01 第一章 材料的结构.pptx

第1页：机械工程材料第一章封面

机械工程材料：第一章“材料的内部结构”课件，从原子键合讲到晶体缺陷。

第2页：课程主要内容与章节目录

主要内容：本课程按下列章节展开。

• 绪论
• 第一章 材料的内部结构
• 第二章 结晶与显微组织
• 第三章 工程材料的力学性能
• 第四章 工程材料的物理、化学性能
• 第五章 工程材料的强化理论
• 第六章 钢的热处理与马氏体相变强化
• 第七章 钢铁材料
• 第八章 有色金属及其合金

第3页：第一章内容框架：结构层次

第一章 材料的内部结构：本章沿“结构—电子结构—原子的空间排列—显微组织”的层次展开。

第4页：电子结构及其影响

电子结构

原子核外电子的排布方式，显著影响材料的电、磁、光、热性能甚至力学性能；它还是材料中原子间键合的直接原因之一，影响原子彼此结合的方式，从而决定材料的类型。

第5页：原子的空间排列与晶态

原子的空间排列

分为晶态和非晶态；晶体结构显著影响材料的各种性能和功能。

第6页：原子结构分解页

本页为结构层次图的分解展示页，对应“原子结构”环节。源文件未提取到更多文字，建议对照原图核校。

第7页：显微组织的参数

显微组织

由晶粒（原子集团）的形态、大小，以及合金相的种类、数量和分布等参数描述。

第8页：第一章结构框架配图页

本页为第一章知识框架的配图页，源文件仅提取到章名与页码，建议对照原课件图片补充框架说明。

第9页：第一章小节目录

第一章 材料的内部结构小节目录：

1. 1.1 原子键合及其特性
2. 1.2 材料的原子排列
3. 1.3 金属的典型晶体结构
4. 1.4 合金相结构
5. 1.5 陶瓷的相结构
6. 1.6 高分子化合物的结构
7. 1.7 晶体缺陷

第10页：原子键合的外层电子作用

1.1 材料的原子键合及其特性：材料中外层电子作用形式的基本点是保持稳定的电子排布结构，包括接受或释放核外价电子、共有电子、偶极矩“弱”相互作用等形式。

第11页：化学键类型导览

原子间主要结合方式包括金属键、离子键与共价键，后续各页分述其键特点与材料特点。

第12页：金属键及其特点

键特点

共有价电子，即电子云，键无方向性和饱和性。

材料特点

①原子趋向于规则排列；②金属有良好的导电性、塑性等。

第13页：离子键及其特点

键特点

得失价电子形成正负离子，无饱和性和方向性。

材料特点

①高熔点、高硬度、低塑性；②良好的电绝缘和其他物理性能等。

第14页：共价键及其特点

键特点

共有电子对（电子局域化），键有方向性和饱和性。

材料特征

①高熔点、高硬度、低塑性；②电绝缘、光学等物理特征。

第15页：三种化学键对比汇总

本页汇总金属键、离子键与共价键的键特点及对应材料特点：金属键共有价电子、无方向性，导电塑性好；离子键与共价键则表现为高熔点、高硬度、低塑性与电绝缘。

第16页：范德瓦尔键（分子键）

范德瓦尔（van der Waals）键

即分子键，由原子或分子间瞬态的感生偶极矩的静电作用引起；键能小，无方向性和饱和性。

材料特征

①强度低，熔点低，变形能力强；②电绝缘等物理化学性能。

第17页：1.2 小节导览页

1.2 材料的原子排列：本节讲解非晶态、晶体、空间点阵、晶胞与晶系、晶向与晶面指数等内容。

第18页：非晶态结构

非晶态

原子排列短程（近邻与次近邻）有序，长程无序，如玻璃态。

第19页：晶体与空间点阵

晶体

原子排列长程有序，基元在三维空间呈规律性排列，成为空间点阵。

基元

即基本组元（单元），一般为单个的原子、离子、分子或彼此等同的原子群或分子群等。

第20页：空间点阵的几何概念

空间点阵

一个抽象的几何概念，由一维、二维或三维规则排列的阵点组成。

第21页：晶体结构的描述步骤

晶体结构的描述：

1. 用刚球代表晶体中的原子——刚球模型
2. 将刚球抽象成质点，空间排列原子成为空间格架，即空间点阵（晶格）
3. 保持点阵原子排列几何特征的基本单元为晶胞，一般用平行六面体表征
4. 晶胞参数共6个：a、b、c；α、β、γ

第22页：晶体结构的构成式

晶体结构：构成晶体的基元在三维空间的具体排列方式，即空间点阵 + 基元（晶胞）。

第23页：布拉菲点阵与14种空间点阵

自然界晶体结构分类：布拉菲在1948年根据“每个阵点环境相同”的要求，用数学分析法证明晶体的空间点阵只有14种，称为布拉菲点阵，分属7个晶系；空间点阵虽只有14种，但晶体结构则多种多样、千变万化。

第24页：七个晶系晶胞参数特征

7个晶系晶胞参数特征：按下表对照晶格（棱边）常数及夹角。

第25页：晶向与晶胞几何表征

晶向

晶体原子的特定排列方向。

晶胞的几何表征

晶格常数、晶向、晶面。

第26页：晶向指数的确定方法

晶向指数的确定方法：

1. 建立以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系
2. 定出该晶向上任两点的坐标
3. 用末点坐标减去始点坐标
4. 将相减后所得结果约成互质整数，加一方括号

第27页：晶面及晶面指数的确定方法

晶面：晶体原子堆垛质心平面。晶面指数的确定方法：

1. 在以晶胞的边长作为单位长度的右旋坐标系中取该晶面在各坐标轴上的截距
2. 取截距的倒数
3. 将倒数约成互质整数，加一圆括号

第28页：六方晶系四坐标指数

六方晶系晶面和晶向指数确定方法：

1. 采用四坐标体系，a1、a2、a3夹角120°，c轴与上述三轴平面垂直
2. 晶面指数确定方法与立方晶系类似，获得指数（h,k,i,l），前三个指数只有两个是独立的，满足 i=−(h+k)
3. 晶向指数可先用三坐标系（a1,a2,c）指数转换：三坐标指数[U,V,W]换算为四坐标指数[u,v,t,w]，其中 u=1/3(2U−V)，v=1/3(2V−U)，t=−(u+v)，w=W

第29页：1.3 小节导览页

1.3 金属的典型晶体结构：本节讲解体心立方、面心立方与密排六方三类典型金属晶体结构。

第30页：三种典型金属晶体结构

三种典型晶体结构：体心立方（bcc）、面心立方（fcc）、密排六方（hcp）。

第31页：体心立方常用金属

体心立方晶格：常用金属有 Cr、V、Mo、W 和 α-Fe 等30多种。

第32页：体心立方原子半径与晶格常数

体心立方晶格参数：原子半径 r 与晶格常数 a 的关系为 r = (√3/4)a。

原页公式为图片形式，提取时符号粘连，此处按体心立方体对角线接触的几何关系给出标准表达式。

第33页：体心立方致密度与配位数

致密度

原子实在晶胞中所占有的体积分数，K=nv/V。

配位数

晶体中任意原子的最近邻原子数，表征晶体中原子密度。

bcc 材料

致密度为0.68，配位数为8。

第34页：体心立方间隙类型与尺寸

体心立方间隙类型及尺寸：

• 八面体间隙：ri/r0=0.15
• 四面体间隙：ri/r0=0.29

第35页：面心立方常用金属

面心立方晶格：常用金属有 Al、Cu、Ag、Ni 和 γ-Fe 等约20种。

第36页：面心立方原子半径与晶格常数

面心立方晶格参数：原子半径 r 与晶格常数 a 的关系为 r = (√2/4)a（即 √2a = 4r）。

原页公式为图片形式，提取时符号粘连，此处按面心立方面对角线接触的几何关系给出标准表达式。

第37页：面心立方致密度与配位数

致密度

原子实在晶胞中所占有的体积分数，K=nv/V。

配位数

晶体中任意原子的最近邻原子数，表征晶体中原子密度。

fcc 材料

致密度为0.74，配位数为12。

第38页：面心立方配位数的确定

本页为面心立方配位数的确定示意图，说明面心立方结构中任一原子有12个最近邻原子，配位数为12。

第39页：面心立方八面体间隙

面心立方八面体间隙及尺寸：ri/r0 = 0.414。

第40页：面心立方四面体间隙

面心立方四面体间隙及尺寸：ri/r0 = 0.225。

第41页：密排六方常用金属

密排六方晶格：常用金属有 Mg、Zn、Cd、Be 等20多种。

第42页：密排六方原子半径与晶格常数

密排六方晶格参数：原子半径 r 与晶格常数 a 的关系为 a = 2r。

原页公式为图片形式，提取时符号粘连，此处按密排六方底面原子相切的几何关系给出标准表达式。

第43页：密排六方致密度

密排六方晶格参数：对 hcp 材料，致密度为0.74。

第44页：密排六方配位数

密排六方晶格参数：对 hcp 材料，配位数为 6+6，即同层6个、上下层各3个共12个最近邻原子。

第45页：典型晶体结构的原子堆垛方式

典型晶体结构的原子堆垛：

• ABA：第三层位于第一层正上方（hcp）
• ABC：第三层位于一、二层间隙（fcc）

第46页：原子堆垛示意图

本页为典型晶体结构的原子堆垛示意图，源文件仅提取到节名与页码，建议对照原课件图片补充层序说明。

第47页：面心立方原子堆垛图

本页为面心立方（fcc）的原子堆垛示意图，源文件仅提取到节名与页码，建议对照原课件图片补充堆垛说明。

第48页：多晶型转变

多晶型转变：

• 当外部的温度和压强改变时，有些材料会由一种晶体结构向另一种晶体结构转变，称为多晶型转变，又称同素异构转变
• 结构变化会导致材料的密度、物理化学性能均发生相应变化
• 多晶型转变成为改变（调整）材料性能（功能）的重要方法之一

第49页：温度压力作用下的多晶型转变

本页为多晶型转变导致性能变化的温度—压力作用示意图，源文件仅提取到标题与页码，建议对照原课件图片补充转变条件与产物说明。

第50页：1.4 小节导览页

1.4 合金相结构：本节讲解合金、组元、相的概念及固溶体与金属化合物。

第51页：合金、组元与相的定义

合金

两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。

组元

组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素。

相

合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分。

第52页：固溶体

定义

固体溶液，溶质原子完全溶于固体溶剂中，并能保持溶剂元素材料的晶格类型，这种合金相称为固溶体。

结构特征

保持溶剂晶格类型但晶格畸变（晶格常数变化）；溶质原子的偏聚与短程有序；溶质原子的长程有序与有序固溶体；溶质原子固溶度可变。

性能特点

与溶剂元素材料的性能类似。

分类

置换式固溶体、间隙式固溶体。

第53页：间隙固溶体

间隙固溶体：

• 溶质原子在溶剂元素晶格的间隙内
• 溶质原子一般半径小，如 C、H、O、N、B 等
• 晶格畸变大
• 有限固溶度

第54页：置换固溶体

置换固溶体：

• 溶质原子占据溶剂元素晶格原子位置
• 晶格畸变大
• 在一定条件下可获得无限固溶度

第55页：金属化合物（中间相）

定义

合金组元间发生相互作用而形成的新相，成分处于组元固溶度之间，称为中间相；组元间具有一定的化学成分比，且具有一定金属性质，又称金属间化合物。

结构特征

原子间结合键多样性（包含一定金属键性质）；晶格类型不同于任一组元；可以是化合物或化合物基固溶体（即中间固溶体）。

性能特点

不同于任一组元；高熔点、硬度和脆性。

分类

正常价化合物、电子化合物、间隙相、间隙化合物。

第56页：正常价化合物

正常价化合物：符合化合物原子价规律的金属间化合物，具有严格的化合比，成分固定不变；其结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同，如分子式具有 AB 型的正常价化合物其晶体结构为 NaCl 型，多为离子化合物，例如 MgPb、MnS。

第57页：电子化合物

电子化合物：当化合物中价电子浓度一定（21/12、21/13、21/14）时，形成的化合物晶格类型相同；其熔点和硬度都很高，塑性较差，是有色金属中的重要强化相。Cu 价电子+1，Zn 价电子数+2。

第58页：间隙相与间隙化合物

间隙相

过渡族金属元素与原子半径较小的非金属元素（H、C、N、B等）形成的化合物；当非金属原子半径与金属原子半径的比值小于0.59时，形成具有简单晶体结构的金属间化合物，熔点高、硬度高、较脆，例如氢化物、氮化物和部分碳化物（TaC、VC、ZrC、TiC等）。

间隙化合物

当比值大于0.59时，形成具有复杂晶体结构的金属间化合物，同样具有很高熔点和硬度但脆性较大，如硼化物和部分碳化物（Fe₃C、Cr₇C₃、Cr₂₃C₆等）。

性能对比

与间隙相相比，间隙化合物的熔点和硬度以及化学稳定性都要低一些。

第59页：1.5 小节导览页

1.5 陶瓷的相结构：本节介绍晶相、玻璃相、气相及氧化物与硅酸盐结构。

第60页：陶瓷的相组成

陶瓷相结构：与合金类似，也会形成陶瓷固溶体和新型的复杂化合物；这里主要介绍用传统方法（粉末冶金）成型的陶瓷内部的主要组织类别，包括晶相、玻璃相与气相，以及氧化物结构与硅酸盐结构。

第61页：硅酸盐结构

硅酸盐结构：硅氧四面体 SiO₄⁴⁻ 之间以共有顶点的氧离子相互连接起来，由于连接方式不同而形成多种硅酸盐结构，如岛状、环状、链状和层状等。

第62页：硅酸盐结构配图页

本页为陶瓷硅酸盐结构示意图，源文件仅提取到节名与页码，建议对照原课件图片补充结构类型说明。

第63页：玻璃相与气相

玻璃相

部分氧化物或硅酸盐在一定条件下不易结晶而形成玻璃相；大多陶瓷材料中均含一定玻璃相，主要作用是粘结分散的晶相、降低烧结温度、抑制晶相的粗化。

气相

粉末冶金烧结法形成的陶瓷会含有极少量的气孔；气孔降低陶瓷的密度、导热系数，以致强度下降、介电损耗增大、绝缘性降低，但气孔能吸收震动。

第64页：1.6 小节导览页

1.6 高分子化合物的结构与1.7 晶体缺陷：后续两节分别讲解高分子链结构与点、线、面缺陷。

第65页：高分子化合物的结构

• 高分子材料的电子结构：高分子链内原子主要以共价键结合；分子链间原子主要以分子键结合
• 分子链原子排列结构：从形态上分子链具有线型、支链型和三维立体型；从基本分子链的构型上分为全同立构、间同立构和无规立构三种构型
• 高分子材料的聚集结构：结晶、部分结晶和非晶无规缠绕结构

第66页：高分子链的构型

高分子链结构——构型：全同立构、间同立构、无规立构。

第67页：高分子链的形态

高分子链结构——形态：线型、支链型、立体交联。

第68页：高分子聚集态结构

高分子链结构——聚集态结构：结晶型、部分结晶型、非晶型。

第69页：1.7 小节导览页

1.7 晶体缺陷：本节讲解点缺陷、线缺陷与面缺陷的类型与特征。

第70页：晶体缺陷概述

• 材料中总是有缺陷的：材料不是纯净的，也不可能是理想完整的；产生原因为热力学与原子热运动
• 晶体缺陷定义：晶体材料中存在的一些原子排列不规则，以致结构不完整的区域
• 缺陷的影响：对材料中原子扩散、相变、性能产生重要影响
• 缺陷的分类：按所影响的区域尺度区分，包括点缺陷、线缺陷和面缺陷

第71页：点缺陷

点缺陷特点

在空间三维方向上的尺寸都很小，约为几个原子间距，又称零维缺陷。

分类

⑴空位；⑵间隙原子；⑶置换原子。

第72页：点缺陷：空位

本页为点缺陷中“空位”的示意图，说明晶格结点上原子缺失形成的零维缺陷。

第73页：点缺陷：间隙原子与置换原子

本页为点缺陷中“间隙原子”与“置换原子”的示意图：间隙原子位于晶格间隙中，置换原子占据晶格结点位置。

第74页：线缺陷与位错

线缺陷

各种类型的位错，即晶体中的原子发生了有规律的错排现象；原子错排范围只在一维方向上很大，是一个直径为3～5个原子间距、长数百个原子间距以上的管状原子畸变区。

分类

⑴刃型位错；⑵螺型位错；⑶混合型位错。

第75页：刃型位错与螺型位错

本页为线缺陷中“刃型位错”与“螺型位错”的示意图，源文件仅提取到名称与页码，建议对照原课件图片补充错排特征说明。

第76页：位错线与伯氏矢量示意

本页为线缺陷（位错）的示意图，源文件仅提取到节名与页码，建议对照原课件图片补充位错特征说明。

第77页：位错畸变区配图页

本页为线缺陷畸变区的示意图，源文件仅提取到节名与页码，建议对照原课件图片补充说明。

第78页：位错运动配图页

本页为线缺陷相关的位错示意图，源文件仅提取到节名与页码，建议对照原课件图片补充说明。

第79页：位错组态配图页

本页为线缺陷的组态示意图，源文件仅提取到节名与页码，建议对照原课件图片补充说明。

第80页：面缺陷

• 面缺陷又称为二维缺陷，指在二维方向上偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的缺陷，可看作将材料分成若干区域的边界
• 晶体的面缺陷包括外表面（表面或自由界面）和内界面两类，内界面又有晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等
• 面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关

第81页：面缺陷：表面与表面能

面缺陷：表面：由于表面上的原子与晶体内部的原子相比其配位数较少，使得表面原子偏离正常位置，在表面层产生了晶格畸变，导致其能量升高；将这种单位表面面积上升高的能量称为比表面能，简称表面能。表面能也可以用单位长度上的表面张力（N/m）表示。

第82页：面缺陷：晶界

面缺陷：晶界：

• 大角晶界：相邻晶粒位向差大于10°
• 小角晶界：相邻晶粒位向差小于10°，可用位错墙模型描述
• 亚晶界：晶粒内部更小尺度的微细结构和组织的分界面，相邻的亚晶块夹角小于1～2°

第83页：晶界结构配图页

本页为晶界结构的示意图，源文件仅提取到页码，建议对照原课件图片补充晶界类型说明。

第84页：多晶粒材料模型与电镜照片

本页为多晶粒材料的模型图与透射电镜照片对照，展示晶粒与晶界的实际形貌。

第85页：面缺陷：相界

缺陷：相界——定义：在多相组织中，具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界面。本页给出共晶白口铸铁显微组织与珠光体、共晶白口铁显微组织照片。

第86页：相界面分类

面缺陷：相界面分类：共格相界、带畸变共格相界、半共格相界、非共格相界。

第87页：相界面特征

• 共格相界：共格相界面的原子排列方式与相邻相结构中的对应晶面原子排列方式相同，具有以此为界面的“外延”方式，大多实际的相界存在畸变
• 当相邻相结构中的原子面原子间距有一定差异，形成的共格相界会存在一定的协调位错，此即为半共格相界
• 相邻两相的晶体结构和原子（面）排列方式差异较大时，不易形成（半）共格相界
• 共格相界面的界面能小于非共格界面

第88页：晶体缺陷小结配图页

本页为晶体缺陷章节的收尾配图页，源文件仅提取到页码，建议对照原课件图片补充小结要点。