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图4 分子键示意图
氢键：由于氢原子只有一个电子，所以当和某个电负性很大的原子结合成分子时，电子强烈偏移，另一个方向会显示很强的正电性，当和另一个电负性较大的原子相遇时，产生较强的引力，使三个原子连接在一起，形成桥接，故单独形成一种键接方式，称为“氢键或氢桥”。
由于形成分子键的范德华力很弱，因而分子键结合的材料熔点和硬度均较低。又因无自由电子的存在，所以这些材料都是良好的绝缘体。 二、晶体结构的基本概念 （一）晶体与非晶体
1. 晶体：内部原子在三维空间呈规则排列的物质。如金属、食盐、单晶硅等。 2．非晶体：内部原子在空间无序排列的物质。如玻璃、石蜡、松香等。 3. 晶体与非晶体在某些条件下可以互相转化。
4. 非晶体在适当的条件下，可以转化为晶体，称为“晶化”。晶体在适当的条件下也可出现非晶状态。
5. 晶体具有固定的熔点，具有各向异性，非晶体原子混乱排列，各向同性。 （二）晶格
为了研究原子的排列规律，把每个原子看成是一个既无大小，又无质量的几何点，称为“结点”。由结点的排列阵列称为“点阵”。将点阵中各结点用想象中的线条连接起来所得到的空间格架，称为“晶格”。 （三）晶胞
1. 晶胞：晶格中能够代表晶格原子排列规律的最小几何单元称为晶胞。
为了表达晶胞的形状、尺寸，将晶胞放入坐标系中，单个晶胞在坐标系中的尺寸（棱边截距）、及各棱边之间的夹角，称为“晶格常数”，又称为“晶格尺寸”。
晶格常数（晶格尺寸）分别用a、b、c和?、?、?等来描述。根据这些参数，可将晶体分为七大晶系，分别为三斜、单斜、正交、六方、菱方、四方和立方。
2. 原子半径：晶体中原子最紧密排列方向上,相邻原子间距尺寸的一半。 3. 晶胞原子数：一个晶胞内所包含的实际原子数。 4. 致密度：晶胞中原子所占的体积百分数。
5. 配位数：晶体中与任意原子距离相等的原子数。
显然,不同结构的晶体晶胞原子数、配位数和致密度也不相同，配位数越大的晶体致密度越高。
（四）立方晶系的晶面和晶向表示方法
1. 晶面：晶体中，由原子组成的平面称为“晶面”。
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2. 晶向：由原子组成的原子列的方向称为“晶向”。 3. 晶面指数：表示晶面的符号称为“晶面指数”。 4. 晶向指数：表示晶向的符号称为“晶向指数”。 三、金属的结构
金属的晶体结构包括：金属的“晶态结构”和金属的 “非晶态结构”两大类。 （一）金属的晶体结构
1.纯金属的晶体结构
金属键没有方向性和饱和性，大多数金属晶体都具有排列紧密、对称性高的简单结构。 在纯金属中，最常见最典型的晶体结构有面心立方、体心立方和密排六方结构。前两种属于立方晶系，后者属于六方晶系。 2. 实际金属的晶体结构
实际金属中不可避免的存在着各种缺陷。晶体缺陷对金属性能有着重要的影响。 根据缺陷的几何特征，可将晶体缺陷分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三种类型。
（二）金属的非晶态结构
1. 描述方法
比较气态、非晶态和晶态，非晶态金属的结构与液态金属相似，原子排列没有长程的周期性。
在非晶态金属中没有晶界、位错等晶态金属所特有的晶体缺陷。 2. 模型
非晶态的原子结构模型多数人认为是“硬球无规密堆模型”。 四、陶瓷的结构
陶瓷材料是利用氧化物、碳化物、氮化物、硼化物等原料经制坯、成型和烧结工艺加工制成的材料。陶瓷材料中的基本相及其结构要比金属复杂的多。
通常由三种相组成，分别是晶相、玻璃相和气相。 （一）晶相
晶相是陶瓷材料的主要组成相。陶瓷材料主要物理化学性质均取决于晶相。多数陶瓷材料是离子键和共价键晶体。
陶瓷材料中的晶体类型及其复杂程度都超过金属晶体。
晶相中的晶粒大小对陶瓷材料的性能影响很大，晶粒越细，晶界总面积越大，裂纹越不容易扩展，材料的强度越高。 （二）玻璃相
玻璃相是非晶态结构中的低熔点固体，其作用是充填晶粒间隙、粘结晶粒、提高材料的致密程度、降低烧结温度和抑制晶粒长大。
玻璃相的强度低、绝缘性及热稳定性差，工业陶瓷中玻璃相的数量一般控制在20～40％。 陶瓷坯体在烧结过程中还会产生一种含有复杂结构的聚合体的熔体，这种熔体的粘度很大，冷却时不利于晶体形核长大，从而转变为玻璃体。
玻璃化温度：陶瓷冷却过程中，由熔体变为玻璃体的温度。 软化温度：玻璃体加热时显著软化时的温度。 （三）气相
气相是在生产过程中形成的气孔，气孔往往是裂纹源，降低陶瓷的强度。 通常除了多孔陶瓷以外，普通陶瓷的气孔率为5-10%，特种陶瓷在5%以下。 五、高分子材料的结构
高分子材料是以高分子化合物为主要组分的材料。
高分子化合物是指相对分子量大于104的有机化合物。常称为聚合物或高聚物。
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实际上，高分子化合物和低分子化合物之间没有严格的区别，主要由它是否显示高分子化合物的特性来判断。
高分子化合物具有一定的强度和弹性，而低分子化合物则没有。 高分子化合物是由简单结构单元重复连接而成。
组成聚合物的低分子化合物称为“单体”，如乙烯、氯乙烯等。 聚合物的分子为很长的链条，称为“大分子链”。 六、扩散
扩散：由浓度梯度或热运动引起的原子定向运动。
固态金属中的扩散是金属固态转变的重要机制之一，也是固态加工的重要理论基础 。 （一）扩散的宏观规律
1.菲克第一定律 菲克第一定律：在稳态扩散条件下，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质的流量，与该截面处的浓度梯度成正比。
2.菲克第二定律
非稳态扩散过程中，扩散物质的浓度是随时间变化的，为此菲克给出了第二方程。 （二）扩散机制
1.空位扩散
空位扩散是扩散原子通过与相邻的空位交换位臵进行迁移的扩散。 2.间隙扩散
间隙扩散是位于晶格间隙中的原子跃迁到相邻间隙位臵所引起的扩散。
小原子半径的间隙原子，在间隙固溶体中的扩散就是以这种机制进行的。多数合金中，间隙扩散比空位扩散要快得多。
3.其他扩散机制
除了上述两种扩散机制以外，位错中心和晶界也是良好的扩散通道。 三、重要考点
判断题
1.（ ）自然界有些物质不是由原子组成的。 2.（ ）金属、食盐、单晶硅等属于非晶体。
3.（ ）在非晶态金属中没有晶界、位错等晶态金属所特有的晶体缺陷。 答案：1.错；2.错；3.对。
《机械工程材料》辅导资料四
主 题：第3章 材料的凝固
学习时间：2013年10月21日－10月27日
内 容：
这周我们将开始本课程课件的第3章的学习，即材料的凝固。具体学习内容如下： 一、学习要求
1.掌握纯金属结晶的热力学条件，包括液体和晶体的自由能-温度曲线和纯金属的冷却曲线。
2.掌握金属及合金结晶后的晶粒大小及其控制：晶粒度、决定晶粒尺寸的因素、控制晶粒尺寸的方法、晶粒大小对金属性能的影响。
3.理解纯金属的结晶过程以及同素异构转变。
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4.理解合金结晶二元相图的建立方式、基本类型。 5.理解合金结晶中的“杠杆定律”。
6.理解铁碳合金相图的分析原理以及典型铁碳合金的平衡结晶过程：工业纯铁、共析钢、亚共析钢、过共析钢、共晶白口铸铁、亚共晶白口铸铁、过共晶白口铸铁。
7.理解含碳量对铁碳合金组织和性能的影响。 二、主要内容 一、纯金属的结晶
材料由液态变为固态的过程称为“凝固”。
材料的凝固分为两种类型,一种是“结晶”，另一种是“凝固”。结晶是物质内部原子由混乱排列到有序排列的转变过程，是一种相变过程。
非晶体材料冷却过程中，熔融态随着温度的下降，逐渐变粘，变硬，直至完全固化成固态，这个过程称为“凝固”。 （一）结晶的热力学条件
热力学定义指出：在等压条件下，自然界一切自发过程，都是朝着自由能降低的方向进行的。
同一物质的液体和晶体，自由能随温度变化曲线如下图所示。
图1 液体和晶体的自由能-温度曲线
冷却曲线表明，材料的结晶是在理论结晶温度以下，一定的过冷度条件下发生，并且是在恒定的温度下进行的。
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图2 纯金属的冷却曲线
（二）纯金属的结晶过程
任何一种液体物质结晶都包括晶核生成和长大的过程。
液态金属的结构是短程有序（称为“晶坯”）,长程无序的,而短程有序是时聚时散的。
图3 气体、液体和晶体结构示意图
1.结晶的基本过程
液态金属中存在着许多晶坯，在T0温度以上，固相的自由能高于液相，它们时聚时散，不可能长大。
在T0温度以下，固相自由能低于液相，这些晶坯聚集长大，经过一段时间的孕育，最后形成晶核。结晶就以这些晶核稳为核心开始长大。
同时，在一个晶核长大的瞬间，其他部为也有晶核生成，并开始长大，直至晶粒间相互接触，形成晶界，结晶结束。见下图所示。
图4 纯金属结晶过程示意图
2.晶核的形成方式 形成条件：
? 热力学条件：温度低于T0固相自由能低于液相。 ? 动力学条件：要有足够的过冷度，
? 结构条件：有足够尺寸的晶坯，以形成晶核。 晶核的形成方式主要有： ? 自发形核（均匀形核）：完全是由液体中瞬时的短程有序原子团形成的晶核。 ? 非自发形核（非均匀形核）：依靠液体中存在的外来固体物质或容器壁形成的晶核。 3.晶核长大方式
晶核的长大方式也有两种，即均匀长大，和树枝状长大。 在过冷度足够小的情况下，结晶以均匀长大方式进行，由于自由晶体表面总是能量最低的密排面，因而晶粒在结晶过程中保持着规则的外形，直至晶粒间相互接触时规则的外形才被破坏。
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