材料的结构与性能特点

第一章材料的结构与性能

固体材料的性能主要取决于其化学成分、组织结构及加工工艺过程。所谓结构就是指物质内部原子在空间的分布及排列规律。

材料的相互作用

组成物质的质点（原子、分子或离子）间的相互作用力称为结合键。主要有共价键、离子键、金属键、分子键。

离子键

形成：正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键称为离子键。

特性：离子键没有方向性，无饱和性。NaCI晶体结构如图

NH1晶体结构

性能特点：离子晶体的硬度高、热膨胀系数小，但脆性

大，具有很好的绝缘性。典型的离子晶体是无色透明的。

共价键

形成：元素周期表中的W A、皿、W A族大多数元素或电负性不

大的原子相互结合时，原子间不产生电子的转移，以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。这种由共用电子对产生的结合键称为共价键。氧化硅中硅氧原子间共价键，其结构如图所示。

性能特点：共价键结合力很大，所以共价晶体的强度、硬度咼、脆性大，熔点、沸点咼，挥发度低。

金属键

形成：由金属正离子与电子气之间相互作用而结合的方式称为金属键。如图所示。

性能特点：

1）良好的导电性及导热性；

2）正的电阻温度系数；

3）良好的强度及塑性；

4）特有的金属光泽。

分子键

形成：一个分子的正电荷部位与另一分子的负电荷部位间以微弱静电引力相引而结合在一起称为范德华键（或分子键）。

特性：分子晶体因其结合键能很低，所以其熔点很低，硬度也低。但其绝缘性良好。

材料的结合键类型不同，则其性能不同。常见结合键的特性

见表1-1

晶体材料的原子排列

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。晶体的主要特点是：①结构有序；②物理性质表现为各向异性；③有固定的熔点；④在一定条件下有规则的几何外形。

理想的晶体结构

1•晶体的基本概念

(1) 晶格与晶胞

晶格是指描述晶体排列规律的空间格架。 从晶格中取出一个 最

能代表原子排列特征的最基本的几何单元， 称为晶胞。晶胞各棱边 的尺寸称为晶格常数。

简单立方晶格、晶胞示意图

(2) 晶系

按原子排列形式及晶格常数不同可将晶体分为七种晶系

(3) 原子半径

原子半径是指晶胞中原子密度最大方向相邻两原子之间距 离的一

半。

(4) 晶胞中所含原子数

晶胞中所含原子数是指一个晶胞内真正包含的原子数目。

(5) 配位数和致密度

配位数是指在晶体结构中，与任一原子最近邻且等距离的原 子

数。

致密度(K )是指晶胞中原子所占体积分数，即K = n v 7V 式中，n

为晶胞所含原子数、v 7为单个原子体积、V 为晶胞体积。

2 •

常见金属的晶格类型

q ］词羊立冇晶招'.晶胞不倉图 b )晶格

匚)晶胞

（1）体心立方晶格（bcc晶格）

1）原子排列特征体心立方晶格的晶胞如图所示

（Q模型（b）晶胞（c）晶胞原子数

体心立方晶胞示意图

2）晶格常数a=b=c a= p= Y=90°。

3）原子半径。

4）晶胞所含原子数2个原子。

5）配位数&

6）致密度68%。

7）具有体心立方晶格的金属：a -Fe、怜Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余种金属。

（2）面心立方晶格（fcc晶格）

1）原子排列特征面心立方晶格的晶胞如图所示。

(b)晶胞

(a)模型

面心立方晶胞示意图

3)原子半径

O

Ag 等。

(3)密排六方晶格

hep 晶格)

(a)模型

(c)晶胞原子数

1)原子排列特征 密排六方晶格的晶胞

Cu 、Pb 、

Au 、

7)具有面心立方晶格的金属：丫 -Fe 、Ni 、Al 、

4)晶胞所含原子数4个原子。 ⑹晶胞

密排六方晶胞示意图

2）晶格常数 a=b=c, a =p =Y =90°

5)配位数12。 G)晶胞原子数

6)致密度74%。

2）晶格常数

3）原子半径

4）晶胞所含原子数6 个原子。

5）配位数12。

6）致密度74%。

7）具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、a-Ti等。

3 .立方晶系的晶面、晶向表示方法

在晶体中，由一系列原子所组成的平面称为晶面。任意两个原子之间的连线称为原子列，其所指方向称为晶向。表示晶面的符号称为晶面指数；表示晶向的符号称为晶向指数。

1）每一个晶面指数（或晶向指数）泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。

2）立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。

3）原子排列情况相同但空间位向不同的晶面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。

4）不同晶体结构中不同晶面、不同晶向上的原子排列方式和排列紧密程度是不一样的。

4.晶体的各向异性

金属晶体不同方向上性能不同，这种性质叫做晶体的各向异

性。

实际晶体结构

一块晶体内部晶格位向完全一致，称该晶体为单晶体。由多晶粒构成的晶体称为多晶体。

实际晶体中存在的晶体缺陷，按缺陷几何特征可分为以下三

种：

1•点缺陷

点缺陷是指在三维尺度上都很小而不超过几个原子直径的

缺陷。

⑴空位

⑵间隙原子

⑶置换原子，如图所示。

点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生了扭曲一晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，金属的密度发生变化。

空位

点缺陷示意图

2.线缺陷

线缺陷是指二维尺度很小而另一维尺度很大的缺陷。它包括

各种类型的位错。所谓位错是指晶体中一部分晶体相对另一部分晶体 发生了一列或若干列原子有规律的错排现象。第一个图为刃型位错, 第二个图为螺型位错。

位错密度可用单位体积中位错线总长度来表示，即

式中，P 为位错密度（m-2）; E L 为位错线的总长度（m ）; V 为 体积（m3）。位错的存在极大地影响金属的力学性能，如图所示

正刃型位错

刃型位错示意图

3

3.面缺陷

面缺陷是指二维尺度很大而另一尺度很小的缺陷。金属晶体中的面缺陷主要有晶界和亚晶界。

晶粒与晶粒之间的接触界面称为晶界。如图（a）所示。亚晶粒之间的交界称为亚晶界。如图（b）所示。

晶界、亚晶界处具有许多特殊性能。

（a ）晶界示意图 G ）亚晶界示意图

面缺陷

非晶态材料中的原子排列

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。非晶体的特点是：①结构无序；②物理性质表现为各向 同性；③没有固定的熔点；④热导率（导热系数）和膨胀性小等。

组成合金的最基本独立单元叫做组元。由两个组元组成的合

熔

体

1

1

fl r 体

体

晶

金称为二元合金，由三个组元组成的合金称为三元合金

合金的相结构、组织及其关系

相是指合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状 态，并

以界面相互分开的、均匀的组成部分。

所谓组织是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形态

或各相形态之间的组合状态。

组织是由组成相的形态所构成的。同一相在不同的条件下可 具有

不同的形态，因而可形成不同的组织。

固溶体

合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与 组元

之一相同的固相，称为固溶体。与固溶体结构相同的组元为溶剂， 其它组元为溶质。

1•固溶体的分类

体与间隙固溶体两种

⑵按溶质原子在固溶体中的溶解度，固溶体可分为有限固溶体和 无限固溶体两种

⑶按溶质原子在固溶体内分布是否有规则， 固溶体分为有序 固溶

⑴按溶质原子在溶剂晶格中的位置,

固溶体可分为置换固溶

貫换固溶体示意图

溶体示意图

O

溶剂原子

i 容质原子

O

溶剂原子

*

溶质瘵子

间隙固

体和无序固溶体两种。

金属化合物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。其性能特点是熔点一般较高，硬度高，脆性大。金属化合物是许多合金的重要组成相（常作为强化相）。

1. 正常价化合物

组元间电负性相差较大，且形成的化合物严格遵守化合价规律，此类化合物称为正常价化合物。例如：Mg2Si、Cu2Se、ZnS、AlP 等。性能特点是硬度高、脆性大。

2. 电子化合物

组元间形成化合物不遵守化合价规律，但符合一定电子浓度（化合物中价电子数于原子数之比），则此类化合物称为电子化合物。此类化合物的熔点和硬度较高，塑性较差，在许多有色金属中作为重要的强化相。

3. 间隙化合物

由过渡族元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物称为间隙化合物。

1）间隙相当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59 时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。一些间隙相及晶格类型见表1-6。间隙相具有金属特性，有极高的熔点及硬度，非常

稳定，见表1-7

2）复杂结构的间隙化合物当非金属原子半径与金属原子半径之比大于0.59时，形成具有复杂结构的间隙化合物。钢中的Fe3C、

Cr23C6、FeB、Fe4W2C、Cr7C3、Fe2B 等均属于这类化合物。

机原子

碳原子

合金性能

1•固溶体与固溶强化

通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强

化。固溶强化是金属强化的重要方式之一。固溶体的综合力学性能较好，常作为合金材料的基体相。

2•化合物与第二相强化

化合物的性能特点是熔点一般较高，硬度高，脆性大。金属化合物是许多合金的重要组成相（常作为强化相）。

以第二相（化合物等）作为强化相来提高合金材料的强度称为第二相强化。其强化效果取决于化合物的形态。

高聚物的结构

高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物

是分子量很大的化合物，每个分子可含几千、几万甚至几十万个原子。

大分子链的结构

1.结构单元的化学组成

在元素周期表中只有皿A、W A、V A、切A中部分非金属、

亚金属元素（如N、C、B、0、P、S、Si、Se等）才能形成高分子

链。由于高聚物中常见的C、H、0、N等元素均为轻元素，所以高分子材料具有密度小的特点

2•高分子链的形态

（1）高分子链的几何形态

1）线型分子链由许多链节组成的长链，通常是卷曲成线团状。这类结构高聚物的特点是弹性、塑性好，硬度低，是热塑性材料的典型结构。

2）支化型分子链在主链上带有支链。这类结构高聚物的性能和加工都接近线型分子链高聚物。

3）体型分子链分子链之间由许多链节相互横向交联。具有

这类结构的高聚物硬度高、脆性大、无弹性和塑性，是热固性材料的典型结构。

（2）高分子链的构象及柔顺性

1）链的构象

由于单链内旋转所产生的大分子链的空间形象称为大分子链的构象。

2）柔顺性

由于构象变化获得不同卷曲程度的特性。这种能拉伸、

回缩的性能称为分子链的柔性，这是聚合物具有弹性的原因。

高聚物的聚集态结构

高分子化合物的聚集态结构是指高聚物内部高分子链之间的几何排

列或堆砌结构,也称超分子结构。依分子在空间排列的规整性可将

高聚物分为结晶型、部分结晶型和无定型（非晶态）三类。

在实际生产中大多数聚合物都是部分晶态或完全非晶态。晶态结构在高分子化合物中所占的质量分数或体积分数称为结晶度。结晶度越高，分子间作用力越强，因此高分子化合物的强度、硬度、刚度和熔点越高，耐热性和化学稳定性也越好；而与键运动有关的性能，如弹性、伸长率、冲击韧性则降低。

陶瓷的结构

陶瓷亦称无机非金属材料，是指用天然硅酸盐（粘土、长石、石英等）或人工合成化合物（、氧化物、碳化物、硅化物等）为原料，经粉碎、配置、成型和高温烧制而成的无机非金属材料。陶瓷的基本相结构主要有:晶相、玻璃相、气相等。

晶体相

晶体相是陶瓷的主要组成相：主要有硅酸盐、氧化物和非氧化物等。它们的结构、数量、形态和分布，决定陶瓷的主要性能和应用。

玻璃相

玻璃相是一种非晶态物质。其作用：

①粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度；

②降低烧成温度，加快烧结；

③阻止晶体转变，抑制其长大；

④获得透光性等玻璃特性；

⑤不能成为陶瓷的主导相：对陶瓷的机械强度、介电性能、

耐热耐火性等不利。

气相

气相是陶瓷内部残留的孔洞；成因复杂，影响因素多。

陶瓷根据气孔率分致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。气孔对

陶瓷的性能不利（多孔陶瓷除外）

气孔率：普通陶瓷5%〜10%

特种陶瓷5%以下

金属陶瓷低于0.5%

陶瓷的性能主要取决于晶相。同时还与各相的组织有关。

工程材料的性能

工程材料的力学性能

1•强度

强度是指材料在外力作用下抵抗永久变形和破坏的能力，单位为

MPa。

1）弹性与刚度材料在弹性范围内，应力与应变的比值。/£称为弹性模数E （单位MPa）。E标志材料抵抗弹性变形的能力，用以表

示材料的刚度。

2）屈服点o s 表示材料抵抗微量塑性变形的能力，单位为MPa。铸铁等材料没有明显的屈服现象，则用条件屈服点（° 0.2）来表示，即产生0.2%残余应变时的应力值。零（构）件在工程中一般不允许发生明显的塑性变形，所以° s是设计时的主要参数。

MPa 是设计选材的主要参数之一。

（2）变载时的强度最常用的时疲劳强度。材料在大小和方向重复偱环变化载荷作