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1、第2章 材料的结构2.1 材料的结合方式物质由原子组成，原子的结合方 式和排列方式决定了物质的性能 ；在凝聚态(液态和固态)下，原子 间距离十分接近，组成物质的原 子、分子或离子间的相互作用力叫化学键化学键；原子、分子、离子的具体组合状态称为结构结构。NaCl晶体结构离子键是由正负电荷的相互 吸引造成的。在带不同电荷 的相邻离子间靠静电引力就 形成了键。离子键的特点是 与正离子相邻的是负离子， 与负离子相邻的是正离子， 如NaClNaCl晶体晶体；离子晶体具有较高的熔 点，脆性材料，导电性差 。2.1 材料的结合方式(1)化学键离子键共价键是一种强吸引力的结合 键。当两个相同原子或性质相 近的
2、原子接近时，价电子不会 转移，原子间借共用电子对所 产生的力而结合，形成共价键 。共价键使原子间有很强的吸 引力；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。Si形成的四面体结构2.1 材料的结合方式(1)化学键共价键金属是由金属键结合而成的，它具 有同非金属完全不同的特性。金属 原子的外层电子少，容易失去。当 金属原子相互靠近时，这些外层原 子就脱离原子，成为自由电子，为 整个金属所共有，自由电子在金属 内部运动，形成电子气。这种由自 由电子与金属正离子之间的结合方 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
3、 属光泽，有良好的塑性变形能力， 强韧性好。2.1 材料的结合方式(1)化学键金属键分子键又叫范德瓦尔键， 是最弱的一种结合键。它 是靠原子各自内部电子分 布不均匀产生较弱的静电 引力，称为范德瓦尔力， 由这种分子力结合起来的键叫做分子键分子键；2.1 材料的结合方式(1)化学键分子键 结构上结构上：长程有序，短程有序； 性能上性能上：有无固定熔点；各项同性/异性。晶体晶体：当原子(或分子) 按一定的几何规律作周 期性排列而形成的聚集 状态； 非晶体非晶体：当原子(或分 子)为无规则地堆积在一 起形成的一种无序的聚 集状态；晶体非晶体2.1 材料的结合方式(2)晶体与非晶体 刚球模型；刚球模型
4、； 空间点阵；空间点阵； 阵点阵点/ /结点；结点； 晶格晶格；2.2 金属的晶体结构(1)晶体的基本概念 晶格晶格：将空间点阵 用一系列相互平行的 直线连接起来形成的 空间格架。a，b，c 晶格常数XYZabc 晶胞晶胞：是组成晶格的 最基本的几何单元。2.2 金属的晶体结构(1)晶体的基本概念7种晶系、14种布拉菲点阵各异的晶体可归类于不同的晶体系统各异的晶体可归类于不同的晶体系统： 三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方 、立方；立方六方四方菱方正交单斜三斜2.2 金属的晶体结构(1)晶体的基本概念体心立方晶格面心立方晶格密排六方晶格2.2 金属的晶体结构(2)常见金属的晶格类型体心立方晶格
5、-BCC(body centered cubic)a=b=c，a，=90晶胞原子数：1+1/88=2原子半径：r= a /4致密度： K=nv/V =2(4/3r3)/a3=68%配位数：（在晶体中，与某一原子 最邻近且等间距的原子数）：8-Fe、Cr、Mo2.2 金属的晶体结构(2)常见金属的晶格类型面心立方晶格- FCC(face centered cubic)a=b=c , a, =90 晶胞原子数：1/88+1/26=4原子半径：r= a/4 致密度：K=nv/V=4(4/3r3)/a3=74%配位数：12-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au2.2 金属的晶体结构(2)常见金属的晶格类
6、型密排六方晶格-HCP(Hexagonal close-packed)底边长a，底面间距c晶格常数：c/a=1.633晶胞原子数：1/612+1/22+3=6原子半径：1/2a致密度：74%配位数：12Mg、Zn、Be、Cd2.2 金属的晶体结构(2)常见金属的晶格类型晶向晶向-晶体中各个 方向上的原子列 ；晶面晶面-晶体中各个 方位上的原子面 ；XYabcXYZabc2.2 金属的晶体结构(3)晶面与晶向各向异性 不同晶面和晶向上原子密度不同原子密度不同引起性能不同的 现象，区别于非晶体的最重要的标志最重要的标志。XYZXYZ2.2 金属的晶体结构(3)晶面与晶向晶体内部晶格位向完全一致 单
7、晶体单晶体；在工业材料中，很小的一块金属 ，也包含着许许多多的小晶体；每个小晶体的位向是不同的 晶粒晶粒；晶粒与晶粒之间的界面晶界晶界 ；多晶粒组成的晶体结构多晶多晶 体体。 硅、Al2O3。2.2 金属的晶体结构(4)单晶体与多晶体纯铁组织晶粒示意图沿晶断口铅锭宏观组织2.2 金属的晶体结构(4)单晶体与多晶体实际晶体中原子规则 排列遭到破坏而偏离 理想结构的区域 晶体缺陷晶体缺陷；点缺陷点缺陷 线缺陷线缺陷 面面缺陷2.2 金属的晶体结构(5)晶体缺陷点缺陷空位；间隙原子；置换原子; 晶格畸变晶格畸变空位、间隙原子以及置换原子破 坏了原子的平衡状态使晶格发生扭曲；性能变化电阻增大，密度减小
8、，强度和硬 度提高，塑性和韧性下降。2.2 金属的晶体结构(5)晶体缺陷晶体中的线缺陷是各种类型的位错； 位错位错：晶体中的一列或数列原子发 生有规律的错排现象； 刃型位错，螺型位错。线缺陷2.2 金属的晶体结构(5)晶体缺陷当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面， 该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是刃型位错刃型位错线缺陷刃型位错2.2 金属的晶体结构(5)晶体缺陷线缺陷螺型位错2.2 金属的晶体结构(5)晶体缺陷透射电镜下钛合金中的 位错线(黑线)高分辨率电镜下的刃 位错（白点为原子）线缺陷电子显微镜下的位错2.2 金属的晶体结构(5)晶体缺陷线缺陷位错密度及加工硬化
9、晶体中位错的数量通常用位错密度位错密度表示，位错 密度是指单位体积内，位错线的总长度， = S/V(cm/cm3)位错的存在以及位错密度的 变化，对金属的性能如强度 、塑性、疲劳等都起着重要 影响。如金属材料的塑性变 形与位错的移动有关。冷变 形加工后金属出现了强度提 高的现象（加工硬化加工硬化）， 就是由于位错密度的增加所 致。2.2 金属的晶体结构(5)晶体缺陷面缺陷晶界和亚晶界 晶界晶界是不同位向晶粒的 过度部位，交界面，宽度 为510个原子间距，位 向差一般为2040；亚晶粒亚晶粒是组成晶粒的尺寸很 小，位向差也很小的小晶块。亚晶粒之间的交界面称亚晶亚晶 界界，亚晶界也可看作位错壁。2
10、.2 金属的晶体结构(5)晶体缺陷 原子排列不规则； 熔点低； 耐蚀性差；易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚；阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒细晶强化；是相变的优先形核部位 。显微组织的显示面缺陷晶界的特点2.2 金属的晶体结构(5)晶体缺陷 组元组元：组成材料最基本的、独立的 物质称为组元，或简称元，可以是纯 元素，也可以是化合物；多组元组成的金属材料称为合金合金， 通过熔炼、烧结或其它方法，将两种 或两种以上的金属或金属与非金属元 素结合在一起所形成的具有金属特性 的物质；2.3 合金的结构与相结构合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相分开的、
11、均匀的组成部分相相；固态合金中的相固溶体固溶体和金属间化合物金属间化合物；如铁碳合金室温下有两个相，铁素体-ferrite碳在体心立方晶格-Fe中所形成的固溶体，渗碳体-cementite铁和 碳的化合物Fe3C； 组织组织：是指用肉眼或显微镜观察到的不 同组成相的形态、尺寸、分布及各相之间 的组合状态。2.3 合金的结构与相结构 固溶体固溶体合金中某一组元为溶剂，在其晶格中溶入其 它组元原子(溶质)后形成的一种合金相，仍保持溶剂的晶 格类型；分为间隙固溶体间隙固溶体和置换固溶体置换固溶体；Cu-Ni置换固溶体Fe-C间隙固溶体2.3 合金的结构与相结构(1)固溶体通过溶入某种溶质元素形成固溶体，而使金属的强度、硬度升高的现象称为固溶强化固溶强化；产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。2.3 合金的结构与相结构(1)固溶体合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属间化合物金属间化合物；金属间化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子 式表示其组成。铁碳合金中的Fe3Cl当合金中出现金属 化合物时，可提高其 强度、硬度和耐磨性 ，但降低塑性； l金属化合物也是合 金的重要组成相。2.3 合金的结构与相结构(2)金属间化合物作业：The End
