會計學1第二章-材料結構與性能

在外界條件固定時，材料的性能取決于材料內部的構造。這種構造便是組成材料的原子種類和分量，以及它們的排列方式和空間分布。習慣上將前者叫做成分，后者叫做組織結構，而我們把這兩者統稱為結構。物質通常具有三種存在形態：氣態、液態、固態，而在使用狀態下的材料通常都是固態。(材料在固態下結合方式及結構特點

)第1頁/共85頁第一節材料的結合方式

在所有的固體中，原子靠鍵結合在一起。鍵使固體具有強度和相應的電學和熱學性能。例如，強的鍵導致高熔點、高彈性模量、較短的原子間距和較低的熱膨脹系數。第2頁/共85頁一、結合鍵1.離子鍵第3頁/共85頁2.共價鍵共價鍵是一種強吸引力的結合鍵。當兩個相同原子或性質相近的原子接近時，價電子不會轉移，原子間借共用電子對所產生的力而結合，形成共價鍵。第4頁/共85頁共價鍵使原子間有很強的吸引力，這一點在金剛石中很明顯，金剛石是自然界中最硬的材料，而且它完全是由碳原子組成。每個碳原子有四個價電子，這些價電子與鄰近原子共用，形成完全由價電子對結合而成的三維點陣。這些三維點陣使金剛石具有很高的硬度和熔點。第5頁/共85頁3.金屬鍵

第6頁/共85頁金屬是由金屬鍵結合而成的，它具有同非金屬完全不同的特性。金屬原子的外層電子少，容易失去。當金屬原子相互靠近時，這些外層原子就脫離原子，成為自由電子，為整個金屬所共有，自由電子在金屬內部運動，形成電子氣。這種由自由電子與金屬正離子之間的結合方式稱為金屬鍵第7頁/共85頁4．分子鍵

分子鍵又叫范德華鍵，是最弱的一種結合鍵。它是靠原子各自內部電子分布不均勻產生較弱的靜電引力，稱為范德華力，由這種分子力結合起來的鍵叫做分子鍵。第8頁/共85頁5．氫鍵

另一種范德華力實際上是極性分子的一種特殊情況。C－H、O－H或N－H鍵端部暴露的質子是沒有電子屏蔽的，所以，這個正電荷可以吸引相鄰分子的價電子，于是形成了一種庫侖型的鍵，稱為氫鍵，氫鍵是所有范德瓦爾斯鍵中最強的。第9頁/共85頁氫鍵最典型的例子是水，一個水分子中氫質子吸引相鄰分子中氧的孤對電子，氫鍵使水成為所有低分子量物質中沸點最高的物質。第10頁/共85頁二、結合鍵對材料性能的影響1．金屬材料

金屬材料的結合鍵主要是金屬鍵。1）金屬具有良好的導電性；2）金屬的導熱性好；3）正的電阻溫度系數；4）具有良好的變形能力；

第11頁/共85頁另外，自由電子可以吸收光的能量，因而金屬不透明；而所吸收的能量在電子回復到原來狀態時產生輻射，使金屬具有光澤。第12頁/共85頁2．陶瓷材料

陶瓷材料通常具有極高的熔點和硬度，但同時陶瓷材料的脆性也很大。

第13頁/共85頁簡單說來，陶瓷材料是包含金屬和非金屬元素的化合物，其結合鍵主要是離子鍵和共價鍵，大多數是離子鍵。離子鍵賦予陶瓷材料相當高的穩定性，所以陶瓷材料通常具有極高的熔點和硬度，但同時陶瓷材料的脆性也很大。第14頁/共85頁3．高分子材料具有很好的力學性能。

第15頁/共85頁高分子材料的結合鍵是共價鍵、氫鍵和分子鍵。其中，組成分子的結合鍵是共價鍵和氫鍵，而分子間的結合鍵是范德瓦爾斯鍵。盡管范德瓦爾斯鍵較弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子間的作用力也相應較大，這使得高分子材料具有很好的力學性能。第16頁/共85頁三、晶體與非晶體1．晶體

晶體的特點是1）結構有序；2）物理性質表現為各向異性；3）有固定的熔點。

第17頁/共85頁2．非晶體

非晶體的結構是原子無序排列，這一點與液體的結構很相似，所以非晶體往往被稱為過冷液體。典型的非晶體材料是玻璃，所以非晶體也被稱為玻璃體。

第18頁/共85頁雖然非晶體在整體上是無序的，但在很小的范圍內觀察，還是有一定的規律性，所以在結構上稱之為短程有序。第19頁/共85頁

非晶體材料的特點是1）結構無序；2）物理性質表現為各向同性；3）沒有固定熔點；4）導熱率和熱膨脹性??；5）塑性形變大；6）組成的范圍變化大。第20頁/共85頁3．晶體和非晶體的轉化比如，金屬液體在高速冷卻條件下可以得到非晶態金屬，即所謂的金屬玻璃；而玻璃經過適當處理，也可形成晶態玻璃。有些物質可以看成是有序和無序的中間狀態，如塑料、液晶、準晶態等。

第21頁/共85頁非晶體結構是短程有序，即在很小的尺寸范圍內存在著有序性，而晶體內部也有缺陷，在很小的尺寸范圍內也存在著無序性。所以兩者之間也有共同特點。而物質在不同條件下，既可形成晶體結構，也可形成非晶體結構。第22頁/共85頁第二節金屬及合金的結構第23頁/共85頁一、晶體的基本概念晶體結構指晶體內部原子規則排列的方式。晶體結構不同，其性能往往相差很大。第24頁/共85頁為了便于分析研究各種晶體中原子或分子的排列情況，通常把原子抽象為幾何點，并用許多假想的直線連接起來，這樣得到的三維空間幾何格架稱為晶格。第25頁/共85頁

圖1簡單立方晶體

（a）晶體結構（b）晶格（c）晶胞第26頁/共85頁

為了描述晶格中原子排列的緊密程度，通常采用配位數和致密度（K）來表示。配位數是指晶格中與任一原子處于相等距離并相距最近的原子數目；致密度是指晶胞中原子本身所占的體積百分數，即晶胞中所包含的原子體積與晶胞體積（V）的比值。第27頁/共85頁二、常見純金屬的晶格類型常見的晶格類型有以下三種：

1.體心立方晶格

體心立方晶格的晶胞如圖2-4所示。它的形狀是一個立方體，其晶格常數a=b=c，所以只要一個常數a即可表示；其α=β=γ=90o。在體心立方晶胞中，原子位于立方體的八個頂角和中心。屬于這類晶格的金屬有α-Fe、Cr、V、W、Mo、Nb等。第28頁/共85頁

圖2體心立方晶胞

（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數第29頁/共85頁2．面心立方晶格

面心立方晶胞如圖所示。它的形狀也是一個立方體。在面心立方晶胞中，原子位于立方體的八個頂角和六個面的中心。屬于這類晶格的金屬有γ-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb等第30頁/共85頁

圖3面心立方晶胞

（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數第31頁/共85頁3.密排六方晶格

密排六方晶胞如圖4所示。它是一個正六面柱體，在晶胞的12個角上各有一個原子，上底面和下底面的中心各有一個原子，上下底面的中間有三個原子。屬于這類晶格的金屬有Mg、Zn、Be、Cd等。第32頁/共85頁

圖4密排六方晶胞

（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子數其晶格常數用正六邊形底面的邊長a和晶胞的高度c來表示。兩者的比值c/a≈1.633第33頁/共85頁三、晶面指數和晶向指數晶體中原子排列的規律性，可以從晶面和晶向上反映出來。晶體中各種方位上的原子面叫做晶面，各種方向上的原子列叫做晶向。第34頁/共85頁1．晶面指數

確定晶面指數的步驟如下：

（1）設晶格中某一原子為原點，通過該點平行于晶胞的三棱邊作OX、OY、OZ三坐標軸，以晶格常數a、b、c分別作為相應的三個坐標軸上的度量單位，求出所需確定的晶面在三坐標軸上的截距。

（2）將所得三截距之值變為倒數。

（3）再將這三個倒數按比例化為最小整數，并加上一圓括號，即為晶面指數，一般表示為（hkl）。第35頁/共85頁2．晶向指數

確定晶向指數的步驟如下：

（1）通過坐標原點引一直線，使其平行于所求的晶向。

（2）求出該直線上任意一點的三個坐標值。

（3）將三個坐標值按比例化為最小整數，加一方括號，即為所求的晶面指數，其一般形式為［uvw］。第36頁/共85頁四、實際金屬的晶體結構在實際應用的金屬材料中，總是不可避免地存在著一些原子偏離規則排列的不完整性區域，這就是晶體缺陷。第37頁/共85頁一般說來，金屬中這些偏離其規定位置的原子數很少，即使在最嚴重的情況下，金屬晶體中位置偏離很大的原子數目至多占原子總數的千分之一。因此，從總體來看，其結構還是接近完整的。盡管如此，這些晶體缺陷不但對金屬及合金的性能有重大影響，而且還在擴散、相變、塑性變形和再結晶等過程中扮演重要角色。第38頁/共85頁1．多晶體

通常使用的金屬都是由很多小晶體組成的，這些小晶體內部的晶格位向是均勻一致的，而它們之間，晶格位向卻彼此不同，這些外形不規則的的顆粒狀小晶體稱為晶粒。每一個晶粒相當于一個單晶體。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界。這種由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體。第39頁/共85頁

多晶體的性能在各個方向基本上是一致的，這是由于多晶體中，雖然每個晶粒都是各向異性的，但它們的晶格位向彼此不同，晶體的性能在各個方向相互補充和抵消，再加上晶界的作用，因而表現出各向同性。

晶粒的尺寸很小，如鋼鐵材料一般為3mm左右，必須在顯微鏡下才能看見。在顯微鏡下觀察到的金屬中晶粒的種類、大小、形態和分布稱為顯微組織，簡稱組織。金屬的組織對金屬的機械性能有很大的影響。第40頁/共85頁2．晶體缺陷

根據晶體缺陷的幾何形態特征，一般將它們分為以下三類：

（1）點缺陷（2）線缺陷（3）面缺陷第41頁/共85頁實際金屬晶體內部，由于鑄造、變形等一系列原因，其局部區域原子的規則排列往往受到干擾和破壞，不象理想晶體那樣規則和完整，從而影響到金屬的許多性能。實際金屬晶體中原子排列的這種不完整性，通常稱為晶體缺陷。第42頁/共85頁點缺陷

晶格中某個原子脫離了平衡位置，形成空結點，稱為空位。某個晶格間隙擠進了原子，稱為間隙原子。材料中總存在著一些其它元素的雜質，它們可以形成間隙原子，也可能取代原來原子的位置，成為置換原子，三種點缺陷的形態第43頁/共85頁線缺陷

晶體中最普通的線缺陷就是位錯，它是在晶體中某處有一列或若干列原子發生了有規律的錯排現象。這種錯排現象是晶體內部局部滑移造成的，根據局部滑移的方式不同，可以形成不同類型的位錯，刃型位錯和螺型位錯。第44頁/共85頁第45頁/共85頁位錯的存在對金屬的強度有著重要的影響，如圖所示。從圖中可見，增加或降低位錯密度，都能有效地提高金屬強度。理想晶體的強度很高，位錯的存在可降低強度，當位錯大量產生后，強度又提高。由于沒有缺陷的晶體很難得到，所以生產中一般依靠增加位錯密度來提高金屬強度，但塑性隨之降低。第46頁/共85頁面缺陷

面缺陷包括晶界和亞晶界。如前所述，晶界是晶粒與晶粒之間的界面，由于晶界原子需要同時適應相鄰兩個晶粒的位向，就必須從一種晶粒位向逐步過渡到另一種晶粒位向，成為不同晶粒之間的過渡層，因而晶界上的原子多處于無規則狀態或兩種晶粒位向的折衷位置上。另外，晶粒內部也不是理想晶體，而是由位向差很小的稱為嵌鑲塊的小塊所組成，稱為亞晶粒，尺寸為10－4～10－6cm。亞晶粒的交界稱為亞晶界。第47頁/共85頁晶粒之間位向差較大，亞晶粒之間位向差較小。大于10°～15°的晶界稱為大角度晶界，亞晶界是小角度晶界，其結構可以看成是位錯的規則排列。面缺陷能提高金屬材料的強度和塑性。細化晶粒是改善金屬機械性能的有效手段。第48頁/共85頁五、合金的相結構所謂合金，是指兩種或兩種以上的金屬元素，或金屬元素與非金屬元素組成的具有金屬特性的物質。合金具有比純金屬高得多的強度、硬度、耐磨性等機械性能，是工程上使用得最多的金屬材料。

第49頁/共85頁純金屬具有良好的物理和化學性能，但機械性能很差，價格昂貴，種類有限。為了滿足各種機器零件對不同性能的要求，因此出現了合金。（先）第50頁/共85頁組成合金最基本的、獨立的物質稱為組元。通常，合金的組元就是組成合金的各種元素，但某些穩定的化合物也可以看成是組元。根據合金組元個數不同，把由兩個組元組成的合金稱為二元合金，由三個或三個以上組元組成的合金稱為多元合金。第51頁/共85頁組成合金的元素相互作用會形成各種不同的相。相是指合金中具有同一化學成分、同一結構和原子聚集狀態，并以界面互相分開的、均勻的組成部分。第52頁/共85頁固態金屬一般是一個相，而合金則可能是幾個相。由于形成條件不同，各相可以不同的數量、形狀、大小組合。在顯微鏡下觀察，可以看到不同的組織。第53頁/共85頁固態合金的相，可分成兩大類：若相的晶體結構與某一組成元素的晶體結構相同，這種固相稱為固溶體；若相的晶體結構與組成合金元素的晶體結構均不相同，這種固相稱為金屬化合物。第54頁/共85頁1．固溶體

組成合金的元素互相溶解，形成一種與某一元素的晶體結構相同，并包含有其它元素的合金固相，稱為固溶體。第55頁/共85頁其中，與合金晶體結構相同的元素稱為溶劑，其它元素稱為溶質。固溶體一般用α、β、γ……來表示。第56頁/共85頁（1）置換固溶體

溶質原子占據溶劑晶格的某些結點位置而形成的固溶體稱為置換固溶體。

通常，當溶劑與溶質原子尺寸相近，直徑差別較小，容易形成置換固溶體；當直徑差別大于15%時，就很難形成置換固溶體了。置換固溶體中原子的分布通常是任意的，稱之為無序固溶體。在某些條件下，原子成為有規則的排列，稱為有序固溶體。兩者之間的轉變稱為固溶體的有序化。這時，合金的某些物理性能將發生很大的變化。第57頁/共85頁（2）間隙固溶體

溶質原子進入溶劑晶格的間隙中而形成的固溶體稱為間隙固溶體，其中的溶質原子不占據晶格的正常位置。只有溶質原子與溶劑原子的直徑之比小于0.59時，才會形成間隙固溶體。通常，間隙固溶體都是由原子直徑很小的碳、氮、氫、硼、氧等非金屬元素溶入過渡族金屬元素的晶格間隙中而形成的。第58頁/共85頁（3）固溶體的溶解度

溶質原子溶入固溶體中的數量稱為固溶體的濃度，在一定條件下的極限濃度叫做溶解度。如果固溶體的溶解度有一定的限度，這叫做有限固溶體。但是，當置換固溶體的溶質原子與溶劑原子直徑差別很小，且晶體結構相同，在周期表中的位置又靠得較近，則它們就有可能以任何成分比例形成固溶體，這種固溶體叫做無限固溶體。

影響溶解度的因素有原子尺寸、晶格類型、電化學性質以及電子濃度等。第59頁/共85頁（4）固溶體的性能

無論是置換固溶體還是間隙固溶體，由于溶質原子尺寸與溶劑原子不同，其晶格都會產生畸變。由于晶格畸變增加了位錯移動的阻力，使滑移變形難以進行，因此固溶體的強度和硬度提高，塑性和韌性則有所下降。這種通過溶入某種溶質元素來形成固溶體而使金屬的強度、硬度提高的現象稱為固溶強化。第60頁/共85頁2．金屬化合物

金屬化合物是合金組元間相互作用所形成的一種晶格類型及性能均不同于任一組元的合金固相。一般可用分子式大致表示其組成。第61頁/共85頁金屬化合物一般有較高的熔點、較高的硬度和較大的脆性。合金中出現化合物時，可提高強度、硬度和耐磨性，但降低塑性。根據金屬化合物的形成規律及結構特點，可將其分為三大類型：正常價化合物、電子化合物、間隙化合物

第62頁/共85頁1）正常價化合物

周期表上相距較遠，電化學性質相差較大的兩元素容易形成正常價化合物。其特點是符合一般化合物的原子價規律，成分固定，并可用化學式表示。如Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Si、MnS等。

正常價化合物具有高的硬度和脆性。當其在合金中彌散分布于固溶體基體中時，將起到強化相的作用，使合金強化。第63頁/共85頁2）電子化合物

電子化合物是由第Ⅰ族或過渡族元素與第Ⅱ至第Ⅴ族元素結合而成的。它們不遵循原子價規律，而服從電子濃度規律。電子濃度是指合金中化合物的價電子數目與原子數目的比值。

第64頁/共85頁電子化合物具有高的熔點和硬度，但塑性較低，一般只能作為強化相存在于合金特別是有色金屬合金中。

電子化合物的結構取決于電子濃度，當電子濃度為3/2時，晶體結構為體心立方晶格，稱為β相；電子濃度為21/13時，晶體結構為復雜立方晶格，稱為γ相；電子濃度為7/4時，晶體結構為密排六方晶格，稱為ε相。合金中常見的電子化合物見表2-1。第65頁/共85頁第66頁/共85頁3）間隙化合物

間隙化合物是由過渡族金屬元素與碳、氮、氫、硼等原子半徑較小的非金屬元素形成的金屬化合物。根據組成元素原子半徑比值及結構特征的不同，可將間隙化合物分為兩類：間隙相和具有復雜結構的間隙化合物。第67頁/共85頁a）間隙相

當非金屬原子半徑與金屬原子半徑比值小于0.59時，形成具有簡單晶格的間隙化合物，稱為間隙相，如TiC、TiN、ZrC、VC、NbC、Mo2N、Fe2N等。

間隙相具有極高的熔點、硬度和脆性，而且十分穩定，是高合金工具鋼的重要組成相，也是硬質合金和高溫金屬陶瓷材料的重要組成相。第68頁/共85頁b）具有復雜結構的間隙化合物

當非金屬原子半徑與金屬原子半徑的比值大于0.59時，形成具有復雜結構的間隙化合物。如鋼中的Fe3C、Cr23C6、Fe4W2C、Cr7C3、Mn3C等。

第69頁/共85頁具有復雜結構的間隙化合物也具有很高的熔點、硬度和脆性，但與間隙相相比要稍低一些，加熱時也易于分解。這類化合物是碳鋼及合金鋼中重要的組成相。金屬化合物也可以溶入其它元素的原子，形成以金屬化合物為基的固溶體。第70頁/共85頁材料性能是用于表征材料在給定外界條件下行為的一種參量。例如用表征材料在外力作用下拉伸行為的屈服強度、抗拉強度、斷裂強度等力學性能又例如用表征材料在外磁場作用下行為的矯頑力:剩余磁感、貯藏的磁能等磁學性能材料性能是由其結構決定的第三節材料的性能第71頁/共85頁一、力學性能

材料受力后就會產生變形，材料力學性能是指材料在受力時的行為。描述材料變形行為的指標是應力σ和應變ε，σ是單位面積上的作用力，ε是單位長度的變形。描述材料力學性能的主要指標是強度、延性和韌性。其中，強度是使材料破壞的應力大小的度量；延性是材料在破壞前永久應變的數值；而韌性卻是材料在破壞時所吸收的能量的數值。第72頁/共85頁圖材料力學性能的指標圖第73頁/共85頁設計師們對這些力學性能制訂了各種各樣的規范。例如，對一種鋼管，人們要求它有較高的強度，但也希望它有較高的延性，以增加韌性，由于在強度和延性二者之間往往是矛盾的，工程師們要做出最佳設計常常需要在二者中權衡比較。同時，還有各種各樣的方法確定材料的強度和延性。當鋼棒彎曲時就算破壞，還是必須發生斷裂才算破壞？答案當然取決于工程設計的需要。但是這種差別表明至少應有兩種強度判據：一種是開始屈服，另一種是材料所能承受的最大載荷，這說明僅僅描述材料強度的指標至少就有兩個以上。一般來說，描述材料力學性能的指標有以下幾項：第74頁/共85頁

圖1-6應力-應變圖（a）無塑性變形的脆性材料（例如鑄鐵）；（b）有明顯屈服點的延性材料（例如低碳鋼）；（c）沒有明顯屈服點的延性材料（例如純鋁）。1.彈性和剛度第75頁/共85頁在圖中的σ—ε曲線上，OA段為彈性階段，在此階段，如卸去載荷，試樣伸長量消失，試樣恢復原狀。材料的這種不產生永久殘余變形的能力稱為彈性。A點對應的應力值稱為彈性極限，記為σe。

材料在彈性范圍內，應力與應變成正比，其比值E=σ/ε（MN/m2）稱為彈性模量。E標志著材料抵抗彈性