第一章-材料结构的基本知识

第一章材料结构的基本知识结构材料：（强度、塑性、韧性等力学性能）功能材料：（电、磁、光、热等物理性能）金属材料(metals)陶瓷材料(ceramics)高分子材料(polymers)复合材料(composites)材料的分类

按使用性能分：按组成分：材料科学与工程的四个要素制备合成/加工工艺processing成分/组织结构composition/structure材料固有性能properties材料使用性能performance材料的固有性能：物理性能：电、磁、光、热化学性能：耐腐蚀性能、抗氧化性能力学性能：强度、硬度、塑性、韧性材料的使用性能：指材料在服役条件下所表现出来的特性，它是材料的固有性能与服役条件、产品设计及加工融合在一起所决定的因素。成分决定性能。成分不同，性能不同。组织结构直接决定性能改变成分也会改变组织结构,从而改变其性能。制备合成加工过程主要是通过改变组织结构而影响其性能。材料的固有性能直接决定材料的使用性能。制备合成/加工工艺成分/组织结构材料固有性能材料使用性能举例：河南第一工具厂生产的W4Mo3Cr4VSi钻头同一批材料，同一种工艺，但因钻头大小结构不同，最终使用性能不同。材料的使用性能：指材料在服役条件下所表现出来的特性，它是材料的固有性能与服役条件、产品设计及加工融合在一起所决定的因素。产品设计因素对使用性能的影响材料科学与工程的四个要素组织结构是核心，性能是材料研究工作的落脚点

第一章材料结构的基本知识●原子结构（atomicstructure)●原子间的结合键(interatomicbonding)●原子的排列方式(atomicarrangement)●晶体材料的组织(structureofcrystalmaterials)●材料的稳态与亚稳态结构(stableandmetastablestate)

第一章材料结构的基本知识

“结构”含义丰富，大致分四个层次：原子结构、原子结合键、材料中原子的排列方式、晶体材料的显微组织。§1.1原子结构

◆

物质的组成

物质是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定方式聚集而成的集合体。

◆

原子结构(atomicstructure)

原子是由原子核(由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成)和核外电子(带负电荷)构成。

电子运动的轨道由四个量子数决定：主量子数n（电子层）、轨道量子数l（电子亚壳层）、磁量子数m（轨道数）、自旋角动量量子数ms（自旋方向）。

其中最重要的是主量子数n，是确定电子离核远近和能级高低的主要参数。

在同一壳层上的电子又根据轨道量子数l的不同,分成若干能量水平不同的亚壳层,习惯上用s、p、d、f表示,反映了轨道的形状,能量水平依次升高。磁量子数m确定了轨道的空间取向，s、p、d、f依次有1、3、5、7种空间取向。自旋量子数ms表示在每个状态下可存在自旋方向相反的两个电子。

s、p、d、f可容纳最大电子数分别为2、6、10、14，各壳层能容纳的电子总数分别为2、8、18、32。即2n2

§1.1原子结构一、原子的电子排列

§1.1原子结构

一、原子的电子排列

核外电子的分布与四个量子数有关，且服从两个基本原理：1.Pauli不相容原理(Pauli

principle)：一个原子中不可能存在四个量子数完全相同的两个电子。

2.能量最低原理：电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低能量状态。

§1.1原子结构一、原子的电子排列

二、元素周期表及性能的周期性变化

元素的物理性质（熔点、线膨胀系数）、化学性质（电负性）及其原子半径都呈现周期性变化价电子：电负性：用来衡量原子吸引电子能力的参数。根据量子力学，各个壳层的S态、P态中电子的充满程度对该壳层的能量水平起着重要作用。§1.2原子间的结合键(interatomicbonding)

按结合力强弱分为一次键和二次键两类一次键(primaryinteratomicbonds):又称化学键或主价键，键力由弱到强依次是：金属键→离子键→共价键二次键(secondarybonding):又称物理键或次价键，主要有范德华键和氢键两种。一、一次键（化学键、主价键）

1.金属键(metallicbond)

特点：结合力较强，电子共有化,

没有方向性和饱和性。金属晶体的特性：(1)良好的导电、导热性；(2)正的电阻温度系数；(3)不透明，具有金属光泽；(4)具有较高的强度和良好的塑性(5)金属之间的溶解性(固溶能力)2.离子键(ionicbond)特点：

结合力较强，有饱和性，无方向性离子晶体的特性：(1)硬度、熔点高，强度大(2)脆性大(3)良好的绝缘体(4)典型离子晶体无色透明，如透明Al2O3高温观察窗口Cl与Na形成离子键

一种材料由两种原子组成，且一种是金属，另一种是非金属时容易形成离子键的结合(如左图)。由NaCl离子键的形成可以归纳出离子键特点如下：

1.金属原子放弃一个外层电子，非金属原子得到此电子使外层填满，结果双双变得稳定。

2.金属原子失去电子带正电荷，非金属原子得到电子带负电荷，双双均成为离子。

3.离子键的大小在离子周围各个方向上都是相同的，所以，它没有方向性Cl和Na离子在引力和斥力作用下，相互保持r0的距离，即F＝0，能量E为最小的位置。每一个Cl（或Na）离子与其近邻的Na（或Cl）离子均保持这种最低的能量关系，从而形成NaCl特有的晶体结构。许多陶瓷材料主要是离子键结合。离子键的结合能比较高，所以陶瓷材料的熔点也较高。图

Cl和Na离子保持r0的距离

图

NaCl晶体3.共价键(covalentbond)

特点：结合极为牢固，有明显的方向性和饱和性。共价晶体的特点：(1)结构稳定(2)熔点高(3)硬度高，脆性大(4)导电能力差3.共价键(covalentbond)

特点：结合极为牢固，有明显的方向性和饱和性。共价晶体的特点：(1)结构稳定(2)熔点高(3)硬度高，脆性大(4)导电能力差3.共价键(covalentbond)

二、二次键（物理键、次价键）

靠原子之间的偶极吸引结合而成

1.范德华键二、二次键（物理键、次价键）

靠原子之间的偶极吸引结合而成

1.范德华键特点：

键力低于一次键，

没有方向性、饱和性2.氢键2.氢键特点：(1)结合力比范德华键强(2)表达式：X-H…Y(3)有饱和性、方向性对高分子材料重要三.混合键金属中也有共价键、离子键混和；陶瓷中离子键与共价键混合。可用下式确定AB中离子结合的相对值。离子结合(%)=例：MgOXMg=1.31,XO=3.44（电负性）代入得离子结合比例=68%(离子键结合)GaAsXGa=1.81,XAs=2.18.代入得离子结合比例=4%（共价键结合）四、结合键的本质及原子间距原子的结合能E0(bindingenergies)—平衡距离下的作用能,相当于把两个原子完全分开所需的功结合能，又称结合键能，其值越大，原子结合愈稳定，熔点亦越高。（见表1.1）五、结合键与性能

◆大多数金属具有较高的密度:1.物理性能①熔点：高低反映了材料的稳定性程度。③密度：与结合键类型有关。

①较高的相对原子质量;②金属键没有方向性和饱和性,达到密排结构.

◆陶瓷达不到密排结构,密度较低:

①共价键有饱和性;

②离子键要满足正负离子间电荷平衡要求.◆高分子材料密度最低:①二次键结合,分子链堆垛不紧密②组成原子质量小.②导热、导电性：五、结合键与性能

2.力学性能

①弹性模量E（模型图1-9）

②强度

③塑性1.物理性能三大类材料的结合键类型及性能特点§1.3原子的排列方式

一、晶体与非晶体

金属及合金、绝大部分陶瓷、少数高分子材料是晶体多数高分子材料、玻璃及结构复杂材料是非晶体

区别：⑴原子（分子）是否规则排列⑵有无固定熔点⑶是否各向异性晶体与非晶体的区别§1.3原子的排列方式

一、晶体与非晶体凝固与结晶

(凝固过程视频）

结晶过程：形核与长大过程晶核：结晶时形成的很多核心（有序原子团）。晶粒：在晶体中，如果某一小区域内原子排列规律相同，位向一致，则该小区域为一个晶粒。晶界：晶粒与晶粒间的分界面。单晶体：仅由一个晶粒组成的晶体，如金刚石。多晶体：很多晶粒组成。

§1.3原子的排列方式

一、晶体与非晶体凝固与结晶

§1.3原子的排列方式

一、晶体与非晶体凝固与结晶

§1.3原子的排列方式

一、晶体与非晶体凝固与结晶

钢锭中的树枝状晶体凝固与结晶

Ni-Ta-Mn-Cr合金的树枝状界面§1.3原子的排列方式

一、晶体与非晶体二、原子排列的研究方法

一、组织的显示与观察金相试样的制备：取样-

磨制-抛光-腐蚀-观察1.组织：各种晶粒的组合特征，即晶粒的相对量、大小、形状及分布特征等。

宏观组织：用肉眼或放大镜观察到的组织。

显微组织：光学显微镜或电子显微镜下观察到的内部组织（又称金相组织）。易随成分及加工工艺而变化。是影响材料性能非常敏感而重要的结构因素。§1.4晶体材料的组织

2.合金：指两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或用其它方法组合而成的具有金属特性的物质。如：铜镍合金、碳钢、合金钢、铸铁

组元：组成合金的最基本的、独立的物质。

如：Cu-Ni合金，Fe-FeS合金

二元合金：如：Fe-C二元系合金

三元合金：如：Fe-C-Cr三元系合金

多元合金3.相：合金中结构相同、成分和性能均一、并以界面相互分开的均匀组成部分。

单相合金：如：单相不锈钢（A）、单相黄铜

双相合金：如：双相不锈钢（A+F）、双相黄铜

单相组织：具有单一相的组织。纯铁、纯铝

多相组织：具有两种或两种以上的相的组织。1Cr18Ni9Ti王水浸蚀，800×

1050℃固溶处理，基体为奥氏体，部分晶粒呈孪晶二、单相组织

描述单相组织的特征：晶粒尺寸及形状★晶粒尺寸：对材料的性能有重要影响。尺寸越小，强度越高，塑性、韧性越好—

细晶强化强化材料的四种途径：固溶强化、弥散强化、加工硬化、细晶强化。★晶粒形状：等轴晶、柱状晶(图1-16,P254图6-26）

如：定向凝固★晶粒形状除与凝固条件有关外，也会随压力加工工艺而变化。如：板材冷轧，丝材冷拔§1.4晶体材料的组织

§1.4晶体材料的组织

轧态与铸态组织的比较单向凝固技术是根据凝固理论，通过控制散热方向和温度梯度，使凝固从铸件的一端开始，沿陡峭的温度梯度方向逐步进行，从而获得具有方向性的柱状晶或自生复合材料（如共晶合金等）的一种凝固技术。制取单晶体的基本原理：保证液体结晶时只形成一个晶核，并由这个晶核长成一个单晶体。下图为普通铸造叶片(a)、单向凝固生产的叶片(b)和单晶叶片(c)。单晶叶片的高温性能最好，单向凝固叶片次之。(a)功率降低法生产的叶片组织

(b)普通精铸法生产的叶片组织三种方法生产的飞机发动机叶片§1.4晶体材料的组织

锻压、轧制等方法八级标准晶粒图三、多相组织

以两相合金组织说明多相组织对材料性能的影响。★若两相晶粒尺度相当,且为等轴状，均匀交替分布则:★若两相晶粒尺度相差甚远，尺寸较小的相以球状、点状、片状、针状弥散分布于另一相晶粒基体内，且弥散相硬度明显高于基体相—

弥散强化★第二相在基体相的晶界上分布若第二相不连续，对性能影响不大若第二相连续分布于晶界，对性能影响较大§1.4晶体材料的组织

GCr15锻造后的网状碳化物

材料是有结构的，结构是分层次的，材料的结构决定材料的性能；材料的结构是可以改变的，成分、工艺等条件可以通过改变材料的结构而改变其性能，从而展现出工程材料的各种特征来。材料的结构包含四个层次:原子结构、原子结合键、材料中原子的排列、晶体材料的显微组织同一材料,在不同的条件下,可得到不同的结构.稳态结构（平衡态结构）－－能量最低