1、3.1材料的結(jié)合方式3.2金屬材料的結(jié)構(gòu)特征3.3非金屬材料的結(jié)構(gòu)特征(自學) 3.4材料的凝固和結(jié)晶3.5鐵元素碳合金相圖、第3章材料的結(jié)構(gòu)和凝固、1 .了解材料的結(jié)晶結(jié)構(gòu)和非晶結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)特征2 .了解金屬的結(jié)晶過程和非金屬的形成特征3 .重點掌握鐵元素碳相圖及其應用，了解鐵元素碳合金的成分、組織、性能、學習目的、3.1材料的耦合方式、1 .材料均在一定性能和性能之間存在差異2 .金屬材料性能差異的原因： (1)化學成分：對應冶金學研究(2)組織架構(gòu)：其變化來源于不同的加工處理技術(shù)結(jié)構(gòu)：原子排列方式和空間分布。 凝固：固體變成液體。 結(jié)晶和非晶質(zhì)體，3.1.1鍵結(jié)合，通常材料的液體和固體稱為

2、凝聚態(tài)。 在凝聚態(tài)中，原子間的距離非常近的話，就會產(chǎn)生原子間的力，使原子結(jié)合或者結(jié)合。 材料的很多性能很大程度上依賴于原子鍵合。 根據(jù)結(jié)合力的強弱，一次結(jié)合力較強，可分為絡(luò)離子結(jié)合、共價鍵和金屬鍵兩種。 二次鍵的鍵合力弱，包括范德華鍵和氫鍵。 1 .絡(luò)離子鍵，2種電陰性度差大的原子(如堿金屬元素體和鹵族元素的原子)接近時，電陰性度小的原子失去電子而成為正絡(luò)離子，電陰性度大的原子得到電子而成為還原離子。 兩種絡(luò)離子在靜電引力的作用下結(jié)合形成絡(luò)離子結(jié)合。 NaCl結(jié)構(gòu)是絡(luò)離子鍵的結(jié)合。 大多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物主要以絡(luò)離子鍵結(jié)合。 由于絡(luò)離子鍵具有較強的結(jié)合力，絡(luò)離子化合物和離子晶體具有較高的

3、熔點、沸點和硬度，熱脹冷縮系數(shù)小，但脆性相對較大。 2 .共價鍵，兩個相同的原子或性質(zhì)差異少的原子相互接近，電子不移動。 原子間通過共用電子對產(chǎn)生的力結(jié)合，形成共價鍵。 金剛石、SiC等結(jié)構(gòu)具有這樣的結(jié)合型。 共價鍵屬于強鍵，原子間的鍵牢固，因此通過共價鍵結(jié)合的原子晶體大多熔點和硬度較高。 3 .通過金屬鍵、金屬正絡(luò)離子和自由電子的相互作用結(jié)合的方式稱為金屬鍵。 從金屬鍵的結(jié)合特性可以說明金屬晶體的一般性能。 良好的導電性良好的熱傳導性具有優(yōu)良的變形能力金屬不透明的金屬具有光澤。 4 .范德瓦爾斯鍵在電子原子、分子難以接近時，由于各自內(nèi)部電子的不均勻分布而產(chǎn)生弱靜電引力，稱為范德瓦爾斯力，通過

4、這種力的作用而相互結(jié)合的方式稱為分子鍵或范德瓦爾斯鍵。 由于分子鍵不能改變原子的電子結(jié)構(gòu)，所以分子鍵很弱。 由分子鍵作用形成的物質(zhì)具有低熔點、低沸點、低硬度等性能特點。 5 .氫鍵、氫鍵是特殊的分子間作用力，由于氫原子結(jié)構(gòu)的特殊性，當與電負性大的原子結(jié)合時，由于電子強烈偏移，還可以與電負性大的原子發(fā)生靜電引力形成氫鍵。 氫鍵和分子鍵的能量大致相同，約為共價鍵的十分之一。一般工程材料的結(jié)合類型、金屬材料的結(jié)合鍵主要為金屬鍵，也有共價鍵和絡(luò)離子鍵(金屬間化合物等)。 蜂窩混合雙打材料的鍵是絡(luò)離子鍵和共價鍵，大部分材料以絡(luò)離子鍵為主，因此蜂窩混合雙打材料具有較高的熔點和較高的硬度，但脆性較大。 高分

5、子材料也稱為聚合物，其鍵鍵為共價鍵和分子鍵。 因為高分子材料的分子很大，所以分子間的力也很大。 因此，具有一定的力學性能，結(jié)晶材料中的原子(絡(luò)離子、分子)是三度空間有序、周期性排列的. 非晶質(zhì)體原子不規(guī)則堆積，也被稱為“過蒸發(fā)制冷液體”。3.1.2晶體和非晶質(zhì)、晶體的特征：晶體的排列有規(guī)則且周期性有序，晶體有固定的熔點、熔點、晶體、非晶質(zhì)、晶體熔化時有固定熔點(熔點是從晶體到非晶質(zhì)的臨界溫度)，非晶質(zhì)沒有固定熔點，有軟化溫度范圍。 由于各向異性現(xiàn)象、晶面或晶體上的原子密度的不同而導致的性能的不同，由于晶體具有規(guī)則的幾何外形和各向異性現(xiàn)象的特性，在不同的方向上測定其性能(如導電性、導熱性、熱脹冷

6、縮性、彈性和強度等)，出現(xiàn)大小不同的非晶質(zhì)體為各向同性，不同方向的性能相同，因方向而不同3.2金屬材料的結(jié)構(gòu)特征，3.2.1晶體結(jié)構(gòu)的基本概念3.2.2三種典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)3.2.3實際金屬的晶體結(jié)構(gòu)3.2.4合金的晶體結(jié)構(gòu)，、原子(絡(luò)離子)的剛體模型，晶體結(jié)構(gòu)：晶體中的原子(絡(luò)離子或者分子)有規(guī)律排列的方式， 3.2.1結(jié)晶構(gòu)造的基本概念，格子(格子)模型，格子設(shè)想了通過原子節(jié)點的中心引出很多空間直線形成的空間格子架。 單位晶格是反映晶格特征的最小構(gòu)成單位。 (1)體心立方晶格bcc (2)面心立方晶格fcc (3)將六方晶格hcp緊密排列的(1)體心立方晶格bcc，b，c，光柵常數(shù)單位格

7、子的3個棱線的長度為a，b，c，3.2.2的典型的金屬晶體結(jié)構(gòu)為，(bcc (2)將hcp緊密排列的面心立方晶格fcc、-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等，、光柵常數(shù)： a=b=c； 六方晶格hcp、c (黑金屬鉛)、Mg、Zn等緊密排列，光柵常數(shù)底面邊長a底面間隔c側(cè)面間角120側(cè)面和底面間角90、3.2.3實際金屬的結(jié)晶構(gòu)造與理想構(gòu)造的偏差，單晶：內(nèi)部晶格方位完全一致的結(jié)晶(理想晶體)。 例如金剛石、水晶、單晶Si半導體。 多晶體：由許多方位不同的晶粒組成的晶體。 多晶體的示意圖，2 .晶體缺陷類型，(1)點缺陷：三度空間各方向的尺寸小，尺寸范圍約為1個或數(shù)個原子尺度，也稱為零維缺陷，

8、例如空穴、間隙原子、異種原子(2)線缺陷：也稱為一維度缺陷，其特征在于兩個方向的尺寸小，另一個方向長其特征是在空間的單向式上尺寸小，在其他方向上擴展很大，也稱為晶界和亞晶粒界等二次元缺陷，如果點缺陷、間隙原子是其他的元素體，則可以使用異種原子(雜質(zhì)原子)、或如果某個間隙原子在一盞茶中具有較大的振動能量，并且振幅在一定程度上增大，那么，可以克服周圍原子的制約，從原來的位置離開，在晶格中形成空的節(jié)點，稱為空位。 在一定的條件下，結(jié)晶表面的原子也有可能沿著結(jié)晶內(nèi)部的間隙形成間隙原子。 在遠離平衡位置的原子上，移動到結(jié)晶表面或內(nèi)面的正常的節(jié)點位置，在結(jié)晶內(nèi)部殘留空孔，有被稱為散粒牛鼻子(Schottk

9、y )空孔的三個場所插入晶格的間隙位置，在結(jié)晶中使相同數(shù)量的空孔和間隙原子形成云同步，去被稱為菲涅耳缺陷的其他空座，空座(2)線缺陷刃型位錯，表示兩者的相對位置，所以后面只是容易討論。 刃型位錯的示意圖、滑動的位錯移動反應歷程、位錯密度、位錯密度：單位體積的結(jié)晶所包含的位錯線的總長度，其數(shù)學式是L/V(cm-2 )式，其中l(wèi)是位錯線的總長度，v是結(jié)晶的體積。試驗結(jié)果發(fā)現(xiàn)，通常退火成一盞茶的多晶金屬的位錯密度約為106108 cm-2，但是經(jīng)過精心制造、處理過的超純金屬單晶經(jīng)過位錯密度為103 cm-2以下的急劇冷變形的金屬的位錯密度高達10101012 cm-2，為1cm2 晶須：實驗室用幾種

10、特殊方法制造的幾乎不含位錯結(jié)構(gòu)的完整小晶體，其強度接近理論計算值。 (3)面缺陷、晶界、亞晶界、亞晶界，面缺陷引起晶格變形，晶粒越細晶界越多，強度和塑性越高。 晶界中原子的不規(guī)則排列增大了晶界的性能和晶內(nèi)的差異：晶界原子比晶內(nèi)原子更容易發(fā)生化學反應，因此容易被腐蝕的晶界原子接近液態(tài)結(jié)構(gòu)，晶界的熔點比晶內(nèi)低，異種原子和雜質(zhì)存在于晶界時能量低，因此晶界是雜質(zhì)原子容易聚集的場所因此，金屬晶體粒的大小對金屬的性能影響很大。 晶界構(gòu)造的示意圖，金屬晶體缺陷的影響？ 點缺陷-引起局部的晶格應變，降低金屬的電阻率，屈服強度增加，密度變化。 線缺陷-形成的位錯對金屬的機械性能影響很大，位錯極少時，金屬的強度越

11、高，位錯密度越大，金屬的強度也越高。 作為面缺陷的晶界和亞晶界越多，晶粒越細，金屬強度越高，金屬塑性變形能力越大，塑性越好。 概念固態(tài)溶液金屬化合物，3.2.4構(gòu)成合金的晶體結(jié)構(gòu)、元素體、合金的獨立的、最基本的元素體是元素體，元素體也可以是純元素體，例如金屬元素體Cu、Ni、Al、Ti、Fe等，和包括c、n、b、o等的化合物Al2O3、SiO2、ZrO等。 1 .概念、材料可由純金屬、Al2O3結(jié)晶等單個元素體構(gòu)成，也可由Al-Cu-Mg金屬材料、MgO- Al2O3- SiO2系蜂窩混合雙打材料等多個元素體構(gòu)成。 合金是指兩種以上的金屬、或者金屬和非金屬熔制或者通過其他方法制作的具有金屬特性

12、的物質(zhì)。 由兩個元素體構(gòu)成的合金稱為二元合金。 由三個元素體組成的合金叫三元合金。 由三個以上的元素體組成的合金叫做多元合金。 由一系列相同元素體組成的不同成分的合金稱為合金系。 合金例：碳鋼(carbon steel ) :由鐵元素和碳構(gòu)成的合金。 白銅：主要由銅和鎳組成的合金。 黃銅(brass ) :由銅和亞金屬鉛等元素體構(gòu)成的合金。 合金除了具有純金屬的基本特性外，還具有純金屬無法達到的一系列機械特性和理化特性，如高強度、高硬度、耐磨性、鐵磁性、耐腐蝕性等。 在相、固體中，物質(zhì)可以是單相也可以是多相。 純鐵元素為單相，鋼通常為兩相或多相。 固體白銅(銅和鎳二元合金)為單相。 由固相構(gòu)成

13、的合金稱為單相合金。 由幾種不同的固相組成的合金稱為多相合金。 合金有固態(tài)溶液和金屬化合物兩種基本相。 物質(zhì)中，成分相同，結(jié)構(gòu)相同，與其他部分界面分離的均勻構(gòu)成部分稱為相。 二、合金的相根據(jù)構(gòu)成合金的各元素體間的相互作用，固體合金的相大致分為固態(tài)溶液和金屬化合物。 1、即使固態(tài)溶液、溶質(zhì)原子溶解于溶劑晶格中，也保持溶劑晶格型的合金相稱為固態(tài)溶液。 固態(tài)溶液分為置換固態(tài)溶液和間隙固態(tài)溶液。 *取代固態(tài)溶液溶質(zhì)原子取代溶劑原子的一部分，占據(jù)溶劑的一部分節(jié)點。 *間隙固態(tài)溶液溶質(zhì)的原子進入溶劑晶格的空隙部分，不占節(jié)點的位置。 例如，c溶解在-Fe或-Fe中的鎳鋅鐵氧體、奧氏體不銹鋼。 所有的鐵元素碳

14、合金都是間隙固態(tài)溶液。碳的溶解度有限，是有限固態(tài)溶液，碳在鐵元素中的溶解度主要取決于鐵元素的晶格類型，隨溫度的升高而增加。 固溶強化在形成固態(tài)溶液時，溶劑的晶格發(fā)生一定程度的應變，該應變使塑性形變電阻增加，固態(tài)溶液的強度、硬度增加的現(xiàn)象稱為固溶強化。 2、金屬化合物金屬化合物的各元素體以一定的整數(shù)比結(jié)合，是一種具有金屬性質(zhì)的均勻物質(zhì)，為單相組織，金屬化合物一般具有復雜的晶格，與各元素體的晶格不同，其性能特點是硬脆。 例如，滲碳體Fe3C為金屬化合物，硬度極高，800HBS能夠切玻璃，塑性韌性極低，伸長率和沖擊韌性接近零。 滲碳體為強化相，組織呈板狀、球狀、網(wǎng)狀等不同形狀，滲碳體的數(shù)量、形態(tài)、分

15、布嚴重影響鋼的性能。 滲碳體在一定條件下可以分解： Fe3C3Fe C黑金屬鉛，3，機械混合物。 機械混合物是結(jié)晶過程中形成的兩相組織，如純金屬、固態(tài)溶液或化合物的混合物，各相保持原來的晶格，混合物的性能介于各組之間，與各相的形狀、大小、分布有關(guān)。 碳鐵元素合金中的機械混合物有珍珠巖和酸橙。 組織、合金的組織由數(shù)量、大小、形狀、分布方式不同的各種相構(gòu)成。 金屬材料的性能取決于組織，而組織則取決于化學成分和工藝。 由組織構(gòu)成的材料性能不同。 僅由一個相構(gòu)成的組織，單相組織由兩種以上的相構(gòu)成的組織稱為多相組織，組織是指用肉眼和顯微鏡等觀察的材料內(nèi)部的微觀形態(tài)。 2、固態(tài)溶液、合金中兩組的元素體在液

16、體和固體下相互溶解，形成一種成分和性能均勻，且結(jié)構(gòu)與組織元素體之一相同的固相，稱為固態(tài)溶液。 固態(tài)溶液、溶劑、溶質(zhì)、固相、失去了原來的格子型的元素體被稱為溶質(zhì)，一般合金中的含量少。 (solid solution )、固態(tài)溶液的分類可以根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占的位置，將固態(tài)溶液分為間隙固態(tài)溶液和置換固態(tài)溶液。 根據(jù)溶質(zhì)原子是否分布于溶劑晶格中，可以將固態(tài)溶液分為有序固態(tài)溶液和無序固態(tài)溶液。 根據(jù)溶質(zhì)原子在溶劑晶格中的溶解度，固態(tài)溶液可以分為有限固態(tài)溶液和無限固態(tài)溶液。 溶解度：指溶質(zhì)在固態(tài)溶液中的臨界濃度。 固態(tài)溶液類型，間隙固態(tài)溶液，溶質(zhì)原子進入溶劑晶格中的間隙產(chǎn)生的固態(tài)溶液。 (interstitial solid solutions )，置換固態(tài)溶液，(substitutional solid solution )，溶質(zhì)原子在有溶劑晶格的節(jié)點上，晶格上的某溶劑原子被置換后的固態(tài)溶液。 間隙固態(tài)溶液、溶質(zhì)原子與溶劑原子的直徑之比必須小于059。 由直徑大的原子構(gòu)成的晶格，空隙的大小也大。 過渡族元素體(溶劑)和尺寸小的元素體c、n、h、b等容易形成間隙固態(tài)溶液。 溶質(zhì)原子在間隙固態(tài)溶液中的溶解度一般較小，所以間隙固態(tài)溶液都是有限固態(tài)溶液。 溶質(zhì)原子使間隙固態(tài)溶液變形，其濃度越大，變形越大。 間隙固態(tài)溶液是無序的