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離子鍵當正電性金屬原子與浮點型廢金屬原子接觸時，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共價鍵當兩個相同原子或兩種不同的原子相互作用時，原子間已形成公用電子對而結(jié)合，這種結(jié)合方式稱共價鍵。共價鍵示意圖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氫鍵當兩種負電性大的原子半徑比較小的原子與氫原子結(jié)合時，氫原子與一種原子間形成共價鍵，與另一種原子間形成氫鍵。金屬鍵分子鍵類型作用力來源鍵合強弱形成晶體的特點離子鍵原子得、失電子后形成負、正離子，正負離子間的庫侖引力

最強無方向性鍵、高配位數(shù)、高熔點、高強度、低膨脹系數(shù)、塑性較差、固態(tài)不導電、熔態(tài)離子導電共價鍵相鄰原子價電子各處于相反的自旋狀態(tài)，原子核間的庫侖引力

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

弱有方向性和飽和性

值得指出的是，實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，在某一鍵合為主鍵的情形下，其他弱鍵就可以忽略。實際材料中存在的鍵合情況如右圖所示。以上我們簡單地討論了結(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：原子無規(guī)則堆積，也稱為“過冷液體”。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，并用直線從其中心連接起來而構(gòu)成空間格架，稱為晶格。晶格中的結(jié)點位原子（或離子鍵）的平衡中心的位置，通過結(jié)點的任一平面稱為晶面；通過結(jié)點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（點陣）模型ZXYabc晶面通過原子中心的平面,如下圖晶向通過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.常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)（1）體心立方晶格bcca.特點：具有相當高的強度和較好的塑性。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：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半導體）②實際的金屬結(jié)構(gòu)包含著許多的小晶體，每個小晶體的晶格都一樣，但彼此方位不同，每個小晶體都具有不規(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）點缺陷：空位、間隙原子、異類原子（2）線缺陷：位錯（3）面缺陷：晶界與亞晶界【見下列圖解】（1）點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）線缺陷刃位錯刃位錯線缺陷的類型又分為:刃位錯與螺位錯螺位錯（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，則晶界越多，強度和塑性越高。1.2本節(jié)重點晶體、晶格和晶胞三種典型晶格類型晶粒大小和性能的關系晶體缺陷類型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中廣泛研究的一個新領域,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)的長程無序性,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)材料在熔點一下一般處在熱力學自由能最低的穩(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,組織及其關系組元:組成合金的獨立的最基本單元。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:化學成分和晶體結(jié)構(gòu)相同，且有界面與其它部分分開的均勻組成部分。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，晶格畸變增大了位錯運動的阻力，使滑移難以進行，從而使合金固溶體的強度與硬度增加。這種通過融入某種溶質(zhì)元素來形成固溶體而使金屬強化的現(xiàn)象稱為固溶強化。在溶質(zhì)原子濃度適當時，可提高材料的強度和硬度，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、固溶強化

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

性能特點：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.正常價化合物：按化合價規(guī)律形成，如，Mg2Si。3.間隙化合物：過渡金屬+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：熔點高、硬度高，脆性大。1.4本節(jié)重點合金、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合金性能的影響。固溶強化概念及其強化原理。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，每個分子可含幾千、幾萬甚至幾十萬個原子。

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

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。

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)組成的長鏈，通常是卷曲成線團狀。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)。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)量分數(shù)或體積分數(shù)稱為結(jié)晶度。結(jié)晶度越高，分子間作用力越強，因此高分子化合物的強度、硬度、剛度和熔點越高，耐熱性和化學穩(wěn)定性也越好；而與鍵運動有關的性能，如彈性、伸長率、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機化合物所構(gòu)成的多相靜態(tài)物質(zhì)，實際上是各種無機非金屬材料的同城。1.6.1晶相晶體相簡稱晶相。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[SiO4]四面體通過共有丁點的陽離子相互連接而成。（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：較大的陽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，如細化晶?？商岣咛沾傻膹姸群晚g性等。1.6.2玻璃相陶瓷中高溫燒結(jié)時各種組成為i和雜志產(chǎn)生一系列物理，化學反應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工程材料的力學性能1.7.2工程材料的物理性能1.7.3工程材料的化學性能1.7.4工程材料的工藝性能如密度、熔點、熱膨脹性、導熱性、導電性和磁性等。如強度、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工程材料的力學性能——指金屬材料在外力作用下所表現(xiàn)出來的特性。作用：材料檢驗、零件設計計算、材料選擇、評定工藝質(zhì)量的重要依據(jù)。內(nèi)容：強度、硬度、彈性、塑性、韌性等。1.強度和塑性強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。

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

常用的塑性指標：

延伸率δ，δ=×100％

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

應力與應變的比值σ/ε稱為彈性模數(shù)E（MN/㎡）。E標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局部塑性變形的抗力?，F(xiàn)在都用壓入硬度法測定。常用的硬度指標有：i.布氏硬度（HB）優(yōu)點：測量數(shù)值穩(wěn)定，準確，能較真實地反映材料的平均硬度；缺點：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HBS或HBW之前的數(shù)字表示硬度值，符號后面的數(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測得的布氏硬度值為120。HBS——表示用淬火鋼球壓頭測量的布氏硬度值。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：優(yōu)點：測量迅速、簡便、壓痕小、硬度測量范圍大；缺點：數(shù)據(jù)準確性、穩(wěn)定性、重復性不如布氏硬度。洛氏硬度測量范圍：可用于成品和薄件，但不宜測量組粗大不均勻的材料（如上表所示）iii.維氏硬度（HV）

維氏硬度測量原理：與布氏硬度相似。采用相對面夾角為136°金剛石正四棱錐壓頭，以規(guī)定的試驗力F壓入材料的表面，保持規(guī)定時間后卸除試驗力，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：測量范圍大，可測量硬度為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展的能力，是度量材料的韌性好壞的一個定量指標。在加載速度和溫度一定的條件下，對某種材料而言