第01章-工程材料的结构与性能

工程材料的结构与性能主讲老师：孙顺平Email:[e-mail][e-mail]neering,JiangsuUniversityofTechnology,Changzhou,213001,China提纲1.材料原子(或分子)的相互作用2.晶体材料的原子排列3.合金的晶体结构5.工程材料的性能4.非金属材料的晶体结构钠的原子结构（钠原子序数11）11质子12中子Kshell(n=1)Lshell(n=2)Mshell(n=3)1s22s22p63s1原子结构1.1材料原子(或分子)的相互作用1.1材料原子(或分子)的相互作用结合键键：相邻的两个或多个原子间的相互作用●原子、离子或分子之间的结合力称为结合键。属于化学范畴的概念，所以也叫化学键●一般可把结合键分为离子键、共价健、金属键和分子键四种。1.1材料原子(或分子)的相互作用1.1.1离子键正、负离子由于静电引力而相互结合成化合物，这种相互作用就称为离子键。大部分盐类、碱类和金属氧化物:MgO/Al2O3/ZrO2离子键的结合力较强，所以离子化合物硬度、熔点、沸点较高、热膨胀系数较小。1.1材料原子(或分子)的相互作用1.1.2共价键原子间以形成公用价电子对而结合。共价键结合极为牢固。金刚石、半导体材料、SiC、Si3N4、BN等化合物1.1材料原子(或分子)的相互作用1.1材料原子(或分子)的相互作用共价键的结合力很大，所以共价晶体强度高、硬度高、熔点高、沸点高、脆性大。1.1材料原子(或分子)的相互作用1.1.3金属键金属金属键无饱和性和方向性。正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键。1.1.4分子键原子或分子间相互作用是依靠分子(或原子)偶极间的作用力(色散力、诱导力、取向力)来完成的。称为范德华力。惰性气体，分子态气体。1.1材料原子(或分子)的相互作用范特瓦尔斯力很弱，因此由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低，因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。1.1材料原子(或分子)的相互作用1.1.5氢键两种电负性大而原子半径小的原子与氢结合时，一个形成共价键，一个形成氢键。HFH2O共价键离子键金属键氢键分子键键的强弱顺序1.1材料原子(或分子)的相互作用金属的定义：1.一般具有良好导电性、导热性、延展性和金属光泽的物质锑Sb塑性很差铈Ce镨Pr导电性不如石墨2.金属具有正的电阻温度系数金属的特性1.良好的导电性和导热性。2.正的电阻温度系数。3.良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。金属键没有方向性，原子间也没有选择性，所以在受外力作用而发生原子位置的相对移动时，结合键不会遭到破坏4.不透明并呈现特有的金属光泽。金属中的自由电子能吸收，并随后辐射出大部分投射到表面的光能。金属键金属中存在大量自由电子，外加电场时电子可以定向地流动。金属的导热性很好。自由电子的活动性很强，金属离子振动作用导热。随温度升高电阻增大。1.1材料原子(或分子)的相互作用金属键平衡距离规则排列晶体：内部质点在三维空间成周期性重复排列的即是晶体，反之为非晶体天然的晶体往往具有规则的几何外形但是晶体与非晶体的区别不是外形而是内部原子排列晶体及其特征1.2晶体材料的原子排列1.2晶体材料的原子排列1.2晶体材料的原子排列1.2晶体材料的原子排列1.2晶体材料的原子排列1.2晶体材料的原子排列晶体与非晶体的区别晶体与非晶体是有联系的，可以相互转化金属的结构晶态非晶态玻璃的结构晶体长程有序有相对固定的熔点各向异性非晶体短程有序无相对固定的熔点各向同性•晶体结构：晶体物质中的原子、分子、离子或者相同性质的原子群、分子群、离子群的具体的排列方式•结点：质点的中心位置称为晶格的结点。点阵中结点仅有几何意义，并不真正代表任何质点。•晶体点阵：由这些结点构成的空间总体称为晶体点阵（空间格子或空间点阵）。晶体结构与空间点阵1.2晶体材料的原子排列晶体中质点排列具有周期性：整个晶体可看作由结点沿三个不同的方向按一定间距重复出现形成的。晶胞：可以从晶体中取出最小晶格一个单元，表示晶体结构的特征。晶胞是从晶体结构中取出来的反映晶体周期性和对称性的重复单元。1.2晶体材料的原子排列晶体点阵及晶胞的不同取法晶胞与晶胞参数晶胞坐标及晶胞参数晶胞:晶体中的重复单元，平行堆积可充满三维空间，形成空间点阵晶胞参数：晶胞的形状和大小可以用6个参数来表示，此即晶格特征参数，简称晶胞参数。它们是3条棱边的长度a、b、c和3条棱边的夹角、、金属的晶格常数一般为:1×10-10m～7×10-10m。1.2晶体材料的原子排列1.2晶体材料的原子排列1.2晶体材料的原子排列常见金属晶体的晶胞结构（b）面心立方（a）体心立方（c）密排六方1.2晶体材料的原子排列1.2晶体材料的原子排列1.2晶体材料的原子排列原子数：单个晶胞中的原子个数原子半径：最近邻原子距离的一半致密度和配位数能够反映原子排列的紧密程度致密度：原子所占的体积与晶胞体积之比配位数：晶体结构中与任一原子最近邻等距离的原子数目常见金属晶体的三种结构常见体心立方的金属有-Fe、Cr、V、Mo、Nb、W等体心立方原子数体心立方原子半径体心立方配位数8体心立方致密度0.68218181.2晶体材料的原子排列体心立方结构a43致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积24r3/3致密度：0.68常见面心立方的金属有Au、Ag、Cu、Al、Ni、-Fe等面心立方原子数面心立方原子半径面心立方配位数12面心立方致密度0.7442168181.2晶体材料的原子排列面心立方结构a42常见的密排六方结构金属有Zn、Mg、Be、Cd、、等密排六方原子数密排六方原子半径密排六方配位数12密排六方致密度0.74c/a称之为轴比理想值为6321261121.2晶体材料的原子排列密排六方结构CoTi2a633.1381.2晶体材料的原子排列1.2晶体材料的原子排列立方晶系晶面、晶向表示方法•晶体中各方位上的原子面称晶面。•各方向上的原子列称晶向。1.晶面指数•表示晶面的符号称晶面指数。•其确定步骤为：•(1)选坐标，以晶格中某一原子为原点（注意不要把原点放在所求的晶面上），以晶胞的三个棱边作为三维坐标的坐标轴。•(2)以相应的晶格常数为单位，求出待定晶面在三个轴上的截距。•(3)求三个截距的倒数。•(4)将所得数值化为最小整数，加圆括弧，形式为(hkl)。y=2yzxAB•(1)确定原点，建立坐标系，过原点作所求晶向的平行线。•(2)求直线上任一点的坐标值。●(3)按比例化为最小整数,加方括弧。形式为[uvw]。2.晶向指数•表示晶向的符号称晶向指数。其确定步骤为：•⑶晶面与晶向•(hkl)与[uvw]分别表示的是一组平行的晶向和晶面。oxyzbacdefgh)100(:abcd)001(:efgh)010(:dcgh)010(:abfe)001(:adhe)100(:bcgfAllofabovesixplanescanbewrittenas{100},beingcalledasPlanesofaform.Planesofaform:{hkl}晶面族•⑶晶面族与晶向族•指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用{hkl}和uvw表示。单晶体与多晶体单晶体：结晶方位完全一致的晶体称为“单晶体”单晶体具有各向异性多晶体：实际金属结构是有许多单晶体组成：晶粒。多晶粒组成的晶体结构称为多晶体。多晶体呈现各向同性伪无向性常温下，晶粒愈小．材料的强度愈高，塑性、韧性就愈好1.2晶体材料的原子排列多晶型性（同素异构）1.2晶体材料的原子排列当外部条件改变时（温度和压力），金属内部由一种晶体结构向另一种晶体结构的转变称之为多晶型性转变或者同素异构转变石墨与金刚石：高温高压下进行，甚至在温度2000℃～4000℃和压强6万～12万个大气压下，这个转变速率仍然不大，还需用铬、铁和铂等作催化多晶型性（同素异构）1.2晶体材料的原子排列实际晶体的结构-晶体缺陷1.2晶体材料的原子排列•理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。•实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。按几何形态：1.点缺陷2.线缺陷3.面缺陷缺陷的存在会使周围的原子产生弹性畸变区，即晶格畸变，会改变材料的性能点缺陷（零维缺陷）1.2晶体材料的原子排列•缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上缺陷的尺寸都很小。•点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温动力学过程等有关。线缺陷（一维缺陷）1.2晶体材料的原子排列在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性密切相关。刃型位错螺型位错两种方法完全消除内部的缺陷，使它的强度接近于理论强度（晶须，单晶）增加材料内部的缺陷，提高强度材料强度与位错密度之间的关系•位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。1.2晶体材料的原子排列面缺陷（二维缺陷）•在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、相界等。•面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。小角度晶界•面缺陷—晶界与亚晶界•晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5~10个原子间距，位向差一般为20~40°。•亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’~2)的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界。晶界的特性a）在常温下，晶界对滑移起阻碍作用，即表现为晶界强度高。b）容易满足固态相变所需的能量起伏，新相往往在晶界处形核。c）晶界处有许多的空位，原子沿晶界扩散速度快。d）抗腐蚀性能差，电阻较高和熔点较低等。1.2晶体材料的原子排列面缺陷（二维缺陷）非晶体材料的原子排列1.2晶体材料的原子排列将液态金属以快速的速度冷却下来，可以得到非晶态金属，也叫金属玻璃，当前材料研究的热点之一。非晶体材料在结构上就是“过冷”的液态，短程有序的结构，有别于晶体的长程有序结构。非晶态一般是一种亚稳态。1.3.1合金的相、组织及其关系相是指合金中具有相同的物理、化学性能，并与其余部分以界面分开的物质部分1.3合金的晶体结构合金是指由两种或两种以上金属、或金属与非金属经过熔炼、烧结或用其他方法组合而成的具有金属特性的物质组元是指组成合金最基本、独立的物质组织（显微组织）指在金相显微镜下观察到的金属材料内部的微观形貌组织由相构成，观察时应分析相的形态、数量、大小和分布方式。金属材料性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定。1.3.2固溶体1.按溶质原子在晶格中所占位置分类：置换固溶体间隙固溶体2.按固溶度分类：有限固溶体无限固溶体Cu-Ni系1.3合金的晶体结构将外来组元引入晶体结构，占据主晶相质点位置一部分或间隙位置一部分，仍保持一个晶相，这种晶体称为固溶体(即溶质溶解在溶剂中形成固溶体）固溶体类型ZXY间隙原子间隙固溶体置换固溶体置换原子YXZ溶质原子的溶入，使固溶体的晶格发生畸变，变形抗力增大，金属的强度及硬度升高的现象------固溶强化•常见化合物可分为正常价化合物、电子化合物、间隙相和间隙化合物。•合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相.Fe3C是钢铁中的一种重要的间隙化合物，具有复杂的斜方晶格，又称为渗碳体．1.3合金的晶体结构1.3.3金属间化合物1.电负性因素电负性相差越小越易形成固溶体，反之易形成金属间化合物2.原子尺寸因素原子尺寸因素可以用组元原子半径之差与其中一组元原子半径之比表示原子尺寸相差越小越易形成固溶体，反之形成金属间化合物倾向增大3.电子浓度因素电子浓度是指合金中价电子与其原子数之比电子浓度越小越易形成固溶体，反之形成金属间化合物倾向增大1.3合金的晶体结构影响相结构的因素BBAAVcVcae/ABArrr