材料的結(jié)構(gòu)與性能特點

第一章材料的結(jié)構(gòu)與性能固體材料的性能主要取決于其化學(xué)成分、組織結(jié)構(gòu)及加工工藝過程。所謂結(jié)構(gòu)就是指物質(zhì)內(nèi)部原子在空間的分布及排列規(guī)律。材料的相互作用組成物質(zhì)的質(zhì)點（原子、分子或離子）間的相互作用力稱為結(jié)合鍵。主要有共價鍵、離子鍵、金屬鍵、分子鍵。離子鍵形成：正、負(fù)離子靠靜電引力結(jié)合在一起而形成的結(jié)合鍵稱為離子鍵。特性：離子鍵沒有方向性，無飽和性°NaCl晶體結(jié)構(gòu)如圖性能特點：離子晶體的硬度高、熱膨脹系數(shù)小，但脆性大，具有很好的絕緣性。典型的離子晶體是無色透明的。共價鍵形成：元素周期表中的l\A、VA、VIA族大多數(shù)元素或電負(fù)性不大的原子相互結(jié)合時，原子間不產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移，以共價電子形成穩(wěn)定的電子滿殼層的方式實現(xiàn)結(jié)合。這種由共用電子對產(chǎn)生的結(jié)合鍵稱為共價鍵。氧化硅中硅氧原子間共價鍵，其結(jié)構(gòu)如圖所示。性能特點：共價鍵結(jié)合力很大，所以共價晶體的強(qiáng)度、硬度高、脆性大，熔點、沸點高，揮發(fā)度低。金屬鍵形成：由金屬正離子與電子氣之間相互作用而結(jié)合的方式稱為金屬鍵。如圖所示。性能特點：1）良好的導(dǎo)電性及導(dǎo)熱性；2）正的電阻溫度系數(shù)；3）良好的強(qiáng)度及塑性；4）特有的金屬光澤。分子鍵形成：一個分子的正電荷部位與另一分子的負(fù)電荷部位間以微弱靜電引力相引而結(jié)合在一起稱為范德華鍵（或分子鍵）特性：分子晶體因其結(jié)合鍵能很低，所以其熔點很低，硬度也低。但其絕緣性良好。材料的結(jié)合鍵類型不同，則其性能不同。常見結(jié)合鍵的特性見表1-1。離子鍵共價鍵金屬鍵結(jié)構(gòu)無方向性或方向無方特點方向性不明顯，配位性明顯，配位向性，配位數(shù)

數(shù)大數(shù)小，密度小大，密度大力學(xué)性能強(qiáng)度高，劈裂性良好，硬度大強(qiáng)度高，硬度大有各種強(qiáng)度，有塑性熱力性質(zhì)熔點高，膨脹系數(shù)小，熔體中有離子存在熔點高，膨脹系數(shù)小，熔體中有的含有分子有各種熔點，導(dǎo)熱性好，液態(tài)的溫度范圍寬電學(xué)性質(zhì)絕緣體，熔體為導(dǎo)體絕緣體，熔體為非導(dǎo)體導(dǎo)電體(自由電子)光學(xué)性質(zhì)與各構(gòu)成離子的性質(zhì)相同，對紅外線的吸收強(qiáng)，多是無色或淺色透明的折射率大，同氣體的吸收光譜很不同不透明，有金屬光澤晶體材料的原子排列所謂晶體是指原子在其內(nèi)部沿三維空間呈周期性重復(fù)排列的一類物質(zhì)。晶體的主要特點是：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；④在一定條件下有規(guī)則的幾何外形。理想的晶體結(jié)構(gòu)1.晶體的基本概念晶格與晶胞晶格是指描述晶體排列規(guī)律的空間格架。從晶格中取出一個最能代表原子排列特征的最基本的幾何單元，稱為晶胞。晶胞各棱邊的尺寸稱為晶格常數(shù)。a）簡單方晶格'晶胞芯意圖b）晶格c）晶胞（2）晶系簡單立方晶格、晶胞示意圖按原子排列形式及晶格常數(shù)不同可將晶體分為七種晶系（3）原子半徑原子半徑是指晶胞中原子密度最大方向相鄰兩原子之間距離的一半。（4）晶胞中所含原子數(shù)晶胞中所含原子數(shù)是指一個晶胞內(nèi)真正包含的原子數(shù)目。（5）配位數(shù)和致密度配位數(shù)是指在晶體結(jié)構(gòu)中，與任一原子最近鄰且等距離的原子數(shù)。致密度（K）是指晶胞中原子所占體積分?jǐn)?shù)即K=nv7V。式中，n為晶胞所含原子數(shù)、V為單個原子體積、V為晶胞體積。2.常見金屬的晶格類型（1）體心立方晶格（bcc晶格）1）原子排列特征體心立方晶格的晶胞如圖所示。（景模型（b）晶胞（c）晶胞原子數(shù)體心立方晶胞示意圖2）晶格吊數(shù)a=b=c,a=P=y=90°o3）原子半徑。4）晶胞所含原子數(shù)2個原子。5）配位數(shù)8o6）致密度68%o7）具有體心立方晶格的金屬：aFe、&Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余種金屬。（2）面心立方晶格（fcc晶格）1）原子排列特征面心立方晶格的晶胞如圖所示。（景模型（b）晶胞W晶胞原子數(shù)面心立方晶胞示意圖2）晶格吊數(shù)a=b=c,a=P=y=90°o3）原子半徑。4）晶胞所含原子數(shù)4個原子。5）配位數(shù)12。6）致密度74%o7）具有面心立方晶格的金屬：y-Fe.Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。（3）密排六方晶格（hcp晶格）1）原子排列特征密排六方晶格的晶胞密排六方晶胞示意圖2）晶格常數(shù)3）原子半徑4）晶胞所含原子數(shù)6個原子。5）配位數(shù)12。6）致密度74%。7）具有密排六方晶格的金屬：Mg、Cd、Zn、Be、a-Ti等。3.立方晶系的晶面、晶向表示方法在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱為晶面。任意兩個原子之間的連線稱為原子列，其所指方向稱為晶向。表示晶面的符號稱為晶面指數(shù)；表示晶向的符號稱為晶向指數(shù)。注意：1）每一個晶面指數(shù)（或晶向指數(shù)）泛指晶格中一系列與之相平行的一組晶面（或晶向。2）立方晶系中，凡是指數(shù)相同的晶面與晶向是相互垂直的。3）原子排列情況相同但空間位向不同的晶面（或晶向）統(tǒng)稱為一個晶面（或晶向）族。4）不同晶體結(jié)構(gòu)中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列緊密程度是不一樣的。4.晶體的各向異性金屬晶體不同方向上性能不同這種性質(zhì)叫做晶體的各向異性。實際晶體結(jié)構(gòu)

—塊晶體內(nèi)部晶格位向完全一致,稱該晶體為單晶體。由多晶粒構(gòu)成的晶體稱為多晶體。實際晶體中存在的晶體缺陷按缺陷幾何特征可分為以下三種：1.點缺陷點缺陷是指在三維尺度上都很小而不超過幾個原子直徑的缺陷。⑴空位⑵間隙原子⑶置換原子，如圖所示。點缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)使晶格發(fā)生了扭曲一晶格畸變，使金屬的電阻率、屈服強(qiáng)度增加，金屬的密度發(fā)生變化。oo2.線缺陷oo2.線缺陷空位線缺陷是指二維尺度很小而另一維尺度很大的缺陷。它包括各種類型的位錯。所謂位錯是指晶體中一部分晶體相對另一部分晶體發(fā)生了一列或若干列原子有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。第一個圖為刃型位錯，第二個圖為螺型位錯。刃型位錯示意圖發(fā)生了一列或若干列原子有規(guī)律的錯排現(xiàn)象。第一個圖為刃型位錯，第二個圖為螺型位錯。刃型位錯示意圖（105-l08cm/cm3）in’’fn—g—，—”r—位錯密度p3.面缺陷面缺陷是指二維尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金屬晶體中的面缺陷主要有晶界和亞晶界。晶粒與晶粒之間的接觸界面稱為晶界。如圖（a）所示。亞晶粒之間的交界稱為亞晶界。如圖0）所示。晶界、亞晶界處具有許多特殊性能。（d晶界示意圖命）亞晶界示意圖面缺陷非晶態(tài)材料中的原子排列所謂非晶體是指原子在其內(nèi)部沿三維空間呈紊亂、無序排列的一類物質(zhì)。非晶體的特點是：①結(jié)構(gòu)無序；②物理性質(zhì)表現(xiàn)為各向同性；③沒有固定的熔點；④熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）和膨脹性小等。合金的晶體結(jié)構(gòu)組成合金的最基本獨立單元叫做組元。由兩個組元組成的合

金稱為二元合金，由三個組元組成的合金稱為三元合金。合金的相結(jié)構(gòu)、組織及其關(guān)系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)，并以界面相互分開的、均勻的組成部分。所謂組織是指用肉眼或顯微鏡觀察到的不同組成相的形態(tài)或各相形態(tài)之間的組合狀態(tài)。組織是由組成相的形態(tài)所構(gòu)成的。同一相在不同的條件下可具有不同的形態(tài)，因而可形成不同的組織。固溶體合金的組元通過溶解形成一種成分及性能均勻的、且結(jié)構(gòu)與組元之一相同的固相稱為固溶體。與固溶體結(jié)構(gòu)相同的組元為溶劑，其它組元為溶質(zhì)。固溶體的分類⑴按溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的位置固溶體可分為置換固溶體與間隙固溶體兩種。⑵按溶質(zhì)原子在固溶體中的溶解度固溶體可分為有限固溶體和無限固溶體兩種。⑶按溶質(zhì)原子在固溶體內(nèi)分布是否有規(guī)則固溶體分為有序固溶體和無序固溶體兩種。金屬化合物合金組元相互作用形成的晶格類型和特性完全不同于任一組元的新相即為金屬化合物，或稱中間相。其性能特點是熔點一般較高，硬度高，脆性大。金屬化合物是許多合金的重要組成相（常作為強(qiáng)化相k正常價化合物組元間電負(fù)性相差較大且形成的化合物嚴(yán)格遵守化合價規(guī)律，此類化合物稱為正常價化合物。例如：Mg2Si、Cu2Se、ZnS、AlP等。性能特點是硬度高、脆性大。電子化合物組元間形成化合物不遵守化合價規(guī)律但符合一定電子濃度（化合物中價電子數(shù)于原子數(shù)之比），則此類化合物稱為電子化合物。此類化合物的熔點和硬度較高，塑性較差，在許多有色金屬中作為重要的強(qiáng)化相。間隙化合物由過渡族元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的化合物稱為間隙化合物。1）間隙相當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑之比小于0.59時，形成具有簡單晶格的間隙化合物，稱為間隙相。一些間隙相及晶格類型見表1-6。間隙相具有金屬特性，有極高的熔點及硬度，非常

穩(wěn)定，見表1-7?；瘜W(xué)式類型鋼中可能遇到的間隙相化學(xué)式晶格類型M4XFe4N,Nb4C,Mn4C面心立方M2XFe2N,Cr2N,W2C,Mo2C密排六方MXTaC,TiC,ZrC,VCTiN,ZrN,VNMoN,CrN,WC面心立方體心立方簡單六方MX2VC2,CeC2,ZrH2,TiH2,LaC2面心立方

類簡單結(jié)構(gòu)間隙化合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合物類簡單結(jié)構(gòu)間隙化合物復(fù)雜結(jié)化TZVNTWM(:Fe學(xué)式iCrCCbCaCCoCr233CC6522221111?度850840010050550730480650800HV熔季3323322112點也080472±650680±980785±52757727205052）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之比大于0.59時，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物。鋼中的Fe3C、Cr23C6、FeB、Fe4W2C、Cr7C3、Fe2B等均屬于這類化合物。

合金性能1.固溶體與固溶強(qiáng)化合金性能1.固溶體與固溶強(qiáng)化通過形成固溶體使金屬強(qiáng)度和硬度提高的現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。固溶強(qiáng)化是金屬強(qiáng)化的重要方式之一。固溶體的綜合力學(xué)性能較好，常作為合金材料的基體相。化合物與第二相強(qiáng)化化合物的性能特點是熔點一般較高，硬度高，脆性大。金屬化合物是許多合金的重要組成相（常作為強(qiáng)化相）以第二相（化合物等）作為強(qiáng)化相來提高合金材料的強(qiáng)度稱為第二相強(qiáng)化。其強(qiáng)化效果取決于化合物的形態(tài)。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分子可含幾千、幾萬甚至幾十萬個原子。大分子鏈的結(jié)構(gòu)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高分子鏈的形態(tài)（1）高分子鏈的幾何形態(tài)1）線型分子鏈由許多鏈節(jié)組成的長鏈，通常是卷曲成線團(tuán)狀。這類結(jié)構(gòu)高聚物的特點是彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性材料的典型結(jié)構(gòu)。2）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。3）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、無彈性和塑性，是熱固性材料的典型結(jié)構(gòu)。（2）高分子鏈的構(gòu)象及柔順性1）鏈的構(gòu)象由于單鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的大分子鏈的空間形象稱為大分子鏈的構(gòu)象。2）柔順性由于構(gòu)象變化獲得不同卷曲程度的特性。這種能拉伸、回縮的性能稱為分子鏈的柔性，這是聚合物具有彈性的原因。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)晶型和無定型非晶態(tài)）三類。在實際生產(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、剛度和熔點越高，耐熱性和化學(xué)穩(wěn)定性也越好而與鍵運動有關(guān)的性能，如彈性、伸長率、沖擊韌性則降低。陶瓷的結(jié)構(gòu)陶瓷亦稱無機(jī)非金屬材料，是指用天然硅酸鹽（粘土、長石、石英等）或人工合成化合物（、氧化物、碳化物、硅化物等）為原料，經(jīng)粉碎、配置、成型和高溫?zé)贫傻臒o機(jī)非金屬材料陶瓷的基本相結(jié)構(gòu)主要有:晶相、玻璃相、氣相等。晶體相晶體相是陶瓷的主要組成相：主要有硅酸鹽、氧化物和非氧化物等。它們的結(jié)構(gòu)、數(shù)量、形態(tài)和分布，決定陶瓷的主要性能和應(yīng)用。玻璃相玻璃相是一種非晶態(tài)物質(zhì)。其作用：粘連晶體相，填充晶體相間空隙，提高材料致密度；降低燒成溫度，加快燒結(jié)；阻止晶體轉(zhuǎn)變，抑制其長大；獲得透光性等玻璃特性；不能成為陶瓷的主導(dǎo)相：對陶瓷的機(jī)械強(qiáng)度、介電性能、耐熱耐火性等不利。氣相氣相是陶瓷內(nèi)部殘留的孔洞；成因復(fù)雜，影響因素多。陶瓷根據(jù)氣孔率分致密陶瓷、無開孔陶瓷和多孔陶瓷。氣孔對陶瓷的性能不利（多孔陶瓷除外）氣孔率：普通陶瓷5%-10%特種陶瓷5%以下金屬陶瓷低于0.5%陶瓷的性能主要取決于晶相。同時還與各相的組織有關(guān)。工程材料的性能工程材料的力學(xué)性能強(qiáng)度強(qiáng)度是指材料在外力作用下抵抗永久變形和破壞的能力，單位為MPa。1）彈性與剛度材料在彈性范圍內(nèi)，應(yīng)力與應(yīng)變的比值cfe稱為彈性模數(shù)E（單位MPa）。E標(biāo)志材料抵抗彈性變形的能力，用以表示材料的剛度。2）屈服點。s表示材料抵抗微量塑性變形的能力，單位為MPa。鑄鐵等材料沒有明顯的屈服現(xiàn)象則用條件屈服點（00.2）來表示，即產(chǎn)生0.2%殘余應(yīng)變時的應(yīng)力值。零（構(gòu)）件在工程中一般不允許發(fā)生明顯的塑性變形，所以os是設(shè)計時的主要參數(shù)。抗拉強(qiáng)度。b表示材料抵抗最大均勻變形的應(yīng)力，單位為MPaoab是設(shè)計選材的主要參數(shù)之一。(2)變載時的強(qiáng)度最常用的時疲勞強(qiáng)度。材料在大小和方向重復(fù)借環(huán)變化載荷作用下抵抗破壞的能力，用a-1來表示，單位為MPa。(3)高溫強(qiáng)度材料在高溫下的強(qiáng)度必須考慮溫度和時間的影響。常用蠕變極限aT和持久強(qiáng)度aT來表示。塑性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。其大小以伸長率和斷面收縮率來表示。1)伸長率，以。表示。式中，10為標(biāo)距原長，11為斷裂后標(biāo)距長度。2)斷面收縮率，以w表示。式中，A0為試樣原始橫截面積，A1為斷口處的橫截面積。5.W愈大，表示材料的塑性愈好。塑性是壓力加工成形的重要參數(shù)，另一方面，材料具有一定塑性可以提高零件使用的可靠性硬度硬度是指材料對局部塑性變形、壓痕或劃痕的抗力。常用的硬度有布氏硬度（單位為MPa）、洛氏硬度和維氏硬度（單位為MPa）。各種硬度試驗原理如下圖所示：韌性⑴沖擊韌度材料抵抗沖擊載荷而不破壞的能力稱為沖擊韌性。1）擺錘式一次沖擊試驗。2）小能量多次沖擊試驗。斷裂韌性材料抵抗裂紋失穩(wěn)擴(kuò)展斷裂的能力。斷裂韌性指標(biāo)為KIC，單位為MPa.m1/2。有專門的測定方法。耐磨性一個零件相對另一零件有摩擦運動而造成接觸面的尺寸變化質(zhì)量損失現(xiàn)象成為磨損材料在一定工作條件下抵抗磨損的能力稱為耐磨性。其主要受成分、硬度、摩擦系數(shù)和彈性模數(shù)的影響。粘彈性材料在外力作用下產(chǎn)生的應(yīng)變隨時間呈線性增加而當(dāng)外力去除后，剩余應(yīng)變隨時間不斷松弛的特性。粘彈性表現(xiàn)為蠕變、應(yīng)力松弛和內(nèi)耗等三種現(xiàn)象。（1）蠕變在恒定載荷下，應(yīng)力隨時間而增加的現(xiàn)象，它反映材料在一定外力作用下的形狀穩(wěn)定性。(2)應(yīng)力松弛在應(yīng)變恒定的條件下，應(yīng)力隨時間延長而逐漸衰減的現(xiàn)象。(3)滯后和內(nèi)耗在交變應(yīng)力作用下，處于高彈態(tài)的高分子，當(dāng)其形變速度跟不上應(yīng)力變化速度時，就會出應(yīng)變滯后應(yīng)力的現(xiàn)象。工程材料的物理性能密度單位體積物質(zhì)的質(zhì)量稱為該物質(zhì)的密度：式中，p為物質(zhì)的密度(kg/m3);m為物質(zhì)的質(zhì)量(kg);V為物質(zhì)的體積(m3)o密度小于5x103kg/m3的金屬稱為輕金屬，如鋁、鎂、鈦及它們的合金。密度大于5x103kg/m3的金屬稱為重金屬，如鐵、鉛、鎢等。熔點金屬從固態(tài)向液態(tài)轉(zhuǎn)變時的溫度稱為