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1、,材料科学与人类文明 第四章 材料结构基础,原子、离子和分子 金属键、离子键和共价键 晶体结构：晶胞 晶体缺陷：点缺陷，线缺陷，面缺陷 合金的基本相：固溶体和中间相 普通陶瓷的显微组织 高分子材料结构,主要内容,材料的结构层次,宏观结构,微观结构,原子尺度,亚原子尺度,材料的尺度,1 = 10-10 m 1 nm = 10-9 m 1 m = 10-6 m 1 mm= 10-3 m,材料的尺度,材料的尺度,物质由原子构成 原子(atom)=质子(proton)+中子(nucleus)+电子(electron) 带电量质子：+ 1.610-19 库仑 电子：- 1.610-19 库仑 中子：0
2、质 量质子：1.6710-27 Kg 中子：1.6710-27 Kg 电子：9.1110-31 Kg 原子的质量集中在原子核，核外电子的质量可忽略不计 原子半径约10-10 m (0.1 nm)。其中，原子核半径 10-14 m,原子的构成,Rutherfords model,原子核,电子绕原子核高速运动,发射光子能量：,玻尔原子模型、原子结构,核外电子的排列 元素周期表,1s1,1s2,1s22s1,1s22s22p63s1,电子在原子核外作绕核运动、自旋运动 运动轨道的能级不连续,元素周期表,电负性：表征原子获得电子的能力,电负性增加,电负性降低,决定材料性能的内因 成 分材料是由哪些物质
3、(原子)构成的？ 化 学 键构成材料的原子如何结合在一起？ 晶体结构构成材料的原子是如何排列的？,化学键,最外层的电子所处的能级最高，最不稳定，称为价电子 化学键主要取决于价电子,决定性能的外因 温度 压力,离子键和共价键的混合结构，离子键比例与阴、阳离子的电负性密切相关,* Increasing covalent bonding,化学键与材料热膨胀系数,化学键与材料熔点,化学键,与化学键密切相关的性能 密度 导电性 导热性 热膨胀 硬度,由于价电子结构的不同，原子间的结合方式(化学键)也不同 有离子键、共价键、金属键、分子键(范德华力和氢键),化学键种类,一个原子的正、负电荷中心可能不重合，
4、形成偶极子。小偶极子之间的相互作用力称范德华力,价电子被电负性大的元素原子吸引，正、负离子平衡，形成离子键,原子共用价电子对，形成共价键,价电子(自由电子)为全体原子共有，在晶格间形成电子气 正离子和电子气间具有静电吸引，使离子结合起来,离子键：结合力大，无方向性 离子晶体硬度高、强度高、脆性大、绝缘 例：NaCl、Al2O3、CaF2 共价键：结合力大、饱和性、方向性 共价键晶体熔点高、强度高、脆性大 例：金刚石、BN、 SiC、 Si3N4 金属键：无方向性、价电子自由运动 金属具有良好的导电、导热性、塑性变形能力 分子键：由分子键形成的物质熔点低、硬度低、绝缘,化学键的特点,化学键的结合
5、强度,各种材料中可能存在的化学键,晶体：原子在三维空间呈周期性规则排列， 有规则外形，有一定熔点，各向异性 例：食盐、蔗糖 非晶体：原子排列不规则，外形不规则，无熔点，各向同性 例：萘,雪花六种形貌,实际晶体SEM照片,晶体和非晶体,在大多数固态金属內部，原子在三维空间整齐规律地排列(晶体) 可将原子位置画成三维空间立体格子形式，称为晶格 构成晶格的最小立体格子单位称晶胞 金属的主要晶体结格有三种： 面心立方(Face-centered cubic, FCC) 体心立方(Body-centered cubic, BCC) 密排六方(Hexagonal close-packed, HCP),金属
6、晶体结构,金属晶体结构参数,举例：Cr、Mo、W、V,BCC结构,晶胞原子数 1+81/8 =2 晶胞常数,原子填充率APF (晶胞中被原子填充的体积百分率),举例：Al、Cu、-Fe、Ag、Au,FCC结构,晶胞原子数 61/2 +81/8 =4 晶胞常数,原子填充率APF (晶胞中被原子填充的体积百分率),举例：Cd、Ti、Be、Mg、Zn、Zr,HCP结构,晶胞原子数 3+121/6+2 1/2 =6 晶胞常数,原子填充率APF (晶胞中被原子填充的体积百分率),一种元素的固体的不同晶体结构形态，称为同素异构体 例，C有4种同素异构体：石墨、金刚石、富勒烯、纳米管,同素异构体,实际晶体并
7、不完整，含有许多缺陷,晶体缺陷,“Crystals are like people, it is the defects in them which tend to make them interesting!” - Colin Humphreys,产生原因：热运动；射线辐射；快速淬火 点缺陷使周围晶格发生畸变，提高晶体内能，降低导电率，提高强度,点缺陷,产生原因：点缺陷坍塌；应力作用下的塑性变形 位错越多，运动越困难，强度、硬度越高，脆性越大,刃型位错,螺型位错,位错是在1维尺度上产生的尺寸很大的缺陷，由晶体中原子平面的错动引起,线缺陷,透射电镜照片,晶界晶粒之间的界面,光学显微镜照片,面缺
8、陷，包括晶界、亚晶界、相界面、表面等,孔洞(Pores) 影响力学、光学、热学性能 裂纹(Cracks) 影响力学性能 夹杂(Inclusions) 影响力学、光学、电学性能,体缺陷，三维缺陷，包括：,晶体缺陷,缺陷对材料的性能有很重要的影响!,缺陷与材料性能,合金的基本相,合金(Alloy) 以一种金属为基础，加入其它(非)金属，所形成的有金属特性的材料 组元(Constituent) 组成合金的最基本的、独立的物质 可是金属元素、非金属元素、或稳定的化合物 相(Phase) 成分、结构相同，性能均一，有界面与其它部分隔开的、独立的、均匀的组成部分 合金基本相： 固溶体、中间相 组织(Mic
9、rostructure)合金结构的微观形貌。可是单相的，也可是多相的,Al-Si二元合金 组元：Al、Si 相：Al(Si)、Si 组织：Al(Si)、Si,45号钢 Fe-C二元合金 组元：Fe、C 相：间隙固溶体Fe(C)、渗碳体Fe3C 组织：铁素体(F)、珠光体(P),面心立方中的八面体间隙 能容纳的最大球半径=0.414R,体心立方中的八面体间隙 能容纳的最大球半径=0.154R,晶格中的间隙,BCC铁中的C,溶液,固溶体,其它合金元素的原子溶入基础元素的晶格中，所形成的相 基础元素称为溶剂 溶入元素称为溶质 固溶体的特点 晶格型式同溶剂 性能接近溶剂,固溶体,固溶体中，溶质原子造成
10、溶剂晶格畸变，导致合金强度、硬度升高，塑性、韧性变化不大固溶强化,置换固溶体：溶质原子取代晶格中溶剂原子的位置 无限固溶体：溶质和溶剂的晶格相同 间隙固溶体：尺寸较小的溶质原子进入溶剂的晶格空隙,特点 合金元素具有一定的比例 化学分子式：不符合化合价规律(含金属键形式) 结合方式：金属键与其它键(离子键、共价键、分子键)相混合 晶格型式：不同于各组成元素的晶格 具有金属的性质，但性能与组成元素原有性能差别较大,中间相，又称金属间化合物,正常价化合物组元负电性差别较大，组元的原子数比较符合化合价规律 如Mg2Sn、AuAl2、AlN、SiC、CaTe等，硬度高、脆性大 电 子 化合物满足一定电子
11、浓度值c时，可稳定存在的化合物。不符合化合价规律 c=e/a，e为价电子总数，a为原子总数 c=21/14、21/13、21/12时，形成电子化合物，分别标为、相 间 隙 化合物过渡元素与小尺寸的非金属元素(C、N、B)所形成的化合物，如Fe3C,分类,金属材料结构3层次 晶体结构：FCC、BCC、HCP 相 结 构：固溶体、中间相 组织结构：共晶组织、共析组织、非金属夹杂物等,金属材料结构,在金相显微镜下，可看到的材料的微观形貌，称显微组织(或组织) 可由单相组成，也可由多相组成,铁 素 体 (F): C溶入-Fe所形成的间隙固溶体，塑性好，硬度低 经35%硝酸乙醇浸蚀后，在显微镜下呈白色大
12、颗粒状或块状 渗碳体(Cm): Fe-C金属化合物(Fe3C)。含C=6.69，熔点1227，质硬而脆，耐腐蚀 珠 光 体 (P): F88%、Cm12%，以层状结构所组成的机械混合物，含C=0.77% 性能介于F、Cm间，强韧性较好,0.01%C 相铁素体,0.45%C 铁素体+珠光体,0.77%C 珠光体：由粗片状相、细片状Fe3C相相间组成,1.2%C 珠光体+二次渗碳体,金属材料的组织,Fe-C合金室温平衡组织，取决于含C量,Fe-0.45 C 铁素体(F)+珠光体(P),Fe-0.8 C 珠光体(P),Fe-1.0 C 珠光体(P)+渗碳体(Cm),亚共析、共析、过共析钢,共晶,亚共
13、晶白口铸铁: 莱氏体、珠光体、二次渗碳体 共 晶白口铸铁: 莱氏体 过共晶白口铸铁: 莱氏体、一次渗碳体,奥氏体：C溶入-Fe所形成的固溶体 莱氏体：奥氏体+渗碳体的共晶组织，含C=4.3%,亚共晶、共晶、过共晶白口铁,室温组织,金属材料的组织,取决于 化学成分 工艺过程 化学成分一定时，工艺过程是影响组织的最重要的因素 纯铁经冷拔(不加热情况下对用冷拔机拔长)后，其组织由等轴铁素体晶粒变成不等轴铁素体晶粒 含C=0.77%的铁碳合金，室温平衡组织 为片状珠光体 经球化退火后， 组织变为球状珠光体,片状珠光体,球状珠光体,金属材料的组织,灰口铸铁：基体均为铁素体 但是，石墨形态不同，使灰口铸铁
14、抗拉强度相差很大；冲击韧性与抗拉强度顺序相反,铁素体+片状石墨 抗拉强度150MPa,铁素体+团絮状石墨 抗拉强度350MPa,铁素体+球状石墨 抗拉强度420MPa,冷拔后，纯铁晶粒被拉长，位错等缺陷增多，强度与硬度均提高 冷变形对纯铁理化性能影响较大，如导电性、耐蚀性降低 含C=0.77%的铁碳合金，室温平衡组织含片状渗碳体Fe3C相，硬度800HB 切削时车刀不断切割渗碳体Fe3C，刀具磨损厉害 球化退火后，渗碳体Fe3C相变为分散的颗粒状 切削时刀具磨损小，切削性能提高,金属材料的组织,贝氏体B铁素体F和渗碳体Fe3C的两相混合组织 上B羽毛状，硬脆的Cm呈细短条状分布在F晶界上，易脆
15、性断裂，强度、韧性低，无实用价值 下B黑针状，细小Cm分布于F基体中，有良好的强度、韧性配合，力学性能优良,贝氏体、马氏体组织,低C马氏体,高C马氏体,马氏体MC原子在-Fe中的过饱和固溶体 低C(位错)马氏体C 0.25%，板条状，板条内有大量位错。硬度高，有一定韧性 高C(孪晶)马氏体C 1.0%， 片状， 内有大量孪晶。硬度高、脆,按组织形态，无机非金属材料分为3类 无机玻璃(硅酸盐玻璃)：非晶结构类陶瓷材料 微晶玻璃(玻 璃陶瓷)：晶体分布在非晶玻璃基体上的陶瓷材料 陶 瓷 (晶 体陶瓷)：包括单相晶体结构的特种陶瓷(Al2O3、SiC、TiC)和普通陶瓷,无机非金属材料的结构,金刚石
16、型结构：C、Si、Ge 硅 酸 盐结构：滑石3MgO4SiO2 H2O 、高岭石 Al2O32SiO2 2H2O 玻 璃结构：SiO2 氧化物、非氧化物晶体结构：MgO、TiO2、 Al2O3 、ZnO,由硅氧四面体SiO4(基本结构单元)组成 链状： SiO4共有一个氧，连接成链状，如石棉纤维 层状： SiO4连接成片状，这些片叠合在一起形成层状，如滑石、黏土、云母 网状： SiO4以三维方向相互结合，形成网状结构，如石英,Si-O：混合键(离子键+共价键),基本结构单元：SiO4四面体,硅酸盐结构,无机非金属材料的结构,玻璃：由过冷熔体形成的、非晶态的固体透明材料，主要成分为SiO2、Na2O、CaO等 结构理论 无规则网络学说由离子多面体构成。多面体通过氧桥而连续排列，产生空间网络结构
