié)點(diǎn)構(gòu)成的空間總體稱(chēng)為晶體點(diǎn)陣（空間格子或空間點(diǎn)陣）。點(diǎn)陣）。晶體結(jié)構(gòu)與空

11、間點(diǎn)陣晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列晶體中質(zhì)點(diǎn)排列具有周期性：整個(gè)晶體可看作由結(jié)點(diǎn)沿三個(gè)不同的方向晶體中質(zhì)點(diǎn)排列具有周期性：整個(gè)晶體可看作由結(jié)點(diǎn)沿三個(gè)不同的方向按一定間距重復(fù)出現(xiàn)形成的。按一定間距重復(fù)出現(xiàn)形成的。晶胞：晶胞：可以從晶體中取出可以從晶體中取出最小晶格最小晶格一個(gè)單元，表示晶體結(jié)構(gòu)的特征。一個(gè)單元，表示晶體結(jié)構(gòu)的特征。晶胞是從晶體結(jié)構(gòu)中取出來(lái)的反映晶體周期性和對(duì)稱(chēng)性的重復(fù)單元晶胞是從晶體結(jié)構(gòu)中取出來(lái)的反映晶體周期性和對(duì)稱(chēng)性的重復(fù)單元。1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列晶體點(diǎn)陣及晶胞的不同取法晶體點(diǎn)陣及晶胞的不同取法晶胞與晶胞參數(shù)晶胞與晶胞參

12、數(shù)晶胞坐標(biāo)及晶胞參數(shù)晶胞坐標(biāo)及晶胞參數(shù)晶胞晶胞:晶體中的重復(fù)單元，平行堆積可充滿(mǎn)三維空間，晶體中的重復(fù)單元，平行堆積可充滿(mǎn)三維空間，形成空間點(diǎn)陣形成空間點(diǎn)陣晶胞參數(shù)：晶胞的形狀和大小可以用晶胞參數(shù)：晶胞的形狀和大小可以用6個(gè)參數(shù)來(lái)表示，個(gè)參數(shù)來(lái)表示，此即晶格特征參數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)晶胞參數(shù)。它們是此即晶格特征參數(shù)，簡(jiǎn)稱(chēng)晶胞參數(shù)。它們是3條棱邊條棱邊的長(zhǎng)度的長(zhǎng)度a、b、c和和3條棱邊的夾角條棱邊的夾角 、 、 金屬的晶格常數(shù)一般為金屬的晶格常數(shù)一般為: 110-10 m710-10 m。 1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列1.2 晶體材料的原子排列晶體

13、材料的原子排列常見(jiàn)金屬晶體的晶胞結(jié)構(gòu)常見(jiàn)金屬晶體的晶胞結(jié)構(gòu)（b）面心立方）面心立方（a）體心立方）體心立方（c）密排六方）密排六方1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列原子數(shù)：?jiǎn)蝹€(gè)晶胞中的原子個(gè)數(shù)原子數(shù)：?jiǎn)蝹€(gè)晶胞中的原子個(gè)數(shù)原子半徑：最近鄰原子距離的一半原子半徑：最近鄰原子距離的一半致密度和配位數(shù)能夠反映原子排列的緊密程度致密度和配位數(shù)能夠反映原子排列的緊密程度致密度：原子所占的體積與晶胞體積之比致密度：原子所占的體積與晶胞體積之比配位數(shù)：晶體結(jié)構(gòu)中與任一原子最近鄰等距離的原子數(shù)目配位數(shù)：晶體結(jié)構(gòu)中與

14、任一原子最近鄰等距離的原子數(shù)目常見(jiàn)金屬晶體的三種結(jié)構(gòu)常見(jiàn)金屬晶體的三種結(jié)構(gòu) 常見(jiàn)體心立方的金屬有常見(jiàn)體心立方的金屬有 -Fe、Cr、V、Mo、Nb、W等等體心立方原子數(shù)體心立方原子數(shù)體心立方原子半徑體心立方原子半徑體心立方配位數(shù)體心立方配位數(shù) 8體心立方致密度體心立方致密度 0.68218181.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列體心立方結(jié)構(gòu)體心立方結(jié)構(gòu)a43致密度致密度=Va /Vc=Va /Vc，其中，其中VcVc: :晶胞體積晶胞體積a a3 3VaVa: :原子總體積原子總體積2 2 4 4 r r3 3/3/3致密度：致密度：0.680.68常見(jiàn)面心立方的金屬有常見(jiàn)面心立方的金

15、屬有Au、Ag、Cu、Al、Ni、 -Fe等等面心立方原子數(shù)面心立方原子數(shù)面心立方原子半徑面心立方原子半徑面心立方配位數(shù)面心立方配位數(shù) 12面心立方致密度面心立方致密度 0.7442168181.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列面心立方結(jié)構(gòu)面心立方結(jié)構(gòu)a42常見(jiàn)的密排六方結(jié)構(gòu)金屬有常見(jiàn)的密排六方結(jié)構(gòu)金屬有Zn、Mg、Be、Cd、 、 等等密排六方密排六方原子數(shù)原子數(shù)密排六方密排六方原子半徑原子半徑 密排六方密排六方配位數(shù)配位數(shù) 12密排六方密排六方致密度致密度 0.74c/a稱(chēng)之為軸比理想值為稱(chēng)之為軸比理想值為 6321261121.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列密排六方結(jié)構(gòu)

16、密排六方結(jié)構(gòu)CoTi2a633. 1381.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列立方晶系晶面、晶向表示方法立方晶系晶面、晶向表示方法 晶體中各方位上的原子面稱(chēng)晶面。晶體中各方位上的原子面稱(chēng)晶面。 各方向上的原子列稱(chēng)晶向。各方向上的原子列稱(chēng)晶向。1. 晶面指數(shù)晶面指數(shù) 表示晶面的符號(hào)稱(chēng)晶面指數(shù)。表示晶面的符號(hào)稱(chēng)晶面指數(shù)。 其確定步驟為：其確定步驟為： (1) (1) 選坐標(biāo)，以晶格中某一原子為原點(diǎn)（注意不要把選坐標(biāo)，以晶格中某一原子為原點(diǎn)（注意不要把原點(diǎn)放在所求的晶面上），以晶胞的三個(gè)棱邊作為原點(diǎn)放在所求的晶面上），以晶胞的三個(gè)棱邊作為三維坐標(biāo)的坐

17、標(biāo)軸。三維坐標(biāo)的坐標(biāo)軸。 (2) (2) 以相應(yīng)的晶格常數(shù)為單位，求出待定晶面在三個(gè)軸上以相應(yīng)的晶格常數(shù)為單位，求出待定晶面在三個(gè)軸上的截距。的截距。 (3) (3) 求三個(gè)截距的倒數(shù)。求三個(gè)截距的倒數(shù)。 (4) (4) 將所得數(shù)值化為最小整數(shù)，加圓括弧，形式為將所得數(shù)值化為最小整數(shù)，加圓括弧，形式為(hkl(hkl) )。y = 2 yzxAB (1) (1) 確定原點(diǎn)，建立確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，過(guò)原點(diǎn)作所坐標(biāo)系，過(guò)原點(diǎn)作所求晶向的平行線。求晶向的平行線。 (2) (2) 求直線上任一點(diǎn)求直線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)值。的坐標(biāo)值。 (3) (3) 按比例化為最小按比例化為最小整數(shù)整數(shù), ,加方括弧。形

18、加方括弧。形式為式為 uvwuvw 。2. 2. 晶向指數(shù)晶向指數(shù) 表示晶向的符號(hào)稱(chēng)晶向指數(shù)。其確定步驟其確定步驟為：為： 晶面與晶向晶面與晶向 (hkl)與與uvw分別表示的是一組平行的晶向和晶面。分別表示的是一組平行的晶向和晶面。oxyzbacdefgh)100( :abcd)001( :efgh)010( :dcgh)010( :abfe)001( :adhe)100( :bcgfAll of above six planes can be written as 100, being called as Planes of a form.Planes of a form: hkl晶面族

19、晶面族與晶向族晶面族與晶向族 指數(shù)雖然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面指數(shù)雖然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面稱(chēng)作稱(chēng)作晶向族晶向族或或晶面族晶面族。分別用分別用hkl和和表示。表示。單晶體與多晶體單晶體與多晶體 單晶體：結(jié)晶方位完全一致的晶體稱(chēng)為單晶體：結(jié)晶方位完全一致的晶體稱(chēng)為“單晶體單晶體” 單晶體具有各向異性單晶體具有各向異性多晶體：實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)是有許多單多晶體：實(shí)際金屬結(jié)構(gòu)是有許多單晶體組成：晶粒。多晶粒組成的晶晶體組成：晶粒。多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)稱(chēng)為多晶體。體結(jié)構(gòu)稱(chēng)為多晶體。多晶體呈現(xiàn)各多晶體呈現(xiàn)各向同性向同性 偽無(wú)向性偽無(wú)向性 常溫下，晶粒常溫下，晶粒愈小材料的強(qiáng)度愈小材料

20、的強(qiáng)度愈高，塑性、韌性愈高，塑性、韌性就愈好就愈好1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列多晶型性（同素異構(gòu)）多晶型性（同素異構(gòu)）1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列當(dāng)外部條件改變時(shí)（溫度和壓力），金屬內(nèi)部由一種晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)外部條件改變時(shí)（溫度和壓力），金屬內(nèi)部由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變稱(chēng)之為多晶型性轉(zhuǎn)變或者同素異構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)變稱(chēng)之為多晶型性轉(zhuǎn)變或者同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變轉(zhuǎn)變石墨與金剛石：高溫高壓下進(jìn)行，甚至在溫度石墨與金剛石：高溫高壓下進(jìn)行，甚至在溫度20004000和壓強(qiáng)和壓強(qiáng)6萬(wàn)萬(wàn)12萬(wàn)個(gè)大氣壓下，這個(gè)轉(zhuǎn)變速率仍然不大，還需萬(wàn)個(gè)大氣壓下，這個(gè)轉(zhuǎn)變速率仍然不大，還需用鉻

21、、鐵和鉑等作催化用鉻、鐵和鉑等作催化 多晶型性（同素異構(gòu)）多晶型性（同素異構(gòu)）1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列實(shí)際晶體的結(jié)構(gòu)實(shí)際晶體的結(jié)構(gòu)-晶體缺陷晶體缺陷1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列理想晶體：質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。理想晶體：質(zhì)點(diǎn)嚴(yán)格按照空間點(diǎn)陣排列。實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。實(shí)際晶體：存在著各種各樣的結(jié)構(gòu)的不完整性。按按幾何形態(tài)幾何形態(tài)：1.點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷2.線缺陷線缺陷3.面缺陷面缺陷缺陷的存在會(huì)使周?chē)脑赢a(chǎn)生彈性畸變區(qū)，即晶格畸變，缺陷的存在會(huì)使周?chē)脑赢a(chǎn)生彈性畸變區(qū)，即晶格畸變，會(huì)改變材料的性能會(huì)改變材料的性能點(diǎn)缺陷（零維缺陷）點(diǎn)缺陷（

22、零維缺陷）1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列 缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級(jí)上，即三維方向上缺陷的缺陷尺寸處于原子大小的數(shù)量級(jí)上，即三維方向上缺陷的尺寸都很小。尺寸都很小。 點(diǎn)缺陷與材料的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、材料的高溫動(dòng)力學(xué)點(diǎn)缺陷與材料的電學(xué)性質(zhì)、光學(xué)性質(zhì)、材料的高溫動(dòng)力學(xué)過(guò)程等有關(guān)。過(guò)程等有關(guān)。線缺陷（一維缺陷）線缺陷（一維缺陷）1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生在一維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列所產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長(zhǎng)，另外二維方向上很的缺陷，即缺陷尺寸在一維方向較長(zhǎng)，另外二維方向上很短。如各種

23、短。如各種位錯(cuò)位錯(cuò)線缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。線缺陷的產(chǎn)生及運(yùn)動(dòng)與材料的韌性、脆性密切相關(guān)。 刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)u兩種方法完全消除內(nèi)部的缺陷，使它的強(qiáng)度接近于理論強(qiáng)度（晶須，單晶）增加材料內(nèi)部的缺陷，提高強(qiáng)度材料強(qiáng)度與位錯(cuò)密度之間的關(guān)系材料強(qiáng)度與位錯(cuò)密度之間的關(guān)系 位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。位錯(cuò)密度：?jiǎn)挝惑w積內(nèi)所包含的位錯(cuò)線總長(zhǎng)度。1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列面缺陷（二維缺陷）面缺陷（二維缺陷）在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而在二維方向上偏離理想晶體中的周期性、規(guī)則性排列而產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，

24、在第三維方產(chǎn)生的缺陷，即缺陷尺寸在二維方向上延伸，在第三維方向上很小。如晶界、表面、堆積層錯(cuò)、向上很小。如晶界、表面、堆積層錯(cuò)、 相界等。相界等。 面缺陷的取向及分布與材料的斷裂韌性有關(guān)。面缺陷的取向及分布與材料的斷裂韌性有關(guān)。 小角度晶界小角度晶界 面缺陷面缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界 晶界是不同位向晶粒的過(guò)度部位，晶界是不同位向晶粒的過(guò)度部位，寬度為寬度為510個(gè)原個(gè)原子間距，位向差一般為子間距，位向差一般為2040。 亞晶粒亞晶粒是組成晶粒的尺寸很是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小小，位向差也很小(10 2 )的的小晶塊。小晶塊。亞晶粒之間的交界面稱(chēng)亞晶粒之間的交界面稱(chēng)亞晶亞晶界界。晶界

25、的特性晶界的特性 a）在常溫下，晶界對(duì)滑移起阻）在常溫下，晶界對(duì)滑移起阻礙作用，即表現(xiàn)為晶界強(qiáng)度高。礙作用，即表現(xiàn)為晶界強(qiáng)度高。 b）容易滿(mǎn)足固態(tài)相變所需的）容易滿(mǎn)足固態(tài)相變所需的能量起伏，新相往往在晶界處能量起伏，新相往往在晶界處形核。形核。 c）晶界處有許多的空位，原）晶界處有許多的空位，原子沿晶界擴(kuò)散速度快。子沿晶界擴(kuò)散速度快。 d）抗腐蝕性能差，電阻較高和）抗腐蝕性能差，電阻較高和熔點(diǎn)較低等。熔點(diǎn)較低等。 1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列面缺陷（二維缺陷）面缺陷（二維缺陷）非晶體材料的原子排列非晶體材料的原子排列1.2 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列將液態(tài)金屬以快速的

26、速度冷卻下來(lái)，可以得到非晶態(tài)金屬，將液態(tài)金屬以快速的速度冷卻下來(lái)，可以得到非晶態(tài)金屬，也叫金屬玻璃，當(dāng)前材料研究的熱點(diǎn)之一。也叫金屬玻璃，當(dāng)前材料研究的熱點(diǎn)之一。非晶體材料在結(jié)構(gòu)上就是非晶體材料在結(jié)構(gòu)上就是“過(guò)冷過(guò)冷”的液態(tài)，的液態(tài)，短程有序短程有序的結(jié)構(gòu)，的結(jié)構(gòu)，有別于晶體的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)。有別于晶體的長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)。非晶態(tài)一般是一種非晶態(tài)一般是一種亞穩(wěn)態(tài)亞穩(wěn)態(tài)。1.3.1合金的相、組織及其關(guān)系合金的相、組織及其關(guān)系 相相是指合金中具有相同的物理、化學(xué)性能，是指合金中具有相同的物理、化學(xué)性能，并與其余部分以界面分開(kāi)的物質(zhì)部分并與其余部分以界面分開(kāi)的物質(zhì)部分1.3 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu) 合

27、金合金是指由兩種或兩種以上金屬、或金屬與非金屬經(jīng)是指由兩種或兩種以上金屬、或金屬與非金屬經(jīng)過(guò)熔煉、燒結(jié)或用其他方法組合而成的具有金屬特性的過(guò)熔煉、燒結(jié)或用其他方法組合而成的具有金屬特性的物質(zhì)物質(zhì) 組元組元是指組成合金最基本、獨(dú)立的物質(zhì)是指組成合金最基本、獨(dú)立的物質(zhì)組織（顯微組織）組織（顯微組織）指在金相顯微鏡下觀察到的金屬材料內(nèi)部的微觀形貌指在金相顯微鏡下觀察到的金屬材料內(nèi)部的微觀形貌組織由相構(gòu)成，組織由相構(gòu)成，觀察時(shí)應(yīng)分析相的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布方式。觀察時(shí)應(yīng)分析相的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布方式。金屬材料性能由組織決定，金屬材料性能由組織決定，而組織由化學(xué)成分和工藝過(guò)程決定。而組織由化學(xué)成分

28、和工藝過(guò)程決定。1.3.2 固溶體固溶體1.按溶質(zhì)原子在晶格中所占位置分類(lèi)：按溶質(zhì)原子在晶格中所占位置分類(lèi)：置換固溶體置換固溶體間隙固溶體間隙固溶體2.按按固溶度固溶度分類(lèi)：分類(lèi)：有限固溶體有限固溶體無(wú)限固溶體無(wú)限固溶體 Cu-Ni 系系1.3 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)將外來(lái)組元引入晶體結(jié)構(gòu)，占據(jù)主晶相質(zhì)點(diǎn)位置一部分或間將外來(lái)組元引入晶體結(jié)構(gòu)，占據(jù)主晶相質(zhì)點(diǎn)位置一部分或間隙位置一部分，仍保持一個(gè)晶相，這種晶體稱(chēng)為固溶體隙位置一部分，仍保持一個(gè)晶相，這種晶體稱(chēng)為固溶體(即溶質(zhì)溶解在溶劑中形成固溶體）即溶質(zhì)溶解在溶劑中形成固溶體）固溶體類(lèi)型固溶體類(lèi)型ZXY間隙原子間隙原子間隙固溶體間隙固溶體置

29、換固溶體置換固溶體置換原子置換原子YXZ溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，變形抗力增溶質(zhì)原子的溶入，使固溶體的晶格發(fā)生畸變，變形抗力增大，金屬的強(qiáng)度及硬度升高的現(xiàn)象大，金屬的強(qiáng)度及硬度升高的現(xiàn)象-固溶強(qiáng)化固溶強(qiáng)化常見(jiàn)化合物可分為正常價(jià)化合物、電子化合物、間隙相和間隙化合物。常見(jiàn)化合物可分為正常價(jià)化合物、電子化合物、間隙相和間隙化合物。合金組元形成晶格類(lèi)型與任一組元都不相同的新相合金組元形成晶格類(lèi)型與任一組元都不相同的新相. Fe3C是鋼鐵中的一種重要的間隙化合物，具有復(fù)雜是鋼鐵中的一種重要的間隙化合物，具有復(fù)雜的斜方晶格，又稱(chēng)為的斜方晶格，又稱(chēng)為滲碳體滲碳體1.3 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶

30、體結(jié)構(gòu)1.3.3 金屬間化合物金屬間化合物1.電負(fù)性因素電負(fù)性因素電負(fù)性相差越小越易形成固溶體，反之易形成金屬間化合物電負(fù)性相差越小越易形成固溶體，反之易形成金屬間化合物2.原子尺寸因素原子尺寸因素原子尺寸因素可以用組元原子半徑之差與其中一組元原子半原子尺寸因素可以用組元原子半徑之差與其中一組元原子半徑之比表示徑之比表示原子尺寸相差越小越易形成固溶體，反之形成金屬間化合物原子尺寸相差越小越易形成固溶體，反之形成金屬間化合物傾向增大傾向增大3.電子濃度因素電子濃度因素電子濃度是指合金中價(jià)電子與其原子數(shù)之比電子濃度是指合金中價(jià)電子與其原子數(shù)之比電子濃度越小越易形成固溶體，反之形成金屬間化合物傾向電

31、子濃度越小越易形成固溶體，反之形成金屬間化合物傾向增大增大1.3 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)影響相結(jié)構(gòu)的因素影響相結(jié)構(gòu)的因素BBAAVcVcae/ABArrrr1.3.4 合金性能合金性能1 固溶強(qiáng)化點(diǎn)缺陷固溶強(qiáng)化點(diǎn)缺陷4 第二相強(qiáng)化第二相強(qiáng)化 體缺陷體缺陷實(shí)際金屬中的晶體缺陷實(shí)際金屬中的晶體缺陷 點(diǎn)缺陷（空位、置換原子、間隙原子）線缺陷（位錯(cuò)）面缺陷（晶界、相界、表面、層錯(cuò)）體缺陷（第二相粒子） 實(shí)際金屬的強(qiáng)化機(jī)制實(shí)際金屬的強(qiáng)化機(jī)制 2 形變強(qiáng)化形變強(qiáng)化 線缺陷線缺陷3 細(xì)晶強(qiáng)化細(xì)晶強(qiáng)化 面缺陷面缺陷1.3 合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)1.4 高聚物的結(jié)構(gòu)高聚物的結(jié)構(gòu) 1.4.1 大分子鏈

32、的結(jié)構(gòu)大分子鏈的結(jié)構(gòu)大分子鏈的幾何形態(tài)大分子鏈的幾何形態(tài)線型結(jié)構(gòu)線型結(jié)構(gòu) 線型結(jié)構(gòu)是由許多鏈節(jié)聯(lián)成一條長(zhǎng)鏈線型結(jié)構(gòu)是由許多鏈節(jié)聯(lián)成一條長(zhǎng)鏈合成纖維和熱塑性塑料合成纖維和熱塑性塑料(如聚氯乙烯、聚苯乙烯等如聚氯乙烯、聚苯乙烯等)體型結(jié)構(gòu)體型結(jié)構(gòu) 體型結(jié)構(gòu)是分子鏈與分子鏈之間有許多鏈體型結(jié)構(gòu)是分子鏈與分子鏈之間有許多鏈節(jié)相互交聯(lián)在一起，形成網(wǎng)狀或立體結(jié)構(gòu)節(jié)相互交聯(lián)在一起，形成網(wǎng)狀或立體結(jié)構(gòu)熱固性塑料熱固性塑料(如酚醛塑料、環(huán)氧塑料等如酚醛塑料、環(huán)氧塑料等)和硫化橡膠和硫化橡膠1.4 非金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)非金屬材料的晶體結(jié)構(gòu) 1.5 陶瓷的結(jié)構(gòu)陶瓷的結(jié)構(gòu) 陶瓷的力學(xué)、物理、化學(xué)性能主要取決于主晶相。

33、陶陶瓷的力學(xué)、物理、化學(xué)性能主要取決于主晶相。陶瓷中的晶相主要有硅酸鹽、氧化物和非氧化物瓷中的晶相主要有硅酸鹽、氧化物和非氧化物。1.4 非金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)非金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)1.7.1 工程材料的力學(xué)性能工程材料的力學(xué)性能 常見(jiàn)的有強(qiáng)度強(qiáng)度(屈服強(qiáng)度、斷裂強(qiáng)度、疲勞強(qiáng)度等)、塑性塑性、硬度硬度、沖擊韌性和斷裂韌性等。1.7 工程材料的性能工程材料的性能低碳鋼的應(yīng)力低碳鋼的應(yīng)力- -應(yīng)變曲線應(yīng)變曲線拉伸試樣拉伸試樣拉伸試驗(yàn)機(jī)拉伸試驗(yàn)機(jī)應(yīng)力應(yīng)力 = P/F0應(yīng)變應(yīng)變 = (l-l0)/l01、彈性和剛度、彈性和剛度 彈性：指標(biāo)為彈性極限彈性：指標(biāo)為彈性極限 e e，即即材料承受最大彈性變形時(shí)材

34、料承受最大彈性變形時(shí)的應(yīng)力。的應(yīng)力。 剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性剛度：材料受力時(shí)抵抗彈性變形的能力。指標(biāo)為彈性模變形的能力。指標(biāo)為彈性模量量E E 。組織不敏感量組織不敏感量）（MPatgE 2、強(qiáng)度與塑性、強(qiáng)度與塑性屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度 s：材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。：材料發(fā)生微量塑性變形時(shí)的應(yīng)力值。條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度 0.2：殘余變形量為：殘余變形量為0.2%時(shí)的應(yīng)力值。時(shí)的應(yīng)力值。抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度 b：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。：材料斷裂前所承受的最大應(yīng)力值。表示材料抵抗微量塑性的能力表示材料抵抗微量塑性的能力反映了材料產(chǎn)生最大均勻變形的抗力反映了材料產(chǎn)生最大均勻變形的抗力 強(qiáng)

35、度強(qiáng)度 是指在外力作用下材料抵抗變形和斷裂的能力，是指在外力作用下材料抵抗變形和斷裂的能力，是材料最重要、最基本的力學(xué)性能指標(biāo)之一。是材料最重要、最基本的力學(xué)性能指標(biāo)之一。 伸長(zhǎng)率：伸長(zhǎng)率：%100001 lll %100010 FFF 斷面收縮率：斷面收縮率：拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象塑性塑性 材料在外力作用下，產(chǎn)生塑性變形而材料在外力作用下，產(chǎn)生塑性變形而不斷裂的性能稱(chēng)為塑性。不斷裂的性能稱(chēng)為塑性。 塑性是壓力加工成形的重要參數(shù)。塑性是壓力加工成形的重要參數(shù)。材料具有一定塑性可以提高零件使用的材料具有一定塑性可以提高零件使用的可靠性，防止突然斷裂?？煽啃?，防止突然斷裂。3、硬度、

36、硬度 （1 1）布氏硬度）布氏硬度HBHB硬度硬度 在外力作用下材料抵抗局部塑性變形的能力在外力作用下材料抵抗局部塑性變形的能力 布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)布氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：測(cè)量誤差小，數(shù)據(jù)穩(wěn)定。據(jù)穩(wěn)定。 缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、缺點(diǎn)：壓痕大，不能用于太薄件、成品件。成品件。 壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)壓頭為鋼球時(shí)，布氏硬度用符號(hào)HBSHBS表示，適用于布表示，適用于布氏硬度值在氏硬度值在450450以下的材料。以下的材料。 壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)壓頭為硬質(zhì)合金球時(shí)，用符號(hào)HBWHBW表示，適用于布表示，適用于布氏硬度在氏硬度在650650以下的材料。以下的材料。布氏硬度壓痕布氏

37、硬度壓痕l適測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼適測(cè)量退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼, ,鑄鐵及有色金屬的硬度。鑄鐵及有色金屬的硬度。（2）洛氏硬度）洛氏硬度 洛氏硬度用符號(hào)洛氏硬度用符號(hào)HR表示表示lHRA用于測(cè)量高硬度材料用于測(cè)量高硬度材料, 如如硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層硬質(zhì)合金、表淬層和滲碳層。lHRB用于測(cè)量低硬度材料用于測(cè)量低硬度材料, 如如有色金屬和退火有色金屬和退火、正火鋼等。正火鋼等。lHRC用于測(cè)量中等硬度材料，用于測(cè)量中等硬度材料，如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。如調(diào)質(zhì)鋼、淬火鋼等。l洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，洛氏硬度的優(yōu)點(diǎn)：操作簡(jiǎn)便，壓痕小，適用范圍廣。壓痕小，適用范圍廣。l缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。缺點(diǎn)：測(cè)量結(jié)果分散度大。鋼球壓頭與鋼球壓頭與金剛石壓頭金剛石壓頭洛氏硬度壓痕洛氏硬度壓痕（3 3）維氏硬度）維氏硬度維氏硬度計(jì)維氏硬度計(jì)維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度試驗(yàn)原理維氏硬度壓痕維氏硬度壓痕維氏硬度用符號(hào)維氏硬度用符號(hào)HVHV表示表示硬度不是一個(gè)簡(jiǎn)單的物理性質(zhì)，而是材料硬度不是一個(gè)簡(jiǎn)單的物理性質(zhì)，而是材料彈性、塑彈性、塑性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo)性、強(qiáng)度和韌性等力學(xué)性能的綜合指標(biāo) （1）、沖擊韌性）、沖擊韌