第二章材料结构与性能课件.ppt
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- 第二 材料 结构 性能 课件
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1、 在外界条件固定时,材料的性能取决在外界条件固定时,材料的性能取决于材料内部的构造。这种构造便是于材料内部的构造。这种构造便是组成材组成材料的原子种类和分量,以及它们的排列方料的原子种类和分量,以及它们的排列方式和空间分布。式和空间分布。习惯上将前者叫做成分,习惯上将前者叫做成分,后者叫做组织结构,而我们把这两者统称后者叫做组织结构,而我们把这两者统称为结构。物质通常具有三种存在形态:气为结构。物质通常具有三种存在形态:气态、液态、固态,而在使用状态下的材料态、液态、固态,而在使用状态下的材料通常都是固态。通常都是固态。( (材料在固态下结合方式及材料在固态下结合方式及结构特点结构特点 )第一
2、节第一节 材料的结合方式材料的结合方式 在所有的固体中,原子靠键结合在一起。在所有的固体中,原子靠键结合在一起。键使固体具有强度和相应的电学和热学性键使固体具有强度和相应的电学和热学性能。例如,能。例如,强的键导致高熔点、高弹性模强的键导致高熔点、高弹性模量、较短的原子间距和较低的热膨胀系数。量、较短的原子间距和较低的热膨胀系数。一、结合键一、结合键1. 离子键离子键2. 2. 共价键共价键 共价键是一种强吸引力的结合键。共价键是一种强吸引力的结合键。当两个相同原子或性质相近的原子接当两个相同原子或性质相近的原子接近时,价电子不会转移,原子间借共近时,价电子不会转移,原子间借共用电子对所产生的
3、力而结合,形成共用电子对所产生的力而结合,形成共价键。价键。共价键使原子间有很强的吸引力,这一共价键使原子间有很强的吸引力,这一点在金刚石中很明显,金刚石是自然点在金刚石中很明显,金刚石是自然界中最硬的材料,而且它完全是由碳界中最硬的材料,而且它完全是由碳原子组成。每个碳原子有四个价电子,原子组成。每个碳原子有四个价电子,这些价电子与邻近原子共用,形成完这些价电子与邻近原子共用,形成完全由价电子对结合而成的三维点阵。全由价电子对结合而成的三维点阵。这些三维点阵使金刚石具有很高的硬这些三维点阵使金刚石具有很高的硬度和熔点。度和熔点。3. 3. 金属键金属键 金属是由金属键结合而成的,它具有同金属
4、是由金属键结合而成的,它具有同非金属完全不同的特性。金属原子的非金属完全不同的特性。金属原子的外层电子少,容易失去。当金属原子外层电子少,容易失去。当金属原子相互靠近时,这些外层原子就脱离原相互靠近时,这些外层原子就脱离原子,成为自由电子,为整个金属所共子,成为自由电子,为整个金属所共有,自由电子在金属内部运动,形成有,自由电子在金属内部运动,形成电子气。这种由自由电子与金属正离电子气。这种由自由电子与金属正离子之间的结合方式称为金属键子之间的结合方式称为金属键4 4 分子键分子键 分子键又叫范德华键,是最弱的一种分子键又叫范德华键,是最弱的一种结合键。它是靠原子各自内部电子分布不结合键。它是
5、靠原子各自内部电子分布不均匀产生较弱的静电引力,称为范德华力,均匀产生较弱的静电引力,称为范德华力,由这种分子力结合起来的键叫做分子键。由这种分子力结合起来的键叫做分子键。5 5 氢键氢键 另一种范德华力实际上是极性分子的另一种范德华力实际上是极性分子的一种特殊情况。一种特殊情况。C CH H、O OH H或或N NH H键端部键端部暴露的质子是没有电子屏蔽的,所以,这暴露的质子是没有电子屏蔽的,所以,这个正电荷可以吸引相邻分子的价电子,于个正电荷可以吸引相邻分子的价电子,于是形成了一种库仑型的键,称为氢键,氢是形成了一种库仑型的键,称为氢键,氢键是所有范德瓦尔斯键中最强的。键是所有范德瓦尔斯
6、键中最强的。氢键最典型的例子是水,一个水分子中氢键最典型的例子是水,一个水分子中氢质子吸引相邻分子中氧的孤对电子,氢质子吸引相邻分子中氧的孤对电子,氢键使水成为所有低分子量物质中沸氢键使水成为所有低分子量物质中沸点最高的物质。点最高的物质。二、结合键对材料性能的影响二、结合键对材料性能的影响1 1 金属材料金属材料 金属材料的结合键主要是金属键。金属材料的结合键主要是金属键。1 1)金属具有良好的导电性金属具有良好的导电性;2 2)金属的)金属的导热性好导热性好;3 3)正的电阻温度系数正的电阻温度系数;4 4)具有良好的变形能力具有良好的变形能力; 另外,自由电子可以吸收光的能量,因而金另外
7、,自由电子可以吸收光的能量,因而金属不透明;而所吸收的能量在电子回复到属不透明;而所吸收的能量在电子回复到原来状态时产生辐射,使金属具有光泽。原来状态时产生辐射,使金属具有光泽。2 2 陶瓷材料陶瓷材料 陶瓷材料通常具有极高的熔点和陶瓷材料通常具有极高的熔点和硬度,但同时陶瓷材料的脆性也很硬度,但同时陶瓷材料的脆性也很大。大。 简单说来,陶瓷材料是包含金属和非简单说来,陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物,其结合键主要是金属元素的化合物,其结合键主要是离子键和共价键,大多数是离子键。离子键和共价键,大多数是离子键。离子键赋予陶瓷材料相当高的稳定性,离子键赋予陶瓷材料相当高的稳定性,所以陶瓷材
8、料通常具有极高的熔点和所以陶瓷材料通常具有极高的熔点和硬度,但同时陶瓷材料的脆性也很大。硬度,但同时陶瓷材料的脆性也很大。3 3 高分子材料高分子材料 具有很好的力学性能。具有很好的力学性能。 高分子材料的结合键是共价键、氢键和分高分子材料的结合键是共价键、氢键和分子键。其中,组成分子的结合键是共价键子键。其中,组成分子的结合键是共价键和氢键,而分子间的结合键是范德瓦尔斯和氢键,而分子间的结合键是范德瓦尔斯键。尽管范德瓦尔斯键较弱,但由于高分键。尽管范德瓦尔斯键较弱,但由于高分子材料的分子很大,所以分子间的作用力子材料的分子很大,所以分子间的作用力也相应较大,这使得高分子材料具有很好也相应较大
9、,这使得高分子材料具有很好的力学性能。的力学性能。三、晶体与非晶体三、晶体与非晶体1 1 晶体晶体 晶体的特点是晶体的特点是1 1)结构有序;)结构有序;2 2)物)物理性质表现为各向异性;理性质表现为各向异性;3 3)有固定的)有固定的熔点。熔点。 2 2 非晶体非晶体 非晶体的结构是原子无序排列,这非晶体的结构是原子无序排列,这一点与液体的结构很相似,所以非晶体往一点与液体的结构很相似,所以非晶体往往被称为过冷液体。典型的非晶体材料是往被称为过冷液体。典型的非晶体材料是玻璃,所以非晶体也被称为玻璃体。玻璃,所以非晶体也被称为玻璃体。 虽然非晶体在整体上是无序的,但在虽然非晶体在整体上是无序
10、的,但在很小的范围内观察,还是有一定的规很小的范围内观察,还是有一定的规律性,所以在结构上称之为短程有序。律性,所以在结构上称之为短程有序。 非晶体材料的特点是非晶体材料的特点是1 1)结构无序;)结构无序;2 2)物理性质表现为各向同性;)物理性质表现为各向同性;3 3)没)没有固定熔点;有固定熔点;4 4)导热率和热膨胀性小;)导热率和热膨胀性小;5 5)塑性形变大;)塑性形变大;6 6)组成的范围变化)组成的范围变化大。大。3 3 晶体和非晶体的转化晶体和非晶体的转化 比如,金属液体在高速冷却条件下可以得比如,金属液体在高速冷却条件下可以得到非晶态金属,即所谓的金属玻璃;而到非晶态金属,
11、即所谓的金属玻璃;而玻璃经过适当处理,也可形成晶态玻璃。玻璃经过适当处理,也可形成晶态玻璃。有些物质可以看成是有序和无序的中间有些物质可以看成是有序和无序的中间状态,如塑料、液晶、准晶态等。状态,如塑料、液晶、准晶态等。 非晶体结构是短程有序,即在很小的尺寸非晶体结构是短程有序,即在很小的尺寸范围内存在着有序性,而晶体内部也有范围内存在着有序性,而晶体内部也有缺陷,在很小的尺寸范围内也存在着无缺陷,在很小的尺寸范围内也存在着无序性。所以两者之间也有共同特点。而序性。所以两者之间也有共同特点。而物质在不同条件下,既可形成晶体结构,物质在不同条件下,既可形成晶体结构,也可形成非晶体结构。也可形成非
12、晶体结构。第二节第二节 金属及合金的结构金属及合金的结构一、晶体的基本概念一、晶体的基本概念 晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式。晶体结构指晶体内部原子规则排列的方式。晶体结构不同,其性能往往相差很大。晶体结构不同,其性能往往相差很大。 为了便于分析研究各种晶体中原子或分子为了便于分析研究各种晶体中原子或分子的排列情况,通常把原子抽象为几何点,的排列情况,通常把原子抽象为几何点,并用许多假想的直线连接起来,这样得到并用许多假想的直线连接起来,这样得到的三维空间几何格架称为晶格。的三维空间几何格架称为晶格。 图图1 1 简单立方晶体简单立方晶体(a a) 晶体结构晶体结构 (b b) 晶格晶格
13、 (c c) 晶胞晶胞 为了描述晶格中原子排列的紧密程度,为了描述晶格中原子排列的紧密程度,通常采用配位数和致密度(通常采用配位数和致密度(K K)来表示。配)来表示。配位数是指晶格中与任一原子处于相等距离位数是指晶格中与任一原子处于相等距离并相距最近的原子数目;致密度是指晶胞并相距最近的原子数目;致密度是指晶胞中原子本身所占的体积百分数,即晶胞中中原子本身所占的体积百分数,即晶胞中所包含的原子体积与晶胞体积(所包含的原子体积与晶胞体积(V V)的比值。)的比值。二、常见纯金属的晶格类型二、常见纯金属的晶格类型常见的晶格类型有以下三种:常见的晶格类型有以下三种:1. 1. 体心立方晶格体心立方
14、晶格 体心立方晶格的晶胞如图体心立方晶格的晶胞如图2-42-4所示。它所示。它的形状是一个立方体,其晶格常数的形状是一个立方体,其晶格常数a=b=ca=b=c,所以只要一个常数所以只要一个常数a a即可表示;其即可表示;其=90=90o o。在体心立方晶胞中,原子位。在体心立方晶胞中,原子位于立方体的八个顶角和中心。属于这类晶于立方体的八个顶角和中心。属于这类晶格的金属有格的金属有-Fe-Fe、CrCr、V V、W W、MoMo、NbNb等。等。 图图2 2 体心立方晶胞体心立方晶胞(a a) 模型;模型; (b b) 晶胞;晶胞; (c c) 晶胞原子数晶胞原子数2 2 面心立方晶格面心立方
15、晶格 面心立方晶胞如图所示。它的形状也是面心立方晶胞如图所示。它的形状也是一个立方体。在面心立方晶胞中,原子位一个立方体。在面心立方晶胞中,原子位于立方体的八个顶角和六个面的中心。属于立方体的八个顶角和六个面的中心。属于这类晶格的金属有于这类晶格的金属有-Fe-Fe、AlAl、CuCu、NiNi、AuAu、AgAg、PbPb等等 图图3 面心立方晶胞面心立方晶胞(a) 模型;模型; (b) 晶胞;晶胞; (c) 晶胞原子数晶胞原子数3. 3. 密排六方晶格密排六方晶格密排六方晶胞如图密排六方晶胞如图4 4所示。它是一个正六面所示。它是一个正六面柱体,在晶胞的柱体,在晶胞的1212个角上各有一个
16、原子,个角上各有一个原子,上底面和下底面的中心各有一个原子,上上底面和下底面的中心各有一个原子,上下底面的中间有三个原子。属于这类晶格下底面的中间有三个原子。属于这类晶格的金属有的金属有MgMg、ZnZn、BeBe、CdCd等。等。 图图4 4密排六方晶胞密排六方晶胞(a a) 模型;模型; (b b) 晶胞;晶胞; (c c) 晶胞原子数晶胞原子数其晶格常数用正六边形底面的边长其晶格常数用正六边形底面的边长a和晶胞的高度和晶胞的高度c来表示。两者的比值来表示。两者的比值c/a1.633三、三、 晶面指数和晶向指数晶面指数和晶向指数 晶体中原子排列的规律性,可以从晶面和晶体中原子排列的规律性,
17、可以从晶面和晶向上反映出来。晶体中各种方位上的原晶向上反映出来。晶体中各种方位上的原子面叫做子面叫做晶面晶面,各种方向上的原子列叫做,各种方向上的原子列叫做晶向晶向。1 1晶面指数晶面指数确定晶面指数的步骤如下:确定晶面指数的步骤如下:(1 1)设晶格中某一原子为原点,通过该点)设晶格中某一原子为原点,通过该点平行于晶胞的三棱边作平行于晶胞的三棱边作OXOX、OYOY、OZOZ三坐标三坐标轴,以晶格常数轴,以晶格常数a a、b b、c c分别作为相应的三分别作为相应的三个坐标轴上的度量单位,求出所需确定的个坐标轴上的度量单位,求出所需确定的晶面在三坐标轴上的截距。晶面在三坐标轴上的截距。(2
18、2)将所得三截距之值变为倒数。)将所得三截距之值变为倒数。(3 3)再将这三个倒数按比例化为最小整数,)再将这三个倒数按比例化为最小整数,并加上一圆括号,即为晶面指数,一般表并加上一圆括号,即为晶面指数,一般表示为(示为(hklhkl)。)。2 2晶向指数晶向指数确定晶向指数的步骤如下:确定晶向指数的步骤如下:(1 1)通过坐标原点引一直线,使其平行于)通过坐标原点引一直线,使其平行于所求的晶向。所求的晶向。(2 2)求出该直线上任意一点的三个坐标值。)求出该直线上任意一点的三个坐标值。(3 3)将三个坐标值按比例化为最小整数,)将三个坐标值按比例化为最小整数,加一方括号,即为所求的晶面指数,
19、其一加一方括号,即为所求的晶面指数,其一般形式为般形式为uvwuvw。四、四、 实际金属的晶体结构实际金属的晶体结构 在实际应用的金属材料中,总是不可避免在实际应用的金属材料中,总是不可避免地存在着一些原子偏离规则排列的不完整地存在着一些原子偏离规则排列的不完整性区域,这就是晶体缺陷。性区域,这就是晶体缺陷。 一般说来,金属中这些偏离其规定位置的一般说来,金属中这些偏离其规定位置的原子数很少,即使在最严重的情况下,金原子数很少,即使在最严重的情况下,金属晶体中位置偏离很大的原子数目至多占属晶体中位置偏离很大的原子数目至多占原子总数的千分之一。因此,从总体来看,原子总数的千分之一。因此,从总体来
20、看,其结构还是接近完整的。尽管如此,这些其结构还是接近完整的。尽管如此,这些晶体缺陷不但对金属及合金的性能有重大晶体缺陷不但对金属及合金的性能有重大影响,而且还在扩散、相变、塑性变形和影响,而且还在扩散、相变、塑性变形和再结晶等过程中扮演重要角色。再结晶等过程中扮演重要角色。1 1多晶体多晶体通常使用的金属都是由很多小晶体组成的,通常使用的金属都是由很多小晶体组成的,这些小晶体内部的晶格位向是均匀一致的,这些小晶体内部的晶格位向是均匀一致的,而它们之间,晶格位向却彼此不同,这些而它们之间,晶格位向却彼此不同,这些外形不规则的的颗粒状小晶体称为晶粒。外形不规则的的颗粒状小晶体称为晶粒。每一个晶粒
21、相当于一个单晶体。晶粒与晶每一个晶粒相当于一个单晶体。晶粒与晶粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒粒之间的界面称为晶界。这种由许多晶粒组成的晶体称为多晶体。组成的晶体称为多晶体。 多晶体的性能在各个方向基本上是一多晶体的性能在各个方向基本上是一致的,这是由于多晶体中,虽然每个晶粒致的,这是由于多晶体中,虽然每个晶粒都是各向异性的,但它们的晶格位向彼此都是各向异性的,但它们的晶格位向彼此不同,晶体的性能在各个方向相互补充和不同,晶体的性能在各个方向相互补充和抵消,再加上晶界的作用,因而表现出各抵消,再加上晶界的作用,因而表现出各向同性。向同性。 晶粒的尺寸很小,如钢铁材料一般为晶粒的尺寸很小,如
22、钢铁材料一般为3mm3mm左右,必须在显微镜下才能看见。在显左右,必须在显微镜下才能看见。在显微镜下观察到的金属中晶粒的种类、大小、微镜下观察到的金属中晶粒的种类、大小、形态和分布称为显微组织,简称组织。金形态和分布称为显微组织,简称组织。金属的组织对金属的机械性能有很大的影响。属的组织对金属的机械性能有很大的影响。2 2 晶体缺陷晶体缺陷根据晶体缺陷的几何形态特征,一般将它根据晶体缺陷的几何形态特征,一般将它们分为以下三类:们分为以下三类: (1 1)点缺陷)点缺陷 (2 2)线缺陷)线缺陷 (3 3)面缺陷)面缺陷 实际金属晶体内部,由于铸造、变形实际金属晶体内部,由于铸造、变形等一系列原
23、因,其局部区域原子的规等一系列原因,其局部区域原子的规则排列往往受到干扰和破坏,不象理则排列往往受到干扰和破坏,不象理想晶体那样规则和完整,从而影响到想晶体那样规则和完整,从而影响到金属的许多性能。实际金属晶体中原金属的许多性能。实际金属晶体中原子排列的这种不完整性,通常称为晶子排列的这种不完整性,通常称为晶体缺陷。体缺陷。点缺陷点缺陷 晶格中某个原子脱离了平衡位置,形晶格中某个原子脱离了平衡位置,形成空结点,称为空位。某个晶格间隙挤进成空结点,称为空位。某个晶格间隙挤进了原子,称为间隙原子。材料中总存在着了原子,称为间隙原子。材料中总存在着一些其它元素的杂质,它们可以形成间隙一些其它元素的杂
24、质,它们可以形成间隙原子,也可能取代原来原子的位置,成为原子,也可能取代原来原子的位置,成为置换原子,三种点缺陷的形态置换原子,三种点缺陷的形态线缺陷线缺陷 晶体中最普通的线缺陷就是位错,它是在晶体中最普通的线缺陷就是位错,它是在晶体中某处有一列或若干列原子发生了有晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律的错排现象。这种错排现象是晶体内规律的错排现象。这种错排现象是晶体内部局部滑移造成的,根据局部滑移的方式部局部滑移造成的,根据局部滑移的方式不同,可以形成不同类型的位错,刃型位不同,可以形成不同类型的位错,刃型位错和螺型位错。错和螺型位错。位错的存在对金属的强度有着重要的影响,位错的存在对金属
25、的强度有着重要的影响,如图所示。从图中可见,增加或降低位错如图所示。从图中可见,增加或降低位错密度,都能有效地提高金属强度。理想晶密度,都能有效地提高金属强度。理想晶体的强度很高,位错的存在可降低强度,体的强度很高,位错的存在可降低强度,当位错大量产生后,强度又提高。由于没当位错大量产生后,强度又提高。由于没有缺陷的晶体很难得到,所以生产中一般有缺陷的晶体很难得到,所以生产中一般依靠增加位错密度来提高金属强度,但塑依靠增加位错密度来提高金属强度,但塑性随之降低。性随之降低。面缺陷面缺陷 面缺陷包括晶界和亚晶界。如前所述,晶面缺陷包括晶界和亚晶界。如前所述,晶界是晶粒与晶粒之间的界面,由于晶界原
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