第一章-材料结构的基本知识PPT推荐.ppt

1、,制备合成加工过程主要是通过改变组织结构而影响其性能。,材料的固有性能直接决定材料的使用性能。,举例：河南第一工具厂生产的W4Mo3Cr4VSi钻头同一批材料，同一种工艺，但因钻头大小结构不同，最终使用性能不同。,材料的使用性能：,产品设计因素对使用性能的影响,材料科学与工程的四个要素,组织结构是核心，性能是材料研究工作的落脚点,第一章 材料结构的基本知识,原子结构（atomic structure）原子间的结合键（interatomic bonding）原子的排列方式（atomic arrangement）晶体材料的组织（structure of crystal materials）材料的稳

2、态与亚稳态结构（stable and metastable state）,第一章 材料结构的基本知识,“结构”含义丰富，大致分四个层次：原子结构、原子结合键、材料中原子的排列方式、晶体材料的显微组织。1.1 原子结构 物质的组成 物质是由无数微粒（分子、原子、离子）按一定方式聚集而成的集合体。原子结构（atomic structure）原子是由原子核（由带正电荷的质子和呈电中性的中子组成）和核外电子（带负电荷）构成。,电子运动的轨道由四个量子数决定：主量子数n（电子层）、轨道量子数l（电子亚壳层）、磁量子数m（轨道数）、自旋角动量量子数ms（自旋方向）。其中最重要的是主量子数n，是确定电子离核

3、远近和能级高低的主要参数。在同一壳层上的电子又根据轨道量子数l的不同,分成若干能量水平不同的亚壳层,习惯上用s、p、d、f表示,反映了轨道的形状,能量水平依次升高。磁量子数m 确定了轨道的空间取向，s、p、d、f依次有1、3、5、7种空间取向。自旋量子数ms表示在每个状态下可存在自旋方向相反的两个电子。s、p、d、f 可容纳最大电子数分别为2、6、10、14，各壳层能容纳的电子总数分别为2、8、18、32。即2n2,1.1 原子结构,一、原子的电子排列,1.1 原子结构一、原子的电子排列 核外电子的分布与四个量子数有关，且服从两个基本原理：1.Pauli不相容原理（Pauli principl

4、e）：一个原子中不可能存在四个量子数完全相同的两个电子。2.能量最低原理：电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低能量状态。,1.1 原子结构一、原子的电子排列 二、元素周期表及性能的周期性变化 元素的物理性质（熔点、线膨胀系数）、化学性质（电负性）及其原子半径都呈现周期性变化,价电子：,电负性：用来衡量原子吸引电子能力的参数。,根据量子力学，各个壳层的S态、P态中电子的充满程度对该壳层的能量水平起着重要作用。,1.2 原子间的结合键（interatomic bonding）按结合力强弱分为一次键和二次键两类一次键（primary interatomic bonds）:又称化学键或主价键，

5、键力由弱到强依次是：金属键离子键共价键二次键（secondary bonding）:又称物理键或次价键，主要有范德华键和氢键两种。,一、一次键（化学键、主价键）1.金属键（metallic bond）,特点：结合力较强，电子共有化,没有方向性和饱和性。金属晶体的特性：（1）良好的导电、导热性；（2）正的电阻温度系数；（3）不透明，具有金属光泽；（4）具有较高的强度和良好的塑性（5）金属之间的溶解性（固溶能力）,2.离子键（ionic bond）,特点：结合力较强，有饱和性，无方向性离子晶体的特性：（1）硬度、熔点高，强度大（2）脆性大（3）良好的绝缘体（4）典型离子晶体无色透明，如透明Al2O

6、3高温观察窗口,Cl与Na形成离子键,一种材料由两种原子组成，且一种是金属，另一种是非金属时容易形成离子键 的结合（如左图）。由NaCl离子键的形成可以归纳出离子键特点如下：1.金属原子放弃一个外层电子，非金属原子得到此电子使外层填满，结果双双变得稳定。2.金属原子失去电子带正电荷，非金属原子得到电子带负电荷，双双均成为离子。3.离子键的大小在离子周围各个方向上都是相同的，所以，它没有方向性,Cl和Na离子在引力和斥力作用下，相互保持r0 的距离，即F0，能量E为最小的位置。每一个Cl（或Na）离子与其近邻的Na（或Cl）离子均保持这种最低的能量关系，从而形成NaCl特有的晶体结构。许多陶瓷材

7、料主要是离子键结合。离子键的结合能比较高，所以陶瓷材料的熔点也较高。,图 Cl和Na离子保持r0 的距离 图 NaCl 晶体,3.共价键（covalent bond）,特点：结合极为牢固，有明显 的方向性和饱和性。共价晶体的特点：（1）结构稳定（2）熔点高（3）硬度高，脆性大（4）导电能力差,3.共价键（covalent bond）,特点：（1）结构稳定（2）熔点高（3）硬度高，脆性大（4）导电能力差,3.共价键（covalent bond）,二、二次键（物理键、次价键）靠原子之间的偶极吸引结合而成 1.范德华键,二、二次键（物理键、次价键）靠原子之间的偶极吸引结合而成 1.范德华键,特点：键

8、力低于一次键，没有方向性、饱和性,2.氢键,2.氢键,特点：（1）结合力比范德华键强（2）表达式：X-HY（3）有饱和性、方向性 对高分子材料重要,三.混合键,金属中也有共价键、离子键混和；陶瓷中离子键与共价键混合。可用下式确定AB中离子结合的相对值。离子结合（%）=例：MgO XMg=1.31,XO=3.44（电负性）代入 得 离子结合比例=68%（离子键结合）GaAs XGa=1.81,XAs=2.18.代入 得 离子结合比例=4%（共价键结合）,四、结合键的本质及原子间距,原子的结合能E0（binding energies）平衡距离下的作用能,相当于把两个原子完全分开所需的功结合能，又称

9、结合键能，其值越大，原子结合愈稳定，熔点亦越高。（见表1.1）,五、结合键与性能,大多数金属具有较高的密度:,1.物理性能,熔点：高低反映了材料的稳定性程度。,密度：与结合键类型有关。,较高的相对原子质量;金属键没有方向性和饱和性,达到密排结构.,陶瓷达不到密排结构,密度较低:,共价键有饱和性;离子键要满足正负离子间电荷平衡要求.,高分子材料密度最低:,二次键结合,分子链堆垛不紧密组成原子质量小.,导热、导电性：,五、结合键与性能,2.力学性能 弹性模量E（模型图1-9）强度 塑性,1.物理性能,三大类材料的结合键类型及性能特点,1.3 原子的排列方式 一、晶体与非晶体,金属及合金、绝大部分陶

10、瓷、少数高分子材料是晶体 多数高分子材料、玻璃及结构复杂材料是非晶体区别：原子（分子）是否规则排列 有无固定熔点 是否各向异性,晶体与非晶体的区别,1.3 原子的排列方式 一、晶体与非晶体,凝固与结晶（凝固过程视频）,结晶过程：形核与长大过程晶核：结晶时形成的很多核心（有序原子团）。晶粒：在晶体中，如果某一小区域内原子排列规律相同，位向一致，则该小区域为一个晶粒。晶界：晶粒与晶粒间的分界面。单晶体：仅由一个晶粒组成的晶体，如金刚石。多晶体：很多晶粒组成。,1.3 原子的排列方式 一、晶体与非晶体,凝固与结晶,1.3 原子的排列方式 一、晶体与非晶体,凝固与结晶,1.3 原子的排列方式 一、晶体

11、与非晶体,凝固与结晶,钢锭中的树枝状晶体,凝固与结晶,Ni-Ta-Mn-Cr合金的树枝状界面,1.3 原子的排列方式 一、晶体与非晶体,二、原子排列的研究方法,一、组织的显示与观察金相试样的制备：取样-磨制-抛光-腐蚀-观察1.组织：各种晶粒的组合特征，即晶粒的相对量、大 小、形状及分布特征等。宏观组织：用肉眼或放大镜观察到的组织。显微组织：光学显微镜或电子显微镜下观察到的内部 组织（又称金相组织）。易随成分及加工工艺而变化。是影响材料性能非常敏感而重要的结构因素。,1.4 晶体材料的组织,2.合金：指两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼、烧结或用其它方法组合而成的具有金属特性的物质。如：

12、铜镍合金、碳钢、合金钢、铸铁,组元：组成合金的最基本的、独立的物质。Cu-Ni合金，Fe-FeS合金 二元合金：Fe-C二元系合金 三元合金：Fe-C-Cr三元系合金 多元合金,3.相：合金中结构相同、成分和性能均一、并以界 面相互分开的均匀组成部分。单相合金：单相不锈钢（A）、单相黄铜 双相合金：双相不锈钢（A+F）、双相黄铜 单相组织：具有单一相的组织。纯铁、纯铝 多相组织：具有两种或两种以上的相的组织。,1Cr18Ni9Ti 王水浸蚀，800 1050固溶处理，基体为奥氏体，部分晶粒呈孪晶,二、单相组织 描述单相组织的特征：晶粒尺寸及形状晶粒尺寸：对材料的性能有重要影响。尺寸越小，强度越

13、高，塑性、韧性越好 细晶强化强化材料的四种途径：固溶强化、弥散强化、加工硬化、细晶强化。晶粒形状：等轴晶、柱状晶（图1-16,P254图6-26）如：定向凝固晶粒形状除与凝固条件有关外，也会随压力加工工艺而变化。板材冷轧，丝材冷拔,1.4 晶体材料的组织,1.4 晶体材料的组织,轧态与铸态组织的比较,单向凝固技术是根据凝固理论，通过控制散热方向和温度梯度，使凝固从铸件的一端开始，沿陡峭的温度梯度方向逐步进行，从而获得具有方向性的柱状晶或自生复合材料（如共晶合金等）的一种凝固技术。制取单晶体的基本原理：保证液体结晶时只形成一个晶核，并由这个晶核长成一个单晶体。下图 为普通铸造叶片（a）、单向凝固

14、生产的叶片（b）和单晶叶片（c）。单晶叶片的高温性能最好，单向凝固叶片次之。,（a）功率降低法生产的叶片组织（b）普通精铸法生产的叶片组织,三种方法生产的飞机发动机叶片,1.4 晶体材料的组织,锻压、轧制等方法,八级标准晶粒图,三、多相组织 以两相合金组织说明多相组织对材料性能的影响。若两相晶粒尺度相当,且为等轴状，均匀交替分布 则:若两相晶粒尺度相差甚远，尺寸较小的相以球状、点状、片状、针状弥散分布于另一相晶粒基体内，且弥散相硬度明显高于基体相 弥散强化第二相在基体相的晶界上分布若第二相不连续，对性能影响不大若第二相连续分布于晶界，对性能影响较大,1.4 晶体材料的组织,GCr15锻造后的网

15、状碳化物,材料是有结构的，结构是分层次的，材料的结构决定材料的性能；材料的结构是可以改变的，成分、工艺等条件可以通过改变材料的结构而改变其性能，从而展现出工程材料的各种特征来。,材料的结构包含四个层次:原子结构、原子结合键、材料中原子的排列、晶体材料的显微组织,同一材料,在不同的条件下,可得到不同的结构.稳态结构（平衡态结构）能量最低 亚稳态结构能量相对较高 材料的最终结构必须综合考虑：1.热力学条件（能量降低的方向，转变过程的推动力）2.动力学条件（反应速度，转变过程的阻力）亚稳态结构可以向稳态结构转变；常温下可保持相对稳定，甚至长期存在。最终结构还取决于外部条件如：温度、压力冷却速度等。,1.5 材料的稳态与亚稳态结构,相关概念和术语1、金属键、离子键、共价键、范德华键、氢键2、晶体、非晶体3、组织、相4、稳态、亚稳态基本问题1、三大类材料中存在的结合键类型及其对材料物性、力性的影