02 材料的结构-

第2章材料的结构,物质由原子组成，原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能；在凝聚态(液态和固态)下，原子间距离十分接近，组成物质的原子、分子或离子间的相互作用力叫化学键；原子、分子、离子的具体组合状态称为结构。,2.1材料的结合方式,化学键类型,离子键ionicbond,NaCl晶体结构,离子键是由正负电荷的相互吸引造成的。在带不同电荷的相邻离子间靠静电引力就形成了键。离子键的特点是与正离子相邻的是负离子，与负离子相邻的是正离子，如NaCl晶体；离子晶体具有较高的熔点，脆性材料，导电性差。,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。共价键使原子间有很强的吸引力；结合力很大，硬度高，强度大，脆性大，熔点高，沸点高，挥发性低，如金刚石、SiC、BN等。,共价键covalentbond,Si形成的四面体结构,化学键类型,金属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；有良好的导电性和导热性，正的电阻温度系数，不透明，有特有的金属光泽，有良好的塑性变形能力，强韧性好。,金属键metallicbond,化学键类型,分子键又叫范德瓦尔键，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，称为范德瓦尔力，由这种分子力结合起来的键叫做分子键；,分子键(范德瓦尔键)molecularbond,化学键类型,晶体与非晶体,结构上：长程有序，短程有序；性能上：有无固定熔点；各项同性/异性。,晶体：当原子(或分子)按一定的几何规律作周期性排列而形成的聚集状态；,非晶体：当原子(或分子)为无规则地堆积在一起形成的一种无序的聚集状态；,晶体,非晶体,2.2金属的晶体结构,刚球模型；空间点阵；阵点/结点；晶格；,1.晶体的基本概念,晶格：将空间点阵用一系列相互平行的直线连接起来形成的空间格架。,a，b，c晶格常数,晶胞：是组成晶格的最基本的几何单元。,7种晶系、14中布拉菲点阵各异的晶体可归类于不同的晶体系统：三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方、立方；1848年布拉菲(A.Bravais)用数学分析法证明了晶体中的空间点阵只有14种。,2.常见金属的晶格类型,体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格,体心立方晶格-BCC(bodycenteredcubic),a=b=c，a，=90晶胞原子数：1+1/88=2原子半径：r=a/4致密度：K=nv/V=2(4/3r3)/a3=68%配位数：8-Fe、Cr、Mo,面心立方晶格-FCC(facecenteredcubic),a=b=c,a,=90晶胞原子数：1/88+1/26=4原子半径：r=a/4致密度：K=nv/V=4(4/3r3)/a3=74%配位数：12-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au,密排六方晶格-HCP(Hexagonalclose-packed),底边长a，底面间距c晶格常数：c/a=1.633晶胞原子数：1/612+1/22+3=6原子半径：1/2a致密度：74%配位数：12Mg、Zn、Be、Cd,3晶面与晶向,晶向-晶体中各个方向上的原子列；,晶面-晶体中各个方位上的原子面；,X,Y,a,b,c,各向异性,不同晶面和晶向上原子密度不同引起性能不同的现象，区别于非晶体的最重要的标志。,X,Y,Z,4.单晶体与多晶体,晶体内部晶格位向完全一致单晶体；在工业材料中，很小的一块金属，也包含着许许多多的小晶体；每个小晶体的位向是不同的晶粒；晶粒与晶粒之间的界面晶界；多晶粒组成的晶体结构多晶体。硅、Al2O3。,5.晶体缺陷,实际晶体中原子规则排列遭到破坏而偏离理想结构的区域晶体缺陷；,点缺陷、线缺陷、面缺陷。,点缺陷,空位；间隙原子；置换原子;晶格畸变空位、间隙原子以及置换原子破坏了原子的平衡状态使晶格发生扭曲；性能变化电阻增大，密度减小，强度和硬度提高，塑性和韧性下降。,线缺陷,晶体中的线缺陷是各种类型的位错；位错：晶体中的一列或数列原子发生有规律的错排现象；刃型位错，螺型位错。,刃型位错,当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错,螺型位错,电子显微镜下的位错,透射电镜下钛合金中的位错线(黑线),高分辨率电镜下的刃位错（白点为原子）,位错密度及加工硬化,晶体中位错的数量通常用位错密度表示，位错密度是指单位体积内，位错线的总长度，=S/V(cm/cm3),位错的存在以及位错密度的变化，对金属的性能如强度、塑性、疲劳等都起着重要影响。如金属材料的塑性变形与位错的移动有关。冷变形加工后金属出现了强度提高的现象（加工硬化），就是由于位错密度的增加所致。,面缺陷晶界和亚晶界,晶界是不同位向晶粒的过度部位，交界面，宽度为5-10个原子间距，位向差一般为20-40；,亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶界，亚晶界也可看作位错壁。,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细晶强化；是相变的优先形核部位。,显微组织的显示,2.3合金的结构与相结构,组元：组成材料最基本的、独立的物质称为组元，或简称元，可以是纯元素，也可以是化合物；多组元组成的金属材料称为合金，通过熔炼、烧结或其它方法，将两种或两种以上的金属或金属与非金属元素结合在一起所形成的具有金属特性的物质；,合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相分开的、均匀的组成部分相；固态合金中的相固溶体和金属间化合物；如铁碳合金室温下有两个相，铁素体-ferrite碳在体心立方晶格-Fe中所形成的固溶体，渗碳体-cementite铁和碳的化合物Fe3C；组织：是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形态、尺寸、分布及各相之间的组合状态。,固溶体&金属间化合物,固溶体合金中某一组元为溶剂，在其晶格中溶入其它组元原子(溶质)后形成的一种合金相，仍保持溶剂的晶格类型；分为间隙固溶体和置换固溶体；,通过溶入某种溶质元素形成固溶体，而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化；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。,固溶体&金属间化合物,合金中其晶体