工程材料-第二章_材料的结构.ppt

第二章材料的结构Chapter2StructuresofMaterials,主要内容：纯金属的晶体结构合金的晶体结构高分子聚合物的结构陶瓷材料的结构,金刚石的晶体结构,石墨的晶体结构,第二章材料的结构,第一节纯金属的晶体结构一、晶体的基本概念1.晶体与非晶体晶体（Crystal）晶体是其内部原子在三维空间呈规则排列的物质。例如：所有的金属、食盐等。晶体的特点：结构有序；各向异性；有固定的熔点。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,各向异性（Anisotropy）：在测定材料的性能时，沿不同方向测定所得的结果各不相同，即各向异性。,非晶体（Non-crystal）非晶体是其内部原子排列无序的物质。例如：普通玻璃、松香等。非晶体的特点：结构无序；各向同性；没有固定的熔点；热导率(导热系数)和热膨胀性小；塑性变形大；组成的变化范围大。,各向同性（Isotropy）：在测定材料的性能时沿任何方向测定的结果都是一致的，不因方向而异，即各向同性，或称等向性。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,2.晶体学的基本知识晶格（CrystalLattice）晶体结构的描述：将晶体的原子看成是刚性小球；把原子抽象为几何点；用假想的直线将几何点连接起来。,晶格：用以描述晶体中原子排列规律的空间几何格架。,晶格,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,晶胞（UnitCell）晶胞在三维空间平移，即可重构晶格。,晶胞,晶胞：组成晶格的最小几何单元体。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,晶格常数（LatticeConstant）,晶格常数：晶胞的几何尺寸。又称为点阵常数。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,晶面与晶面指数（1）晶面（CrystallographicPlane）在晶格中由一系列原子所构成的平面，称为晶面。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,（2）晶面指数（IndicesofCrystallographicPlane）为便于研究和表述给晶面规定的符号。确定晶面指数的步骤：求截距求出待定晶面在三个坐标轴上的截距。取倒数将三个截距之值变为倒数。化简并加圆括号将三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号。晶面指数的一般形式：（hkl）,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,晶向与晶向指数（1）晶向（CrystallographicDirection）在晶格中，任意两原子之间的连线所指的方向，称为晶向。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,（2）晶向指数（IndicesofCrystallographicDirection）为便于研究和表述给晶向规定的符号。确定晶向指数的步骤：引直线通过坐标原点引一条直线，使其平行于待求的晶向。求坐标值求出所引直线上任意一点的三个坐标值。化简并加方括号将三个坐标值按比例化为最小整数，并加上一方括号。晶向指数的一般形式：uvw,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,关于晶面和晶向的几点说明：某一晶面指数并不仅代表某一具体的晶面，而是代表一组相互平行的晶面。所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。原子排列情况完全相同的所有晶面同属于一个晶面族。晶面族用hkl表示。某一晶向指数并不仅代表某一具体的晶向，而是代表了一族平行线的位向。所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指数。原子排列情况完全相同的所有晶向同属于一个晶向族。晶向族用uvw表示。在立方晶系中，相同指数的晶面和晶向相互垂直。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,晶格结构的表征晶格尺寸：以晶格常数表示。原子半径（r）：代表原子的刚性小球的半径。晶胞原子数（n）：晶胞内的原子数目。晶格中原子排列的紧密程度：配位数（Z）（CoordinationNumber）晶格中与任一原子等距且最近邻的原子数目。致密度（K）（堆积因子）（PackingFact）晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,体心立方晶格,二、常见纯金属的晶格类型1.体心立方晶格（bcc，body-centeredcubiclattice）晶格的特征,体心立方晶体模型,具有bcc结构的金属：-Fe、Na、K、Cr、W、Mo、V、Nb、Ta等。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,晶格的基本参数原子半径晶胞原子数n=1/88+1=2配位数Z8致密度0.6868%,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,面心立方晶格,2.面心立方晶格（fcc，face-centeredcubiclattice）晶格的特征,面心立方晶体模型,具有fcc结构的金属：-Fe、Cu、Al、Ni、Au、Ag、Pt、Pb等。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,a,晶格的基本参数原子半径晶胞原子数n=1/88+1/26=4配位数Z=12致密度0.7474%,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,密排六方晶格,3.密排六方晶格（hcp，hexagonalclose-packedlattice）晶格的特征,密排六方晶体模型,具有hcp结构的金属：Mg、Zn、Cd、Be、-Ti等。,c/a称为密排六方晶格的轴比理想的hcp晶格的轴比c/a1.633,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,晶格的基本参数原子半径晶胞原子数n=1/612+1/22+3=6配位数Z=12致密度0.7474%,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,三、实际金属的晶体结构1.单晶体与多晶体单晶体（SingleCrystal）的特征晶格排列方位完全一致。晶体具有各向异性。例如：单晶硅、单晶锗等。多晶体（Polycrystal）的特征晶体由许多小单晶体组成，各单晶体的晶格排列位向不相同。晶体具有伪各向同性。例如：常用的金属等。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,单晶体结构示意图,多晶体结构示意图,晶粒（Grain）,晶界（GrainBoundary）,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,2.理想晶体与实际晶体理想晶体（PerfectCrystal）的概念原子排列规则、无任何缺陷的晶体，称为理想晶体或完整晶体。实际晶体中的晶体缺陷在实际晶体（如实际应用的金属材料）中存在晶体缺陷。3.晶体缺陷（CrystalDefect）原子偏离规则排列的不完整性区域，称为晶体缺陷。晶体缺陷不仅对金属及合金的性能有重大影响，而且还在扩散、相变、塑性变形和再结晶等过程中起重要作用。晶体缺陷根据其几何形态特征，有点缺陷、线缺陷、面缺陷等类别。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,点缺陷（PointDefect）在三维空间各方向上尺寸都很小，亦称为零维缺陷。点缺陷主要有空位、间隙原子、置换原子等。空位（Vacancy）：晶格中某个原子脱离了平衡位置而形成的空结点。间隙原子（InterstitialAtom）：晶格间隙中挤进的原子。置换原子（SubstitutionalAtom）：外来的取代晶格正常阵点上的原子的异类原子。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,晶体中的点缺陷,空位,间隙原子,置换原子,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,点缺陷对晶格规律性的影响：点缺陷的存在，破坏了原子的平衡，造成晶格局部产生畸变。点缺陷对晶体性能的影响：点缺陷提高材料的电阻率、硬度和强度，降低材料的塑性和韧性，还使材料的密度发生变化。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,线缺陷（LineDefect）在三维空间两个方向上尺寸很小，亦称为一维缺陷。线缺陷主要是位错。位错（Dislocation）：位错是晶体中一列或若干列原子发生有规律的错排现象。产生位错的主要原因是晶体内部原子的局部滑移，根据局部滑移的方式不同，位错有刃型位错、螺型位错和由这两种位错混合组成的混合位错等类型。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,E,晶体中的刃型位错,位错线（DislocationLine）,刃型位错（EdgeDislocation）：,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,多余半原子面（ExtraPlane),第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,正刃型位错和负刃型位错：,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,螺型位错（ScrewDislocation）：,晶体中的螺型位错,位错对晶体强度的影响,位错对晶格规律性的影响：在位错线附近，原子的错排使晶格发生畸变。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,位错对晶体性能的影响：位错的存在可降低晶体的强度。当位错大量产生后，又可提高晶体的强度，同时使晶体的塑性和韧性降低。注：位错密度指单位体积晶体中位错线的总长度。,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,面缺陷（PlanarDefect）在三维空间一个方向上尺寸很小，另外两个方向上尺寸较大。面缺陷主要有晶界、亚晶界、孪晶界、相界、表面等。晶界（GrainBoundary）：晶界是晶粒与晶粒之间的界面。亚晶界（Sub-grainBoundary）：晶粒内部位向差很小(一般12)的小角度晶界。在晶粒内部，原子的排列并非完整，在一些局部区域，晶格的位向存在差异。相对完整的部分称亚晶粒，亚晶粒之间的界面就是亚晶界。相界（PhaseBoundary）：相与相之间的界面。,晶界示意图,亚晶界示意图,10,10,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,不锈钢中的晶界,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,Cu-Ni合金中的亚结构,第二章材料的结构2.1纯金属的晶体结构,晶界等面缺陷对晶格规律性的影响：晶界是不同位向晶粒之间的过渡层，原子排列较紊乱，处于无规则排列状态，或位于两种晶粒位向的折衷位置上。晶界等面缺陷对晶体性能的影响：晶界等面缺陷能同时提高晶体的强度和塑性。细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段。,第二节合金的晶体结构重要概念：合金（Alloy）由两种或两种以上的金属，或金属与非金属组成的具有金属特征的物质。组元（Component）组成合金最基本的、独立的物质。组元可以是元素，也可以是稳定的化合物。根据组元数，合金有单元合金、二元合金、三元合金、多元合金。合金系（AlloySystem）由给定组元以不同的比例配制而成的一系列成分不同的合金，它们构成一个合金系统，即合金系。,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,举例：碳钢（CarbonSteel）：由铁（Fe）和碳（C）所组成的合金。Fe和C是合金的组元。Fe、C含量不同的碳钢同属于铁碳合金系。有Fe和C两个组元，属于二元合金。黄铜（Brass）：由铜（Cu）和锌（Zn）所组成的合金。Cu和Zn是合金的组元。Cu、Zn含量不同的黄铜同属于铜锌合金系。有Cu、Zn两个组元，属于二元合金。,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,相（Phase）合金中具有同一原子聚集状态、同一化学成分、同一结构和性质，并以界面相互隔开的均匀组成部分。合金可以由一种相组成，更多的是由几种相组成。合金的性能与相的性质、数量、大小、形态及分布密切相关。显微组织（MicroscopicStructure）通过显微镜等所观察到的材料的微观形貌。合金组织是由不同性质、数量、大小、形态及分布的各种相组成。,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,举例：,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,显微镜下看到的铸铁的显微组织,石墨（一种固相）,铁素体（一种固相）,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,一、固溶体（SolidSolution）组成合金的组元在液态和固态下都互相溶解，形成一种成分和性能均匀、晶体结构与其中一个组元相同的固相，这种固相称为固溶体。,溶剂（Solvent）,+,溶质（Solute）,固溶体,与固溶体晶格类型相同的组元,其他组元（一般含量较少）,举例:,-Fe,+,C,铁素体,固溶体（体心立方）,溶剂（体心立方）,溶质（六方）,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,固溶体的分类：根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为：置换固溶体和间隙固溶体。,Cu(rCu=0.1276nm),Ni(rNi=0.1244nm),Fe(rFe=0.1260nm),C(rC=0.0770nm),白铜（铜镍合金）结构示意图,置换固溶体,间隙固溶体,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,举例：,奥氏体结构示意图,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,固溶体的分类：根据溶质原子在溶剂晶格中分布是否有规律，可将固溶体分为：有序固溶体和无序固溶体。,Cu3Au的结构示意图,CuAu的结构示意图,Cu,Au,举例：,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,固溶体的分类：根据溶质原子在溶剂晶格中的溶解度，可将固溶体分为：有限固溶体和无限固溶体。若溶质与溶剂以任何比例都能互溶，其溶解度达到100，则称为无限固溶体，否则就是有限固溶体。举例：铜镍合金Cu和Ni能按任何比例相互溶解而形成无限固溶体。,溶解度（SolubilityLimit）：在一定条件下，溶质在固溶体中的极限浓度，又称为固溶度（SolidSolubility）。,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,1.置换固溶体（SubstitutionalSolidSolution）溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体。置换固溶体的形成特征：r溶剂r溶质（r：原子的半径）当溶剂和溶质的原子差别大于15%时，就很难形成置换固溶体。影响置换固溶体溶解度的因素：尺寸因素r溶剂与r溶质相差越小，固溶度越大。晶体结构因素溶剂和溶质具有相同的晶格类型，固溶度较大。电负性因素溶剂和溶质元素的电负性相差越小，固溶度越大。电子浓度因素当电子浓度达到极限值时，固溶度最大。,电子浓度（ElectronConcentration）：合金中各组成元素的价电子总数与原子总数的比值。,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,结论：原子尺寸、晶体结构、电负性和电子浓度等四个因素均有利时，固溶体的溶解度越大，越有可能形成无限固溶体。举例：铜镍合金,Cu和Ni原子的半径相差2.5%。Cu和Ni均为面心立方结构（fcc）。Cu和Ni在元素周期表中相邻，电负性相近。,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,2.间隙固溶体（InterstitialSolidSolution）溶质原子进入溶剂晶格中的间隙之中而形成的固溶体。间隙固溶体的形成特征：r溶质/r溶剂0.59碳(C)、氮(N)、氢(H)、硼(B)、氧(O)等小原子容易进入金属元素的晶格间隙中而形成间隙固溶体。间隙固溶体的溶解度：溶剂晶格的间隙有限，因此，间隙固溶体只能是有限固溶体，其溶解度通常较小。,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,3.固溶体的性能晶格畸变（LatticeDistortion）：虽然溶质原子很小，但仍较溶剂的晶格间隙大，当它们溶入溶剂晶格的间隙时，都会使溶剂晶格产生畸变，点阵常数增大，畸变能升高。固溶强化（SolutionStrengthening）：通过溶入溶质元素形成固溶体而使金属的强度和硬度提高的现象，称为固溶强化。机理：无论是置换固溶体还是间隙固溶体，均会造成晶格畸变。晶格畸变将增大位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，变形抗力增大，从而引起固溶体的硬度和强度升高，而塑性和韧性降低。,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,溶质原子溶入溶剂晶格中产生晶格畸变：,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,二、金属化合物（IntermetallicCompound）金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。又称为金属间化合物、中间相。1.正常价化合物（Normal-valenceCompound）正常价化合物是指那些严格遵守化合价规律的金属化合物。举例：Mg2Pb、Mg2Si、Mg2Sn、MnS等。2.电子化合物（ElectronCompound）电子化合物是指那些不遵守一般的化合价规律，但服从电子浓度规律的金属化合物。举例：CuZn、FeAl、NiAl、Cu5Zn8、CuZn3等。,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,3.间隙化合物（InterstitialCompound）间隙化合物是由过渡族金属（如Fe、Cr、Mn、Mo、W、V等）与原子直径较小的非金属元素（C、N、H、B等）所形成的金属化合物。间隙相（InterstitialPhase）当非金属元素原子半径与金属元素原子半径之比小于0.59时，形成的具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。举例：VC、TiC、WC、NbC、TiN、Mo2N、Fe4N等。间隙化合物（InterstitialCompound）当非金属元素原子半径与金属元素原子半径之比大于0.59时，形成的具有复杂结构的间隙化合物。举例：Fe3C、Cr23C6、Cr7C3、Mn3C等。,间隙相VC的晶体结构,间隙化合物Fe3C的晶体结构,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,4.金属化合物的性能特点具有一定程度的金属性质。具有较高的熔点。具有较高的硬度。具有较大的脆性。机械混合物（MechanicalMixture）：绝大多数的工业合金，其组织均为固溶体与少量金属化合物所构成的机械混合物。合金的性能就取决于它们的性质、形态、大小、数量等。分析：合金仅由金属化合物组成，虽然有很高的硬度，但脆性太大，无法应用。合金仅由固溶体组成，则往往强度、硬度等不够高，使用受到一定限制。,小结：两类合金相固溶体和金属化合物的比较：晶体结构：固溶体的晶体结构特征：与组元之一的溶剂的晶体结构相同。金属化合物的晶体结构特征：与任一组元的晶体结构都不相同，而是一种新的结构。性能：固溶体的性能特点：强度和硬度较低、塑性和韧性较高。金属化合物的性能特点：熔点和硬度较高、脆性较大。在合金中的作用：固溶体通常作为合金的基体。金属化合物通常作为合金中的强化相。,第二章材料的结构2.2合金的晶体结构,第三节高分子聚合物的结构一、高分子材料的基本概念1.高分子化合物（MacromolecularCompound）由一种或多种简单低分子化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合物称为高分子化合物。又称聚合物（Polymer）、高聚物（HighPolymer）。许多化合物的分子量比较小，可以称作低分子：水（H2O）：18石英（Si2O）：60高分子化合物相对分子质量很多在5000以上：聚苯乙烯（PS）：10000300000聚氯乙烯（PVC）：20000160000,第二章材料的结构2.3高分子聚合物的结构,高分子化合物的结构特点：高分子化合物一般以某些简单的结构单元重复连接而成。举例：聚乙烯：聚氯乙烯：,乙烯,氯乙烯,大分子链,聚乙烯,第二章材料的结构2.3高分子聚合物的结构,几个重要名词：单体（Monomer）组成聚合物的简单低分子化合物。链节（MonomerUnit）大分子链中的重复单元。聚合度（n）（DegreeofPolymerization）一条高分子链中所含有的链节数目。举例：,第二章材料的结构2.3高分子聚合物的结构,单体,链节,聚合度,2.高分子材料的分类,按来源分类,按用途分类,天然高分子材料（如橡胶）,人工合成高分子材料（如塑料、尼龙）,高分子材料,橡胶（具有高弹性的物质）,塑料（具有可塑性的物质）,纤维（具有柔韧、纤细特性的物质）,第二章材料的结构2.3高分子聚合物的结构,高分子材料,按热性能分类,按结构分类,高分子材料,热塑性聚合物,热固性聚合物,高分子材料,聚合物的主链,碳链聚合物,杂链聚合物,聚合物的分子结构,元素聚合物,线型分子结构（直链）,支链型分子结构（主链之间不连接）,体型分子结构（主链之间连接）,第二章材料的结构2.3高分子聚合物的结构,3.高分子材料的命名习惯命名法在原料单体名称前加“聚”字。举例：聚乙烯、聚氯乙烯。专用名称命名法以专用名称命名。举例：纤维素、蛋白、淀粉。,均聚物（Homopolymer）：由一种单体合成的聚合物。共聚物（Copolymer）：由两种或多种单体合成的聚合物。,第二章材料的结构2.3高分子聚合物的结构,商品名称命名法以商品名称作为聚合物的名称。举例：类比：,第二章材料的结构2.3高分子聚合物的结构,二、高分子链的化学组成1.碳链高分子主链由碳原子一种元素组成：CCCCCC举例：乙烯基高分子：,官能团（FunctionalGroup）侧基（SideGroup）,RH：聚乙烯RCl：聚氯乙烯ROH：聚乙烯醇RCH3：聚丙烯,第二章材料的结构2.3高分子聚合物的结构,2.杂链高分子主链除碳外，还有其他元素：CCOCCCCHCCCCSCC举例：聚酯：3.元素有机高分子主链由氧和其他元素组成：OSiOSiO,第二章材料的结构2.3高分子聚合物的结构,尼龙：,三、高分子链的结构1.键接方式均聚物的连接方式：头尾头尾头尾尾头共聚物的连接方式：无规共聚：ABBABAAABB交替共聚：ABABABABAB嵌段共聚：AAAABBBBAA接枝共聚：,第二章材料的结构2.3高分子聚合物的结构,2.空间构型根据官能团所处位置不同，有不同的立体构型。,全同立构（a）,间同立构（b）,无规立构（c）,官能团R全部位于主链的同一侧,官能团R相间地分布在主链的两侧,官能团R在主链的两侧作不规则的分布,第二章材料的结构2.3高分子聚合物的结构,3.高分子链的几何形状线型分子结构：由许多链节组成的长链，通常卷曲成线团状。特点：弹性、塑性好，硬度低。属热塑性高聚物。如聚乙烯、聚氯乙烯。支链型分子结构：在主链上带有支链。特点：性能和加工接近于线型分子结构。属热塑性高聚物。体型分子结构：分子链之间有许多链节互相交联，呈三维网络结构。特点：硬度高，脆性大，无弹性和塑性。属热固性高聚物。如酚醛树脂、环氧树脂。,高分子链的几何形状,第二章材料的结构2.3高分子聚合物的结构,高聚物的晶区和非晶区,结晶区,非晶区,四、高分子的聚集态结构聚合物的聚集态结构包括结晶态结构、非晶态结构和取向结构。结晶高聚物的结构中通常同时存在结晶区和非晶区。,第二章材料的结构2.3高分子聚合物的结构,聚集态：（StateofAggregation）众多聚合物分子链在空间排列和堆砌的状态。,结晶度