第一章材料结构

1、1机械工程材料机械工程材料主讲教师：吴宜勇电话：864124622主要内容绪论第一章 材料的内部结构第二章 结晶与显微组织第三章 工程材料的力学性能第四章 工程材料的物理、化学性能第五章 工程材料的强化理论第六章 钢的热处理与马氏体相变强化第七章 钢铁材料第八章 有色金属及其合金3第一章 材料的内部结构结构电子结构电子结构原子的空间原子的空间排列排列 显微组织显微组织 4第一章 材料的内部结构结构电子结构原子的空间排列 显微组织 原子核外电子的排布方式，显著影响材料的电、磁、光、热性能甚至力学性能。电子结构还是材料中原子间键合的直接原因之一，因此也影响到原子彼此结合的方式，从而决 定 材 料

2、的 类 型5晶态和非晶态。晶体结构显著影响材料的各种性能和功能。 第一章 材料的内部结构结构电子结构原子的空间排列 显微组织 6第一章 材料的内部结构结构原子结构原子的空间排列 显微组织 7晶粒（原子集团）的形态、大小；合金相的种类、数量和分布等参数。第一章 材料的内部结构结构原子结构原子的空间排列 显微组织 8第一章 材料的内部结构9第一章 材料的内部结构1.1 原子键合及其特性1.2材料的原子排列1.3 金属的典型晶体结构1.4 合金相结构1.5 陶瓷的相结构1.7晶体缺陷1.6 高分子化合物的结构101.1材料的原子键合及其特性材料中外层电子作用形式基本点:保持稳定的电子排布结构 接受或

3、释放核外价电子 共有电子 偶极矩“弱”相互作用 111.1材料的原子键合及其特性金属键离子键共价键12金属键离子键共价键键特点：共有价电子,即电子云键无方向性和饱和性材料特点：原子趋向于规则排列金属有良好的导电性、塑性等1.1材料的原子键合及其特性131.1 原子间的键合特点金属键离子键共价键键特点：得失价电子正负离子方向性弱,有饱和性材料特点：高熔点,高硬度,低塑性良好的电绝缘和其他物理性能等141.1 原子间的键合特点金属键离子键共价键键特点：共有电子对(电子局域化)键有方向性和饱和性材料特征：高熔点、高硬度、低塑性电绝缘、光学等物理特征151.1 原子间的键合特点金属键离子键共价键161

4、.1 原子间的键合特点范德瓦尔(van der Waals) 键：即分子键，特征通过原子或分子间瞬态的感生偶极矩的静电作用引起的;键能小，无方向性和饱和性材料特征： 强度低，熔点低，变形能力强；电绝缘等物理化学性能17第一章 材料的内部结构1.1 原子键合及其特性1.2材料的原子排列1.3 金属的典型晶体结构1.4 合金相结构1.5 陶瓷的相结构1.7晶体缺陷1.6 高分子化合物的结构181.2材料的原子排列非晶态原子排列短程(近邻与次近邻)有序长程无序玻璃态191.2材料的原子排列晶体原子排列长程有序基元在三维空间呈规律性排列，成为空间点阵基元：即基本组元(单元)，一般为单个的原子、离子、分

5、子或彼此等同的原子群或分子群等。 201.2材料的原子排列空间点阵是一个抽象的几何概念，它由一维、二维或三维规则排列的阵点组成。211.2材料的原子排列 用刚球代表晶体中的原子-钢球模型 将刚球抽象成质点,空间排列原子成为空间格架，即空间点阵-晶格 保持点阵原子排列几何特征的基本单元为晶胞，一般用平行六面体表征 晶胞参数：6个-a，b， c；a，b，g221.2材料的原子排列晶体结构构成晶体的基元在三维空间的具体的排列方式= 空间点阵+基元(晶胞) 231.2材料的原子排列自然界晶体结构分类：布拉菲在1948年根据“每个阵点环境相同”的要求，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲

6、点阵，分属7个晶系。空间点阵虽然只有14种，但晶体结构则是多种多样、千变万化的。 241.2材料的原子排列晶系晶系 晶格晶格(棱边棱边)常数及夹角常数及夹角三斜晶系三斜晶系 a b c，a a b b g g单斜晶系单斜晶系 a b c，a a = g = g = 90 b b斜方晶系斜方晶系 a b c，a a = b = g = b = g = 90 正方晶系正方晶系 a = b c，a a = b = g = b = g = 90 菱方晶系菱方晶系 a = b = c，a a = b = g b = g 90 六方晶系六方晶系 a = b = c，a a = b = b = 90 ，g

7、g = 120 立方晶系立方晶系 a = b = c，a a = b = g b = g = 90 7个晶系晶胞参数特征25晶向1.2材料的原子排列晶体原子的特定排列方向晶胞的几何表征：晶格常数、晶向、晶面26晶向指数1.2材料的原子排列晶向指数的确定方法建立以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系；定出该晶向上任两点的坐标；用末点坐标减去始点坐标；将相减后所得结果约成互质整数，加一方括号。27晶面及晶面指数1.2材料的原子排列晶面指数的确定方法在以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系中取该晶面在各坐标轴上的截距；取截距的倒数；将倒数约成互质整数，加一圆括号。 晶面是指晶体原子堆垛质心平面28六方晶

8、系1.2材料的原子排列晶面和晶向指数确定方法：采用四坐标体系，a1, a2, a3夹角120，c轴与上述三轴平面垂直；晶面指数确定方法与立方晶系类似，获得指数(h,k,i,l)，前三个指数只有两个是独立的，满足关系式：i=-(h+k)晶向指数确定较复杂，可先用三坐标系(a1, a2,c)指数转换。三座标指数U,V,W，按下式换算成四座标指数u,v,t,w进行： u = 1/3(2U-V), v = 1/3(2V-U), t= -(u+v), w = W29第一章 材料的内部结构1.1 原子键合及其特性1.2材料的原子排列1.3 金属的典型晶体结构1.4 合金相结构1.5 陶瓷的相结构1.7晶体

9、缺陷1.6 高分子化合物的结构301.3 金属的典型晶体结构三种典型晶体结构体心立方体心立方面心立方面心立方密排六方密排六方31体心立方晶格参数1.3 金属的典型晶体结构常用金属：Cr、V、Mo、W和-Fe等30多种 32体心立方晶格参数1.3 金属的典型晶体结构原子半径r与晶格常数a0关系043ar = =33体心立方晶格参数1.3 金属的典型晶体结构致密度：原子实在晶胞中所占有的体积分数，K=nv/V 配位数：晶体晶体中任意原子的最近邻原子数，表征了晶体中原子密度对bcc材料，致密度为0.68，配位数为 8 34体心立方晶格参数1.3 金属的典型晶体结构间隙类型及尺寸：八面体间隙，ri/r

10、0=0.15四面体间隙，ri/r0=0.29 35面心立方晶格参数1.3 金属的典型晶体结构Al、Cu、Ag、 Ni和-Fe等约20种 36面心立方晶格参数1.3 金属的典型晶体结构原子半径r与晶格常数a0关系：042ar = =371.3 金属的典型晶体结构面心立方晶格参数致密度：原子实在晶胞中所占有的体积分数，K=nv/V 配位数：晶体晶体中任意原子的最近邻原子数，表征了晶体中原子密度对fcc材料，致密度为0.74，配位数为 12 38面心立方晶格参数1.3 金属的典型晶体结构面心立方配位数配位数的确定 39面心立方晶格参数1.3 金属的典型晶体结构八面体间隙及尺寸ri/r0=0.414

11、40面心立方晶格参数1.3 金属的典型晶体结构四面体间隙及尺寸ri/r0= 0.22541密排六方晶格参数1.3 金属的典型晶体结构Mg、Zn、Cd、Be等20多种 42密排六方晶格参数1.3 金属的典型晶体结构原子半径r与晶格常数a0关系021ar = =43密排六方晶格参数1.3 金属的典型晶体结构对hcp材料: 致密度为0.7444密排六方晶格参数1.3 金属的典型晶体结构对hcp材料，配位数: 6+6 45典型晶体结构的原子堆垛典型晶体结构的原子堆垛ABA: 第三层位于第一层正第三层位于第一层正上方上方(hcp)ABC: 第三层位于一二层间隙第三层位于一二层间隙(fcc)1.3 金属的

12、典型晶体结构46典型晶体结构的原子堆垛典型晶体结构的原子堆垛1.3 金属的典型晶体结构47典型晶体结构的原子堆垛（典型晶体结构的原子堆垛（fcc)1.3 金属的典型晶体结构48多晶型转变1.3 金属的典型晶体结构 当外部的温度和压强改变时，有些材料会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称之为多晶型转变，又称为同素异构转变 结构变化会导致材料的密度、物理化学性能均发生相应变化 多晶型转变成为改变（调整）材料性能（功能）的重要方法之一49多晶型转变导致性能变化1.3 金属的典型晶体结构温度-压力作用下的转变50第一章 材料的内部结构1.1 原子键合及其特性1.2材料的原子排列1.3 金属的典型晶体

13、结构1.4 合金相结构1.5 陶瓷的相结构1.7晶体缺陷1.6 高分子化合物的结构511.4 合金相结构合金两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质组元 组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素相 是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分 521.4 合金相结构固溶体中间相(金属化合物)合金相 定义: 固体溶液，溶质原子完全溶于固体溶剂中，并能保持溶剂元素材料的晶格类型，这种合金相称为固溶体。 结构特征: 保持溶剂晶格类型,但晶格畸变(晶格常数变化); 溶质原子的偏聚与短程有序;

14、溶质原子的长程有序与有序固溶体;溶质原子固溶度可变 性能特点：与溶剂元素材料的性能类似 分类：置换式固溶体，间隙式固溶体53间隙固溶体1.4 合金相结构 溶质原子在溶剂元素晶格的间隙内 溶质原子一般半径小，如C，H，O，N，B等 晶格畸变大 有限固溶度54置换固溶体1.4 合金相结构 溶质原子占据溶剂元素晶格原子位置 晶格畸变大 在一定条件下可获得无限固溶度551.4 合金相结构固溶体金属化合物合金相定义: 合金组元间发生相互作用而形成的新相, 成份处于组元固溶度之间, 称为中间相. 组元间具有一定的化学成份比, 且具有一定金属性质, 又称金属间化合物结构特征: 原子间结合键多样性(包含一定金

15、属键性质)；晶格类型不同于任一组元;可以是化合物或化合物基固溶体(即中间固溶体) 性能特点: 不同于任一组元; 高熔点、硬度和脆性分类: 正常价化合物, 电子化合物, 间隙相, 间隙化合物561.4 合金相结构正常价化合物：符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有严格的化合比，成分固定不变。它的结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同，如分子式具有AB型的正常价化合物其晶体结构为NaCl型，多为离子化合物，例如MgPb, MnS571.4 合金相结构电子化合物：是指当化合物中价电子浓度一定(21/12, 21/13, 21/14)时，形成的化合物晶格类型相同。电子化合物的熔点和硬度都很高，

16、而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。例：CuZn, CuZn3, Cu5Zn8: Cu价电子+1, Zn价电子数+2CuZn电子浓度: 价电子数/原子数 = (1+2)/2 = 3/2 = 21/14；体心立方结构CuZn3电子浓度: 价电子数/原子数 = (1+6)/(1+3) = 7/4 = 21/12；密排六方结构Cu5Zn8电子浓度: 价电子数/原子数 = (5+16)/(5+8) = 21/13；复杂立方结构581.4 合金相结构间隙相: 过渡族金属元素与原子半径较小的非金属元素(H,C,N,B等)形成的化合物。当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时, 将形成具有简单晶

17、体结构的金属间化合物, 其熔点高、硬度高、较脆。例如氢化物、氮化物和部分碳化物(TaC,VC,ZrC,TiC等）间隙化合物: 当非金属原子半径与金属原子半径的比值大于0.59时, 将形成具有复杂晶体结构的金属间化合物, 间隙化合物也具有很高的熔点和硬度, 脆性较大。如硼化物和部分碳化物(Fe3C,Cr7C3,Cr23C6等)性能对比: 与间隙相相比, 间隙化合物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一些。59第一章 材料的内部结构1.1 原子键合及其特性1.2材料的原子排列1.3 金属的典型晶体结构1.4 合金相结构1.5 陶瓷的相结构1.7晶体缺陷1.6 高分子化合物的结构601.5 陶瓷的相结构

18、晶相 玻璃相 气相 氧化物结构 硅酸盐结构 陶瓷相结构与合金的类似，也会形成陶瓷固溶体和新型的复杂化合物 这里主要介绍用传统方法（粉末冶金）成型的陶瓷内部的主要组织类别611.5 陶瓷的相结构晶相 玻璃相 气相 氧化物结构 硅酸盐结构 硅氧四面体SiO44-之间又以共有顶点的氧离子相互连接起来。由于连接方式不同而形成多种硅酸盐结构，如岛状、环状、链状和层状等 621.5 陶瓷的相结构晶相 玻璃相 气相 氧化物结构 硅酸盐结构 631.5 陶瓷的相结构晶相 玻璃相 气相 部分氧化物或硅酸盐在一定条件下不易结晶,而形成玻璃相。大多陶瓷材料中均含一定玻璃相,主要作用是粘结分散的晶相、降低烧结温度、抑

19、制晶相的粗化 粉末冶金烧结法形成的陶瓷会含有极少量的气孔。气孔的存在降低了陶瓷的密度、导热系数，以致陶瓷强度下降、介电损耗增大、绝缘性降低。 但气孔能吸收震动。64第一章 材料的内部结构1.1 原子键合及其特性1.2材料的原子排列1.3 金属的典型晶体结构1.4 合金相结构1.5 陶瓷的相结构1.7晶体缺陷1.6 高分子化合物的结构651.6 高分子化合物的结构 高分子材料的电子结构：高分子链内原子主要以共价键结合；分子链间原子主要以分子键结合 分子链原子排列结构：从形态上分子链具有线型、支链型和三维立体型；从基本分子链的构型上分为全同立构、间同立构和无规立构三种构型 高分子材料的聚集结构：结

20、晶、部分结晶和非晶无规缠绕结构661.6 高分子化合物的结构高分子链结构 构型 全同立构间同立构无规立构671.6 高分子化合物的结构高分子链结构 形态线型支链型立体交联681.6 高分子化合物的结构高分子链结构 聚集态结构 结晶型 部分结晶型 非晶型 69第一章 材料的内部结构1.1 原子键合及其特性1.2材料的原子排列1.3 金属的典型晶体结构1.4 合金相结构1.5 陶瓷的相结构1.7晶体缺陷1.6 高分子化合物的结构701.7晶体缺陷 材料中总是有缺陷的材料不是纯净的，所谓“金无足赤”；材料也不可能是理想完整的；产生的原因； 热力学、原子热运动 晶体缺陷定义：晶体材料中存在的一些原子排

21、列不规则，以致结构不完整的区域 缺陷的影响：对材料中原子扩散、相变、性能产生重要影响 缺陷的分类：从缺陷所影响的区域尺度来区分，包括点缺陷、线缺陷和面缺陷711.7晶体缺陷点缺陷线缺陷面缺陷 点缺陷点缺陷的特点是在空间三维方向上的的特点是在空间三维方向上的尺寸都很小，约为几个原子间距，又尺寸都很小，约为几个原子间距，又称零维缺陷称零维缺陷 分类：分类： 空位空位 间隙原子间隙原子 置换原置换原子子72点缺陷空位73点缺陷间隙原子置换原子741.7晶体缺陷点缺陷线缺陷面缺陷 线缺陷线缺陷是各种类型的位错，即晶体中的原是各种类型的位错，即晶体中的原子发生了有规律的错排现象。其特点是原子发生了有规律的错排现象。其特点是原子发生错排的范围只在一维方向上很大，子发生错排的范围只在一维方向上很大，是一个直径为是一个直径为3 35 5个原子间距，长数百个个原子间距，长数百个原子间距以上的管状原子畸变区。原子间距以上的管状原子畸变区。 分类：分类： 刃型位错刃型位错 螺型位错螺型位错 混合型混合型位错位错75线缺陷刃型位错螺型位错76线缺陷77线缺陷78线缺陷