第二章材料的组成结构与性能

1、不同材料由不同的化学物质及矿物成分组成。由于组成成分不同，材料的物理、化学、力学性质也有差异。化学及矿物成分都相同，但成分比例不同，材料的性质也不同。* 组元：组成材料的最基本、独立的物质成为材料的组元或组分。它可以是纯元素或稳定的化合物。* 溶体：两种以上的原子或分子溶合在一起时的状态统称为溶体。一般是原子或分子的均匀混合物，不是化合物。* 液态溶体称为溶液。* 固态溶体即溶质组元溶入溶剂组元的晶格中所形成的单相固体称为固熔体。固溶体的分类按杂质原子在固溶体中的位置分类置换型固溶体：杂质原子 进入晶体中正常格点位置所生成的固溶体。间隙型固溶体：杂质原子进入溶剂晶格中的间隙位置所生成的固溶体。

2、按杂质原子在晶体中的溶解度分类无限型固溶体：溶质和溶剂两种晶体可以按任意比例无限制地相互固溶。 有限型固溶体：溶质只能以一定的溶解限量溶入到溶剂中 。* 聚集体：一般金属材料或无机非金属材料由无数的原子或晶粒聚集而成的固体，对于处于这类状态的材料称为聚集体。* 纯金属一般可以看成是微细晶体的聚集体。* 合金可以看成是母相金属原子的晶体与加入的合金晶体等聚合而成的聚集体。* 复合体：由两种或两种以上的不同材料通过一定的方式复合而构成的新型材料，各相之间存在明显的界面。* 金属：元素周期表中的金属元素，存在于自然界中的94中元素，有72种是金属。铁、镉、锰三种金属属于黑色金属。其余为有色金属。合金

3、是由一种金属跟其他一种或几种金属（或金属跟非金属）一起熔合而成的具有金属特性的物质。黄铜：铜和锌的合金，硬铝：铝、铜、镁合金。* 无机非金属材料：由金属元素和非金属元素的化合物配合料经一定工艺过程制得的。* 高分子材料：以碳元素为主体，大多数是同氢元素、氧元素中的一种或两种结合的，还有其他元素的有机化合物。分为天然高分子材料和合成高分子材料。* 常见的高分子化合物：P24表2-4（要求熟练掌握各个化合物的缩写）键的定义 在所有物质结构中，质点（原子、离子或分子）都按照一定的规则进行排列，质点之间都具有一定的结合力，也就是说物质是依靠质点之间的键合结合在一起的，这种质点之间所存在的结合力称为键。

4、 * 化学键：分子或晶体中直接相邻的原子之间的主要的强烈相互作用称为化学键。 金属键* 金属在形成晶体时倾向于组成极为紧密的结构，使每个原子拥有尽可能多的相邻原子，生成“少电子多中心键”即金属键。金属键的强度并不象共价键那样用键级来衡量，而是用原子化热来衡量。* 原子化热1mol金属晶体完全气化成互相远离的气态原子所吸收的能量。* 离子键 使阴、阳离子结合成化合物的静电作用，叫做离子键。成键微粒：阴阳离子相互作用：静电作用（静电引力和斥力）成键过程：阴阳离子接近到某一定距离时，吸引和排斥达到平衡，就形成了离子键。离子键的特征是没有方向性和没有饱和性。形成离子键的必要条件是相互化合的元素原子间的

5、电负性差足够大。 原子之间通过共用电子对所形成的相互作用，叫做共价键。分单价共价键和配位共价键。成键微粒：原子 相互作用：共用电子对 成键元素：同种或不同种非金属元素 共价键具有： 饱和性和方向性氢键（一种特殊的分子间力）氢键的本质：当氢原子与电负性很大，半经很小的原子X（如F、O、N）形成共价键，核间电子云强烈地偏向X原子，于是氢原子好似“裸露”的原子核，它具较大的吸引力与另一个电负性大、半经小并带有孤对电子的原子Y（如F、O、N）相互吸引。这种作用力称氢键。 分子间氢键 一个分子XH内的H与另一分子的Y结合成的氢键。 例 （H2O）n、（NH3）n、（HF）n等分子内氢键 一个分子RH中H

6、与其内部的Y原子间形成的氢键。例 邻硝基苯酚、蛋白质分子、核酸分子等范德华键* 范德华键是一种次价键，没有方向性和饱和性，它比化学键的键能小1-2个数量级，远不如化学键牢固，作用范围约为0.3-0.5 nm。* 在高分子材料中总的范德华力超过化学键的作用，故在去除所有的范德华力作用前化学键早已断裂了，所以高分子往往没有气态，只有固态和液态。 多种键型化合物物质中含有几种键型。例如：内部结构包含有两种以上键型的晶体，可统称为混合键型晶体，典型例子是石墨晶体。晶体内部微粒（原子、离子或分子）在空间按一定规律做周期性重复排列,通过结晶过程形成的具有规则几何外形的固体叫晶体。晶体的分类根据构成晶体的微

7、粒和微粒间的作用 离子晶体、分子晶体、原子晶体、金属晶体单晶体 一块晶体材料，其内部的晶体位向完全一致时，即整个材料是一个晶体，这块晶体就称之为“单晶体”，实用材料中如半导体集成电路用的单晶硅、专门制造的金须和其他一些供研究用的材料。思考：高分子材料能否形成单晶（内部完全一致的重复单元的结构）？答：可以。但是形成条件非常苛刻，也很难证明。 多晶体 实际应用的工程材料中，那怕是一块尺寸很小材料，绝大多数包含着许许多多的小晶体，每个小晶体的内部，晶格位向是均匀一致的，而各个小晶体之间，彼此的位向却不相同。称这种由多个小晶体组成的晶体结构称之为“多晶体”。 晶体的特性 （1）具有规则的几何外形。（2

8、）自范性：在适宜条件下，晶体能够自发地呈现封闭的、规 则的多面体外形。 （3）各向异性：晶体在不同方向上表现出不同的物理性质。 （4）对称性：晶体的外形和内部结构都具有特有的对称性。 （5）有固定的熔点而非晶态没有。晶胞：晶体的最小重复单元，通过晶胞在空间平移无隙地堆砌而成晶体。 晶体缺陷：即使在每个晶粒的内部，也并不完全象晶体学中论述的(理想晶体)那样，原子完全呈现周期性的规则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体缺陷。晶体中的缺陷的数量相当大，但因原子的数量很多，在晶体中占有的比例还是很少，材料总体具有晶体的相关性能特点，而缺陷的数量将给材料的性能带来巨大的影响。 晶体结

9、构缺陷的类型点缺陷间隙原子、空位、置换原子其特点是在三维方向上的尺寸都很小，缺陷的尺寸处在一、两个原子大小的级别，又称零维缺陷，例如空位，间隙原子和杂质原子等。线缺陷位错其特点是仅在一维方向上的尺寸较大，而另外二维方向上的尺寸都很小，故也称一维缺陷，通常是指位错。面缺陷晶体表面、晶粒间界、相界面其特点是仅在二维方向上的尺寸较大，而另外一维方向上的尺寸很小，故也称二维缺陷，例如晶体表面、晶界和相界面等。 点缺陷的类型根据其对理想晶格偏离的几何位置及成分来划分1、间隙原子：原子进入晶格中正常结点之间的间隙位置，成为间隙原子或称填隙原子。2、空位：正常结点没有被原子或离子所占据，成为空结点，称为空位

10、。3、杂质原子：外来原子进入晶格，就成为晶体中的杂质。这种杂质原子可能取代原来晶格中的原子而进入正常结点的位置，成为置换式杂质原子；也可能进入本来就没有原子的间隙位置，成为间隙式杂质原子。这类缺陷统称为杂质缺陷。根据产生缺陷的原因来划分1、热缺陷：在没有外来原子时，当晶体的温度高于绝对0K时，由于晶格内原子热振动，使一部分能量较大的原子离开正常的平衡位置，造成缺陷，这种由于原子热振动而产生的缺陷称为热缺陷。2、杂质缺陷：由于杂质进入晶体而产生的缺陷。杂质原子又叫掺杂原子，其含量一般少于0.1%，进入晶体后，因杂质原子和原有原子的性质不同，故它不仅破坏了原子有规则的排列，而且还引起了杂质原子周围

11、的周期势场的改变，从而形成缺陷。3、非化学计量结构缺陷：有一些易变价的化合物，在外界条件的影响下，很容易形成空位和间隙原子，造成组成上的非化学计量化，这主要是因为它们能够比较容易地通过自身的变价来平衡由组成的非化学计量化而引起的电荷不中性。这种由组成的非化学计量化造成的空位、间隙原子以及电荷转移引起了晶体内势场的畸变，使晶体的完整性遭到破坏，也即产生了缺陷。点缺陷的类型示意图 热缺陷的类型弗伦克尔缺陷：在晶格内原子热振动时，一些能量足够大的原子离开平衡位置后，进入晶格点的间隙位置，变成间隙原子，而在原来的位置上形成一个空位，这种缺陷称为弗伦克尔缺陷，如图(a)所示。肖特基缺陷:如果正常格点上的

12、原子，热起伏过程中获得能量离开平衡位置，跳跃到晶体的表面，在原正常格点上留下空位，这种缺陷称为肖特基缺陷，如图(b)所示。 杂质缺陷的类型置换杂质原子: 是杂质原子替代原有晶格中的原子位置，如图(a)所示。间隙杂质原子：是杂质原子进入原有晶格的间隙位置，如图(b)所示陶瓷材料的组成相的结合键为离子键（MgO、Al2O3）、共价键（金刚石、Si3N4）以及离子键与共价键的混合键。以离子键结合的晶体称为离子晶体。离子晶体在陶瓷材料中占有很重要的地位。它具有强度高、硬度高、熔点高、等特点。但这样的晶体脆性大，无延展性，热膨胀系数小，固态时绝缘，但熔融态可导电等特点。金属氧化物晶体主要以离子键结合，一

13、般为透明体。陶瓷材料的相组成晶体相晶体相是陶瓷材料最主要的组成相，主要是某些固溶体或化合物，其结构、形态、数量及分布决定了陶瓷材料的特性和应用。晶体相又分为主晶相、次晶相和第三相。陶瓷中晶体相主要有含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐等）、氧化物（MgO、Al2O3）、非氧化物（SiC，Si3N4）等。硅氧四面体是硅酸盐陶瓷中最基本的结构单元。玻璃相玻璃相是陶瓷材料中原子不规则排列的组成部分，其结构类似于玻璃。玻璃相的作用是：将分散的晶体相粘结起来，填充晶体之间的空隙，提高材料的致密度；降低烧成温度，加快烧结过程；阻止晶体转变、抑止晶粒长大。玻璃相对陶瓷强度、介电常数、耐热性能是不利的。气相（气孔）陶瓷中

14、气孔主要是坯体各成分在加热过程中单独或互相发生物理、化学作用所生成的空隙。这些空隙可由玻璃相来填充，还有少部分残留下来形成气孔。气孔对陶瓷的性能是不利的。它降低材料的强度，是造成裂纹的根源。凡熔融体通过一定方式冷却，因黏度逐渐增加而具有固体性质与一定结构特征的非晶态物质，都称为玻璃。* 复合材料定义：用经过选择的、含一定数量比的两种或两种以上的组分（或称组元），通过人工复合、组成多相、三维结合且各相之间有明显界面的、具有特殊性能的材料。2.3.1化学性能* 金属材料被氧化腐蚀* 无机非金属材料被氧化、溶蚀、冻结、溶化、热应力、干湿* 高分子材料氧化、生物作用、溶蚀、紫外光照射金属腐蚀的分类：化

15、学腐蚀 （2）电化学腐蚀 * 电化学腐蚀的原因* 当两种金属材料或者一种金属材料其内部有两种不同的组成物时，如果它们同处一种电介质中，由于它们各自具有不同的电极电位，电极电位低的形成阴极，这时自由电子由电极电位低的一极流向电极电位高的一极（阳极），这个时候在金属表面形成许多微小电流。发生氧化还原反应。* 产生电化学腐蚀的基本条件：* 必须是两种不同的金属或者是同一种金属由于其化学成分、金相组织有所不同，当它处于一种电解质中，就不可避免地发生电化学腐蚀，而电极电位低的金属就会不断地受到腐蚀。* 如何防止金属腐蚀？ 金属表面形成保护层。* 腐蚀速度：单位时间内单位面积金属材料的损失量来表示。也可以

16、用单位时间内金属材料的腐蚀深度表示。* 工业中常用6类10级的耐蚀性评级标准* 类：完全耐蚀；* 类：2，3级为相当耐蚀；* 类：4，5级为耐蚀；* 类：6，7级为尚耐蚀；* 类：8，9级为耐蚀性差；* 类： 10级为不耐蚀。* 高分子材料的化学稳定性比较高，良好的抗腐蚀性能。* 高分子材料具有良好化学稳定性的原因： （1）共价键结合，键能高； （2）大分子缠结，基团保护； （3）高聚物大部分是绝缘体。* 高分子材料的老化情况：一、大分子链之间产生交联；二、大分子链的降解。思考：1.什么是交联？ 交联是指用交联剂使2个或者更多的分子分别偶联从而使这些分子结合在一起， 2.什么是降解？ 高分子化

17、合物物的大分子分解成较小的分子。 3.如何防止高分子材料的老化？ 高分子材料在加工、储存和使用过程中，由于受內外因素的綜合作用，其性能逐漸变坏，以致最后丧失使用价值，这种现象就是老化。改善高分子的結构 其次是在合成材料加工過程中添加防老剂 用物理防护的方法，如涂漆、鍍金屬、浸涂防老剂溶液等。 注意保护，以延緩其老化。（即：防止链引发，消除产生的自由基，选材）* 强度：材料在载荷作用下抵抗明显的塑性形变或破坏的最大能力。强度分类：拉伸强度 压缩强度 弯曲强度 冲击强度 冲击强度* 拉伸强度：将试片在拉力机上施加静态拉伸负荷，使其破坏时的载荷。* 较慢的拉伸速度下，材料的强度值较小。为什么？答：大

18、分子链在拉伸过程中有回复过程。在较慢的拉伸速度下，有时间回复。测定拉伸强度的步骤：1.制样 2.测量（宽度，厚度）3.夹具夹紧试样 4.打开电脑软件，输入宽厚和试样编号 5.选择测试速度，并输入（速度影响测试结果）6.拉伸 7.结果分析橡胶：500/min 塑料：100/min * 弯曲强度：采用简支梁法将试样放在两支点上，在两支点间的试样上施加集中载荷，使试样变形直至破裂时的载荷，又称抗弯强度。压缩强度：是指在试样上施加压缩载荷至破裂（对脆性材料）或产生屈服现象（对非脆性材料）时，原单位横截面接上所能承受的载荷。又称抗压强度。冲击强度：简支梁和悬臂梁两类（放置样品位置不同）前者：固定样品的两

19、端 后者：固定样品一端测定冲击强度的步骤：1. 制样（GB宽，厚度）2。放样（两边对称，有缺口要背对摆锤，悬臂梁，h有要求）3. 摆锤的选择，加砝码 4.指针调零，满刻度 5.扬起摆锤，测试，记录读数6.计算冲击强度* 塑性：材料在载荷作用下，应力超过屈服点后产生明显的残余变形而不即刻断裂的性质。* 屈服强度：材料在外力作用下发生塑性形变的最小应力。* 材料拉伸时延伸率较大，代表材料的塑性越好。* 陶瓷材料的塑性最差。* 应力应变曲线：应变为横坐标，应力强度为纵坐标，表示材料在外力作用下的内应力变化情况。分5大类 * * 第一类：曲线开始部分为直线，随后表现出屈服现象，随着应力的增加应变增大，

20、以致于断裂，如软钢。* 第二类：曲线开始阶段接近于直线，但不像软钢那样出现屈服现象，随后曲线稍微向上凸起，突然断裂，如玻璃，硬石块，铸铁。* 第三类：曲线在开始时向上凸出，接近于指数变化，在接近断裂时应变急剧增大，如：软石块，木材的压缩曲线，质硬而脆的塑料。* 第四类：曲线在开始阶段接近于直线或表现有向上凸的趋势，随后应力出现极大值，一度屈服，然后应力再次增加而断裂，如：硬而粘性大的塑料。* 第五类：曲线在开始阶段稍许趋于向下凹，随后应变同应力增加的成正比增加，当应力再度急剧增加时便断裂，如：软质橡胶。* 弹性：材料在载荷作用下产生变形，当载荷除去后能恢复原状的能力称为弹性。* 刚度：材料在载

21、荷作用下抵抗弹性变形的能力。反应材料的刚度指标是弹性模量。* 硬度：材料能抵抗其他较硬物体压入表面的能力称为硬度。是衡量材料软硬程度的判据，它表征材料抵抗表面局部弹性变形、塑性变形或抵抗破坏的能力。材料的硬度越高，其耐磨性越好。* 常用的硬度表示方法有布氏硬度，维氏硬度，洛氏硬度。* 硬度测试：1.压头的选择 钢球的直径大小 2.载荷布氏硬度布氏硬度是用单位压痕面积的力作为布氏硬度值的计量即试验力除以压痕表面积，符号用HBS（用淬火钢球压头）或HBW（用硬质合金压头）表示洛氏硬度 洛氏硬度是用压痕深度作为洛氏硬度值的计量即，符号用HR表示测试洛氏硬度的步骤：1.制样，表面要平整 2.选择压头，

22、载荷（自动，读数在50-125之间）3.大指针对准30，水平台加初载荷，小指针黑点到红点 4.大指针在2530之间（30+/5）调整 5.加主载荷，卸主载荷，观察指针，通过“0”点的次数6. 记录指针通过“0”的次数，顺时针和逆时针次数 7.顺逆次数差值（1：读数+100 0：本身读数 2：读数100） 测试洛氏硬度的步骤：1.制样 2.装样，加载 3.预磨600圈，称试样重量m1 4.磨3416圈（2.16km),再称试样重量m2 5.磨耗质量=m1m2 6.测样品密度 7.磨耗体积维氏硬度 维氏硬度也是以单位压痕面积的力作为硬度值计量。试验力较小，压头是锥面夹角为136的金刚石正四棱锥体，

23、见图所示。维氏硬度用符号HV表示。 韧性：材料抵抗裂纹萌生与扩展的能力。* 度量韧性的高低指标：冲击韧性和断裂韧性。* 冲击韧性：材料受冲击而断裂的过程中所吸收的冲击功大小，主要评价高分子材料，韧性低的材料不适用。* 断裂韧性：材料阻抗断裂的能力。常用材料裂纹尖端应力强度因子的临界值表示。* 疲劳极限：材料受到拉伸、压缩、弯曲、扭曲或这些外力的复合反复作用时，应力的振幅超过某一限度时材料发生断裂，这一限度就称为疲劳极限。* 疲劳寿命：在某一特定应力作用下，材料发生疲劳断裂前的循环次数，它反映了材料抵抗产生裂纹的能力。* 疲劳现象主要出现在较高塑性的材料中。* 耐磨性：材料对磨损的抵抗能力称为材

24、料的耐磨性。在一定条件下，磨损量越小，耐磨性越高。* 提高耐磨性方法：（1）降低材料的摩擦系数；（2）提高材料的表面硬度。* 材料的熔点可以反映耐高温材料的耐热性。* 材料熔融时的温度称为熔点，Tm表示。* 材料中分子间的作用力越大，熔点越高，柔性大，熔点低。世界上第一种导电聚合物：掺杂聚乙炔导电高分子的主要类型：共轭体系 和 导电填料电容器的极板间充满电介质时的电容与极板间为真空时的电容之比值称为介电常数。 * 介质是指能够传播媒体的载体。媒体包括各种文件、数据等，泛指一切可以用电子信号存储的东西。* 介质亦称媒质。一般地说，它是物理系统在其间存在或物理过程(如力和能量的传递，光和声的传播等)在其间进行的物质。* 研究介电常数大的物质，当电场增加时，极化程度开始按比例增大，接着突然升高，在电场强度很大时，增加速度又减慢而趋向于极限值。除去电场后剩余一部分极化状态，必须加上相反的电场才能完全消除极化状态，也就是出现滞后现象，与铁磁体类似，称为铁电性。* 铁电居里温度：