《機(jī)械工程材料》第一章材料的結(jié)構(gòu)

1、1機(jī)械工程材料第一章材料的結(jié)構(gòu)2主要內(nèi)容緒論第一章 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)第二章 結(jié)晶與顯微組織第三章 工程材料的力學(xué)性能第四章 工程材料的物理、化學(xué)性能第五章 工程材料的強(qiáng)化理論第六章 鋼的熱處理與馬氏體相變強(qiáng)化第七章 鋼鐵材料第八章 有色金屬及其合金3第一章 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)電子結(jié)構(gòu)原子的空間排列 顯微組織 4第一章 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)電子結(jié)構(gòu)原子的空間排列 顯微組織 原子核外電子的排布方式，顯著影響材料的電、磁、光、熱性能甚至力學(xué)性能。電子結(jié)構(gòu)還是材料中原子間鍵合的直接原因之一，因此也影響到原子彼此結(jié)合的方式，從而決定材料的類(lèi)型5晶態(tài)和非晶態(tài)。晶體結(jié)構(gòu)顯著影響材料的各種性能和功能。 第一章 材

2、料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)電子結(jié)構(gòu)原子的空間排列 顯微組織 6第一章 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)原子的空間排列 顯微組織 7晶粒（原子集團(tuán)）的形態(tài)、大小；合金相的種類(lèi)、數(shù)量和分布等參數(shù)。第一章 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)原子結(jié)構(gòu)原子的空間排列 顯微組織 8第一章 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.1 原子鍵合及其特性材料的原子排列1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)1.4 合金相結(jié)構(gòu)1.5 陶瓷的相結(jié)構(gòu)晶體缺陷1.6 高分子化合物的結(jié)構(gòu)9材料的原子鍵合及其特性材料中外層電子作用形式基本點(diǎn):保持穩(wěn)定的電子排布結(jié)構(gòu) 接受或釋放核外價(jià)電子 共有電子 偶極矩“弱”相互作用 10材料的原子鍵合及其特性金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵11金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵鍵特點(diǎn)

3、：共有價(jià)電子,即電子云鍵無(wú)方向性和飽和性材料特點(diǎn)：原子趨向于規(guī)則排列金屬有良好的導(dǎo)電性、塑性等材料的原子鍵合及其特性121.1 原子間的鍵合特點(diǎn)金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵鍵特點(diǎn)：得失價(jià)電子正負(fù)離子方向性弱,有飽和性材料特點(diǎn)：高熔點(diǎn),高硬度,低塑性良好的電絕緣和其他物理性能等131.1 原子間的鍵合特點(diǎn)金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵鍵特點(diǎn)：共有電子對(duì)(電子局域化)鍵有方向性和飽和性材料特征：高熔點(diǎn)、高硬度、低塑性電絕緣、光學(xué)等物理特征141.1 原子間的鍵合特點(diǎn)金屬鍵離子鍵共價(jià)鍵151.1 原子間的鍵合特點(diǎn)范德瓦爾(van der Waals) 鍵：即分子鍵，特征通過(guò)原子或分子間瞬態(tài)的感生偶極矩的靜電作用引起的;鍵

4、能小，無(wú)方向性和飽和性材料特征： 強(qiáng)度低，熔點(diǎn)低，變形能力強(qiáng)；電絕緣等物理化學(xué)性能16第一章 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.1 原子鍵合及其特性材料的原子排列1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)1.4 合金相結(jié)構(gòu)1.5 陶瓷的相結(jié)構(gòu)晶體缺陷1.6 高分子化合物的結(jié)構(gòu)17材料的原子排列非晶態(tài)原子排列短程(近鄰與次近鄰)有序長(zhǎng)程無(wú)序玻璃態(tài)18材料的原子排列晶體原子排列長(zhǎng)程有序基元在三維空間呈規(guī)律性排列，成為空間點(diǎn)陣基元：即基本組元(單元)，一般為單個(gè)的原子、離子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。 19材料的原子排列空間點(diǎn)陣是一個(gè)抽象的幾何概念，它由一維、二維或三維規(guī)則排列的陣點(diǎn)組成。20材料的原子排列用剛球代表晶體中

5、的原子-鋼球模型將剛球抽象成質(zhì)點(diǎn),空間排列原子成為空間格架，即空間點(diǎn)陣-晶格保持點(diǎn)陣原子排列幾何特征的基本單元為晶胞，一般用平行六面體表征晶胞參數(shù)：6個(gè)-a，b， c；a，b，g21材料的原子排列晶體結(jié)構(gòu)構(gòu)成晶體的基元在三維空間的具體的排列方式= 空間點(diǎn)陣+基元(晶胞) 22材料的原子排列自然界晶體結(jié)構(gòu)分類(lèi)：布拉菲在1948年根據(jù)“每個(gè)陣點(diǎn)環(huán)境相同”的要求，用數(shù)學(xué)分析法證明晶體的空間點(diǎn)陣只有14種，稱(chēng)為布拉菲點(diǎn)陣，分屬7個(gè)晶系?？臻g點(diǎn)陣雖然只有14種，但晶體結(jié)構(gòu)則是多種多樣、千變?nèi)f化的。 23材料的原子排列晶系 晶格(棱邊)常數(shù)及夾角三斜晶系a b c，a b g單斜晶系a b c，a = g

6、 = 90 b斜方晶系a b c，a = b = g = 90正方晶系a = b c，a = b = g = 90菱方晶系a = b = c，a = b = g 90六方晶系a = b = c，a = b = 90，g = 120立方晶系a = b = c，a = b = g = 907個(gè)晶系晶胞參數(shù)特征24晶向材料的原子排列晶體原子的特定排列方向晶胞的幾何表征：晶格常數(shù)、晶向、晶面25晶向指數(shù)材料的原子排列晶向指數(shù)的確定方法建立以晶胞的邊長(zhǎng)作為單位長(zhǎng)度的右旋坐標(biāo)系；定出該晶向上任兩點(diǎn)的坐標(biāo)；用末點(diǎn)坐標(biāo)減去始點(diǎn)坐標(biāo)；將相減后所得結(jié)果約成互質(zhì)整數(shù)，加一方括號(hào)。26晶面及晶面指數(shù)材料的原子排列晶面

7、指數(shù)的確定方法在以晶胞的邊長(zhǎng)作為單位長(zhǎng)度的右旋坐標(biāo)系中取該晶面在各坐標(biāo)軸上的截距；取截距的倒數(shù)；將倒數(shù)約成互質(zhì)整數(shù)，加一圓括號(hào)。 晶面是指晶體原子堆垛質(zhì)心平面27六方晶系材料的原子排列晶面和晶向指數(shù)確定方法：采用四坐標(biāo)體系，a1, a2, a3夾角120，c軸與上述三軸平面垂直；晶面指數(shù)確定方法與立方晶系類(lèi)似，獲得指數(shù)(h,k,i,l)，前三個(gè)指數(shù)只有兩個(gè)是獨(dú)立的，滿足關(guān)系式：i=-(h+k)晶向指數(shù)確定較復(fù)雜，可先用三坐標(biāo)系(a1, a2,c)指數(shù)轉(zhuǎn)換。三座標(biāo)指數(shù)U,V,W，按下式換算成四座標(biāo)指數(shù)u,v,t,w進(jìn)行： u = 1/3(2U-V), v = 1/3(2V-U), t= -(u+

8、v), w = W28第一章 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.1 原子鍵合及其特性材料的原子排列1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)1.4 合金相結(jié)構(gòu)1.5 陶瓷的相結(jié)構(gòu)晶體缺陷1.6 高分子化合物的結(jié)構(gòu)291.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)三種典型晶體結(jié)構(gòu)體心立方面心立方密排六方30體心立方晶格參數(shù)1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)常用金屬：Cr、V、Mo、W和-Fe等30多種 31體心立方晶格參數(shù)1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)原子半徑r與晶格常數(shù)a0關(guān)系32體心立方晶格參數(shù)1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)致密度：原子實(shí)在晶胞中所占有的體積分?jǐn)?shù)，K=nv/V 配位數(shù)：晶體中任意原子的最近鄰原子數(shù)，表征了晶體中原子密度對(duì)bcc材料，致密度為，

9、配位數(shù)為 8 33體心立方晶格參數(shù)1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)間隙類(lèi)型及尺寸：八面體間隙，ri/r0四面體間隙，ri/r0 34面心立方晶格參數(shù)1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)Al、Cu、Ag、 Ni和-Fe等約20種 35面心立方晶格參數(shù)1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)原子半徑r與晶格常數(shù)a0關(guān)系：361.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)面心立方晶格參數(shù)致密度：原子實(shí)在晶胞中所占有的體積分?jǐn)?shù)，K=nv/V 配位數(shù)：晶體中任意原子的最近鄰原子數(shù)，表征了晶體中原子密度對(duì)fcc材料，致密度為，配位數(shù)為 12 37面心立方晶格參數(shù)1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)面心立方配位數(shù)的確定 38面心立方晶格參數(shù)1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)

10、八面體間隙及尺寸ri/r0=0.414 39面心立方晶格參數(shù)1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)四面體間隙及尺寸ri/r0=40密排六方晶格參數(shù)1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)Mg、Zn、Cd、Be等20多種 41密排六方晶格參數(shù)1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)原子半徑r與晶格常數(shù)a0關(guān)系42密排六方晶格參數(shù)1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)對(duì)hcp材料: 致密度為43密排六方晶格參數(shù)1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)對(duì)hcp材料，配位數(shù): 6+6 44典型晶體結(jié)構(gòu)的原子堆垛ABA: 第三層位于第一層正上方(hcp)ABC: 第三層位于一二層間隙(fcc)1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)45典型晶體結(jié)構(gòu)的原子堆垛1.3 金屬的典型晶體結(jié)

11、構(gòu)46典型晶體結(jié)構(gòu)的原子堆垛（fcc)1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)47多晶型轉(zhuǎn)變1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)當(dāng)外部的溫度和壓強(qiáng)改變時(shí)，有些材料會(huì)由一種晶體結(jié)構(gòu)向另一種晶體結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變，稱(chēng)之為多晶型轉(zhuǎn)變，又稱(chēng)為同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變結(jié)構(gòu)變化會(huì)導(dǎo)致材料的密度、物理化學(xué)性能均發(fā)生相應(yīng)變化多晶型轉(zhuǎn)變成為改變（調(diào)整）材料性能（功能）的重要方法之一48多晶型轉(zhuǎn)變導(dǎo)致性能變化1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)溫度-壓力作用下的轉(zhuǎn)變49第一章 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.1 原子鍵合及其特性材料的原子排列1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)1.4 合金相結(jié)構(gòu)1.5 陶瓷的相結(jié)構(gòu)晶體缺陷1.6 高分子化合物的結(jié)構(gòu)501.4 合金相結(jié)構(gòu)合金兩種或兩種以上金屬

12、元素，或金屬元素與非金屬元素，經(jīng)熔煉、燒結(jié)或其它方法組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)組元 組成合金最基本的獨(dú)立的物質(zhì)，通常組元就是組成合金的元素相 是合金中具有同一聚集狀態(tài)、相同晶體結(jié)構(gòu)，成分和性能均一，并以界面相互分開(kāi)的組成部分 511.4 合金相結(jié)構(gòu)固溶體中間相(金屬化合物)合金相定義: 固體溶液，溶質(zhì)原子完全溶于固體溶劑中，并能保持溶劑元素材料的晶格類(lèi)型，這種合金相稱(chēng)為固溶體。結(jié)構(gòu)特征: 保持溶劑晶格類(lèi)型,但晶格畸變(晶格常數(shù)變化); 溶質(zhì)原子的偏聚與短程有序; 溶質(zhì)原子的長(zhǎng)程有序與有序固溶體;溶質(zhì)原子固溶度可變性能特點(diǎn)：與溶劑元素材料的性能類(lèi)似分類(lèi)：置換式固溶體，間隙式固溶體52間隙固溶體

13、1.4 合金相結(jié)構(gòu)溶質(zhì)原子在溶劑元素晶格的間隙內(nèi)溶質(zhì)原子一般半徑小，如C，H，O，N，B等晶格畸變大有限固溶度53置換固溶體1.4 合金相結(jié)構(gòu)溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑元素晶格原子位置晶格畸變大在一定條件下可獲得無(wú)限固溶度541.4 合金相結(jié)構(gòu)固溶體金屬化合物合金相定義: 合金組元間發(fā)生相互作用而形成的新相, 成份處于組元固溶度之間, 稱(chēng)為中間相. 組元間具有一定的化學(xué)成份比, 且具有一定金屬性質(zhì), 又稱(chēng)金屬間化合物結(jié)構(gòu)特征: 原子間結(jié)合鍵多樣性(包含一定金屬鍵性質(zhì))；晶格類(lèi)型不同于任一組元;可以是化合物或化合物基固溶體(即中間固溶體) 性能特點(diǎn): 不同于任一組元; 高熔點(diǎn)、硬度和脆性分類(lèi): 正常價(jià)化合

14、物, 電子化合物, 間隙相, 間隙化合物551.4 合金相結(jié)構(gòu)正常價(jià)化合物：符合化合物原子價(jià)規(guī)律的金屬間化合物。它們具有嚴(yán)格的化合比，成分固定不變。它的結(jié)構(gòu)與相應(yīng)分子式的離子化合物晶體結(jié)構(gòu)相同，如分子式具有AB型的正常價(jià)化合物其晶體結(jié)構(gòu)為NaCl型，多為離子化合物，例如MgPb, MnS561.4 合金相結(jié)構(gòu)電子化合物：是指當(dāng)化合物中價(jià)電子濃度一定(21/12, 21/13, 21/14)時(shí)，形成的化合物晶格類(lèi)型相同。電子化合物的熔點(diǎn)和硬度都很高，而塑性較差，是有色金屬中的重要強(qiáng)化相。例：CuZn, CuZn3, Cu5Zn8: Cu價(jià)電子+1, Zn價(jià)電子數(shù)+2CuZn電子濃度: 價(jià)電子數(shù)/

15、原子數(shù) = (1+2)/2 = 3/2 = 21/14；體心立方結(jié)構(gòu)CuZn3電子濃度: 價(jià)電子數(shù)/原子數(shù) = (1+6)/(1+3) = 7/4 = 21/12；密排六方結(jié)構(gòu)Cu5Zn8電子濃度: 價(jià)電子數(shù)/原子數(shù) = (5+16)/(5+8) = 21/13；復(fù)雜立方結(jié)構(gòu)571.4 合金相結(jié)構(gòu)間隙相: 過(guò)渡族金屬元素與原子半徑較小的非金屬元素(H,C,N,B等)形成的化合物。當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值小于時(shí), 將形成具有簡(jiǎn)單晶體結(jié)構(gòu)的金屬間化合物, 其熔點(diǎn)高、硬度高、較脆。例如氫化物、氮化物和部分碳化物(TaC,VC,ZrC,TiC等）間隙化合物: 當(dāng)非金屬原子半徑與金屬原子半徑

16、的比值大于時(shí), 將形成具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的金屬間化合物, 間隙化合物也具有很高的熔點(diǎn)和硬度, 脆性較大。如硼化物和部分碳化物(Fe3C,Cr7C3,Cr23C6等)性能對(duì)比: 與間隙相相比, 間隙化合物的熔點(diǎn)和硬度以及化學(xué)穩(wěn)定性都要低一些。58第一章 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.1 原子鍵合及其特性材料的原子排列1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)1.4 合金相結(jié)構(gòu)1.5 陶瓷的相結(jié)構(gòu)晶體缺陷1.6 高分子化合物的結(jié)構(gòu)591.5 陶瓷的相結(jié)構(gòu)晶相 玻璃相 氣相 氧化物結(jié)構(gòu) 硅酸鹽結(jié)構(gòu) 陶瓷相結(jié)構(gòu)與合金的類(lèi)似，也會(huì)形成陶瓷固溶體和新型的復(fù)雜化合物這里主要介紹用傳統(tǒng)方法（粉末冶金）成型的陶瓷內(nèi)部的主要組織類(lèi)別601.5

17、 陶瓷的相結(jié)構(gòu)晶相 玻璃相 氣相 氧化物結(jié)構(gòu) 硅酸鹽結(jié)構(gòu) 硅氧四面體SiO44-之間又以共有頂點(diǎn)的氧離子相互連接起來(lái)。由于連接方式不同而形成多種硅酸鹽結(jié)構(gòu)，如島狀、環(huán)狀、鏈狀和層狀等 611.5 陶瓷的相結(jié)構(gòu)晶相 玻璃相 氣相 氧化物結(jié)構(gòu) 硅酸鹽結(jié)構(gòu) 621.5 陶瓷的相結(jié)構(gòu)晶相 玻璃相 氣相 部分氧化物或硅酸鹽在一定條件下不易結(jié)晶,而形成玻璃相。大多陶瓷材料中均含一定玻璃相,主要作用是粘結(jié)分散的晶相、降低燒結(jié)溫度、抑制晶相的粗化 粉末冶金燒結(jié)法形成的陶瓷會(huì)含有極少量的氣孔。氣孔的存在降低了陶瓷的密度、導(dǎo)熱系數(shù)，以致陶瓷強(qiáng)度下降、介電損耗增大、絕緣性降低。 但氣孔能吸收震動(dòng)。63第一章 材料的

18、內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.1 原子鍵合及其特性材料的原子排列1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)1.4 合金相結(jié)構(gòu)1.5 陶瓷的相結(jié)構(gòu)晶體缺陷1.6 高分子化合物的結(jié)構(gòu)641.6 高分子化合物的結(jié)構(gòu)高分子材料的電子結(jié)構(gòu)：高分子鏈內(nèi)原子主要以共價(jià)鍵結(jié)合；分子鏈間原子主要以分子鍵結(jié)合分子鏈原子排列結(jié)構(gòu)：從形態(tài)上分子鏈具有線型、支鏈型和三維立體型；從基本分子鏈的構(gòu)型上分為全同立構(gòu)、間同立構(gòu)和無(wú)規(guī)立構(gòu)三種構(gòu)型高分子材料的聚集結(jié)構(gòu)：結(jié)晶、部分結(jié)晶和非晶無(wú)規(guī)纏繞結(jié)構(gòu)651.6 高分子化合物的結(jié)構(gòu)高分子鏈結(jié)構(gòu) 構(gòu)型 全同立構(gòu)間同立構(gòu)無(wú)規(guī)立構(gòu)661.6 高分子化合物的結(jié)構(gòu)高分子鏈結(jié)構(gòu) 形態(tài)線型支鏈型立體交聯(lián)671.6 高分子化合物的

19、結(jié)構(gòu)高分子鏈結(jié)構(gòu) 聚集態(tài)結(jié)構(gòu) 結(jié)晶型 部分結(jié)晶型 非晶型 68第一章 材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)1.1 原子鍵合及其特性材料的原子排列1.3 金屬的典型晶體結(jié)構(gòu)1.4 合金相結(jié)構(gòu)1.5 陶瓷的相結(jié)構(gòu)晶體缺陷1.6 高分子化合物的結(jié)構(gòu)69晶體缺陷材料中總是有缺陷的材料不是純凈的，所謂“金無(wú)足赤”；材料也不可能是理想完整的；產(chǎn)生的原因； 熱力學(xué)、原子熱運(yùn)動(dòng)晶體缺陷定義：晶體材料中存在的一些原子排列不規(guī)則，以致結(jié)構(gòu)不完整的區(qū)域缺陷的影響：對(duì)材料中原子擴(kuò)散、相變、性能產(chǎn)生重要影響缺陷的分類(lèi)：從缺陷所影響的區(qū)域尺度來(lái)區(qū)分，包括點(diǎn)缺陷、線缺陷和面缺陷70晶體缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷點(diǎn)缺陷的特點(diǎn)是在空間三維方向上的尺寸都很小，約為幾個(gè)原子間距，又稱(chēng)零維缺陷分類(lèi)： 空位 間隙原子 置換原子71點(diǎn)缺陷空位72點(diǎn)缺陷間隙原子置換原子73晶體缺陷點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷線缺陷是各種類(lèi)型的位錯(cuò)，即晶體中的原子發(fā)生了有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。其特點(diǎn)是原子發(fā)生錯(cuò)排的范圍只在一維方向上很大，是一個(gè)直徑為35個(gè)原子間距，長(zhǎng)數(shù)百個(gè)原子間距以上的管狀原子畸變區(qū)。分類(lèi)： 刃型位錯(cuò) 螺型位錯(cuò) 混合型位錯(cuò)74線缺陷刃型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)75線缺陷76線缺陷77線缺陷78線缺陷79點(diǎn)缺陷線缺陷面缺陷面缺陷又稱(chēng)為二維缺陷，是指在二維方向上偏離理想晶體中的周