第1章-工程材料的结构与性能

第1章工程材料的结构与性能1.1材料原子（或分子）的相互作用1.2晶体材料的原子排列1.3非晶态材料中的原子排列1.4合金的晶体结构1.5高聚物的结构1.6陶瓷的结构1.7工程材料的性能思考题1.1材料原子（或分子）的相互作用1.1.1离子键当正电性金属原子与浮点型废金属原子接触时，前者失去最外层电子而变成正离子，后者获得电子而变成负离子，政府里自由与静电引力而相互结合称化合物，这种相互作用称离子键。离子键示意图1.1.2共价键当两个相同原子或两种不同的原子相互作用时，原子间已形成公用电子对而结合，这种结合方式称共价键。共价键示意图1.1.3金属键金属正离子与自由电子间的静引力作用，形成金属整体，这种结合方式称金属键1.1.4分子键He，Ne，Ar等惰性气体和H2，N2，O2等分子太气体在低温时依靠分子偶极间的作用力(色散力，有道理，取向力）而结合成液体或固体，这种相互作用成为分子键1.1.5氢键当两种负电性大的原子半径比较小的原子与氢原子结合时，氢原子与一种原子间形成共价键，与另一种原子间形成氢键。金属键分子键类型作用力来源键合强弱形成晶体的特点离子键原子得、失电子后形成负、正离子，正负离子间的库仑引力

最强无方向性键、高配位数、高熔点、高强度、低膨胀系数、塑性较差、固态不导电、熔态离子导电共价键相邻原子价电子各处于相反的自旋状态，原子核间的库仑引力

强有方向性键、低配位数、高熔点、高强度、高硬度、低膨胀系数、塑性较差、即使在熔态也不导电金属键自由电子气与正离子实之间的库仑引力较强无方向性键、结构密堆、配位数高、塑性较好、有光泽、良好的导热导电性分子键原子间瞬时电偶极矩的感应作用较弱无方向性键、结构密堆、高熔点、绝缘氢键氢原子核与极性分子间的库仑引力

弱有方向性和饱和性

值得指出的是，实际晶体不一定只有一种键，可能是多种键合的混合，至少范氏力就是普遍存在的一种力。不过，在某一键合为主键的情形下，其他弱键就可以忽略。实际材料中存在的键合情况如右图所示。以上我们简单地讨论了结合键的类型及其本质，由于各种结合键的本质不同，所形成的固体其性质也大不相同。我们将四大类工程材料的原子间的结合键及其性能总结成如下表格小结：1.2晶体材料的原子排列1.2.1理想的晶体结构1.2.2实际晶体的结构1.2.1理想的晶体结构1.晶体的概念晶体：材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。

非晶体：原子无规则堆积，也称为“过冷液体”。非晶体：蜂蜡、玻璃等。晶体金刚石、NaCl、冰等。液体1.2晶体材料的原子排列动画：晶体中原子排列示意图2.晶格

为方便描述晶体中原子排列规律，把晶体中原子（或离子键）想象成几何结点，并用直线从其中心连接起来而构成空间格架，称为晶格。晶格中的结点位原子（或离子键）的平衡中心的位置，通过结点的任一平面称为晶面；通过结点的任一直线称为晶向；把能反映空间晶体排列方式的基本单元称为晶胞。晶胞晶格（点阵）模型ZXYabc晶面通过原子中心的平面,如下图晶向通过原子中心的直线所指的方向XYZabc晶胞XYZabc晶格常数a，b，c原子（离子）的刚球模型原子中心位置

晶体结构3.常见的金属晶体结构（1）体心立方晶格bcca.特点：具有相当高的强度和较好的塑性。b.这种晶格的金属有：铬、钼、钨、钒和铁（0℃—912℃，α—Fe）等。晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积24r3/3XYZabc2r2raa2体心立方晶胞（2）面心立方晶格fcca.特点：塑性良好。b.这种晶格的金属有：铝、钢、镍和铁（912℃—1394℃，γ—Fe)等。面心立方晶胞晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.74XYZabc密排方向4（3）密排六方晶格hcpC（石墨）、Mg、Zn等晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角90晶胞原子数：6原子半径：a/2致密度：0.741.2.2实际晶体的结构1.单晶体和多晶体

①结晶方位完全一致的晶体称为单晶体。在工业生产中，单晶体的金属材料除专门制作外基本上是不存在的。（单晶Si半导体）②实际的金属结构包含着许多的小晶体，每个小晶体的晶格都一样，但彼此方位不同，每个小晶体都具有不规则的颗粒状外形，称晶粒。晶粒与晶粒之间的界面叫做晶界（如图所示）。而这种有许多位向不同晶粒组成的晶体就是多晶体。2.晶体缺陷晶体缺陷的分类：（1）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子（2）线缺陷：位错（3）面缺陷：晶界与亚晶界【见下列图解】（1）点缺陷如果间隙原子是其它元素就称为异类原子（杂质原子）空位间隙原子（2）线缺陷刃位错刃位错线缺陷的类型又分为:刃位错与螺位错螺位错（3）面缺陷晶粒（单晶体）晶界亚晶界:亚晶界面缺陷引起晶格畸变，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。1.2本节重点晶体、晶格和晶胞三种典型晶格类型晶粒大小和性能的关系晶体缺陷类型1.3非晶态材料的原子排列所谓非静态,是相对静态而言的,是固态物质的另一种结构.非晶态材料是目前材料科学中广泛研究的一个新领域,也是一类发展迅速的重要新型材料.(本小节内容仅作了解)1.3.1短程有序

由于非晶态结构的长程无序性,因而可以把非晶态材料看作是均匀的和各向同性的结构.1.3.2亚稳态性晶态材料在熔点一下一般处在热力学自由能最低的稳定平衡态.而非晶态则是一种亚稳态,即在一定条件下为非晶态.1.4合金的晶体结构1.4.1合金的相,组织及其关系1.4.2固溶体1.4.3金属间化合物1.4.4合金的性能1.4合金的晶体结构1.4.1合金的相,组织及其关系组元:组成合金的独立的最基本单元。例如：元素、稳定化合物。如，Fe-C合金中，Fe、C均为组元。相:化学成分和晶体结构相同，且有界面与其它部分分开的均匀组成部分。合金中有两类基本相:固溶体和化合物1.4.2固溶体固溶体概念:

合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、结构上与组元之一相同的固相。如:Fe(C)固溶体。固溶强化概念：融入固溶体中的溶质原子造成晶格畸变，晶格畸变增大了位错运动的阻力，使滑移难以进行，从而使合金固溶体的强度与硬度增加。这种通过融入某种溶质元素来形成固溶体而使金属强化的现象称为固溶强化。在溶质原子浓度适当时，可提高材料的强度和硬度，而其韧性和塑性却有所下降。固溶体类型ZXY置换固溶体置换原子间隙原子间隙固溶体YXZ晶格与固溶体相同的组元为固溶体的溶剂,其他组元为溶质,根据溶质在溶剂中所在的位置,可将固溶体分为:1.置换固溶体2.间隙固溶体.晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变1、固溶强化

溶剂的晶格发生畸变，使固溶体的强度和硬度升高的现象称为固溶强化。固溶强化是提高合金力学性能的重要途径之一。2、第二相强化——化合物作为第二相可以提高合金材料强度的现象。

性能特点：取决于化合物的数量、形状、大小与分布状况等。1.4.3金属间化合物金属化合物：化合物分类：合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相.1.正常价化合物：按化合价规律形成，如，Mg2Si。3.间隙化合物：过渡金属+小半径非金属元素2.电子化合物：按电子浓度规律形成，如，Cu3Al。{间隙相r非/r金0.59，如，WC、TiC、VC复杂结构的间隙化合物r非/r金0.59如，Fe3C、Cr23C6间隙化合物特点：熔点高、硬度高，脆性大。1.4本节重点合金、相、组织的基本概念。固溶体和金属化合物的概念及其类型。固溶体和金属化合物对合金性能的影响。固溶强化概念及其强化原理。1.5高聚物的结构高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物是分子量很大的化合物，每个分子可含几千、几万甚至几十万个原子。

1.5.1大分子链的结构1.结构单元的化学组成

在元素周期表中只有ⅢA、ⅣA、ⅤA、ⅥA中部分非金属、亚金属元素（如N、C、B、O、P、S、Si、Se等）才能形成高分子链。由于高聚物中常见的C、H、O、N等元素均为轻元素，所以高分子材料具有密度小的特点。

2.结构单元的键接方式和键的构型1)头-尾连接：

2)头-头或尾-尾连接：

3)无规则连接：

3.大分子链的形态⑴线型分子链由许多链节组成的长链，通常是卷曲成线团状。这类结构高聚物的特点是弹性、塑性好，硬度低，是热塑性材料的典型结构。⑵支化型分子链在主链上带有支链。这类结构高聚物的性能和加工都接近线型分子链高聚物。⑶体型分子链分子链之间由许多链节相互横向交联。具有这类结构的高聚物硬度高、脆性大、无弹性和塑性，是热固性材料的典型结构。

1.5.2高聚物的聚集态结构

高分子化合物的聚集态结构是指高聚物内部高分子链之间的几何排列或堆砌结构,也称超分子结构。依分子在空间排列的规整性可将高聚物分为结晶型、部分结晶型和无定型(非晶态)三类。

在实际生产中大多数聚合物都是部分晶态或完全非晶态。晶态结构在高分子化合物中所占的质量分数或体积分数称为结晶度。结晶度越高，分子间作用力越强，因此高分子化合物的强度、硬度、刚度和熔点越高，耐热性和化学稳定性也越好；而与键运动有关的性能，如弹性、伸长率、冲击韧性则降低。

1.6陶瓷的结构陶瓷是由金属和非金属的无机化合物所构成的多相静态物质，实际上是各种无机非金属材料的同城。1.6.1晶相晶体相简称晶相。陶瓷中包含的晶相主要有：1.硅酸盐传统陶瓷的主要原料，也是陶瓷中的重要晶相。硅酸盐由多个[SiO4]四面体通过共有丁点的阳离子相互连接而成。（如右图）2.氧化物

氧化物是大多数经典陶瓷中特别是特种陶瓷中的主要晶相。特点：较大的阳离子紧密排列成晶体结构；较小的正离子填充他们的空隙。3.非氧化物主要指各种碳化物，氮化物及硼化物等，是特种陶瓷的主要组分和晶相。常见的有：VC，WC,TiC,SiC等碳化物及BN,Si3N4，AlN等氮化物。陶瓷的性能主要取决于结构，还受到形态所构成的纤维组织的影响，如细化晶粒可提高陶瓷的强度和韧性等。1.6.2玻璃相陶瓷中高温烧结时各种组成为i和杂志产生一系列物理，化学反应后形成的一种非晶态物质。1.6.3气相由于材料和工艺等方面的原因，陶瓷结构中存在5%-10%的体积气孔，成为组织中的气相。1.7工程材料的性能1.7.1工程材料的力学性能1.7.2工程材料的物理性能1.7.3工程材料的化学性能1.7.4工程材料的工艺性能如密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。如强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。如耐酸性、耐碱性、抗氧化性等。如铸造性、锻压性、焊接性、热处理性和切削加工性等。

1.7工程材料的性能1.7.1工程材料的力学性能——指金属材料在外力作用下所表现出来的特性。作用：材料检验、零件设计计算、材料选择、评定工艺质量的重要依据。内容：强度、硬度、弹性、塑性、韧性等。1.强度和塑性强度是指材料在外力作用下抵抗变形和破坏的能力；塑性是指材料在外力作用下产生塑性变形而不破坏的能力。

强度根据外力的作用方式，有多种强度指标，如抗拉强度、抗弯强度、抗剪强度等。其中以拉伸试验所得强度指标的应用最为广泛。塑性

常用的塑性指标：

延伸率δ，δ=×100％

断面收缩率Ψ，Ψ=×100％材料的δ和Ψ值越大，说明塑性越好。2.弹性与刚度

应力与应变的比值σ/ε称为弹性模数E（MN/㎡）。E标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表示材料的刚度。

3.硬度硬度是指材料对局部塑性变形的抗力。现在都用压入硬度法测定。常用的硬度指标有：i.布氏硬度（HB）优点：测量数值稳定，准确，能较真实地反映材料的平均硬度；缺点：压痕较大，操作慢，不适用批量生产的成品件和薄形件。布氏硬度表示方法：符号HBS或HBW之前的数字表示硬度值，符号后面的数字按顺序分别表示球体直径、载荷及载荷保持时间。如：120HBS10/1000/30表示直径为10mm的钢球在1000kgf（9.807kN）载荷作用下保持30s测得的布氏硬度值为120。HBS——表示用淬火钢球压头测量的布氏硬度值。适用范围：小于450；HBW——表示用硬质合金压头测量的布氏硬度值。适用范围：450~650。ii.洛氏硬度（HR）

洛氏硬度特点：优点：测量迅速、简便、压痕小、硬度测量范围大；缺点：数据准确性、稳定性、重复性不如布氏硬度。洛氏硬度测量范围：可用于成品和薄件，但不宜测量组粗大不均匀的材料（如上表所示）iii.维氏硬度（HV）

维氏硬度测量原理：与布氏硬度相似。采用相对面夹角为136°金刚石正四棱锥压头，以规定的试验力F压入材料的表面，保持规定时间后卸除试验力，用正四棱锥压痕单位表面积上所受的平均压力表示硬度值。

维氏硬度特点：测量范围大，可测量硬度为10~1000HV范围的材料；量压痕小。4.冲击韧性材料的韧性是在冲击载荷作用下，抵抗冲击的作用而不被破坏的能力。通常用冲击韧性来度量。值越大，表示材料的韧性越好。5.断裂韧性表征材料阻止裂纹扩展的能力，是度量材料的韧性好坏的一个定量指标。在加载速度和温度一定的条件下，对某种材料而言