绪论第一章材料的内部结构信息.ppt

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1、工程材料uu授课教师：李伯琼工程材料课程：工程材料课程：高等院校机械类专业一门十分重要的技高等院校机械类专业一门十分重要的技术基础课。术基础课。本课程的目的：本课程的目的：从机械工程的应用角度出发，了解材从机械工程的应用角度出发，了解材料的料的成分、加工工艺、组织、结构与性能成分、加工工艺、组织、结构与性能之间的关系；掌握常用机械工程材料及其之间的关系；掌握常用机械工程材料及其应用等基本知识，具备根据机械零件使用应用等基本知识，具备根据机械零件使用条件和性能要求，对结构零件进行合理选条件和性能要求，对结构零件进行合理选材及制订零件工艺路线的初步能力。材及制订零件工艺路线的初步能力。成绩考核：成

2、绩考核：成绩考核：成绩考核：平时成绩（平时成绩（30%）+卷面成绩（卷面成绩（70%）闭卷闭卷 平时测验平时测验10分分作业作业10分分考勤考勤10分分学学学学习习习习要要要要求求求求认真听讲记笔记独立完成作业重点难点累计三次旷课累计三次旷课取消考试资格取消考试资格绪论uu材料是人类用来制造各种产品的物质，是人类生材料是人类用来制造各种产品的物质，是人类生材料是人类用来制造各种产品的物质，是人类生材料是人类用来制造各种产品的物质，是人类生活和生产的物质基础。人类社会的发展伴随着材活和生产的物质基础。人类社会的发展伴随着材活和生产的物质基础。人类社会的发展伴随着材活和生产的物质基础。人类社会的发

3、展伴随着材料的发明和发展。料的发明和发展。料的发明和发展。料的发明和发展。黄河镇河大铁牛(唐开元12年铸)绪论uu新材料新工艺重大成果新材料新工艺重大成果 涤纶安全带 耐磨陶瓷 绝缘陶瓷 玻璃钢赛车壳体 玻璃钢储液罐 绪论光缆磁浮列车（时速430公里）镁铝合金叶轮 镁铝合金手机壳 我国汽车工业发展迅猛，汽车材料需求迅速增加。我国汽车工业发展迅猛，汽车材料需求迅速增加。人造卫星 运载火箭 飞船“神舟”五号飞行成功超7隐形战斗机 歼7E战斗机 工程材料的结构、组织和性能 Vedio研究固态物质的内部研究固态物质的内部结构结构，即原子排列和分布规律是，即原子排列和分布规律是了解掌握材料性能的基础，才

4、能从内部找到改善和发了解掌握材料性能的基础，才能从内部找到改善和发展新材料的途径。展新材料的途径。结构、组织结构、组织性能加工工艺第一章工程材料的内部结构uu1 掌握重要的术语和基本概念；uu2 了解材料的原子键合及其特性；uu3 理解材料的原子排列和合金相结构；uu4 理解材料的性能与主价键的定性关系和原子排列中的缺陷；uu6 常掌握见的金属晶格类型。1.1工程材料的原子键合及其特性 离子键示意图氯化钠结构离子键、共价健、金属键和分子键离子键、共价健、金属键和分子键 一、离子键一、离子键 周期表中相隔较远的正电性元素原子周期表中相隔较远的正电性元素原子和负电性元素原子接触时，前者失去最外和负

5、电性元素原子接触时，前者失去最外层价电子变成带正电荷的正离子，后者获层价电子变成带正电荷的正离子，后者获得电子变成带负电荷的满壳层负离子。得电子变成带负电荷的满壳层负离子。正离子和负离子由静电引力相互吸引；正离子和负离子由静电引力相互吸引；当它们十分接近时发生排斥，引力和斥力当它们十分接近时发生排斥，引力和斥力相等即形成稳定的相等即形成稳定的离子键离子键。NaCl、MgCl2、CaO、Al2O3 离子键的结合力很大，因此离子晶体离子键的结合力很大，因此离子晶体的硬度高，强度大，热膨胀系统小，但脆的硬度高，强度大，热膨胀系统小，但脆性大。性大。二、共价键二、共价键 相邻原子共用核外价电子，形成稳

6、定的电子满壳层的结相邻原子共用核外价电子，形成稳定的电子满壳层的结相邻原子共用核外价电子，形成稳定的电子满壳层的结相邻原子共用核外价电子，形成稳定的电子满壳层的结构。这种由共用价电子对产生的结合键叫构。这种由共用价电子对产生的结合键叫构。这种由共用价电子对产生的结合键叫构。这种由共用价电子对产生的结合键叫共价键共价键共价键共价键。共价键示意图 金刚石结构 属于共价晶体的还有属于共价晶体的还有SiC、Si3N4、BN等化合物。共价键等化合物。共价键的结合力很大，所以共价晶体的结合力很大，所以共价晶体强度高、硬度高、脆性大、熔点强度高、硬度高、脆性大、熔点高、沸点高和挥发性低。高、沸点高和挥发性低

7、。三、金属键三、金属键原子很容易丢失其价电子而成为正离子。被丢失的价电子为全体原子很容易丢失其价电子而成为正离子。被丢失的价电子为全体原子所公有。这些公有化的电子叫做自由电子，在正离子之间自原子所公有。这些公有化的电子叫做自由电子，在正离子之间自由运动，形成所谓电子云。正离子和电子云之间产生由运动，形成所谓电子云。正离子和电子云之间产生强烈的静电强烈的静电吸引力吸引力，使全部离子结合起来。这种结合力就叫做使全部离子结合起来。这种结合力就叫做金属键金属键。金属键示意图 二、金属键二、金属键 金属由金属键结合金属由金属键结合金属由金属键结合金属由金属键结合，因此金属具有下列特性：，因此金属具有下列

8、特性：，因此金属具有下列特性：，因此金属具有下列特性：1.1.良好的导电性和导热性。良好的导电性和导热性。良好的导电性和导热性。良好的导电性和导热性。2.2.正的电阻温度系数。正的电阻温度系数。正的电阻温度系数。正的电阻温度系数。3.3.不透明并呈现特有的金属光泽。不透明并呈现特有的金属光泽。不透明并呈现特有的金属光泽。不透明并呈现特有的金属光泽。4.4.良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好。钼的结构四、分子键四、分子键 一些高分子材料和陶瓷，他们的分子具有极性，即分子的一

9、些高分子材料和陶瓷，他们的分子具有极性，即分子的一些高分子材料和陶瓷，他们的分子具有极性，即分子的一些高分子材料和陶瓷，他们的分子具有极性，即分子的一部分带正电荷，而另一部分往往带负电荷，一个分子的一部分带正电荷，而另一部分往往带负电荷，一个分子的一部分带正电荷，而另一部分往往带负电荷，一个分子的一部分带正电荷，而另一部分往往带负电荷，一个分子的正电荷部位与另一个分子的负电荷部位以微弱的静电吸引正电荷部位与另一个分子的负电荷部位以微弱的静电吸引正电荷部位与另一个分子的负电荷部位以微弱的静电吸引正电荷部位与另一个分子的负电荷部位以微弱的静电吸引力结合在一起，这种结合键叫力结合在一起，这种结合键叫

10、力结合在一起，这种结合键叫力结合在一起，这种结合键叫范德瓦尔或分子键。范德瓦尔或分子键。范德瓦尔或分子键。范德瓦尔或分子键。范德瓦尔范德瓦尔范德瓦尔范德瓦尔力很弱，因此由分子键结合的固体材料熔点低、硬度力很弱，因此由分子键结合的固体材料熔点低、硬度也很低，因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。也很低，因无自由电子，因此材料有良好的绝缘性。uu按按结结合合键键的的性性质质，工工程程材材料料分分类类如如下下：工程材料的分 类uu一、金属材料一、金属材料 金属材料金属材料:绝大多数金属材料的结合键是金属键，少数具有绝大多数金属材料的结合键是金属键，少数具有共价键（如灰锡）和离子键如金属间化合物共价键

11、（如灰锡）和离子键如金属间化合物Mg3Sb2)。所以。所以金属材料的金属特性特别明显金属材料的金属特性特别明显 最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。最简最重要的工程材料，包括金属和以金属为基的合金。最简单的金属材料是纯金属。单的金属材料是纯金属。工程应用的金属材料，工程应用的金属材料，原子间的结合键基本上为金属键，原子间的结合键基本上为金属键，皆为金属晶体材料。皆为金属晶体材料。工业上把金属和其合金分为两大部分工业上把金属和其合金分为两大部分（1）黑色金属黑色金属 铁和以铁为基的合金铁和以铁为基的合金(钢、铸铁和铁合金钢、铸铁和铁合金)；（2）有色金属有色金属 黑色金属以外的所有金属

12、及其合金。黑色金属以外的所有金属及其合金。二、高分子材料uu 高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。高分子材料为有机合成材料，亦称聚合物。uu 只含有非金属元素的材料可共有电子而构成大分子材料只含有非金属元素的材料可共有电子而构成大分子材料只含有非金属元素的材料可共有电子而构成大分子材料只含有非金属元素的材料可共有电子而构成大分子材料绝大多数金属材料的结合键是金属键，少数具有共价键（如绝大多数金属材料的结合键是金属键，少数具有共价键（如灰锡）和离子键灰锡）和离子键.如金属间化合物如金属间化合物Mg3Sb2)。所以金属材

13、料。所以金属材料的金属特性特别明显的金属特性特别明显三、陶瓷材料uu陶瓷是一种或多种金陶瓷是一种或多种金陶瓷是一种或多种金陶瓷是一种或多种金属元素同一种非金属属元素同一种非金属属元素同一种非金属属元素同一种非金属元素元素元素元素(通常为氧通常为氧通常为氧通常为氧)的化的化的化的化合物。合物。合物。合物。莫来石复相陶瓷陶瓷材料的结合键是离子键和共价键，大部分材料以离子键为陶瓷材料的结合键是离子键和共价键，大部分材料以离子键为主。所以陶瓷材料具有高的熔点和很高的硬度，但脆性较大。主。所以陶瓷材料具有高的熔点和很高的硬度，但脆性较大。四、复合材料uu复合材料就是两种或两种以上不同材料的组合材料，其性

14、复合材料就是两种或两种以上不同材料的组合材料，其性复合材料就是两种或两种以上不同材料的组合材料，其性复合材料就是两种或两种以上不同材料的组合材料，其性能优于它的组成材料。能优于它的组成材料。能优于它的组成材料。能优于它的组成材料。钛基复合材料第一章工程材料的内部结构1.2 材料的原子排列（概念）1.2.1 1.2.1 原子排列长程有序及晶体原子排列长程有序及晶体原子排列长程有序及晶体原子排列长程有序及晶体晶体晶体 非晶体非晶体-通常按原子在物质内部的排列规通常按原子在物质内部的排列规则性将物质分为晶体和非晶体。则性将物质分为晶体和非晶体。晶体：晶体：所谓晶体是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重

15、所谓晶体是指原子在其内部沿三维空间呈周期性重复排列的一类物质复排列的一类物质.几乎所有金属、大部分的陶瓷以及部分聚合物在其凝固后具几乎所有金属、大部分的陶瓷以及部分聚合物在其凝固后具有晶体结构。有晶体结构。晶体的主要特点是：晶体的主要特点是：结构有序；结构有序；物理性质表现为各向异物理性质表现为各向异性；性；有固定的熔点；有固定的熔点；在一定条件下有规则的几何外形。在一定条件下有规则的几何外形。1.2.2 1.2.2 原子排列短程有序及非晶态原子排列短程有序及非晶态原子排列短程有序及非晶态原子排列短程有序及非晶态1.2 材料的原子排列（概念）非晶体：非晶体：所谓非晶体是指原子在其内部沿三维空间

16、呈紊所谓非晶体是指原子在其内部沿三维空间呈紊乱、无序排列的一类物质。乱、无序排列的一类物质。典型的非晶体材料是玻璃。虽然非品体在整体上是无序典型的非晶体材料是玻璃。虽然非品体在整体上是无序的，但在很小的范围内原子排列还是有一定规律性的，的，但在很小的范围内原子排列还是有一定规律性的，所以原子的这种排列规律又称所以原子的这种排列规律又称“短程有序短程有序”；非晶体的特点是：非晶体的特点是：结构无序；结构无序；物理性质表现为各向同性；物理性质表现为各向同性；没有没有固定的熔点；固定的熔点；热导率（导热系数）热导率（导热系数）和热膨胀性小；和热膨胀性小；在相同应力作用在相同应力作用下，非晶体的塑性形

17、变大；下，非晶体的塑性形变大；组成组成非晶体的化学成分变化范围大。非晶体的化学成分变化范围大。1.2 材料的原子排列1.2.3 1.2.3 晶体结构与空间点阵晶体结构与空间点阵晶体结构与空间点阵晶体结构与空间点阵晶体结构晶体结构晶体结构晶体结构=空间点阵基元空间点阵基元空间点阵基元空间点阵基元空间点阵空间点阵空间点阵空间点阵 晶格晶格晶格晶格 晶胞晶胞晶胞晶胞阵点阵点为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可为了便于分析研究晶体中质点的排列规律性，可先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简先将实际晶体结构看成完整无缺的理想晶体并简化，将其中每个质点抽象为规则排列于空间的几化，将其中每个质点抽

18、象为规则排列于空间的几何点，称之为阵点。何点，称之为阵点。空间点阵空间点阵这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完这些阵点在空间呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环境，这种由它们在三维空间全相同的周围环境，这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。规则排列的阵列称为空间点阵，简称点阵。晶体结构：构成晶体的基元（原子、离子、分子等）在三维空间的具体的规律的排列方式 具有代表性的基本单元（最小平行六面体）具有代表性的基本单元（最小平行六面体）作为点阵的组成单元，称为晶胞。作为点阵的组成单元，称为晶胞。晶格晶格晶胞晶格 晶胞晶胞同一空间点阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞同一空间点

19、阵可因选取方式不同而得到不相同的晶胞1.2 材料的原子排列1.2.4 1.2.4 晶面指数和晶向指数晶面指数和晶向指数晶面指数和晶向指数晶面指数和晶向指数uu晶向：晶体中原子的位置、原子排列的方向晶向：晶体中原子的位置、原子排列的方向晶向：晶体中原子的位置、原子排列的方向晶向：晶体中原子的位置、原子排列的方向uu晶面：原子构成的平面晶面：原子构成的平面晶面：原子构成的平面晶面：原子构成的平面uuMillerMiller（密勒）指数统一标定晶向指数和晶面（密勒）指数统一标定晶向指数和晶面（密勒）指数统一标定晶向指数和晶面（密勒）指数统一标定晶向指数和晶面指数指数指数指数1.3 金属的晶体结构金属

20、的晶体结构金属晶体三种典型晶胞金属晶体三种典型晶胞金属晶体三种典型晶胞中的原子数金属晶体三种典型晶胞中的原子数典型晶胞中晶格常数与原子半径关系示意图典型晶胞中晶格常数与原子半径关系示意图体心立方中的间隙位置示意图体心立方中的间隙位置示意图各种类型的位错各种类型的位错在空间三维方向上的尺寸很小，在空间三维方向上的尺寸很小，约为几个原子间距约为几个原子间距位错：晶体中的原子发生的有规律的错排现象位错：晶体中的原子发生的有规律的错排现象晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面，晶界：晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面，称为晶粒间界，简称晶界。称为晶粒间界，简称晶界。点缺陷点缺陷1.4 晶体缺

21、陷晶体缺陷1 1空位空位 2 2 间隙原子和置换原子间隙原子和置换原子 点缺陷点缺陷 面缺陷面缺陷1 1外表面外表面 2 2 晶界晶界 3 3 相界相界 4 4 堆垛层错堆垛层错 5 5 孪晶界孪晶界uu合金合金 两种或两种以上的金属元素，或金属元素与两种或两种以上的金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成，非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成，并具有金属特性的物质并具有金属特性的物质uu 组元组元 组成合金组成合金最基本的独立的最基本的独立的物质物质uu 相相 合金中具有合金中具有同一聚集状态同一聚集状态、相同晶体结构相同晶体结构，成分和性能均一成分和性能均一，

22、并，并以界面相互分开以界面相互分开的组成部分的组成部分uu组织：组织：是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布及各相之间的组合状态形状、尺寸、分布及各相之间的组合状态1.5合金相结构合金相结构(基本概念基本概念)1.5 合金相结构合金相结构(基本概念基本概念)置换固溶体间隙固溶体固溶体：固溶体：溶质原子完全溶于固态溶剂中，并保持溶剂元素溶质原子完全溶于固态溶剂中，并保持溶剂元素的晶格类型的合金的晶格类型的合金1.5.1固溶体固溶体影响固溶体类型和溶解度的主要因素：组元的原子半径、电化学性质和晶格类型等。影响固溶体类型和溶解度的主要因素：组元的

23、原子半径、电化学性质和晶格类型等。固溶体中大、小溶质原子引起的晶格畸变示意图固溶体的结构固溶体的结构固溶体中溶质原子分布示意图固溶体中溶质原子分布示意图有序固溶体的晶体结构1.5.2中间相中间相 中间相中间相中间相中间相(金属间化合物金属间化合物金属间化合物金属间化合物)：uu合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物，或称中间相金属化合物元的新相即为金属化合物，或称中间相金属化合物uu两组元两组元两组元两组元AA、BB组成合金时，除了可形成固溶体之外，如果溶组成合金时，除了可形成固溶体之外，如果溶组成合金时，

24、除了可形成固溶体之外，如果溶组成合金时，除了可形成固溶体之外，如果溶质含量超过其溶解度时，便可形成新相，其成分处于质含量超过其溶解度时，便可形成新相，其成分处于质含量超过其溶解度时，便可形成新相，其成分处于质含量超过其溶解度时，便可形成新相，其成分处于AA在在在在BB中和中和中和中和BB在在在在AA中的溶解度之间中的溶解度之间中的溶解度之间中的溶解度之间习题uu1 解释概念：晶体结构、固溶体、点缺陷、解释概念：晶体结构、固溶体、点缺陷、线缺陷、面缺陷、主价键（离子键、共价线缺陷、面缺陷、主价键（离子键、共价键、金属键）、空间点阵，晶界、位错键、金属键）、空间点阵，晶界、位错。uu2 实际晶体中存在哪几类缺陷。实际晶体中存在哪几类缺陷。P32(9)uu3常见的金属晶格类型有哪几种？常见的金属晶格类型有哪几种？-Fe、-Fe、Al、Cu、Ni、Cr、V、Mg、Zn各属何种晶体结构？各属何种晶体结构？