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文檔簡介
第一章材料結(jié)構(gòu)的基本知識結(jié)構(gòu)材料:(強度、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)計及加工融合在一起所決定的因素。產(chǎn)品設(shè)計因素對使用性能的影響材料科學(xué)與工程的四個要素組織結(jié)構(gòu)是核心,性能是材料研究工作的落腳點
第一章材料結(jié)構(gòu)的基本知識●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
“結(jié)構(gòu)”含義豐富,大致分四個層次: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(帶負電荷)構(gòu)成。
電子運動的軌道由四個量子數(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,是確定電子離核遠近和能級高低的主要參數(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表示在每個狀態(tài)下可存在自旋方向相反的兩個電子。
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量子數(shù)有關(guān),且服從兩個基本原理:1.Pauli不相容原理(Pauli
principle):一個原子中不可能存在四個量子數(shù)完全相同的兩個電子。
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、線膨脹系數(shù))、化學(xué)性質(zhì)(電負性)及其原子半徑都呈現(xiàn)周期性變化價電子:電負性:用來衡量原子吸引電子能力的參數(shù)。根據(jù)量子力學(xué),各個殼層的S態(tài)、P態(tài)中電子的充滿程度對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)鍵或主價鍵,鍵力由弱到強依次是:金屬鍵→離子鍵→共價鍵二次鍵(secondarybonding):又稱物理鍵或次價鍵,主要有范德華鍵和氫鍵兩種。一、一次鍵(化學(xué)鍵、主價鍵)
1.金屬鍵(metallicbond)
特點:結(jié)合力較強,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:
結(jié)合力較強,有飽和性,無方向性離子晶體的特性:(1)硬度、熔點高,強度大(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如下:
1.金屬原子放棄一個外層電子,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電荷,雙雙均成為離子。
3.離子鍵的大小在離子周圍各個方向上都是相同的,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也較高。圖
Cl和Na離子保持r0的距離
圖
NaCl晶體3.共價鍵(covalentbond)
特點:結(jié)合極為牢固,有明顯的方向性和飽和性。共價晶體的特點:(1)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(2)熔點高(3)硬度高,脆性大(4)導(dǎo)電能力差3.共價鍵(covalentbond)
特點:結(jié)合極為牢固,有明顯的方向性和飽和性。共價晶體的特點:(1)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定(2)熔點高(3)硬度高,脆性大(4)導(dǎo)電能力差3.共價鍵(covalentbond)
二、二次鍵(物理鍵、次價鍵)
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、次價鍵)
靠原子之間的偶極吸引結(jié)合而成
1.范德華鍵特點:
鍵力低于一次鍵,
沒有方向性、飽和性2.氫鍵2.氫鍵特點:(1)結(jié)合力比范德華鍵強(2)表達式:X-H…Y(3)有飽和性、方向性對高分子材料重要三.混合鍵金屬中也有共價鍵、離子鍵混和;陶瓷中離子鍵與共價鍵混合。可用下式確定AB中離子結(jié)合的相對值。離子結(jié)合(%)=例:MgOXMg=1.31,XO=3.44(電負性)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: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較高的相對原子質(zhì)量;②金屬鍵沒有方向性和飽和性,達到密排結(jié)構(gòu).
◆陶瓷達不到密排結(jié)構(gòu),密度較低:
①共價鍵有飽和性;
②離子鍵要滿足正負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§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:形核與長大過程晶核:結(jié)晶時形成的很多核心(有序原子團)。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)域為一個晶粒。晶界:晶粒與晶粒間的分界面。單晶體:僅由一個晶粒組成的晶體,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:單相不銹鋼(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:對材料的性能有重要影響。尺寸越小,強度越高,塑性、韌性越好—
細晶強化強化材料的四種途徑:固溶強化、彌散強化、加工硬化、細晶強化?!锞ЯP螤睿旱容S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)晶時只形成一個晶核,并由這個晶核長成一個單晶體。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)的飛機發(fā)動機葉片§1.4晶體材料的組織
鍛壓、軋制等方法八級標(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材料性能的影響。★若兩相晶粒尺度相當(dāng),且為等軸狀,均勻交替分布則:★若兩相晶粒尺度相差甚遠,尺寸較小的相以球狀、點狀、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—
彌散強化★第二相在基體相的晶界上分布若第二相不連續(xù),對性能影響不大若第二相連續(xù)分布于晶界,對性能影響較大§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
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