材料科學與人類文明

第四章材料結(jié)構(gòu)基礎材料科學與人類文明原子、離子和分子金屬鍵、離子鍵和共價鍵晶體結(jié)構(gòu)：晶胞晶體缺陷：點缺陷，線缺陷，面缺陷合金的基本相：固溶體和中間相普通陶瓷的顯微組織高分子材料結(jié)構(gòu)主要內(nèi)容原子、離子和分子主要內(nèi)容材料的結(jié)構(gòu)層次宏觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)原子尺度亞原子尺度材料的結(jié)構(gòu)層次宏觀結(jié)構(gòu)微觀結(jié)構(gòu)原子尺度亞原子尺度材料的尺度1?=10-10m1nm=10-9m1m=10-6m1mm=10-3m材料的尺度1?=10-10m材料的尺度材料的尺度材料的尺度材料的尺度物質(zhì)由原子構(gòu)成原子(atom)=質(zhì)子(proton)+中子(nucleus)+電子(electron)帶電量—質(zhì)子：+1.6

10-19

庫侖

電子：-1.6

10-19

庫侖

中子：0質(zhì)量—質(zhì)子：1.6710-27Kg

中子：1.6710-27Kg

電子：9.1110-31Kg原子的質(zhì)量集中在原子核，核外電子的質(zhì)量可忽略不計原子半徑約10-10m(0.1nm)。其中，原子核半徑10-14m原子的構(gòu)成Rutherford'smodel原子核電子繞原子核高速運動物質(zhì)由原子構(gòu)成原子(atom)=質(zhì)子(p發(fā)射光子能量：玻爾原子模型、原子結(jié)構(gòu)核外電子的排列元素周期表1s11s21s22s11s22s22p63s1電子在原子核外作繞核運動、自旋運動運動軌道的能級不連續(xù)發(fā)射光子能量：玻爾原子模型、原子結(jié)構(gòu)核外電子的排列1s11s元素周期表電負性：表征原子獲得電子的能力電負性增加電負性降低元素周期表電負性：表征原子獲得電子的能力電負性增加電負性降低決定材料性能的內(nèi)因成分—材料是由哪些物質(zhì)(原子)構(gòu)成的？化學鍵—構(gòu)成材料的原子如何結(jié)合在一起？晶體結(jié)構(gòu)—構(gòu)成材料的原子是如何排列的？化學鍵最外層的電子所處的能級最高，最不穩(wěn)定，稱為價電子化學鍵主要取決于價電子決定性能的外因溫度壓力離子鍵和共價鍵的混合結(jié)構(gòu)，離子鍵比例與陰、陽離子的電負性密切相關(guān)決定材料性能的內(nèi)因化學鍵最外層的電子所處的能級最高，最不穩(wěn)定*Increasingcovalentbonding化學鍵與材料熱膨脹系數(shù)化學鍵與材料熔點化學鍵與化學鍵密切相關(guān)的性能密度導電性導熱性熱膨脹硬度

*Increasingcovalentbonding化由于價電子結(jié)構(gòu)的不同，原子間的結(jié)合方式(化學鍵)也不同有離子鍵、共價鍵、金屬鍵、分子鍵(范德華力和氫鍵)化學鍵種類一個原子的正、負電荷中心可能不重合，形成偶極子。小偶極子之間的相互作用力稱范德華力價電子被電負性大的元素原子吸引，正、負離子平衡，形成離子鍵原子共用價電子對，形成共價鍵價電子(自由電子)為全體原子共有，在晶格間形成電子氣正離子和電子氣間具有靜電吸引，使離子結(jié)合起來由于價電子結(jié)構(gòu)的不同，原子間的結(jié)合方式(化學鍵)也不同化學鍵離子鍵：結(jié)合力大，無方向性離子晶體硬度高、強度高、脆性大、絕緣例：NaCl、Al2O3、CaF2共價鍵：結(jié)合力大、飽和性、方向性共價鍵晶體熔點高、強度高、脆性大例：金剛石、BN、SiC、Si3N4金屬鍵：無方向性、價電子自由運動金屬具有良好的導電、導熱性、塑性變形能力分子鍵：由分子鍵形成的物質(zhì)熔點低、硬度低、絕緣化學鍵的特點化學鍵的結(jié)合強度化學鍵類型鍵能kJ/mol主要健離子鍵600-1500共價鍵100-800金屬鍵70-850次要鍵共價鍵10-50氫鍵10-50各種材料中可能存在的化學鍵化學鍵類型離子鍵共價鍵金屬鍵分子鍵金屬XX一些陶瓷XX高分子XX離子鍵：結(jié)合力大，無方向性化學鍵的特點化學鍵的結(jié)合強度化學鍵晶體：原子在三維空間呈周期性規(guī)則排列，有規(guī)則外形，有一定熔點，各向異性例：食鹽、蔗糖非晶體：原子排列不規(guī)則，外形不規(guī)則，無熔點，各向同性例：萘雪花六種形貌實際晶體SEM照片晶體和非晶體晶體：原子在三維空間呈周期性規(guī)則排列，有規(guī)則外形，有一定熔在大多數(shù)固態(tài)金屬內(nèi)部，原子在三維空間整齊規(guī)律地排列(晶體)可將原子位置畫成三維空間立體格子形式，稱為晶格構(gòu)成晶格的最小立體格子單位稱晶胞金屬的主要晶體結(jié)格有三種：面心立方(Face-centeredcubic,FCC)體心立方(Body-centeredcubic,BCC)密排六方(Hexagonalclose-packed,HCP)金屬晶體結(jié)構(gòu)金屬晶體結(jié)構(gòu)參數(shù)結(jié)構(gòu)晶胞原子數(shù)配位數(shù)原子填充因子BCC280.68FCC4120.74HCP6120.74在大多數(shù)固態(tài)金屬內(nèi)部，原子在三維空間整齊規(guī)律地排列(晶體)金舉例：Cr、Mo、W、VBCC結(jié)構(gòu)晶胞原子數(shù)1+8×1/8=2晶胞常數(shù)原子填充率APF(晶胞中被原子填充的體積百分率)舉例：Cr、Mo、W、VBCC結(jié)構(gòu)晶胞原子數(shù)原子填充率APF舉例：Al、Cu、

-Fe、Ag、AuFCC結(jié)構(gòu)晶胞原子數(shù)6×1/2+8×1/8=4晶胞常數(shù)原子填充率APF(晶胞中被原子填充的體積百分率)舉例：Al、Cu、-Fe、Ag、AuFCC結(jié)構(gòu)晶胞原子數(shù)原舉例：Cd、Ti、Be、Mg、Zn、ZrHCP結(jié)構(gòu)晶胞原子數(shù)3+12×1/6+2×1/2=6晶胞常數(shù)原子填充率APF(晶胞中被原子填充的體積百分率)舉例：Cd、Ti、Be、Mg、Zn、ZrHCP結(jié)構(gòu)晶胞原子數(shù)一種元素的固體的不同晶體結(jié)構(gòu)形態(tài)，稱為同素異構(gòu)體例，C有4種同素異構(gòu)體：石墨、金剛石、富勒烯、納米管同素異構(gòu)體一種元素的固體的不同晶體結(jié)構(gòu)形態(tài)，稱為同素異構(gòu)體同素異構(gòu)體實際晶體并不完整，含有許多缺陷晶體缺陷“Crystalsarelikepeople,itisthedefectsinthemwhichtendtomaketheminteresting!”-ColinHumphreys產(chǎn)生原因：①熱運動；②射線輻射；③快速淬火點缺陷使周圍晶格發(fā)生畸變，提高晶體內(nèi)能，降低導電率，提高強度空位置換原子自間隙原子雜質(zhì)間隙原子點缺陷產(chǎn)生原因：①點缺陷坍塌；②應力作用下的塑性變形位錯越多，運動越困難，強度、硬度越高，脆性越大刃型位錯螺型位錯位錯是在1維尺度上產(chǎn)生的尺寸很大的缺陷，由晶體中原子平面的錯動引起線缺陷透射電鏡照片實際晶體并不完整，含有許多缺陷晶體缺陷“Crystalsa晶界—晶粒之間的界面光學顯微鏡照片面缺陷，包括晶界、亞晶界、相界面、表面等孔洞(Pores)

—影響力學、光學、熱學性能裂紋(Cracks)—影響力學性能夾雜(Inclusions)—影響力學、光學、電學性能體缺陷，三維缺陷，包括：晶體缺陷晶界—晶粒之間的界面光學顯微鏡照片面缺陷，包括晶界、亞晶界、缺陷對材料的性能有很重要的影響!缺陷與材料性能缺陷對材料的性能有很重要的影響!缺陷與材料性能合金的基本相合金(Alloy)—以一種金屬為基礎，加入其它(非)金屬，所形成的有金屬特性的材料組元(Constituent)—組成合金的最基本的、獨立的物質(zhì)可是金屬元素、非金屬元素、或穩(wěn)定的化合物相(Phase)—成分、結(jié)構(gòu)相同，性能均一，有界面與其它部分隔開的、獨立的、均勻的組成部分合金基本相：固溶體、中間相組織(Microstructure)—合金結(jié)構(gòu)的微觀形貌?？墒菃蜗嗟?，也可是多相的Al-Si二元合金組元：Al、Si相：Al(Si)、Si組織：Al(Si)、Si45號鋼Fe-C二元合金組元：Fe、C相：間隙固溶體Fe(C)、滲碳體Fe3C組織：鐵素體(F)、珠光體(P)合金的基本相合金(Alloy)—以面心立方中的八面體間隙能容納的最大球半徑=0.414R體心立方中的八面體間隙能容納的最大球半徑=0.154R晶格中的間隙BCC鐵中的C面心立方中的八面體間隙體心立方中的八面體間隙晶格中的間隙BC溶液固溶體其它合金元素的原子溶入基礎元素的晶格中，所形成的相基礎元素稱為溶劑溶入元素稱為溶質(zhì)固溶體的特點晶格型式同溶劑性能接近溶劑固溶體固溶體中，溶質(zhì)原子造成溶劑晶格畸變，導致合金強度、硬度升高，塑性、韌性變化不大——固溶強化固溶體置換固溶體間隙固溶體有限固溶體無限固溶體置換固溶體：溶質(zhì)原子取代晶格中溶劑原子的位置無限固溶體：溶質(zhì)和溶劑的晶格相同間隙固溶體：尺寸較小的溶質(zhì)原子進入溶劑的晶格空隙溶液固溶體其它合金元素的原子溶入基礎元素的晶格中，所形成的相特點合金元素具有一定的比例化學分子式：不符合化合價規(guī)律(含金屬鍵形式)結(jié)合方式：金屬鍵與其它鍵(離子鍵、共價鍵、分子鍵)相混合晶格型式：不同于各組成元素的晶格具有金屬的性質(zhì)，但性能與組成元素原有性能差別較大中間相，又稱金屬間化合物正常價化合物—組元負電性差別較大，組元的原子數(shù)比較符合化合價規(guī)律如Mg2Sn、AuAl2、AlN、SiC、CaTe等，硬度高、脆性大電子化合物—滿足一定電子濃度值c時，可穩(wěn)定存在的化合物。不符合化合價規(guī)律c=e/a，e為價電子總數(shù)，a為原子總數(shù)c=21/14、21/13、21/12時，形成電子化合物，分別標為

、

、

相間隙化合物—過渡元素與小尺寸的非金屬元素(C、N、B)所形成的化合物，如Fe3C分類特點中間相，又稱金屬間化合物正常價化合物—組元負電性差別較大金屬材料結(jié)構(gòu)3層次晶體結(jié)構(gòu)：FCC、BCC、HCP相結(jié)構(gòu)：固溶體、中間相組織結(jié)構(gòu)：共晶組織、共析組織、非金屬夾雜物等金屬材料結(jié)構(gòu)金屬材料結(jié)構(gòu)3層次金屬材料結(jié)構(gòu)在金相顯微鏡下，可看到的材料的微觀形貌，稱顯微組織(或組織)

可由單相組成，也可由多相組成

鐵素體(F):C溶入

-Fe所形成的間隙固溶體，塑性好，硬度低

經(jīng)3~5%硝酸乙醇浸蝕后，在顯微鏡下呈白色大顆粒狀或塊狀滲碳體(Cm):Fe-C金屬化合物(Fe3C)。含C=6.69％，熔點1227℃，質(zhì)硬而脆，耐腐蝕珠光體(P):F88%、Cm12%，以層狀結(jié)構(gòu)所組成的機械混合物，含C=0.77%

性能介于F、Cm間，強韌性較好0.01%Cα相鐵素體0.45%C鐵素體+珠光體0.77%C

珠光體：由粗片狀α相、細片狀Fe3C相相間組成1.2%C珠光體+二次滲碳體金屬材料的組織Fe-C合金室溫平衡組織，取決于含C量在金相顯微鏡下，可看到的材料的微觀形貌，稱顯微組織(或組織)Fe-0.45C鐵素體(F)+珠光體(P)Fe-0.8C珠光體(P)Fe-1.0C珠光體(P)+滲碳體(Cm)00.772.11wt%C亞共析過共析共析亞共析、共析、過共析鋼共晶2.114.306.67wt%C亞共晶過共晶亞共晶白口鑄鐵:萊氏體、珠光體、二次滲碳體共晶白口鑄鐵:萊氏體過共晶白口鑄鐵:萊氏體、一次滲碳體奧氏體：C溶入

-Fe所形成的固溶體萊氏體：奧氏體+滲碳體的共晶組織，含C=4.3%亞共晶、共晶、過共晶白口鐵室溫組織金屬材料的組織Fe-0.45CFe-0.8CFe-1.0C00.77取決于化學成分工藝過程化學成分一定時，工藝過程是影響組織的最重要的因素純鐵經(jīng)冷拔(不加熱情況下對用冷拔機拔長)后，其組織由等軸鐵素體晶粒變成不等軸鐵素體晶粒含C=0.77%的鐵碳合金，室溫平衡組織為片狀珠光體

經(jīng)球化退火后，組織變?yōu)榍驙钪楣怏w片狀珠光體球狀珠光體金屬材料的組織取決于片狀珠光體球狀珠光體金屬材料的組織灰口鑄鐵：基體均為鐵素體但是，石墨形態(tài)不同，使灰口鑄鐵抗拉強度相差很大；沖擊韌性與抗拉強度順序相反鐵素體+片狀石墨抗拉強度150MPa鐵素體+團絮狀石墨抗拉強度350MPa鐵素體+球狀石墨抗拉強度420MPa冷拔后，純鐵晶粒被拉長，位錯等缺陷增多，強度與硬度均提高冷變形對純鐵理化性能影響較大，如導電性、耐蝕性降低含C=0.77%的鐵碳合金，室溫平衡組織含片狀滲碳體Fe3C相，硬度800HB切削時車刀不斷切割滲碳體Fe3C，刀具磨損厲害球化退火后，滲碳體Fe3C相變?yōu)榉稚⒌念w粒狀切削時刀具磨損小，切削性能提高金屬材料的組織灰口鑄鐵：基體均為鐵素體鐵素體+片狀石墨鐵素體+團絮狀石墨鐵貝氏體B—鐵素體F和滲碳體Fe3C的兩相混合組織上B—羽毛狀，硬脆的Cm呈細短條狀分布在F晶界上，易脆性斷裂，強度、韌性低，無實用價值下B—黑針狀，細小Cm分布于F基體中，有良好的強度、韌性配合，力學性能優(yōu)良貝氏體、馬氏體組織低C馬氏體高C馬氏體馬氏體M—C原子在

-Fe中的過飽和固溶體低C(位錯)馬氏體—C>0.25%，板條狀，板條內(nèi)有大量位錯。硬度高，有一定韌性高C(孿晶)馬氏體—C

>1.0%，片狀，內(nèi)有大量孿晶。硬度高、脆貝氏體B—鐵素體F和滲碳體Fe3C的兩相混合組織貝氏體、馬氏按組織形態(tài)，無機非金屬材料分為3類無機玻璃(硅酸鹽玻璃)：非晶結(jié)構(gòu)類陶瓷材料微晶玻璃(玻璃陶瓷)：晶體分布在非晶玻璃基體上的陶瓷材料陶瓷(晶體陶瓷)：包括單相晶體結(jié)構(gòu)的特種陶瓷(Al2O3、SiC、TiC)和普通陶瓷無機非金屬材料的結(jié)構(gòu)金剛石型結(jié)構(gòu)：C、Si、Ge硅酸

鹽結(jié)構(gòu)：滑石3MgO?4SiO2?H2O、高嶺石Al2O3?2SiO2?2H2O玻璃結(jié)構(gòu)：SiO2氧化物、非氧化物晶體結(jié)構(gòu)：MgO、TiO2、Al2O3

、ZnO按組織形態(tài)，無機非金屬材料分為3類無機非金屬材料的結(jié)構(gòu)金剛石由硅氧四面體SiO4(基本結(jié)構(gòu)單元)組成鏈狀：SiO4共有一個氧，連接成鏈狀，如石棉纖維層狀：SiO4連接成片狀，這些片疊合在一起形成層狀，如滑石、黏土、云母網(wǎng)狀：SiO4以三維方向相互結(jié)合，形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，如石英Si-O：混合鍵(離子鍵+共價鍵)基本結(jié)構(gòu)單元：[SiO4]四面體硅酸鹽結(jié)構(gòu)無機非金屬材料的結(jié)構(gòu)由硅氧四面體SiO4(基本結(jié)構(gòu)單元)組成Si-O：混合鍵(離玻璃：由過冷熔體形成的、非晶態(tài)的固體透明材料，主要成分為SiO2、Na2O、CaO等結(jié)構(gòu)理論無規(guī)則網(wǎng)絡學說—由離子多面體構(gòu)成。多面體通過氧橋而連續(xù)排列，產(chǎn)生空間網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)微

晶學說—由微晶構(gòu)成。微晶與該玻璃成分一致，但尺度遠小于一般的晶粒玻璃結(jié)構(gòu)石英玻璃[SiO4]四面體通過角頂連接，形成三維空間網(wǎng)絡，但排列無序鈉硅酸鹽玻璃SiO2中加入堿或堿土金屬，破壞[SiO4]四面體組成的網(wǎng)絡微晶玻璃玻璃基體上彌散分布細小的結(jié)晶體無機非金屬材料的結(jié)構(gòu)玻璃：由過冷熔體形成的、非晶態(tài)的固體透明材料，主要成分為Si陰、陽離子電荷，決定化學式陰、陽離子半徑，決定陽離子周圍的最近鄰陰離子數(shù)(CN)只有陽離子和周圍陰離子全部接觸的結(jié)構(gòu)，才是穩(wěn)定的！陽/陰離子半徑?jīng)Q定空間幾何氧化物、非氧化物晶體結(jié)構(gòu)，取決于2因素無機非金屬材料的結(jié)構(gòu)陰、陽離子電荷，決定化學式只有陽離子和周圍陰離子全部接觸的結(jié)NaCl結(jié)構(gòu)Na+半徑：0.102nmCl-半徑：0.181nmrc/ra=0.56CN=6類似結(jié)構(gòu)化合物：MgO、FeO、LiFCsCl結(jié)構(gòu)Cs+半徑：0.170nmCl-半徑：0.181nmrc/ra=0.94CN=8立方ZnS結(jié)構(gòu)CN=4類似結(jié)構(gòu)化合物：ZnS、ZnTe、SiC、MnSCaF2結(jié)構(gòu)Ca2+半徑：0.100nmF-半徑：

0.133nmrc/ra=0.75CN=8類似結(jié)構(gòu)化合物PtSn2、PtIn2、AuAl2氧化物、非氧化物晶體結(jié)構(gòu)無機非金屬材料的結(jié)構(gòu)NaCl結(jié)構(gòu)CsCl結(jié)構(gòu)立方ZnS結(jié)構(gòu)CaF2結(jié)構(gòu)氧化物、非化學組成一定時，其性能取決于晶相：種類、數(shù)量、分布，晶粒大小、形態(tài)，結(jié)晶取向玻璃相：數(shù)量、分布氣相(氣孔)：數(shù)量、尺寸、分布晶相玻璃相氣孔普通陶瓷材料由晶相、玻璃相、氣相構(gòu)成，為多晶、多相集合體普通陶瓷的顯微組織化學組成一定時，其性能取決于晶相玻璃相氣孔普通陶瓷材料由晶相氣相：存在于晶體內(nèi)部、晶體與玻璃相間一般陶瓷5~10%，特種陶瓷<5%氣孔是裂紋的根源，降低強度、增大脆性一般材料：要求氣孔率較低輕質(zhì)隔熱耐火材料、隔音吸振材料：要有一定的氣孔率多孔鋁(泡沫鋁)晶相：基本組成部分，決定陶瓷的性能一般有多種晶相主晶相，含量多，對性能起主要作用其余的，稱次晶相、第三晶相等晶相填充氣孔、空隙粘結(jié)分散的晶相，降低燒結(jié)溫度抑制晶粒長大降低陶瓷高溫使用性能玻璃相普通陶瓷的顯微組織主要有3種硅酸鹽氧化物非氧化物多為無規(guī)網(wǎng)絡狀硅酸鹽結(jié)構(gòu)氣相：存在于晶體內(nèi)部、晶體與玻璃相間多孔鋁(泡沫鋁)晶相：基高分子材料結(jié)構(gòu)高分子材料合成高分子：塑料、橡膠、膠粘劑、合成纖維天然高分子：蛋白質(zhì)、核酸、淀粉、纖維素主要由高分子組成高分子，又稱高聚物，由一種或幾種化合物(單體)聚合而成，天然高分子材料—蠶絲聚氯乙烯-(CH2-CHCl)n-的聚合反應高分子的重復結(jié)構(gòu)單元，稱鏈節(jié)(CH2-CHCl)鏈節(jié)數(shù)目，稱聚合度n鏈節(jié)分子量x聚合度=分子量nCH2=CHCl…(CH2-CHCl)-(CH2-CHCl)-(CH2-CHCl)…聚合反應的兩種形式：加聚反應—反應過程無副產(chǎn)物，單體一般含雙(三)鍵縮聚反應—反應過程產(chǎn)生低分子化合物，單體一般為環(huán)狀或含官能團高分子材料結(jié)構(gòu)高分子材料合成高分子：塑料、橡膠、膠粘劑、合成常見單體甲烷乙烷丙烷乙烯乙炔以不同基團取代碳鏈高分子的H，得不同的高分子簡單的碳鏈線形高分子聚乙烯-CH2-CH2-聚氯乙烯

-CH2-CHCl-聚丙烯-CH2-CHCH3-具有大側(cè)基的線形高分子聚甲基丙烯酸甲酯(有機玻璃)聚苯乙烯高分子材料結(jié)構(gòu)常見單體甲烷乙烷丙烷乙烯乙炔以不同基團取代碳鏈高分子的H，得碳鏈高分子—大分子主鏈全部由C原子構(gòu)成雜鏈高分子—大分子主鏈除C原子外，還含有O、S、N、P等元素有機高分子—大分子主鏈無C原子，主要由Si、O、N、Al、B、P、Ti等

原子構(gòu)成；側(cè)鏈為有機取代基元素無機高分子—大分子主鏈沒有碳原子，且側(cè)鏈無有機取代基高分子鏈的分類高分子材料結(jié)構(gòu)碳鏈高分子—大分子主鏈全部由C原子構(gòu)成高分高分子鏈的形狀線形聚合物，又稱熱塑性聚合物線形、支化形高分子，有高彈性