工程材料第二章材料的结构

《工程材料第二章材料的结构》由会员上传分享，免费在线阅读，更多相关内容在教育资源-天天文库。

固体材料的性能主要取决于其化学成分、组织结构及加工工艺过程。所谓结构就是指物质内部原子在空间的分布及排列规律。金属晶体结构是决定性能的内在基本因素之一。第二章材料的结构§2.1结合键§2.2晶体结构理论§2.3晶体缺陷理论 在固体状态下,原子聚集堆积在一起,其间距足够近,便产生相互作用力,即为原子间的结合力或结合键(简称为键)。主要有以下四种结合键:离子键、共价键、金属键、分子键§2.1结合键 一、离子键离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系数小，但脆性大，具有很好的绝缘性。典型的离子晶体是无色透明的。§2.1结合键 二、共价键共价键结合力很大，共价晶体的强度、硬度高、脆性大，熔点、沸点高，挥发度低。§2.1结合键 三、金属键（1）良好的导电性及导热性；（2）正的电阻温度系数；（3）良好的强度及塑性；（4）特有的金属光泽。§2.1结合键 四、分子键分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也低。但其绝缘性良好。§2.1结合键 与非金属相比，固态金属具有它独特的性能，如良好的导电性、导热性、延展性（塑性变形能力）和金属光泽。这些是金属的特性么？能否据此来区分金属与非金属呢？思考金属的特征答：不是。 1.有的非金属也可能表现出上述某些特性：如：石墨能导电；金刚石导热；无机化合物的金属光泽。2.各种金属晶体之间，这些特征的差别也很大：钚、锰的导电能力比银、铜相差近百倍锑、铬、钒等金属是一种“脆性”金属。因此，只根据以上的一些特性来区分金属和非金属是不够充分的。3.金属的特征：正的电阻温度系数。金属的特征 金属材料以金属键方式结合，从而使金属材料具有以下特征：良好的导电、导热性自由电子定向运动（在电场作用下）导电、（在热场作用下）导热。正的电阻温度系数金属正离子随温度的升高，振幅增大，阻碍自由电子的定向运动，从而使电阻升高。不透明，有光泽自由电子容易吸收可见光，使金属不透明。自由电子吸收可见光后由低能轨道跳到高能轨道，当其从高能轨道跳回低能轨道时，将吸收的可见光能量辐射出来，产生金属光泽。具有延展性金属键没有方向性和饱和性，所以当金属的两部分发生相对位移时，其结合键不会被破坏，从而具有延展性。金属的特征返回金属为何具有上述这些特性呢？ §2.2晶体结构理论一、晶体与非晶体二、晶体结构 液体-->固体（晶体或非晶体）--凝固液体-->晶体--结晶晶体液体结晶§2.2晶体结构理论一、晶体与非晶体 §2.2晶体结构理论一、晶体与非晶体晶体：原子在三维空间中有规则地周期性重复排列的物质。非晶体：原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列的一类物质。也称为“过冷液体”—短程有序。晶体的特点：①结构有序；②物理性质表现为各向异性；③有固定熔点；④一定条件下有规则的几何外形。晶体和非晶体在一定条件下可以互相转化，如玻璃经高温长时间加热能变成晶态玻璃；而通常是晶态的金属若从液态急冷也可获得非晶态金属。晶体的挪动flash动画 微晶：快速凝固的晶态金属或合金的颗粒尺寸要小得多，仅为微米纳米级尺度，高强度高硬度；准晶：在晶体内部的原子长程有序，介于晶体和非晶体之间；液晶：二维长程有序。扩充知识返回§2.2晶体结构理论一、晶体与非晶体 二、晶体结构（一）晶体学基本概念（二）典型金属的晶体结构§2.2晶体结构理论 晶格、晶胞和晶格常数——这些为晶体结构的抽象描述（原子的堆垛模型）空间规则排列的原子→刚球模型→晶格（刚球抽象为晶格结点，构成空间格架）→晶胞（具有周期性最小组成单元）→晶格常数（晶胞的棱边长度a、b、c）（一）晶体学基本概念§2.2晶体结构理论 晶胞原子数一个晶胞内所含的原子数目。注意相邻晶胞的共有原子的计算方法。原子半径晶胞中最近邻的两个原子之间（平衡）距离的一半。致密度晶胞中原子本身所占的体积与晶胞体积之比。（一）晶体学基本概念§2.2晶体结构理论 §2.2晶体结构理论（二）典型金属的晶体结构1.体心立方晶格（bcc晶格）2.面心立方晶格（fcc晶格）3.密排六方晶格（hcp晶格） （二）典型金属的晶体结构1.体心立方晶格（bcc晶格）常见bcc晶格的金属有：a=b=c===90°8×1/8+1=2-Fe、Cr、Mo、W、V等30多种金属§2.2晶体结构理论晶格常数：原子半径：晶胞原子数：致密度：K=nV1/V=68% 2.面心立方晶格（fcc晶格）常见fcc晶格的金属有：a=b=c===90°8×1/8+6×1/2=4-Fe、Cu、Ni、Al、Ag等20多种金属§2.2晶体结构理论（二）典型金属的晶体结构晶格常数：原子半径：晶胞原子数：致密度：K=nV1/V=74%钢的A状态、A不锈钢、耐磨钢的晶格也是fcc 3.密排六方晶格（hcp晶格）常见hcp晶格的金属有：a=b≠cc/a=1.633==90°=120°r=a/2Zn、Mg、Be、Cd等金属§2.2晶体结构理论（二）典型金属的晶体结构晶格常数：原子半径：晶胞原子数：6致密度：K=nV1/V=74% §2.3晶体缺陷理论维纳斯“断臂”之美更深入人心晶体缺陷赋予材料丰富内容实际晶体中晶体缺陷普遍存在，对金属的许多性质，尤其是力学性能有着重大的影响。 理想晶体：是指晶体中原子严格地成，完全规则和完整的排列，在每个晶格结点上都有原子排列而成的晶体。如理想晶胞在三维空间重复堆砌就构成理想的单晶体。实际晶体：多晶体+晶体缺陷晶体缺陷：是晶体内部存在的一些原子排列不规则和不完整的微观区域。单晶体（晶粒）多晶体（整体）§2.3晶体缺陷理论 实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为以下三种：（1）点缺陷（2）线缺陷（3）面缺陷§2.3晶体缺陷理论 §2.3晶体缺陷理论点缺陷是指在三维尺度上都很小而不超过几个原子直径的缺陷。点缺陷示意图（1）空位（2）间隙原子（3）置换原子点缺陷均会造成晶格畸变,影响金属性能,如使屈服强度升高、电阻增大、体积膨胀等。一、点缺陷 线缺陷:二维尺度很小而另一维尺度很大的缺陷。包括各种类型的位错。位错：是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律的错排现象。图为刃型位错。位错密度用ρ表示。§2.3晶体缺陷理论二、线缺陷位错对金属材料的力学性能、扩散及相变等过程均有重要的影响。如果金属中不含位错，即为理想晶体，其强度极高；而实际金属晶体中由于位错的存在，其实际强度值比理论值降低了2-3个数量级。 位错密度：单位体积中位错线的总长度,或单位面积上位错线的根数,单位cm-2。位错线附近的原子偏离了平衡位置,使晶格发生了畸变,对晶体的性能有显著的影响。实验和理论研究表明:晶体的强度和位错密度有如图的对应关系。当晶体中位错密度很低时,晶体强度很高；相反在晶体中位错密度很高时,其强度很高。但目前的技术,仅能制造出直径为几微米的晶须,不能满足使用上的要求。而位错密度很高易实现,如剧烈的冷加工可使密度大大提高,这为材料强度的提高提供途径。二、线缺陷§2.3晶体缺陷理论 §2.3晶体缺陷理论二、线缺陷刃型位错的运动flash 二、线缺陷§2.3晶体缺陷理论螺型位错 面缺陷:二维尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界。§2.3晶体缺陷理论由于晶界上原子排列脱离平衡位置，晶格畸变程度较大，所以其能量比晶粒内部的高，从而也就有一系列不同晶粒内部的特性。三、面缺陷 §2.3晶体缺陷理论三、面缺陷 晶界的特性及作用：1.晶界比晶粒本身容易被腐蚀和氧化，熔点较低，原子沿晶界扩散快。2.常温下晶界对金属的塑性变形起阻碍作用，即金属材料晶粒越细，晶界越多，其常温强度就越高。3.钢在热处理时，奥氏体晶粒会随加热温度的升高而长大，因此要严格控制加热温度。4.钢中第二相在加热时也会产生球化，如高碳钢锻造后进行球化退火，以使第二相即碳化物球化。但加热温度过高、保温时间过长，则球化物会自发长大、聚集，对性能不利。§2.3晶体缺陷理论三、面缺陷纳米材料晶粒非常小，晶界缺陷异常多。当晶粒5nm时，处于晶界原子的体积分数为50％，即一半的体积是晶界。