第1章_工程材料的分类与键合方式

第1章工程材料的分类与键合方式 学习要点 1 1工程材料的分类1 2材料的键合方式1 3金属的晶体结构1 4合金的相结构 学习要点 1 1工程材料的分类1 2材料的键合方式1 3金属的晶体结构1 4合金的相结构 第1章工程材料的分类与键合方式 1 1工程材料的分类 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 1 1金属材料金属材料是以金属键结合为主的材料 具有良好的导电性 导热性 延展性和金属光泽 金属材料分为黑色金属和有色金属两类 金属材料 有色金属有许多优良的物理 化学 低温 断裂等性能 已成为现代工业中非常重要的材料 主要包括铝及铝合金 镁及镁合金 锌及锌合金 铜及铜合金 钛及钛合金 以及镍 铌 钽 贵金属材料 金 银 铂 等 1 1工程材料的分类 1 1 2 陶瓷材料 第1章工程材料的分类与键合方式 陶瓷材料属于无机非金属材料 是以共价键和离子键结合为主的材料 其性能特点是熔点高 硬度高 耐腐蚀 脆性大 陶瓷材料分为传统陶瓷 普通陶瓷 特种陶瓷 精细陶瓷 和金属陶瓷三类 世博意大利馆透明混凝土 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 1 3高分子材料 高分子材料为有机合成材料 亦称聚合物 是以分子键和共价键结合为主的材料 高分子材料具有塑性 耐蚀性 电绝缘性 减振性好及密度小等优良性能 工程上使用的高分子材料主要包括塑料 橡胶及合成纤维等 1 1 4复合材料 复合材料是把两种或两种以上不同性质或不同结构的材料以微观或宏观的形式组合在一起而形成的材料 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 复合材料分为金属基复合材料 陶瓷基复合材料和聚合物基复合材料 不同的材料具有不同的性能 它们所表现的性能差异 是由其内部原子的结合方式和排列结构所决定的 作为工程技术人员 要了解机械工程材料的性能并合理使用材料 要掌握其性能特点 就必须从本质上了解它们的内部结构及其在外界条件 如加热 冷却等 影响下的基本变化规律 以碳的两种自然形态 石墨与金刚石 说明键合方式的差异如何直接反映到材料的性质上来 金刚石是纯共价键晶体 有极高硬度 对电 热的绝缘性很好 具有三维立体结构 石墨同是纯碳元素的固态形式 却具有层状结构 为六方排列的层 或片 每一层内的每一个碳原于以3个电子与邻近的3个碳原子以共价留结合 另一个价电子则为该层内所有碳原子所共有 形成全属键 层与层之间则以范德华力相互作用 因此 石墨的碳原子层具有非定域电子 电子在层内是容易移动的 然而层间却不易 石墨具有一定的金属性质 当然石墨的导电性是沿层间进行的 具有明显各向异性 由于键合方式的不同带来它们力学性能的巨大差异 金刚石可作刀具材料 石墨可用作润滑材料 1 2材料的键合方式 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 工程材料通常是固态材料 是由各种原子通过原子 离子或分子结合的特定组合而成的 原子 离子或分子之间的结合力称为结合键 根据结合力的强弱 可以把结合键分为强键 离子键 共价键及金属键 和弱键 分子键 两类 C60 1 金属键 周期表中I 族元素的原子很容易丢失其价电子而成为正离子 被丢失的价电子为全体原子所公有 这些公有化的电子叫做自由电子 它们在正离子之间自由运动 形成所谓电子气 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 正离子和电子气之间产生强烈的静电吸引力 使全部离子结合起来 这种结合力就叫做金属键 金属由金属键结合 具有下列特性 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 良好的导电性和导热性 正的电阻温度系数 即随温度升高电阻增大 金属不透明并呈现特有的金属光泽 金属具有良好的塑性变形能力 金属材料的强韧性好 2 离子键 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 当元素周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子相接近时 正电性原子失去外层电子变为正离子 负电性原子获得电子变为负离子 正负离子通过静电引力互相吸引 当离子间的引力与斥力相等时就形成稳定的离子键 离子键结合的材料强度高 硬度高 熔点高 脆性大 都是良好的绝缘体 无色透明 3 共价键 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 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近时 价电子不会转移 原子间借共用电子对所产生的力而结合 形成共价键 通过共价键结合的材料同样具有强度高 熔点高 脆性大的特点 其导电性依共价键的强弱不同 4 分子键 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 分子键又叫范德瓦尔斯键 是最弱的一种结合键 它是靠原子各自内部电子分布不均匀产生较弱的静电引力 由这种分子力结合起来的键叫做分子键 由于结合力很弱 因而由分子键结合的固体材料的熔点和硬度都比较低 因无电子存在 都是良好的绝缘材料 1 3金属的晶体结构 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 1 3 1 晶体与非晶体晶体是指原子呈规则排列的固体 常态下金属主要以晶体形式存在 晶体具有各向异性 非晶体是指原子呈无序排列的固体 在一定条件下晶体和非晶体可互相转化 1 3 2 晶格与晶胞 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 图1 1晶格与晶胞 晶胞 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 晶格中能代表晶体原子排列规律的最小几何单元称为晶胞 晶胞在三维空间中重复排列便可构成晶格和晶体 晶格尺寸 晶格常数 a b c 1 3 3 晶面和晶向表示法 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 晶面 晶体中各方位上的原子面称晶面 晶向 各方向上的原子列称晶向 晶面指数 表示晶面的符号称晶面指数 晶向指数 表示晶向的符号称晶向指数 1 晶面指数 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 图1 2常见晶面指数的确定示意图 2 晶向指数 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 图1 3常见晶向指数的确定示意图 晶面族与晶向族 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 hkl 与 uvw 分别表示的是一组平行的晶向和晶面 指数虽然不同 但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族 分别用 hkl 和表示 立方晶系常见的晶面为 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 立方晶系常见的晶向为 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 1 3 4三种常见的金属晶格类型 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 原子半径 晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半 晶胞原子数 一个晶胞内所包含的原子数目 配位数 晶格中与任一原子距离最近且相等的原子数目 致密度 晶胞中原子本身所占的体积百分数 1 体心立方晶格 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 图1 4体心立方晶格的晶胞示意图 体心立方晶格 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 晶格常数 a a b c 原子个数 2配位数 8致密度 0 68常见金属 Fe Cr W Mo V Nb等 2 面心立方晶格 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 图1 5面心立方晶格的晶胞示意图 面心立方晶格 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 原子个数 4配位数 12致密度 0 74常见金属 Fe Ni Al Cu Pb Au等 晶格常数 a 3 密排六方晶格 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 图1 6密排六方晶格的晶胞示意图 密排六方晶格 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 原子个数 6配位数 12致密度 0 74常见金属 Mg Zn Be Cd等 晶格常数 底面边长a和高c c a 1 633 锌合金水龙头 镁合金滚梯踏板 1 3 5合金的晶体结构 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 合金是由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素通过冶炼等方法结合而成的具有金属特性的物质 所谓相是指金属或合金中凡成分相同 结构相同 并与其它部分有界面分开的均匀组成部分 固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类 1 固溶体 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体 用 表示 与固溶体晶体结构相同的元素称溶剂 其它元素称溶质 固溶体是合金的重要组成相 实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为基的合金 按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体 1 间隙固溶体 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 溶质元素原子处于溶剂元素原子组成的晶格空隙位置所形成的固溶体 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H B C O N等 1 置换固溶体 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 溶质元素原子取代了溶剂元素原子组成的晶格中某些位置上的溶剂元素原子所形成的固溶体 形成置换固溶体的溶质元素原子都是些大原子半径的金属原子 例如Cr Ni Mn Si等 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 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 使之塑性变形抗力增大 与纯金属相比 固溶体的强度 硬度高 塑性 韧性低 但与金属化合物相比 其硬度要低得多 而塑性和韧性则要高得多 固溶体的性能 固溶强化是提高金属材料力学性能的重要途径之一 2 金属化合物 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 金属化合物是指合金中其晶格类型与组成化合物的各组元晶格类型完全不同的固相 并具有明显金属特性 其性能特点是熔点高 硬而脆 当金属化合物以细小颗粒均匀分布在固溶体基体上时 将使合金的强度 硬度 耐磨性明显提高 这一现象称为 弥散强化 金属化合物是合金中重要的强化相 其在合金中的数量 大小 形态及分布状况对合金的性能影响很大 1 3 6实际金属中的晶体缺陷 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 单晶体 其内部晶格方位完全一致的晶体 单晶体具有各向异性 有较高的强度 抗蚀性 导电性 单晶体与多晶体 多晶体 是由许多彼此位向不同 外形不规则的晶粒组成的 其在各个方向上的性能大致相同 称为伪各向同性 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 在实际金属晶体中 由于结晶条件或加工等方面的影响 使原子的排列规则受到破坏 因而晶体内部存在大量的晶格缺陷 根据晶格缺陷的几何形状特点 可分为三类 点缺陷 线缺陷 面缺陷 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 点缺陷是指在三维尺度上都很小的 不超过几个原子直径的缺陷 如空位 间隙原子 置换原子等 1 点缺陷 图1 9点缺陷示意图 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 点缺陷的存在 破坏了原子的平衡状态 使晶格发生扭曲 称为晶格畸变 从而引起性能变化 使金属的电阻率增加 强度 硬度升高 塑性 韧性下降 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 1 线缺陷 线缺陷指二维尺寸很小而三维尺寸很大的缺陷 就是晶体中的位错 当晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体沿某一晶面发生局部滑移时 滑移面上滑移区与未滑移区的交界线称为位错 常见的有刃型位错和螺型位错两种 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 刃型位错 假设在一个完整晶体的上半部插入一多余的半原子面 它终止于晶体内部 好像切入的刀刃一样 这个多余的半原子面的刃边就是刃型位错 多余半原子面在滑移面上方的称为正刃型位错 用符号 表示多余半原子面在滑移面下方的称为负刃型位错 用符号 表示 图1 10刃型位错示意图 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 图1 11位错密度对金属强度的 位错密度 单位体积内所包含的位错线总长度 L V cm cm3或1 cm2 退火金属的位错密度为1010 1012 m2位错对性能的影响 金属的塑性变形主要由位错运动引起 因此阻碍位错运动是强化金属的主要途径 减少或增加位错密度都可以提高金属的屈服强度 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 1 面缺陷 晶界与亚晶界 是指二维尺度很大而第三维尺度很小的缺陷 1 晶界晶粒与晶粒之间的接触界面叫做晶界 其晶界宽度为5 10个原子间距 晶界在空中呈网状 图1 12晶界的示意图 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 晶界的特点 原子排列不规则 熔点低 耐蚀性差 易产生内吸附 外来原子易在晶界偏聚 阻碍位错运动 是强化部位 因而实际使用的金属力求获得细晶粒 是相变的优先形核部位 显微组织的显示 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 2 亚晶界亚晶粒之间的边界叫亚晶界 亚晶界是位错规则排列的结构 例如 亚晶界可由位错垂直排列成位错墙而构成 亚晶界是晶粒内的一种面缺陷 图1 13亚晶界 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 1 4合金的相结构 1 4合金的相结构 合金是通过熔炼 烧结或其他方法 将一种金属元素同一种或几种其他元素结合在一起所形成的具有金属特性的新物质 组成合金的最基本的物质称为组元 通常是指组成该合金的元素或某些化合物 根据合金组元数目的多少 把合金分为二元合金 三元合金和多元合金 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 1 4合金的相结构 1 合金中的相 在金属或合金中 凡成份相同 结构相同并与其他部分有界面分开的均匀组成部分 称之为相 金属材料可以是单相的 也可以由多相组成 显微组织实质上是指在显微镜下观察到的各相晶粒的形态 数量 大小和分布的组合 不同的显微组织导致合金具有不同的性质 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 1 4合金的相结构 2 固溶体及金属化合物 固态合金中的相 按其晶格结构的特点不同 可以分为固溶体和金属化合物两大类 二者的区别为 固溶体的晶格结构与合金的某一组成元素的晶格结构相同 金属化合物的晶格结构与合金的各组成元素的晶格结构均不相同 1 1工程材料的分类 第1章工程材料的分类与键合方式 1 2材料的键合方式 1 3金属的晶体结构 1 4合金的相结构 1 金属化合物的分类 1 正常价化合物 符合正常原子价规律的化合物 成分固定 可用确定的化学式表示 如