材料的结构与凝固

3.1材料的结合方式3.2金属材料的结构特点3.3非金属材料的结构特点（自学）3.4材料的凝固与结晶3.5铁碳合金相图第3章材料的结构与凝固1.了解材料的晶体结构与非晶体结构的结构特点；2.了解金属的结晶过程与非金属的形成特点；3.重点掌握铁碳相图及其应用，掌握铁碳合金成分、组织、性能、用途之间的关系及变化规律。学习目标3.1材料的结合方式•1.材料都具有一定的性能且性能之间又有差异•2.金属材料性能差异的来源：（1）化学成分：对应于冶金学研究（2）组织结构：其改变又源于不同的加工处理工艺所以以上两点是改善和发展金属材料性能的两个途径•3.金属和合金在固体下通常都是晶体，要了解金属及合金的内部结构，必须学习晶体的结构。•4.本节内容包括：晶体中原子的结合方式即结合键，重点学习晶体结构的特点及差异等。3.1.1结合键•通常把材料的液态和固态称为凝聚态。•在凝聚状态下，原子间的距离十分接近，便产生了原子间的作用力，使原子结合在一起，或者说形成键。材料的许多性能在很大程度上取决于原子结合键。•根据结合力的强弱分成两大类：•一次键——结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。•二次键——结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。1.离子键•当两种电负性相差大的原子(如碱金属元素与卤族元素的原子)相互靠近时，电负性小的原子失去电子成为正离子，电负性大的原子获得电子而成为负离子。两种离子由静电引力而结合在一起形成离子键。•NaCl结构就是一种离子键的结合。•大多数盐类、碱类和金属氧化物主要以离子键结合。离子键有较强的结合力，因此．离子化合物或离子晶体具有较高的熔点、沸点和硬度，热膨胀系数小，但相对脆性较大。2.共价键•两个相同的原子或性质相差不大的原子互相靠近，电子不会转移，原子间借共用电子对所产生的力而结合，形成共价键。•如金刚石、SiC等结构即具有这种键型。•共价键属于强键，原子间结合牢固，因此，靠共价键结合的共价晶体往往熔点和硬度很高。3.金属键•由金属正离子和自由电子之间相互作用而结合的方式称金属键。•根据金属键的结合特点可以解释金属晶体的一般性能。良好的导电性；良好的导热性；具有很好的变形能力；金属不透明；使金属具有光泽。4.范德瓦耳斯键•当不易失去或获得电子的原子、分子靠近时，由于各自内部电子不均匀分布产生较弱的静电引力，称为范德华力，由这种力作用而相互结合的方式称为分子键或范德华键。•由于分子键不是通过改变原子电子结构而形成的，因而分子键很弱。靠分子键的作用而形成的物质具有低熔点、低沸点、低硬度等性能特点。5.氢键•氢键是一种特殊的分子间作用力，由于氢原子结构的特殊性，当它和电负性大的原子结合后，电子强烈偏移，因而又能和另一个电负性大的原子产生静电引力形成氢键。氢键与分子键能量差不多，大约是共价键的十分之一。一般工程材料的键合类型•金属材料的结合键主要是金属键，也有共价键和离子键(如某些金属间化合物)。•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，所以陶瓷材料有高的熔点和很高的硬度，但脆性较大。•高分子材料又称聚合物，它的结合键是共价键和分子键。由于高分子材料的分子很大，所以分子间的作用力也很大。因而也具有一定的力学性能晶体——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：蜂蜡、玻璃等。晶体金刚石、NaCl、冰等。非晶体——原子无规则堆积，也称为“过冷液体”。液体3.1.2晶体与非晶体晶体的特点：①晶体排列有规则的、周期的长程有序晶体非晶体②晶体有确定的熔点熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线晶体熔化时具有固定熔点（熔点是晶体向非晶体转变的临界温度），而非晶体没有固定熔点，存在一个软化温度范围。③各向异性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象XYZXYZ晶体具有规则的几何外形和各向异性的特性，在不同的方向上测量其性能(如导电性、导热性、热膨胀性、弹性和强度等)时，表现出或大或小的差异；非晶体却为各向同性，在不同方向上的性能则是一样的，不因方向而异。3.2金属材料的结构特点3.2.1晶体结构的基本概念3.2.2三种典型的金属晶体结构3.2.3实际金属的晶体结构3.2.4合金的晶体结构原子（离子）的刚球模型原子中心位置●晶体结构：晶体中原子（离子或分子）规则排列的方式.3.2.1晶体结构的基本概念晶胞点阵（晶格）模型晶格—假设通过原子结点的中心划出许多空间直线所形成的空间格架。晶胞—能反映晶格特征的最小组成单元。晶胞XYZabc晶格常数a，b，c晶格常数—晶胞的三个棱边的长度a,b,c选取晶胞的原则是：①选取的平行六面体应反映出点阵的最高对称性；②平行六面体内的棱和角相等的数目应最多；③当平行六面体的棱边夹角存在直角时，直角的数目应最多；④在满足上述条件的情况下，晶胞应具有最小的体积。3.2.2三种典型的金属晶体结构（1）体心立方晶格bcc（2）面心立方晶格fcc（3）密排六方晶格hcp（1）体心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo等晶格常数：a=b=c；===90（2）面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等晶格常数：a=b=c；===90（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3.2.3实际金属的晶体结构实际金属晶体结构与理想结构的偏离单晶体：内部晶格位向完全一致的晶体（理想晶体）。如：金刚石、水晶、单晶Si半导体。多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。晶粒（单晶体）多晶体示意图2.晶体缺陷类型（1）点缺陷：在三维空间各方向上的尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子尺度，亦称为零维缺陷，如空位、间隙原子、异类原子（2）线缺陷：亦称一维缺陷，其特征是在两个方向上尺寸很小，另外一个方向上延伸较长，主要是各类位错（3）面缺陷：其特征是在空间一个方向上尺寸很小，另外两个方向上扩展很大，亦称二维缺陷，如晶界与亚晶界（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）空位间隙原子当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置，使点阵中形成空结点，称为空位。在一定条件下，晶体表面上的原子也可能跑到晶体内部的间隙位置而形成间隙原子。离开平衡位置的原子有三个去处：①迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，使晶体内部留下空位，称为肖脱基（Schottky）空位；②挤入点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子，称为弗仑克尔（Frenkel）缺陷；③跑到其他空位中，使空位消失或使空位移位。（2）线缺陷——刃型位错正刃型位错负刃型位错实际上这种正负之分并无本质上的区别，只是为了表示两者的相对位置，便于以后讨论而已。刃型位错示意图滑移的位错移动机理位错密度位错密度：单位体积晶体中所含的位错线的总长度，其数学表达式为ρ＝L/V（cm-2）式中L为位错线的总长度，V是晶体的体积。试验结果表明，一般经充分退火的多晶体金属中，位错密度约为106～108cm-2；但经精心制备和处理的超纯金属单晶体，位错密度可低于103cm-2；而经过剧烈冷变形的金属，位错密度可高达1010～1012cm-2，即在1cm2的金属内，含有千百万公里长的位错线。晶须：是实验室采用一些特殊方法制造出的几乎不含位错的结构完整的小晶体，其强度接近于理论计算值。（3）面缺陷晶粒（单晶体）晶界晶界同一种相的晶粒与晶粒的边界称为晶界。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。在晶界上原子的无规则排列，使得晶界的性能与晶内差别很大：①晶界原子比晶内原子易于发生化学反应，因而容易被腐蚀；②晶界原子近于液态结构，致使晶界熔点低于晶内；③异类原子和杂质在晶界上存在时能量低，所以晶界是杂质原子易于聚集的地方；④由于晶界处原子排列无规则，金属的塑性变形（滑移）受到阻碍，致使晶界的强度比晶内高。因此，金属晶粒的大小对金属的性能有很大影响。晶界结构示意图※金属晶体缺陷的影响？点缺陷--造成局部晶格畸变,使金属的电阻率;屈服强度增加,密度发生变化。线缺陷--形成位错对金属的机械性能影响很大，位错极少时，金属强度很高，位错密度越大，金属强度也会提高。面缺陷--晶界和亚晶界越多，晶粒越细，金属强度越高，金属塑性变形的能力越大，塑性越好。●概念●固溶体●金属化合物3.2.4合金的晶体结构组元组成合金的独立的，最基本的单元称组元组元可以是纯元素，如金属元素Cu、Ni、Al、Ti、Fe等，以及非金属元素C、N、B、O等；也可以是化合物Al2O3、SiO2、ZrO等。1.概念材料可以由单一组元组成，如纯金属、Al2O3晶体等，也可以由多种组元组成，如Al-Cu-Mg金属材料、MgO-Al2O3-SiO2系陶瓷材料。合金是指由两种或两种以上的金属、或金属与非金属经熔炼或其他方法制成的具有金属特性的物质。由两个组元组成的合金称为二元合金。三个组元组成的合金称为三元合金。由三个以上组元组成的合金称为多元合金。由一系列相同组元组成的不同成分的合金称为合金系。合金举例：•碳钢（carbonsteel）：是铁与碳所组成的合金。•白铜：主要是铜与镍所组成的合金。•黄铜(brass)：是铜与锌等元素组成的合金。合金除具备纯金属的基本特性外，还可以拥有纯金属所不能达到的一系列机械特性与理化特性,如高强度、高硬度、高耐磨性、强磁性、耐蚀性等。相•在固态下，物质可以是单相的，也可以是多相的。•纯铁是单相的，而钢一般是双相或是多相的。•固态白铜（铜与镍二元合金）是单相的。•由一种固相组成的合金称为单相合金。•由几种不同固相组成的合金称为多相合金。•合金中有两类基本相：固溶体和金属化合物。在物质中，凡是成分相同，结构相同并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相。亚共析钢x400过共析钢x400组织•合金的组织是由数量、大小、形状和分布方式不同的各种相所组成的。•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。•由不同组织构成的材料具有不同的性能。•只有一种相组成的组织称为单相组织•由两种或两种以上相组成的组织称为多相组织组织是指用肉眼或显微镜等所观察到的材料内部的微观形貌。2.固溶体合金中两组元在液态和固态下都互相溶解，共同形成一种成分和性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为固溶体。固溶体溶剂+溶质一种固相能够保持其原有晶格类型并与固溶体晶格相同的组元称为溶剂。失去原有晶格类型的组元称为溶质，一般在合金中含量较少。(solidsolution)固溶体的分类根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为：间隙固溶体和置换固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中分布是否有规律可将固溶体分为：有序固溶体和无序固溶体。根据溶质原子在溶剂晶格中的溶解度可将固溶体分为：有限固溶体和无限固溶体。溶解度：指溶质在固溶体中的极限浓度。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间隙固溶体溶质原子进入溶剂晶格中的间隙之中形成的固溶体。(interstitialsolidsolutions)置换固溶体(substitutionalsolidsolution)溶质原子占据在溶剂晶格的某些结点上，使晶格上的某些溶剂原子被置换而形成的固溶体。间隙固溶体置换固溶体间隙固溶体溶质原子与溶剂原子直径之比应小于0．59方可。直径较大的原子所组成的晶格，其空隙的尺寸也较大。过渡族元素(溶剂)与尺寸较小的元素C、N、H、B等易形成间隙固溶体。溶质原子在间隙固溶体中的溶解度一般很小,所以间隙固溶体都是有限固溶体。溶质原子将使间隙固溶体发生畸变，其浓度越大，畸变越大。间隙固溶体都是无序固镕体。置换固溶体无限固溶体和有序固溶体一定是置换固溶体。置换固溶体也可以是有限固溶体和无序固溶体。两组元晶体结构相同，原子半径和电化学特性接近，则容易形成置换固溶体。无限固溶体形成条件两组元晶体结构相同是必要条件。溶剂原子半径rA与溶质原子半径rB的相对差(rA—rB)\rA小于8%左右时。两元素间的电负