工程基础材料加工术 8

第2章工程材料的结构2.1固体材料中质点的结合形式2.2金属的晶体结构2.3高分子材料的结构2.4陶瓷材料的结构

作业：（一）、（二）、三、

四：3、8、9

成份：构成材料的化学元素种类及其相对量(化学成分)结构：构成材料的质点（原子、离子、分子）在空间的排列方式(晶体结构)组织：用肉眼或借助光学显微镜看到的材料内部颗粒物（晶粒组织）

例：

①成分对力学性能影响：

业纯铁：硬度：80HBSRm

：250MPa加入1%Ni后：硬度：90HBSRm

：270MPa

加入1%Si后：硬度：120HBSRm

：360MPa②晶粒尺寸对工业纯铁力学性能影响

晶粒直径(mm)0.097

0.025

0.0200.010抗拉强度(Rm/MPa)163215263278断后延伸率(At/%)28.839.548.850.0概念金相显微镜纯铁组织碳系材料

硅原子2.1固体材料中质点的结合形式质点：原子、离子、分子晶体：质点按一定规律排列在一起所构成的固体材料非晶体：质点呈无规则地堆积在一起所构成的固体材料准晶体金属晶体结晶性塑料单晶硅单晶体宝石金属玻璃塑料陶瓷金属准晶体2.1固体材料中质点的结合形式2.1.1金属晶体中质点间的结合

金属正离子与自由电子间的静电作用，使金属原子相互结合，这种结合方式称为金属键。由金属键形成的晶体为金属晶体

如各种纯金属材料金属离子电子云共价电子云正离子2.1.2共价晶体中质点间结合

两个相同或性质相差不大的原子之间通过电子转移形成共用电子对所产生的结合，这种结合方式称为共价键。

由共价键形成共价晶体

如碳原子构成的金刚石极化分子间吸引力d

c

正负离子吸引力正负电荷中心不重叠2.1.4分子晶体中质点间的结合

中性原子或分子之间所存在的结合力称为分子键{范德华(VanderWals)力}。由分子键结合形成的晶体称为分子晶体

如水分子构成的冰2.1固体材料中质点的结合形式2.1.3离子晶体中质点间的结合通过正、负离子外层电子重新分布和正、负离子间的静电作用而相互结合，这种结合方式称为离子键。由离子键形成的晶体为离子晶体如NaCl构成的食盐2.2金属材料的结构一、金属的晶体结构

(1)刚球模型

①金属原子是静止的；②金属原子为刚性小球；③晶体即为无数静止的刚性小球按一定规律在空间排列而成。

(2)晶格的概念：刚球模型简化

①晶格：空间网格+格点

②晶胞：晶格中最小的重复性几何单元③晶体结构=点阵+质点（原子、离子、分子）

(3)描述晶格的几何参数：

晶格常数（a、b、c），α、β、γ

晶向（指数）晶面（指数）2.2.1纯金属的理想结构七大晶系2.2.1纯金属的理想结构（4）常见金属的晶格类型：

体心立方晶格：α-Fe、W、Cr、V；（2）面心立方晶格：γ-Fe、Al、Cu、Ni、Mn、Pb；（4）

密排六方晶格：Ti、Mg、Zn、Be（6）（5）同素异构转变：在不同温度或压力下金属从一种晶格转变成另一种晶格的变化。如：工业纯铁：

温度≤912℃：体心立方晶格(α-Fe)

912℃≤温度≤1384℃：面心立方晶格(γ-Fe)温度≥1384℃：体心立方晶格（δ-Fe）

2.2.2实际纯金属的结构

一、单晶体与多晶体：

单晶体：原子、离子、分子在空间作三维周期性规则排列的晶体晶体内部晶格位向完全一致（晶胞沿三维方向平移得到）。单晶硅：9N以上单晶叶片：

多晶体：由多个晶粒构成的晶体。“伪各向同性”：二、实际金属的晶体缺陷：晶体缺陷：晶体中原子排列不规则的区域三种类型：点、线、面缺陷

实际金属的多晶体组织晶粒1晶(粒)界晶粒2的晶向2.2.2实际纯金属的结构

点缺陷：三维方向的缺陷尺寸都很小。形式：空位(晶格结点上缺少原子)

离位原子

外来杂质原子点缺陷对材料性能的影响2.2.2实际纯金属的结构

线缺陷：一维方向上缺陷尺寸较大。形式：位错：晶体内某区域存在一列或若干列原子发生有规律的错排现象。位错密度：单位体积中位错线的总长度。退火态金属材料：位错密度为107cm/cm³

冷变形金属材料：位错密度为1013˜14cm/cm³金属理论切变强度：

1000MPa～10000MPa实际屈服强度：0.5～10MPa线缺陷对材料性能的影响2.2.2实际纯金属的结构

面缺陷：二维方向上尺寸较大的晶体缺陷。形式：晶界：晶粒与晶粒之间的界面。亚晶界：一个晶粒内小晶块之间的界面.面缺陷对材料性能的影响晶粒细，则晶界多，位错运动困难，塑性变形难，因而材料强度高三、缺陷对材料性能的影响（1）金属材料强度与塑性：

缺陷密度：材料单位体积中所包含的缺陷数。①点缺陷：材料强度随点缺陷密度增加而增加，塑韧性随点缺陷增加而下降。②线缺陷：材料强度与位错密度呈抛物线关系：先下降，后上升。塑韧性随位错密度先增加后下降。③面缺陷：材料强度和塑韧性随晶界或亚晶界的增加而增加。（2）金属材料的物理、化学性能缺陷降低材料的导电性、导热性、耐蚀性等（3）金属材料的强化途径：

提高材料中的缺陷密度或降低材料中的缺陷密度可提高材料的强度①增加材料中的点缺陷：固溶强化（提高强度）②增加材料中的位错密度：形变强化（加工硬化）（提高强度）③增加材料中的面缺陷：细晶强化（提高强度、塑性和韧性）2.2.2实际纯金属的结构

2.2.3合金的结构合金：由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素组成的、具有金属特性的金属材料组元：组成合金的独立的、最基本的单元（纯金属、纯非金属、稳定的化合物）

二元合金：由两个组元构成的合金多元合金：由两个以上组元构成的合金熔合合金：通过熔炼法制得烧结合金：由粉末烧结法制得相：合金中具有相同化学成分、聚集状态和性能并以界面相互分开的结构体组织：借助金相显微镜观察到的金属及合金内部颗粒物合金相的结构：固溶体、化合物2.2.3合金的结构（1）固溶体：构成合金的一种组元晶格类型保持不变、其余组元以原子形式溶入其中所得到的固相

固溶体分为置换固溶体和间隙固溶体。置换固溶体：溶质原子取代部分溶剂原子的晶格结点位置所形成的固溶体间隙固溶体：溶质原子占据溶剂晶格中的间隙位置所形成的固溶体固溶强化：溶质原子溶入后引起固溶体的晶格发生畸变，金属的强度、硬度升高的现象

间隙固溶体的强化效果大于置换固溶体的强化效果。2.2.3合金的结构（2）金属化合物：合金中的组元以一定原子数量比形成一种与合金的任一组元晶格类型均不同的新相（AnBm）。特点：(1)各组元形成一种新的、复杂晶格类型。(2)具有金属性质的金属键参与作用。(3)用化合式表示，但不一定遵守化合价规律(4)性能：高熔点、高硬度、脆性大；特殊的物理性能：高磁性、高导电性：Nd2Fe14B

TiAl

Nb3Al金属化合物分类：

(1)正常价化合物：Mg2Sn、Mg2Pb(2)电子化合物：Ag3Al（3：2）、Cu3Sn（7：4）(3)间隙化合物（间隙相）：由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等非金属元素形成的金属化合物r非/r金小于0.59，简单晶格化合物，称为间隙相r非/r金大于0.59，复杂晶格化合物，称为间隙化合物2.2.3合金的结构（3）合金的组织类型与性能组织类型：单相组织:一种相构成的组织（纯金属、单相固溶体、单相金属化合物）混合物组织：多种相构成的组织（固溶体1+固溶体2、固溶体＋金属化合物）不同类型组织的性能塑性：单相固溶体组织＞机械混合物组织＞金属化合物组织强度：金属化合物组织＜单相固溶体组织＜机械混合物组织硬度：单相固溶体组织＜机械混合物组织＜金属化合物组织（机械混合物组织＝固溶体＋金属化合物）2.3.1高分子聚合物的结构、组成与形态一、高分子聚合物的结构[单体、链节、聚合度]

高分子聚合物：由一种或几种低分子化合物连接而成的高分子链聚乙烯（PE）由乙烯聚合而成。聚氯乙烯（PVC）由氯乙烯聚合而成

链节

n[CH2=CHCl]→[CH2-CHCl]n

单体

聚合度聚合：由低分子化合物到高分子化合物的转变高分子聚合物用单体、链节、聚合度来描述单体：聚合前的低分子化合物链节：大分子链中的重复结构单元聚合度：链节的重复次数2.3高分子材料的结构二、高分子链的化学组成

组成高分子的化学元素主要是碳、氢、氧、氮、氯、氟、硼、硅、硫等元素，其中碳是形成高分子链的最主要元素。高分子链可分成三类：碳链高分子（-C-C-C-C-）：主链由碳原子以共价键连接

如聚乙烯（PE）（CH3-CH=CH2）聚丙烯（PP）聚苯乙烯（PS）

塑性好、易加工、易燃、耐热性差、易老化2.3高分子材料的结构杂链高分子（－C－O－S－）：主链由碳、氧、氮、硫、磷等原子以共价键连接聚甲醛（POM）聚酰胺（PA）聚砜（PSF）。

强度较高、耐热性好元素链高分子（－Si－O－、－Si－Si－Si－）：主链由硅、氧、硼、硫、磷等元素组成的高分子聚硅氧烷氟硅橡胶

热稳定性高，有机物的弹塑性好，缺点是强度较低。2.3高分子材料的结构三、高分子聚合物的形态

线型分子链：

各链节以共价键连接成线型长链高分子，其直径小于1纳米，而长度达几百甚至几千纳米，像一根呈卷曲状或线团状的长线2.3高分子材料的结构岐化型分子链：在聚合物主链的两侧以共价键形式连接相当数量、长短不一的支链。

体形分子链：在线型或支化型高分子链之间通过化学键或链段连接成一个三维空间网状大分子结构

。

线型聚合物（热塑性聚合物）：加热或冷却可使其重复软化（或熔化）和硬化（或固化）。如聚丙烯、聚苯乙烯、涤纶、尼龙、生橡胶等。体型聚合物（热固性聚合物）：加热加压成型后，不能再加热熔化或软化。如酚醛塑料、环氧树脂、硫化橡胶等。四、高分子聚合物的空间构型

高分子链的空间构型：高分子链中由化学键所固定的原子或原子团在空间的排列方式

2.3高分子材料的结构立体异构：化学成分相同，不对称取代基沿分子主链占据不同位置，形成具有不同链结构的现象全同立构和间同立构：易结晶，硬度、相对密度、软化温度及熔点都较高；无规立构：不容易结晶，性能较差，易软化。

全同立构间同立构无规立构2.3高分子材料的结构2.3.2高分子材料的结构聚集态结构：高分子材料内部高分子链之间的几何排列和堆砌结构，也称为超分子结构，是在成形加工中形成聚集态结构与高分子材料的性能直接相关高分子链的聚集态分为三种：晶态：分子链在空间规则排列部分晶态：分子链在空间部分规则排列非晶态：分子链在空间无规排列，亦称玻璃态结晶度：高分子材料中结晶区域所占的百分数结晶度变化范围为30%～90%，有时可达98%晶态聚合物：分子链规则排列而紧密，其熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性和抗熔性等性能好；非晶态聚合物：分子链无规则排列，故其弹性、延伸率和韧性等性能好；部分晶态聚合物：性能介于上述二者之间。

晶态部分晶态非晶态2.4陶瓷材料的结构

陶瓷材料：由金属和非金属构成的无机化合物所组成的多晶多相固体物质

室温下由晶相、玻璃相和气相组成

分类：普通陶瓷、特种陶瓷、金属陶瓷2.4.1

晶相（晶体相）：主要组成物，包含多个晶相

其结构、数量、晶粒大小及形状和分布等决定了陶瓷的主要性能和应用

晶相：含氧酸盐（硅酸盐、钛酸盐、锆酸盐等）、氧化物（Al2O3、MgO等）

非氧化物（碳化物、氮化物等）2.4陶瓷材料的结构

一、氧化物结构

氧化物是大多数典型陶瓷特别是特种陶瓷的主要组成物和晶体相。其由较大的氧离子紧密排列成晶体结构，较小的正离子填充在晶体结构的空隙内。

具有较高的熔融温度，在氧化气氛中非常稳定。较高的机械强度、电绝缘性能和化学稳定性。除氧化铍陶瓷外，其导热性较低。由超细粉末配料并加入少量烧结促进剂和改性添加剂。

MgO、Al2O3、SiO2、Zr