材料的内部结构、组织与性能
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第2章 材料的内部结构、组织 与性能
概述
材料的种类千千万万，性能也各有不同，但影响材料性能的内在因素是：
材料性能与成分和组织的关系就像数学中的复合函数关系：P=f（x，y），其中y=y（n1， n2，n3，…），可见，只要改变或改善任一个因素（自变量），都将引起材料性能的变化。
材料的结构是指组成材料的原子（或离子、分子）的聚集状态，可分为三个层次，如图2.1 所示：一是组成材料的单个原子结构和彼此的结合方式（金属键、离子键、共价键、分子键）， 二是原子的空间排列，三是微观与宏观组织。材料的性能除与其组成原子或分子的种类有关外， 主要取决于它们的聚集状态，即材料的组织（结构）。
§2-1 材料的内部结构（简称材料的结构）
金属材料不同层次的结构示意图 (a)原子结构 (b)原子排列 (c)晶粒 (d)合金组织形貌 绝大数工程材料的使用状态为固态，固态材料（物质）的结构即构成材料的原子（或分子）在 三维空间的结合和排列状况。
固态材料（物质）的结构
晶体-原子(或分子)呈周期性规则排列
§2-1 材料的内部结构
实际金属材料的晶体内部原子排列和结合并不象理想晶体那样规则和完整，原因在 于金属材料由冶炼的高温向室温的凝固(晶体形成)冷却过程总是存在着一些现象：结晶 的不完整性→晶体缺陷（点缺陷、线缺陷和面缺陷），收缩性→缩孔、缩松、内应力等， 其他现象如晶粒粗大、杂质、偏析、二次相析出等，这些现象造成了实际晶体及组织的 不完整性，并对金属（和陶瓷）的许多性能产生极其重要的影响。
• 相构成了组织 单相组织，多相组织；相的形态、尺寸、相对数量 和分布的不同，形成了各种各样的组织，组织决定了材料的性能。
• 合金相图是合金成分、温度与合金系所处状态间关系的简明图解； 反映了合金系在给定条件下的相平衡关系，是研究相与组织转变及 其规律的重要工具。合金的元通常是元素如Cu-Ni、Pb-Sn、Al-Si等， 也可是在研究范围内不发生任何反应的化合物如Fe-Fe3C。
• 结晶反应(转变)即冷却过程(逆向为加热)中发生的结晶现象，既可能 有液相结晶如匀晶、包晶和共晶反应又可能有固相转变如共析反应、 二次相析出等，见表2-3 典型二元合金相图示意。
由液体转变成固体的过程，称为凝固；若凝固所得到的固体为晶体，则称为结晶。通 常，金属在固态下均是晶体，故金属的凝固又叫金属的结晶。
金属的结晶
液相和固相之间要有自由能差(△F) 过冷(△T=T液－T固)
结晶包括形核和长大两个过程 不断地形核与长大 多晶(体)粒(通常情况) 1)提高形核率 细化晶粒，如激(快)冷、孕育处理等
由于合金具有强度高、硬度高、韧性好、耐磨、耐蚀、耐热等优良性能，因此在工
程上使用的金属材料绝大多数是合金。二元合金是最简单、最基本的合金。
1）重要概念 (1)组织与相(结构)的区 别与关系
(2)相图及结晶反应(转 变）
• 相是指材料中结构相同、化学成分及性质均一的组成部分，相与相之 间有界面分开；组织一般是指用肉眼或在显微镜下所观察到的材料内 部所具有的某种形态特征或形貌图像。相结构是原子尺度，组织是显 微尺度。
(晶粒度标准分8级)细晶粒具有较好的常温力学性能
控制结晶 2)只允许1个晶核长大 单晶体，如单晶硅、单晶锗等 3)控制晶粒长大方向 定向结晶(凝固)，如飞机叶片、军舰螺旋桨等
同素异构(又称重结晶或相变) 从一种晶态转变为另一种晶态，如铁、锡、钛等
§2-2 晶体材料的相图与组织形成
2、二元合金结晶相图
2、有机高分子材料
组成高分子材料的分子链的聚集状晶态（分子链在空间部分规则排列）和非晶态（分子链在空间无规则 排列，亦称玻璃态或无定形态）。
在实际生产中获得完全晶态的聚合物是很困难的，大多数聚合物都是部分晶态或完 全非晶态。通常用聚合物中结晶区域所占的重量或体积百分数即结晶度来表示聚合物的 结晶程度，聚合物的结晶度变化范围很宽，为30%～90%，特殊情况下可达98%，而一 个大分子链可以同时穿过许多晶区和非晶区。一般情况下，结晶度高的高聚物，其强度、 硬度、密度、耐热性、耐蚀性均较高，但弹性、塑性、透明性则有所下降。
a=b≠c
Be
hcp
α=β=900
6
γ=1200
21/2 a /4
12
74
a/2
12
74
(c/a =l.633)
纯金属具有较好的导电、导热等理化性能，但其力学性能一般较低，价格偏高，在工业上很少
作为结构件材料使用。实际中大量使用的都是由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物
质——合金，合金的结构（又叫相结构）。 合金的相结构及其特点见表2-2。
非晶体
金属材料； 水晶、金刚石、食盐等
①规则的几何外形； ②确定的熔点； ③各向异性
石蜡、松香、玻璃等； 非晶态金属
§2-1 材料的内部结构
1、金属材料（纯金属和合金的统称）的结构
由X射线结构分析表明，大多数纯金属呈体心立方、面心立方和密排六方这三种典型的结构，
其基本的结构参数见表2-1。
金属的许多性能及金属中发生的许多现象都与金属晶体中的晶面和晶向有密切关系。
3、陶瓷材料
陶瓷材料一般均为多组元系，其组成相可分为固溶体和化合物两大类，但其具体内 容和组织组成物要比金属的金相组织复杂得多。
陶瓷材料的组织由晶体相、非晶体相和气相构成，而晶体相是最主要的组成相。
§2-2 晶体材料的相图与组织形成
由于金属材料的晶体结构是在结晶过程中形成的，故需研究金属材料的凝固及其规律。 1、金属材料（简称金属）的凝固
表2-2合金的相结构及特点
合金相结构类别
晶体学特征
性能特点
固溶体 （间隙、置换）
保持溶剂组元的晶体类型
比纯金属相的强硬度高，一定的塑韧性；常作为结 构件材料内部组织中基本主要的组成相。
金属间化合物
具有与组成组元不相同的晶 多数性硬而脆，熔点高；常作为材料（尤其是工模
（正常价、电子、间隙）
体结构
具材料）内部组织中的强化相。
表2-1三种典型金属晶体结构小结
金属名称 晶格类型
晶格特征
晶胞中原子数
Cr、Mo、W、 体心立方
a=b=c
V、 α-Fe、δ-Fe bcc
α=β=γ=900
2
原子半径 31/2 a /4
配位数 8
致密度/% 68
A1、Cu、Ni、 面心立方
a=b=c
4
γ-Fe
fcc
α=β=γ=900
Mg、Cd、Zn、 密排六方
概述
材料的种类千千万万，性能也各有不同，但影响材料性能的内在因素是：
材料性能与成分和组织的关系就像数学中的复合函数关系：P=f（x，y），其中y=y（n1， n2，n3，…），可见，只要改变或改善任一个因素（自变量），都将引起材料性能的变化。
材料的结构是指组成材料的原子（或离子、分子）的聚集状态，可分为三个层次，如图2.1 所示：一是组成材料的单个原子结构和彼此的结合方式（金属键、离子键、共价键、分子键）， 二是原子的空间排列，三是微观与宏观组织。材料的性能除与其组成原子或分子的种类有关外， 主要取决于它们的聚集状态，即材料的组织（结构）。
§2-1 材料的内部结构（简称材料的结构）
金属材料不同层次的结构示意图 (a)原子结构 (b)原子排列 (c)晶粒 (d)合金组织形貌 绝大数工程材料的使用状态为固态，固态材料（物质）的结构即构成材料的原子（或分子）在 三维空间的结合和排列状况。
固态材料（物质）的结构
晶体-原子(或分子)呈周期性规则排列
§2-1 材料的内部结构
实际金属材料的晶体内部原子排列和结合并不象理想晶体那样规则和完整，原因在 于金属材料由冶炼的高温向室温的凝固(晶体形成)冷却过程总是存在着一些现象：结晶 的不完整性→晶体缺陷（点缺陷、线缺陷和面缺陷），收缩性→缩孔、缩松、内应力等， 其他现象如晶粒粗大、杂质、偏析、二次相析出等，这些现象造成了实际晶体及组织的 不完整性，并对金属（和陶瓷）的许多性能产生极其重要的影响。
• 相构成了组织 单相组织，多相组织；相的形态、尺寸、相对数量 和分布的不同，形成了各种各样的组织，组织决定了材料的性能。
• 合金相图是合金成分、温度与合金系所处状态间关系的简明图解； 反映了合金系在给定条件下的相平衡关系，是研究相与组织转变及 其规律的重要工具。合金的元通常是元素如Cu-Ni、Pb-Sn、Al-Si等， 也可是在研究范围内不发生任何反应的化合物如Fe-Fe3C。
• 结晶反应(转变)即冷却过程(逆向为加热)中发生的结晶现象，既可能 有液相结晶如匀晶、包晶和共晶反应又可能有固相转变如共析反应、 二次相析出等，见表2-3 典型二元合金相图示意。
由液体转变成固体的过程，称为凝固；若凝固所得到的固体为晶体，则称为结晶。通 常，金属在固态下均是晶体，故金属的凝固又叫金属的结晶。
金属的结晶
液相和固相之间要有自由能差(△F) 过冷(△T=T液－T固)
结晶包括形核和长大两个过程 不断地形核与长大 多晶(体)粒(通常情况) 1)提高形核率 细化晶粒，如激(快)冷、孕育处理等
由于合金具有强度高、硬度高、韧性好、耐磨、耐蚀、耐热等优良性能，因此在工
程上使用的金属材料绝大多数是合金。二元合金是最简单、最基本的合金。
1）重要概念 (1)组织与相(结构)的区 别与关系
(2)相图及结晶反应(转 变）
• 相是指材料中结构相同、化学成分及性质均一的组成部分，相与相之 间有界面分开；组织一般是指用肉眼或在显微镜下所观察到的材料内 部所具有的某种形态特征或形貌图像。相结构是原子尺度，组织是显 微尺度。
(晶粒度标准分8级)细晶粒具有较好的常温力学性能
控制结晶 2)只允许1个晶核长大 单晶体，如单晶硅、单晶锗等 3)控制晶粒长大方向 定向结晶(凝固)，如飞机叶片、军舰螺旋桨等
同素异构(又称重结晶或相变) 从一种晶态转变为另一种晶态，如铁、锡、钛等
§2-2 晶体材料的相图与组织形成
2、二元合金结晶相图
2、有机高分子材料
组成高分子材料的分子链的聚集状晶态（分子链在空间部分规则排列）和非晶态（分子链在空间无规则 排列，亦称玻璃态或无定形态）。
在实际生产中获得完全晶态的聚合物是很困难的，大多数聚合物都是部分晶态或完 全非晶态。通常用聚合物中结晶区域所占的重量或体积百分数即结晶度来表示聚合物的 结晶程度，聚合物的结晶度变化范围很宽，为30%～90%，特殊情况下可达98%，而一 个大分子链可以同时穿过许多晶区和非晶区。一般情况下，结晶度高的高聚物，其强度、 硬度、密度、耐热性、耐蚀性均较高，但弹性、塑性、透明性则有所下降。
a=b≠c
Be
hcp
α=β=900
6
γ=1200
21/2 a /4
12
74
a/2
12
74
(c/a =l.633)
纯金属具有较好的导电、导热等理化性能，但其力学性能一般较低，价格偏高，在工业上很少
作为结构件材料使用。实际中大量使用的都是由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物
质——合金，合金的结构（又叫相结构）。 合金的相结构及其特点见表2-2。
非晶体
金属材料； 水晶、金刚石、食盐等
①规则的几何外形； ②确定的熔点； ③各向异性
石蜡、松香、玻璃等； 非晶态金属
§2-1 材料的内部结构
1、金属材料（纯金属和合金的统称）的结构
由X射线结构分析表明，大多数纯金属呈体心立方、面心立方和密排六方这三种典型的结构，
其基本的结构参数见表2-1。
金属的许多性能及金属中发生的许多现象都与金属晶体中的晶面和晶向有密切关系。
3、陶瓷材料
陶瓷材料一般均为多组元系，其组成相可分为固溶体和化合物两大类，但其具体内 容和组织组成物要比金属的金相组织复杂得多。
陶瓷材料的组织由晶体相、非晶体相和气相构成，而晶体相是最主要的组成相。
§2-2 晶体材料的相图与组织形成
由于金属材料的晶体结构是在结晶过程中形成的，故需研究金属材料的凝固及其规律。 1、金属材料（简称金属）的凝固
表2-2合金的相结构及特点
合金相结构类别
晶体学特征
性能特点
固溶体 （间隙、置换）
保持溶剂组元的晶体类型
比纯金属相的强硬度高，一定的塑韧性；常作为结 构件材料内部组织中基本主要的组成相。
金属间化合物
具有与组成组元不相同的晶 多数性硬而脆，熔点高；常作为材料（尤其是工模
（正常价、电子、间隙）
体结构
具材料）内部组织中的强化相。
表2-1三种典型金属晶体结构小结
金属名称 晶格类型
晶格特征
晶胞中原子数
Cr、Mo、W、 体心立方
a=b=c
V、 α-Fe、δ-Fe bcc
α=β=γ=900
2
原子半径 31/2 a /4
配位数 8
致密度/% 68
A1、Cu、Ni、 面心立方
a=b=c
4
γ-Fe
fcc
α=β=γ=900
Mg、Cd、Zn、 密排六方