第一章-材料結(jié)構(gòu)的基本知識

1、 材料的分類材料的分類 制備合成制備合成/加工工藝加工工藝processing成分成分/組織結(jié)構(gòu)組織結(jié)構(gòu) composition/structure材料固有性能材料固有性能properties材料使用材料使用性能性能performance材料的材料的固有性能：固有性能： 物理性能：電、磁、光、熱物理性能：電、磁、光、熱 化學(xué)性能：耐腐蝕性能、抗氧化性能化學(xué)性能：耐腐蝕性能、抗氧化性能 力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性力學(xué)性能：強(qiáng)度、硬度、塑性、韌性材料的材料的使用性能：使用性能： 指材料在服役條件下所表現(xiàn)出來的特性指材料在服役條件下所表現(xiàn)出來的特性，它是材料的固有性能與服役條件、產(chǎn)品設(shè)計它是材

2、料的固有性能與服役條件、產(chǎn)品設(shè)計及加工融合在一起所決定的因素。及加工融合在一起所決定的因素。 成分決定性能。成分成分決定性能。成分不同，性能不同。不同，性能不同。組織結(jié)構(gòu)直接決定性能組織結(jié)構(gòu)直接決定性能改變成分也會改變組織改變成分也會改變組織結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu),從而改變其性能。從而改變其性能。制備合成加工過程主要是制備合成加工過程主要是通過改變組織結(jié)構(gòu)而影響通過改變組織結(jié)構(gòu)而影響其性能。其性能。材料的固有性能直接決材料的固有性能直接決定材料的使用性能。定材料的使用性能。制備合成制備合成/加工工藝加工工藝成分成分/組織結(jié)組織結(jié)構(gòu)構(gòu) 材 料 固 有材 料 固 有性能性能材料使材料使用性能用性能舉例：舉例：河

3、南第一工具廠生產(chǎn)的河南第一工具廠生產(chǎn)的W4Mo3Cr4VSi鉆頭鉆頭同一批材料，同一種工藝，但因鉆頭大小結(jié)同一批材料，同一種工藝，但因鉆頭大小結(jié)構(gòu)不同，最終使用性能不同。構(gòu)不同，最終使用性能不同。材料的材料的使用性能：使用性能： 指材料在服役條件下所表現(xiàn)出來的特性指材料在服役條件下所表現(xiàn)出來的特性，它是材料的固有性能與服役條件、產(chǎn)品設(shè)計它是材料的固有性能與服役條件、產(chǎn)品設(shè)計及加工融合在一起所決定的因素。及加工融合在一起所決定的因素。產(chǎn)品設(shè)計因素對使用性能的影響產(chǎn)品設(shè)計因素對使用性能的影響組織結(jié)構(gòu)是核心，性能是組織結(jié)構(gòu)是核心，性能是材料研究工作的落腳點(diǎn)材料研究工作的落腳點(diǎn) 1.1 1.1 原子結(jié)

4、構(gòu)原子結(jié)構(gòu)一、原子的電子排列一、原子的電子排列 價電子：價電子：電負(fù)性電負(fù)性：用來用來衡量原子吸引衡量原子吸引電子能力的參電子能力的參數(shù)。數(shù)。根據(jù)量子力學(xué)，各個殼層的根據(jù)量子力學(xué)，各個殼層的S S態(tài)、態(tài)、P P態(tài)中電子的充態(tài)中電子的充滿程度對該殼層的能量水平起著重要作用。滿程度對該殼層的能量水平起著重要作用。Cl與與Na形成離子鍵形成離子鍵一種材料由兩種原子組成，一種材料由兩種原子組成，且一種是金屬，另一種是且一種是金屬，另一種是非金屬時容易形成非金屬時容易形成離子鍵離子鍵 的結(jié)合的結(jié)合( (如左圖如左圖) )。由。由NaClNaCl離子鍵的形成可以歸納出離子鍵的形成可以歸納出離子鍵離子鍵特點(diǎn)

5、特點(diǎn)如下：如下： 1.1.金屬原子放棄一個外金屬原子放棄一個外層電子，非金屬原子得到層電子，非金屬原子得到此電子使外層填滿，結(jié)果此電子使外層填滿，結(jié)果雙雙變得雙雙變得穩(wěn)定穩(wěn)定。 2. 2.金屬原子失去電子帶金屬原子失去電子帶正電荷，非金屬原子得到正電荷，非金屬原子得到電子帶負(fù)電荷，雙雙均成電子帶負(fù)電荷，雙雙均成為離子。為離子。 3. 3. 離子鍵的大小在離子離子鍵的大小在離子周圍各個方向上都是相同周圍各個方向上都是相同的，所以，它的，所以，它沒有方向性沒有方向性的距離的距離原子的原子的平衡距離下平衡距離下的作用能的作用能, ,相當(dāng)于把兩個相當(dāng)于把兩個原子完全分開所需的功原子完全分開所需的功結(jié)合

6、能結(jié)合能，又稱結(jié)合鍵能，又稱結(jié)合鍵能，其值越大，原子結(jié)合愈其值越大，原子結(jié)合愈穩(wěn)定，熔點(diǎn)亦越高。穩(wěn)定，熔點(diǎn)亦越高。（見（見表表1.11.1） 大多數(shù)金屬具有較高的密度大多數(shù)金屬具有較高的密度: :1.1.物理性能物理性能熔點(diǎn)：高低反映了材料的穩(wěn)定性程度。熔點(diǎn)：高低反映了材料的穩(wěn)定性程度。密度：與結(jié)合鍵類型有關(guān)。密度：與結(jié)合鍵類型有關(guān)。 較高的相對原子質(zhì)量較高的相對原子質(zhì)量; ; 金屬鍵沒有方向性和飽和性金屬鍵沒有方向性和飽和性, , 達(dá)到密排結(jié)構(gòu)達(dá)到密排結(jié)構(gòu). . 陶瓷達(dá)不到密排結(jié)構(gòu)陶瓷達(dá)不到密排結(jié)構(gòu), ,密度較低密度較低: : 共價鍵有飽和性共價鍵有飽和性; ; 離子鍵要滿足正負(fù)離子間電荷平

7、衡要求離子鍵要滿足正負(fù)離子間電荷平衡要求. .高分子材料密度最低高分子材料密度最低: :二次鍵結(jié)合二次鍵結(jié)合, ,分子鏈堆垛不緊密分子鏈堆垛不緊密組成原子質(zhì)量小組成原子質(zhì)量小. .導(dǎo)熱、導(dǎo)電性：導(dǎo)熱、導(dǎo)電性： 2.2.力學(xué)性能力學(xué)性能 彈性模量彈性模量E E（模型圖（模型圖1-91-9） 強(qiáng)度強(qiáng)度 塑性塑性1.1.物理性能物理性能物理性能物理性能 力學(xué)性能力學(xué)性能 材料材料 類別類別 結(jié)合鍵結(jié)合鍵 類型類型 熔點(diǎn)熔點(diǎn) 密密度度 導(dǎo)電性導(dǎo)電性 導(dǎo)熱性導(dǎo)熱性 彈彈性性模模量量 強(qiáng)強(qiáng)度度 塑塑性性 晶體或非晶體晶體或非晶體 陶瓷陶瓷 材料材料 離子鍵離子鍵共價鍵共價鍵 高高 大多在大多在 2000

8、以上以上 較較低低 良好的良好的絕緣性絕緣性絕緣體絕緣體 良好的良好的絕熱性絕熱性絕熱體絕熱體 高高 高高 差差 脆脆性性大大 大多數(shù)為晶體， 少數(shù)大多數(shù)為晶體， 少數(shù)為晶體與非晶體的為晶體與非晶體的混合物混合物 金屬金屬 材料材料 金屬鍵金屬鍵共價鍵共價鍵離子鍵離子鍵 較高較高 高高 良好的良好的導(dǎo)電導(dǎo)電 性能性能 良好的良好的 導(dǎo)熱導(dǎo)熱 性能性能 較較高高 較較高高 較較高高 晶體晶體 高分高分 子子 材料材料 共價鍵共價鍵范范 鍵鍵 氫氫 鍵鍵 較低較低 最最低低 良好的良好的絕緣絕緣 性能性能 良好的良好的絕熱絕熱 性能性能 較較低低 較較低低 較較差差 大多數(shù)為非晶體， 少大多數(shù)為非

9、晶體， 少數(shù)為晶體與非晶體數(shù)為晶體與非晶體的混合物的混合物 原子或分子原子或分子的排列方式的排列方式 有無固定有無固定的熔點(diǎn)的熔點(diǎn) 有無幾何有無幾何 外形外形 各向性能各向性能 轉(zhuǎn)變過程轉(zhuǎn)變過程 晶體晶體 簡單簡單 分子分子 有規(guī)則的有規(guī)則的 周期性周期性 重復(fù)排列重復(fù)排列 （有序的）（有序的） 有固定有固定 熔點(diǎn)熔點(diǎn)如如 水水 0 鐵鐵 1538 一般有一定一般有一定的幾何外形的幾何外形 如食鹽、冰如食鹽、冰糖、雪花、糖、雪花、 單晶單晶 各向異性各向異性 多晶多晶 各向同性各向同性 結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變過程 無序無序有序有序 伴隨體積收縮伴隨體積收縮 形核長大過程形核長大過程 非晶體非晶體

10、 復(fù)雜大復(fù)雜大分子分子 無規(guī)則排列無規(guī)則排列（無序的）（無序的） 長程無序長程無序 短程有序短程有序 無固定無固定 熔點(diǎn)熔點(diǎn) 逐漸軟化逐漸軟化 如瀝青如瀝青 無一定的無一定的 幾幾何外形何外形 如橡膠、松如橡膠、松香、瀝青香、瀝青 各向同性各向同性 簡單冷卻過程簡單冷卻過程 過冷的液體過冷的液體 高溫長時間加熱高溫長時間加熱 如玻璃如玻璃 晶態(tài)玻璃晶態(tài)玻璃 非晶體非晶體 晶體晶體 金屬玻璃金屬玻璃 液態(tài)下快速冷卻液態(tài)下快速冷卻 如金屬液體（如金屬液體（106K/S） Ni-Ta-Mn-Cr合金的樹枝狀界面合金的樹枝狀界面取樣取樣 - - 磨制磨制 - - 拋光拋光 - - 腐蝕腐蝕- - 觀察

11、觀察各種晶粒的組合特征，即晶粒的相對量、大各種晶粒的組合特征，即晶粒的相對量、大 小、形狀及分布特征等。小、形狀及分布特征等。 用肉眼或放大鏡觀察到的組織。用肉眼或放大鏡觀察到的組織。 光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡下觀察到的內(nèi)部光學(xué)顯微鏡或電子顯微鏡下觀察到的內(nèi)部 組織組織（又稱金相組織）。（又稱金相組織）。u易隨成分及加工工藝而變化。易隨成分及加工工藝而變化。u是影響材料性能非常敏感而重要的結(jié)構(gòu)因素。是影響材料性能非常敏感而重要的結(jié)構(gòu)因素。1.4 1.4 晶體材料的組織晶體材料的組織指兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬指兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經(jīng)熔煉、燒結(jié)或用其它方法組合而成的具有金屬特

12、經(jīng)熔煉、燒結(jié)或用其它方法組合而成的具有金屬特性的物質(zhì)。性的物質(zhì)。如：銅鎳合金、碳鋼、合金鋼、鑄鐵如：銅鎳合金、碳鋼、合金鋼、鑄鐵 組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。組成合金的最基本的、獨(dú)立的物質(zhì)。 如：如：Cu-NiCu-Ni合金，合金，F(xiàn)e-FeSFe-FeS合金合金 如：如：Fe-CFe-C二元系合金二元系合金 如：如：Fe-C-CrFe-C-Cr三元系合金三元系合金 ：合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一、并以界合金中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一、并以界 面相互分開的均勻組成部分。面相互分開的均勻組成部分。 如：單相不銹鋼（如：單相不銹鋼（A A）、單相黃銅）、單相黃銅 如：雙相不銹鋼（如：雙相不銹

13、鋼（A+FA+F）、雙相黃銅）、雙相黃銅 具有單一相的組織。純鐵、純鋁具有單一相的組織。純鐵、純鋁 具有兩種或兩種以上的相的組織。具有兩種或兩種以上的相的組織。 描述單相組織的特征：描述單相組織的特征：對材料的性能有重要影響。對材料的性能有重要影響。 尺寸越小，強(qiáng)度越高，塑性、韌性越好尺寸越小，強(qiáng)度越高，塑性、韌性越好 等軸晶、柱狀晶等軸晶、柱狀晶( (圖圖1-16,P2541-16,P254圖圖6-266-26） 如：定向凝固如：定向凝固晶粒形狀除與凝固條件有關(guān)外，也會隨壓力加工工晶粒形狀除與凝固條件有關(guān)外，也會隨壓力加工工藝而變化。藝而變化。如：板材冷軋，絲材冷拔如：板材冷軋，絲材冷拔1.

14、4 1.4 晶體材料的組織晶體材料的組織1.4 1.4 晶體材料的組織晶體材料的組織 單向凝固技術(shù)是根據(jù)凝固理論，通過控制散單向凝固技術(shù)是根據(jù)凝固理論，通過控制散熱方向和溫度梯度，使凝固從鑄件的一端開始，熱方向和溫度梯度，使凝固從鑄件的一端開始，沿陡峭的溫度梯度方向逐步進(jìn)行，從而獲得具有沿陡峭的溫度梯度方向逐步進(jìn)行，從而獲得具有方向性的柱狀晶或自生復(fù)合材料（如共晶合金等）方向性的柱狀晶或自生復(fù)合材料（如共晶合金等）的一種凝固技術(shù)。的一種凝固技術(shù)。 制取單晶體的基本原理：保證液體結(jié)晶時只制取單晶體的基本原理：保證液體結(jié)晶時只形成一個晶核，并由這個晶核長成一個單晶體。形成一個晶核，并由這個晶核長成一個單晶體。下圖下圖 為普通鑄造葉片為普通鑄造葉片( (a a) )、單向凝固生產(chǎn)的葉片單向凝固生產(chǎn)的葉片( (b b) )和單晶葉片和單晶葉片( (c c) )。單晶葉片的高溫性能最好，單晶葉片的高溫性能最好，單向凝固葉片次之。單向凝固葉片次之。1.4 1.4 晶體材料的組織晶體材料的組織 以兩相合金組織說明多相組織以兩相合金組織說明多相組織對材料性能的影響。對材料性能的影響。若兩相晶粒尺度相當(dāng)若兩相晶粒尺度相當(dāng), ,且為等軸狀，均勻交替分布且為等軸狀，均勻交替分布 則則: :若兩相晶粒尺度相差甚遠(yuǎn)，尺寸較小的相以球狀、若兩