第一章材料的結(jié)構(gòu)與性能01

1.1金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織第1章材料的結(jié)構(gòu)

與性能1.2金屬材料的性能1.3高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能1.4陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能內(nèi)容提要：

本章介紹金屬材料的結(jié)構(gòu)與組織，包括純金屬的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和合金的結(jié)構(gòu)、金屬材料的組織。介紹金屬材料的工藝性能、機械性能和理化性能。還介紹高分子材料和陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能。學習目標：

本章重點掌握金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷和合金的結(jié)構(gòu)，了解金屬材料的組織及性能。了解高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能。學習建議：

1．晶體結(jié)構(gòu)部分應弄清三種常見金屬的晶體結(jié)構(gòu)及其特點，應充分發(fā)揮空間想象力。

2．晶面指數(shù)及晶向指數(shù)的確定在學習時會感到困難。應掌握常見的晶面和晶向的表示方法，需要多練多畫。

3．了解高分子材料的大分子鏈結(jié)構(gòu)與聚集態(tài)，結(jié)合工程、生活實際歸納高分子材料的性能特點，作一般了解。

4．對陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能也只作一般了解。

1.1.3金屬材料的組織1.1

金屬材料的結(jié)構(gòu)

與組織1.1.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)1.1.2合金的晶體結(jié)構(gòu)0．晶體的概念、晶體結(jié)構(gòu)1．三種常見的晶體結(jié)構(gòu)2．晶面和晶向3．金屬晶體的特性4．晶體缺陷1.1.1純金屬的晶體結(jié)構(gòu)

晶體——材料中的原子（離子、分子）在三維空間呈規(guī)則，周期性排列。非晶體：蜂蠟、玻璃

等。晶體金剛石、NaCl、冰等。

非晶體——原子無規(guī)則堆積，也稱為“過冷液體”。液體●晶體的概念原子（離子）的剛球模型原子中心位置●晶體結(jié)構(gòu)晶胞點陣（晶格）模型晶胞XYZabc晶格常數(shù)a，b，c反映該晶格特征的最小組成單元1．三種常見的金屬晶體結(jié)構(gòu)（1）體心立方晶格bcc（2）面心立方晶格fcc（3）密排六方晶格hcp（1）體心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo等體心立方晶胞晶格常數(shù)：a=b=c；

===90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞體積a3Va:原子總體積24r3/3XYZabc2r2raa2空隙半徑若在晶胞空隙中放入剛性球，則能放入球的最大半徑為空隙半徑。體心立方晶胞中有兩種空隙。

●四面體空隙半徑為:

r四=0.29r原子

四面體空隙

●八面體空隙半徑為:

r八=0.15r原子

八面體空隙配位數(shù)配位數(shù)為晶格中與任一個原子相距最近且距離相等的原子數(shù)目。配位數(shù)越大，原子排列緊密程度就越大。

體心立方晶格的配位數(shù)為8。（2）面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等面心立方晶胞晶格常數(shù)：a=b=c；===90晶胞原子數(shù)：原子半徑：致密度：0.74XYZabc密排方向4空隙半徑●四面體空隙半徑為:r四=0.225r原子四面體空隙

●八面體空隙半徑為:r八=0.414r原子八面體空隙配位數(shù)

12（3）密排六方晶格hcpC（石墨）、Mg、Zn/鎘Cd,鈹Be等晶格常數(shù)底面邊長a底面間距c側(cè)面間角120側(cè)面與底面夾角90晶胞原子數(shù)：6原子半徑：a/2致密度：0.74配位數(shù)：12由于原子排列緊密程度不一樣,當金屬從面心立方晶格向體心立方晶格轉(zhuǎn)變時,體積會發(fā)生變化。這就是鋼在淬火時因相變而發(fā)生體積變化的原因。不同晶體結(jié)構(gòu)中原子排列的方式不同,將會使它們的形變能力不同。2.金屬晶體中的晶面和晶向XYZabc晶面通過原子中心的平面晶向通過原子中心的直線所指的方向XYZabc立方晶系的晶面表示方法晶面指數(shù)的標定過程：1.設定一空間坐標系，原點在欲定晶面外，并使晶面在三條坐標軸上有截距或截距無窮大；2.以晶格常數(shù)a為長度單位，寫出欲定晶面在三條坐標軸上的截距：1∞∞；3.截距取倒數(shù)：100；4.截距的倒數(shù)化為最小整數(shù)：100；5.將三整數(shù)寫在圓括號內(nèi)（100）。晶面指數(shù)的一般標記為（hkl）－－實際表示一組原子排列相同的平行晶面。晶面的截距可以為負數(shù)，在指數(shù)上加—“－”號。晶面族：{111}＝(111)+(ī11)+(1ī1)+(11ī)立方晶系的晶向表示方法晶向標定過程：1.設定一空間坐標系，原點在欲定晶向的結(jié)點上；2.寫出該晶向上另一結(jié)點的空間坐標值：100，3.將坐標系按比例化為最小整數(shù)：100，4.將化好的整數(shù)記在方括號內(nèi)：[100]晶向指數(shù)一般標記為[uvw].實際表示一組原子排列相同的平行晶向。晶向族：<uvw><100>=[100]+[010]+[001]3.金屬晶體的特性（1）有確定的熔點熔點晶體非晶體時間溫度晶體和非晶體的熔化曲線（2）各向異性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的現(xiàn)象XYZXYZ4.實際金屬中的晶體缺陷實際金屬晶體結(jié)構(gòu)與理想結(jié)構(gòu)的偏離單晶體：內(nèi)部晶格位向完全一致

的晶體（理想晶體）。如單晶Si半導體。多晶體：由許多位向不同的晶粒構(gòu)成的晶體。晶粒（單晶體）晶體缺陷類型（1）點缺陷：空位、間隙原子、異類原子（2）線缺陷：位錯（3）面缺陷：晶界與亞晶界（1）點缺陷如果間隙原子是其它元素就稱為異類原子（雜質(zhì)原子）空位間隙原子（2）線缺陷——刃位錯與螺位錯刃位錯刃位錯螺位錯（3）面缺陷晶粒（單晶體）晶界亞晶界亞晶界面缺陷引起晶格畸變，晶粒越細，則晶界越多，強度和塑性越高?！窠M元與相的概念●固溶體●金屬化合物1.1.2合金的晶體結(jié)構(gòu)組元與相的概念組元組成合金的獨立的最基本單元。例如：元素、穩(wěn)定化合物。如，F(xiàn)e-C合金中，F(xiàn)e、C均為組元。相化學成分和晶體結(jié)構(gòu)相同，且有界面與其它部分分開的均勻組成部分。合金中有兩類基本相——固溶體和化合物固溶體固溶體概念

合金組元通過溶解形成成分和性能均勻的、結(jié)構(gòu)上與組元之一相同的固相。如，F(xiàn)e(C)固溶體。溶解度概念在一定的溫度和壓力等條件下，溶質(zhì)在固溶體中的極限濃度即為溶質(zhì)在固溶體中的溶解度。固溶體類型ZXY間隙原子間隙固溶體置換固溶體置換原子YXZ固溶強化形成固溶體使金屬強度和硬度提高的現(xiàn)象正常晶格晶格畸變晶格畸變小原子置換引起的晶格畸變間隙原子引起的晶格畸變金屬化合物化合物類型合金組元形成晶格類型與任一組元都不相同的新相正常價化合物——按化合價規(guī)律形成，如，Mg2Si。間隙化合物——過渡金屬+小半徑非金屬元素電子化合物——按電子濃度規(guī)律形成，如，Cu3Al。{間隙相

r非/r金0.59，如，WC、TiC、VC復雜結(jié)構(gòu)的間隙化合物

r非/r金0.59如，F(xiàn)e3C、Cr23C6間隙化合物熔點高、硬度高，脆性大。1.1.3金屬材料的組織組織（顯微組織）指在金相顯微鏡下觀察到的金屬材料內(nèi)部的微觀形貌組織由相構(gòu)成，觀察時應分析相的形態(tài)、數(shù)量、大小和分布方式。金屬材料性能由組織決定，而組織由化學成分和工藝過程決定。亞共析鋼x400過共析鋼x4001.2.1工藝性能1.2.2機械性能1.2.3理化性能1.2

金屬材料的性能鑄造性能：流動性、收縮性、偏析1.2.1工藝性能熱處理性能：淬透性鍛造性能：塑性、變形抗力焊接性能：焊接性、碳當量切削性能：表面粗糙度、刀具壽命強度、塑性、硬度、疲勞強度、斷裂韌性1.2.2機械性能1.2.3理化性能●物理性能：

密度、熔點、導熱性、導電性、熱膨脹性、磁性?！窕瘜W性能：耐腐蝕性、抗氧化性。1.3高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能天然高分子材料包括蠶絲、羊毛、纖維素、油脂、天然橡膠、淀粉和蛋白質(zhì)等。人工合成高分子材料包括塑料、合成橡膠、合成纖維、膠粘劑和涂料等。鏈接的結(jié)構(gòu)和成分代表高分子化合物的結(jié)構(gòu)和成分，為合成高分子化合物的各單體結(jié)構(gòu)的特定連接體。1.3.2.高分子材料的機械性能特點

(1)強度低

高聚物的強度平均為100MPa,比金屬低得多,但密度小，許多高聚物的比強度是很高的,某些工程塑料的比強度比鋼鐵和其他金屬還高。

對于粘彈性的高聚物，其強度主要受溫度和變形速度的影響。隨著溫度的升高，高聚物的力學狀態(tài)發(fā)生變化：

●在脆化溫度Tb以下，高聚物處于硬玻璃態(tài)；

●在Tb～Tg之間處于軟玻璃態(tài)；

●在略高于Tg時處于皮革態(tài)；

●在高于Tg較多時處于橡膠態(tài)；

●在接近于粘流溫度Tf時處于半固態(tài)。

相應地，高聚物的性能由硬脆逐漸變?yōu)閺婍g、柔軟。有機玻璃具有這類典型的變化規(guī)律。

溫度低，強度較高

溫度高，強度較低載荷作用的時間影響轉(zhuǎn)變溫度。作用較慢時，分子鏈來得及位移，呈韌性狀態(tài)；速度較高時，鏈段來不及運動，表現(xiàn)出脆性行為。低速拉伸時強度較低，伸長率較大。

高速拉伸時強度較高，伸長率小，33(2)彈性高、彈性模量低

●高聚物的彈性變形量大，可達到100%～1000％。

一般金屬材料只有0.1%～1.0％?！窀呔畚锏膹椥阅Ａ康?，約為2MPa～20MPa。

一般金屬材料為103MPa～2×105MPa。(3)粘彈性

大多數(shù)高聚物的高彈性大體是“平衡高彈性”，即應變與應力同步發(fā)生。

粘彈性產(chǎn)生的原因：鏈段的運動遇到阻力，需要時間來調(diào)整構(gòu)象。應力作用的速度愈快，鏈段愈來不及作出反應，則粘彈性愈顯著。

粘彈性的主要表現(xiàn)有蠕變、應力松馳和內(nèi)耗等。ａ．蠕變是在應力保持恒定的情況下，應變隨時間的增長而增加的現(xiàn)象。高聚物在力的長期作用時，發(fā)生不可回復的塑性變形。

b.應力松弛

高聚物受力變形后所產(chǎn)生的應力隨時間而逐漸衰減的現(xiàn)象叫應力松弛。

例如，連接管道的法蘭盤中的密封墊圈，經(jīng)過長時間工作后發(fā)生滲漏現(xiàn)象，就是應力松弛的表現(xiàn)。

與蠕變一樣它也是由大分子鏈在力的長時間作用下，逐漸改變構(gòu)象和發(fā)生了位移所引起的。c.滯后與內(nèi)耗

高聚物受周期載荷時，例如，橡膠輪胎、傳送帶或減震器工作時，產(chǎn)生伸－縮的循環(huán)應變。

橡膠受載時應變落后于應力。在重復加載時，變形來不及恢復，分子鏈的構(gòu)象改變跟不上，造成分子間的內(nèi)摩擦，產(chǎn)生內(nèi)耗，由變形所引起的彈性儲能轉(zhuǎn)變?yōu)闊崮堋?/p>

內(nèi)耗的存在會導致高聚物溫度的升高，加速其老化，但內(nèi)耗能吸收震動波，有利于高聚物的減震性能。(4)塑性

高聚物由許多很長的分子組成,加熱時分子鏈的一部分受熱，其它部分不會受熱或少受熱，因此材料不會立即熔化，而先有一軟化過程，所以表現(xiàn)出明顯的塑性。

處于高彈態(tài)的橡膠，在溫度較低和分子量很高時具有這樣的性能。

處于玻璃態(tài)的塑料（如聚乙烯等熱塑性塑料），當溫度較高時也具有這樣的性能。(5)韌性

高聚物的沖擊韌性比金屬小得多，僅為其百分之一的數(shù)量級。

(6)減摩、耐磨性

大多數(shù)塑料對金屬和對塑料的摩擦系數(shù)值一般在0.2～0.4范圍內(nèi),但有一些塑料的摩擦系數(shù)很低。

例如,聚四氟乙烯對聚四氟乙烯的摩擦系數(shù)只有0.04，幾乎是所有固體中最低的。

塑料的另一優(yōu)點是磨損率低而且可以進行一定的估計。2、高分子材料的物理和化學性能

1.絕緣性、隔熱隔音性

高聚物分子是良好的絕緣體，絕緣性能與陶瓷相當。對熱、聲也有良好的絕緣性能。2.耐熱性

熱固性塑料的耐熱性比熱塑性塑料高。常用熱塑性塑料如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龍等，長期使用溫度一般在100℃以下；熱固性塑料如酚醛塑料的為130℃～150℃；耐高溫塑料如有機硅塑料等，可在200℃～300℃使用。

3.耐蝕性

高聚物的化學穩(wěn)定性很高。它們耐水和無機試劑、耐酸和堿的腐蝕。尤其是被譽為塑料王的聚四氟乙烯，不僅耐強酸、強堿等強腐蝕劑，甚至在沸騰的王水中也很穩(wěn)定。耐蝕性好是塑料的優(yōu)點之一。

4.老化

老化是指高聚物在長期使用和存放過程中，由于受各種因素的作用，性能隨時間不斷惡化，逐漸喪失使用價值的過程。

其主要表現(xiàn)：對于橡膠為變脆，龜裂或變軟，發(fā)粘；對于塑料是退色，失去光澤和開裂。

這些現(xiàn)象是不可逆的，所以老化是高聚物的一個主要缺點?？估匣芰Φ闹饕胧?.表面防護—涂鍍一層金屬或防老化涂料；2.改進高聚物的結(jié)構(gòu)減少高聚物各層次結(jié)構(gòu)上的弱點；3.加入防老化劑消除在外界因素影響下高聚物中產(chǎn)生的游離基或使活潑的游離基變成比較穩(wěn)定的游離基以抑制分子鏈的降解或交聯(lián)。小結(jié)高分子材料強度低、塑性好、彈性高、彈性模量低，具有粘彈性，減摩、耐磨性、絕緣性、耐蝕性好，耐熱性低、易老化。1.4

陶瓷材料的結(jié)構(gòu)與性能

1.4.1陶瓷材料的結(jié)構(gòu)

按照組織形態(tài)分為三大類：無機玻璃（硅酸鹽玻璃—非晶體結(jié)構(gòu)類陶瓷）、微晶玻璃（玻璃陶瓷）和陶瓷（晶體陶瓷—普通玻璃、氧化鋁特種陶瓷）。一、陶瓷材料的制備過程原料破碎、混合—成型—燒結(jié)；普通陶瓷的原料通常是由粘土、石英和長石組成。在加熱燒成或燒結(jié)和冷卻過程中，由這三部分組成的坯料相繼發(fā)生四個階段的變化：(1)

低溫階段(室溫～300℃)

殘余水分的排除。(2)分解及氧化階段(300～950℃)(3)

高溫階段(950℃～燒成溫度)

(4)冷卻階段(燒成溫度～室溫)

二次莫來石晶體析出或長大;液相轉(zhuǎn)變;殘留石英晶型轉(zhuǎn)變。二、陶瓷材料的組織結(jié)構(gòu)

陶瓷的典型組織結(jié)構(gòu)包括三種相：晶體相(莫來石和石英)、玻璃相和氣相晶體相：(1)硅酸鹽--硅酸鹽是普通陶瓷的主要原料，是陶瓷組織中重要的晶體相，結(jié)合鍵為離子鍵與共價鍵的混合鍵。

(2)氧化物--多數(shù)陶瓷特別是特種陶瓷的主要組成和晶體相；離子鍵結(jié)合,也有共價鍵。

(3)非氧化合物

--不含氧的金屬碳化物、氮化物、硼化物和硅化物，是特種陶瓷特別是金屬陶瓷的主要組成和晶體相。2.玻璃相

(1)玻璃相作用

①粘連晶體相，填充晶體相間空隙，提高材料致密度；

②降低燒成溫度，加快燒結(jié)；

③阻止晶體轉(zhuǎn)變，抑制其長大；

④獲得透光性等玻璃特性；

⑤不能成為陶瓷的主導相：對陶瓷的機械強度、介電性能、耐熱耐火性等不利。(2)玻璃相產(chǎn)生過程

熔融液相冷卻時在玻璃轉(zhuǎn)變溫度粘度增大到一定程度時,熔體硬化，轉(zhuǎn)變?yōu)椴ＡА?3)玻璃相結(jié)構(gòu)特點玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物組成。硅氧四面體組成不規(guī)則的空間網(wǎng),形