2024/7/301第一章第一章 材料结构的基本知识材料结构的基本知识（二）（二）2024/7/302思考题思考题6、金属、陶瓷、玻璃怎么区分？请找一个、金属、陶瓷、玻璃怎么区分？请找一个共同点将高分子材料归类到上述材料中；共同点将高分子材料归类到上述材料中；7、金属板材在冷轧、冷拔过程中组织会发、金属板材在冷轧、冷拔过程中组织会发生什么变化？生什么变化？8、金属为什么要进行热处理？原理在于？、金属为什么要进行热处理？原理在于？9、金属液体在极高冷却速度下会发生什么、金属液体在极高冷却速度下会发生什么？2024/7/303三、原子排列方式三、原子排列方式1、晶体与非晶体、晶体与非晶体原子（或原子团、分子）排列方式不同可获得不同的固态单原子：如金属材料；单原子：如金属材料；多原子：如陶瓷材料；多原子：如陶瓷材料；分子：如高分子材料。分子：如高分子材料。 2024/7/304晶体crystal：原子周期排列非晶体amorphous ：原子排列无序原子的排列方式C60分子结构玻璃结构原子或分子无规则排列，无周期性无对称性 2024/7/305性质性质1 1）各）各向同性；向同性；2 2）黏度为其力学性能的基本参数，能保持自己形）黏度为其力学性能的基本参数，能保持自己形状的为固体，不能保持自己形状的为液体；状的为固体，不能保持自己形状的为液体；3 3）随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没）随温度的升高黏度减小，在液体和固体之间没有明显的温度界限。有明显的温度界限。对非晶体来说：2024/7/3061）各各向向异异性性：不不同同方方向向原原子子的的排排列列方方式式不不相相同同，因因而而其表现的性能也有差异其表现的性能也有差异2）固固定定的的熔熔点点：排排列列规规律律能能保保持持时时呈呈现现固固体体，温温度度升升高高到到某某一一特特定定值值，排排列列方方式式的的解解体体，原原子子成成无无规规则则堆积，这时大多呈现不能保持自己形状的液体。堆积，这时大多呈现不能保持自己形状的液体。3）规则外形：）规则外形： 理想环境中生长的晶体应为凸多边形。理想环境中生长的晶体应为凸多边形。 4）对对 称称 性性： 晶晶体体的的理理想想外外形形和和晶晶体体内内部部结结构构都都具具有有特定的对称性。特定的对称性。 对晶体来说：对晶体来说：2024/7/307晶体晶体垂直垂直C平行平行C晶体晶体垂直垂直C平行平行CAl2O38.39.3SiO2(石英石英) 1493Al2O32SiO24.55.7NaAlSi3O8413TiO26.88.3C(石墨石墨)127ZrSiO46.88.3Mg(OH)2114.5CaCO3-625各向异性晶体的热膨胀系数各向异性晶体的热膨胀系数 例：例： 晶体的各向异性膨胀晶体的各向异性膨胀各层间的结合力不同引起热膨胀不同。各层间的结合力不同引起热膨胀不同。2024/7/308多晶体（多晶体（polycrystal)由单晶态颗粒组成的晶体材料！单晶区晶界( boundary）：位置在多晶材料中单晶邻接区域特点：原子处于过渡位置，或者说存在原子的错配情况晶粒（grain)：小的单晶体单晶(single crystal)：2024/7/3092024/7/30102024/7/30112、原子排列的研究方法、原子排列的研究方法原子尺寸极小，光学和电子显微镜难以观察到材料内部的原子排列。但是但是，晶体中原子在三维空间有规律的排列，相当于一个天然的三维光栅！寻找短波长射线通过衍射方法来实现X射线短波长为0.1nm-0.4nm,与原子距离相当2024/7/3012布拉格方程的导出：布拉格方程的导出：根据图示，干涉加强的条件是：式中：n为整数，称为反射级数； 为入射线或反射线与反射面的夹角，称为掠射角，由于它等于入射线与衍射线夹角的一半，故又称为半衍射角，把2 称为衍射角。 反射面法线2024/7/3013X射线图谱 晶体中很多不同方位的原子面只要满足这一条件均可发生衍射，根据得到的衍射分布图可分析晶体中原子排列的特征(排列方式、原子面间距等）。2024/7/3014四、晶体材料的组织四、晶体材料的组织材料的组织材料的组织是指各种晶粒的组合特征，即各种晶粒的相对量、尺寸大小、形状及分布特征。特点：易随成分及加工工艺而变化， 材料性能受其影响非常敏感！ 实际晶体材料：实际晶体材料：实际晶体材料：实际晶体材料： 大部是大部是多晶体多晶体。由多晶粒所组成。由多晶粒所组成。2024/7/30151、组织的显示与观察、组织的显示与观察观察手段：观察手段： 显微观察样品制备基本步骤：显微观察样品制备基本步骤：磨光磨光抛光抛光化学侵蚀化学侵蚀在晶界处形成沟槽增强反光粗大的组织（宏观组织）用肉眼即可； 显微组织利用金相显微镜或电子显微镜观察！晶体材料的组织晶体材料的组织2024/7/3016对不透明固体样品来说晶体材料的组织晶体材料的组织2024/7/3017偏光显微镜下的岩石样品晶体材料的组织晶体材料的组织2024/7/3018晶体材料的组织晶体材料的组织2024/7/30192、单相组织、单相组织固溶体？描述方法：晶粒尺寸、形状单相组织与性能的关系：等轴晶，各个方向上的生长条件接近柱状晶，某一个方向生长快于其它（晶粒形状会随压力加工工艺改变!） 具有单一相的组织为单相组织，即所有晶粒的化学组具有单一相的组织为单相组织，即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。成相同，晶体结构也相同。纯组元？晶粒尺寸对性能影响？形状晶体材料的组织晶体材料的组织2024/7/3020定向凝固技术生长柱状晶晶体材料的组织晶体材料的组织2024/7/30213、多相组织、多相组织 单相多晶体材料的强度往往很低，因此工程中更多应用单相多晶体材料的强度往往很低，因此工程中更多应用的是两相以上的晶体材料，各个相具有不同的成分和晶体结的是两相以上的晶体材料，各个相具有不同的成分和晶体结构。由于是多相组织，组织中各个相的组合特征及形貌要比构。由于是多相组织，组织中各个相的组合特征及形貌要比单相组织复杂得多单相组织复杂得多 。晶体材料的组织晶体材料的组织2024/7/3022晶粒尺寸相当时，颗粒尺寸相差很大，第二相位于基体相的晶界上，断续分布，则影响不大连续分布，则产生不利影响情形材料的力学性能取决于两个相或两种组成物的相对量及各自的性能！则小颗粒成为一种弥散相，可提高材料的强度；晶体材料的组织晶体材料的组织2024/7/3023五、材料的稳态结构与亚稳态结构五、材料的稳态结构与亚稳态结构稳态结构或平衡态结构：稳态结构或平衡态结构：亚稳态结构： 材料形成何种结构必须综合考虑能量最低的结构能量最低的结构,体系自由能最低的平衡状态体系自由能最低的平衡状态能量相对较高的结构,体系高于平衡态时自由能的状态的一种非平衡体系高于平衡态时自由能的状态的一种非平衡同一化学成分的材料，其亚稳态时的性能不同于平衡态时的性同一化学成分的材料，其亚稳态时的性能不同于平衡态时的性能，而且亚稳态可因形成条件的不同而呈多种形式，它们所表能，而且亚稳态可因形成条件的不同而呈多种形式，它们所表现的性能迥异，在很多情况下，亚稳态材料的某些性能会优于现的性能迥异，在很多情况下，亚稳态材料的某些性能会优于其处于平衡态时的性能，甚至出现特殊的性能。因此，对材料其处于平衡态时的性能，甚至出现特殊的性能。因此，对材料亚稳态的研究不仅有理论上的意义，更具有重要的实用价值亚稳态的研究不仅有理论上的意义，更具有重要的实用价值。结构形成时的结构形成时的热力学条件热力学条件和和动力学动力学条件！条件！2024/7/3024热力学条件（预言了过程的可能性）热力学条件（预言了过程的可能性） 结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，也就是结构转变必须存在一个推动力，推动过程自发进行！材料生长自发进行的热力学条件：等温等容：AT，V0；等温等压：GT，P0(A=U-TS；G=H-TS）稳态结构与亚稳态结构稳态结构与亚稳态结构2024/7/3025动力学条件（过程的反应速度）动力学条件（过程的反应速度）实际是考虑阻力的问题！阿伦尼乌斯方程表征反应速度：（Q为过程的激活能；R为气体常数）激活能Q为过程的阻力，激活能低，阻力小，过程易于实现温度T的影响稳态结构与亚稳态结构稳态结构与亚稳态结构2024/7/3026 热力学条件与动力学条件共同作用热力学条件与动力学条件共同作用，决定了材料结构是稳态还是亚稳态！至于最终是什么状态则要考虑何者起到支配作用。至于最终是什么状态则要考虑何者起到支配作用。热力学推动起支配作用则最终得到稳态结构热力学推动起支配作用则最终得到稳态结构动力学推动起支配作用则最终得到亚稳态动力学推动起支配作用则最终得到亚稳态Q1Q2稳态亚稳态始态亚稳态亚稳态稳态？稳态？稳态结构与亚稳态结构稳态结构与亚稳态结构2024/7/3027非平衡的亚稳态大致有以下几种类型：非平衡的亚稳态大致有以下几种类型： （1 1）细细晶晶组组织织 当当组组织织细细小小时时，界界面面增增多多，自自由由能能升升高高，故故为为亚亚稳稳状态。状态。 （2 2）高高密密度度晶晶体体缺缺陷陷的的存存在在 晶晶体体缺缺陷陷使使原原子子偏偏离离平平衡衡位位置置，晶晶体体结结构排列的规则性下降，故体系自由能增高。构排列的规则性下降，故体系自由能增高。 （3 3）形形成成过过饱饱和和固固溶溶体体 即即溶溶质质原原子子在在固固溶溶体体中中的的浓浓度度超超过过平平衡衡浓浓度度，甚至在平衡状态是互不溶解的组元发生了相互溶解甚至在平衡状态是互不溶解的组元发生了相互溶解 。 （4 4）发发生生非非平平衡衡转转变变，生生成成具具有有与与原原先先不不同同结结构构的的亚亚稳稳新新相相 例如钢及合金中的马氏体、贝氏体，以及合金中的准晶态相例如钢及合金中的马氏体、贝氏体，以及合金中的准晶态相（5 5）由由晶晶态态转转变变为为非非晶晶态态，由由结结构构有有序序变变为为结结构构无无序序，自自由由能能增增高高 。稳态结构与亚稳态结构稳态结构与亚稳态结构2024/7/3028总之，材料有四种之，材料有四种层次的次的结构，其特点是：构，其特点是： 原子原子结构（一构（一级结构）决定原子的构）决定原子的结合方式，并决定其合方式，并决定其化学性化学性质和物理性和物理性质。 原子原子键合（二合（二级结构）决定构）决定结合力大小，并影响其物理合力大小，并影响其物理和力学性能。和力学性能。 原子排列（三原子排列（三级结构）决定材料的形构）决定材料的形态，影响其物理和，影响其物理和力学性能，并与加工工力学性能，并与加工工艺有关。有关。 显微微组织（四（四级结构）影响材料力学性能如构）影响材料力学性能如强度、塑性度、塑性等，主要由加工工等，主要由加工工艺来决定。来决定。 因此，要理解材料的因此，要理解材料的结构与性能的相互关系，必构与性能的相互关系，必须透透彻地理解材料内部固有的四种基本地理解材料内部固有的四种基本结构。构。