工程材料基础

1机械工程材料MechanicalEngineeringMaterials2第1章材料的结构与凝固本章目录1.1金属的晶体结构1.2合金的晶体结构1.3非金属材料的结构1.4凝固的基本概念1.5金属的结晶1.6材料的同素异构现象31.1金属的晶体结构1.1.1晶体结构的基本概念晶体：内部原子或离子按一定几何形状有规则排列的固体（有熔点、各向异性）。非晶体：原子排列无规则的固体（无熔点，各向同性）。晶格：将构成晶体的实际质点（原子或离子）抽象为纯粹的几何阵点，并用直线连接起来构成的三维空间格架。晶胞：能够反映晶格特征的最小组成单元。原子堆垛模型晶格晶胞4晶格参数：晶格的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角、、六个参数来描述晶格常数：a、b、c。1.1.1晶体结构的基本概念晶格参数5体心立方晶格：Ti、V、Cr、Mo、W及-Fe等属此种晶格。面心立方晶格：Al、Cu、Ag、Pt、Au及-Fe等属此种晶格。密排六方晶格：Zn、Mg、Be、Cd等属此种晶格。1.1.2三种常见的金属晶体结构体心立方面心立方密排六方晶格稳定性问题①以W为例:α-W：稳定晶型,体心立方,a=(0.316254±0.000004)nm(25℃);β-W：亚稳晶型,立方A15晶格,加热至600~700℃时转变为α-W,a=0.5037~0.509nm；γ-W：面心立方,仅发现在溅射最初期的薄层和无定形钨中,a=0.423nm,700℃时转变为α-W.71.1.3常见金属晶体结构的特征（1）晶胞中的原子数21818n4216818n632126112n面心立方晶格密排六方晶格体心立方晶格81.1.3常见金属晶体结构的特征（2）原子半径面心立方晶格密排六方晶格体心立方晶格ar43ar42ar219配位数：晶体结构中与任一原子周围最近邻的且等距离的原子数。配位数越大，晶体中原子排列就越紧密。（3）配位数和致密度面心立方晶格：12密排六方晶格：12体心立方晶格：81.1.3常见金属晶体结构的特征10致密度：晶胞中所含原子的体积与晶胞体积的比值，配位数大，则致密度亦大。33334342234U30.68arnKVaa33334244434U30.74arnKVaa333241466U3230.743383223arnKVaaa面心立方晶格：密排六方晶格：体心立方晶格：1.1.3常见金属晶体结构的特征11三种典型金属晶体结构的特征晶格类型晶胞中的原子数原子半径配位数致密度体心立方280.68面心立方4120.74密排六方6120.7443a42a2a1.1.3常见金属晶体结构的特征12晶面：通过晶体中原子中心的平面(由一系列原子组成)。晶面指数：用以表示晶面的数字符号称为晶面指数。1.1.4晶面、晶向及晶体的各向异性13晶向：晶体中原子列所表示的方向。晶向指数：表示晶向的数字符号称为晶向指数。各向异性：金属晶体沿不同方向性能不相同的现象。晶体与非晶体最根本的差别之一是单晶体具有明显的方向性，这与晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，因而它们之间的结合力大小不同有关。1.1.4晶面、晶向及晶体的各向异性141.1.5实际金属的晶体结构（1）实际晶体结构单晶体：金属内部的晶格方位完全一致。多晶体：多晶粒组成的实际晶体结构。晶粒：组成多晶体的外形不规则的小晶体（队列进行解释）（微晶、纳米晶）一个晶粒就是单晶，多个晶粒就是多晶，没有晶粒就是非晶。晶界：晶粒与晶粒间的界面。组织：指金属的内部形貌。显微组织：利用金相显微镜所观察到的组织。15（2）晶体缺陷点缺陷：包括晶格空位、间隙原子和异类原子，点缺陷的存在会使晶格发生畸变，金属的性能发生变化。1.1.5实际金属的晶体结构16线缺陷：即位错，或称为位错线。位错是晶体中某处有一列或若干列原子，发生了规律的错排现象。包括刃型位错和螺型位错。1.1.5实际金属的晶体结构17面缺陷：晶体中的面缺陷是晶界和亚晶界。面缺陷是晶体中不同区域之间，由于晶格方位的过渡所造成。位向差较小的亚晶界，可看成是位错线的堆积。1.1.5实际金属的晶体结构181.2.1合金的基本概念合金：一种金属元素同另一种或几种金属或非金属元素，通过熔化或其他方法结合在一起所形成的具有金属特性的物质。组元：组成合金最基本的独立物质。二元合金：由两个组元组成的合金称为二元合金。相：在金属或合金中，化学成分、晶体结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分。组织组成物：合金组织中那些具有确定本质，一定形成机制和特殊形态的组成部分。1.2合金的晶体结构19固溶体：合金组元通过溶解形成的一种成分和性能均匀、且结构与组元之一相同的固相。习惯以、、表示。溶剂与溶质：与合金晶体结构相同的元素称溶剂，其它元素称溶质。有限固溶体：若溶质超过某个溶解度有其他相形成，即两个元素之间的相互溶解度有一定的限度的固溶体。无限固溶体：溶质与溶剂能以任何比例相互溶解的固溶体。1.2.2固态合金的相结构20置换固溶体：在溶剂晶格的某些结点上，其原子被溶质原子所替代而形成的固溶体。间隙固溶体：溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中形成的固溶体。1.2.2固态合金的相结构Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体置换固溶体无序固溶体：溶质原子呈无序分布的固溶体。有序固溶体：溶质原子呈有序分布的固溶体。黄铜置换固溶体组织21间隙固溶体形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等，而溶剂元素一般是过渡族元素。形成间隙固溶体的一般规律为r质/r剂0.59。间隙固溶体都是无序固溶体。22固溶体的溶解度有限固溶体：溶解度有一定限度的固溶体。无限固溶体：组成元素无限互溶的固溶体。组成元素原子半径、电化学特性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才有可能形成无限固溶体。间隙固溶体都是有限固溶体。Cu-Ni无限固溶体Cu-Zn有限固溶体固溶体化合物2324固溶强化：通过形成固溶体使金属的强度和硬度提高的现象。固溶强化的原因：溶质原子的溶入，造成了不同程度的晶格畸变，阻碍了晶体的滑移，从而使合金固溶体的强度和硬度得到提高。固溶强化固溶体的性能随溶质含量增加,固溶体的强度、硬度增加,塑性、韧性下降—固溶强化。产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与化合物相比，固溶体的硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。2526金属化合物：合金组元之间相互作用形成的、晶格类型和特性均不同于任一组元的新相。正常价化合物：由元素周期表上相距较远而化学性质相差较大的两元素形成的、严格遵守化合价规律的化合物。电子化合物：不遵守一般的化合价规律但符合一定的电子浓度（化合物的价电子数与原子数之比值）的化合物。间隙相和间隙化合物：非金属原子半径与金属原子的比值小于0.59时形成简单晶格的间隙相，如VC、TiN、TiC、NbC等；非金属原子半径与金属原子的比值大于0.59时形成具有复杂晶格结构的间隙化合物，如钢中的Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、FeB、Fe2B等。金属化合物金属化合物合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的Fe3C当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。金属化合物也是合金的重要组成相。2728①正常价化合物—符合正常原子价规律。如Mg2Si。②电子化合物—符合电子浓度规律。如Cu3Sn。电子浓度为价电子数与原子数的比值。③间隙相和间隙化合物—由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属元素组成。291.3.1高分子材料的结构（1）高分子材料概述高分子聚合物（简称高聚物）：以高分子化合物为主要组分的有机材料，其相对分子质量在5000以上。分类：分为天然和人工合成两类。天然的包括天然橡胶、蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、蛋白质淀粉等；人工合成的有合成橡胶、塑料、合成纤维、涂料和胶粘剂等。单体：彼此能相互连接起来而形成高分子化合物的低分子化合物。如聚乙烯是由乙烯单体（CH2=CH2）聚合而成的。链节：组成高分子化合物的长链中的基本结构单元。1.3非金属材料的结构30高分子化合物化学结构的特点：高分子化合物的分子量很大，化学组成比较简单，同有机化合物一样仅由几种元素所组成。其结构像一条长链，这个长链是由许多结构相同的重复单元（即链节）组成。高分子链的所有原子之间的结合键都是共价键。高分子化合物总含有各种大小不同（键长不同、分子量不同）的分子。高分子化合物的分子量是一个平均值。31（2）大分子链的结构均聚物：只含有一种单体链节，若干个链节由共价键按一定方式重复连接起来，像一根又细又长的链子一样。（a）线型结构（b）支链型结构（c）网状结构32共聚物：由两种以上不同的单体链节聚合而成的高分子聚合物。共聚物结构示意图（●表示M1，○表示M2）33（3）高聚物的聚集状态高聚物的聚集状态有结晶态、部分结晶态和非结晶态三种。结晶态聚合物分子排列规则有序；部分结晶态聚合物分子排列部分规则有序；非结晶态（亦称玻璃态）聚合物分子排列杂乱不规则。通常线型聚合物在一定条件下可以形成结晶态或形成部分结晶态；而网状结构聚合物为非结晶态（或玻璃态）。非晶态聚合物的结构中的大分子排列过去一直被认为是杂乱无章、相互穿插交缠的；近来研究发现，非晶态聚合物的结构只在大距离范围内是无序的，小距离范围内是有序的，即为远程无序。34（3）高聚物的聚集状态在实际生产中获得完全晶态的聚合物是很困难的，大多数聚合物都是部分结晶态和完全非结晶态。聚合物由结晶区（分子有规则紧密排列的区域）和非结晶区（分子处于无序状态的区域）组成。高聚物的结晶区与非结晶区示意图35（3）高聚物的聚集状态结晶态与非结晶态结构均影响高聚物的性能。结晶态聚合物分子排列紧密而有规则，分子间作用力较大，所以使高聚物的密度、强度、硬度、刚度、熔点、耐热性、耐化学性、抗液体及气体透过性等性能较高；而依赖链运动有关性能，如弹性、塑性和韧性等性能较低。非结晶态聚合物由于分子链无规则排列，分子链的活动能力大，故其弹性、塑性和韧性等性能较高。部分结晶态聚合物性能介于上述二者之间，且随着结晶度的增加，熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性和抗熔性均提高，而弹性、塑性和韧性等性能降低。361.3.2陶瓷材料的结构陶瓷是一种多晶固体材料，其内部的组织结构较为复杂，一般由晶体相、玻璃相和气相组成。陶瓷材料的性能及应用主要决定于其组成相的结构、形态、大小、数量、分布状况等。晶体相：由某些金属化合物或固溶体组成，是陶瓷材料的主要组成相，一般数量较多，对性能的影响较大。在陶瓷的晶体相结构中，通常分为硅酸盐结构、氧化物结构和非氧化物结构三种。371.3.2陶瓷材料的结构玻璃相：是一种非晶态的低熔点固体相。形成玻璃相的内部条件是粘度，外部条件是冷却速度。一般粘度较大的物质，如Al2O3、、SiO2、、B2O3等化合物的液体，当其快速冷却时很容易凝固成非晶态的玻璃体，而缓慢冷却或保温一段时间，则往往会形成不透明的晶体。气相：是指陶瓷组织结构中的气孔，它使材料的强度降低，热导率、抗电击穿能力下降，介电损耗增大，而且它往往是产生裂纹的原因。同时，气相对光有散射作用而降低陶瓷的透明度。381.4.1凝固与结晶的概念物质从液态冷却转变为固态的过程称为凝固。凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。若凝固后的物质为晶体，则这种凝固成为结晶。结晶是一个自发过程，但必须具备一定条件，即需要驱动力。自然界的一切自发转变过程，总是由一种较高的能量状态趋向较低的能量状态。通常在凝固条件下，金属及其合金凝固后都是晶体，故也称其为结晶。金属材料的成形，除粉末冶金材料外，一般要经过熔炼和浇注，即经过一个结晶过程。1.4凝固的基本概念39结晶是一个自发过程，但必须具备一定条件，即需要驱动力。理论结晶温度