工程材料2材料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)、組織與性能

1、 2.1 材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu) 2.2 晶體材料的相圖與組織形成晶體材料的相圖與組織形成 2.3 材料的組織與性能材料的組織與性能l物質(zhì)由原子組成。原子物質(zhì)由原子組成。原子的結(jié)合方式和排列方式的結(jié)合方式和排列方式?jīng)Q定了物質(zhì)的性能。決定了物質(zhì)的性能。l原子、離子、分子之間原子、離子、分子之間的結(jié)合力稱為的結(jié)合力稱為結(jié)合鍵結(jié)合鍵。它們的具體組合狀態(tài)稱它們的具體組合狀態(tài)稱為為結(jié)構(gòu)。結(jié)構(gòu)。C60金屬的結(jié)構(gòu)金屬的結(jié)構(gòu)晶態(tài)晶態(tài)非晶態(tài)非晶態(tài)SiO2的結(jié)構(gòu)的結(jié)構(gòu)l1、晶體與非晶體、晶體與非晶體l晶體是指晶體是指原子呈規(guī)則排列原子呈規(guī)則排列的固體。常態(tài)下金屬主的固體。常態(tài)下金屬主要以晶體形式存在。要以晶體形式存

2、在。晶體具有各向異性。晶體具有各向異性。l非晶體是指原子呈無序排列的固體。非晶體是指原子呈無序排列的固體。在一定條件在一定條件下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。下晶體和非晶體可互相轉(zhuǎn)化。l 晶格：晶格：用假想的直線將原子中心連接起來所形成用假想的直線將原子中心連接起來所形成。的三維空間的三維空間格架。格架。直線直線的交點(diǎn)（原的交點(diǎn)（原子中心）稱子中心）稱結(jié)點(diǎn)。結(jié)點(diǎn)。由結(jié)由結(jié)點(diǎn)形成的空點(diǎn)形成的空間點(diǎn)的陣列間點(diǎn)的陣列稱稱空間點(diǎn)陣?？臻g點(diǎn)陣。l 晶胞：晶胞：能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。能代表晶格原子排列規(guī)律的最小幾何單元。l 晶系：晶系：l根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將晶體分為七種晶系。根據(jù)晶胞參數(shù)不同，將

3、晶體分為七種晶系。l90%以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。以上的金屬具有立方晶系和六方晶系。l立方晶系：立方晶系：a=b=c， = = =90 l六方晶系：六方晶系：a1=a2=a3 c， = =90 ， =120 立方立方六方六方四方四方菱方菱方正交正交單斜單斜三斜三斜l 晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：晶晶胞個邊的尺寸胞個邊的尺寸 a、b、c。l各棱間的夾角用各棱間的夾角用 、 、 表示。表示。l 原子半徑：原子半徑：晶胞中原晶胞中原子密度最大方向上相鄰子密度最大方向上相鄰原子間距的一半。原子間距的一半。l 晶胞原子數(shù)：晶胞原子數(shù)：一個晶一個晶胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。胞內(nèi)所包含的原子數(shù)目。l 配位數(shù)：

4、配位數(shù)：晶格中與任晶格中與任一原子距離最近且相等一原子距離最近且相等的原子數(shù)目。的原子數(shù)目。l 致密度：致密度：晶胞中原子晶胞中原子本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。本身所占的體積百分?jǐn)?shù)。l1、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、純金屬的晶體結(jié)構(gòu)l金屬原子是通過正離子金屬原子是通過正離子與自由電子的相互作用與自由電子的相互作用而結(jié)合的，稱為而結(jié)合的，稱為金屬鍵。金屬鍵。價電子云價電子云正離子正離子金屬鍵示意圖金屬鍵示意圖l具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。具有良好的導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性、延展性及金屬光澤。l常見純金屬的晶格類型有體心立方常見純金屬的晶格類型有體心立方(bcc)、面心立方面心立方(fcc)和密排六方和密排

5、六方(hcp)晶格。晶格。l體心立方晶格體心立方晶格原子個數(shù)：原子個數(shù)：2配位數(shù)：配位數(shù)： 8致密度：致密度：0.68=68%常見金屬：常見金屬： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：a(a=b=c)ar43 原子半徑：原子半徑： a42r ：原子半徑原子半徑原子個數(shù)：原子個數(shù)：4配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74=74%常見金屬：常見金屬： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等等晶格常數(shù)：晶格常數(shù)：al面心立方晶格面心立方晶格a21r ：原子半徑原子半徑原子個數(shù)：原子個數(shù)：6配位數(shù)：配位數(shù)： 12致密度：致密度：0.74常見金屬：常見金屬： Mg、Zn、 B

6、e、Cd等等晶格常數(shù)：底面邊長晶格常數(shù)：底面邊長 a 和高和高 c， c/a=1.633l密排六方晶格密排六方晶格晶格類型晶格類型體心立方晶格體心立方晶格 bcc面心立方晶格面心立方晶格fcc密排六方晶格密排六方晶格hcp晶胞結(jié)構(gòu)晶胞結(jié)構(gòu)晶胞常數(shù)晶胞常數(shù)abc= = 90abc = = 90ab c/a1.633= 90 = 120晶胞內(nèi)原子數(shù)晶胞內(nèi)原子數(shù)246原子半徑原子半徑致密度致密度0.680.740.74配位數(shù)配位數(shù)81212典型金屬典型金屬-Fe、Mo、W、V、Cr、Li、Na、Ti、Nb-Fe、Al、Cu、Ni、Au、Ag、Pb、Ca、SrMg、Cd、Zn、Be、Ca、Sr、Col

7、晶體中各方位上的晶體中各方位上的原子面稱原子面稱晶面。晶面。l各方向上的原子列各方向上的原子列稱稱晶向。晶向。l晶面指數(shù)晶面指數(shù)l表示晶面的符號稱表示晶面的符號稱晶面指數(shù)。晶面指數(shù)。l其確定步驟為：其確定步驟為：l 確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個坐確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，求出所求晶面在三個坐標(biāo)軸上的截距。標(biāo)軸上的截距。l 取三個截距值的倒數(shù)并按比例化為最小整數(shù)，加取三個截距值的倒數(shù)并按比例化為最小整數(shù)，加圓括弧，形式為圓括弧，形式為（hkl）。l例一例一.求截距為求截距為 、1、 晶面的指數(shù)晶面的指數(shù) 截距值取倒數(shù)為截距值取倒數(shù)為0、1、0，加圓括，加圓括弧得（弧得（010）。）。l例

8、二例二.求截距為求截距為2、3、 晶面的指數(shù)晶面的指數(shù) 取倒數(shù)為取倒數(shù)為1/2、1/3 、 0, 化為最小化為最小整數(shù)加圓括弧得（整數(shù)加圓括弧得（320）。）。l例三例三.畫出（畫出（112）晶面）晶面 取三指數(shù)的倒數(shù)取三指數(shù)的倒數(shù)1、1、1/2, 化成最化成最小整數(shù)為小整數(shù)為2、2、1，即為，即為X、Y、Z三三坐標(biāo)軸上的截距。坐標(biāo)軸上的截距。l 晶向指數(shù)晶向指數(shù)l表示晶面的符號稱晶面指數(shù)。表示晶面的符號稱晶面指數(shù)。其確定步驟為：其確定步驟為：l 確定原點(diǎn)，建確定原點(diǎn)，建立坐標(biāo)系，過原立坐標(biāo)系，過原點(diǎn)作所求晶向的點(diǎn)作所求晶向的平行線。平行線。l 求直線上任一求直線上任一點(diǎn)的坐標(biāo)值并按點(diǎn)的坐標(biāo)值

9、并按比例化為最小整比例化為最小整數(shù)，加方括弧。數(shù)，加方括弧。形式為形式為uvw。l例一、例一、已知某過原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)為已知某過原點(diǎn)晶向上一點(diǎn)的坐標(biāo)為1、1.5、2，求該直線的晶向指數(shù)。求該直線的晶向指數(shù)。l將三坐標(biāo)值化為最小整數(shù)加方括弧得將三坐標(biāo)值化為最小整數(shù)加方括弧得234。l例二、例二、已知晶向指已知晶向指數(shù)為數(shù)為110, 畫出該畫出該晶向。晶向。l找出找出1、1、0坐標(biāo)點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn),連接原點(diǎn)與該點(diǎn)的連接原點(diǎn)與該點(diǎn)的直線即所求晶向。直線即所求晶向。110234l(hkl)與與uvw分別表示的是分別表示的是一組平行的晶向和晶面一組平行的晶向和晶面。l指數(shù)雖然不同，但指數(shù)雖然不同，但原子排列

10、完全相同的晶向和晶面原子排列完全相同的晶向和晶面稱作稱作晶向族或晶面族。晶向族或晶面族。分別用分別用hkl和和表示。表示。)111()111()111()111(:111)110()011()101()011()101()110(:110)001()010()100(:100 、（110）（110）（101）（101）（011）（011）XZY111111111111:111110011101011101110:110001010100:100 、111111111111XZY說明：說明： 在立方晶系中，指數(shù)在立方晶系中，指數(shù)相同的晶面與晶向相相同的晶面與晶向相互垂直?；ゴ怪?。 遇到遇到負(fù)指數(shù)

11、，負(fù)指數(shù)，“-”“-”號放在該指數(shù)的上方。號放在該指數(shù)的上方。 晶向具有方向性，晶向具有方向性， 如如110與與110方方 向相反。向相反。XZY(221)221110110l 三種常見晶格的密排面和密排方向三種常見晶格的密排面和密排方向l單位面積晶面上的原子數(shù)稱單位面積晶面上的原子數(shù)稱晶面原子密度晶面原子密度。l單位長度晶向上的原子數(shù)稱單位長度晶向上的原子數(shù)稱晶向原子密度晶向原子密度。l原子密度最大的晶面或晶向稱原子密度最大的晶面或晶向稱密排面或密排方向。密排面或密排方向。密排面密排面數(shù)量數(shù)量密排方向密排方向數(shù)量數(shù)量體心立方晶格體心立方晶格11064面心立方晶格面心立方晶格11146密排六方

12、晶格密排六方晶格六方底面六方底面1底面對角線底面對角線3l三種常見晶格的密三種常見晶格的密排面和密排方向排面和密排方向六方底面六方底面底面對角線底面對角線密排六方晶格密排六方晶格面心立方晶格面心立方晶格體心立方晶格體心立方晶格體心立方體心立方(110)面面面心立方面心立方(111)面面密排六方底面密排六方底面rrrrar414. 022221221八面 ：rrrrar2247. 0224343四面rrrrar1547. 023421221八面22a23a45arrrr291. 03445四面雖然體心立方結(jié)構(gòu)的致密度比面心立雖然體心立方結(jié)構(gòu)的致密度比面心立方結(jié)構(gòu)的低，但方結(jié)構(gòu)的低，但它的間隙比較

13、分散，它的間隙比較分散，每個間隙的相對體積比較小，每個間隙的相對體積比較小，因此在因此在體心立方結(jié)構(gòu)中體心立方結(jié)構(gòu)中可能填入雜質(zhì)或溶質(zhì)可能填入雜質(zhì)或溶質(zhì)原子的數(shù)量比面心立方結(jié)構(gòu)的少。原子的數(shù)量比面心立方結(jié)構(gòu)的少。 四面體間隙四面體間隙l一個晶胞中有一個晶胞中有4個四面體間隙。個四面體間隙。l如果是如果是理想緊密堆垛，理想緊密堆垛，四面體四面體間隙半徑為：間隙半徑為： r八面八面= 0.2247r八面體間隙八面體間隙一個晶胞中有一個晶胞中有2個八面體間隙。個八面體間隙。如果是如果是理想緊密堆垛，理想緊密堆垛，八面體八面體間隙半徑為：間隙半徑為： r八面八面= 0.414rl變形金屬晶粒尺寸約變形

14、金屬晶粒尺寸約1100 m，鑄造金屬可達(dá)幾鑄造金屬可達(dá)幾mm。純鐵組織純鐵組織晶粒示意圖晶粒示意圖l 單晶體與多晶體單晶體與多晶體l單晶體：單晶體：其內(nèi)部晶格方位完其內(nèi)部晶格方位完全一致的晶體。全一致的晶體。l多晶體：多晶體：l晶粒：晶粒：實(shí)際使用的金屬材料實(shí)際使用的金屬材料是由許多彼此方位不同、外是由許多彼此方位不同、外形不規(guī)則的小晶體組成，這形不規(guī)則的小晶體組成，這些小晶體稱為些小晶體稱為晶粒。晶粒。鉛錠宏觀組織鉛錠宏觀組織l晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。晶粒越細(xì)小，晶界面積越大。l多晶體：多晶體：由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。由多晶粒組成的晶體結(jié)構(gòu)。光學(xué)金相顯示的純鐵晶界光學(xué)金相顯示的純鐵晶界多晶

15、體示意圖多晶體示意圖l 晶體缺陷晶體缺陷l晶格的不完整部晶格的不完整部位稱位稱晶體缺陷晶體缺陷。l實(shí)際金屬中存在實(shí)際金屬中存在著大量的晶體缺著大量的晶體缺陷，按形狀可分陷，按形狀可分三類，即點(diǎn)、線、三類，即點(diǎn)、線、面缺陷。面缺陷。l 點(diǎn)缺陷點(diǎn)缺陷 l空間三維尺寸都空間三維尺寸都很小的缺陷。很小的缺陷。l空位空位l間隙原子間隙原子l置換原子置換原子la. 空位：空位：晶格中某些晶格中某些缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。缺排原子的空結(jié)點(diǎn)。lb. 間隙原子：間隙原子：擠進(jìn)晶擠進(jìn)晶格間隙中的原子。格間隙中的原子。可可以是基體金屬原子，以是基體金屬原子，也可以是外來原子。也可以是外來原子。體心立方的四面體和八面體間隙

16、體心立方的四面體和八面體間隙lc. 置換原子：置換原子：取代原來原子位置的外來原取代原來原子位置的外來原子稱置換原子。子稱置換原子。l點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀點(diǎn)缺陷破壞了原子的平衡狀態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱態(tài)，使晶格發(fā)生扭曲，稱晶晶格畸變。格畸變。從而使強(qiáng)度、硬度從而使強(qiáng)度、硬度提高，塑性、韌性下降。提高，塑性、韌性下降?？瘴豢瘴婚g隙原子間隙原子小置換原子小置換原子大置換原子大置換原子l 線缺陷線缺陷晶體中的位錯晶體中的位錯l位錯：位錯：晶格中一部分晶體相晶格中一部分晶體相對于另一部分晶體發(fā)生局部對于另一部分晶體發(fā)生局部滑移，滑移面上滑移區(qū)與未滑移，滑移面上滑移區(qū)與未刃型位錯刃型位錯 螺型位錯螺

17、型位錯滑移區(qū)的交界線稱作滑移區(qū)的交界線稱作位錯位錯。分為。分為刃型位錯刃型位錯和和螺型位錯螺型位錯。刃位錯的形成刃位錯的形成l刃型位錯：刃型位錯：當(dāng)一個完整晶體某晶面以上的某處多出當(dāng)一個完整晶體某晶面以上的某處多出半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多半個原子面，該晶面象刀刃一樣切入晶體，這個多余原子面的邊緣就是余原子面的邊緣就是刃型位錯刃型位錯。l半原子面在滑移面以上的稱半原子面在滑移面以上的稱正位錯正位錯，用，用“ ”表示。表示。l半原子面在滑移面以下的稱半原子面在滑移面以下的稱負(fù)位錯負(fù)位錯，用，用“ ”表示。表示。l位錯密度：位錯密度：單位體積內(nèi)所單位體積內(nèi)所包含的位錯線總長度。包

18、含的位錯線總長度。 = S/V(cm/cm3或或1/cm2)l金屬的位錯密度為：金屬的位錯密度為：1041012/cm2l位錯對性能的影響位錯對性能的影響：金屬金屬的塑性變形主要由位錯運(yùn)的塑性變形主要由位錯運(yùn)動引起，因此阻礙位錯運(yùn)動引起，因此阻礙位錯運(yùn)動是強(qiáng)化金屬的主要途徑。動是強(qiáng)化金屬的主要途徑。l減少或增加位錯密度都可減少或增加位錯密度都可以提高金屬的強(qiáng)度。以提高金屬的強(qiáng)度。金屬晶須金屬晶須退火態(tài)退火態(tài)(105-108/cm2) 加工硬化態(tài)加工硬化態(tài)(1011-1012/cm2) 透射電鏡下鈦合金中的位錯線透射電鏡下鈦合金中的位錯線(黑線黑線)l 面缺陷面缺陷晶界與亞晶界晶界與亞晶界l晶界

19、是不同位向晶粒的過度部位，晶界是不同位向晶粒的過度部位，寬度為寬度為510個原個原子間距，位向差一般為子間距，位向差一般為2040。亞晶粒亞晶粒大角度和小角度晶界大角度和小角度晶界位錯壁位錯壁l亞晶粒亞晶粒是組成晶粒的尺寸很是組成晶粒的尺寸很小，位向差也很小小，位向差也很小(10 2 )的小晶塊。的小晶塊。l亞晶粒之間的交界面稱亞晶粒之間的交界面稱亞晶亞晶界界。亞晶界也可看作亞晶界也可看作位錯壁位錯壁。l晶界的特點(diǎn)：晶界的特點(diǎn)：l 原子排列不規(guī)則原子排列不規(guī)則。l 熔點(diǎn)低。熔點(diǎn)低。l 耐蝕性差耐蝕性差。l 易產(chǎn)生內(nèi)吸附易產(chǎn)生內(nèi)吸附，外來，外來原子易在晶界偏聚。原子易在晶界偏聚。l 阻礙位錯運(yùn)動

20、阻礙位錯運(yùn)動，是強(qiáng)，是強(qiáng)化部位，因而實(shí)際使用化部位，因而實(shí)際使用的金屬力求獲得細(xì)晶粒。的金屬力求獲得細(xì)晶粒。l 是相變的優(yōu)先形核部是相變的優(yōu)先形核部位。位。 顯微組織的顯示顯微組織的顯示l合金合金是指由是指由兩種兩種或或兩種兩種以上元素以上元素組成的組成的具有金具有金屬特性屬特性的物質(zhì)。的物質(zhì)。l組成合金的元素可以是組成合金的元素可以是全部是金屬，也可是金全部是金屬，也可是金屬與非金屬。屬與非金屬。l組成合金的元素相互作組成合金的元素相互作用可形成不同的用可形成不同的相。相。Al-Cu兩相合金兩相合金黃銅黃銅l所謂所謂相相是指金屬或合金中凡是指金屬或合金中凡成分相同、結(jié)構(gòu)相同，并與成分相同、結(jié)

21、構(gòu)相同，并與其它部分有界面分開的均勻其它部分有界面分開的均勻組成部分。組成部分。l顯微組織顯微組織實(shí)質(zhì)上是指在顯微實(shí)質(zhì)上是指在顯微鏡下觀察到的金屬中各相或鏡下觀察到的金屬中各相或各晶粒的各晶粒的形態(tài)、數(shù)量、大小形態(tài)、數(shù)量、大小和分布和分布的組合。的組合。l固態(tài)合金中的相分為固態(tài)合金中的相分為固溶體固溶體和和金屬化合物金屬化合物兩類。兩類。單相單相合金合金兩相兩相合金合金l 固溶體固溶體l合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固合金中其結(jié)構(gòu)與組成元素之一的晶體結(jié)構(gòu)相同的固 相稱相稱固溶體固溶體。習(xí)慣以習(xí)慣以 、 、 表示。表示。l與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱與合金晶體結(jié)構(gòu)相同的元素稱溶溶劑。劑

22、。其它元素稱其它元素稱溶質(zhì)。溶質(zhì)。l固溶體是合金的重要組成相，實(shí)固溶體是合金的重要組成相，實(shí)際合金多是單相固溶體合金或以際合金多是單相固溶體合金或以固溶體為基的合金。固溶體為基的合金。l按溶質(zhì)原子所處位置分為按溶質(zhì)原子所處位置分為置換固置換固溶體和間隙固溶體。溶體和間隙固溶體。Cu-Ni置換固溶體置換固溶體Fe-C間隙固溶體間隙固溶體l 置換固溶體置換固溶體l溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶溶質(zhì)原子占據(jù)溶劑晶格某些結(jié)點(diǎn)位置所形成的固溶體。體。l溶質(zhì)原子呈無序分布的稱溶質(zhì)原子呈無序分布的稱無序固溶體，無序固溶體，呈有序分布呈有序分布的稱的稱有序固溶體。有序固溶體。黃銅置換固溶體組織黃

23、銅置換固溶體組織l 間隙固溶體間隙固溶體l溶質(zhì)原子溶質(zhì)原子嵌入嵌入溶劑晶格間隙溶劑晶格間隙所形成的固溶體。所形成的固溶體。l形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金 屬元素，如屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般等，而溶劑元素一般是過渡族元素。是過渡族元素。l形成間隙固溶體的一形成間隙固溶體的一般規(guī)律為般規(guī)律為r質(zhì)質(zhì)/r劑劑5000 。l 高分子化合物有高分子化合物有天然的天然的（蠶絲、羊毛、纖維素、天蠶絲、羊毛、纖維素、天然橡膠、淀粉、蛋白質(zhì)等然橡膠、淀粉、蛋白質(zhì)等 ），也有，也有人工合成的人工合成的（塑料、（塑料、合成橡膠、合成纖維、粘接劑

24、和涂料等）合成橡膠、合成纖維、粘接劑和涂料等），工業(yè)用高工業(yè)用高分子材料主要是人工合成的。分子材料主要是人工合成的。l高分子化合物高分子化合物由簡單的結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接而成由簡單的結(jié)構(gòu)單元重復(fù)連接而成。如由如由乙烯合成聚乙烯乙烯合成聚乙烯: CH2=CH2+CH2=CH2+-CH2-CH2-CH2-CH2- , CH2CH2 nl可簡寫成可簡寫成 n CH2=CH2 。 l組成聚合物的低分子化合物稱為組成聚合物的低分子化合物稱為單體。單體。l聚合物的分子為很長的鏈條，稱為聚合物的分子為很長的鏈條，稱為大分子鏈。大分子鏈。 CH2CH2 nl大分子鏈中重復(fù)結(jié)構(gòu)單元大分子鏈中重復(fù)結(jié)構(gòu)單元( (如聚乙

25、烯中如聚乙烯中 ) )稱為稱為鏈節(jié)。鏈節(jié)。 聚乙烯分子鏈聚乙烯分子鏈l常用的聚合物反應(yīng)有加成聚合反應(yīng)常用的聚合物反應(yīng)有加成聚合反應(yīng)(簡稱簡稱加聚反應(yīng)加聚反應(yīng))和和縮合聚合反應(yīng)縮合聚合反應(yīng)(簡稱簡稱縮聚反應(yīng)縮聚反應(yīng))。l2 、高分子材料的分類、高分子材料的分類l 按用途分按用途分塑料、橡膠、纖維、塑料、橡膠、纖維、膠粘劑、涂料等。膠粘劑、涂料等。 l 按按聚合物反應(yīng)類型聚合物反應(yīng)類型分為加聚物分為加聚物和縮聚物。和縮聚物。 l 按按聚合物的熱行為聚合物的熱行為分為熱塑性分為熱塑性聚合物和熱固性聚合物聚合物和熱固性聚合物. l 按按主鏈上的化學(xué)組成分為主鏈上的化學(xué)組成分為碳鏈碳鏈聚合物、雜鏈聚合物

26、和元素有機(jī)聚聚合物、雜鏈聚合物和元素有機(jī)聚合物。合物。 l1、大分子鏈的結(jié)構(gòu)、大分子鏈的結(jié)構(gòu) l 大分子鏈的大分子鏈的柔順性柔順性 l大分子鏈主鏈共價鍵有一大分子鏈主鏈共價鍵有一定鍵長和鍵角，保持鍵長定鍵長和鍵角，保持鍵長和鍵角不變時單鍵可任意和鍵角不變時單鍵可任意旋轉(zhuǎn)，稱旋轉(zhuǎn)，稱單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)。單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)。l內(nèi)旋轉(zhuǎn)使大分子鏈卷曲成各種不同形狀，對外力有很內(nèi)旋轉(zhuǎn)使大分子鏈卷曲成各種不同形狀，對外力有很大的適應(yīng)性，這種特性稱為大分子鏈的大的適應(yīng)性，這種特性稱為大分子鏈的柔順性。柔順性。l柔順性與單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的難易程度有關(guān)。柔順性與單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)的難易程度有關(guān)。 l 大分子鏈的形狀大分子鏈的形狀l按照大

27、分子鏈的幾何形狀，可將高分子化合物分為按照大分子鏈的幾何形狀，可將高分子化合物分為線型結(jié)構(gòu)、支化型結(jié)構(gòu)線型結(jié)構(gòu)、支化型結(jié)構(gòu)( (支鏈型結(jié)構(gòu)支鏈型結(jié)構(gòu)) )和體型結(jié)構(gòu)。和體型結(jié)構(gòu)。l線型結(jié)構(gòu)高聚物線型結(jié)構(gòu)高聚物的彈性、塑性好，硬度低，是的彈性、塑性好，硬度低，是熱塑熱塑性材料。性材料。支化型結(jié)構(gòu)近于線型結(jié)構(gòu)支化型結(jié)構(gòu)近于線型結(jié)構(gòu) 。體型結(jié)構(gòu)高聚體型結(jié)構(gòu)高聚物物硬度高，脆性大，無彈性和塑性，是硬度高，脆性大，無彈性和塑性，是熱固性材料。熱固性材料。l2、高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)、高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)l固態(tài)高聚物分為固態(tài)高聚物分為晶態(tài)、部分晶態(tài)和非晶態(tài)晶態(tài)、部分晶態(tài)和非晶態(tài)三大類，晶態(tài)為分三大類，晶態(tài)為分子

28、鏈排列規(guī)則的部分，而排列無規(guī)則的部分為非晶態(tài)。子鏈排列規(guī)則的部分，而排列無規(guī)則的部分為非晶態(tài)。l通常通常線性聚合物在一定條件線性聚合物在一定條件下可以形成晶態(tài)或部分晶態(tài)下可以形成晶態(tài)或部分晶態(tài)，而而體型聚合物為非晶態(tài)體型聚合物為非晶態(tài)（或（或玻璃態(tài)）玻璃態(tài)）l聚合物的結(jié)晶也是形核和核聚合物的結(jié)晶也是形核和核的長大過程。的長大過程。l晶態(tài)熔點(diǎn)、密度、強(qiáng)度、硬晶態(tài)熔點(diǎn)、密度、強(qiáng)度、硬度、剛性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)度、剛性、耐熱性、化學(xué)穩(wěn)定性高，而彈性、塑性、韌定性高，而彈性、塑性、韌性下降。性下降。 l1、線型非晶態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài)、線型非晶態(tài)高分子材料的力學(xué)狀態(tài) l 玻璃態(tài)：玻璃態(tài)：低溫下，鏈段不

29、能運(yùn)動。在外力作用下，低溫下，鏈段不能運(yùn)動。在外力作用下，只發(fā)生大分子原子的微量位移，產(chǎn)生少量彈性變形。只發(fā)生大分子原子的微量位移，產(chǎn)生少量彈性變形。l高聚物呈玻璃態(tài)的高聚物呈玻璃態(tài)的最高溫度稱玻璃化最高溫度稱玻璃化溫度，用溫度，用Tg表示。表示。用于這種狀態(tài)的材用于這種狀態(tài)的材料有塑料和纖維。料有塑料和纖維。 線型非晶態(tài)高聚物的溫度線型非晶態(tài)高聚物的溫度- -變形曲線變形曲線 一、高分子材料的機(jī)械性能一、高分子材料的機(jī)械性能 l 高彈態(tài)：高彈態(tài)：溫度高于溫度高于Tg，分子活動能力增加，受力分子活動能力增加，受力時產(chǎn)生很大彈性變形。用于這種狀態(tài)高聚物是橡膠。時產(chǎn)生很大彈性變形。用于這種狀態(tài)高聚

30、物是橡膠。l 粘流態(tài)：粘流態(tài)：由于溫度高，分子活動能力很大，在外由于溫度高，分子活動能力很大，在外力作用下，大分子鏈可以相對滑動。粘流態(tài)是高分力作用下，大分子鏈可以相對滑動。粘流態(tài)是高分子材料的加工態(tài)，子材料的加工態(tài)，大分子鏈開始發(fā)大分子鏈開始發(fā)生粘性流動的溫生粘性流動的溫度稱粘流溫度，度稱粘流溫度，用用Tf表示。表示。 線型非晶態(tài)高聚物的溫度線型非晶態(tài)高聚物的溫度- -變形曲線變形曲線 l2、晶態(tài)高聚物和體型高聚物的力學(xué)狀態(tài)、晶態(tài)高聚物和體型高聚物的力學(xué)狀態(tài)l 完全結(jié)晶的線性高聚物完全結(jié)晶的線性高聚物與低分子晶體材料一樣沒有高彈態(tài)，與低分子晶體材料一樣沒有高彈態(tài)，部分結(jié)晶高聚物部分結(jié)晶高聚物

31、在非晶區(qū)在非晶區(qū)Tg與晶區(qū)與晶區(qū)T m 間，非晶區(qū)柔性好，間，非晶區(qū)柔性好，晶區(qū)剛性好，處于晶區(qū)剛性好，處于皮革態(tài)。皮革態(tài)。l 體型非晶態(tài)高聚物體型非晶態(tài)高聚物具有具有l(wèi)網(wǎng)狀分子鏈，其交聯(lián)點(diǎn)的網(wǎng)狀分子鏈，其交聯(lián)點(diǎn)的l密度影響高聚物的物理狀密度影響高聚物的物理狀l態(tài)。態(tài)。交聯(lián)密度較小，鏈段交聯(lián)密度較小，鏈段l仍可以運(yùn)動，具有高彈態(tài)，彈性好，仍可以運(yùn)動，具有高彈態(tài)，彈性好，如輕度硫化的橡膠；交如輕度硫化的橡膠；交聯(lián)密度大，鏈段不能運(yùn)動，高彈態(tài)消失，與玻璃一樣硬而脆，聯(lián)密度大，鏈段不能運(yùn)動，高彈態(tài)消失，與玻璃一樣硬而脆，如酚醛塑料。如酚醛塑料。 線型晶態(tài)高聚物的線型晶態(tài)高聚物的溫度溫度- -變形曲線

32、變形曲線 強(qiáng)度低強(qiáng)度低 高聚物的強(qiáng)度平均高聚物的強(qiáng)度平均100MPa，但其密度小，比強(qiáng)但其密度小，比強(qiáng)度高。度高。 彈性高、彈性模量低彈性高、彈性模量低 高聚物彈性變形量高聚物彈性變形量1001000，E：220MPa(取決于分子鏈的柔順性取決于分子鏈的柔順性)；金屬彈性變形量；金屬彈性變形量0.11.0，E：1032105MPa。 粘彈性粘彈性 高聚物的應(yīng)變?nèi)Q于應(yīng)力和應(yīng)力作用的速率。高聚物的應(yīng)變?nèi)Q于應(yīng)力和應(yīng)力作用的速率。產(chǎn)生粘彈性的原因：鏈段運(yùn)動遇到困難，需要時間來調(diào)產(chǎn)生粘彈性的原因：鏈段運(yùn)動遇到困難，需要時間來調(diào)整構(gòu)象以適用外來的要求。外力作用速度越快，鏈段越整構(gòu)象以適用外來的要求。外

33、力作用速度越快，鏈段越來不及作出反應(yīng)，粘彈性越強(qiáng)。來不及作出反應(yīng)，粘彈性越強(qiáng)。 粘彈性主要表現(xiàn)為粘彈性主要表現(xiàn)為蠕變、應(yīng)力松弛和內(nèi)耗。蠕變、應(yīng)力松弛和內(nèi)耗。 受迫彈性受迫彈性 無定形高聚物在玻璃態(tài)受到拉伸斷裂前也能產(chǎn)生較無定形高聚物在玻璃態(tài)受到拉伸斷裂前也能產(chǎn)生較大的變形，這種變形本質(zhì)上是彈性變形大的變形，這種變形本質(zhì)上是彈性變形(分子鏈段由卷曲性變?yōu)榉肿渔湺斡删砬宰優(yōu)樯熘毙?，玻璃化溫度以下，鏈段運(yùn)動被凍結(jié)，變形不能回復(fù)伸直形，玻璃化溫度以下，鏈段運(yùn)動被凍結(jié)，變形不能回復(fù))，而不是分子鏈的粘性流動引起的不可逆塑性變形。而不是分子鏈的粘性流動引起的不可逆塑性變形。 韌性韌性 高聚物的韌性約為金

34、屬的百分之一，常采用提高其強(qiáng)度高聚物的韌性約為金屬的百分之一，常采用提高其強(qiáng)度的辦法來提高韌性。的辦法來提高韌性。 減摩、耐磨性減摩、耐磨性 部分高聚物部分高聚物(聚四氟乙烯，聚四氟乙烯，0.04)之間的摩擦系之間的摩擦系數(shù)很小，自潤滑性能好，磨損率低。數(shù)很小，自潤滑性能好，磨損率低。應(yīng)應(yīng)力力A應(yīng)變應(yīng)變BC 塑性塑性 B點(diǎn)對應(yīng)的屈服應(yīng)變較點(diǎn)對應(yīng)的屈服應(yīng)變較 大，約大，約20，而金屬的多，而金屬的多1；頸縮變形頸縮變形階段很長階段很長(冷拉變形以細(xì)頸擴(kuò)展方式進(jìn)冷拉變形以細(xì)頸擴(kuò)展方式進(jìn)行行)，擴(kuò)展到整個試樣后再均勻變形，擴(kuò)展到整個試樣后再均勻變形，C點(diǎn)后斷裂。點(diǎn)后斷裂。 絕緣性及隔熱隔音性絕緣性及

35、隔熱隔音性 高聚物沒有自由電子和可移動的離子，高聚物沒有自由電子和可移動的離子，是良好的絕緣體，同時也具有良好的隔熱、隔音性能。是良好的絕緣體，同時也具有良好的隔熱、隔音性能。 耐熱性耐熱性 熱固性塑料的耐熱性比熱塑性塑料高。聚乙烯、尼龍熱固性塑料的耐熱性比熱塑性塑料高。聚乙烯、尼龍等長期使用溫度一般在等長期使用溫度一般在100以下，耐高溫的有機(jī)硅塑料可在以下，耐高溫的有機(jī)硅塑料可在200300使用。使用。 耐蝕性耐蝕性 塑料的耐蝕性能好。尤其是聚四氟乙烯可耐強(qiáng)酸、強(qiáng)塑料的耐蝕性能好。尤其是聚四氟乙烯可耐強(qiáng)酸、強(qiáng)堿，甚至王水的腐蝕。堿，甚至王水的腐蝕。 老化老化 塑料的老化是高聚物的主要缺點(diǎn)，

36、橡膠表現(xiàn)為變脆、龜塑料的老化是高聚物的主要缺點(diǎn)，橡膠表現(xiàn)為變脆、龜裂、變軟、發(fā)粘，塑料則是褪色、失去光澤、開裂。是分子鏈裂、變軟、發(fā)粘，塑料則是褪色、失去光澤、開裂。是分子鏈的結(jié)構(gòu)發(fā)生了降解或交聯(lián)引起的。采用表面防護(hù)、加入防老化的結(jié)構(gòu)發(fā)生了降解或交聯(lián)引起的。采用表面防護(hù)、加入防老化劑和改進(jìn)高聚物結(jié)構(gòu)等方面來提高高聚物抗老化的能力。劑和改進(jìn)高聚物結(jié)構(gòu)等方面來提高高聚物抗老化的能力。l工業(yè)上應(yīng)用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶瓷器、玻璃、水泥等。工業(yè)上應(yīng)用的典型的傳統(tǒng)陶瓷產(chǎn)品如陶瓷器、玻璃、水泥等。l隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的新型陶瓷。隨著現(xiàn)代科技的發(fā)展，出現(xiàn)了許多性能優(yōu)良的新型陶瓷。l按組

37、織形態(tài)，陶瓷材料分為：無機(jī)玻璃、微晶玻璃和陶瓷。按組織形態(tài)，陶瓷材料分為：無機(jī)玻璃、微晶玻璃和陶瓷。 l陶瓷材料是除陶瓷材料是除金屬和高聚物金屬和高聚物以外的無機(jī)非以外的無機(jī)非金屬材料通稱。金屬材料通稱。l1、陶瓷材料的相組、陶瓷材料的相組成特點(diǎn)成特點(diǎn)l陶瓷材料通常由三陶瓷材料通常由三種不同的相組成，種不同的相組成，即即晶相晶相(1)、玻璃相玻璃相(2)和氣相和氣相(3)氣孔氣孔。l料致密度、降料致密度、降低燒結(jié)溫度和低燒結(jié)溫度和抑制晶粒長大抑制晶粒長大。l氣相氣相是在工藝是在工藝過程中形成并過程中形成并保留下來的。保留下來的。l晶相晶相是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物是陶瓷材料中主要的組成相，決定陶瓷材料物理化學(xué)性質(zhì)的主要是晶相。理化學(xué)性質(zhì)的主要是晶相。l玻璃相玻璃相的作用是的作用是充填晶粒間隙、粘結(jié)晶粒、提高材充填晶粒間隙、粘結(jié)晶粒、提高材l陶瓷材料的結(jié)合鍵特點(diǎn)陶瓷材料的結(jié)合鍵特點(diǎn)l陶瓷材料的主要成分是氧化物、碳化物、氮化物、