材料结构与分析1

材料结构与分析材料结构与分析1 1 材料结构与分析1 晶体及其基本特征2 七大晶系 14种布拉菲点阵3 三种常见晶体结构 体心 面心 密排六方 代表金属 一个晶胞 包含原子个数 致密度 配位数 密排面 密排方向 四面体间隙 八面体间隙4 晶面指数和晶向指数的标注5 晶体中的结合键 物 理键 化学键 作用力 结合键强弱及其特点金属 陶瓷 高分 子材料结合件类型6 晶体结构缺陷类型 1 几何形态点 显 面 体 2 形成原因热 杂质 非化学计量Fe1 xO Zn1 xO 零维 一维 二维 三维 7 点缺陷类型 大的置换原子 肖脱基空位 间隙原子 复合空位 弗兰克尔空位 小的置换原子 浓度计算 对晶体材料性能的 影响 比容 电阻率 比热容 扩散系数 介电常数等 8 线 缺陷刃型位错 螺型位错 混合位错 形成 特征 柏氏矢量 标定 物理意义 晶体中位错的萌生 1 液体金属凝固形成位错 2 过饱和空位凝聚过程形成位错 3 局部 应力集中形成位错 位错运动 滑移 攀移 9 面缺陷分类 表面 晶界 层错 孪晶面 晶界偏析 对强韧性 晶间腐蚀 应力 腐蚀 蠕变断裂强度 钢回火脆性 钢淬透性有重要影响 性质 晶界熔点低 易过烧b 晶界是易扩散通道c 晶界易形核d 晶界易 受腐蚀e 晶界常温下强化 高温下弱化 10 合金晶体结构固溶体和 化合物11 熔体的结构熔体是玻璃制造的中间产物 瓷釉在高温状态 下是熔体状态 耐火材料的耐火度与熔体含量有直接关系 瓷胎中4 0 60 是玻璃状态 高温下是熔体态 性质粘度 表面张力12 玻璃的通性1 各向同性2 介稳性3 由熔融 态向玻璃态转化的过程是可逆的与渐变的 在一定的温度范围内完 成 无固定熔点 4 由熔融态向玻璃态转化时物理 化学性质随温度变化的连续性5 物理 化学性质随成分变化的连续性玻璃的结构1微晶学说2无规 则网络学说13 材料的性能是指材料对电 磁 光 热 机械载荷的 反应 主要决定于材料的组成与结构 材料的几类主要性能化学性能 力学性能 热性能 电性能 磁性 光学性能 一 力学性能材料在外加载荷 外力 作用下 或载 荷与环境因素 如温度 介质和加载速率 联合作用下所表现的行 为 1 材料强度抗拉强度 抗压强度 抗弯强度 蠕变强度 持久强 度 2 塑性延伸率 断面收缩率 3 韧性冲击韧度材料的一些力学性能特点 很多金属材料既有高 的强度 又有良好的延展性 多晶材料的强度高于单晶材料 这是因为多晶材料中的晶界可中断位错的滑移 改变滑移的方向 通过控制晶粒的生长 可以达到强化材料的目的 固溶体或合金的强度高于纯金属 杂质原子的存在对位错运动具有牵制作用 多数无机非金属材料延展性很差 屈服强度高 源于共价键的方向性 4 材料的硬度布氏硬度 洛氏硬度 维氏硬度 肖氏硬度 由共 价键结合的材料如金刚石具有很高的硬度 这是因为共价键的强度 较高 无机非金属材料有较高硬度 离子键和共价键的强度均较高 当含有价态较高而半径较小的离子时 所形成的离子键强度较高 因静电引力较大 故材料的硬度更高 金属材料形成固溶体或合金时可显著提高材料的硬度 高分子材料硬度通常较低 分子链之间主要以范德华力或氢键结合 键力较弱 5 疲劳性能 材料抵抗疲劳破坏的能力疲劳材料在循环受力 拉伸 压缩 弯曲 剪切等 下 在某点或某些点产生局部的永久性损伤 并在一定 循环次数后形成裂纹 或使裂纹进一步扩展直到完全断裂的现象 二 化学性能材料抵抗各种介质作用的能力 溶蚀性 耐腐蚀性 抗渗透性 抗氧化性 金属的耐酸碱性主要是高温下浓碱液的腐 蚀问题 镍铬铸铁中加入稀土 降低镍含量 可以降低材料成本 又可以保 证合金铸铁良好的耐碱蚀性 玻璃的化学稳定性是指玻璃抗耐气体 水 酸 碱或其他化学试剂 药物溶液等侵蚀的能力 一般玻璃具有极好的化学惰性 但成分中的Na2O及其他金属离子能 溶于水 而导致玻璃的侵蚀及与其接触的溶液的pH值发生变化 高分子材料化学稳定性好 耐酸耐碱耐有机熔剂性 金属材料和无机 非金属材料有好的耐有机溶剂性能 热塑性高分子材料一般由线形 高分子构成 很多有机溶剂都可以将其溶解 交联型高分子在有机 溶剂中不溶解 但能溶胀 使材料体积膨胀 性能变差 不同的高 分子材料 其分子链以及侧基不同 对各种有机溶剂表现出不同的 耐受性 组织结构对耐溶剂性也有较大影响 例如 作为结晶性聚合物 聚乙烯在大多数有机溶剂中都难溶 因 而具有很好的耐溶剂性 耐老化性 三 物理性能 1 热学性能a 热熔 1mol物质升高1K所需要的热量b 热膨胀原子间的键合力越强 则热 膨胀系数越小 金属和无机非金属材料的线膨胀系数较小 聚合物材料则较大 c 热传导各种材料的导热率 金属材料有很高的热导率 自由电子在热传导中担当主要角色 金属晶体中的晶格缺陷 微结构和制造工艺都对导热性有影响 晶格振动 无机陶瓷或其它绝缘材料热导率较低 热传导依赖于晶格振动 声子 的转播 高温处的晶格振动较剧烈 再加上电子运动的贡献增加 其热导率 随温度升高而增大 半导体材料的热传导 电子与声子的共同贡献 低温时 声子是热能传导的主要载体 较高温度下电子能激发进入导带 所以导热性显著增大 高分子材料热导率很低 热传导是靠分子链节及链段运动的传递 其对能量传递的效果较差 2 电学性能材料被施加电场时所产生的响应行为a 导电性金属 导体 半导体 半导体金属砷 碲等 陶瓷绝缘体 半导体高分子 材料绝缘体 半导体 导体其它硅 锗 半导体 石墨 导体 b 介电性c 铁电性d 压电性 3 磁学性能 4 光学性能A 光的吸收和透过金属材料不透明 半导体和其它 非金属材料取决于能隙Eg 晶格热振动对长波区的可见光和红外光 产生吸收 高分子材料无定形透明 结晶影响透明性 晶粒对光的 散射 B 光的反射和折射 金属材料强反射 金属光泽 电子吸收光能后激发到较高能态 随即又以光波的形式释放出能量 回到低能态 无机非金属材料主要受介质的折射率差影响 当光线从一种介质入射另一种介质时 介质的折射率差别越大 反 射就越强 材料的折射率受其结构影响 单位体积中原子的数目越多 或结构越紧密 则光波传播受影响越 大 从而折射率越大 原子半径越大 极化率大 折射率就越大 材料的颜色金属材料颜色取决于其反射光的波长 无机非金属材料 颜色通常与光吸收特性有关 14 陶瓷材料相组成 结合键特点 性 能特点 1 陶瓷材料的变形与断裂 2 陶瓷材料的强度抗弯强度 抗拉强度 抗压强度 3 陶瓷材料的硬度与耐磨性 4 陶瓷材料的断裂韧度与增韧A改善陶瓷显微结构使材料达到细 密 匀 纯 是陶瓷材料增韧增强的有效途径之一 B相变增韧这是ZrO2陶瓷的典型增韧机理 通过四方相转变成单斜相 来实现 C微裂纹增韧 5 陶瓷材料的疲劳 6 陶瓷材料的抗热震性15 高分子材料化合物的组成 分类 结 构 力学性能 1 线型