材料科学与工程方法论—4 材料结构、性能与表征的因果关系

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1、四四一一三三五五六六二二 四、材料结构、性能与表征的因果关系1、材料的结构与材料的结构与性能性能核心关系核心关系其核心是围绕其核心是围绕: “结构与性能结构与性能”的相互辩证关系的相互辩证关系1、材料的结构与材料的结构与性能性能组织结构组织结构材料性能材料性能1、材料的结构与材料的结构与性能性能 材料的合成与制备：研究获取材料的手段，以工艺技术的进步为标志； 成分与组织结构：反映材料的本质，是认识材料的理论基础； 材料特性：表征了材料固有的性能，是选用材料的重要依据； 服役行为与使用寿命：与材料的加工和服役条件相结合来考察材料的使用寿命，它往往成为 MSE 的最终目标。合成与制备合成与制备材料

2、特性材料特性成分与成分与组织结构组织结构服役行为与寿命服役行为与寿命1、材料的结构与材料的结构与性能性能化学成分化学成分组成组成制备制备加工工艺加工工艺组织结构组织结构性性 能能结构表征与结构表征与性能检测性能检测工作条件工作条件u 定义： 表明材料的组元及其排列和运动方式。 (1) 组元：一般用材料中原子的种类和数量来表示成分，原子种类叫组元。 (2) 排列方式：组元间的排列方式取决于组元间的结合类型。 (3) 运动方式：用文字描述或参量来表达原子(或分子)及电子的运动。 u 结构的测定：通过人眼来确定。 具有以下特点： (1) 籍助于可见光入射在材料的断面上； (2) 从反射光获得断口的图

3、象； (3) 从已有的知识对图象进行判断，作出结论； (4) 分辨能力约0.1mm； (5) 断面上的外来物质或其它环境因素对于图象及判断可以有干扰。2、材料的材料的结构结构u 材料的晶体结构： (1) 金属的晶体结构： a. 典型的晶体结构在金属元素中，约90%以上的金属晶体结构属于如下三种密排的晶格形式： 体心立方(b.c.c) 面心立方(f.c.c) 密排六方(h.c.p) body-centered cubic face-centered cubic hexagonal close-packed2、材料的材料的结构结构b. 实际的晶体结构点缺陷：是一种在三维空间各个方向上尺寸都很小，尺

4、寸范围约为一个或几个原子间距的缺陷。如空位(正常晶格结点上，未被原子占有而空着的位置)、间隙(不占有正常的晶格位置，而处在晶格间隙中的多余原子)、置换原子(置换晶格结点上的原子，占据正常结点)。 空位 置换原子 间隙原子 点缺陷的存在，原子间作用力的平衡被破坏，周围其它原子发生靠拢或撑开的不规则排列，此变化为晶格畸变。 2、材料的材料的结构结构线缺陷：是在三维空间两维方向尺寸较小，在另一维方向 的尺寸相对较大的缺陷。如位错。 位错：是晶体中的某处有一列或若干列原子发生了 某种有规律的错排现象。 位错对材料的强度理论有很大贡献。 面缺陷：是在三维空间一维方向上尺寸很小，另外两维 方向上尺寸较大的

5、缺陷。主要是晶界和亚晶界。 多晶体中，晶粒位向不同，存在位向差，晶粒交界处原子排列不一致，存在一个过渡层，即晶界。 实际晶体中，这三种缺陷随加工条件变化而变化，可产生、发展，也可消失，对材料性能有很大影响。2、材料的材料的结构结构(2) 非金属的晶体结构a. 陶瓷的组织结构： 陶瓷：是由金属和非金属的无机化合物所构成的多晶固体物质，实际上是各种无机非金属材料的总称。 晶体结构：以离子键为主的离子晶体(呈晶态) 以共价键为主的共价晶体(呈非晶态) 组织：晶相：是主要组成相。 (主晶相、次晶相、第三晶相) 材料的性能取决于主晶相。 玻璃相：高温烧结时各组成物与杂质反应后形成的一种非晶态物质。其作用

6、是将分散的晶相粘结在一起，抑制晶粒长大，填充气孔。 缺点：强度低、热稳定性差，应控制在一定范围。(2040%) 气相：即材料中的气孔，使性能下降。 (若要求材料密度小，绝热性好，则希望一定气相) 2、材料的材料的结构结构b. 高分子材料的结构： 高分子材料：以高分子化合物为主要组分的材料。高分子化合物是分子中 含原子数很多，分子量很大的物质。高分子亦称大分子，高 分子化合物又称高聚物或聚合物。 结构： 大分子链的组成：非金属或非金属元素组成。 大分子链的构型：即高聚物结构单元的排列顺序和连接方式。 大分子链的形态： 线型结构：整个分子呈细长线条状 支链型结构：主链上有一些或长或短支链 体型结构

7、：在空间呈网状结构。 大分子链的构象：由于单键内旋引起的原子在空间占据不同位置所构成的分子链 的各种形象。 柔性链、刚性链 高聚物的聚集态结构：晶性高聚物：排列规则有序无定性 高聚物：排列规则无序 2、材料的材料的结构结构u 相： (1) 定义：具有相同的物理或化学性能并与该系统的其 余部分以界面分开的物质部分。(具有同一化 学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界 面互相分开的、均匀的组成部分) (2) 相的结构类型： 固溶体：相的晶体结构与某一组元的晶体结构相同； 金属化合物：相的晶体结构与组元的晶体结构均不相同 (3) 固溶体： 置换固溶体 间隙固溶体2、材料的材料的结构结构(4) 金属化

8、合物(金属间化合物)：是指合金组元间发生相互作用而形成的具有金属特性的新相。此新相可能是另一种固溶体，也可能是一种晶格类型和性能完全不同于任一合金组元的化合物。 a. 特点：具有一定的金属性质；熔点高、硬而脆， 塑性、韧性不高。 b. 种类：正常价化合物：符合一般化合物的原子价规律，成分固定，可 用化学式表示。Mg2Si 电子化合物：不遵守原子价规律，服从电子浓度规律； 间隙化合物：过渡族金属元素与C、N、H、B等原子半径较 小的非金属元素形成的化合物。 u 显微组织：材料中各相及更微观组元(化学或几何学的)的形貌及含量所构成的图象。(显微镜下所观察到的金属中的各种晶粒的大小、形态和分布)2、

9、材料的材料的结构结构u 金属的加工工艺与结构、性能的关系金属的加工工艺与结构、性能的关系 金属塑性变形后的组织结构与性能(1) 塑性变形后金属的组织结构： a. 显微组织的变化：形成“纤维组织”； b. 亚结构的细化：位错缠结、晶粒破碎； c. 织构现象的产生： 织构：在塑性变形过程中，晶粒转动，当变形量达到一定程 度(7090%以上)时，会使绝大部分晶粒的某一位向与 外力方向趋于一致。缺陷：制耳；优点：使硅钢片的特定晶界、晶向平行于磁力线方向，提 高导磁率， 减小磁滞耗损。2、材料的材料的结构结构(2) 塑性变形后金属的性能： a. 力学性能：强度、硬度 ，塑性、韧性 残余应力：材料经塑性变

10、形后残存在内部的应力。其产生是由于金属内部各区域变形不均匀所致；可分为三种：宏观残余应力(第一类内应力)：由宏观变形不均匀引起，使工件变形；微观残余应力(第二类内应力)：由晶粒或亚晶粒间变形不均匀引起，使工件内 部产生微裂纹晶格畸变应力(第三类内应力)：由晶格畸变引起，使工件强度、硬度 ，塑 性、抗蚀性 。 b. 理化性能：电阻率 ；电阻温度系数 ；导磁率 ； 导热率 ；腐蚀 。2、材料的材料的结构结构 变形金属加热后的组织结构与性能 (1) 回复：把经过冷变形的金属加热时，在显微组织发 生变化前所发生的一些亚结构的改变过程称 为回复。 特点：a. 显微组织没有明显变化； b. 力学性能变化不

11、大； c. 残余应力显著降低； d. 理化性能基本恢复到变形前情况。 应用：低温去应力退火(如深冲黄铜弹壳，会自动变 形，甚至开裂，需经2600左右的去应力退 火)。 2、材料的材料的结构结构(2) 再结晶：变形金属加热到较高温度时，由于原子扩散能力增 加，在晶格畸变严重处形成一些位向与变形晶粒不 同，内部缺陷减少的等轴小晶粒，这些小晶粒不断向 外扩展长大，直至金属中的变形金属全部被等轴晶取 代，即冷变形组织完全消失，这一过程为再结晶。 a. 变形金属的再结晶：位错密度 ，强度、硬度 ， 塑性、韧性 ，内应力消除。 b. 再结晶温度：开始产生再结晶现象的最低温度； 工业条件下定义：经大变形量(