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1、1,机械工程材料,Mechanical Engineering Materials,2,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,3,1.1 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
2、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,以W为例:-W：稳定晶型,体心立方,a=(0.316254 0.000004)nm(25);-W：亚稳晶型,立方A15晶格,加热至600700时转变为-W,a=0.503
3、70.509nm；-W：面心立方,仅发现在溅射最初期的薄层和无定形钨中,a=0.423 nm,700时转变为-W.,7,1.1.3 常见金属晶体结构的特征,（1）晶胞中的原子数,面心立方晶格,密排六方晶格,体心立方晶格,8,1.1.3 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,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：8,1.1.3 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
4、密度亦大。,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,1.1.3 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
5、各向异性,14,1.1.5 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
6、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,18,1.2.1 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
7、 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,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
8、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。,23,24,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
9、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。,25,26,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
10、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。,27,28,正常价化合物符合正常原子价规律。如Mg2Si。电子化合物符合电子浓度规律。如Cu3Sn
11、。电子浓度为价电子数与原子数的比值。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。,29,1.3.1 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
12、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
13、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
14、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。,36,1.3.2 陶瓷
15、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。,37,1.3.2 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
16、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。,38,1.4.1 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
17、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T0与实际结晶温度Tn之差称为过冷度，即T=T0-Tn。只有当驱动力达到一定程度时，液态金属才能开始结晶。可见结晶的必要充分条件是液态金属具有一定的过冷度。,1.4.2 结晶概述,40,液态物质凝固成固态时，凝固的产物并非都是晶 体，也可能是非晶体。凝固时形成晶体还是非晶体，主要取决于熔融液体的黏度和凝固的速度。冷却速度是影响凝固过程的最主要外部因素从能量观点看，若熔体在凝固时能完全释放内能，它将转变成晶体；若部分释放内能，则转化成非晶体。所以，非晶体是处于亚稳定状态的物质。,1.4.2 结晶
18、概述,41,金属的结晶都要经历晶核的形成和晶核的长大两个过程。（1）晶核的形成：在过冷液体中形成固态晶核，有两种形核方式：一种是均匀形核，又称为均质形核；另一种称为非均匀形核，又称为异质形核（也称杂质形核）。,1.5 金属的结晶,42,均质形核是纯净的过冷液态金属依靠自身原子的规则排列形成晶核的过程。它形成的具体过程是液态金属过冷到某一温度时，其内部尺寸较大的近程有序原子集团达到某一临界尺寸后成为晶核。异质形核是液态金属原子，依附于模壁或液相中未熔固相质点表面，优先形成晶核的过程。由形核的讨论可知过冷是结晶的必要条件，但过冷后还需通过能量起伏和结构起伏，使近程有序的原子集团达到某一临界尺寸后才
19、能形成晶核。,43,（2）晶核的长大 一旦晶核形成，晶核就继续长大而形成晶粒。晶体的长大过程可以看作是液相中的原子向晶核表面迁移、液固相界面向液相不断推进的过程。晶体的生长有2种常见的形态。一种是平面状态生长；另一种是树枝状态生长。,44,通常把实际结晶温度低于理论结晶温度的现象称为过冷现象，理论结晶温度与实际结晶温度的差称为过冷度。只有当温度降到T0以下某一温度T1时，固态原子的自由能低于保持液态原子的自由能低，结晶才能有效进行。,1.5.1 金属的冷却曲线,45,结晶后的晶粒大小及其控制金属结晶后，获得由大量晶粒组成的多晶体。晶粒的大小可用晶粒度来表示，晶粒的大小是形核率N和长大速度的函数
20、，影响形核率和长大速度的重要因素是冷却速度和难熔杂质。,1.5.2 结晶后的晶粒大小及其控制,46,晶粒大小对金属的机械性能有很大的影响，在常温下，金属的晶粒度越细小，强度和硬度则越高，同时塑性韧性也越好。通常把通过细化晶粒来提高材料性能的方法称为细晶强化。细化晶粒的方法主要有如下几种：（1）增大过冷度（2）变质处理（3）振动和搅拌,47,金属铸锭的组织特点：（1）表层细晶区；（2）柱状晶区；（3）中心等轴晶区。,1.5.3 金属铸锭的结晶组织,48,金属晶体的同素异构 金属的晶格因温度改变而发生晶格类型变化的现象称为同素异构转变。金属的同素异构转变是原子重新排列的过程，与液态金属的结晶过程相
21、似，故称为二次结晶或重结晶。,1.6 材料的同素异构现象,49,有机高分子的同分异构 化学上具有同一种相同化学式，同样的化学键但原子排列不同的现象，称为同分异构现象；有机物中的同分异构体有旋光异构、几何异构和键接异构三种。,无机非金属晶体的同素异构 无机非金属的同素异构又称为同质异构，是指同一种化学成分而具有不同的晶体结构的现象。相同成分的物质，常常可能有一种以上的原子排列。成分相同而结构不同的物质称为异构体。结构不同会使材料的性能不同。,50,有机高分子的旋光异构,正四面体的中心原子（如C、Si、P、N）上四个取代基或原子如果是不对称的，则可能产生异构体，常称为旋光异构。,51,有机高分子的
22、旋光异构,由旋光异构体的中心原子链接而成的高分子就有三种键接方式。以CC链为例，若取代基全部处于主链一侧时，称为全同立构；当取代基交替位于主链两侧时称为间同立构；当取代基在主链两侧作不规则分布时，则称为无规立构。,52,有机高分子的几何异构,组成双键的两个碳原子同时被两个不同原子或基团取代时，由于内双键上的基团在双键两侧排列方式不同而形成顺式和反式构型之分，称为几何异构。不同的制备方法或不同催化体系得到不同的几何异构体，对该聚合物的性能起决定性作用。,53,有机高分子的键接异构,键接异构是指结构单元在高分子中的连接方式，有头头键接、头尾键接、尾尾键接三种方式。单体单元的键合方式不同，对聚合物的性能特别是化学性能有很大的影响。例如，用作合成纤维的聚合物，一般都要求分子链中单体单元排列规整，以提高聚合物的结晶性能。,
