1 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu).ppt

1、緒論一、一、材料發(fā)展史材料(materials )是人類用于制造各種產(chǎn)品的物質(zhì)，比人類先存在，是人類生活和生產(chǎn)的物質(zhì)基礎(chǔ)。 反映人類社會(huì)文明的水平。 1 .石器時(shí)代：猿人到原始人的漫長(zhǎng)進(jìn)化過(guò)程。 原料：燧石和石英石。 2 .新石器時(shí)代：從原始社會(huì)末期開(kāi)始用火制作陶器。 3 .青銅時(shí)代：夏(公元前2140年開(kāi)始)在先到4 .鐵元素器時(shí)代：春秋戰(zhàn)國(guó)(公元前770221年)開(kāi)始大量使用鐵元素器，2，5 .鐵元素鋼新時(shí)代18世紀(jì)前人們對(duì)材料的認(rèn)識(shí)不合理，停留在手藝人和藝人的水平。 此后西歐和露西亞的工業(yè)迅速發(fā)展，鐵元素鋼需求急劇增加，推動(dòng)了新學(xué)科金屬學(xué)的發(fā)展。 人們開(kāi)始合理地認(rèn)識(shí)材料了6.20世紀(jì)以來(lái)

2、支撐現(xiàn)代人類文明大廈的四大支柱技術(shù)：材料科學(xué)和技術(shù)、生物科學(xué)和技術(shù)能源科學(xué)和技術(shù)、信息科學(xué)和技術(shù)20世紀(jì)5、60年代鐵元素鋼基本達(dá)到了鼎盛期，其他新材料迅速發(fā)展。 有機(jī)合成材料、復(fù)合材料、陶瓷材料、功能材料等。 出現(xiàn)了許多新的材料學(xué)科。 材料的品種、數(shù)量和質(zhì)量已成為衡量國(guó)家技術(shù)和國(guó)防力量的重要標(biāo)識(shí)牌之一。 據(jù)粗略估計(jì)，目前世界材料達(dá)到50萬(wàn)種以上，今后也會(huì)以每年25萬(wàn)種的速度增加。 3、材料原子(或分子)的相互作用在多個(gè)原子(或分子)位于凝聚態(tài)時(shí)，在它們之間結(jié)合地相互作用。 由于不同組成物質(zhì)的原子結(jié)構(gòu)不同，原子間的鍵的性質(zhì)和狀態(tài)有很大差異。 4、1、絡(luò)離子結(jié)合正電性金屬原子和負(fù)電性非金屬原子形

3、成化合物時(shí)，由于外層電子的再分布和正、負(fù)絡(luò)離子間的靜電作用而相互結(jié)合，因此該結(jié)合結(jié)合被稱為絡(luò)離子結(jié)合。 離子晶體硬度高，強(qiáng)度大，脆性大。 例如氯化納金屬釷、塞拉混合雙打。 5、2、共價(jià)鍵是指相同的原子或性質(zhì)差異不大的兩個(gè)原子相互接近時(shí)，這些原子之間沒(méi)有電子轉(zhuǎn)移。 此時(shí)原子間通過(guò)共有電子對(duì)產(chǎn)生的力而結(jié)合，這種結(jié)合方式稱為共價(jià)鍵。 結(jié)合力大、硬度高、強(qiáng)度大、脆性大、熔點(diǎn)高、沸點(diǎn)高、揮發(fā)性低。 金剛石、SiC、BN等6、3、金屬鍵金屬的自由原子結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是外層電子少，電離能小。 這決定了這些個(gè)與其他元素體結(jié)合，形成容易失去外層價(jià)電子的陽(yáng)絡(luò)離子的傾向很大。 通過(guò)金屬正絡(luò)離子和自由電子之間的靜電作用，金

4、屬原子結(jié)合形成金屬整體，這種結(jié)合方式稱為金屬鍵。 具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，有正的電阻溫度系數(shù)，不透明，有特有的金屬光澤，有良好的塑性形變能力，韌性好。 7、4、分子鍵自由原子態(tài)形成穩(wěn)定電子層層的惰性瓦斯氣體He、Ne、Ar等和分子狀態(tài)的H2、N2、02等在低溫時(shí)可以與液體或固體結(jié)合，在該結(jié)合過(guò)程中不給予或接受電子。 這種存在于中性的原子或分子間的結(jié)合力稱為分子鍵。 硬度低，熔點(diǎn)低，具有良好的絕緣性。 例如高分子材料的塑料。 8、5、氫鍵是一種特殊的分子間作用力。 負(fù)極性大、原子半徑小的2種原子與氫原子結(jié)合時(shí)，氫原子和一個(gè)原子之間形成共價(jià)鍵，在另一個(gè)原子之間形成氫鍵。 FHF、OHO、NHO等

5、。氫鍵的本質(zhì)是靜電吸引力，具有飽和性和方向性。 9、結(jié)晶鍵的強(qiáng)度用結(jié)合能表示，是指結(jié)晶分解為單一原子(或分子)的工作，或者是通過(guò)單一原子凝聚形成結(jié)晶而釋放的能量，用Jmol表示。 原子晶體和絡(luò)離子結(jié)合晶體的結(jié)合能為約10 5(Jmol )級(jí)，金屬鍵晶體的結(jié)合能為約104(Jmol )級(jí)，分子鍵晶體的結(jié)合能為約103(Jmol )級(jí)。 因此，原子晶體與絡(luò)離子結(jié)合結(jié)晶的結(jié)合最強(qiáng)，金屬鍵結(jié)晶其次是分子鍵結(jié)晶最弱。、10、11、2、工程材料學(xué)任務(wù)工程材料：制造工程結(jié)構(gòu)和機(jī)械零件使用的材料工程材料學(xué)：是材料學(xué)的實(shí)用部分，主要闡述結(jié)構(gòu)材料的成分、組織、性能和應(yīng)用等方面的一般規(guī)律。工程材料課程的基本要求(教

6、學(xué)目標(biāo)):1 .了解常用工程材料的成分、結(jié)構(gòu)、組織與性能的關(guān)系和變化規(guī)律。 2 .掌握常用工程材料的種類、品種、性能及用途。 對(duì)典型的機(jī)械零件和手工工具等合理且正確地選定工程材料。 3 .準(zhǔn)確選擇一般零配件的熱處理工藝方法，具有確定熱處理工藝位置的初步能力。 4 .對(duì)不同材料零配件的故障具有一定的問(wèn)題分析和解決能力。12、13、三材料分類1、金屬材料黑色金屬鐵元素和基于鐵元素的合金(鋼、鑄鐵元素等)除非鐵金屬黑色金屬以外的所有金屬及其合金。 2 .高分子材料塑料主要指工程塑料。 分為熱塑性和熱固性塑料。 合成纖維由單體聚合而成，進(jìn)一步經(jīng)機(jī)械處理而成為纖維材料。 橡膠經(jīng)過(guò)硫化處理，是彈性很好的聚

7、合物。 通用和特種橡膠膠粘劑分為樹(shù)脂型、橡膠型和混合型。14、3蜂窩混合雙打材料的一般蜂窩混合雙打主要是硅元素、鋁氧化物的硅酸鹽材料，也是特殊蜂窩混合雙打的高熔點(diǎn)氧化物、碳化物、氮化物等燒結(jié)料。 金屬陶瓷是在蜂窩混合雙打制造工藝中制造的金屬和碳化物或其他化合物的粉末制品。 4復(fù)合材料是兩種以上材料的組合。 按沉積基質(zhì)相的種類，有聚合物化學(xué)基、金屬化學(xué)基、陶瓷化學(xué)基、黑金屬鉛化學(xué)基等。 按用途：結(jié)構(gòu)、功能、知識(shí)分子二烯烴復(fù)合材料。 本部分要點(diǎn)如下：1)工程材料的概念制造工程結(jié)構(gòu)和用于機(jī)械零件的材料2 )工程材料的分類金屬材料黑色金屬材料非鐵金屬及其合金有機(jī)高分子材料塑料橡膠等陶瓷材料復(fù)合材料，1

8、5、16、結(jié)晶材料中的原子(絡(luò)離子、分子)以三度空間而規(guī)則且周期性地排列非晶質(zhì)體原子不規(guī)則地堆積，也稱為“過(guò)冷液體”。 第一章材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.1固體材料的結(jié)構(gòu)、12金屬的結(jié)晶結(jié)構(gòu)、1 )結(jié)晶(從宏命令上看)的特征：其原子在空間中有規(guī)律地排列。 結(jié)晶性能：具有一定的熔點(diǎn)和凍結(jié)點(diǎn)，呈各向異性現(xiàn)象。 17、18、晶體結(jié)構(gòu)、原子(絡(luò)離子)的剛球模型、19、晶格模型、x、y、z、a、b、c、晶面通過(guò)原子中心的平面、晶格單元：晶格的基本單位。 22，23，3 )常見(jiàn)的金屬晶格形式體心立方晶格的特點(diǎn)：具有相當(dāng)高的強(qiáng)度和良好的塑性。 該晶格的金屬包括鉻、鉬、鎢、釩和鐵元素(0 912，F(xiàn)e )等。 光柵常數(shù)

9、： a=b=c；=90、單元原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.68致密度=Va /Vc，其中Vc:單元體積a3 Va:原子總體積24r3/3該晶格的金屬為鋁、鋼、鎳和鐵元素(912 1394，F(xiàn)e )等. 光柵常數(shù)： a=b=c； 晶格原子數(shù)：原子半徑：原子密度：0.74、 光柵常數(shù)：底面邊長(zhǎng)a底面間距c側(cè)面間角120側(cè)面與底面所成的角90、單元原子數(shù)： 6、原子半徑： a/2、致密度：0. 74多晶體由許多外形不規(guī)則的晶粒(簡(jiǎn)稱晶粒)組成。 在這些個(gè)的晶粒內(nèi)還堆積著整齊的晶胞。 各晶粒間的界面晶界。 29、晶粒的大小與金屬的制造和處理方法有關(guān)，其直徑一般在10.001mm之間。 多晶體中，由于各

10、晶粒的位置不同，其各向異性現(xiàn)象被抵消，引起各向異性現(xiàn)象性能幾乎相同的現(xiàn)象，據(jù)說(shuō)各向同性晶粒體積越大，強(qiáng)度、韌性等綜合力學(xué)性能越差。 晶粒體積越小，強(qiáng)度、韌性等綜合力學(xué)性能越好。 (30，2 )晶體缺陷(1)點(diǎn)缺陷是在三度空間的所有方向上尺寸小、尺寸范圍約為1個(gè)或數(shù)個(gè)原子間距的缺陷。 空穴中，間隙原子置換原子等31、(2)線缺陷是指3個(gè)維度空間的二維方向的尺寸小，而一維方向的尺寸相對(duì)大的缺陷。 屬于這種缺陷的主要是各種類型的位錯(cuò)。 32、位錯(cuò)在晶體中的某處發(fā)生了一列或多列原子有規(guī)律的位錯(cuò)現(xiàn)象。 變位最基本的形狀是刃型變位螺型位錯(cuò)，(3)面缺陷是指在三度空間的一維度方向上尺寸小，在其他的二次元方向

11、上尺寸大的缺陷。 最常見(jiàn)的面缺陷是金屬中的晶界和亞晶界。 33、實(shí)際金屬中的缺陷對(duì)材料力學(xué)性能的影響為：點(diǎn)缺陷的存在，可以提高材料的硬度和強(qiáng)度，降低材料的塑性和韌性，增加位錯(cuò)密度可以提高金屬?gòu)?qiáng)度， 塑性隨之降低的面缺陷可以提高金屬材料的強(qiáng)度和塑性，使晶粒細(xì)化是改善金屬力學(xué)性能的有效手段，34、在本節(jié)中為結(jié)晶、晶格和晶格三種典型晶格型晶粒大小和性能的關(guān)系結(jié)晶缺陷類型，35，1.2.3金屬晶體過(guò)程， 凝固的基本概念所有物質(zhì)從液體向固體的轉(zhuǎn)變過(guò)程1，晶體的晶體可以通過(guò)凝固形成晶體結(jié)構(gòu)1 )平衡晶體溫度，36，37這種現(xiàn)象稱為過(guò)冷。 理論結(jié)晶溫度Tm與實(shí)際結(jié)晶溫度T1之差稱為過(guò)冷度。 38、蒸發(fā)制冷速

12、度越大，過(guò)蒸發(fā)制冷度越大。 2、非晶質(zhì)體的凝固是非晶質(zhì)體凝固過(guò)程中熔體實(shí)質(zhì)上粘滯系數(shù)連續(xù)增大的過(guò)程，非晶質(zhì)體固體可以看作是粘滯系數(shù)大的“熔體”。 因此，非晶質(zhì)體的凝固在溫度范圍內(nèi)逐漸完成。 39、40、純金屬晶體、1、晶體和結(jié)晶過(guò)程晶體金屬?gòu)囊簯B(tài)變?yōu)榫B(tài)(固體)的過(guò)程。 晶化過(guò)程可分為晶核生長(zhǎng)、41、液態(tài)金屬、形核、晶核生長(zhǎng)兩個(gè)階段，非自發(fā)形核是附著在外來(lái)雜質(zhì)上而生成的晶核。43、(2)晶核生長(zhǎng)過(guò)程、兩種生長(zhǎng)方式平面生長(zhǎng)樹(shù)枝狀生長(zhǎng)。 影響平面生長(zhǎng)、樹(shù)枝狀生長(zhǎng)、2、成核和生長(zhǎng)的因素(1)過(guò)冷度的影響(2)高熔點(diǎn)雜質(zhì)的影響、44、3、晶粒尺寸和(1)控制晶粒度的概念晶粒度是晶粒尺寸的尺度，表示使用

13、或每單位面積的晶粒數(shù)ZJ。 也可以用晶粒的平均線長(zhǎng)(或直徑)表示。 45、46、晶粒度分為8個(gè)階段，微結(jié)晶強(qiáng)化晶粒的微細(xì)化使金屬機(jī)械性能提高的現(xiàn)象，比較：微結(jié)晶強(qiáng)化-強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性固溶強(qiáng)化-強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性，2 )晶粒直徑的控制(3)攪拌振動(dòng)、機(jī)械振動(dòng)、超聲震蕩或電磁攪拌等。 振動(dòng)作用：破碎枝狀晶，增加結(jié)晶核數(shù)，細(xì)化晶粒。 47、再結(jié)晶(同質(zhì)瓦斯氣體轉(zhuǎn)變)、1 )概念少數(shù)金屬隨溫度變化晶格也變化的現(xiàn)象稱為同質(zhì)瓦斯氣體轉(zhuǎn)變。(48、純鐵元素的冷卻曲線、t、0、1534、1394、912、768、液體3 )結(jié)論變化時(shí)，體積也變化。 是黑色金屬材料能夠通過(guò)各種熱處理工藝改變其組織和性能

14、的內(nèi)因和依據(jù)。 總結(jié)、重點(diǎn)要求1 .過(guò)冷度概念、晶粒度的影響因素。 2 .晶粒大小的控制方法。 一般要求1 .同型瓦斯氣體異性轉(zhuǎn)移。 49、1.3高分子化合物的組成和結(jié)構(gòu)，高分子分子中含有原子數(shù)多、分子量大的物質(zhì)。 一種或幾種簡(jiǎn)單的低分子聚合而成的大分子鏈結(jié)構(gòu)。 也稱為高分子化合物。 50、在長(zhǎng)鏈且結(jié)構(gòu)相同的重復(fù)單位網(wǎng)絡(luò)鏈接，例如在聚乙烯管中，CH2CH2是1個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈接。 的雙曲馀弦值。 重復(fù)的網(wǎng)絡(luò)鏈接數(shù)稱為聚合度。 的雙曲馀弦值。 由多個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈接組成的具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)能力的最小運(yùn)動(dòng)針織面料段。 大分子鏈的形態(tài)、高分子化合物的結(jié)構(gòu)形式，根據(jù)其大分子鏈的幾何形狀，線狀結(jié)構(gòu)可以從許多網(wǎng)絡(luò)鏈接中分離為一個(gè)長(zhǎng)鏈。 體型結(jié)構(gòu)是在分子鏈和分子鏈之間多個(gè)網(wǎng)絡(luò)鏈接相互架橋，形成網(wǎng)狀或立體結(jié)構(gòu)。 51、大分子鏈的構(gòu)象及柔順性、單鍵內(nèi)旋的原子在空間中占據(jù)不同位置構(gòu)成的分子鏈的各種圖象被稱為大分子鏈的構(gòu)象。 由于大分子鏈結(jié)構(gòu)的頻繁變化，大分子鏈既可以擴(kuò)展伸縮，也可以擴(kuò)展卷縮。 從大分子這個(gè)構(gòu)象變化，可以得到不同的收縮程度的特性稱為大分子鏈的依從性。 影響大分子鏈依從性的因素有主鏈結(jié)構(gòu)和取代化學(xué)基兩種。 52、高分子化合物的凝聚態(tài)結(jié)構(gòu)是