材料的结构域凝固

第三章材料的结构与凝固第三章材料的结构与凝固

固体材料的性能主要取决于其化学成分、组织结构及加工工艺过程。所谓结构就是指物质内部原子在空间的分布及排列规律。第一节材料的结合方式

一、结合键

组成物质的质点（原子、分子或离子）间的相互作用力称为结合键。主要有共价键、离子键、金属键、分子键。

1.离子键

形成：正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键称为离子键。特性：离子键没有方向性，无饱和性。NaCl晶体结构如图所示。

性能特点：离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系数小，但脆性大，具有很好的绝缘性。典型的离子晶体是无色透明的。

2.共价键

形成：元素周期表中的ⅣA、ⅤA、ⅥA族大多数元素或电负性不大的原子相互结合时，原子间不产生电子的转移，以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。这种由共用电子对产生的结合键称为共价键。氧化硅中硅氧原子间共价键，其结构如图所示。性能特点：共价键结合力很大，所以共价晶体的强度、硬度高、脆性大，熔点、沸点高，挥发度低。

3.金属键

形成：由金属正离子与电子气之间相互作用而结合的方式称为金属键。如图所示。性能特点：

1)良好的导电性及导热性；

2)正的电阻温度系数；

3)良好的强度及塑性；

4)特有的金属光泽。

4.分子键

形成：一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为范德华键（或分子键）。特性：分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也低。但其绝缘性良好。

二、工程材料的键性

(补充)

材料的结合键类型不同，则其性能不同。常见结合键的特性见表1-1。表1-1结合键的特性

离子键

共价键金属键结构特点

无方向性或方向性不明显，配位数大

方向性明显，配位数小，密度小

无方向性，配位数大，密度大

力学性能

强度高，劈裂性良好，硬度大

强度高，硬度大

有各种强度，有塑性

热力性质

熔点高，膨胀系数小，熔体中有离子存在

熔点高，膨胀系数小，熔体中有的含有分子

有各种熔点，导热性好，液态的温度范围宽

电学性质

绝缘体，熔体为导体

绝缘体，熔体为非导体

导电体（自由电子）

光学性质

与各构成离子的性质相同，对红外线的吸收强，多是无色或浅色透明的

折射率大，同气体的吸收光谱很不同

不透明，有金属光泽

1.金属材料

绝大多数金属材料的结合键是金属键，少数具有共价键(如灰锡)和离子键（如金属间化合物Mg3Sb2）。

2.陶瓷材料

陶瓷材料的结合键是离子键和共价键，大部分材料以离子键为主。

3.高分子材料

高分子材料的结合键是共价键和分子键，即分子内靠共价键结合，分子间靠分子键结合。以四种键为顶点作一个四面体，就可以把材料的结合键范围示意地表示在这个四面体上，具体材料的特性见图。

三、晶体与非晶体

通常按原子在物质内部的排列规则性将物质分为晶体和非晶体。

结合键四面体

2.非晶体

所谓非晶体是指原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列的一类物质。非晶体的特点是：①结构无序；②物理性质表现为各向同性；③没有固定的熔点；④热导率（导热系数）和膨胀性小；⑤在相同应力作用下，非晶体的塑性形变大；⑥组成非晶体的化学成分变化范围大。

3.晶体与非晶体的转变

非晶体的结构是短程有序，晶体内部虽存在长程有序结构，但在小范围内存在缺陷，即存在着无序性。物质在不同条件下，既可形成晶体结构，又可形成非晶体结构，例如晶体玻璃的形成。

1.晶体

所谓晶体是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质。

晶体的主要特点是：①结构有序；②物理性质表现为各向异性；③有固定的熔点；④在一定条件下有规则的几何外形。

进入下一节纯金属是指具有正的电阻温度系数及金属特性的一类物质。合金是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属元素经熔炼、烧结或其它方法组合而成，具有金属特性的一类物质。

一、纯金属的晶体结构

（一）晶体的基本概念

1.晶格与晶胞

晶格是指描述晶体排列规律的空间格架。从晶格中取出一个最能代表原子排列特征的最基本的几何单元，称为晶胞。晶胞各棱边的尺寸称为晶格常数。

3.2金属材料的晶体结构

⑵晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。⑶原子半径。

⑷晶胞所含原子数2个原子。⑸配位数8。⑹致密度68%。⑺具有体心立方晶格的金属：α-Fe、β-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余种金属。

1.体心立方晶格（bcc晶格）

⑴原子排列特征体心立方晶格的晶胞如图所示。

（二）常见金属的晶格类型

⑵晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。⑶原子半径。⑷晶胞所含原子数4个原子。⑸配位数12。⑹致密度74%。⑺具有面心立方晶格的金属：γ-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Ag等。

2.面心立方晶格（fcc晶格）

⑴原子排列特征面心立方晶格的晶胞如图所示。

⑵晶格常数⑶原子半径⑷晶胞所含原子数6个原子。⑸配位数12。⑹致密度74%。⑺具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、α-Ti等。

3.密排六方晶格（hcp晶格）

⑴原子排列特征密排六方晶格的晶胞如图所示。

4.晶体的各向异性

金属晶体不同方向上性能不同，这种性质叫做晶体的各向异性。

（四）金属的实际结构与晶体的缺陷

一块晶体内部晶格位向完全一致，称该晶体为单晶体。由多晶粒构成的晶体称为多晶体。

实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为以下三种：

1.点缺陷

点缺陷是指在三维尺度上都很小而不超过几个原子直径的缺陷。⑴空位⑵间隙原子⑶置换原子，如图所示。

点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲—晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，金属的密度发生变化。

点缺陷：是零维缺陷，包括空位、间隙原子、置换原子等；Material缺陷在空间的分布情况

2.线缺陷

线缺陷是指二维尺度很小而另一维尺度很大的缺陷。它包括各种类型的位错。所谓位错是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律的错排现象。第一个图为刃型位错，第二个图为螺型位错。

线缺陷：缺陷在空间的分布情况是一维缺陷，即位错，位错包括刃型位错和螺型位错两种；Material如图即是一种位错（刃型位错）的示意图

(注:补充)位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，即式中，ρ为位错密度（m-2）；ΣL为位错线的总长度（m）；V为体积（m3）。位错的存在极大地影响金属的力学性能，如图所示。

3.面缺陷

面缺陷是指二维尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界。

晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。如图（a)所示。

亚晶粒之间的交界称为亚晶界。如图(b)所示。晶界、亚晶界处具有许多特殊性能。

面缺陷：是二维缺陷，包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等；Material(a)孪晶的几何模型示意图(b)孪晶的显微结构示意图(缺陷在空间的分布情况)

二、合金的相结构

组成合金的最基本独立单元叫做组元。由两个组元组成的合金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金。相是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的、均匀的组成部分。所谓组织是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布和各相之间的组合状态。

固态合金中的相结构可分为固溶体和金属化合物两大类。

（一）固溶体

合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。与固溶体结构相同的组元为溶剂，另一组元为溶质。

1.固溶体的分类

⑴按溶质原子在溶剂晶格中的位置，固溶体可分为置换固溶体与间隙固溶体两种。

⑵按溶质原子在固体中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和无限固溶体两种。⑶按溶质原子在固溶体内分布是否有规则，固溶体分为有序固溶体和无序固溶体两种。

2.固溶体的性能

通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的重要方式之一。固溶体的综合力学性能较好，常作为结构合金的基体相。

（二）金属化合物

合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物，或称中间相。其性能特点是熔点一般较高，硬度高，脆性大。金属化合物是许多合金的重要组成相（常作为强化相）。

1.正常价化合物

组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守化合价规律，此类化合物称为正常价化合物。例如：Mg2Si、Cu2Se、ZnS、AlP等。性能特点是硬度高、脆性大。

2.电子化合物

组元间形成化合物不遵守化合价规律，但符合一定电子浓度（化合物中价电子数于原子数之比），则此类化合物称为电子化合物。此类化合物的熔点和硬度较高，塑性较差，在许多有色金属中作为重要的强化相。

3.间隙化合物

由过渡族元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物称为间隙化合物。⑴间隙相当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。一些间隙相及晶格类型见表1-6。间隙相具有金属特性，有极高的熔点及硬度，非常稳定，见表1-7。化学式类型钢中可能遇到的间隙相化学式晶格类型M4XFe4N，Nb4C，Mn4C面心立方M2XFe2N，Cr2N，W2C，Mo2C密排六方MXTaC，TiC，ZrC，VCTiN，ZrN，VNMoN，CrN，WC面心立方体心立方简单六方MX2VC2，CeC2，ZrH2，TiH2，LaC2面心立方表1-6间隙相的化学式及晶格类型表1-7钢中常见间隙化合物的硬度及熔点类型简单结构间隙化合物复杂结构间隙化合物化学式TiCZrCVCNbCTaCWCMoCCr23C6Fe3C硬度HV28502840201020501550173014801650～800熔点/℃30803472±2026503680±5039802785±5252715771227

⑵复杂结构的间隙化合物当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。钢中的Fe3C、Cr23C6、FeB、Fe4W2C、Cr7C3、Fe2B等均属于这类化合物。

进入下一节晶界(补充)晶界的定义 多晶体金属中相邻晶粒之间的界面称为晶界，晶界是金属材料中最常见且对材料力学性能影响最大的面缺陷。晶界的类型及结构

根据相邻晶粒之间的晶体位向差（θ角），可将晶界分为小角度晶界和大角度晶界。小角度晶界

θ<10°的晶界，称作小角度晶界，基本上由位错组成。大角度晶界

θ>10°的晶界，称作大角度晶界，结构较为复杂。晶界的特性晶界的许多特