材料結(jié)構(gòu)與性能

材料科學導論——材料結(jié)構(gòu)與性能一、材料的結(jié)構(gòu)1.1材料的結(jié)合方式化學鍵：組成物質(zhì)整體的質(zhì)點（原子、分子或離子）間的相互作用力。材料是由原子或分子構(gòu)成的。原子之間有結(jié)合力，也稱結(jié)合鍵。

鍵：離子鍵、共價鍵、金屬鍵、分子鍵、氫鍵等。

本質(zhì)上是正負離子間的靜電吸引作用，主要存在于晶體化合物中，是化學鍵中重要的鍵合方式之一。離子鍵：共價鍵

本質(zhì)上是原子間通過共用電子或電子云重疊而產(chǎn)生的結(jié)合鍵，是另一種重要的化學鍵。金屬鍵——由金屬中的自由電子和金屬正離子之間相互作用所構(gòu)成的鍵合，來源于失去最外層電子的金屬原子所構(gòu)成的。1.2材料的結(jié)構(gòu)

材料的結(jié)構(gòu)決定材料的性質(zhì)，性質(zhì)是結(jié)構(gòu)的外在反映，對材料的使用性能有決定性影響，而使用性能又與材料的使用環(huán)境密切相關(guān)。

材料的結(jié)構(gòu)取決于其組成、形成條件（包括制備工藝及加工過程）等因素。材料科學要解決的問題就是研究材料的組成與結(jié)構(gòu)、合成與加工、性質(zhì)、使用性能以及環(huán)境之間的相互關(guān)系及制約規(guī)律。材料結(jié)構(gòu)層次

第一個層次是原子及電子結(jié)構(gòu)。

第二個層次是原子的空間排列。第三個層次是組織結(jié)構(gòu)或相結(jié)構(gòu)。

原子中電子的排列在很大程度上決定原子間的結(jié)合方式，決定材料類型（金屬、非金屬、聚合物等），決定材料的熱學、力學、光學、電學、磁學等性質(zhì)。第一個層次是原子及電子結(jié)構(gòu)。

如果材料中的原子排列非常規(guī)則且具有嚴格的周期性，就形成晶態(tài)結(jié)構(gòu)；反之則為非晶態(tài)結(jié)構(gòu)。

不同的結(jié)晶狀態(tài)具有不同的性能，如玻璃態(tài)的聚乙烯是透明的，而結(jié)晶聚乙烯是半透明的。

第二個層次是原子的空間排列。（1）空間點陣：由幾何點做周期性的規(guī)則排列所形

成的三維陣列。特征：a原子的理想排列；b有14種。其中：陣點－空間點陣中的點。它是純粹的幾何點，各點

周圍環(huán)境相同。晶格－描述晶體中原子排列規(guī)律的空間格架。晶胞－空間點陣中最小的幾何單元。（2）晶體結(jié)構(gòu)：原子、離子或原子團按照空間點陣的實際排列。特征：a可能存在局部缺陷；

b可有無限多種。空間點陣與晶體結(jié)構(gòu)：根據(jù)晶胞參數(shù)的特征，可將所有晶體分為七種晶系十四種晶格（三斜、單斜、正交、六交、菱方、四方、立方）典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征

三種常見晶體結(jié)構(gòu)

面心立方（A1,FCC）體心立方（A2,BCC）密排六方（A3,HCP）

1）晶胞原子數(shù)

4；2；62）原子半徑

r=；

r=；

r=

。常見的晶體結(jié)構(gòu)（1）體心立方晶格body-centered

cubic

（bcc）（2）面心立方晶格face

centered

cubic

（fcc）（3）密排六方晶格

hexagonal

close

packed

（hcp）第三個層次是組織結(jié)構(gòu)或相結(jié)構(gòu)。

晶粒之間的原子排列變化，改變了它們之間的取向，從而影響材料的性能。其中晶粒的大小和形狀起關(guān)鍵作用。另外，大多數(shù)材料屬于多相材料，其中每一相都有自己獨特的原子排列和性能，因而控制材料結(jié)構(gòu)中相的種類、大小、分布和數(shù)量就成為控制性能的有效方法。1.3實際晶體結(jié)構(gòu)單晶體與多晶體:多晶體具有晶界1.4晶體缺陷(1)點缺陷：空位、間隙原子和置換原子等。(2)線缺陷：刃型位錯模型主要是位錯，位錯是一種極為重要的晶體缺陷，對金屬強度、塑性變形、擴散和相變等有顯著影響。（3）面缺陷:有晶界、亞晶界1.5.1合金的相、組織及其關(guān)系相是合金中具有同一聚集狀態(tài)、相同晶體結(jié)構(gòu)，成分和性能均一，并以界面相互分開的組成部分

1.5合金的晶體結(jié)構(gòu)

合金組織是用金相顯微鏡觀察法，在金屬及合金內(nèi)部看到的涉及各相大小、方向、形狀、排列狀況等組成關(guān)系和構(gòu)造情況。相(形貌、多少、大小、分布）構(gòu)成組織決定

合金性能

間隙固溶體1.5.2固溶體

A＋B＝C,

但C與A或B的晶格類型、性能很相似置換固溶體晶格畸變固溶強化，即合金的強度、硬度增加，塑性、韌性下降3.間隙化合物：1.正常價化合物：常見于陶瓷材料。2.電子化合物：熔點和硬度都很高，而塑性較差，是有色金屬中的重要強化相。間隙相——簡單晶格，如VC、W2C，具有極高的熔點和硬度，同時脆性也很大，是高速鋼和硬質(zhì)合金中的重要強化相

間隙化合物——復雜結(jié)構(gòu)，如Fe3C（滲碳體）是鐵碳合金中重要組成相，具有很高的熔點和硬度，脆性較大也是鋼中重要的強化相之一。但效果稍弱于間隙相1.5.3金屬間化合物（中間相）

A＋B＝C，但C完全不同于A或B組元

2.材料的性能材料的性能:包括使用性能和工藝性能

使用性能:力學(機械)性能、物理性能化學性能

工藝性能:切削加工、鑄造、鍛壓、焊接和熱處理性能1.固溶體與固溶強化固溶體:在提高強度同時仍保持其良好的塑性和韌性?？沙Ｓ糜谥圃旄鞣N冷成形件。2.1合金性能2.化合物與第二相強化化合物為高熔點、高硬度和高脆性，因此是作為第二相與固溶體組成復相合金材料，稱此為第二相強化。希望其呈細小顆粒狀均勻分布，工具鋼中常用。2.1力學性能

拉伸曲線

E為材料的剛度，主要取決于材料成分，反映了材料內(nèi)部原子間結(jié)合鍵的強弱,而材料的組織變化對其無明顯影響。

1.強度（1）彈性和剛度：σe——彈性極限

E=σ/ε（2）σs——是要求材料不發(fā)生明顯塑性變形時的設計參數(shù)（3）σb——是要求材料不發(fā)生斷裂時的設計參數(shù)σs、σb------對組織敏感的參數(shù)，合金化、熱處理、冷(熱)加工對其會產(chǎn)生很大的影響。

2.塑性---

延伸率δ斷面收縮率ψ壓力加工的前提提高零件使用的可靠性,防止突然斷裂

3.硬度——是材料抵抗局部變形的能力1）布氏硬度HB

2）洛氏硬度HRC

3)維氏硬度HV

HRC：

HB：HBS——適于測定退火、正火、調(diào)質(zhì)鋼、鑄鐵及有色金屬

HBW——適于測定淬火鋼件優(yōu)點：準確；σb=K×HBS缺點：不適于成品件和薄件；麻煩優(yōu)點：方便；可軟、硬金屬，也可薄件；壓痕小;

適于成品件缺點：重復性差2.2物化性能比強度：飛機常選用鋁合金作為結(jié)構(gòu)材料；子彈頭灌鉛以增加慣性（鉛的密度12）熔點：鉛的熔點為600K——做保險絲鎳的熔點為1726K——做高溫合金鎢的熔點為3680K