1、材料科学与人类文明材料科学与人类文明 第四章第四章 材料结构基础材料结构基础l 原子、离子和分子l 金属键、离子键和共价键l 晶体结构：晶胞l 晶体缺陷：点缺陷，线缺陷，面缺陷l 合金的基本相：固溶体和中间相l 普通陶瓷的显微组织l 高分子材料结构主要内容主要内容材料的结构层次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材料的尺度1 =10-10 m1 nm=10-9 m1 m=10-6 m1 mm=10-3 m材料的尺度材料的尺度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-
2、19 库仑 电子：-1.610-19 库仑 中子：0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：mnEEh玻尔原子模型、原子结构玻尔原子模型、原子结构核外电子的排列元素周期表1s11s21s22s11s22s22p63s1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元素周期表电负性：表征原子获得电子的能力
3、电负性增加电负性降低决定材料性能的内因l成 分材料是由哪些物质(原子)构成的？l化 学 键构成材料的原子如何结合在一起？l晶体结构构成材料的原子是如何排列的？化学键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l 温度l 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热膨胀系数化学键与材料熔点化学键与材料熔点化学键化学键与化学键密切相关的性能与化学键密切相关的性能 密度密度 导电性导电性 导热性导热性 热膨胀热膨胀 硬度硬度 由于价电子结构
4、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)化学键种类化学键种类2Cl+ClCl一个原子的正、负电荷中心可能不重合，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l 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、CaF2l 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、Si3
5、N4l 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l 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特点化学键的结合强度化学键的结合强度化学键类型化学键类型键能键能 kJ/mol主要健离子键600-1500共价键100-800金属键70-850次要键共价键10-50氢键10-50各种材料中可能存在的化学键各种材料中可能存在的化学键化学键类型化学键类型离子键离子键共价键共价键金属键金属键分子键分子键金属XX一些陶瓷XX高分子XX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
6、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：n 面心立方(Face-centered cubic,FCC)n 体心立方(Body-centered cubic,BCC)n 密排六方(Hexagonal close-packed,HCP)金属晶体结构金属晶体结构金属晶体结构参数结构结构晶胞原子数晶胞原子数配位数配位数原子填充因子原子填充因子BCC280.68FCC4120.74HCP6120.74
7、举例：Cr、Mo、W、VBCC结构结构晶胞原子数1+81/8=2晶胞常数3/4Ra 68.0)3/4()34(2)34(23333RRaR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、AuFCC结构结构晶胞原子数61/2+81/8=4晶胞常数2/4Ra 74.0)2/4()34(4)34(43333RRaR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、ZrHCP结构结构晶胞原子数3+121/6+2 1/2=6晶胞常数Raac2,633.13/8/74.02633.1)2(436)34(6436)34(62323RRRcaR
8、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、纳米管同素异构体同素异构体实际晶体并不完整，含有许多缺陷晶体缺陷晶体缺陷“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，提高强度空位置换原子自间隙原子杂质间隙原子l点缺陷产生原因：点缺陷坍塌；应力作用下的塑性
9、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l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l面缺陷，包括晶界、亚晶界、相界面、表面等p孔洞(Pores)影响力学、光学、热学性能p裂纹(Cracks)影响力学性能p夹杂(Inclusions)影响力学、光学、电学性能l体缺陷，三维缺陷，包括：晶体缺陷晶体缺陷缺陷对材料的性能有很重要的影响!缺陷与材料性能缺陷与材料性能合金的基本相合金的基本相合金(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
10、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(Microstructure)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)、Si45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晶格中的间隙晶格中的间隙BCC铁中的
11、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l基础元素称为溶剂l溶入元素称为溶质固溶体的特点l 晶格型式同溶剂l 性能接近溶剂固溶体固溶体固溶体中，溶质原子造成溶剂晶格畸变，导致合金强度、硬度升高，塑性、韧性变化不大固溶强化固溶体置换固溶体间隙固溶体有限固溶体无限固溶体置换固溶体：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l 合金元素具有一定的比例l 化学分子式：不符合化合价规律(含金属键形式)l 结合方式：金属键与其它键(离子键、共价键、分子键)相混合l 晶格型式：不同于各组成元素的晶格l 具有金属的
12、性质，但性能与组成元素原有性能差别较大中间相，中间相，又称金属间化合物l 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l 电 子 化合物满足一定电子浓度值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l 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分类分类金属材料结构3层次q晶体结构：FCC、BCC、HCPq相 结 构：固溶体、中间相q组织结构：共晶组织、共析组
13、织、非金属夹杂物等金属材料结构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 l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颗粒状或块状l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l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
14、碳体金属材料的组织金属材料的组织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)00.772.11 wt%C亚共析过共析共析亚共析、共析、过共析钢亚共析、共析、过共析钢共晶2.114.306.67 wt%C亚共晶过共晶l亚共晶白口铸铁:莱氏体、珠光体、二次渗碳体l共 晶白口铸铁:莱氏体l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、过共晶白口铁亚共晶、共晶、过共晶白口铁室温组织金属材料的组织金属材料的组织取
15、决于l化学成分l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p 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p 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，
16、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l 上B羽毛状，硬脆的Cm呈细短条状分布在F晶界上，易脆性断裂，强度、韧性低，无实用价值l 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l 低C(位错)马氏体C 0.25%，板条状，
17、板条内有大量位错。硬度高，有一定韧性l 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l 无机玻璃(硅酸盐玻璃)：非晶结构类陶瓷材料l 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l 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无机非金属材料的的结构结构l金刚石型结构：C、Si、Gel硅 酸 盐结构：滑石3MgO4SiO2 H2O、高岭石 Al2O32SiO2 2H2O l玻 璃结构：SiO2 l氧化物、非氧化物晶体结构：MgO、TiO2、Al2O3、ZnO由硅氧四面体S
18、iO4(基本结构单元)组成l 链状：SiO4共有一个氧，连接成链状，如石棉纤维l 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l 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硅酸盐结构无机非金属材料无机非金属材料的的结构结构玻璃：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q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q微 晶学说由微晶构成。微晶与该玻璃成分一致，但尺度远小于一般的晶粒玻璃结构玻璃结构石英玻璃SiO4
19、四面体通过角顶连接，形成三维空间网络，但排列无序钠硅酸盐玻璃SiO2中加入碱或碱土金属，破坏SiO4四面体组成的网络微晶玻璃玻璃基体上弥散分布细小的结晶体无机非金属材料无机非金属材料的的结构结构l 阴、阳离子电荷，决定化学式l 阴、阳离子半径，决定阳离子周围的最近邻阴离子数(CN)只有阳离子和周围阴离子全部接触的结构，才是稳定的！阳阳/阴离子半阴离子半径决定空间径决定空间几何几何氧化物、非氧化物晶体结构，氧化物、非氧化物晶体结构，取决于2因素无机非金属材料无机非金属材料的的结构结构NaCl结构Na+半径：0.102 nmCl-半径：0.181 nmrc/ra=0.56CN=6类似结构化合物：M
20、gO、FeO、LiFCsCl结构Cs+半径：0.170 nmCl-半径：0.181 nmrc/ra=0.94CN=8立方ZnS结构CN=4类似结构化合物：ZnS、ZnTe、SiC、MnSCaF2结构Ca2+半径：0.100 nmF-半径：0.133 nmrc/ra=0.75CN=8类似结构化合物PtSn2、PtIn2、AuAl2氧化物、非氧化物晶体结构氧化物、非氧化物晶体结构无机非金属材料无机非金属材料的的结构结构l 化学组成一定时，其性能取决于p 晶 相：种类、数量、分布，晶粒大小、形态，结晶取向p 玻 璃 相：数量、分布p 气相(气孔)：数量、尺寸、分布晶相玻璃相气孔普通陶瓷材料由晶相、玻
21、璃相、气相构成，为多晶、多相集合体普通陶瓷的显微组织普通陶瓷的显微组织气相：存在于晶体内部、晶体与玻璃相间 一般陶瓷510%，特种陶瓷 非晶态高分子密度影响因素l 冷却速率l 单体复杂程度l 高分子链形态l 高分子链的空间构型l 共聚高分子材料结构高分子材料结构聚集态结构聚集态结构聚集态分子链特点性能特点晶态规则排列，分子间吸力大，运动困难熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性好非晶态无规则排列，易运动弹性、延伸率、韧性好部分晶态介于以上两者之间性能介于两者之间随结晶度增加，熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性提高，弹性、延伸率和韧性降低聚集态对高分子性能的影响聚集态对高分子性能的影响高分子材料结构高分子材料结构
