第一章緒論工程材料結(jié)構(gòu)和性能

1、工程學(xué)院王貴教授 金屬材料金屬材料非金屬材料非金屬材料復(fù)合材料復(fù)合材料工程材料的分類工程材料的分類第一節(jié)：工程材料分類第一節(jié)：工程材料分類緒論緒論金屬材料：金屬材料：由金屬元素或化合物組成；可由金屬元素或化合物組成；可分為黑色金屬材料分為黑色金屬材料-鋼、鐵，和有色金屬鋼、鐵，和有色金屬材料材料銅、鋁、鋅及合金等。銅、鋁、鋅及合金等。非金屬材料：非金屬材料：除金屬材料以外材料的總稱。除金屬材料以外材料的總稱。在工程材料中指無(wú)機(jī)非金屬材料在工程材料中指無(wú)機(jī)非金屬材料陶瓷，陶瓷，和高分子材料和高分子材料復(fù)合材料：復(fù)合材料：由兩種或兩種以上不同性質(zhì)或由兩種或兩種以上不同性質(zhì)或不同結(jié)構(gòu)的材料，以微觀或

2、宏觀的形式結(jié)不同結(jié)構(gòu)的材料，以微觀或宏觀的形式結(jié)合在一起形成的材料。合在一起形成的材料。如金屬基復(fù)合材料；如金屬基復(fù)合材料；陶瓷基復(fù)合材料；高分子復(fù)合材料等。陶瓷基復(fù)合材料；高分子復(fù)合材料等。第二節(jié)：工程材料及成形技術(shù)的地第二節(jié)：工程材料及成形技術(shù)的地 位、作位、作 用和發(fā)展用和發(fā)展一一、地位：、地位：1、材料是人類生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展所必需的物、材料是人類生產(chǎn)和社會(huì)發(fā)展所必需的物質(zhì)基礎(chǔ)質(zhì)基礎(chǔ) 日常生活用具日常生活用具高、精、尖工業(yè)產(chǎn)品；高、精、尖工業(yè)產(chǎn)品；簡(jiǎn)單手工工具簡(jiǎn)單手工工具航天器、機(jī)器人等復(fù)雜航天器、機(jī)器人等復(fù)雜工業(yè)裝備工業(yè)裝備都是由不同種類、不同性能都是由不同種類、不同性能的材料，加工成零

3、件組合、裝配而成。的材料，加工成零件組合、裝配而成。2、材料的利用情況標(biāo)志著人類文明的發(fā)展、材料的利用情況標(biāo)志著人類文明的發(fā)展水平水平 歷史學(xué)家以材料種類劃分時(shí)代：石器時(shí)代歷史學(xué)家以材料種類劃分時(shí)代：石器時(shí)代青銅器時(shí)代青銅器時(shí)代鐵器時(shí)代等；鐵器時(shí)代等； 20世紀(jì)世紀(jì)60年代：材料技術(shù)、能源技術(shù)、信息年代：材料技術(shù)、能源技術(shù)、信息技術(shù)被視為現(xiàn)代技術(shù)和文明的三大支柱，其中材技術(shù)被視為現(xiàn)代技術(shù)和文明的三大支柱，其中材料技術(shù)是基礎(chǔ)；料技術(shù)是基礎(chǔ)；70年代：新型材料、信息技術(shù)、年代：新型材料、信息技術(shù)、生物技術(shù)被視為新技術(shù)革命的主要標(biāo)志，同樣新生物技術(shù)被視為新技術(shù)革命的主要標(biāo)志，同樣新型材料技術(shù)是基礎(chǔ)；

4、型材料技術(shù)是基礎(chǔ)；90年代：迅速發(fā)展的納米材年代：迅速發(fā)展的納米材料及技術(shù)被視為下一次技術(shù)革命的基礎(chǔ)。料及技術(shù)被視為下一次技術(shù)革命的基礎(chǔ)。二、在機(jī)械制造中的作用二、在機(jī)械制造中的作用1、工程材料及成形技術(shù)是機(jī)械制造過(guò)程中的重工程材料及成形技術(shù)是機(jī)械制造過(guò)程中的重要組成部分要組成部分材料選用材料選用加工成形加工成形產(chǎn)品產(chǎn)品功能和價(jià)值功能和價(jià)值2、工程材料的選用和成形工藝是機(jī)械零件獲得、工程材料的選用和成形工藝是機(jī)械零件獲得所需性能的重要保證所需性能的重要保證3、新材料、新工藝的應(yīng)用可簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)和加工，、新材料、新工藝的應(yīng)用可簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)和加工，提高產(chǎn)品質(zhì)量提高產(chǎn)品質(zhì)量三、工程材料的發(fā)展過(guò)程三、工程材料

5、的發(fā)展過(guò)程1、發(fā)展過(guò)程：低級(jí)、發(fā)展過(guò)程：低級(jí)高級(jí)；簡(jiǎn)單高級(jí)；簡(jiǎn)單復(fù)雜；天然復(fù)雜；天然人工合成；人工合成；2、發(fā)展趨勢(shì)：金屬材料、高分子材料、工業(yè)陶、發(fā)展趨勢(shì)：金屬材料、高分子材料、工業(yè)陶瓷、復(fù)合材料共存；人工合成材料占主導(dǎo)地；瓷、復(fù)合材料共存；人工合成材料占主導(dǎo)地；3、認(rèn)識(shí)過(guò)程：感知認(rèn)識(shí)過(guò)程：感知宏觀（性能）宏觀（性能） 微觀（組織、微觀（組織、結(jié)構(gòu)）；結(jié)構(gòu)）；總結(jié)：總結(jié)：材料科學(xué)的內(nèi)涵是研究材料化學(xué)組成和微材料科學(xué)的內(nèi)涵是研究材料化學(xué)組成和微觀結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的一門科學(xué)；并涉及制取觀結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系的一門科學(xué)；并涉及制取材料和使用材料的相關(guān)知識(shí)。材料和使用材料的相關(guān)知識(shí)。第三節(jié)：課程的性

6、質(zhì)和任務(wù)第三節(jié)：課程的性質(zhì)和任務(wù)一、性質(zhì)：一、性質(zhì)： 工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)是機(jī)械類專業(yè)學(xué)生必修的一門必修的一門專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課專業(yè)技術(shù)基礎(chǔ)課。二、本課程的任務(wù)二、本課程的任務(wù): 使學(xué)生獲得有關(guān)工程材料及成形技術(shù)的基本使學(xué)生獲得有關(guān)工程材料及成形技術(shù)的基本理論和基本知識(shí)；掌握常用工程材料成分組理論和基本知識(shí)；掌握常用工程材料成分組織性能應(yīng)用之間關(guān)系的一般規(guī)律；掌握?？椥阅軕?yīng)用之間關(guān)系的一般規(guī)律；掌握常用工程材料的成型方法和工藝；初步具有根據(jù)用工程材料的成型方法和工藝；初步具有根據(jù)機(jī)械零件的服役條件和失效形式、合理選用工機(jī)械零件的服役條件和失效形式、合理選用工

7、程材料和處理工藝及成形方法的能力。程材料和處理工藝及成形方法的能力。三、課程內(nèi)容和專業(yè)間的關(guān)系三、課程內(nèi)容和專業(yè)間的關(guān)系1、機(jī)械工程技術(shù)人員涉及的領(lǐng)域：設(shè)計(jì)、制造、機(jī)械工程技術(shù)人員涉及的領(lǐng)域：設(shè)計(jì)、制造、運(yùn)行、維護(hù)等運(yùn)行、維護(hù)等都要面對(duì)工程材料及成形工都要面對(duì)工程材料及成形工藝的選擇、使用問(wèn)題。藝的選擇、使用問(wèn)題。2、設(shè)計(jì)過(guò)程：要正確處理設(shè)計(jì)、設(shè)計(jì)過(guò)程：要正確處理設(shè)計(jì)選材選材加工之加工之間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。間的關(guān)聯(lián)關(guān)系。3、加工制造過(guò)程：合理選擇加工工藝方法（如、加工制造過(guò)程：合理選擇加工工藝方法（如成形工藝）和安排工藝路線（各種處理方法）成形工藝）和安排工藝路線（各種處理方法）是得到合格產(chǎn)品的保證

8、。是得到合格產(chǎn)品的保證。四、課程基本教學(xué)要求四、課程基本教學(xué)要求1、了解和掌握工程材料及成形技術(shù)的基本、了解和掌握工程材料及成形技術(shù)的基本知識(shí)知識(shí)包括：包括：1）工程材料的成分、工藝）工程材料的成分、工藝微觀組微觀組織、結(jié)構(gòu)織、結(jié)構(gòu)性能之間的關(guān)系；性能之間的關(guān)系； 2）工程材料成形工藝與組織、性能）工程材料成形工藝與組織、性能之間的關(guān)系；之間的關(guān)系； 3）新材料、新工藝的應(yīng)用；）新材料、新工藝的應(yīng)用；2、培養(yǎng)具有合理選擇工程材料、正確制定、培養(yǎng)具有合理選擇工程材料、正確制定成形工藝和熱處理工藝的能力。成形工藝和熱處理工藝的能力。工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)工程材料及成形技術(shù)基礎(chǔ)第一章第一章 工程材料

9、結(jié)構(gòu)與性能工程材料結(jié)構(gòu)與性能The Microstructure and Properties of Engineering Materials工程材料的性能工程材料的性能材料原子或分子的結(jié)合方式材料原子或分子的結(jié)合方式晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列合金的晶體結(jié)構(gòu)合金的晶體結(jié)構(gòu)陶瓷和高分子材料的原子排列和陶瓷和高分子材料的原子排列和結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)第一節(jié)第一節(jié) 材料的性能材料的性能 材料的性能是指材料的性質(zhì)和功能。性質(zhì)是材料的性能是指材料的性質(zhì)和功能。性質(zhì)是本身所具有的特質(zhì)或本性；功能是人們對(duì)材料的本身所具有的特質(zhì)或本性；功能是人們對(duì)材料的某種期待與要求或某種可以承擔(dān)的功效，以及承某種期待與要求

10、或某種可以承擔(dān)的功效，以及承擔(dān)該功效下的表現(xiàn)或能力。擔(dān)該功效下的表現(xiàn)或能力。1.1. 力學(xué)性能力學(xué)性能2. 物理性能物理性能3. 化學(xué)性能化學(xué)性能4. 工藝性能。工藝性能。材料的性能：材料的性能：一、力學(xué)性能一、力學(xué)性能 材料的力學(xué)性能是指材料處于特定環(huán)境因材料的力學(xué)性能是指材料處于特定環(huán)境因素素(溫度、介質(zhì)等溫度、介質(zhì)等)時(shí)，在外力或能量作用下表時(shí)，在外力或能量作用下表現(xiàn)出來(lái)的變形和破壞的特征?，F(xiàn)出來(lái)的變形和破壞的特征。 通常把作用在材料上的外力或能量稱為載荷通常把作用在材料上的外力或能量稱為載荷或負(fù)荷。材料的主要力學(xué)性能有或負(fù)荷。材料的主要力學(xué)性能有： 彈性彈性 強(qiáng)度強(qiáng)度 塑性塑性 硬度硬

11、度 沖擊韌性沖擊韌性 疲勞特性疲勞特性 耐磨性耐磨性1.拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)過(guò)程：過(guò)程：外力增加，試樣伸長(zhǎng)。得外力增加，試樣伸長(zhǎng)。得到到P P L L曲線，換算為曲線，換算為 曲線。曲線。材料表現(xiàn)為彈性變形、均勻塑性變材料表現(xiàn)為彈性變形、均勻塑性變形、頸縮、斷裂。形、頸縮、斷裂。拉伸試驗(yàn)拉伸試驗(yàn)機(jī)機(jī)拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象拉伸試樣的頸縮現(xiàn)象2. 拉伸曲線拉伸曲線變形分為：變形分為：彈性變形階彈性變形階段段OA屈服現(xiàn)象屈服現(xiàn)象屈屈服平臺(tái)服平臺(tái)塑性變形階段：塑性變形階段：均勻塑性變形均勻塑性變形階段階段CD不均勻塑性變不均勻塑性變形階段形階段-DE彈性彈性( elasticity ):金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)

12、生金屬材料受外力作用時(shí)產(chǎn)生變形變形,當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)到原來(lái)形狀及尺寸當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)到原來(lái)形狀及尺寸的性能。的性能。彈性變形彈性變形( elastic deformation ): 隨載荷撤除而消隨載荷撤除而消失的變形。失的變形。彈性極限彈性極限( elastic limit ): e = Pe/F0 ( M pa ) 3.彈性和剛度彈性和剛度彈性模量與剛度：彈性模量與剛度：4.強(qiáng)度強(qiáng)度(strength): 材料在載荷作用下抵抗材料在載荷作用下抵抗 變形和破壞的能力。變形和破壞的能力。(1)種類種類: 抗拉強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、 抗壓強(qiáng)度、抗壓強(qiáng)度、 抗彎強(qiáng)抗彎強(qiáng) 度度 、 抗剪強(qiáng)度抗剪強(qiáng)度

13、、 抗扭強(qiáng)度等?？古?qiáng)度等。 (2)屈服強(qiáng)度屈服強(qiáng)度( yield strength): 屈服點(diǎn)屈服點(diǎn) S Ps s = ( M pa ) F0試樣屈服時(shí)的載荷試樣屈服時(shí)的載荷( N )試樣試樣原始橫截面積原始橫截面積( mm2) (3)條件屈服強(qiáng)度條件屈服強(qiáng)度( 塑性變形量為塑性變形量為0.2%)(4)抗拉強(qiáng)度抗拉強(qiáng)度( tensile strength ): 試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。試樣在斷裂前所能承受的最大應(yīng)力。 P0.2 0.2 = ( M pa ) F 0 試樣原始橫截面試樣原始橫截面( mm2)試樣產(chǎn)生試樣產(chǎn)生0.2%殘余塑性變殘余塑性變 形時(shí)的載荷形時(shí)的載荷(N) P b

14、 試樣斷裂前的最大載荷試樣斷裂前的最大載荷(N) b = ( M pa ) F 0 試樣原始橫截面積試樣原始橫截面積( mm2)5.塑性塑性(plasticity):是指材料在載荷作用下是指材料在載荷作用下 產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。產(chǎn)生塑性變形而不被破壞的能力。(1)斷面收縮率斷面收縮率(percentage reduction in area): 是指試樣拉斷處橫截面積是指試樣拉斷處橫截面積F k 的收縮量與原始橫截面積的收縮量與原始橫截面積F0之比。之比。 F0 - F k = 100% F0 (2)伸長(zhǎng)率伸長(zhǎng)率(延伸率延伸率) specific elongation: 是指試樣拉斷

15、后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量是指試樣拉斷后的標(biāo)距伸長(zhǎng)量L k與與原始標(biāo)距原始標(biāo)距L 0之比。之比。 L k L 0 = 100% L 0 10% 屬塑性材料屬塑性材料二二.硬度硬度( hardness ):是指材料抵抗其他是指材料抵抗其他 硬物體壓入其表面的能力。硬物體壓入其表面的能力。 布氏硬度布氏硬度HB 洛氏硬度洛氏硬度HR 維氏硬度維氏硬度HV 肖氏硬度肖氏硬度HS銼刀法銼刀法常用測(cè)量硬度的方法常用測(cè)量硬度的方法(1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )布氏硬度計(jì)布氏硬度計(jì) (1)布氏硬度布氏硬度 HB ( Brinell-hardness )適用范圍適用范圍:v 450

16、HBS;S代表壓頭為淬火鋼球代表壓頭為淬火鋼球所測(cè)布氏硬度值所測(cè)布氏硬度值v 650HBW;W代表壓頭為硬質(zhì)合金球代表壓頭為硬質(zhì)合金球所測(cè)布氏硬度值所測(cè)布氏硬度值注：注： 符號(hào)符號(hào)HBS或或HBW之前的數(shù)字表示硬之前的數(shù)字表示硬度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球度值，符號(hào)后面的數(shù)字按順序分別表示球體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。體直徑、載荷及載荷保持時(shí)間。如如: :120HBS10/1000/30表示表示直徑為直徑為10mm的的鋼球鋼球在在1000kgf（9.807kN）載荷載荷作用下作用下保保持持30s測(cè)得的測(cè)得的布氏硬度值為布氏硬度值為120。(2)洛氏硬度洛氏硬度 HR ( Rockwll

17、 hardness ) 有有HRA、 HRB 、HRC，工程上常用，工程上常用HRC（區(qū)別是（區(qū)別是壓頭不同）壓頭不同）h1-h0洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度測(cè)試示意圖洛氏硬度計(jì)洛氏硬度計(jì)10HRCHBS(3)維氏硬度維氏硬度 HV ( diamond penetrator hardness )適用范圍適用范圍: 測(cè)量薄板類測(cè)量薄板類 ; HVHBS ;工工 件件(4)肖氏硬度肖氏硬度 HS (drop hardness )254mm2.5gh(5) 銼刀法銼刀法: 一組硬度差為一組硬度差為5HRC的銼刀。例如的銼刀。例如:10HRC、15HRC、20HRC等。等。三三.沖擊韌性沖擊韌性( no

18、tch toughness ): 材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞材料在沖擊載荷作用下抵抗破壞的能力。的能力。沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試驗(yàn)機(jī)沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖沖擊試樣和沖擊試驗(yàn)示意圖試樣沖斷時(shí)所消耗的試樣沖斷時(shí)所消耗的沖擊功沖擊功A k為為: A k = m g H m g h (J) 沖擊韌性值沖擊韌性值a k 就是試樣缺口處單位就是試樣缺口處單位截面積上所消耗的沖擊功。截面積上所消耗的沖擊功。 AK a k = (J/cm) S0四四.疲勞強(qiáng)度疲勞強(qiáng)度( fatigue strength ): 材料在低于屈服應(yīng)力的交變應(yīng)力反復(fù)作用下，發(fā)生材料在低于屈服應(yīng)力的交變應(yīng)力反復(fù)作用下，發(fā)生的斷裂現(xiàn)象稱為的

19、斷裂現(xiàn)象稱為疲勞斷裂疲勞斷裂。疲勞斷裂是損傷的積累過(guò)程，。疲勞斷裂是損傷的積累過(guò)程，包括疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展、瞬間斷裂三各階段。應(yīng)力包括疲勞裂紋的產(chǎn)生、擴(kuò)展、瞬間斷裂三各階段。應(yīng)力大小和循環(huán)次數(shù)有關(guān)。大小和循環(huán)次數(shù)有關(guān)。低周疲勞低周疲勞又稱條件疲勞極限，又稱條件疲勞極限，參照零件工作周期可能作用的參照零件工作周期可能作用的次數(shù)下能承受的應(yīng)力極限值。次數(shù)下能承受的應(yīng)力極限值。（可以有效發(fā)揮材料的作用（可以有效發(fā)揮材料的作用）高周疲勞高周疲勞對(duì)稱應(yīng)力作用趨于水對(duì)稱應(yīng)力作用趨于水平線的最大應(yīng)力為平線的最大應(yīng)力為-1-1 , ,作為永作為永久可用的疲勞強(qiáng)度極限。實(shí)際久可用的疲勞強(qiáng)度極限。實(shí)際大多以大多

20、以10107 7次未斷裂的應(yīng)力來(lái)測(cè)次未斷裂的應(yīng)力來(lái)測(cè)定。定。五、高溫性能五、高溫性能考慮環(huán)境溫度和作用時(shí)間的影響考慮環(huán)境溫度和作用時(shí)間的影響1.蠕變現(xiàn)象：蠕變現(xiàn)象：材料在低于屈服強(qiáng)度的高溫材料在低于屈服強(qiáng)度的高溫環(huán)境下工作時(shí)，隨時(shí)間延長(zhǎng)而緩慢發(fā)生環(huán)境下工作時(shí)，隨時(shí)間延長(zhǎng)而緩慢發(fā)生塑性變形的現(xiàn)象。塑性變形的現(xiàn)象。2.蠕變強(qiáng)度（蠕變強(qiáng)度（T T/t/t）：材料在一定溫度下，材料在一定溫度下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定蠕變量時(shí)所能承在規(guī)定時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生一定蠕變量時(shí)所能承受的最大應(yīng)力。受的最大應(yīng)力。3.持久強(qiáng)度（持久強(qiáng)度（T Tt t） ：材料在一定溫度下，材料在一定溫度下，在規(guī)定時(shí)間內(nèi)所能承受的最大斷裂應(yīng)力。

21、在規(guī)定時(shí)間內(nèi)所能承受的最大斷裂應(yīng)力。六、耐磨性六、耐磨性 一個(gè)零件相對(duì)另一零件有摩擦運(yùn)動(dòng)而造成一個(gè)零件相對(duì)另一零件有摩擦運(yùn)動(dòng)而造成接觸面的尺寸變化、質(zhì)量損失現(xiàn)象成為磨損。接觸面的尺寸變化、質(zhì)量損失現(xiàn)象成為磨損。 磨損的后果可能因零件尺寸變化，輕則降低磨損的后果可能因零件尺寸變化，輕則降低傳動(dòng)質(zhì)量，影響部件的使用性能；重則因尺寸變傳動(dòng)質(zhì)量，影響部件的使用性能；重則因尺寸變小造成零件斷裂。磨損主要有磨粒磨損小造成零件斷裂。磨損主要有磨粒磨損( (切削切削) )、粘著磨損粘著磨損( (分子作用力分子作用力) )；接觸疲勞磨損等。；接觸疲勞磨損等。 測(cè)定方法讓兩試樣組成摩擦付，在設(shè)定條件測(cè)定方法讓兩試

22、樣組成摩擦付，在設(shè)定條件( (力、潤(rùn)滑劑力、潤(rùn)滑劑) )進(jìn)行一定時(shí)間的摩擦運(yùn)動(dòng)后，測(cè)定進(jìn)行一定時(shí)間的摩擦運(yùn)動(dòng)后，測(cè)定試樣的尺寸減小值試樣的尺寸減小值/ /質(zhì)量的損失值質(zhì)量的損失值/ /摩擦表明外觀摩擦表明外觀形貌來(lái)比較不同材料的耐磨性。形貌來(lái)比較不同材料的耐磨性。七、物理性能七、物理性能 材料的物理性能是指材料本身具有的各種物材料的物理性能是指材料本身具有的各種物理量理量(熱、電、光、磁等熱、電、光、磁等)以及環(huán)境變化時(shí)他們的以及環(huán)境變化時(shí)他們的變化程度。如：變化程度。如：密度與比容密度與比容導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 熱膨脹系數(shù)熱膨脹系數(shù)單位體積物質(zhì)的質(zhì)量單位體積物質(zhì)的質(zhì)量 Kg/M3單位質(zhì)量的物質(zhì)所占的

23、體積單位質(zhì)量的物質(zhì)所占的體積 M3/Kg物體內(nèi)溫度梯度為物體內(nèi)溫度梯度為1/M1/M時(shí)，在單位時(shí)間、單時(shí)，在單位時(shí)間、單位面積內(nèi)傳遞的熱量位面積內(nèi)傳遞的熱量 W/(M.K) 溫度上升溫度上升11時(shí)，單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量時(shí)，單位長(zhǎng)度的伸長(zhǎng)量 mm/(.mm)或或-1 電阻與電導(dǎo)電阻與電導(dǎo)電阻溫度系數(shù)電阻溫度系數(shù)熔點(diǎn)熔點(diǎn) 導(dǎo)磁率導(dǎo)磁率物質(zhì)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，反映固態(tài)下物質(zhì)由固態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)橐簯B(tài)的溫度，反映固態(tài)下原子間結(jié)合力。原子間結(jié)合力。電阻率電阻率 為單位長(zhǎng)度和單位截面積導(dǎo)體為單位長(zhǎng)度和單位截面積導(dǎo)體的電阻。單位是的電阻。單位是M，其倒數(shù)稱為電導(dǎo)，其倒數(shù)稱為電導(dǎo)率率 S/M西門子/米溫度上升溫度上升1

24、1時(shí)，時(shí)，電阻率電阻率 的變化系的變化系數(shù)，單位數(shù)，單位-1 超導(dǎo)現(xiàn)象是材料在很低溫度下，電阻突然從某個(gè)超導(dǎo)現(xiàn)象是材料在很低溫度下，電阻突然從某個(gè)值降為零的特征。每種材料有自己的轉(zhuǎn)變溫度，某些值降為零的特征。每種材料有自己的轉(zhuǎn)變溫度，某些化合物的轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到化合物的轉(zhuǎn)變溫度達(dá)到100K100K以上。以上。鐵合金、化合物鐵合金、化合物(鐵氧體鐵氧體)特有性能。特有性能。八、化學(xué)性能八、化學(xué)性能 反映材料與各種化學(xué)試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性和反應(yīng)反映材料與各種化學(xué)試劑發(fā)生化學(xué)反應(yīng)的可能性和反應(yīng)速度大小的相關(guān)參數(shù)。速度大小的相關(guān)參數(shù)。 工程材料主要考慮其耐腐蝕性，電化學(xué)材料有的考工程材料主要考慮其耐腐

25、蝕性，電化學(xué)材料有的考察電極電位、儲(chǔ)能密度等。察電極電位、儲(chǔ)能密度等。 材料由于周圍環(huán)境介質(zhì)侵蝕而造成的損傷和破壞均材料由于周圍環(huán)境介質(zhì)侵蝕而造成的損傷和破壞均稱為腐蝕。稱為腐蝕。 發(fā)生腐蝕的化學(xué)過(guò)程有化學(xué)腐蝕發(fā)生腐蝕的化學(xué)過(guò)程有化學(xué)腐蝕( (氧化氧化) )、電化學(xué)腐蝕、電化學(xué)腐蝕和應(yīng)力腐蝕等不同形式。腐蝕速度與材料、介質(zhì)、溫度、和應(yīng)力腐蝕等不同形式。腐蝕速度與材料、介質(zhì)、溫度、應(yīng)力、輻照等應(yīng)力、輻照等因素有關(guān)。腐蝕不僅影響零件表面質(zhì)量，因素有關(guān)。腐蝕不僅影響零件表面質(zhì)量，并且可以造成零件早期損壞，防腐設(shè)計(jì)應(yīng)考慮材料的選擇并且可以造成零件早期損壞，防腐設(shè)計(jì)應(yīng)考慮材料的選擇和防腐措施相結(jié)合。和防

26、腐措施相結(jié)合。九、工藝性能九、工藝性能鑄造性能：鑄造性能：澆注時(shí)，液體能充滿鑄型并澆注時(shí)，液體能充滿鑄型并得到優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。得到優(yōu)質(zhì)鑄件的能力。鍛造性能：鍛造性能：材料進(jìn)行壓力加工的性能。材料進(jìn)行壓力加工的性能。焊接性能：焊接性能：材料進(jìn)行焊接及保證焊縫質(zhì)材料進(jìn)行焊接及保證焊縫質(zhì)量的能力。量的能力。切削性能：切削性能：進(jìn)行機(jī)械加工的能力。進(jìn)行機(jī)械加工的能力。成型性能：成型性能：拉、壓、拔、沖等拉、壓、拔、沖等第二節(jié)：材料原子或分子結(jié)合方式第二節(jié)：材料原子或分子結(jié)合方式一、結(jié)合鍵一、結(jié)合鍵1.離子鍵：正、負(fù)離子由于靜電引力而產(chǎn)生的相互作用。如：鹽類離子鍵：正、負(fù)離子由于靜電引力而產(chǎn)生的相互作用

27、。如：鹽類 NaCl；金屬氧化物；金屬氧化物 Al2O3特點(diǎn)：熔點(diǎn)、沸點(diǎn)硬度較高；熱膨脹系數(shù)較小。特點(diǎn)：熔點(diǎn)、沸點(diǎn)硬度較高；熱膨脹系數(shù)較小。2.共價(jià)鍵：原子間結(jié)合時(shí)，以形成共用電子對(duì)而結(jié)合的方式。如：共價(jià)鍵：原子間結(jié)合時(shí)，以形成共用電子對(duì)而結(jié)合的方式。如：金剛石；碳化硅、氧化硅陶瓷等金剛石；碳化硅、氧化硅陶瓷等特點(diǎn)：結(jié)合鍵牢固，熔點(diǎn)、硬度較高特點(diǎn)：結(jié)合鍵牢固，熔點(diǎn)、硬度較高多為非導(dǎo)體。多為非導(dǎo)體。3.金屬鍵：金屬正離子和核外價(jià)電子形成的金屬鍵：金屬正離子和核外價(jià)電子形成的“自由電子氣自由電子氣”間的靜間的靜電相互作用。如：金屬電相互作用。如：金屬特點(diǎn)：良好的導(dǎo)熱性和塑性特點(diǎn)：良好的導(dǎo)熱性和塑性

28、多為導(dǎo)體。多為導(dǎo)體。4.分子鍵（范德華力）：原子或分子結(jié)合時(shí)，沒(méi)有價(jià)電子的得失、分子鍵（范德華力）：原子或分子結(jié)合時(shí)，沒(méi)有價(jià)電子的得失、共有現(xiàn)象，而是依靠分子或原子偶極間的作用力進(jìn)行結(jié)合的方式。共有現(xiàn)象，而是依靠分子或原子偶極間的作用力進(jìn)行結(jié)合的方式。如：石墨如：石墨特點(diǎn)：結(jié)合力較弱，晶體熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、硬度較低。特點(diǎn)：結(jié)合力較弱，晶體熔點(diǎn)、沸點(diǎn)、硬度較低。5.氫鍵：當(dāng)兩種負(fù)電性大而原子半徑較小的原子與氫原子結(jié)合時(shí)，氫鍵：當(dāng)兩種負(fù)電性大而原子半徑較小的原子與氫原子結(jié)合時(shí)，氫原子與一種原子間形成共價(jià)鍵，而與另一種原子間通過(guò)靜電引氫原子與一種原子間形成共價(jià)鍵，而與另一種原子間通過(guò)靜電引力的氫鍵結(jié)合。如

29、：力的氫鍵結(jié)合。如：H2O.特點(diǎn)：結(jié)合方式較離子鍵、共價(jià)鍵弱；較分子鍵強(qiáng)。特點(diǎn)：結(jié)合方式較離子鍵、共價(jià)鍵弱；較分子鍵強(qiáng)?？偨Y(jié)：工程材料原子間結(jié)合方式及性能特點(diǎn)總結(jié)：工程材料原子間結(jié)合方式及性能特點(diǎn)注：實(shí)際工程材料常是幾種結(jié)合方式混合，但以一種為注：實(shí)際工程材料常是幾種結(jié)合方式混合，但以一種為主。主。第三節(jié)第三節(jié) 晶體材料的原子排列晶體材料的原子排列一一.晶體與非晶體的基本概念晶體與非晶體的基本概念1.晶體晶體 ( crystal ) 的基本概念的基本概念: 物體內(nèi)部的原子物體內(nèi)部的原子 ( 或分子或分子 ) 在三維在三維 空間中空間中 , 按一定規(guī)律作周期性排列按一定規(guī)律作周期性排列的固的固

30、體。體。 晶體物質(zhì)所具有的性質(zhì)晶體物質(zhì)所具有的性質(zhì): 固定的熔固定的熔 點(diǎn)點(diǎn); 各向異性各向異性等。等。 例如例如 , 所有的金屬、所有的金屬、 食鹽等。食鹽等。2.非晶體非晶體 ( non- crystal )的基本概念的基本概念: 物體內(nèi)部的原子呈散亂分布物體內(nèi)部的原子呈散亂分布, ,其其物理和力學(xué)性能物理和力學(xué)性能各向同性各向同性。例如。例如, ,普普通玻璃、松香等。通玻璃、松香等。金屬的結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)構(gòu)晶晶 態(tài)態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)非晶態(tài)非晶態(tài)晶態(tài)晶態(tài)二二.晶體學(xué)晶體學(xué)(crystallography)的基本知識(shí)的基本知識(shí)1.晶格晶格(crystal lattice): 用以

31、描述晶體中用以描述晶體中 原子排列規(guī)律的原子排列規(guī)律的空間點(diǎn)陣格架空間點(diǎn)陣格架。2.晶胞晶胞 ( unit cell ):能完全反映晶格特能完全反映晶格特 征的征的最小幾何單元最小幾何單元。晶胞在三維空間重晶胞在三維空間重復(fù)堆砌可構(gòu)成整個(gè)復(fù)堆砌可構(gòu)成整個(gè)空間點(diǎn)陣，通常為空間點(diǎn)陣，通常為小的平行六面體。小的平行六面體。晶胞要順序滿足晶胞要順序滿足能充分反映整個(gè)空能充分反映整個(gè)空間點(diǎn)陣的對(duì)稱性，間點(diǎn)陣的對(duì)稱性，具有盡可能多的具有盡可能多的直角，直角，體積要最體積要最小小。3.晶格常數(shù)晶格常數(shù) ( lattice constant ) :cXZYOba平行六面平行六面體的三個(gè)體的三個(gè)棱長(zhǎng)棱長(zhǎng)a、b、

32、c和及其夾和及其夾角角、，可決定平可決定平行六面體行六面體尺寸和形尺寸和形狀，這六狀，這六個(gè)量亦稱個(gè)量亦稱為點(diǎn)陣常為點(diǎn)陣常數(shù)。數(shù)。4.晶系與布拉菲點(diǎn)陣晶系與布拉菲點(diǎn)陣 1855年年,法國(guó)學(xué)者布拉維法國(guó)學(xué)者布拉維(Bravais)用數(shù)學(xué)用數(shù)學(xué)方法證明了空間點(diǎn)陣共有且只能有方法證明了空間點(diǎn)陣共有且只能有十四種十四種,并并歸納為歸納為七個(gè)晶系七個(gè)晶系: 1). 三斜晶系三斜晶系 ab c , 90; 2). 單斜晶系單斜晶系 a b c , = = 90 ; 3). 正交晶系正交晶系 a b c , = = = 90 ; 4). 六方晶系六方晶系 a= b c , =90，=120; 5). 菱方晶

33、系菱方晶系 a = b = c , = = 90; 6). 正方晶系正方晶系 a = b c , = 90; 7). 立方晶系立方晶系 a = b = c , = = = 90;布拉菲空間點(diǎn)陣晶胞布拉菲空間點(diǎn)陣晶胞5.晶面晶面(crystal face): 在晶格中由在晶格中由一系一系 列原子所構(gòu)成的平面列原子所構(gòu)成的平面稱為晶面稱為晶面。6.晶面指數(shù)晶面指數(shù)(indices of crystallographic plane):用密勒用密勒(Miller)指數(shù)對(duì)晶格中指數(shù)對(duì)晶格中 某一晶面進(jìn)行標(biāo)定。某一晶面進(jìn)行標(biāo)定。確定方法確定方法: a.建立坐標(biāo)系、建立坐標(biāo)系、確定原點(diǎn)確定原點(diǎn)（不在所求（

34、不在所求晶面上）；晶面上）；b.求晶面截距求晶面截距;c.取倒數(shù)并約取倒數(shù)并約化成最簡(jiǎn)單化成最簡(jiǎn)單整數(shù)整數(shù)h、k、l。d.晶面指數(shù)晶面指數(shù)（hkl）7.晶向晶向(crystal direction): 在晶格中在晶格中,任任 意意兩原子之間的連線所指的方向。兩原子之間的連線所指的方向。8.晶向指數(shù)晶向指數(shù): 用密勒用密勒(Miller)指數(shù)對(duì)晶格中指數(shù)對(duì)晶格中某一原子排列在空間的位向進(jìn)行標(biāo)定。某一原子排列在空間的位向進(jìn)行標(biāo)定。確定方法確定方法:a.建立坐標(biāo)系、建立坐標(biāo)系、確定原點(diǎn)確定原點(diǎn)O;b.過(guò)過(guò)O點(diǎn)作晶向點(diǎn)作晶向平行線，在平行線，在平行線上求平行線上求節(jié)點(diǎn)節(jié)點(diǎn)坐標(biāo)；坐標(biāo)；c.坐標(biāo)值約化為坐

35、標(biāo)值約化為最簡(jiǎn)單整數(shù)最簡(jiǎn)單整數(shù)u，v，w。d.晶向指數(shù)晶向指數(shù)uvw9.描述晶胞的重要參數(shù)描述晶胞的重要參數(shù)1）原子半徑（）原子半徑（r）：晶胞中原子排列密度）：晶胞中原子排列密度最大方向（稱密排方向）上相鄰兩個(gè)原最大方向（稱密排方向）上相鄰兩個(gè)原子間距離的一半。子間距離的一半。2）晶胞原子數(shù)（）晶胞原子數(shù)（n）：一個(gè)晶胞內(nèi)包含的）：一個(gè)晶胞內(nèi)包含的原子數(shù)目。原子數(shù)目。3）配位數(shù)（）配位數(shù)（p）：晶胞中與任意一個(gè)原子）：晶胞中與任意一個(gè)原子處于相等距離并距離最近的原子數(shù)目。處于相等距離并距離最近的原子數(shù)目。4）致密度（）致密度（k）：晶胞中原子所占體積與）：晶胞中原子所占體積與晶胞體積之比。晶

36、胞體積之比。三三. .常見(jiàn)的三種金屬晶體結(jié)構(gòu)及參數(shù)常見(jiàn)的三種金屬晶體結(jié)構(gòu)及參數(shù) 1.體心立方晶格（體心立方晶格（bcc） ( body-center cubic lattice )*晶胞中的原子數(shù)晶胞中的原子數(shù): n= 8 181= 2個(gè)個(gè)*晶胞的特征參數(shù)晶胞的特征參數(shù): a = b = c , = = = 90 ;*原子的體積原子的體積: v = 4R33*致密度致密度:K= nV原子原子V晶體晶體= 0.68 = 68 %*配位數(shù)配位數(shù) ( N ) 是指晶格中與任一原子處于相是指晶格中與任一原子處于相 等距離并相距最近的原子數(shù)目。等距離并相距最近的原子數(shù)目。*原子的半徑原子的半徑: R =

37、 3 a4N= 8 ( 原子間的最近距離原子間的最近距離d=3 a2 )屬于體心立方晶格的金屬有屬于體心立方晶格的金屬有:鈉鈉 ( Na ) ; 鉀鉀 ( K ) ; 鉻鉻 ( Cr ) ;鉬鉬 ( Mo ) ; 鎢鎢 ( W ) ; 釩釩 ( V ) ;鉭鉭 ( Ta ) ; 鈮鈮 ( Nb ) ; -鐵鐵 ( -Fe ) 等等 。2.面心立方晶格（面心立方晶格（fcc） ( face-center cubic lattice )*晶胞中的原子數(shù)晶胞中的原子數(shù): n=81/8+61/2= 4個(gè)個(gè)*晶胞的特征參數(shù)晶胞的特征參數(shù): a = b = c , = = = 90 ;*原子的體積原子的體

38、積: v = 4R33*致密度致密度:K= nV原子原子V晶體晶體= 0.74 = 74 %*配位數(shù)配位數(shù) ( N ) 是指晶格中與任一原子處于相是指晶格中與任一原子處于相 等距離并相距最近的原子數(shù)目等距離并相距最近的原子數(shù)目。*原子的半徑原子的半徑: R = 2 a4N=12 ( 原子間的最近距離原子間的最近距離d=2 a2 )屬于面心立方晶格的金屬有屬于面心立方晶格的金屬有:金金 ( Au ) ; 銀銀 ( Ag ) ; 銅銅 ( Cu ) ;鋁鋁 ( Al ) ; 鎳鎳 ( Ni ) ; 鉑鉑 ( Pt ) ;鉛鉛 ( Pb ) ; -鐵鐵 ( -Fe ) 等。等。3.密排六方晶格（密排

39、六方晶格（hcp） ( c/a = 1.633 ) ( close-packed hexagonal lattice )*晶胞中的原子數(shù)晶胞中的原子數(shù): n=121/6+21/2+3 =6個(gè)個(gè)*晶胞的特征參數(shù)晶胞的特征參數(shù):*原子的體積原子的體積: v = 4R33*致密度致密度:K= nV原子原子V晶體晶體= 0.74 = 74 %*配位數(shù)配位數(shù) ( N ) 是指晶格中與任一原子處于相是指晶格中與任一原子處于相 等距離并相距最近的原子數(shù)目等距離并相距最近的原子數(shù)目。*原子的半徑原子的半徑: R = a / 2 N= 12 ( 原子間的最近距離原子間的最近距離d = a )a = b = c,

40、 = = 90, = 120;屬于密排六方晶格的金屬有屬于密排六方晶格的金屬有:鎂鎂 ( Mg ) ; 鋅鋅 ( Zn ) ; 鎘鎘 ( Cd ) ; 鈦鈦 ( Ti ) ; 鈹鈹 ( Be ) 等等 。四四. .純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與特性純金屬的晶體結(jié)構(gòu)與特性1.金屬鍵金屬鍵-金屬原子間的結(jié)合鍵。金屬原子間的結(jié)合鍵。2.金屬鍵的基本特點(diǎn)金屬鍵的基本特點(diǎn)是是電子公有化電子公有化。3.電子氣電子氣-當(dāng)金屬原子結(jié)合成晶體時(shí)當(dāng)金屬原子結(jié)合成晶體時(shí), ,價(jià)電價(jià)電子不再被束縛在各個(gè)原子上子不再被束縛在各個(gè)原子上, ,而是在整個(gè)而是在整個(gè)晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng)晶體內(nèi)運(yùn)動(dòng), ,從而形成電子氣。從而形成電子氣。4.金屬晶體金

41、屬晶體-失去價(jià)電子的金屬正離子與失去價(jià)電子的金屬正離子與組成電子氣的自由電子之間產(chǎn)生的靜電引組成電子氣的自由電子之間產(chǎn)生的靜電引力使金屬原子結(jié)合在一起力使金屬原子結(jié)合在一起, ,從而形成了金從而形成了金屬晶體。屬晶體。 第四節(jié)第四節(jié) 實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)與晶體實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)與晶體缺陷缺陷一一. .單晶體與多晶體的基本概念單晶體與多晶體的基本概念 1.單晶體單晶體( single crystal )的特征的特征: : * * 晶體由一個(gè)晶格晶體由一個(gè)晶格排列方位完全一排列方位完全一 致致的晶粒組成。（晶胞位相完全相的晶粒組成。（晶胞位相完全相同）同） * * 晶體具有晶體具有各向異性各向異性(

42、 aeolotropy )。 例如例如: :單晶硅（半導(dǎo)體集成電路用材料）、單單晶硅（半導(dǎo)體集成電路用材料）、單晶鍺、晶須等。晶鍺、晶須等。 單晶體結(jié)構(gòu)示意圖單晶體結(jié)構(gòu)示意圖 2.多晶體多晶體( polycrystal )的特征的特征 * *晶體是由許多顆晶格晶體是由許多顆晶格排列方位不排列方位不 相同相同的晶粒組成。的晶粒組成。 * *晶體具有晶體具有各向同性各向同性( isotropy )。 例如例如: : 常用的金屬等。常用的金屬等。3.晶界：取向不同的晶粒之間的界面區(qū)域晶界：取向不同的晶粒之間的界面區(qū)域 多晶體結(jié)構(gòu)示意圖多晶體結(jié)構(gòu)示意圖二二. 晶體缺陷晶體缺陷( crystal def

43、ect )點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷線缺陷面缺陷面缺陷分類分類1.點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷( point defect )空位空位( vacancy )：未被原子占有的未被原子占有的晶格節(jié)點(diǎn)；晶格節(jié)點(diǎn)；間隙原子間隙原子( gap atom )：處于晶格間處于晶格間隙中的異類原子；如隙中的異類原子；如C、N.置換原子置換原子( substitutional atom )：占占據(jù)晶格節(jié)點(diǎn)上的異類原子；據(jù)晶格節(jié)點(diǎn)上的異類原子； 點(diǎn)缺陷示意圖點(diǎn)缺陷示意圖間隙原子間隙原子晶格空位晶格空位置換原子置換原子點(diǎn)缺陷對(duì)材料性能的影響點(diǎn)缺陷對(duì)材料性能的影響原因：原因：點(diǎn)缺陷的存在，使其附近的原子稍微偏離點(diǎn)缺陷的存在，使其附近的原子稍

44、微偏離原結(jié)點(diǎn)位置才能平衡，造成小區(qū)域的晶格畸變。原結(jié)點(diǎn)位置才能平衡，造成小區(qū)域的晶格畸變。結(jié)果：結(jié)果：1）提高材料的電阻）提高材料的電阻- 定向流動(dòng)的電子在點(diǎn)缺定向流動(dòng)的電子在點(diǎn)缺陷處受到非平衡力陷處受到非平衡力(陷阱陷阱)，增加了阻力，加速運(yùn)，增加了阻力，加速運(yùn)動(dòng)提高局部溫度動(dòng)提高局部溫度(發(fā)熱發(fā)熱)。 2）加快原子的擴(kuò)散遷移）加快原子的擴(kuò)散遷移-空位可作為原子運(yùn)空位可作為原子運(yùn)動(dòng)的周轉(zhuǎn)站。動(dòng)的周轉(zhuǎn)站。 3）形成其他晶體缺陷）形成其他晶體缺陷-過(guò)飽和的空位可集中過(guò)飽和的空位可集中形成內(nèi)部的空洞，集中一片的塌陷形成位錯(cuò)。形成內(nèi)部的空洞，集中一片的塌陷形成位錯(cuò)。 4）改變材料的力學(xué)性能）改變材料

45、的力學(xué)性能-空位移動(dòng)到位錯(cuò)處空位移動(dòng)到位錯(cuò)處可造成刃位錯(cuò)的攀移，間隙原子和異類原子的存可造成刃位錯(cuò)的攀移，間隙原子和異類原子的存在增加位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力。使強(qiáng)度提高，塑性下降、在增加位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)阻力。使強(qiáng)度提高，塑性下降、 2. 線缺陷線缺陷( line defect ) -位錯(cuò)位錯(cuò)( dislocation ) 螺旋型位錯(cuò)螺旋型位錯(cuò)( screw dislocation )刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)( blade dislocation )位錯(cuò)的密度位錯(cuò)的密度 ：位錯(cuò)密度：位錯(cuò)密度是描述晶體中位錯(cuò)的是描述晶體中位錯(cuò)的數(shù)量，用單位體積位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度表示。在金數(shù)量，用單位體積位錯(cuò)線的總長(zhǎng)度表示。在金屬材料中，退

46、火狀態(tài)下，按一般平衡狀態(tài)所得屬材料中，退火狀態(tài)下，按一般平衡狀態(tài)所得到的材料，位錯(cuò)的密度常在到的材料，位錯(cuò)的密度常在106的數(shù)量級(jí)；經(jīng)的數(shù)量級(jí)；經(jīng)過(guò)較大的冷塑性變形，位錯(cuò)的密度可達(dá)過(guò)較大的冷塑性變形，位錯(cuò)的密度可達(dá)1010-12的數(shù)量級(jí)。但和整個(gè)晶體相比還是非常少，所的數(shù)量級(jí)。但和整個(gè)晶體相比還是非常少，所以位錯(cuò)的存在不會(huì)影響材料為晶體的基本特性。以位錯(cuò)的存在不會(huì)影響材料為晶體的基本特性。 螺旋型位錯(cuò)示意圖螺旋型位錯(cuò)示意圖 刃型位錯(cuò)示意圖刃型位錯(cuò)示意圖 刃型位錯(cuò)示意圖刃型位錯(cuò)示意圖正刃型位錯(cuò)正刃型位錯(cuò)負(fù)刃型位錯(cuò)負(fù)刃型位錯(cuò)位錯(cuò)對(duì)材料性能的影響位錯(cuò)對(duì)材料性能的影響位錯(cuò)線附近的晶格有相應(yīng)的畸變，有高

47、位錯(cuò)線附近的晶格有相應(yīng)的畸變，有高于理想晶體的能量；于理想晶體的能量；位錯(cuò)線附近異類原子濃度高于平均水平；位錯(cuò)線附近異類原子濃度高于平均水平；位錯(cuò)在晶體中可以發(fā)生移動(dòng)，即可動(dòng)，位錯(cuò)在晶體中可以發(fā)生移動(dòng)，即可動(dòng)，性是材料塑性變形基本方式之一；性是材料塑性變形基本方式之一；位錯(cuò)與異類原子的作用，位錯(cuò)之間的相位錯(cuò)與異類原子的作用，位錯(cuò)之間的相互作用，對(duì)材料的力學(xué)性能有明顯的影互作用，對(duì)材料的力學(xué)性能有明顯的影響。響。詳細(xì)內(nèi)容到塑性變形一章再論述。詳細(xì)內(nèi)容到塑性變形一章再論述。 3.面缺陷面缺陷( surface-defect )晶界晶界( grain boundary ) : : 晶粒與晶粒之間的界

48、面。晶粒與晶粒之間的界面。亞晶界亞晶界( sub-boundary ) : : 相鄰晶粒位向很小相鄰晶粒位向很小( (一般一般1 12 2) )的小角度晶界。的小角度晶界。 晶界與亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖晶界與亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖大角度晶界大角度晶界-晶晶界界小角度晶界小角度晶界-亞晶界亞晶界 晶界與亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖晶界與亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖大角度晶界大角度晶界-晶晶界界小角度晶界小角度晶界-亞晶界亞晶界 晶界與亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖晶界與亞晶界結(jié)構(gòu)示意圖大角度晶界大角度晶界-晶晶界界小角度晶界小角度晶界-亞晶界亞晶界 Cu-Ni 合金中的亞結(jié)構(gòu)合金中的亞結(jié)構(gòu)總結(jié)：晶體缺陷對(duì)金屬性能的影響總結(jié)：晶體缺陷對(duì)金屬性能的

49、影響原子的擴(kuò)散原子的擴(kuò)散金屬的強(qiáng)化金屬的強(qiáng)化固態(tài)的相變固態(tài)的相變第五節(jié)：非晶態(tài)材料中原子的排列第五節(jié)：非晶態(tài)材料中原子的排列特點(diǎn)：特點(diǎn)：短程有序：短程有序：非晶材料中，原子排列總體上是混非晶材料中，原子排列總體上是混亂的、無(wú)序的；但近鄰原子或局部區(qū)域的排列亂的、無(wú)序的；但近鄰原子或局部區(qū)域的排列是有一定規(guī)律的，這種現(xiàn)象稱短程有序。例：是有一定規(guī)律的，這種現(xiàn)象稱短程有序。例：金屬液體；玻璃態(tài)等。金屬液體；玻璃態(tài)等。亞穩(wěn)定性：亞穩(wěn)定性：材料處于熱力學(xué)自由能最低的材料處于熱力學(xué)自由能最低的狀態(tài)稱穩(wěn)定態(tài)。如晶體材料在熔點(diǎn)以下；狀態(tài)稱穩(wěn)定態(tài)。如晶體材料在熔點(diǎn)以下；非晶態(tài)材料在熱力學(xué)上是亞穩(wěn)定態(tài)，一非晶態(tài)

50、材料在熱力學(xué)上是亞穩(wěn)定態(tài)，一定條件下要向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變。定條件下要向穩(wěn)定態(tài)轉(zhuǎn)變。一、工業(yè)陶瓷一、工業(yè)陶瓷1.定義：定義：由金屬和非金屬的無(wú)機(jī)化合物組成的多晶、多相由金屬和非金屬的無(wú)機(jī)化合物組成的多晶、多相物質(zhì)。物質(zhì)。生產(chǎn)流程：生產(chǎn)流程：原料（氧化物、碳化物、氮化物等原料（氧化物、碳化物、氮化物等）配制）配制坯料成型坯料成型高溫?zé)Y(jié)高溫?zé)Y(jié)后處理。后處理。2.陶瓷的典型組織：陶瓷的典型組織：由晶相、玻璃相由晶相、玻璃相和氣相三部分組和氣相三部分組成。各相的組成、成。各相的組成、數(shù)量、形狀和分?jǐn)?shù)量、形狀和分布對(duì)陶瓷的性能布對(duì)陶瓷的性能有顯著的影響。有顯著的影響。1）晶相：）晶相：陶瓷的主要組成相，包括

51、氧化物、非陶瓷的主要組成相，包括氧化物、非氧化物和硅酸鹽等。氧化物和硅酸鹽等。a.氧化物：氧化物：常用的有常用的有Al2O3;TiO2;ZrO2;MgO等等b. 非氧化物：非氧化物：主要是各種碳化物、氮化物、硼主要是各種碳化物、氮化物、硼化物等化物等例：例：VC，WC，SiC，BN，AlN，Si3N4c. 硅酸鹽：硅酸鹽：結(jié)構(gòu)單結(jié)構(gòu)單元是元是Si-O四面體四面體（SiO4），可形成島），可形成島狀、鏈狀、層狀、骨狀、鏈狀、層狀、骨架狀等結(jié)構(gòu)架狀等結(jié)構(gòu)。2）玻璃相：）玻璃相：是陶瓷高溫?zé)Y(jié)時(shí)各組成物和雜質(zhì)是陶瓷高溫?zé)Y(jié)時(shí)各組成物和雜質(zhì)產(chǎn)生物理、化學(xué)反應(yīng)后形成的非晶態(tài)物質(zhì)。產(chǎn)生物理、化學(xué)反應(yīng)后形成

52、的非晶態(tài)物質(zhì)。作用：粘接作用。既將分散的晶粒粘在一起，作用：粘接作用。既將分散的晶粒粘在一起，并抑制晶粒長(zhǎng)大、填充氣孔使陶瓷致密。并抑制晶粒長(zhǎng)大、填充氣孔使陶瓷致密。3）氣相：）氣相：氣孔，由原料和工藝因素形成。一般氣孔，由原料和工藝因素形成。一般占體積占體積5-10%。（普通陶瓷：。（普通陶瓷：5-10%；特種陶；特種陶瓷：瓷：5%；金屬陶瓷：；金屬陶瓷： 0.5%）二、高分子材料結(jié)構(gòu)二、高分子材料結(jié)構(gòu)1.高分子化合物：高分子化合物：由大分子組成的相對(duì)分子量大于由大分子組成的相對(duì)分子量大于104的有機(jī)化合物，也稱高聚物。的有機(jī)化合物，也稱高聚物。2. 組成：組成：由許多相同結(jié)構(gòu)單元通過(guò)共價(jià)鍵

53、重復(fù)連接由許多相同結(jié)構(gòu)單元通過(guò)共價(jià)鍵重復(fù)連接而成的。而成的。3. 單體：?jiǎn)误w：組成聚合物的低分子化合物。如組成聚合物的低分子化合物。如CH2=CH2（乙烯）（乙烯）4. 大分子鏈：大分子鏈：組成聚合物的鏈條。組成聚合物的鏈條。5. 鏈節(jié)：鏈節(jié)：大分子鏈中重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元。如大分子鏈中重復(fù)的結(jié)構(gòu)單元。如 CH2-CH2 6. 聚合度：聚合度：鏈節(jié)的重復(fù)數(shù)目。鏈節(jié)的重復(fù)數(shù)目。注：高聚物分子量注：高聚物分子量=鏈節(jié)分子量鏈節(jié)分子量聚合度聚合度7.鏈段：鏈段：由若干個(gè)鏈節(jié)組成的具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)能力的最由若干個(gè)鏈節(jié)組成的具有獨(dú)立運(yùn)動(dòng)能力的最小單元。小單元。8.取代基取代基R：取代大分子中氫原子的其它元素原子或

54、取代大分子中氫原子的其它元素原子或原子團(tuán)。例：聚氯乙烯原子團(tuán)。例：聚氯乙烯 CH2-CH2 R(Cl)10.大分子鏈的形態(tài)大分子鏈的形態(tài)1）幾何形態(tài)：）幾何形態(tài)：a.線型結(jié)構(gòu)：由許多鏈節(jié)聯(lián)成一長(zhǎng)鏈；通常卷曲線型結(jié)構(gòu)：由許多鏈節(jié)聯(lián)成一長(zhǎng)鏈；通常卷曲成不規(guī)則的線團(tuán)狀。成不規(guī)則的線團(tuán)狀。b.支鏈型結(jié)構(gòu)：大分子鏈上帶有小的支鏈。支鏈型結(jié)構(gòu)：大分子鏈上帶有小的支鏈。c.體型結(jié)構(gòu)：分子鏈之間有許多鏈節(jié)相互交聯(lián)在體型結(jié)構(gòu)：分子鏈之間有許多鏈節(jié)相互交聯(lián)在一起，形成網(wǎng)狀或立體結(jié)構(gòu)。一起，形成網(wǎng)狀或立體結(jié)構(gòu)。2）大分子鏈的構(gòu)象及柔順性）大分子鏈的構(gòu)象及柔順性構(gòu)象：大分子中含有成千上萬(wàn)個(gè)單鍵，眾多單鍵的構(gòu)象：大分子

55、中含有成千上萬(wàn)個(gè)單鍵，眾多單鍵的內(nèi)旋狀使大分子形態(tài)瞬息萬(wàn)變，并導(dǎo)致分子鏈出內(nèi)旋狀使大分子形態(tài)瞬息萬(wàn)變，并導(dǎo)致分子鏈出現(xiàn)不同形象，這種由于單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)引起的原子在現(xiàn)不同形象，這種由于單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)引起的原子在空間占據(jù)不同位置所構(gòu)成的分子鏈的各種形象稱空間占據(jù)不同位置所構(gòu)成的分子鏈的各種形象稱分子鏈的構(gòu)象。分子鏈的構(gòu)象。大分子鏈的柔順性：由于大分子鏈構(gòu)象的變化，使大分子鏈的柔順性：由于大分子鏈構(gòu)象的變化，使大分子鏈獲得不同卷曲程度的特性稱大分子鏈的大分子鏈獲得不同卷曲程度的特性稱大分子鏈的柔順性柔順性單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)：?jiǎn)捂I內(nèi)旋轉(zhuǎn)：C-C單鍵有一單鍵有一定的鍵長(zhǎng)和鍵角，在保持其定的鍵長(zhǎng)和鍵角，在保持其不變的情況

56、下可任意旋轉(zhuǎn)，不變的情況下可任意旋轉(zhuǎn)，這種現(xiàn)象稱單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)。這種現(xiàn)象稱單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)。11.高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)-指內(nèi)部大分子鏈之間的指內(nèi)部大分子鏈之間的幾何排列和堆砌結(jié)構(gòu)幾何排列和堆砌結(jié)構(gòu)按分子鏈排列是否有序，按分子鏈排列是否有序，高聚物可分為晶態(tài)（結(jié)晶高聚物可分為晶態(tài)（結(jié)晶型：分子鏈排列規(guī)則、有型：分子鏈排列規(guī)則、有序）和非晶態(tài)（無(wú)定型：序）和非晶態(tài)（無(wú)定型：大分子鏈排列長(zhǎng)程無(wú)序，大分子鏈排列長(zhǎng)程無(wú)序，但局部短程有序）。但局部短程有序）。高聚物一般由上述兩種結(jié)高聚物一般由上述兩種結(jié)構(gòu)組成，但比例不同。構(gòu)組成，但比例不同。結(jié)晶度：晶區(qū)所占質(zhì)量分結(jié)晶度：晶區(qū)所占質(zhì)量分?jǐn)?shù)。數(shù)。一般可

57、在一般可在50-90%變化。變化。第六節(jié)：合金的晶體結(jié)構(gòu)第六節(jié)：合金的晶體結(jié)構(gòu)一、概念一、概念 合金合金：由兩種或兩種以上的元素組成，其中至少有一種為金屬，組成：由兩種或兩種以上的元素組成，其中至少有一種為金屬，組成具有金屬性質(zhì)的材料稱為合金。（例：黃銅具有金屬性質(zhì)的材料稱為合金。（例：黃銅 Cu-Zn；鋼；鋼 Fe-C） 組元組元：通常把組成材料的最簡(jiǎn)單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)稱為：通常把組成材料的最簡(jiǎn)單、最基本、能夠獨(dú)立存在的物質(zhì)稱為組元。組元大多數(shù)情況下是元素；在研究的范圍內(nèi)既不分解也不組元。組元大多數(shù)情況下是元素；在研究的范圍內(nèi)既不分解也不發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定化合物也可成為組元（

58、發(fā)生任何化學(xué)反應(yīng)的穩(wěn)定化合物也可成為組元（Fe3C）。）。相相：凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開(kāi)的均勻組成部：凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同并與其它部分有界面分開(kāi)的均勻組成部分，稱為相。在固態(tài)材料中，按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性來(lái)分，可分，稱為相。在固態(tài)材料中，按其晶格結(jié)構(gòu)的基本屬性來(lái)分，可分為分為固溶體固溶體和和化合物化合物兩大類。兩大類。組織組織：人們用肉眼或借助某種工具（放大鏡、光學(xué)顯微：人們用肉眼或借助某種工具（放大鏡、光學(xué)顯微鏡、電子顯微鏡等）所觀察到的材料形貌。它決定于鏡、電子顯微鏡等）所觀察到的材料形貌。它決定于組成相的類型、形狀、大小、數(shù)量、分布等。組成相的類型、形狀、大小、數(shù)量、分

59、布等。 組織組成物組織組成物：組織中形貌相同的組成部分。：組織中形貌相同的組成部分。二、固溶體二、固溶體1 1. . 固溶體：固溶體： 當(dāng)材料由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時(shí)，組成元素間會(huì)象溶液當(dāng)材料由液態(tài)結(jié)晶為固態(tài)時(shí)，組成元素間會(huì)象溶液那樣互相溶解，形成一種在某種元素的晶格結(jié)構(gòu)中包含那樣互相溶解，形成一種在某種元素的晶格結(jié)構(gòu)中包含有其它元素原子的新相，稱為固溶體。與固溶體的晶格有其它元素原子的新相，稱為固溶體。與固溶體的晶格相同的組成元素稱為溶劑，在固溶體中一般都占有較大相同的組成元素稱為溶劑，在固溶體中一般都占有較大的含量；其它的組成元素稱為溶質(zhì)，其含量與溶劑相比的含量；其它的組成元素稱為溶質(zhì)，其含量與

60、溶劑相比為較少。為較少。固溶體即一些元素進(jìn)入某一組元的晶格中，不固溶體即一些元素進(jìn)入某一組元的晶格中，不改變其晶體結(jié)構(gòu)，形成的均勻相。改變其晶體結(jié)構(gòu)，形成的均勻相。 溶質(zhì)原子溶入固溶體中的量稱為固溶體的溶質(zhì)原子溶入固溶體中的量稱為固溶體的濃度濃度。在一。在一定的條件下，溶質(zhì)元素在固溶體中的極限濃度叫做溶質(zhì)定的條件下，溶質(zhì)元素在固溶體中的極限濃度叫做溶質(zhì)元素在固溶體中的元素在固溶體中的溶解度溶解度。濃度或溶解度一般用溶質(zhì)元。濃度或溶解度一般用溶質(zhì)元素所占的重量百分比來(lái)表示素所占的重量百分比來(lái)表示( (%Wt%Wt) )；有時(shí)也用溶質(zhì)元素所；有時(shí)也用溶質(zhì)元素所占的原子數(shù)量百分比來(lái)表示，這時(shí)也稱為摩