材料的結(jié)構(gòu)域凝固

第三章材料的結(jié)構(gòu)與凝固第三章材料的結(jié)構(gòu)與凝固

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。第一節(jié)材料的結(jié)合方式

一、結(jié)合鍵

組成物質(zhì)的質(zhì)點(diǎn)（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(jià)鍵、離子鍵、金屬鍵、分子鍵。

1.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)如圖所示。

性能特點(diǎn)：離子晶體的硬度高、強(qiáng)度大、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。

2.共價(jià)鍵

形成：元素周期表中的ⅣA、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(shí)，原子間不產(chǎn)生電子的轉(zhuǎn)移，以共價(jià)電子形成穩(wěn)定的電子滿殼層的方式實(shí)現(xiàn)結(jié)合。這種由共用電子對(duì)產(chǎn)生的結(jié)合鍵稱為共價(jià)鍵。氧化硅中硅氧原子間共價(jià)鍵，其結(jié)構(gòu)如圖所示。性能特點(diǎn)：共價(jià)鍵結(jié)合力很大，所以共價(jià)晶體的強(qiáng)度、硬度高、脆性大，熔點(diǎn)、沸點(diǎn)高，揮發(fā)度低。

3.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(diǎn)：

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。

4.分子鍵

形成：一個(gè)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(diǎn)很低，硬度也低。但其絕緣性良好。

二、工程材料的鍵性

(補(bǔ)充)

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。表1-1結(jié)合鍵的特性

離子鍵

共價(jià)鍵金屬鍵結(jié)構(gòu)特點(diǎn)

無方向性或方向性不明顯，配位數(shù)大

方向性明顯，配位數(shù)小，密度小

無方向性，配位數(shù)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(diǎn)高，膨脹系數(shù)小，熔體中有離子存在

熔點(diǎn)高，膨脹系數(shù)小，熔體中有的含有分子

有各種熔點(diǎn)，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(duì)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

1.金屬材料

絕大多數(shù)金屬材料的結(jié)合鍵是金屬鍵，少數(shù)具有共價(jià)鍵(如灰錫)和離子鍵（如金屬間化合物Mg3Sb2）。

2.陶瓷材料

陶瓷材料的結(jié)合鍵是離子鍵和共價(jià)鍵，大部分材料以離子鍵為主。

3.高分子材料

高分子材料的結(jié)合鍵是共價(jià)鍵和分子鍵，即分子內(nèi)靠共價(jià)鍵結(jié)合，分子間靠分子鍵結(jié)合。以四種鍵為頂點(diǎn)作一個(gè)四面體，就可以把材料的結(jié)合鍵范圍示意地表示在這個(gè)四面體上，具體材料的特性見圖。

三、晶體與非晶體

通常按原子在物質(zhì)內(nèi)部的排列規(guī)則性將物質(zhì)分為晶體和非晶體。

結(jié)合鍵四面體

2.非晶體

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(diǎn)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(diǎn)；④熱導(dǎo)率（導(dǎo)熱系數(shù)）和膨脹性??；⑤在相同應(yīng)力作用下，非晶體的塑性形變大；⑥組成非晶體的化學(xué)成分變化范圍大。

3.晶體與非晶體的轉(zhuǎn)變

非晶體的結(jié)構(gòu)是短程有序，晶體內(nèi)部雖存在長(zhǎng)程有序結(jié)構(gòu)，但在小范圍內(nèi)存在缺陷，即存在著無序性。物質(zhì)在不同條件下，既可形成晶體結(jié)構(gòu)，又可形成非晶體結(jié)構(gòu)，例如晶體玻璃的形成。

1.晶體

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(diǎn)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(diǎn)；④在一定條件下有規(guī)則的幾何外形。

進(jìn)入下一節(jié)純金屬是指具有正的電阻溫度系數(shù)及金屬特性的一類物質(zhì)。合金是指由兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬元素經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成，具有金屬特性的一類物質(zhì)。

一、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

（一）晶體的基本概念

1.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(gè)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)。

3.2金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)

⑵晶格常數(shù)a=b=c,α=β=γ=90°。⑶原子半徑。

⑷晶胞所含原子數(shù)2個(gè)原子。⑸配位數(shù)8。⑹致密度68%。⑺具有體心立方晶格的金屬：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余種金屬。

1.體心立方晶格（bcc晶格）

⑴原子排列特征體心立方晶格的晶胞如圖所示。

（二）常見金屬的晶格類型

⑵晶格常數(shù)a=b=c,α=β=γ=90°。⑶原子半徑。⑷晶胞所含原子數(shù)4個(gè)原子。⑸配位數(shù)12。⑹致密度74%。⑺具有面心立方晶格的金屬：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。

2.面心立方晶格（fcc晶格）

⑴原子排列特征面心立方晶格的晶胞如圖所示。

⑵晶格常數(shù)⑶原子半徑⑷晶胞所含原子數(shù)6個(gè)原子。⑸配位數(shù)12。⑹致密度74%。⑺具有密排六方晶格的金屬：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。

3.密排六方晶格（hcp晶格）

⑴原子排列特征密排六方晶格的晶胞如圖所示。

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。

（四）金屬的實(shí)際結(jié)構(gòu)與晶體的缺陷

一塊晶體內(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(shí)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(diǎn)缺陷

點(diǎn)缺陷是指在三維尺度上都很小而不超過幾個(gè)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(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生了扭曲—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。

點(diǎn)缺陷：是零維缺陷，包括空位、間隙原子、置換原子等；Material缺陷在空間的分布情況

2.線缺陷

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(cuò)。所謂位錯(cuò)是指晶體中一部分晶體相對(duì)另一部分晶體發(fā)生了一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。第一個(gè)圖為刃型位錯(cuò)，第二個(gè)圖為螺型位錯(cuò)。

線缺陷：缺陷在空間的分布情況是一維缺陷，即位錯(cuò)，位錯(cuò)包括刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)兩種；Material如圖即是一種位錯(cuò)（刃型位錯(cuò)）的示意圖

(注:補(bǔ)充)位錯(cuò)密度可用單位體積中位錯(cuò)線總長(zhǎng)度來表示，即式中，ρ為位錯(cuò)密度（m-2）；ΣL為位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度（m）；V為體積（m3）。位錯(cuò)的存在極大地影響金屬的力學(xué)性能，如圖所示。

3.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(b)所示。晶界、亞晶界處具有許多特殊性能。

面缺陷：是二維缺陷，包括晶界、相界、孿晶界、堆垛層錯(cuò)等；Material(a)孿晶的幾何模型示意圖(b)孿晶的顯微結(jié)構(gòu)示意圖(缺陷在空間的分布情況)

二、合金的相結(jié)構(gòu)

組成合金的最基本獨(dú)立單元叫做組元。由兩個(gè)組元組成的合金稱為二元合金，由三個(gè)組元組成的合金稱為三元合金。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狀、尺寸、分布和各相之間的組合狀態(tài)。

固態(tài)合金中的相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。

（一）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，另一組元為溶質(zhì)。

1.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。

2.固溶體的性能

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，常作為結(jié)構(gòu)合金的基體相。

（二）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(diǎn)是熔點(diǎn)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）。

1.正常價(jià)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(jià)規(guī)律，此類化合物稱為正常價(jià)化合物。例如：Mg2Si、Cu2Se、ZnS、AlP等。性能特點(diǎn)是硬度高、脆性大。

2.電子化合物

組元間形成化合物不遵守化合價(jià)規(guī)律，但符合一定電子濃度（化合物中價(jià)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(diǎn)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。

3.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。⑴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(shí)，形成具有簡(jiǎn)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(diǎn)及硬度，非常穩(wěn)定，見表1-7。化學(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(jiǎn)單六方MX2VC2，CeC2，ZrH2，TiH2，LaC2面心立方表1-6間隙相的化學(xué)式及晶格類型表1-7鋼中常見間隙化合物的硬度及熔點(diǎn)類型簡(jiǎn)單結(jié)構(gòu)間隙化合物復(fù)雜結(jié)構(gòu)間隙化合物化學(xué)式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23C6Fe3C硬度HV28502840201020501550173014801650～800熔點(diǎn)/℃30803472±2026503680±5039802785±5252715771227

⑵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(shí)，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。

進(jìn)入下一節(jié)晶界(補(bǔ)充)晶界的定義 多晶體金屬中相鄰晶粒之間的界面稱為晶界，晶界是金屬材料中最常見且對(duì)材料力學(xué)性能影響最大的面缺陷。晶界的類型及結(jié)構(gòu)

根據(jù)相鄰晶粒之間的晶體位向差（θ角），可將晶界分為小角度晶界和大角度晶界。小角度晶界

θ<10°的晶界，稱作小角度晶界，基本上由位錯(cuò)組成。大角度晶界

θ>10°的晶界，稱作大角度晶界，結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜。晶界的特性晶界的許多特