大工14春《机械工程材料》辅导资料3.doc

大连理工大学网络教育学院机械工程材料辅导资料三主 题：第2章 材料的结构学习时间：2014年4月14日-4月20日内 容：这周我们将开始对本课程课件第2章的学习，即材料的结构。具体学习内容如下：一、学习要求1.掌握各类结合键的概念：离子键、共价键、金属键、分子键。2.掌握晶体结构的基本概念：包括晶格、晶胞、立方晶系的晶面和晶向表示方法。3.掌握高分子化合物的组成及大分子链的结构。4.掌握扩散的宏观规律的基本内容。5.理解各类材料的结构：金属的晶态结构与非晶态结构，陶瓷的晶相、玻璃相及气相。6.理解影响扩散的因素。二、主要内容一、原子的结合方式工程材料是由各种元素通过原子、离子或分子结合而成的。它们之间的结合力称为“结合键”。根据结合力的强弱，结合键分为强键和弱键两类：强键（离子键、共价键、金属键）；弱键（分子键）；（一）离子键正负离子通过静电吸引相互接近，当离子间的引力与斥力相等时，两者之间达到平衡，而行成“离子键”。通过离子键结合的材料强度、硬度高，脆性大，是绝缘材料。多为无色透明的物体。图1 NaCl离子键的形成过程（二）共价键通过共用电子对而达到稳定结构结合的键接方式称为“共价键”。通过共价键结合的材料，同样具有强度高、熔点高、脆性大的特点。导电性依共价键的强弱而不同。图2 共价键示意图（三）金属键通过金属离子和自由电子结合而形成的键接方式称为“金属键”。由金属原子上脱离下来的最外层电子，称为“自由电子” 。它们在金属中聚集成为“电子云”，并可以自由移动。失去价电子的原子成为“正离子”，通过电子云将它们连接在一起。由于电子云在金属中可以自由移动，所以金属具有良好的导电性和导热性，同时，在光照的条件下使其激发，继而产生金属光泽。当金属原子之间产生位移时，由于自由电子的存在，使原子之间不致产生破坏，因而，金属具有良好的塑性。图3 金属键示意图（四）分子键分子键又被称作“范德华键”。它是由于分子中的共价电子对非对称分布而引起的电位不均允分布，使分子在某方向上显正电性，而另一方向显负电性，继而形成偶极矩，使两个分子键接在一起。图4 分子键示意图氢键：由于氢原子只有一个电子，所以当和某个电负性很大的原子结合成分子时，电子强烈偏移，另一个方向会显示很强的正电性，当和另一个电负性较大的原子相遇时，产生较强的引力，使三个原子连接在一起，形成桥接，故单独形成一种键接方式，称为“氢键或氢桥”。由于形成分子键的范德华力很弱，因而分子键结合的材料熔点和硬度均较低。又因无自由电子的存在，所以这些材料都是良好的绝缘体。二、晶体结构的基本概念（一）晶体与非晶体1. 晶体：内部原子在三维空间呈规则排列的物质。如金属、食盐、单晶硅等。2非晶体：内部原子在空间无序排列的物质。如玻璃、石蜡、松香等。3. 晶体与非晶体在某些条件下可以互相转化。4. 非晶体在适当的条件下，可以转化为晶体，称为“晶化”。晶体在适当的条件下也可出现非晶状态。5. 晶体具有固定的熔点，具有各向异性，非晶体原子混乱排列，各向同性。（二）晶格为了研究原子的排列规律，把每个原子看成是一个既无大小，又无质量的几何点，称为“结点”。由结点的排列阵列称为“点阵”。将点阵中各结点用想象中的线条连接起来所得到的空间格架，称为“晶格”。（三）晶胞1. 晶胞：晶格中能够代表晶格原子排列规律的最小几何单元称为晶胞。为了表达晶胞的形状、尺寸，将晶胞放入坐标系中，单个晶胞在坐标系中的尺寸（棱边截距）、及各棱边之间的夹角，称为“晶格常数”，又称为“晶格尺寸”。晶格常数（晶格尺寸）分别用和等来描述。根据这些参数，可将晶体分为七大晶系，分别为三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方和立方。2. 原子半径：晶体中原子最紧密排列方向上,相邻原子间距尺寸的一半。3. 晶胞原子数：一个晶胞内所包含的实际原子数。4. 致密度：晶胞中原子所占的体积百分数。5. 配位数：晶体中与任意原子距离相等的原子数。显然,不同结构的晶体晶胞原子数、配位数和致密度也不相同，配位数越大的晶体致密度越高。（四）立方晶系的晶面和晶向表示方法1. 晶面：晶体中，由原子组成的平面称为“晶面”。2. 晶向：由原子组成的原子列的方向称为“晶向”。3. 晶面指数：表示晶面的符号称为“晶面指数”。4. 晶向指数：表示晶向的符号称为“晶向指数”。三、金属的结构金属的晶体结构包括：金属的“晶态结构”和金属的 “非晶态结构”两大类。（一）金属的晶体结构1.纯金属的晶体结构金属键没有方向性和饱和性，大多数金属晶体都具有排列紧密、对称性高的简单结构。在纯金属中，最常见最典型的晶体结构有面心立方、体心立方和密排六方结构。前两种属于立方晶系，后者属于六方晶系。2. 实际金属的晶体结构实际金属中不可避免的存在着各种缺陷。晶体缺陷对金属性能有着重要的影响。根据缺陷的几何特征，可将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。（二）金属的非晶态结构1. 描述方法比较气态、非晶态和晶态，非晶态金属的结构与液态金属相似，原子排列没有长程的周期性。在非晶态金属中没有晶界、位错等晶态金属所特有的晶体缺陷。2. 模型非晶态的原子结构模型多数人认为是“硬球无规密堆模型”。四、陶瓷的结构陶瓷材料是利用氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等原料经制坯、成型和烧结工艺加工制成的材料。陶瓷材料中的基本相及其结构要比金属复杂的多。通常由三种相组成，分别是晶相、玻璃相和气相。（一）晶相晶相是陶瓷材料的主要组成相。陶瓷材料主要物理化学性质均取决于晶相。多数陶瓷材料是离子键和共价键晶体。陶瓷材料中的晶体类型及其复杂程度都超过金属晶体。晶相中的晶粒大小对陶瓷材料的性能影响很大，晶粒越细，晶界总面积越大，裂纹越不容易扩展，材料的强度越高。（二）玻璃相玻璃相是非晶态结构中的低熔点固体，其作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料的致密程度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。玻璃相的强度低、绝缘性及热稳定性差，工业陶瓷中玻璃相的数量一般控制在2040。陶瓷坯体在烧结过程中还会产生一种含有复杂结构的聚合体的熔体，这种熔体的粘度很大，冷却时不利于晶体形核长大，从而转变为玻璃体。玻璃化温度：陶瓷冷却过程中，由熔体变为玻璃体的温度。软化温度：玻璃体加热时显著软化时的温度。（三）气相气相是在生产过程中形成的气孔，气孔往往是裂纹源，降低陶瓷的强度。通常除了多孔陶瓷以外，普通陶瓷的气孔率为5-10%，特种陶瓷在5%以下。五、高分子材料的结构高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物是指相对分子量大于的有机化合物。常称为聚合物或高聚物。实际上，高分子化合物和低分子化合物之间没有严格的区别，主要由它是否显示高分子化合物的特性来判断。高分子化合物具有一定的强度和弹性，而低分子化合物则没有。高分子化合物是由简单结构单元重复连接而成。组成聚合物的低分子化合物称为“单体”，如乙烯、氯乙烯等。聚合物的分子为很长的链条，称为“大分子链”。六、扩散扩散：由浓度梯度或热运动引起的原子定向运动。固态金属中的扩散是金属固态转变的重要机制之一，也是固态加工的重要理论基础 。（一）扩散的宏观规律1.菲克第一定律菲克第一定律：在稳态扩散条件下，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质的流量，与该截面处的浓度梯度成正比。2.菲克第二定律非稳态扩散过程中，扩散物质的浓度是随时间变化的，为此菲克给出了第二方程。（二）扩散机制1.空位扩散空位扩散是扩散原子通过与相邻的空位交换位置进行迁移的扩散。2.间隙扩散间隙扩散是位于晶格间隙中的原子跃迁到相邻间隙位置所引起的扩散。小原子半径的间隙原子，在间隙固溶体中的扩散就是以这种机制进行的