第一章材料結構的基本知識結構材料：（強度、塑性、韌性等力學性能）功能材料：（電、磁、光、熱等物理性能）金屬材料(metals)陶瓷材料(ceramics)高分子材料(polymers)復合材料(composites)材料的分類

按使用性能分：按組成分：材料科學與工程的四個要素制備合成/加工工藝processing成分/組織結構composition/structure材料固有性能properties材料使用性能performance材料的固有性能：物理性能：電、磁、光、熱化學性能：耐腐蝕性能、抗氧化性能力學性能：強度、硬度、塑性、韌性材料的使用性能：指材料在服役條件下所表現出來的特性，它是材料的固有性能與服役條件、產品設計及加工融合在一起所決定的因素。成分決定性能。成分不同，性能不同。組織結構直接決定性能改變成分也會改變組織結構,從而改變其性能。制備合成加工過程主要是通過改變組織結構而影響其性能。材料的固有性能直接決定材料的使用性能。制備合成/加工工藝成分/組織結構材料固有性能材料使用性能舉例：河南第一工具廠生產的W4Mo3Cr4VSi鉆頭同一批材料，同一種工藝，但因鉆頭大小結構不同，最終使用性能不同。材料的使用性能：指材料在服役條件下所表現出來的特性，它是材料的固有性能與服役條件、產品設計及加工融合在一起所決定的因素。產品設計因素對使用性能的影響材料科學與工程的四個要素組織結構是核心，性能是材料研究工作的落腳點

第一章材料結構的基本知識●原子結構（atomicstructure)●原子間的結合鍵(interatomicbonding)●原子的排列方式(atomicarrangement)●晶體材料的組織(structureofcrystalmaterials)●材料的穩態與亞穩態結構(stableandmetastablestate)

第一章材料結構的基本知識

“結構”含義豐富，大致分四個層次：原子結構、原子結合鍵、材料中原子的排列方式、晶體材料的顯微組織。§1.1原子結構

◆

物質的組成

物質是由無數微粒（分子、原子、離子）按一定方式聚集而成的集合體。

◆

原子結構(atomicstructure)

原子是由原子核(由帶正電荷的質子和呈電中性的中子組成)和核外電子(帶負電荷)構成。

電子運動的軌道由四個量子數決定：主量子數n（電子層）、軌道量子數l（電子亞殼層）、磁量子數m（軌道數）、自旋角動量量子數ms（自旋方向）。

其中最重要的是主量子數n，是確定電子離核遠近和能級高低的主要參數。

在同一殼層上的電子又根據軌道量子數l的不同,分成若干能量水平不同的亞殼層,習慣上用s、p、d、f表示,反映了軌道的形狀,能量水平依次升高。磁量子數m確定了軌道的空間取向，s、p、d、f依次有1、3、5、7種空間取向。自旋量子數ms表示在每個狀態下可存在自旋方向相反的兩個電子。

s、p、d、f可容納最大電子數分別為2、6、10、14，各殼層能容納的電子總數分別為2、8、18、32。即2n2

§1.1原子結構一、原子的電子排列

§1.1原子結構

一、原子的電子排列

核外電子的分布與四個量子數有關，且服從兩個基本原理：1.Pauli不相容原理(Pauli

principle)：一個原子中不可能存在四個量子數完全相同的兩個電子。

2.能量最低原理：電子總是優先占據能量低的軌道，使系統處于最低能量狀態。

§1.1原子結構一、原子的電子排列

二、元素周期表及性能的周期性變化

元素的物理性質（熔點、線膨脹系數）、化學性質（電負性）及其原子半徑都呈現周期性變化價電子：電負性：用來衡量原子吸引電子能力的參數。根據量子力學，各個殼層的S態、P態中電子的充滿程度對該殼層的能量水平起著重要作用。§1.2原子間的結合鍵(interatomicbonding)

按結合力強弱分為一次鍵和二次鍵兩類一次鍵(primaryinteratomicbonds):又稱化學鍵或主價鍵，鍵力由弱到強依次是：金屬鍵→離子鍵→共價鍵二次鍵(secondarybonding):又稱物理鍵或次價鍵，主要有范德華鍵和氫鍵兩種。一、一次鍵（化學鍵、主價鍵）

1.金屬鍵(metallicbond)

特點：結合力較強，電子共有化,

沒有方向性和飽和性。金屬晶體的特性：(1)良好的導電、導熱性；(2)正的電阻溫度系數；(3)不透明，具有金屬光澤；(4)具有較高的強度和良好的塑性(5)金屬之間的溶解性(固溶能力)2.離子鍵(ionicbond)特點：

結合力較強，有飽和性，無方向性離子晶體的特性：(1)硬度、熔點高，強度大(2)脆性大(3)良好的絕緣體(4)典型離子晶體無色透明，如透明Al2O3高溫觀察窗口Cl與Na形成離子鍵

一種材料由兩種原子組成，且一種是金屬，另一種是非金屬時容易形成離子鍵的結合(如左圖)。由NaCl離子鍵的形成可以歸納出離子鍵特點如下：

1.金屬原子放棄一個外層電子，非金屬原子得到此電子使外層填滿，結果雙雙變得穩定。

2.金屬原子失去電子帶正電荷，非金屬原子得到電子帶負電荷，雙雙均成為離子。

3.離子鍵的大小在離子周圍各個方向上都是相同的，所以，它沒有方向性Cl和Na離子在引力和斥力作用下，相互保持r0的距離，即F＝0，能量E為最小的位置。每一個Cl（或Na）離子與其近鄰的Na（或Cl）離子均保持這種最低的能量關系，從而形成NaCl特有的晶體結構。許多陶瓷材料主要是離子鍵結合。離子鍵的結合能比較高，所以陶瓷材料的熔點也較高。圖

Cl和Na離子保持r0的距離

圖

NaCl晶體3.共價鍵(covalentbond)

特點：結合極為牢固，有明顯的方向性和飽和性。共價晶體的特點：(1)結構穩定(2)熔點高(3)硬度高，脆性大(4)導電能力差3.共價鍵(covalentbond)

特點：結合極為牢固，有明顯的方向性和飽和性。共價晶體的特點：(1)結構穩定(2)熔點高(3)硬度高，脆性大(4)導電能力差3.共價鍵(covalentbond)

二、二次鍵（物理鍵、次價鍵）

靠原子之間的偶極吸引結合而成

1.范德華鍵二、二次鍵（物理鍵、次價鍵）

靠原子之間的偶極吸引結合而成

1.范德華鍵特點：

鍵力低于一次鍵，

沒有方向性、飽和性2.氫鍵2.氫鍵特點：(1)結合力比范德華鍵強(2)表達式：X-H…Y(3)有飽和性、方向性對高分子材料重要三.混合鍵金屬中也有共價鍵、離子鍵混和；陶瓷中離子鍵與共價鍵混合。可用下式確定AB中離子結合的相對值。離子結合(%)=例：MgOXMg=1.31,XO=3.44（電負性）代入得離子結合比例=68%(離子鍵結合)GaAsXGa=1.81,XAs=2.18.代入得離子結合比例=4%（共價鍵結合）四、結合鍵的本質及原子間距原子的結合能E0(bindingenergies)—平衡距離下的作用能,相當于把兩個原子完全分開所需的功結合能，又稱結合鍵能，其值越大，原子結合愈穩定，熔點亦越高。（見表1.1）五、結合鍵與性能

◆大多數金屬具有較高的密度:1.物理性能①熔點：高低反映了材料的穩定性程度。③密度：與結合鍵類型有關。

①較高的相對原子質量;②金屬鍵沒有方向性和飽和性,達到密排結構.

◆陶瓷達不到密排結構,密度較低:

①共價鍵有飽和性;

②離子鍵要滿足正負離子間電荷平衡要求.◆高分子材料密度最低:①二次鍵結合,分子鏈堆垛不緊密②組成原子質量小.②導熱、導電性：五、結合鍵與性能

2.力學性能

①彈性模量E（模型圖1-9）

②強度

③塑性1.物理性能三大類材料的結合鍵類型及性能特點§1.3原子的排列方式

一、晶體與非晶體

金屬及合金、絕大部分陶瓷、少數高分子材料是晶體多數高分子材料、玻璃及結構復雜材料是非晶體

區別：⑴原子（分子）是否規則排列⑵有無固定熔點⑶是否各向異性晶體與非晶體的區別§1.3原子的排列方式

一、晶體與非晶體凝固與結晶

(凝固過程視頻）

結晶過程：形核與長大過程晶核：結晶時形成的很多核心（有序原子團）。晶粒：在晶體中，如果某一小區域內原子排列規律相同，位向一致，則該小區域為一個晶粒。晶界：晶粒與晶粒間的分界面。單晶體：僅由一個晶粒組成的晶體，如金剛石。多晶體：很多晶粒組成。

§1.3原子的排列方式

一、晶體與非晶體凝固與結晶

§1.3原子的排列方式

一、晶體與非晶體凝固與結晶

§1.3原子的排列方式

一、晶體與非晶體凝固與結晶

鋼錠中的樹枝狀晶體凝固與結晶

Ni-Ta-Mn-Cr合金的樹枝狀界面§1.3原子的排列方式

一、晶體與非晶體二、原子排列的研究方法

一、組織的顯示與觀察金相試樣的制備：取樣-

磨制-拋光-腐蝕-觀察1.組織：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。

宏觀組織：用肉眼或放大鏡觀察到的組織。

顯微組織：光學顯微鏡或電子顯微鏡下觀察到的內部組織（又稱金相組織）。易隨成分及加工工藝而變化。是影響材料性能非常敏感而重要的結構因素。§1.4晶體材料的組織

2.合金：指兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬經熔煉、燒結或用其它方法組合而成的具有金屬特性的物質。如：銅鎳合金、碳鋼、合金鋼、鑄鐵

組元：組成合金的最基本的、獨立的物質。

如：Cu-Ni合金，Fe-FeS合金

二元合金：如：Fe-C二元系合金

三元合金：如：Fe-C-Cr三元系合金

多元合金3.相：合金中結構相同、成分和性能均一、并以界面相互分開的均勻組成部分。

單相合金：如：單相不銹鋼（A）、單相黃銅

雙相合金：如：雙相不銹鋼（A+F）、雙相黃銅

單相組織：具有單一相的組織。純鐵、純鋁

多相組織：具有兩種或兩種以上的相的組織。1Cr18Ni9Ti王水浸蝕，800×

1050℃固溶處理，基體為奧氏體，部分晶粒呈孿晶二、單相組織

描述單相組織的特征：晶粒尺寸及形狀★晶粒尺寸：對材料的性能有重要影響。尺寸越小，強度越高，塑性、韌性越好—

細晶強化強化材料的四種途徑：固溶強化、彌散強化、加工硬化、細晶強化。★晶粒形狀：等軸晶、柱狀晶(圖1-16,P254圖6-26）

如：定向凝固★晶粒形狀除與凝固條件有關外，也會隨壓力加工工藝而變化。如：板材冷軋，絲材冷拔§1.4晶體材料的組織

§1.4晶體材料的組織

軋態與鑄態組織的比較單向凝固技術是根據凝固理論，通過控制散熱方向和溫度梯度，使凝固從鑄件的一端開始，沿陡峭的溫度梯度方向逐步進行，從而獲得具有方向性的柱狀晶或自生復合材料（如共晶合金等）的一種凝固技術。制取單晶體的基本原理：保證液體結晶時只形成一個晶核，并由這個晶核長成一個單晶體。下圖為普通鑄造葉片(a)、單向凝固生產的葉片(b)和單晶葉片(c)。單晶葉片的高溫性能最好，單向凝固葉片次之。(a)功率降低法生產的葉片組織

(b)普通精鑄法生產的葉片組織三種方法生產的飛機發動機葉片§1.4晶體材料的組織

鍛壓、軋制等方法八級標準晶粒圖三、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。★若兩相晶粒尺度相當,且為等軸狀，均勻交替分布則:★若兩相晶粒尺度相差甚遠，尺寸較小的相以球狀、點狀、片狀、針狀彌散分布于另一相晶粒基體內，且彌散相硬度明顯高于基體相—

彌散強化★第二相在基體相的晶界上分布若第二相不連續，對性能影響不大若第二相連續分布于晶界，對性能影響較大§1.4晶體材料的組織

GCr15鍛造后的網狀碳化物

材料是有結構的，結構是分層次的，材料的結構決定材料的性能；材料的結構是可以改變的，成分、工藝等條件可以通過改變材料的結構而改變其性能，從而展現出工程材料的各種特征來。材料的結構包含四個層次:原子結構、原子結合鍵、材料中原子的排列、晶體材料的顯微組織同一材料,在不同的條件下,可得到不同的結構.穩態結構（平衡態結構）－－能量最低