材料结构与性能(珍藏版)
第一章 工程材料的结构与性能
（3）维氏硬度 ）
HV
冲击韧性
断裂韧性
耐磨性
性能指标工程意义：结合材料的拉伸试验引 性能指标工程意义： 出材料的抗拉强度和屈服强度 抗拉强度和屈服强度的概念，这两个指 抗拉强度和屈服强度 标在工程设计中的意义。一个是设计机械零件的 强度指标，一个是安全性指标（配合延伸率）。 安全性指标（ 安全性指标 配合延伸率） 硬度是材料局部强度 局部强度的指标。疲劳是材料在循环 硬度 局部强度 作用下的安全指标。断裂韧性 断裂韧性也是材料安全性指 断裂韧性 标，这一指标更注重材料缺陷方面的安全性。
a）在常温下，晶界对滑移起阻 ）在常温下， 碍作用，即表现为晶界强度高。 碍作用，即表现为晶界强度高。 b）容易满足固态相变所需的 ） 能量起伏， 能量起伏，新相往往在晶界处 形核。 形核。 c）晶界处有许多的空位，原 ）晶界处有许多的空位， 子沿晶界扩散速度快。 子沿晶界扩散速度快。 d）抗腐蚀性能差，电阻较高和熔点较 ）抗腐蚀性能差， 低等。 低等。
点缺陷（空位） 线缺陷（位错） 面缺陷（晶界） 体缺陷（第二相粒子）
实际金属的强化机制
1 固溶体与固溶强化－－－－点缺陷 固溶体与固溶强化－－－－ －－－－点缺陷 2位错强化－－－－－－－－ 线缺陷 位错强化－－－－－－－－ 位错强化 3细晶强化－－－－－－－－ 面缺陷 细晶强化－－－－－－－－ 细晶强化 4化合物与第二相强化－－－ 体缺陷 化合物与第二相强化－－－ 化合物与第二相强化
1.5 陶瓷的结构
• 陶瓷的力学、物理、化学性能主要取决于主晶相。 陶瓷的力学、物理、化学性能主要取决于主晶相。陶 瓷中的晶相主要有硅酸盐、氧化物和非氧化物。 瓷中的晶相主要有硅酸盐、氧化物和非氧化物
1.7 工程材料的性能
材料的结构与性能
Figure 5. When voltage is applied to a metal, the electrons in the electron sea can easily move and carry a current
• ①良好的导电性和导热性。 金属中有大 量自由电子存在，当金属的两端存在电势 差或外加电场时，电子可以定向地流动， 使金属表现出优良的导电性。金属的导热 性很好，一是由于自由电子的活动性很强， 二是依靠金属离子振动的作用而导 热。 ②正的电阻温度系数。 即随温度 升高电阻增大。绝大多数金属具有超导性， 即在温度接近于绝对零度时电阻突然下降， 趋近于零。 ③不透明并呈现特有的金属 光泽。 金属中的自由电子能吸收并随后 辐射出大部分投射到表面的光能。 ④良 好的塑性变形能力，金属材料的强韧性 好。 金属键没有方向性，原子间也没有 选择性，所以在受外力作用而发生原子位 置的相对移动时，结合键不会遭到破坏。
and C in Figure 1.
4. [ 1 22]
Points should be noted about the use of the Miller indices for directions
Because directions are vectors, a direction and its negative are not identical; [1 00] is not equal to [100]. A direction and its multiple are identical; [100] is the same direction as [200]. Certain groups of directions are equivalent; they have their particular indices because of the way we construct the coordinates.
材料的结构与性能
X3合金结晶过程分析 亚共晶合金） （亚共晶合金） T,°C ° T,°C L 1 L+(α+ β)+α α α
183
α
L+ α
c
L
d
L+ β
e
β
2
L+ α
(α+ β)+ α α
α+β
Pb X3
(α+ β)+ α + β Ⅱ α
Sn
t
标注了组织组成物的相图
3．包晶相图 包晶转变： 包晶转变 铂-银合金包晶相图 T,°C °
（1）形核过程
两种形核方式 —— 自发形核 与 非自发形核
自发形核 由液体金属内部原子聚集尺寸超过临界晶核尺寸后形成 的结晶核心。 的结晶核心。 是依附于外来杂质上生成的晶核。 非自发形核 —— 是依附于外来杂质上生成的晶核。
（2）晶核长大过程
两种长大方式 —— 平面生长 与 树枝状生长 树枝状生长。
解：作成分线和 温度线如图。
1455
c
b1L+ α
c1 α
1280 °C
根据杠杆定律推 论， Qα / QH = a1b1 /a1c1 =12/48=1/4
18 20
30 40
66 60 Ni%
80
100
答：所求合金在 1280 °时α相的 Ni 相对质量为1/4。
2．共晶相图
液相线
铅-锡合金共晶相图
1、 材料的结构与性能
1.1 金属材料的性能 1.2 1.3 高分子材料的结构与性能 陶瓷材料的结构与性能
1.1
金属材料的性能
1.1.1 1.1.2
工艺性能 机械性能 理化性能
材料结构与性能总结
材料结构与性能总结一、基本概念:1、七大晶系：①立方晶系 a=b=c,α=β=γ=90º，有简单立方、体心立方、面心立方三种布拉菲晶胞②三方晶系 a=b=c,α=β=γ≠90º，有一种简单三方布拉菲晶胞③四方晶系 a=b≠c,α=β=γ=90º，有简单四方、体心四方二种布拉菲晶胞④正交晶系 a≠b≠c,α=β=γ=90º，有简单正交、底心正交、体心正交、面心正交四种布拉菲晶胞。
2、肖特基缺陷：在晶体内部形成空位，而表面产生新的原子层，结果就在晶体内部产生空位但没有间隙原子，这种缺陷称为肖特基缺陷。
3、佛伦克尔缺陷：间隙原子和空位成对出现的缺陷称为佛伦克尔缺陷。
4、金属键：金属中自由电子与金属正离子之间构成的键。
5、共有化运动：在晶体结构中，大量的原子按一定的周期有规则的排列在空间构成一定形式的晶格。
如果原子是紧密堆积的，原子间间距很小。
晶体中原子能级上的电子不完全局限在某一个原子上，可以由一个原子转移到相邻的原子上去，结果电子可以在整个晶体中运动。
6、能带（允带）：固体中若有N个原子，每个原子内的电子有相同的分立的能级，当这N 个原子逐渐靠近时，原来束缚在单原子中的电子，不能在一个能级上存在，从而只能分裂成N个非常靠近的能级，因为能量差甚小，可看成能量连续的区域，称为能带。
7、半导体：导电性能介于金属和绝缘体之间，具有负的电阻温度系数的一类物质。
8、非晶：无规则的外形和固定的熔点，内部结构也不存在长程有序，但在若干原子间距内的较小范围内存在结构上的有序排列—短程有序。
9、单晶：指整个晶体主要由原子（或离子）的一种规则排列方式所贯穿。
10、多晶：是由大量的微小单晶体随机堆积而成的整块材料。
11、超导体：低于某一温度出现超导电性的物质。
12、快离子导体：有一类离子晶体，有数目相当大的载流子，载流子浓度与温度无明显关系，其平均自由程大，离子导电激活能低，它们的离子电导率与液体电解质差不多，甚至更高，这类例子化合物叫做快离子导体。
材料的结构与性能
1 密度
材料的质量与体积之比， 影响其重量和浮力。
2 强度
材料的抗拉、抗压或抗弯 能力，决定其结构的稳定 性和可靠性。
3 硬度
材料的抗刮伤或压痕能力， 反映了其抗磨损性和耐久 性。
4 耐磨性
材料在受摩擦或磨削时的耐损伤能力，关系 到使用寿命和维护成本。
5 弹性
材料在受力后能恢复原状的能力，影响其应 变和变形性。
材料的结构决定其性能，在本节中将探讨不同结构对性能的影响。
材料选择的考量因素
功能要求
材料是否满足特定功能的要求，如强度、导电性 或隔热性。
可持续性
材料的环境影响和可再利用性，以及社会责任的 考虑。
经济性
材料的成本和可获得性，以及与其他选择相比的 性价比。
制造和加工
材料的可加工性和制造难度，影响生产效率和成 品质量。
材料的化学性能
1 腐蚀性
材料在接触某些化学物质时的化学反应能力 和稳定性。
2 可溶性
材料在特定溶剂中的溶解度和溶解速率，影 响其在溶液中的应用。
3 反应性
材料对其他物质的反应能力，可能产生新的 物质或改变其性能。
4 燃烧性
材料在受热或接触火焰时的燃烧特性，与安 全性和环境影响有关。
结构与性能之间的关系
材料的结构与性能
本节将介绍材料的基本结构和物理、化学性能，以及它们之间的关系。还将 讨论材料选择的考量因素。
结构与性能概述
材料的结构和性能是相互关联的，我们将在本节中了解材料的结构如何影响 其性能。
材料的基本结构
• 晶体结构 • 非晶态结构 • 晶界和微观缺陷 • 晶体与非晶态的差异
材料的物理性能
第二章材料的结构与性能2
是试
A0 Af 100%
A0
H
18
材料的一些强度特点：
很多金属材料既有高的强度，又有良好的延展性； 多晶材料的强度高于单晶材料；
这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移，改变滑移的方向。通过 控制晶粒的生长，可以达到强化材料的目的。
固溶体或合金的强度高于纯金属； 杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用。
= nZe
要增加材料的导电性，关键是增大单位体积内载流子的数目（n）和使载流子更易 于流动（增大 值）。
H
31
能带理论（Band Theory）
能带的形成
H
32
能带结构
2.1.3.5 Electrical property
H
33
各种材料的能带结构
2.1.3.5 Electrical property
SO2气体对铁的侵蚀过程
H
7
• 形成腐蚀电池的三个基本条件：电位差的存在、电解质溶液、具有不同 电位的两部分金属间有导线连接或直接接触。
海水对金属的侵蚀 （牺牲阳极保护法）
H
8
2. 耐酸碱性
无机非金属材料
Li2O、Na2O、K2O、BeO、MgO、CaO、弱碱性陶瓷 比Al2O3更偏碱性的氧化物，MgAl2O4等 Al2O3、ZrO2（中性） Cr2O3，中性略偏酸性 SiO2、 TiO2、 B2O3、SiC、B4C、Si3N4弱酸性陶瓷
力（fracture stress），表示材料对塑性变形的极限抗力。
H
17
延展性或塑性（ductility）
• 延伸率（ ，elongation）： 试样拉断后长度的相对伸长量。
lf l0 100%
•
材料结构与性能
材料结构与性能
材料的结构与性能是材料科学中的重要内容，它们直接影响着材料的使用和应用。
材料的结构指的是材料的组织形态，包括晶体结构、晶粒形状和尺寸、晶界等。
材料的性能指的是材料在外界作用下所表现出的力学性能、热学性能、电学性能、化学性能等。
材料的结构对其性能具有重要影响。
首先，材料的晶体结构决定了其力学性能。
例如，金属材料的层状晶体结构使其具有良好的延展性和塑性，而陶瓷材料的离子结构则使其具有较高的硬度和脆性。
其次，材料的晶粒形状和尺寸对其力学性能和热学性能有显著影响。
晶粒形状的不规则和尺寸的不均匀会导致材料的强度和导热性降低。
此外，晶界是材料中晶粒之间的界面，对材料的塑性和断裂性能有影响。
晶界的存在可以阻碍晶体滑移，使材料具有较高的强度和硬度。
此外，材料的性能也可以通过材料的结构进行调控。
通过改变材料的晶体结构，可以使材料具有不同的性能。
例如，金属材料可以通过控制晶体晶向来获得不同的力学性能，比如单晶金属材料具有较高的强度和导热性。
通过调控材料的晶粒尺寸和形状，可以获得不同的力学性能和热学性能。
例如，纳米材料由于其较小的晶粒尺寸，具有较高的比表面积和较高的强度。
通过控制晶界的分布和性质，可以调控材料的塑性和断裂性能。
例如，通过形成大量可动性较高的低角度晶界，可以使材料具有良好的塑性。
综上所述，材料的结构与性能之间存在着密切的关系。
通过对
材料的结构进行调控，可以使材料具有不同的性能。
因此，在材料设计和制备时，需要充分考虑材料的结构对其性能的影响，以实现材料的优化与改进。
材料结构与性能
共价键 本质 上是原子间通过共用电子或电子云重叠而产生 的结合键，是另一种重要的化学键。
金属键——由金属中的自由电子和金属正离子之 间相互作用所构成的键合，来源于失去最外层电 子的金属原子所构成的。
1.2 材料的结构 材料的结构决定材料的性质，性质是 结构的外在反映，对材料的使用性能有决 定性影响，而使用性能又与材料的使用环 境密切相关。 材料的结构取决于其组成、形成条件 （包括制备工艺及加工过程）等因素。
1.3 实际晶体结构
单晶体与多晶体 : 多晶体具有晶界
1.4 晶体缺陷
(1)点缺陷：空位、间隙原子和置换原子等。
(2)线缺陷 ：
主要是位错，位错是一种极为重要的晶体缺陷， 对金属强度、塑性变形、扩散和相变等有显著影响。
刃型位错模型
（3）面缺陷: 有晶界、亚晶界
1.5 合金的晶体结构
1.5.1 合金的相、组织及其关系
材料科学要解决的问题就是研究材 料的组成与结构、合成与加工、性质、 使用性能以及环境之间的相互关系及制 约规律。
材料结构层次
第一个层次是原子及电子结构。 第二个层次是原子的空间排列。 第三个层次是组织结构或相结构。
第一个层次是原子及电子结构。
原子中电子的排列在很大程度上决定原子 间的结合方式，决定材料类型（金属、非 金属、聚合物等），决定材料的热学、力 学、光学、电学、磁学等性质。
材料科学导论
—— 材料结构与性能
一、材料的结构
1.1材料的结合方式
材料是由原子或分子构成的。原子之间有结合力， 也称结合键。
化学键：组成物质整体的质点（原子、分子或离子） 间的相互作用力。
键：离子键、共价键、金属键、分子键、氢键等。
离子键： 本质上是正负离子间的静电吸引作用，主要存在于 晶体化合物中，是化学键中重要的键合方式之一。
材料的结构与性能(共64张PPT)
是金属，也可是金属与非金
属。
组成合金的元素相互作用可 形成不同的相。
Al-Cu两相合金
单相
合金
两相 合金
⑴ 固溶体
固溶体。习惯以、、表示。
溶剂
溶质
固溶体是合金的重要组成相，实际合 金多是单相固溶体合金或以固溶体 为基的合金。
按溶质原子所处位置分为置换固溶体 和间隙固溶体。
Cu-Ni置换固溶体 Fe-C间隙固溶体
2)确定晶面指数的步骤如下：
由结点形成的空间点的阵列称空间点阵
〔1〕设晶格中某一原子为原点，通过该点平行于晶 但与化合物相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性那么要高得多。
分为刃型位错和螺型位错。
胞的三棱边作OX、OY、OZ三个坐标轴，以晶格常 溶质原子在固溶体中的极限浓度。
⑸ 原子半径：晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。
② 线缺陷—晶体中的位错
位错：晶格中一局部晶体相对于 另一局部晶体发生局部滑移，滑 移面上滑移区与未
位错。分为刃型位错和螺型位错。
刃型位错
螺型位错
刃型位错和螺型位错
刃位错的形成
刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个 原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面 的边缘就是刃型位错。
空位
间隙原子 置换原子
a. 空位： b. 间隙原子：
可以是基 体金属原子，也可以是 外来原子。
体心立方的四面体和八面体间隙
c. 置换原子：
点缺陷破坏了原子的平衡状态，
使晶格发生扭曲，称晶 格畸变。从而使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。
空位
间隙原子
大置换原子
小置换原子
空位和间隙原子引起的晶格畸变
材料的结构组织与性能介绍
奥氏体化的过程
共析钢在室温的平衡组织为单一珠光体，但加热至Ac1以上温度时， 珠光体转变为奥氏体。这种相变可用下式表示：
0.0218%C
Fe3C
6.69%C
Ac1
0.77%C
體心立方 複雜斜方
面心立方
奥氏体的形成过程就是铁晶格的改组和铁、碳原子的扩散过程。
共析钢中奥氏体的形成由下列四个基本过程组成，即：
17、儿童是中心，教育的措施便围绕 他们而 组织起 来。下 午2时13 分24秒 下午2 时13分1 4:13:24 21.6.14
June 2021
1、Genius only means hard-working all one's life. (Mendeleyer, Russian Chemist)
13、He who seize the right moment, is the right man.谁把握机遇，谁就心想事成。21. 6.1421. 6.1414: 13:241 4:13:24 June 14, 2021
14、谁要是自己还没有发展培养和教 育好， 他就不 能发展 培养和 教育别 人。202 1年6月 14日星 期一下 午2时1 3分24 秒14:13: 2421.6. 14
淬水
110
72
7~8
12~14
52~60
钢在加热时的相变
将金属材料通过加热、保温、冷却以获得不同非 平衡组织的工艺叫“热处理” 。热处理通常是由加热、 保温和冷却三个阶段组成的。加热是热处理的第一道 工序。对于钢来说，大多数热处理过程首先必须将其 加热到奥氏体状态，然后以适当的方式冷却以获得所 期望的组织和性能。通常把钢加热到奥氏体温度，使 之转变成奥氏体的过程称为钢的“奥氏体化”。奥氏体 化是通过“热处理”使钢的组织发生变化的基础。加热 时形成奥氏体的化学成分、均匀化程度及晶粒大小直 接影响钢在冷却后的组织和性能。因此，研究钢在加 热时的组织相变规律，控制和改进加热规范以改变钢 在高温下的组织状态，对于充分挖掘钢材性能潜力、 保证热处理产品质量有重要意义。
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材料结构与性能（珍藏版）
一、何为金属键？金属的性能与金属键有何关系？
二、试说明金属结晶时，为什么会产生过冷？
三、结合相关工艺或技术说明快速凝固的组织结构特点。
四、画出铁碳合金相图，并指出有几个基本的相和组织？说明它们的结构和
性能特点。
五、说明珠光体和马氏体的形成条件、组织形态特征和性能特点。
六、试分析材料导热机理。
金属、陶瓷和玻璃导热机制有何区别？将铬、
银、Ni-Cr合金、石英、铁等物质按热导率大小排序，并说明理由。
七、从结构上解释，为什么含碱土金属的玻璃适用于介电绝缘？
八、列举一些典型的非线性光学材料，并说明其优缺点。
九、什么是超疏水、超亲水？超疏水薄膜对结构与表面能有什么要求？
十、导致铁磁性和亚铁磁性物质的离子结构有什么特征？
答案自测
特别重要的名词解释
原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。
根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。
通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径
（r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。
电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。
相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。
当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。
而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。
Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。
这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。