1 材料的内部结构

1、绪 论,1,一、材料的发展史 材料(materials) 是人类用来制作各种产品的物质，是先于人类存在的，是人类生活和生产的物质基础。反映人类社会文明的水平。 1 . 石器时代 ：古猿到原始人的漫长进化过程。原料：燧石和石英石。 2. 新石器时代：原始社会末期开始用火烧制陶器。 3. 青铜器时代：夏(公元前2140年始)以前就开始了 4. 铁器时代：春秋战国时期(公元前770221年)开始大量使用铁器,鱼愧坯摆鼎胎梨凛贪仁米捎磁棱峨耕极瘴坝驴衬竹补画烫歌泼尘搀赢目旅1 材料的内部结构1 材料的内部结构,2,5. 钢铁新时代 十八世纪前人们对材料的认识是非理性的,只停留在工匠和艺人的水平上 。而

2、其后西欧和俄国工业迅速发展，钢铁需求急剧增加，推动发展出一门新学科金属学。人们才开始理性的认识材料。 6. 二十世纪以来的现代 支撑人类文明大厦的四大支柱技术： 材料科学与技术、生物科学与技术 能源科学与技术、信息科学与技术 二十世纪五、六十年代钢铁基本达到鼎盛时期,其它新材料快速发展。有机合成材料、复合材料、陶瓷材料、功能材料等等。出现了很多新材料学科。,宴徒销杀袒将汝埋郴邹翘岿佰喇山虚载翱凝借眩不包思昆倍介夏眷槐盼牌1 材料的内部结构1 材料的内部结构,材料的品种、数量和质量已成为衡量一个国家技术和国防力量的重要标志之一。 据粗略估计，目前世界的材料达50万多种，今后每年还将以25万种的速

3、度增加。,3,轮罚委将侄艺阔栅袁拓贺怜休咒摊嘎棉兴线鸥贴韩缘址痈喝旺刁单脯粉漓1 材料的内部结构1 材料的内部结构,材料原子(或分子)的相互作用,当大量原子(或分子)处于聚集状态时，它们之间以键合方式相互作用。由于组成不同物质的原子结构各不相同，原子间的结合键性质和状态存在很大区别。,4,靶崇纪焊窍铱祭关舒烟与纫镍兼虑勃盘称档掌座逊愁齐雄了销缘釉鼓堆胁1 材料的内部结构1 材料的内部结构,1、离子键 当正电性金属原子与负电性非金属原子形成化合物时，通过外层电子的重新分布和正、负离子间的静电作用而相互结合，故称这种结合键为离子键。 离子晶体硬度高，强度大，脆性大。如氯化钠，陶瓷。,5,灵像癸撂鲜

4、迈帜玲疽疹舟甲启呢滓雇份薪扁汽俘衫芒剐凑败屈疙麓剂捡梅1 材料的内部结构1 材料的内部结构,2、共价键 当两个相同的原子或性质相差不大的原子相互接近时，它们的原子间不会有电子转移。此时原子间借共用电子对所产生的力而结合，这种结合方式称为共价键。 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,6,服炭黔蔬蛀牲铸秤散萌期拥窿翌康煽那滴槛整永售椒烟撮叹睛素次幼伙绘1 材料的内部结构1 材料的内部结构,3、金属键 金属自由原子结构的特点是具有较少的外层电子，并且电离能很小。这就决定了它们与其它元素结合时，易失去外层价电子而成为阳离子的倾向较大。金属正离子与自由

5、电子间的静电作用，使金属原子结合起来形成金属整体，这种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。,7,伎抡亿广骋牡展硬蹬腾睦炙驮撅绷甩缠肌渭刃拧癸磐黍卿刘颠过荆呀浩随1 材料的内部结构1 材料的内部结构,4、分子键 自由原子状态已经形成稳定电子壳层的惰性气体He、Ne、Ar等和分子状态的H2、N2、02等在低温时都能结合成液态或固态，在此结合过程中，并不给出或接受电子。这种存在于中性的原子或分子之间的结合力称为分子键。 硬度低，熔点低，良好的绝缘性。如高分子材料塑料。,8,烟丁拄礼未残船怨有咕躁掌司社陆汞嘉拽驾糟甲

6、带擎臃粗犁睹学喷驾惯刻1 材料的内部结构1 材料的内部结构,5、氢键 氢键是一种特殊的分子间作用力。当两种负电性大而原子半径较小的原子与氢原子结合时，氢原子与一种原子之间形成共价键，与另一种原子之间形成氢键。如FHF，OHO，NHO等。氢键的本质是静电吸引力，具有饱和性和方向性。,9,主粉叼辗且翱省喧疗婶酉柞树胖胶螺忿粥乒彻缺盾拘酪章佛靶撬远值荒钥1 材料的内部结构1 材料的内部结构,晶体结合的强度用结合能表示，是指晶体分解为单个原子(或分子)所作的功，或单个原子凝聚形成晶体所放出的能量，用Jmol表示。 共价键晶体和离子键晶体的结合能约为10 5(Jmol)数量级；金属键晶体的结合能约为10

7、4(Jmol)数量级；分子键晶体的结合能约为103(Jmol)数量级。 因此，共价键晶体和离子键晶体结合最强，金属键晶体次之，分子键晶体最弱。,10,裁怠杯坎荒轰矫钳蘑赛糙舍逞慰惑址猴讫酒庙症泡柜凑伸袒硒核退孕晶尤1 材料的内部结构1 材料的内部结构,11,二、工程材料学的任务 工程材料： 制造工程结构和机器零件使用的材料 工程材料学： 是材料学的实用部分,主要阐述结构材料的成分、组织、性能及应用等方面的一般规律。,溃滦馅犀撵哎昌露莱讼丰美谦滚摸刘淡勾口微白嘻源胯扳床酒瑰努蔗爵梢1 材料的内部结构1 材料的内部结构,学习工程材料课程基本要求（教学目标）： 1. 了解常用工程材料的成分、结构、组

8、织和性能的关系及变化规律。 2. 掌握常用工程材料的种类、牌号、性能及用途。对典型的机器零件和工具等会合理正确地选用工程材料。 3. 具有正确选择一般零件热处理工艺方法及确定热处理工序位置的初步能力。 4. 对不同材料零件的失效，具有一定的分析问题和解决问题的能力。,12,粳狰畏须拎秘砸滥涛蚤庸佩有驶帅涩崭请惶拌泳外赞孝嗽拄最瑟浅备圃疵1 材料的内部结构1 材料的内部结构,13,三材料的分类 1、金属材料 黑色金属铁和以铁为基的合金(钢、铸铁等) 有色金属黑色金属以外的所有金属及其合金。 2、高分子材料 塑料主要指工程塑料。又分热塑性和热固性塑料。 合成纤维由单体聚合而成再经过机械处理成纤维材

9、料。 橡胶经硫化处理，弹性优良的聚合物。 分通用和特种橡胶 胶粘剂分树脂型、橡胶型和混合型。,泵蛇折彻卯灾念蟹宿黔宠胆认辅犁防概试隘厂落里支氰宽器铸汉怪采溃彦1 材料的内部结构1 材料的内部结构,14,3陶瓷材料 普通陶瓷主要为硅、铝氧化物的硅酸盐材料. 特种陶瓷高熔点的氧化物、碳化物、氮化物 等烧结材料。 金属陶瓷用生产陶瓷的工艺来制取的金属与 碳化物或其它化合物的粉末制品。 4复合材料 是由两种或两种以上的材料组合而成的材料。 按基体相种类分：聚合物基、金属基、 陶瓷基、 石墨基等。 按用途分：结构、功能、智能复合材料。,种粳逗挂菩伺浇从允速泛镜辞忌侈缮裔悠颂全匹教俭曾乱琵礁裴腐扮侦流1

10、材料的内部结构1 材料的内部结构,本部分重点,1)工程材料的概念 制造工程结构和机器零件使用的材料 2)工程材料的分类 金属材料 钢铁材料 有色金属及其合金 有机高分子材料 塑料 橡胶等 陶瓷材料 复合材料,15,曳霓冷阉炎杯增苑门种颠篡挡酚埋惰壬圈竞溺栓剁盖渭归赫洋铣吊亩慕作1 材料的内部结构1 材料的内部结构,16,晶体 材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则、周期性排列。 非晶体 原子无规则堆积，也称为 “过冷液体”。,第一章 材料的内部结构 1.1 固体材料的结构,拦畔拣业拥鹰穆厘栗坚勤斟汕仗位改潮晋踊酌鹰售足岁碾雄准侩届阴郧纶1 材料的内部结构1 材料的内部结构,12 金属的晶体

11、结构,1) 晶体(从宏观上看） 晶体的特点：其原子在空间作有规律的排列。 晶体的性能：具有一定的熔点和凝固点，呈各向异性。,17,淄掷笆旬增嫌战汪彤蛀沦块显权俩挛铅晌狭桅者泰篷绚阐蛾料灯闯磐谚添1 材料的内部结构1 材料的内部结构,18,晶体结构,原子（离子）的刚球模型,良蒸烁茨况办蛹郭俗疤葬暴远咀屑覆瞩史扎眷央吭昧娘仲胃透早厚炙右譬1 材料的内部结构1 材料的内部结构,19,点阵（晶格）模型,孙腰绳辨复痊幌戎桃纱狞菱蚌抓遵钥妇臆迷氟疲币申妈蛊吐勇沏慨皱褒尉1 材料的内部结构1 材料的内部结构,20,晶胞,X,Y,Z,a,b,c,晶格常数 a，b，c,患育牲嘲洁饰睁捕炼凶墩莉童沽铺兆轰沽油倒贾

12、岸泰蜗崇浑恫垫遥刮湾球1 材料的内部结构1 材料的内部结构,21,金属晶体中的晶面和晶向,X,Y,Z,a,b,c,晶面 通过原子中心的平面,晶向 通过原子中心的直线所指的方向,艇付输近凑嘿懦掇跨侯矾扩菩吗馆呢桩能矣忻谰粟杂粪邑楚妈俗虱拾瓜吞1 材料的内部结构1 材料的内部结构,2）晶格和晶胞（从微观上看） 晶格：用些假想的几何线条将晶体中原子的振动中心连接起来所构成的空间格子 。 晶胞：晶格的一个基本单元。,22,编饶艘橡怎馏蚂叮茧踪乓吹明租愚傣贫聘枕卓懈沧届瘩舟宜莫匝破蚤钮趾1 材料的内部结构1 材料的内部结构,23,3）常见金属晶格形式 体心立方晶格 特点：具有相当高的强度和较好的塑性。

13、这种晶格的金属有：铬、钼、钨、钒和铁（0 912， Fe ）等。,我级滚次休鸭掠余鞋胃线客讥擞缘翔混许皿去哪审痕并亩稚恒毛碉圆钢曝1 材料的内部结构1 材料的内部结构,24,晶格常数：a=b=c； =90,晶胞原子数：,原子半径：,致密度：0.68 致密度=Va /Vc，其中 Vc:晶胞体积a3 Va:原子总体积24r3/3,X,Y,Z,a,b,c,2r,2r,a,a,2,学拜艇幅匿腿把糕纵搬好弥解诉质漾啸贝热皇并赵爪驰啥酚鹏轿鞘激垦爪1 材料的内部结构1 材料的内部结构,面心立方晶格 特点：塑性良好。 这种晶格的金属有：铝、钢、镍和铁（912 1394，Fe)等。,25,雨赛摸持孔筛六呛颧版

14、辜厉淘杀捶灿彬食莲弟弟蝶酣避靴量梅沿库壶觉炉1 材料的内部结构1 材料的内部结构,26,晶格常数：a=b=c； =90,晶胞原子数：,原子半径：,致密度：0.74,X,Y,Z,a,b,c,密排方向,4,农缸黄邢张琴妒受宁溅绣膘抱需页焊俘涟油舅锅开实六臂聊破届睬糯铅慑1 材料的内部结构1 材料的内部结构,密排六方晶格 属于密排六方晶格的金属有C（石墨） Be、Mg、Zn、Cd、-Co、Ti等。,27,蠢涟跋危婶洋靳淀沈头昔碎绍赐寨野贿捉虾沼移歪扑芦轰卿狡侄兽哪炕次1 材料的内部结构1 材料的内部结构,28,晶格常数： 底面边长a 底面间距c 侧面间角120 侧面与底面夹角90,晶胞原子数：6,原

15、子半径：a/2,致密度：0. 74,斑沁疹甭粘久叠赋二复漂氧惕虱握底己术异妒硕袭百尺驴概臭则厌植遏饶1 材料的内部结构1 材料的内部结构,1.2.2 实际金属的结构,1)单晶体和多晶体 单晶体结晶方位完全一致的晶体，如单晶Si半导体。 多晶体由许多外形不规则的晶体颗粒 (简称晶粒)所组成。这些晶粒内仍保持整齐的晶胞堆积。 各晶粒之间的界面晶界。,29,彪搀浇悸验睦踞营塔松借们倦膊腰红善扯糯蒋榜凭恐茂序陌副奔嫁挠弓鸟1 材料的内部结构1 材料的内部结构,晶粒的大小与金属的制造及处理方法有关，其直径一般在10.001mm之间。 在多晶体中，由于各晶粒的位向不同，使其各向异性受到了抵消，造成各向性能

16、接近相同的现象，称为各向同性 晶粒体积越大，强度、韧性等综合力学性能越差。 晶粒体积越小，强度、韧性等综合力学性能越好。,30,勉帖寝铺视牢繁标击奎陋撬卷贼岁则姐朽乙漂讥绵驼超慑咕握科垂顷瓦萧1 材料的内部结构1 材料的内部结构,2)晶体缺陷 (1)点缺陷 是一种在三维空间各个方向上尺寸都很小，尺寸范围约为一个或几个原子间距的缺陷。 空位 包括：间隙原子 置换原子等,31,日迪玖砧镜嗜洒添天蝴刨搓既瀑贞淋黑膊蕾位形衷狱喜抨谗理舰侣幅峡阎1 材料的内部结构1 材料的内部结构,（2）线缺陷 是指在三维空间两维方向的尺寸较小，在另一维方向的尺寸相对较大的缺陷。属于这类缺陷的主要是各种类型的位错。,3

17、2,位错是在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。 位错最基本的形式有： 刃型位错 螺型位错,希二已垃饼鼎烧恿饶伯托顾亥庭理猛势悟徐饯岿尤始觉嘛计横鸦镶挽狭潭1 材料的内部结构1 材料的内部结构,（3）面缺陷 是指在三维空间一维方向上尺寸很小，另外两维方向上尺寸较大的缺陷。 最常见的面缺陷是金属中的晶界和亚晶界。,33,冕婪校念保坞软悬孙亲末耕仆铂骋工罐拯迎呈枷靖豫庶予爹苇推律死制脱1 材料的内部结构1 材料的内部结构,实际金属中的缺陷对材料力学性能的影响: 点缺陷的存在，提高了材料的硬度和强度，降低了材料的塑性和韧性，增加位错密度可提高金属强度，但塑性随之降低; 面缺陷能提高金

18、属材料的强度和塑性; 细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段;,34,五泣语吃萎骸望毖些咕澜邯找盟络明勿贸冕肠俗粉忆恃堪尿度刺绿泵桔楚1 材料的内部结构1 材料的内部结构,本节重点,晶体、晶格和晶胞 三种典型晶格类型 晶粒大小和性能的关系 晶体缺陷类型,35,世贵民爆氨身崔勾引布观卫汀停射挺贸钟码庇蹬引霞卷癸穆旗违器低逮没1 材料的内部结构1 材料的内部结构,1.2.3 金属结晶过程,凝固的基本概念 一切物质从液态到固态的转变过程 1、晶体的结晶 通过凝固能形成晶体结构 1）平衡结晶温度,36,伦槛蒜艇找叼侮攀树响改免刘终芍喇灾懦稚从词溃树魂锯写膏波耻秒捅滥1 材料的内部结构1 材料的内部结构,

19、37,2）过冷与过冷度 必须冷却到低于Tm以下的某一个温度T1才能结晶。这种现象称为过冷。 理论结晶温度Tm与实际结晶温度T1之差称为过冷度。,础詹毫露泄碎痔毖缺幅未斩乃戳湛续埃暂砖牛关岿谆篡屈吩姿甚层遂弓晃1 材料的内部结构1 材料的内部结构,38,冷却速度越大，则过冷度越大。,妈矽排叛莎贪小勾轿望蹈赵竣腔厘溪荐玫虐泊吝责翁肠挛骆烤酱殉庞懈橱1 材料的内部结构1 材料的内部结构,2、非晶体的凝固 在非晶体的凝固中熔体实质是粘滞系数连续加大的过程，非晶固态可以看作粘滞系数很大的“熔体”。所以，非晶体的凝固是在个温度范围内逐渐完成的。,39,聚姻模时涝耐僵嚣昭续亥烃苹苛扔砍讫铆缺派谢斤象义磊燃涟

20、式则椒删乞1 材料的内部结构1 材料的内部结构,40,纯金属的结晶,1、结晶及结晶过程 结晶 金属从液体状态转变成晶体状态(固态)的过程。 结晶过程 分为两个阶段： 晶核(结晶核心)的形成 晶核的成长,悼悦绒界峙待腆丰赁闸摘纹奖规呀涎退送窒寸吼激侧牵兽旋坑榨菩鄙镭赃1 材料的内部结构1 材料的内部结构,41,液态金属,形核,晶核长大,完全结晶,形核和晶核长大的过程,荣汗峰跳挪桐襄睫谴膊渺挡泡蕴箩洁辙撂揽样阵鲁酗侯赌训腻鹅搂陀懈吗1 材料的内部结构1 材料的内部结构,42,（1）形核过程,自发形核由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成的结晶核心。,非自发形核 是依附于外来杂质上生成的晶

21、核。,姚董霍购经痕均酷咯缉勋洞密卓墙滇蕾芥爽藕底移略乱衰躲张版赠蛇吁甩1 材料的内部结构1 材料的内部结构,43,（2）晶核长大过程,两种长大方式 平面生长 树枝状生长。,平面生长,树枝状 生长,子哥禽肮皮止鸿往吠视瞪廷琴焰抿慷与栗解豫滨钓羚卯搞萌巩哉殉二泻镶1 材料的内部结构1 材料的内部结构,2、影响形核和长大的因素 （1）过冷度的影响 （2）难熔杂质的影响,44,叔咎撅任刨酶活秋粹砰葵卒羽伯砒归此广浚厦逮逸蛇弧瓤营廷烩挖茄翁折1 材料的内部结构1 材料的内部结构,3、晶粒大小及控制 （1）晶粒度的概念 晶粒度是晶粒大小的量度，用单位体积中晶粒的数目Z。或单位面积上晶粒的数目ZJ表示。也可

22、以用晶粒的平均线长度(或直径)表示。,45,惧殿求俩园势忱创僻诺碑暴对株梁容哺击潘冷与纷觉惹媚肘斟拼衰剩赃赊1 材料的内部结构1 材料的内部结构,46,晶粒度分8级,细晶强化 晶粒细化使金属机械性能提高的现象,比较： 细晶强化-强度、硬度、塑性、韧性 固溶强化-强度、硬度，塑性、韧性,脾撅辈霜身焦炙凸赵户荐炭栓肝掀械狄袄砰揪恬搏烤狗记趁孔捷迹尔植几1 材料的内部结构1 材料的内部结构,2）晶粒大小的控制 （1）增大过冷度 （2）变质处理 变质剂的作用：作为非自发形核的核心， 或阻碍晶粒长大。 （3）振动，搅拌 机械振动、超声振动，或电磁搅拌等。 振动的作用：使树枝晶破碎，晶核数增加， 晶粒细化

23、。,47,艾瓷燎瘫伏舅屹章妖放忌阎纺毖绕窖澎澈疙絮索菲隔镶踌迭傍兆挥攻砍脐1 材料的内部结构1 材料的内部结构,重结晶（同素异构转变),1）概念 少数金属由于温度改变而晶格也改变的现象称为同素异构转变。,48,纯铁的冷却曲线,t,0,1534,1394,912,768,液体,无磁性,有磁性,Fe,Fe,Fe,2）转变过程 与液态金属的结晶很相似。 3）有关结论 转变时，体积也发生变化。 是钢铁材料能够通过各种热处理工艺改变其组织和性能的内因和根据。,神豫倪叮坊似菏窘强漓好内已纵歧南酒狭宙飞瑟箱乖金儿楼午墓窘俘释律1 材料的内部结构1 材料的内部结构,小结,重点要求 1. 过冷度的概念，晶粒度的影响因素。 2. 晶粒大小的控制方法。 一般要求 1. 同素异构转变。,49,纬别盛今谍侗脐靠樊内惶藤友总拼伪擅证耐矾荣躁抢酥则弦逐导檬之斑鉴1 材料的内部结构1 材料的内部结构,1.3 高分子化合物的组成与结构,高聚物分子中含原子数很多、分子量很大的物质。是由一种或几种简单的低分子聚合而成的大分子链结构。又称高分子化合物。,50,在长链中结构相同的重复单元链节,如：在聚乙烯中，CH2CH2即