工程材料第一章 材料的结构与性能

第一章材料的结构与性能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。1.1材料的相互作用组成物质的质点（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。1.1.1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、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。1.1.2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。1.1.3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。1.1.4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。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，有金属光泽进入下一节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。1.2.1理想的晶体结构1.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。1.2晶体材料的原子排列表1-2晶系(2)晶系按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系，见表1-2。(4)晶胞中所含原子数晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。(5)配位数和致密度配位数是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原子数。致密度（K）是指晶胞中原子所占体积分数，即K=nv′/V。式中，n为晶胞所含原子数、v′为单个原子体积、V为晶胞体积。2.常见金属的晶格类型(3)原子半径原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距离的一半。2)晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。3)原子半径。4)晶胞所含原子数2个原子。5)配位数8。6)致密度68%。7)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）1)原子排列特征体心立方晶格的晶胞如图所示。ar432)晶格常数a=b=c,α=β=γ=90°。3)原子半径。4)晶胞所含原子数4个原子。5)配位数12。6)致密度74%。7)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）1)原子排列特征面心立方晶格的晶胞如图所示。ar422)晶格常数3)原子半径4)晶胞所含原子数6个原子。5)配位数12。6)致密度74%。7)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）1)原子排列特征密排六方晶格的晶胞如图所示。.12090,633.1,，accbaar213.立方晶系的晶面、晶向表示方法在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。表示晶面的符号称为晶面指数；表示晶向的符号称为晶向指数。注意：1)每一个晶面指数(或晶向指数)泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。2)立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。3)原子排列情况相同但空间位向不同的晶面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。4)不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的。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。1.2.2实际晶体结构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。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。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。VL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。1.3非晶态材料中的原子排列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）和膨胀性小等。1.3.1短程有序非晶体的结构从总体上来说是长程无序的，但邻近原子的排列是有一定规律性的，即所谓的短程有序。1.3.2亚稳态性非晶体结构处于亚稳态，在一定条件下，可转变成晶体结构。1.4合金的晶体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。1.4.1合金的相结构、组织及其关系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态或各相形态之间的组合状态。组织是由组成相的形态所构成的。同一相在不同的条件下可具有不同的形态，因而可形成不同的组织。1.4.2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，其它组元为溶质。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按溶质原子在固溶体中的溶解度，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。1.4.2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。1)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±52527157712272)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。1.4.4合金性能1.固溶体与固溶强化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，常作为合金材料的基体相。2.化合物与第二相强化化合物的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）。以第二相（化合物等）作为强化相来提高合金材料的强度称为第二相强化。其强化效果取决于化合物的形态。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。高分子材料的纳米化简单的低分子化合物叫单体。由一种或几种简单的低分子化合物通过共价键重复连接而成的链称为分子链。大分子链中的重复结构单元叫链节。链节的重复次数即链节数叫聚合度。例如：聚氯乙烯分子是由n个氯乙烯分子打开双键，彼此连接起来形成的大分子链。可用下式表示：其中氯乙烯就是聚氯乙烯的单体，就是聚氯乙烯分子键的链节，n就是聚合度。聚合度反映了大分子链的长短和分子量的大小，可见高分子化合物的分子量（M）是链节的分子量（M0）与聚合度（n）的乘积。M=M0×n1.5.1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.结构单元键连接方式和链的构型⑴聚合物中聚氯乙烯单体的连接方式1)头-尾连接：2)头-头或尾-尾连接：3)无规则连接：⑵共聚物中单体的连接方式（以AB两种单体共聚为例）1)无规则共聚：—ABBABBABAABAA—2)交替共聚：—ABABABABABAB—3)嵌段共聚:—AAAABBAAAABB—4)接枝共聚：（2）链的构型链的结构是指高分子链中原子或原子团在空间的排列方式,即链构型。按取代基R在空间所处的位置及规律不同,可有以下三种立体构型:⑴全同立构取代基R全部处于主链一侧。⑵间同立构取代基R相间地分布在主链两侧。⑶无规立构取代基R在主链两侧作不规则地分布。高分子链的构型不同,则性能不同2）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。2.高分子链的形态（1）高分子链的几何形态1）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。3）体型分子链分子链之间由许多链节