工程材料中的原子排列

工程材料中的原子排列本章介绍了决定材料性能的两个根本性问题：原子间的结合键和晶体结构。

原子结合成分子或固体时，原子间产生的相互作用力，称为结合键。

根据电子围绕原子的分布方式不同，可将结合键分为5类：离子键、共价键、金属键、分子键及氢键。

重点讨论了前四种键的特性及他们和材料性能间的关系。

根据结合键的不同，我们通常把工程材料分为金属材料、高分子（聚合物）材料及陶瓷材料3类。

除结合键外，晶体结构是决定材料性能的又一根本性问题。

在晶体材料的理想状态中，原子有着规则性的排列。

因此，首先建立了晶体结构与空间点阵、晶格、晶胞等概念；并讨论了晶体中晶面和晶向的概念及其表示方法；指出了金属中常见的bcc，fcc，hcp三种典型的晶格类型，陶瓷中常见的氯化钠型结构和金刚石型结构。

但是，实际晶体中的结构远远不是理想的，而是存在好多类型不同的缺陷，尽管这些缺陷很少，可能在1010个原子中只有1个脱离其平衡位置，但这些缺陷极为重要。

按照几何特征，晶体中的缺陷可分为点缺陷（包括空位和间隙原子）、线缺陷（错位）和面缺陷（包括晶界、亚晶界等）。

点缺陷是热力学上一种稳定的缺陷。

任何温度下，都有一定浓度的点缺陷存在；但过饱和的点缺陷，可使材料的屈服强度升高。

点缺陷是扩散及与扩散有关的塑性形变、化学热处理、相变等过程的基础。

位错是晶体缺陷中极为重要的一种缺陷。

主要讨论了错位的特征（分类）、柏氏矢量的性质、作用在位错上的力及位错的运动、位错周围的应力场与应变能、位错的增殖、交割等。

对于实际晶格中的位错，以面心立方点阵晶体为例进行了分析。

在面缺陷中，主要是认识晶界的结构和特性，因为晶界对材料的力学、腐蚀、冶金性能等影响很大。

基本要求：. 认识材料的3大类别（金属、聚合物、陶瓷）及其分类的基础。

. 建立单位晶胞的概念，用以想象原子的空间排列。

. 熟悉常见晶体中原子的规则排列形式，特别是bcc，fcc和hcp；还有NaCl结构和金刚石结构。

. 掌握晶面、晶向指数的标定方法。

若给出晶体中具体的晶向、晶面时会标注“指数”；若给出具体的“指数”时，能在三维空间图上找出其位置。

. 认识晶体缺陷的基本类型、基本特征、基本性质。

注意位错线和柏氏矢量，位错线移动方向、晶体滑移方向与外加切应力之间的关系。

. 了解位错应力场的特点及应变能的计算；位错的增殖、塞积和交割。

. 了解晶界的特性和分类。

固体中的相结构在工程实际中得到广泛应用的是合金。

合金是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经熔炼、烧结等组合而成并具有金属特性的物质。

它与纯金属不同，在一定的外界条件下，具有一定成分的合金其内部不同区域可能具有不同的成分、结构和性能。

人们把具有相同（或连续变化的）成分、结构和性能的区域称为“相”。

合金的组织就是由不同的相组成。

在其他工程材料中也有类似情形。

尽管各种材料的组织有多种多样，但构成这些组织的相却仅有数种。

本章的重点就是介绍这些相的结构、形成规律及性能特点，以便认识组织，进而控制和改进材料的性能。

按照结构特点，可以把固体中的相大致分为五类。

固熔体及金属化合物这两类相是金属材料中的主要组成相。

固熔体的结构特点是它具有熔剂组元的点阵类型。

根据熔质原子的分布，固熔体可分为置换固熔体及间隙固熔体。

其中，根据Hume-Rothery规则提出的影响置换固熔体固熔度大小的因素（原子尺寸、电负性、电子浓度、晶体结构等）是核心内容。

据此，我们可以在一定的条件下对金属中的固熔度作出预测。

由于熔质原子的存在产生固熔强化，使金属在强度、硬度提高的同时，还保持了较高的塑性，因而结构材料中常以固熔体作为基体相。

金属化合物的晶体结构，则既不同于熔剂，也不同于熔质，而是组成了一个新点阵。

其中，正常价化合物具有NaCl或CaF2型结构；电子化合物则取决于其电子浓度；间隙相具有简单晶体结构，间隙化合物则具有复杂晶体结构。

此类总的性能特点是硬而脆，故常用作强化相。

陶瓷相是构成陶瓷材料的基本相。

它由金属元素与非金属元素化合组成。

与金属一样，具有晶体结构，但与金属不同的是其结构中并没有大量的自由电子，而是以离子键或共价键为主。

陶瓷相的结构可分为两大类：一类是氧化物，它具有典型离子化合物的晶体结构；另一类是硅酸盐结构，它取决于硅氧四面体[SiO4]在空间的组合情况，通常分为岛状、链状、层状及骨架状4类。

一般认为，陶瓷相中的AX化合物具有立方体结构，在这些化合物中具有相同数目的正离子与负离子；其次是AmXp型化合物，如CaF2。

Ca2+与F-1的配位数不同，因为m/p≠1。

未被占据的间隙位置将会导致晶格的扭曲；AmBnXp型化合物被用来描述较复杂的陶瓷结构。

玻璃相是非结晶材料（液体、玻璃、部分塑料、非晶态金属、陶瓷材料等）中的重要组成相。

在微观结构上它不具有点阵特征，在性能上则表现为各向同性。

分子相是指固体中分子的聚集状态，它是高分子材料中的重要组成相。

它主要由非金属元素组合而成的大分子，这是构成高聚物的基础。

每一个大分子都是由一种或几种简单的低分子物质重复连接而成（就像晶体中的单位晶胞）。

不论分子的大小，分子内键合很强（原子是由共价键的强吸引力而结合），而分子间的键却较弱（范德瓦尔键）。

分子相的结构可分为无定型结构与晶态结构，它决定了这些分子固体的性能。

基本要求：. 理解Hume-Rothery规则，能用实例说明影响固熔度的因素。

. 比较间隙固熔体、间隙相及间隙化合物的结构和性能特点。

. 熟悉金属间化合物的分类、特点及性能。

. 认识陶瓷相的3种结构类型及性能特点。

. 了解AX化合物的结构。

. 了解硅氧四面体（SiO4）在硅酸盐结构中的意义。

. 认识高聚物的结构特点及大分子的聚集态结构。

凝固物质从液态冷却转变为固态的过程称为凝固。

凝固后的物质可以是晶体，也可以是非晶体。

若凝固后的物质为晶体，则这种凝固称为结晶；若凝固后的物质为非晶体，则这种凝固称为玻璃化。

凝固后是否形成晶体，主要由液态的黏度和冷却速度决定。

一般来说，黏度高的物质（如部分聚合物，特别是结构不规则的分子、具有边块的分子及链分枝的分子），其晶体结构的基元很难由液体形成，故易形成非晶体，而黏度小的物质易形成晶体；冷却速度也有直接的影响，如果冷却速度大于107 ℃/s时，金属也能获得非晶态。

缩紧本章的重点是从热力学和动力学条件，分析了结晶时形核及形核过程中体系的能量变化。

指出均匀形核时，必须在⊿G<0 (即⊿T>0)条件下，依靠过冷液相中的相起伏（大于临界晶核半径rk的晶胚）和能量起伏（临界形核功σS）才能实现形核，故十分困难，要求较大的过冷度。

而非均匀形核是利用液相中的活性质点或固体界面作为基底而实现的形核，故比均匀形核要容易得多。

在相同过冷度下，非均匀形核的临界半径与均匀形核时的临界半径完全相同，所不同的是，在非均匀形核时临界半径只是决定晶核的曲率半径，接触角θ才决定晶核的形状和大小。

θ角越小，晶核的体积和表面积越小，形核需要的过冷度减小形核便越容易。

缩紧晶体（核）的生长，与液－固界面的微观结构及液－固界面前液相中的温度梯度有关。

具有粗糙界面的金属，其成长机理为固相界面上各点呈垂直式凝聚液态原子而成长，界面的动态过冷度很小（约为0.01～0.05℃），成长速率很快。

具有平滑界面的晶体，其成长机理可能有两种方式：一是在晶体学完整的界面上成长，则需要先在晶面上形成二维晶核，再在侧面进行台阶式成长，如此反复进行；二是界面上存在螺旋形位错台阶或孪晶台阶时，成长则连续地按台阶方式进行，界面的动态过冷度较大（约为1～2℃），成长速度较慢。

晶体成长的界面形貌主要决定于界面前沿液体中的温度梯度。

在正的温度梯度下，两种界面结构的晶体均呈平直界面；在负温度梯度下成长时，一般金属的界面都呈树枝状（只有那些α值较高的物质仍保持平直界面形状）。

基本要求：. 明确结晶相变的热力学、动力学、能量及结构条件。

. 过冷度在结晶过程中有何意义？过冷度、临界过冷度、动态过冷度之间的区别。

. 均匀形核与非均匀形核的成因及在生产中的应用。

. 影响接触角的因素有哪些？选择什么样的异相质点可以大大促进结晶过程？. 认识界面的生长形态与液-固界面的结构及界面前沿液相中的温度梯度的关系。

. 能用结晶理论说明生产实际问题，如铸件晶粒细化工艺、单晶体的制取原理及工艺、定向凝固技术、急冷凝固技术。

相图相图是用来表示材料中相的状态、温度及成分之间关系的综合图形，其所表示的相的状态是平衡状态，因而是在一定温度、成分条件下热力学最稳定、自由能最低的状态。

利用相图不仅可以分析平衡态的组织及不平衡态可能的组织变化，制定材料生产和处理的工艺，而且可以用来研制、开发新材料。

对材料工作者来说,相图是一种不可缺少的重要工具。

本章的重点，是详细地介绍了二元相图中的三种基本类型相图，分析了他们的平衡及不平衡结晶过程、结晶组织形态、相组成物的相对量计算、组织对性能的影响规律等。

通过对铁碳合金相图的讨论，进一步掌握二元相图的分析方法。

二元相图中的核心内容，首先是固熔体的非平衡结晶与材料中的偏析。

固熔体合金非平衡结晶时，由于冷却较快，结晶过程中形成的固相内熔质原子来不及扩散而造成的最终在一个晶粒内成分不均匀的现象，称为微观偏析（也称为枝晶偏析）；若在缓慢顺序结晶条件下，由于液-固界面前沿液相中熔质原子发生重新分布而造成的最终沿合金棒长度方向上熔质浓度不同的现象，称为宏观偏析。

固熔体的组织形态，与成分过冷有关。

随着成分过冷倾向的增大,其生长形态从平面状生长向胞状生长演变，进而发展成树枝状生长。

其次是共晶系合金凝固后的组织。

共晶系合金（如Pb-Sn系）平衡凝固后的显微组织可分为α+βII,α初+βII+(α+β)共,(α+β)共，β初+αII+(α+β)共等4类。

共晶系合金非平衡凝固后的显微组织中可能形成伪共晶、非平衡共晶、离异共晶等。

本章中还介绍了有关三元相图的知识。

由于比二元系多了一个组元，故三元相图是由一系列相空间（相区）组成的三维立体图形，其成分用浓度三角形表示。

二元相图中的一些规则，如相区接触法则、直线法则（杠杆定律），在三元相图中同样适用。

为了便于分析三元相图，常采用某些等温截面和变温截面。

根据三元相图可以确定该三元系中任一成分的合金随温度变化发生的相变及组织转变；同时也可确定任一给定温度下，该合金处于平衡状态时的相组成和组织组成，并利用直线法则或重心法则在其等温截面图上计算各平衡相的相对量。

书中以三元匀晶相图和三元共晶相图为例介绍了三元相图的基本结构特点以及进行上述分析的具体步骤和方法。

基本要求：弄清相、组织、组织组成物等基本概念。

熟悉匀晶、共晶、共析、包晶等相图，并能应用它们分析相应合金的平衡结晶过程及推断不平衡凝固时可能出现的组织变化。