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第2章材料的组织结构不同的金属材料具有不同的力学性能，即使同一种金属材料，在不同的条件下其力学性能也不同。金属力学性能的这种差异，是由其内部构造决定的。2.1金属的晶体结构2.1.1金属的理想晶体结构（一）晶体与非晶体一切物质都是由原子组成。根据原子在物质内部聚集状态的不同，可将物质分为晶体与非晶体两大类。晶体：内部的原子是按一定规律排列，各向异性。非晶体：内部的原子排列无规律。各向同性。第2章材料的组织结构（二）晶体结构的基本知识任何一种晶体都有自己的特定的晶体结构，不可能有两种晶体具有完全相同的晶体结构。为了便于研究，可抽象为空间点阵。2.1.1金属的理想晶体结构（二）晶体结构的基本知识1、晶格、晶胞和晶格常数在讨论晶体结构时，假设晶体里的原子（或离子）是一些静止不动的小球。各种晶体结构就可以看成是这些小球按一定的几何方式紧密排列堆积而成。2.1.1金属的理想晶体结构1、晶格、晶胞和晶格常数（1）晶格描述原子在晶体中排列规律的三维空间几何点阵。2.1.1金属的理想晶体结构（2）晶胞晶格中能够代表晶格特征的最小几何单元。晶胞在空间的重复排列构成整个晶格。2.1.1金属的理想晶体结构（3）晶格参数与晶格常数晶格参数：描述晶胞大小与形状的几何参数。包括晶胞的三个棱边长度a、b、c和三棱边夹角α、β、γ共六个参数。晶格常数：晶胞的三个棱边长度。2.1.1金属的理想晶体结构2、晶面和晶向晶面：金属晶体中，由一系列原子构成的平面。晶面族2.1.1金属的理想晶体结构2、晶面和晶向晶向：通过两个或两个以上原子中心的直线，代表晶格空间的一定方向。在同一晶格中不同晶面晶向上原子排列的疏密程度的不同，原子间结合力不同，从而在不同的晶面和晶向上显示出不同的性能，是晶体各向异性的原因。2.1.1金属的理想晶体结构晶向族2.1.1金属的理想晶体结构（三）金属晶格的常见类型晶体描述了金属晶体内部的排列规律，金属晶体结构的主要差别在于晶格形式及晶格常数的不同。2.1.1金属的理想晶体结构（三）金属晶格的常见类型（1）体心立方晶格晶胞是一个立方体，在晶胞的中心和每个顶角各有一个原子。2.1.1金属的理想晶体结构每个体心立方晶格的原子数为：（1/8）×8+1=2个。塑性较好。具有这种晶格的金属有铬、钨、钼、钒、铌和912℃以下的铁（三）金属晶格的常见类型（2）面心立方晶格晶格属于立方晶系，在晶胞的8个顶角和6个面的中心各有一个原子。2.1.1金属的理想晶体结构每个面心立方晶格的原子数为：（1/8）×8+（1/2）×6=4个。塑性优于体心立方晶格的金属。具有这种晶格的金属有铝、铜、镍、铅、金、银和912-1394℃的铁（三）金属晶格的常见类型（3）密排六方晶格晶格属于六方棱柱体，在六棱柱晶胞的12个项角上各有一个原子，两个端面的中心各有一个原子，晶胞内部有三个原子。2.1.1金属的理想晶体结构每个密排六方晶胞原子数为:（1/6）×12+（1/2）×2+3＝6个较脆具有这种晶格的金属有镁、锌、镉、铍等。（三）金属晶格的常见类型金属的晶格类型不同，性能必然存在差异。即使晶格类型相同，由于各元素的原子大小和原子间距的不同；金属的晶格类型和晶格常数发生改变时，金属的性能也会发生相应的变化。2.1.1金属的理想晶体结构2.1.2、金属的实际晶体结构1.点缺陷（零维缺陷）：空位，间隙原子，杂质原子2.线缺陷（一维缺陷）：位错3.面缺陷（二维缺陷）：晶界，亚晶界，层错，孪晶界2.1.2金属的实际晶体结构2.1.2、金属的实际晶体结构（一）、点缺陷——空位和间隙原子以某个点为中心、在它的周围造成原子排列不规则，产生晶格畸变相的晶体缺陷。1、间隙原子：在晶格的间隙处出现多余原子的晶体；间隙原子晶格空位置换原子2.1.2金属的实际晶体结构2、晶格空位：在晶格的结点处出现缺少原子的晶体；3、置换原子：在晶格的结点处出现原子直径不同的异类原子。点缺陷使金属抵抗塑性变形的能力提高，从而使金属强度提高。（二）、线缺陷——位错晶体中某一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。应力场2.1.2金属的实际晶体结构特点：受力后沿某些晶面移动，导致金属变形，互相作用，使位错的阻力增大，金属强度提高。（三）面缺陷—晶界和亚晶界晶界：不同位向的两晶粒之间的过渡层。亚晶：晶粒内部尺寸很小、位向差很小的小晶块。亚晶界：亚晶之间的界面。面缺陷：晶界和亚晶界。亚晶界晶界亚晶界晶界2.1.2金属的实际晶体结构面缺陷是位错运动的障碍，晶粒、亚晶越细小，界面越多，晶格畸变越大，位错阻力越大，金属强度越高。晶界和亚晶界位错2.1.2金属的实际晶体结构2.1.3金属材料的结构特点（一）、基本概念1、合金：两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属性质的新金属。２、组元：组成合金最基本、能独立存在的物质（可以是化学元素也可以是稳定的化合物）。3、合金系：有相同组元．而成分比例不同的一系列合金。4、相：在合金中，化学成分一致、物理状态相同，与其他部分有明显界面的部分。2.1.3金属材料的结构特点５、显微组织和组织组成物组织：由单相或多相组成的具有一定形态的聚合物。显微组织：显微镜下看到的相和晶粒的形态、大小和配置状态。组织组成物：构成显微组织的独立部分，它可以是单相或多相混合物。二、合金的组织多数合金组元液态时都能互相溶解，形成均匀液溶体。固态时由于各组分之间相互作用不同，形成不同的组织。通常固态时合金形成固溶体、金属化合物和机械混合物三类组织。2.1.3金属材料的结构特点1、固溶体固溶体：一种组元均匀的溶解在另一组元中而形成的晶体相。固溶体是单相，晶格类型与溶剂相同。溶剂：晶格保持不变的组元。溶质：晶格消失的组元。2.1.3金属材料的结构特点（1）置换固溶体当溶质原子代替了溶剂晶格的某些结点原子而形成的固溶体。形成无限固溶体的条件：两组元具有相同的晶格，原子直径相差很小。2.1.3金属材料的结构特点（2）间隙固溶体溶质原子分布在溶剂晶格间隙处而形成的晶体相。形成条件：两组元直径相差较大。由于两组元原子大小和性能上的差别，导致晶格发生畸变、歪扭，使晶体的位错运动阻力增大，合金塑性变形抗力增大，由此强化了合金。固溶强化：因形成固溶体而引起合金强度、硬度升高，但塑性和韧性下降的现象。2.1.3金属材料的结构特点2、金属化合物合金中各组元原子按一定整数比结合而形成的晶体相。金属化合物也是单相，可看成是一个组元。第二相（弥散）强化：在合金中，金属化合物若以细小的粒状均习分布在固溶体相的基体上使合金的强度、硬度进一步提高的现象。2.1.3金属材料的结构特点3、机械混合物两种以上的相紧密混合而成的独立整体。机械混合物的性能取决于各组成相的性能，及其数量、形状、大小与分布等。2.2非金属材料的结构2.2.1陶瓷材料结构特点1、键合类型（离子键和共价键）特点：熔点高、硬度高、耐腐蚀、塑性差。2.组织（1）晶体相：化合物或以化合物为基体的固溶体；（2）玻璃相：结构为离子多面体构成的空间网格，呈不规则排列,30%；特点：熔点低、热稳定性差，使陶瓷在高温下容易产生蠕变，降低高温强度。（3）气相：陶瓷组织中的气孔,5%。2.2.2高分子材料的结构特点主要组分是高分子化合物，以及各种添加剂。添加剂：为改善高分子材料的使用性能或成形工艺而加入的其它成分。包括填料、增塑剂、固化剂、稳定剂、润滑剂、着色剂、阻燃剂、抗静电剂等。单体：可以聚合成大分子链的小分子化合物。链节：大分子链的重复结构单元。聚合度：一个大分子链中链节的数量。反映其长短及相对分子质量的大小。2.2非金属材料的结构2.2.2高分子材料的结构特点1、大分子链的形态（1）线型结构：由许多链节连成一条长链，支链的存在使线型高聚物的性能钝化。（2）体型结构：大分子链之间通过支链或化学链连接成一体的交联结构，在空中呈网状。特点是耐热性好、尺寸稳定、机械强度好，但弹性、塑性低，脆性大，不能塑性加工，材料不能反复使用。2.2非金属材料的结构2.2.2高分子材料的结构特点2、大分子的聚集态结构特点：分子间力大，容易聚集为液态和固态，无气态。分为无定型（分子排列杂乱不规则）和结晶型（分子排列规整有序）。结晶型高聚物：由晶区和非晶区组成。结晶度为50％～80％。无定型高聚物结构：大分子呈远程无序、近程有序排列。2.2非金属材料的结构2.2.2高分子材料的结构特点3、高聚物的物理、力学状态（1）玻璃态：在温度低于Tg时高聚物处于玻璃态，Tg称为玻璃化温度。是塑料的应用状态，Tg越高越好。（2）高弹态：是塑料的应用状态，Tg越低越好。（3）黏流态：是高聚物成形加工的工艺状态。较高的刚度和硬度，既韧又硬的皮革态。2.2非金属材料的结构2.2.2高分子材料的结构特点4、高分子的老化：在热、光、化学、生物、辐射作用下其性能和结构发生变化（硬化、脆化、发软、发黏）。实质是大分子链的结构通过交联和降解发生变化。2.2非金属材料的结构2.3金属的结晶与细晶强化结晶：金属从液态变成固态的过程。1.结晶过程1）晶核的产生；2）晶核的长大。2.3金属的结晶与细晶强化1）液态金属在冷却过程中，由于热量向外散失，温度不断下降；2）当冷却到某一温度时开始结晶，结晶放出的热补偿了向外散失的热量；3）结晶结束，温度重新下降。理论结晶温度纯金属多数合金实际开始结晶温度实际冷却曲线2.3金属的结晶与细晶强化2.结晶温度纯金属由液态转变为固态的温度。2.3金属的结晶与细晶强化过冷现象：金属实际结晶温度较理论结晶温度为低的现象。过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度之差。冷却速度越大，过冷度越大，实际结晶温度越低。10TTT2.3金属的结晶与细晶强化2.3金属的结晶与细晶强化3.晶核的形成与细晶强化自发晶：由金属自身原子团形成晶核；非自发晶：依服外来固体杂质形成晶核；细晶强化：金属的强度、塑性和韧性都随晶粒的细化而提高。2.3金属的结晶与细晶强化试验证明：晶粒越细，金属的力学性能越好。晶粒大小对力学性能的影响2.3金属的结晶与细晶强化晶粒大小对力学性能的影响晶粒的大小及其控制1.增加过冷度，提高形核率2.变质处理，促进非自发形核浇注前向金属液体中加入一些促进生核或作为晶核的物质使金属晶粒细化的方法。3.振动，打碎枝晶金属在结晶时，对液态金属附加振动、超声波振动和电磁振动等措施，使结晶的金属经振动而破碎，增加了生核率，从而使晶粒细化。2.3金属的结晶与细晶强化2.4材料的同素异构现象同素异构转变：金属在固态下随着温度的变化而改变，由一种晶格转变为另一种晶格的现象。同素异构晶体：由同素异构转变所得到的不同晶格的晶体。（体心体方晶格）（面心立方晶格）（体心体方晶格）912℃1394℃1538℃纯铁的同素异构转变2.4材料的同素异构现象金属的同素异构转变与液态金属的结晶过程相似，遵循液体结晶的一般规律：1、恒温转变；2、转变时有过冷现象；3、转变过程由生核和长大两个基本过程组成。2.4材料的同素异构现象2.4材料的同素异构现象同素异构转变，晶核优先在原来晶粒的晶界处形成，并向旧晶粒中长大，直到旧晶粒全部消失为止。转变具有较大的过冷度和内应力。同素异构转变是铁的一种重要特性。是钢和铁接受各种热处理，改变其组织和性能的依据。控制冷却速度，可以改变同素异构转变后的晶粒大小，改变金属的性能。2.4材料的同素异构现象2.4.1同分异构现象化学成分相同而分子结构中原子排列不同的现象。同分异构对高分子材料的性能影响很大。2.4材料的同素异构现象2.5铁碳合金相图2.5.1二元合金相图凝固：一切物质从液态到固态的转变过程。若凝固后形成晶体结构，该转变过程称为结晶。合金相图：在十分缓慢的冷却条件下，合金状态与成分之间关系的图形。(状态图、平衡图)。2.5.1二元合金相图二元合金相图的建立及匀晶相图建立合金系的相图最主要是测定各种不同成分合金的临界点。测定方法：磁性分析、膨胀分析、电阻测量、X射线分析及热分析法等。2.5铁碳合金相图2.5.1二元合金相图