[工学]第2章 材料学纲要.ppt

第二章 材料学纲要• 材料的成分与组织结构• 材料的组织与结构• 材料的合成与加工• 材料的性质与使用性能2. 1 材料的成分• 材料的成分是指组成材料的元素种类及其 含量，通常用质量分数(ω)表示，有时用 粒子数分数（x）表示 • 不同材料的成分不同，其性能有差异； • 同种成分的材料由于其加工过程不同，性 能也不一定相同 • 材料的化学成分是影响其各种性质的直接 因素(内因) 2. 2 材料的结构一、结构的概念指材料中原子(离子或分子)的排列方式 • 结合键： 材料原子、分子间的结合力 （1）化学键离子键 (ionic bond ) ； 共价键 (covalent bond) 金属键 (metallic bond ) （2）物理键分子键(范德华键) (molecule bond) 氢键 (hydrogen bond) :如冰、有些蛋白质分子范德华力（Van der waals bonding)l包括：静电力(electrostatic)、诱导力(induction)和色散力 (dispersive force)l属物理键 ，系次价键，不如化学键强大，但能很大程度改变材料性质 氢键（Hydrogen bonding）极性分子键 存在于HF、H2O、NH3中 ，在高分子中占重要地位，氢 原子中唯一的电子被其它原子所共有（共价键结合），裸露原子核将与近邻分子的负端相互吸引——氢桥介于化学键与物理键之间，具有饱和性二、原子的排列方式1）晶体 (crystal) 原子在三维空间内周期性规则排列的固体。

长程有序，各向异性固体物质中绝大多数都是晶体, 如金属、合 金、硅酸盐, 大多数无机化合物和一些有机化 合物 2）非晶体（amorphism） 原子在三维空间内不规则排列的固体长程 无序，短程有序，各向同性例如玻璃 晶体： •晶体结构的基本特征：原子（或分子、离子）在三维空间呈周期性重复排列，即存在长程有序 •性能上两大特点： 固定的熔点（melting point）,各向异性（anisotropy）非晶体： •晶体结构的基本特征：长程无序，短程有序 •性能上两大特点： 没有固定的熔点各向同性 •而固态非晶体没有固定的熔点，它随着温度升高将逐渐变软，最终成 为有显著流动性的液体液体冷却时将逐渐稠化，最终变成固体此 外，因非晶体物质在各个方向上的原子聚集密度大致相同，因此表现 出各向同性三、晶体学基础1、空间点阵 • 空间点阵：由几何点做周期性的规则排列 所形成的三维阵列 • 阵点: 空间点阵中的点它是纯粹的几何点 ，各点周围环境相同 • 晶格: 描述晶体中原子排列规律的空间格架 • 晶胞: 描述空间点阵中阵点排列方式的最小 体积单元，为对面平行的平行六面体 一、晶体的空间点阵（Space lattice）1. 空间点阵的概念将晶体中原子或原子团抽象为纯几何点（阵点 lattice point）， 即可得到一个由无数几何点在三维空间排列成规则的阵列 —空间点阵（space lattice）特征：每个阵点在空间分布必须具有完全相同的周围环境(surrounding)2．晶胞（Unite cells）代表性的基本单元（最小平行六面体）small repeat entities选取晶胞的原则： Ⅰ)选取的平行六面体应与宏观晶体具有同样的对称性； Ⅱ）平行六面体内的棱和角相等的数目应最多； Ⅲ）当平行六面体的棱角存在直角时，直角的数目应最多； Ⅳ）在满足上条件，晶胞应具有最小的体积。

简单晶胞（初级晶胞）：只有在平行六面体每个顶角上有一阵点 复杂晶胞： 除在顶角外，在体心、面心或底心上有阵点 2、布拉菲(Bravis)点阵阵• 根据六面体的相对边长与夹角，晶体分为 7个晶系：立方、四方、六方、菱方、斜方（正交） 、单斜与三斜等； • 14种布拉菲(Bravis)点阵阵点阵参数：三个边长：a, b, c三个夹角：α,β,γ 3.晶系与布拉菲点阵（Crystal System and Bravais Lattice ）七个晶系，14个布拉菲点阵 晶系布拉菲点阵晶系布拉菲点 阵 三斜Triclinic a≠b≠c ，α≠β≠γ单斜 Monoclinic a≠b≠c， α=γ=90º≠β正交 a≠b≠c，α=β=γ＝90º 简单三斜简单单斜 底心单斜简单正交 底心正交 体心正交 面心正交六方 Hexagonal a1=a2＝a3≠c，α=β＝90º ， γ=120º菱方 Rhombohedral a=b=c, α=β=γ≠90º 四方（正方）Tetragonal a=b≠c, α=β=γ＝90º 立方 Cubic a=b=c， α=β=γ＝90º 简单六方简单菱方简单四方 体心四方简单立方 体心立方 面心立方三斜：简单三斜单斜：简单单斜底心单斜正交：简单正交底心正交 体心正交 面心正交菱方：简单菱方六方：简单六方四方：简单四方体心四方立方：简单立方体心立方面心立方晶体结构和空间点阵的区别空间点阵是晶体中质点排 列的几何学抽象，用以描 述和分析晶体结构的周期 性和对称性，由于各阵点 的周围环境相同，它只能 有14中类型晶体结构则是晶体中实际 质点（原子、离子或分子 ）的具体排列情况，它们 能组成各种类型的排列， 因此，实际存在的晶体结 构是无限的。

晶体结构和空间点阵的区别晶体结构和空间点阵的区别3. 金属材料的典型晶体结构 • 面心立方结构(f.c.c—face-centered-cubic) 常见金属有: γ-Fe 、Al、b -Co、Ni、Cu、 Ag、Au、Pt，等 • 体心立方结构(b.c.c—body-centered-cubic) 常见金属有：b￿-Ti、V、Cr、a￿-Fe、b￿-Zr 、Nb、Mo、Ta、W 等 • 密排六方结构(h.c.p—hexagonal close-packed ） 常见金属有：a￿-Ti、a￿-Zr、Co、Mg、Zn ※2 金属的晶体结构体心立方点阵面心立方点阵密排六方点阵4. 晶向与晶面(了解)• 沿不同方向和不同的平面，原子排列情况 是不同的 • 通过阵点可以连成不同空间方向的直线称 之为晶向，用晶向指数表示；如[111] • 通过晶格中的任意一组格点的平面称为晶 面，用晶面指数表示如（111） • 不同晶向和晶面，原子排列的紧密程度不 同把原子排列最密的方向和平面称为密 排方向和密排面 5. 晶体缺陷——实际晶体结构实际晶体总免不了存在一些原子不规则排 列的局部区域，原子的不规则排列产生晶 体缺陷。

• 晶体缺陷：实际晶体中与理想点阵结构发 生偏差的区域分为四类：1）点缺陷在三维空间各方向上尺寸都很小的缺陷 如空位、间隙原子、置换原子等图)点缺陷示意图 (a)晶格空位 （b）置换原子 （c）间隙原子2）线缺陷 • 在两个方向上尺寸很小，而另一个方向 上尺寸较大的缺陷主要是位错 • 晶体中由于滑移或晶体失配,原子或离子 排列的点阵结构发生畸变的线型缺陷轨 道称为位错线, 简称位错(dislocation) • 晶体中位错的基本类型为刃型位错和螺 型位错刃型位错示意图 （a） 立体模型 （b）平面图3）面缺陷在一个方向上尺寸很小，在另外两个方 向上尺寸较大的缺陷如晶界、相界、 表面等4）体缺陷 三维缺陷一般指材料中空洞、夹杂物 等面缺陷之一：铁素体晶界• 晶界（grain boundary） 不同取向的晶粒之间的界面 韧窝里的氧化铝夹杂硅酸钙夹杂物体缺陷之一：夹杂物• 组元：组成材料最基本的独立的物质组元可以是元素，也可以是化合物 • 合金：两种或两种以上的元素（组元）经 一定方法合成的具有金属特性的物质如 二元、三元合金、多元合金等 • 合金系：给定合金以不同的比例而合成的 一系列不同成分合金的总称。

2. 3 材料的相与组织• 组成相（相）1)概念：在固体材料中，具有相同化学 成分、相同结构或原子聚集状态，并 以界面相互分开的、均匀的组成部分 2)相可以是单质（某一元素，如石墨） ，也可以是固溶体或化合物； 3)多元晶体材料中，相可以分为两类：固溶体 与 化合物A. 固溶体 • 固态条件下,一种组分(溶剂)内 “溶解” 了其他组分(溶质)而形成的单一、均匀的 晶态固体 • 有置换固溶体和间隙固溶体两种：溶质原子位于溶剂晶格中某些结点位置 时形成置换固溶体；溶质原子位于溶剂晶格中某些间隙位置 时形成间隙固溶体B.化合物• 概念：两（多）组元间以一定的比例重新组合形 成新的晶体结构，这种晶体称为化合物 • 常见的化合物分类：(1) 正常价化合物：如 MgSe, Mg2Si(2) 电子化合物: 如 CuZn, Cu3Zn5,CuZn3(3) 间隙化合物: 如 VC，W2C; Fe3C(4) 密排相（拓扑密排结构）如 MgZn2• 相图 （phase diagram） 平衡状态下合金系中成分、相（或组织）和 温度间相互关系的几何描述, 也称状态图或平 衡图相图多数是恒压下温度-成分关系图。

A. 杠杆定律(lever law) 确定某种成份的合金在二相区中各相的相对 含量的法则平衡相相对量的确定在T1温度下, 任一成分合金Xo 其重量为Wo, 其固相与液相的成分 为Xm, Xn 液相和固相的相对重 量为WL和WαWα·mo = WL·on 这个关系式与以O为支点，以m、n二点为受 力端点的杠杆平衡时的关系类似，故称其为 杠杆定律 L α B. 匀晶相图(somorphous) 从液相结晶出单相固溶体的结晶过程称为匀 晶转变在液态与固态两组元无限互溶 有Cu-Ni、Fe-Ni、Cr-Mo、Cu-Au等• 共晶相图（eutectic phase diagram） 两组元在液态无限互溶，固态有限互溶或完 全不互溶，冷却过程中发生共晶反应的相图 合金系有Pb-Sn、 Al-Si、Pb-Bi等L α+β • 包晶相图 (peritectic phase diagram) 两组元在液态无限固溶，固态下有限互溶 并发生包晶反应的二元系相图，Pb-Ag， 陶瓷ZrO2-CaO等形成包晶相图L + α β • 组织(morphology)组织是相的形态、分布的图象，其中用肉眼 和放大镜观察到的为宏观组织，用显微镜观 察到的为显微组织，用电子显微镜观察到的 为电子显微组织。

20钢的退火组织 （化染，200倍）铸态球墨铸铁 （化染，150倍）• 成分、组织、结构的检测光学显微镜高分辨率电子显微镜（SEM，TEM）隧道扫描显微镜低能电子显微镜场离子显微镜X射线衍射仪红外光谱和紫外光谱 高分辨率电子损耗光谱仪 俄歇能谱仪原子探针固态核磁共振2. 2 材料的制备与加工 （掌握）• 材料的制备与加工方法极多，不同材料其制作方 法各有自己的特点铸造压力加工：挤、拉、轧、锻粉末冶金技术热处理焊接与粘结高分子材料的挤出、压制、压延等机械加工 其中材料制备的主要方法为熔炼 2. 3 材料的性质与使用性能（熟练 掌握，重点，难点） 一、材料的性质 1、物理性质: 材料的热学、电学、磁学、 光学等性质； • 热学性能指标：熔点、(比)热容、热膨胀系数、 热导率等； • 电学性能指标：电阻率、电导率、介电常数等； • 磁学性能：磁导率、磁感应强度、磁场强度等； • 光学性能指标：光反射率、折射率等； • 摩擦学性能：摩擦系数，磨损量，磨损率等2、化学性质: 材料发生化学反应时所显示的性质，包括化 学反应和电化学反应时所表现的性质，如耐蚀性 、耐氧化性等3、力学性质: 材料在不同载荷和环境作用下表现的变形和断裂行为的描 述，如硬度、塑性等。

• 弹性、塑性及强度应力-应变曲线强度：屈服强度，抗拉强度 • 硬度 • 疲劳极限循环应力和应变作。