《材料及其成形技术》-第一章 材料的基本结构

各种类型的材料都是由原子或离子、分子构成。材料中的原子或离子、分子以一定的方式相互结合在一起，其结合方式称为结合键。结合键按原子、离子或分子间结合时相互作用的特点分为离子键、共价键、金属键和范德华键以及氢键。由于不同的结合键具有不同的特性，使得材料具有不同的性能特征。

一、离子键当元素周期表中外层电子少、且易失去价电子的元素原子与外层电子多、且易得到价电子的元素原子接近时，前者将失去价电子变成带正电荷的正离子，后者将获得价电子变成带负电荷的负离子。当带正电荷的正离子和带负电荷的负离子接近时，二者可因静电吸引而相互结合形成化合物。第一节材料的结合键下一页这种依靠正、负离子间静电吸引而产生的结合称为离子键。离子键的结合力较强，因此，由离子键结合所形成的物质往往具有较高的熔点、硬度、弹性模量以及较低的热膨胀系数和较低的导热系数。固态的离子键物质中很难产生自由运动的电子，因此，其具有不导电吐。然而，当离子键物质处于熔融状态时，其正、负离子处于自由状态，因此具有导电性。此外，由于离子键物质中同种电荷离子之间的排斥作用，离子之间不能形成很紧密的空间堆积结构，所以离子键物质具有较低的密度。NaCl,BaCl等一些无机盐和Fe3O4、Al2O3、ZrO2等一些无机非金属磁性材料和陶瓷材料为离子键结合。二、共价键第一节材料的结合键下一页上一页第一节材料的结合键对于处于元素周期表中间位置的三、四、五价元素，原子既可能获得电子变为负离子，也可能丢失电子变为正离子。当这些元素原子之间或与其近邻元素原子结合时，以共用价电子的方式实现结合。这种原子间利用共用价电子而相互结合的方式称为共价键。共价键形成的结合力很强，且电子不能自由运动，所以由共价键结合所形成的物质通常具有较高的熔点、硬度、弹性模量和低的热膨胀系数以及不导电性。典型的共价键物质有口前已知硬度最高的金刚石。由于共价键具有饱和性和方向性，使以共价键结合的原子难以形成空间紧密堆积结构，因此，共价键物质具有较低的密度。金刚石、Si3N4等一些无机非金属材料属于共价键结合。三、金属键下一页上一页第一节材料的结合键金属是以金属键结合为主的材料。由于金属原子极易失去外层价电子而成为正离子，因此，当金属原子相互接近时，各金属原子的价电子便会挣脱原金属原子核的束缚成为所谓“自由电子”，“自由电子”在失去价电子的各金属正离子间自由运动并为所有金属正离子共有。金属正离子与自由电子间的静电作用力使各金属原子结合在一起，这种结合方式称为金属键。由于自由电子的存在，金属键物质具有较好的导电和导热性。同时，自由电子易吸收光波能量而产生跃迁，从而使金属具有金属光泽。此外，金属键无饱和性、无方向性，使得原子间可以产生滑动而具有较好的塑性，并且每个原子趋于同更多的其他原子结合而易呈现出空间密堆结构，因此，金属键物质往往具有较高的密度。下一页上一页四、范德华键范德华键是一种相邻分子因各自静电偶极矩相互作用而产生的结合方式。分子的静电偶极矩来自以下几个方面。

(1)静电力:由正、负电荷中心不重叠的极性原子或分子的永久偶极矩相互作用而产生的结合力。

(2)诱导力:由极性原子或分子的永久偶极矩与由极性原子或分子永久偶极矩在非极性分子中产生的诱导偶极矩相互作用而产生的结合力。

(3)色散力:由分子中电子运动产生的正、负电荷中心瞬时不重叠形成的偶极矩相互作用而产生的结合力。下一页上一页第一节材料的结合键范德华键没有方向性和饱和性，其结合力比离子键、共价键、金属键小1~2个数量级。高分子材料中分子之间的结合键往往为范德华键。五、氢键当氢原子与一个电负性(即获得电子的能力)很强的原子或原子集团结合时，氢原子唯一的电子将强烈地转移至该原子或原子集团一侧，在结合物中形成较强的静电偶极矩。该静电偶极矩与相邻的静电偶极矩相互作用产生分子间的结合。在这种结合方式中氢原子起到了重要的桥连作用，故称其为氢键。氢键本质上与范德华键相似，其结合力比范德华键要强，但弱于离子键、共价键和金属键，且具有方向性和饱和性。下一页上一页第一节材料的结合键高分子材料中分子之间的结合有些属于氢键。六、不同类型材料的结合键特点不同类型材料的结合键往往具有不同的特点，其构成原子或离子、分子之间的结合可以是一种结合键，也可以是以一种结合键为主并兼有其他结合键。表1-1列出了现代四大类材料的结合键类型及其性能特点。返回上一页第一节材料的结合键下一页第二节材料中原子等的堆积排列方式各种材料都是由众多原子(如金属)或离子(如NaCl,A12O3等化合物)、分子以一定的结合键结合并在三维空间堆积排列而成。构成材料的原子或离子、分子在三维空间的堆积排列可以体现出一定的几何规则，也可以处于无序状态。材料构成原子或离子、分子的空间堆积排列方式不同反映出材料具有不同的微观结构。按照构成原子或离子、分子在三维空间的堆积排列情况，可以将固体物质分为晶体和非晶体。一、晶体晶体是指其构成原子或离子、分子在三维空间呈现出周期性规则堆积排列的固体，图1-1(a)所示即为由原子或离子构成的晶体。而非晶体是指其构成原子或离子、分子在三维空间呈现无规则堆积排列的固体，图1-1(b)所示即为由原子或离子构成的非晶体。金属、无机非金属材料通常表现为晶体，而高分子材料易表现为非晶体。对于确定成分的晶体，其具有固定的熔点(凝固点)，而非晶体则没有明确的熔点(凝固点)。

1.晶体结构、晶格与晶胞不同晶体中原子或离子、分子排列的规则往往不同，将晶体中原子或离子、分子具有自有特征的规则排列称为该晶体的晶体结构。晶体结构反映了材料内部原子或离子、分子间的相互空间位置，体现了近邻原子或离子、分子间的相互作用状态，因此影响晶体的各种性能。为研究方便起见，对于由原子或离子构成的金属和无机非金属而言，可将其构成原子或离子视为质点，将这些分布于三维空间的质点按第二节材料中原子等的堆积排列方式下一页上一页一定的规则以直线相连便构成由质点和直线形成的三维空间格子，称其为晶格晶格中质点所占据的位置称为晶格的结点或平衡位置，如图1-2(a)所示。晶格的空间构造反映了晶体结构的特征。由于晶体中原子或离子规则排列的周期性，在许多情况下对晶体进行研究时，没有必要研究整个晶体，而只需从晶体中取出能够完全反映晶体中原子或离子排列规则的一小部分晶体进行分析即可。将按照一定规则从晶体中取出的能够完全反映晶体原子或离子排列规则的最小晶体单元(通常为六面体)称为晶胞，如图1-2(b)所示。而整个晶格无非是所取晶胞在三维空间的重复堆积。如图1-3所示，可在晶胞中以某一原子为原点，以晶胞的棱为坐标轴建立三轴坐标系。第二节材料中原子等的堆积排列方式下一页上一页以a,b,c分别表示沿x、y、z轴的晶胞棱长，以α、β、γ分别表示各坐标轴之间的夹角。按晶胞的各棱棱长及各棱之间夹角的关系(晶格中质点在三维空间的基本排列规律)可以将各种晶格划分为如表1-2所示的立方晶系、六方晶系、四方晶系、正交晶系等七个大类，其下又可分为简单立方、体心立方、面心立方、简单六方、简单四方、体心四方等共14种基本的晶格形式，也称布拉菲点阵。

2.晶面与晶面指数在晶格中，任意取至少三个原子便可构成一个平面，这种由原子构成的平面称为晶面。由于不同晶面上的原子排列可能不同，为研究方便，用晶面指数来标识不同的晶面。下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式一个晶面的晶面指数按以下步骤确定。(1)在晶格中，选取晶胞的一个顶点为原点、以晶胞的三条棱为坐标轴建立坐标系。(2)在晶胞中找出(或通过平移坐标系找出)所要标识晶面与各坐标轴的相交点，确定需标识晶面在各坐标轴上的截距。(3)取各截距的倒数。(4)将各截距倒数按对应的x、y、z轴的顺序排列，并以公约数化为最小整数后，置于圆括号内。此即为需标识晶面的晶面指数。一般用(hkl)作为晶面的通式。h、k、l依次为晶面在x、y、z轴上截距倒数的最小整数。图1-4展示了立方晶格中的几个晶面及其晶面指数。下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式理论上，可在一个晶格中找出无数个晶面，其中，有些晶面上的原子排列规律完全相同，唯一的区别是这些晶面的空间位向不同。将这些原子排列完全相同，仅仅是空间位向不同的晶面称为一个晶面族，以通式{hkl}表示。如图1-5所示简单立方晶胞中的(111)、(111)、(111)、(111)四个晶面上原子排列规律完全相同，它们同属于{111}晶向族。对于原子排列不同的晶面，其单位晶面面积内的原子个数往往不同，用单位晶面面积内所具有的原子个数来表示晶面的原子排列密集程度，称之为晶面原子密度。

3.晶向与晶向指数下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式在晶格中，任意取至少两个原子便可构成一个晶体中的方向，将这种由一列原子构成的方向称为晶向。由于不同晶向上的原子排列可能不同，为研究方便，以晶向指数来标识不同的晶向。晶向指数按以下步骤确定。(1)在晶格中，以晶胞的一个顶点为原点、以晶胞的三条棱为坐标轴建立坐标系。(2)找出需标识晶向在各坐标轴上的投影。(3)将各投影按x、y、z轴的顺序排列，并以公约数化为最小整数后，置于方括号内。此即为需标识晶向的晶向指数。一般用[uvw]作为晶面的通式。u,v,w依次为晶向在x、y、z轴上的投影。第二节材料中原子等的堆积排列方式下一页上一页图1-6展示了立方晶格中的几个晶向及其晶向指数。

理论上，可在一个晶格中找出无数个晶向，其中，有些晶向的原子排列规律完全相同，唯一的区别是这些晶向的空间位向不同。将这些原子排列完全相同，仅是空间位向不同的晶向称为一个晶向族，以通式<uvw>表示。如图1-6所示简单立方晶胞中的[111]与[111]晶向上原子排列完全相同，它们同属于<111>晶向族。对于原子排列不同的晶向，其单位长度内的原子个数往往不同，用单位长度的晶向上所具有的原子个数来表示该晶向的原子排列密集程度，称之为晶向原子密度。二、单晶体与多晶体下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式理想的晶体应是组成原子呈现完全规则排列，且在三维空间中无限延伸。然而现实中的晶体尺度都是有限的。如果一个晶体中的原子完全按照一种规则排列，且原子规则排列的空间取向完全一致，则该晶体称为单晶体，如图1-7(a)所示。如果在一个晶体中虽然原子排列的规则完全相同，但晶体中不同部分之间原子规则排列的空间取向存在明显的不同，则称其为多晶体，如图1-7(b)所示。在多晶体中，一个原子规则排列空间取向相同的部分称为一个晶粒。实际上，多晶体就是由许多单晶体(晶粒)构成的晶体。在一个晶粒内，不同部分的原子规则排列之间有时也存在很小的空间取向差，将晶粒内这些相互之间原子规则排列空间取向存在很小差别的部分称为亚晶粒。下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式晶粒与晶粒之间的分界面称为晶粒界，简称晶界。亚晶粒之间的分界面称为亚晶界。对于单晶体，由于沿着其不同晶向上的原子排列密度往往不同，导致沿不同晶向上晶体的物理、力学等性质出现差异，将这种沿晶体不同方向性质不同的现象称为晶体的各向异性。对于由众多晶粒组成的多晶体，由于其各个晶粒的空间位向呈随机分布，因此沿多晶体任意方向测出的性质均为各晶粒沿不同方向性质的平均值，所以在一般情况下，多晶体没有明显的各向异性。但当由于某些原因如大变形量的塑性变形，使多晶体内各晶粒的空间取向趋于一致时，多晶体也可表现出各向异性。三、晶体中的缺陷第二节材料中原子等的堆积排列方式下一页上一页由于凝固过程、原子热运动、塑性变形以及高能辐射等因素的影响，晶体中总有一些原子不能完全按照正常的晶体原子排列规则进行排列，将晶体中这些非正常的原子排列称为晶体缺陷。依据晶体缺陷在三维空间的尺度大小，可将其分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三大类。

1.点缺陷

(1)点缺陷的概念。在温度高于绝对温度零度的晶体中，原子因吸收热能而产生热运动。一般情况下，晶体中原子的热运动只是表现为围绕着其平衡位置的热振动。温度越高，热振动的振幅越大。由于晶体微观上能量分布的不均匀性，一些原子具有的能量将高于原子平均能量。当这些高能量原子的热振幅足够大时，将脱离其平衡位置第二节材料中原子等的堆积排列方式下一页上一页迁移至他处，而在原平衡位置处留下一个缺失了原子的空位，如图1-8(a)中的位置A。空位的形成将使其四周原子向空位中心塌陷产生晶格畸变。当脱离平衡位置的原子迁移至晶体中正常排列原子所形成的间隙处时，称其为间隙原子，如图1-8(b)中处于间隙位置B的原子。由于间隙原子尺寸都大于晶体中正常排列原子所形成的间隙，故间隙原子将撑开四周原子产生晶格畸变。空位和间隙原子的出现破坏了晶体原子的正常排列，引起了晶格畸变，故属于晶体缺陷。由于其三维空间尺度都很小，所以被称为点缺陷。空位和间隙原子在晶体中普遍存在，而且晶体中的空位和间隙原子浓度与温度之间存在着一定的对应关系。下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式第二节材料中原子等的堆积排列方式升高温度将加强晶体中原子的热运动，因此将增加晶体中空位和间隙原子的浓度，如在室温下，铝晶体中的空位浓度约为8x1010个/cm3，当温度升高至600℃时，铝晶体中的空位浓度将增至约3x1019个/cm3。由于间隙原子产生的晶格畸变高于空位，因此，形成一个间隙原子所需要的能量高于形成一个空位，从而使得晶体中间隙原子的浓度远低于空位的浓度。除了温度的影响外，塑性变形以及高能辐射等也可以增加晶体中的空位和间隙原子浓度。此外，当一种元素构成的晶体中溶入其他异类，即不同元素的原子时，由于所溶入的原子与晶体原构成原子的大小、性质等不同，也会使其周围晶格产生三维空间尺度都很小的畸变，所以其也被视为点缺陷。下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式

(2)点缺陷对材料性能的影响。点缺陷造成的晶格畸变将在晶体中形成畸变应力场，产生畸变能。点缺陷还可以通过热运动而不断改变自己在晶体中的空间位置，称之为点缺陷的扩散。点缺陷在晶体中存在的类型、数量、分布状况及其扩散等对材料的力学、物理和化学性能都有很大的影响。一般情况下，点缺陷数量的增加将提高材料的强度，降低材料的塑性和金属的导电性以及耐蚀性等。

2.线缺陷

(1)线缺陷的概念。晶体中的线缺陷是指晶体中一类二维空间尺度很小，而在一维空间尺度上较长的晶体缺陷，通常称其为位错。位错是晶体中最为重要的缺陷，其由一列排列位置发生了错误的原子下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式构成，有刃型位错、螺型位错和混合型位错三种基本的结构形式。

图1-9所示为刃型位错的晶体模型。该晶体上半部分较晶体下半部分多出了一层原子面AB，称其为半原子面。半原子面的存在使其下缘端部附近的原子排列处于非规则状态且产生一定范围的晶格畸变，从而在半原子面的下缘形成一条一维的晶体缺陷，称之为刃型位错(或刃型位错线)。当半原子面如图1-9所示位于晶体的上半部分，即半原子面的下缘在晶体中形成位错时，称其为正刃型位错，常以符号“J-”表示。当半原子面位于晶体的下半部分，即半原子面的上缘在晶体中形成位错时，称其为负刃型位错，常以符号“下”表示。

图1-10(a)所示为螺型位错的晶体模型。在该晶体中，沿着BC，下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式原子呈如图1-10(b)所示的螺旋状排列且使其附近的晶格产生畸变，构成一条一维的晶体缺陷。螺型位错中原子的螺旋方向可以向左或向右，据此可将螺型位错分为左螺型位错和右螺型位错。除刃型位错和螺型位错外，晶体中还有一种兼有刃型位错和螺型位错特征的位错，称之为混合型位错。

(2)位错与点缺陷及位错之间的相互作用。位错形成的晶格畸变将在其附近的晶体中产生畸变应力场，如正刃型位错的多余半原子面使其所在的晶体上半部分处于压应力状态，下半部分则处于拉应力状态，当晶体中存在点缺陷时，位错的应力场能够与点缺陷的产生的应力场相互作用，使点缺陷在位错附近形成低能态的选择性分布，如下一页上一页下一页第二节材料中原子等的堆积排列方式刃型位错应力场与点缺陷应力场相互作用的结果使刃型位错附近的空位趋向于分布在有半原子面一侧的压应力区，间隙原子则趋向于分布在无半原子面一侧的拉应力区，从而在一定程度上降低晶体内的晶格畸变，使晶体处于较低的能量状态。位错之间也会通过各自的应力场产生相互作用。如异号刃型位错之间产生相吸作用，同号刃型位错之间产生相斥作用。左螺型位错与右螺型位错之间产生相吸作用，左螺型位错之间以及右螺型位错之间产生相斥作用。

(3)位错在晶体中的的运动。在外加应力等因素的作用下，位错可以在晶体中产生运动。刃形位错的运动形式有滑移和攀移两种。滑移是指刃形位错沿着晶体中的某一晶面产生位移。上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式图1-11从左至右展示了刃型位错的滑移运动过程。该滑移过程为在外加切应力T的作用下，多余半原子面AB沿着晶体中的某一晶面(称为滑移面)，通过该晶面与相邻晶面之间原子结合键的不断断裂和再结合而从晶体的左端位移到右端，从而使半原子面下缘的刃型位错随之从晶体的左端滑移到了右端。刃形位错还可以通过半原子面的扩大或缩小而产生沿着半原子面的位移，称之为位错的攀移。半原子面的扩大是通过他处原子扩散至半原子面下缘而实现，如图1-12所示。半原子面的缩小则是通过半原子面下缘的原子扩散离开半原子面或空位扩散至半原子面的下缘而实现，如图1-13所示。由于螺型位错不是由半原子面形成，所以螺型位错的运动形式只有滑移。下一页上一页其滑移也是螺型位错沿着晶体中某一晶面(滑移面)产生位移。滑移是各种类型位错最为重要的运动形式，各种类型的位错在晶体中滑移的结果是使滑移面上、下的两部分晶体沿着滑移面及滑移面上的某一晶向(称为滑移方向)也产生相对滑移，并在晶体表面形成不可恢复的滑移台阶(图1-11所示)，此意味着晶体发生了微观塑性变形。一根位错滑移形成的滑移台阶只有一个原子间距的尺度，大量位错在晶体内滑移的结果则使晶体产生宏观的塑性变形。应该指出的是位错滑移方向与其所产生的晶体滑移方向并不一定相同，如刃型位错滑移方向与其滑移所引起的晶体滑移方向是一致的(图1-11所示)，而螺型位错滑移方向与其滑移所导致的晶体滑移方向则相互垂直(图1-14所示)。第二节材料中原子等的堆积排列方式下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式各种位错在晶体内滑移时所沿袭的晶面，即滑移面通常为晶体中的原子密排晶面(即原子排列密度高的晶面)。这是因为密排晶面的面间距大，使得密排晶面之间原子或离子的结合力弱，从而使位错沿着密排晶面滑移时阻力较小所致。位错滑移时，滑移面上下两部分晶体相对位移所沿袭的晶向通常为原子密排晶向(即原子排列密度高的晶向)。这是因为密排晶向上的原子或离子间距小，滑移面上、下晶体相对位移时需克服的能垒小，从而使晶体沿密排晶向相对位移时阻力较小所致。将晶体中的一个密排面和该面上的一个密排晶向合称为一个滑移系。由于不同的晶体结构往往具有不同数量的密排面和密排晶向，所以不同的晶体结构往往具有不同数量的滑移系，如在室温下，面心下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式立方晶体结构具有12个滑移系，而密排六方晶体结构仅有3个滑移系。晶体中滑移系的多少直接影响着晶体的塑性变形能力，滑移系越多，则晶体越易发生塑性变形。所以，具有面心立方结构的铜、铝合金具有好的塑性，易于通过塑性加工成形，而具有密排六方结构的镁合金则难于通过塑性加工成形。位错在晶体中的运动会遇到各种阻碍。这些阻碍来自于晶体结合键、点缺陷、其他位错、面缺陷、第二相粒子等。结合键通过影响位错运动时原子间结合键断裂的难易影响位错的运动。点缺陷对位错运动的阻碍则来自于其在位错附近形成的低能态分布，因为位错运动时必然破坏点缺陷在位错附近已形成的低能态分布，引起晶体能量升高，从而使位错运动受到阻碍。下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式其他位错对位错运动的阻碍来自于位错之间的相互排斥以及位错线之间形成的相互缠结。面缺陷、第二相粒子则通过阻止位错穿过其而对位错运动产生阻碍。通常，晶体结合键强度越高，晶体中点缺陷、线缺陷密度越大，面缺陷(如晶界)的总面积以及第二相粒子的数量越多，则对位错运动的阻碍越大。升高温度有利于增强原子活动能力，因此有利于位错的运动。

(4)位错对材料性能的影响。由于种种原因，晶体中总是存在位错。口前的材料制备技术尚不能制备出完全没有位错的晶体，而只能制备出位错很少的短条状晶体材料，称之为晶须。由于通常晶体材料在室温下的塑性变形主要是由位错滑移所引起，所以对于主要利用其下一页上一页力学性能的材料(称为结构材料)而言，位错的重要性在于其对晶体材料强度的显著影响。以单位体积晶体中位错的总长度表示晶体中位错的密度P，则晶体中位错密度与晶体的室温强度大致有如图1-15所示的关系。

图1-15所示的位错密度对晶体室温强度的影响是因为当晶体中位错密度极低时，在外加应力作用下，晶体难以借助位错滑移产生明显的塑性变形，故晶体表现出高强度。但当晶体中位错密度过高时，位错之间会发生相互缠结，导致位错运动困难，从而也使晶体表现出较高的强度。所以，只有当晶体中存在适当密度的位错时，晶体最易塑性变形而具有较低的强度。第二节材料中原子等的堆积排列方式下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式在材料的实际应用中，通常都是设法采取阻碍位错运动的途径来提高材料的强度，如在晶体中加人其他不同原子形成固溶体、减小晶体晶粒的尺寸以及使晶体中形成第二相粒子等。

3.面缺陷

(1)面缺陷的概念。面缺陷是指晶体中一类一维空间尺度很小，而二维尺度较大的缺陷，如图1-16所示的晶界、亚晶界。相界面(化学组成或晶体结构等不同，但相互连接的晶体之间的界面)、表面等也被视为晶体的面缺陷。通常，面缺陷处的原子排列不同于晶体内正常的原子排列，具有一定的畸变，而且面缺陷处众多原子的化学键也未达到饱和，从而使面缺陷处的原子处于较高的能量状态。如晶界具有晶界能，表面具有表面能等便主要源于此。下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式

(2)面缺陷对材料性能的影响。面缺陷处的原子排列形式、能量状态对晶体的性能有很大影响。例如因晶界原子排列不同于晶粒内部，使得位错运动时不能穿越晶界，从而使晶界具有阻碍位错滑移的作用。所以通过细化晶粒来增加单位体积晶体内的晶界面积，可以有效提高材料的室温强度。但在高温下，当原子扩散引起的晶界滑动成为塑性变形主要机制时，晶界的存在则会促进塑性变形的发生。又如晶界处原子具有较高能量，因而处于化学活性较高的不稳定状态，在遇到腐蚀性介质时，易使晶体沿着暴露于表面的晶界向内逐渐被腐蚀，形成沿晶腐蚀。再如晶体表面具有表面能，因而将会自发地吸附外来原子或分子以降低表面能。下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式这种表面吸附现象对材料的使用具有很大的影响，如钢铁表面在潮湿的空气中将会吸附大量水分子而更易锈蚀，利用硅胶对水分子的强烈吸附可以防潮，利用材料对润滑剂的吸附可以降低摩擦产生的磨损和能耗，利用活性炭等良好吸附剂对水和空气中杂质或有害物质的吸附可以净化水与空气。四、非晶态相对于组成原子或离子、分子等呈现规则排列的晶态物质，将组成原子或离子、分子等处于无规则排列的固态物质称为非晶态。物质是否呈现为晶态主要取决于以下两个因素。

1.能量因素下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式作为一个物质体系，只有当其构成原子、离子或分子规则排列时的体系能量比非规则排列时的体系能量低时，才有可能以晶体形式存在，也即原子、离子或分子规则排列状态与非规则排列状态的能量差是使物质呈现晶态的驱动力。

2.动力学因素能量因素是物质呈现晶态的必要条件，但不是充分条件。在构成物质体系的原子、离子或分子形成规则排列的过程中存在着各种阻碍因素，因此，晶态物质形成的另一个前提是驱动力必须大于阻力。固态金属在其组成原子呈一定规则排列时能量最低，所以固态金属总是趋向于以晶体的形式存在，同时由于固态金属在熔化状态下的下一页上一页第二节材料中原子等的堆积排列方式劲度也低，因此在正常情况下，金属凝固时原子可通过充分的扩散而形成原子排列有序的晶体。构成玻璃的主体材料—固态SiO2也是以晶体形式存在时能量最低，但Si02在熔化状态下的劲度很高，约比液态金属的劲度高十个数量级，因此当熔融的Si02凝固时，原子的扩散十分困难，从而在自然冷却情况下难以形成原子排列有序的晶体，而使固态Si02呈现为非晶态。虽然金属一般呈晶体状态，但对不同的金属采用一些不同的特殊手段也可以使其成为非晶态。如采用快淬技术(即以极高速率冷却液态金属至固态，使其原子来不及通过扩散排列成有序结构)可以获得许多种非晶态的金属带材，采用化学液相快速还原法可以制备非晶态的下一页上一页纳米铁颗粒等、采用化学镀镍的方法可在被镀材料表面形成非晶的镍镀层。由于非晶态不是能量最低的状态，因此，非晶态金属内部原子的能量高于晶态金属，属于亚稳定状态。因此，当加热非晶态金属到一定温度时，其内部原子将通过热激活扩散运动重新形成有序的规则排列，从而转化为晶态。目前的材料科学技术只能制备少数具有较大体积的金属块材，如Zr基非晶材料等，而对于大多数金属材料，还只能制备其非晶带材、薄膜和颗粒。非晶态的金属材料具有许多晶态金属所不具有的性能，如非晶态金属呈各向同性，其强度、耐腐蚀性、磁导率等较同类的晶态金属一般都可以得到提高。第二节材料中原子等的堆积排列方式返回上一页一、常见的金属晶体结构在实际使用的金属材料中，大多数的晶体结构属于体心立方晶体结构、面心立方晶体结构和密排六方晶体结构。

1.体心立方晶体结构体心立方晶体结构的原子排列特征及其晶胞如图1-17所示。视原子为刚球，八个顶角原子构成了一个立方六面体，在立方体的体对角线相交处，即六面体的中心还存在一个原子。由于晶体是由无数个晶胞堆积而成，所以在一个晶胞的四周还有其他的晶胞与之相邻。因此，体心立方晶胞的每个顶角原子应分属于相邻的八个晶胞。由此计算一个体心立方晶胞中具有的原子个数为(8x1/8+1=)2个。第三节金属材料的结构下一页第三节金属材料的结构分别以a,b,c表示该晶胞平行于x,y,z坐标轴的边长，称之为晶胞(格)常数。晶胞常数反映了晶胞的大小。对于体心立方晶体，其晶胞常数a=b=c。在体心立方晶胞中，除去原子占据的体积外，还存在一些空隙(间隙)。将晶胞中原子所占据体积与晶胞整体体积之比称为该晶胞的致密度。体心立方晶胞的致密度为0.68。具有体心立方晶体结构的晶体有存在于室温下的Fe以及Cr,W,Mo等。

2.面心立方晶体结构该晶体结构的原子排列特征及其晶胞如图1-18所示。八个顶角原子构成了一个立方六面体，在立方体每个面的面对角线相交处，即每个面的中心各有一个原子。每个顶角原子分属于相邻的八个晶胞，每个面心原子分属于相邻的两个晶胞。下一页上一页由此计算一个面心立方晶胞中具有的原子个数为(8x1/8+6x1/2=)4个。面心立方晶体的晶胞常数a=b=c，其致密度为0.74。具有面心立方晶体结构的晶体有较高温度下的Fe以及Ni,Cu,Al等。

3.密排六方晶体结构该晶体结构的晶胞如图1-19所示。12个顶角原子构成了一个正六方柱体，正六方柱上、下底面中心各有一个原子。正六方柱内，在柱的半高处还有构成一个等边三角形的三个原子。正六方柱体的每个顶角原子分属于相邻的六个晶胞，上、下底面中心的原子分属于相邻的两个晶胞。由此计算一个密排六方晶胞中具有的原子个数为(12x1/6+2x1/2+3=)6个。密排六方晶胞的大小用晶胞常数a第三节金属材料的结构下一页上一页第三节金属材料的结构和c表示，a为正六方柱上、下底面的边长，c为正六方柱的高。当c/a=1.633时，密排六方晶胞的致密度为0.74。具有密排六方晶体结构的晶体有Mg、Zn、Ti等。二、合金中的相纯金属的使用性能往往存在着多种不足，例如强度不够高。因此在实际使用的金属材料中，往往加人了一些其他元素以改善金属材料的性能。把由两种或两种以上的金属与金属或金属与非金属所形成的具有金属特性的物质称为合金。把组成合金的独立物质称为合金的组元。例如，应用最为普遍的碳钢就是主要由铁和碳两种组元构成的合金。下一页上一页第三节金属材料的结构当金属材料中存在两种以上的组元时，在固态下，这些组元之间主要以两种形式而共存。第一是在固态下，原子数量较少的组元原子以类似于溶液的方式溶解在原子数量较多的组元内，形成所谓固溶体;第二是由金属组元原子与其他组元原子相互作用形成具有金属特性的化合物，称为金属间化合物(或中间相)。至于是形成固溶体或是金属间化合物主要取决于组元原子相对得失电子的能力等因素。由于合金中存在多种组元，组元之间可能形成多种固溶体或金属间化合物。因此，合金中往往存在有化学成分、晶体结构和性质不同的组成部分。将化学构成、物理状态、晶体结构和性质相同、均一，且有明显界面与其他不同部分分隔开的部分称为一个相，否则为不同的相。例如，不同的固溶体和金属间化合物就属于不同的相。下一页上一页第三节金属材料的结构当合金由单一相组成时，称为单相合金，当合金中存在多个相时，称为多相合金。金属材料通常为多相合金。

1.固溶体

(1)固溶体的分类。在固溶体中，将原子数量占多数的组元称为溶剂，原子数量少的组元称为溶质。按照溶质原子在晶格中所占据的位置，可将固溶体分为溶质原子占据晶格间隙位置的间隙固溶体和溶质原子占据溶剂原子应占位置的置换固溶体，分别如图1-20(a)、图1-20(b)、图1-20(c)所示。当溶质原子与溶剂原子半径相差较大时，将形成间隙固溶体，否则将形成置换固溶体。下一页上一页第三节金属材料的结构按照溶质原子在溶剂中的溶解度大小，可将固溶体分为溶质原子溶解度有一定限度的有限固溶体和溶质与溶剂原子可以以任意比例互溶，即溶解度没有限度的无限固溶体。无限固溶体只有在溶质与溶剂原子大小、性质相近且晶体结构形式相同时才能形成。

(2)固溶体的特点。固溶体具有如下一些共同的特点。

1)固溶体的晶体结构总是保持为溶剂的晶体结构。

2)由于固溶体中溶质的溶解量可以变化，所以固溶体的成分是可变的。

3)由于溶质原子与溶剂原子大小、性质不同，一个溶质原子溶入溶剂晶格实质上在溶剂晶格内制造了一个点缺陷，将使溶剂的晶格产生如图1-20所示的畸变。下一页上一页下一页上一页第三节金属材料的结构因此，固溶体的晶胞常数、力学性能、物理和化学性能较原溶剂晶体都将发生相应的改变。溶剂晶格中溶入其他异类原子形成固溶体后，固溶原子产生的畸变应力场会与位错的畸变应力场相互作用，使间隙固溶原子以及尺寸大于溶剂原子的置换固溶原子趋向分布于位错附近的拉应力区，如图1-21(a)所示，使尺寸小于溶剂原子的置换固溶原子趋向分布于位错附近的压应力区，如图1-21(b)所示，以此降低晶格畸变能。当晶体中位错因外力作用运动时，将改变位错与固溶原子所形成的上述低畸变能状态，使晶体的畸变能增加，增加的畸变能需要通过增大外力来提供，表现为使位错运动，也即使晶体塑性变形更为困难，从而使晶体的强度较无固溶原子时得到提高。下一页上一页第三节金属材料的结构强度提高的幅度随固溶原子数量的增加而增大。该现象称为固溶强化。固溶强化是被普遍用来强化材料的重要手段之一。溶剂中溶入其他原子还可改变其原有的一些物理和化学性能。如金属固溶体的电阻率一般随固溶原子数量的增加而增大。当固溶于Fe中的Cr质量浓度达到12.5%时，Fe的电极电位将由-0.6V迅速上升到+0.2V，从而显著提高Fe的抗电化学腐蚀的能力，这也是在后面的学习中将看到的不锈钢中为什么含有高达13%Cr的原因。

2.金属间化合物金属间化合物可以由金属与金属、金属与非金属构成，其晶体结构复杂，且不同于其组元的晶体结构。金属间化合物原子间的结合键主要为离子键或共价键并兼有部分金属键的混合键。第三节金属材料的结构由于存在离子键或共价键，金属间化合物具有较高的硬度和熔点，较大的脆性。同时由于具有部分金属键，金属间化合物具有一定的金属特性。由于为化合物，金属间化合物的成分可用分子式来表示，如Fe3C,NiAl等。但由于有些金属间化合物本身作为一个组元还可以溶解构成该化合物的组元原子或其他原子，形成所谓二次固溶体，因此，这些金属间化合物的成分又可以在一定的范围内变化。由于金属间化合物很硬，所以其作为材料中的第二相(材料中量少、非连续的相)存在于材料基体相(构成材料基体的连续相)中可以提高材料的硬度。同时，金属间化合物作为第二相分布于基体相中还可以阻碍基体相中位错的运动，从而可以提高材料的强度。所以，金属间化合物是金属材料中普遍应用的重要强化相。下一页上一页第三节金属材料的结构此外，一些金属间化合物还具有强磁性(如Nd2Fe14B，简称铰铁硼)、超导性(如Nb3Ge,NbN等)以及储氢性能(如LaNi5、FeTi等)。三、同素异构与同分异构在金属以及陶瓷等其他一些晶体材料中，有些由相同元素构成的晶体相可以具有不同的晶体结构。如Fe在低于912℃时为体心立方结构，在912℃~1394℃为面心立方晶体结构，在1394℃~1538℃(Fe的熔点)为体心立方晶体结构。这种构成元素相同但具有不同晶体结构的现象称为同素异构现象。构成元素相同的晶体随外部条件变化而发生的晶体结构改变称为同素异构转变。当晶体结构改变时，晶体的性质也会发生相应的变化，如石墨和金刚石都仅由碳原子构成，但由于二者的晶体结构不同，其性质相差甚远。下一页上一页第三节金属材料的结构有些化合物分子式相同，但其组成原子可以排列成不同的晶体或分子结构，此现象称为同分异构现象。如α-Fe2O3和γ-Fe2O3的化学组成相同，但二者晶体结构不同，前者无磁性，后者却有磁性。甲醚和乙醇的，分子式都为CH3CH2OH，但它们的分子结构形式却不同，因而也具有不同的性质。返回上一页第四节常用陶瓷材料的结构陶瓷属于无机非金属材料。无机非金属材料是指化学组成主体为无机化合物和非金属元素单质的一类材料，除陶瓷外，还包括玻璃、碳素材料、水泥、耐火材料、人工晶体等。本节简单介绍几种常用先进陶瓷(较传统陶瓷而言)的晶体相结构、陶瓷中的晶体缺陷及陶瓷材料的组成相。陶瓷是由不同元素通过离子键、共价键或离子键兼共价键的方式结合而成，其包括一些氧化物、氮化物、碳化物、硼化物等。陶瓷的成分可以用分子式表示。由于以离子键或共价键结合，所以，陶瓷具有高的熔点、高的硬度、高的弹性模量、很大的脆性、低的热膨胀系数、低的导热系数和低的密度等。由于陶瓷是无机非金属化合物而不是单质，所以其晶体结构不像金属与合金那样简单，而是表现为复杂多样。此处仅介绍几种常用陶瓷的晶体结构。下一页第四节常用陶瓷材料的结构一、氧化物陶瓷的晶体结构(1)Al2O3的晶体结构。Al2O3有多种同分异构体，如α-Al2O3,β-Al2O3等。其中晶体结构最稳定的是α-Al2O3，称其为刚玉型结构。在α-Al2O3晶胞中，O2-作六方密堆排列，Al3+则填充在由6个O2-所形成的八面体间隙中，O2-与Al3+之间以离子键结合。

(2)Zr2O的晶体结构。常压下，从室温到高温，Zr2O依次呈现为单斜相(m-Zr2O),四方相(t-Zr2O)和立方相(c-Zr2O)3种晶体结构。3种晶体结构之间随温度和压力的改变可以发生可逆转变。在Zr2O晶体中，O2-与Zr4+之间以离子键结合。二、Si3N4陶瓷的晶体结构下一页上一页第四节常用陶瓷材料的结构

Si3N4有α-Si3N4,β-Si3N4两种晶体结构，二者在室温下都可以存在。但将α-Si3N4加热至1400℃以上，其将转变为β-Si3N4，而且这种转变是不可逆的。α-Si3N4,β-Si3N4两种晶体结构都是由硅氮四面体(由处于中心的1个硅原子与周围离其最近的4个氮原子构成的四面体)以四面体顶角相连所形成，硅原子与氮原子之间以共价键结合。二者的区别在于部分原子之间的距离和方位有所不同。三、SiC陶瓷的晶体结构

SiC晶体是由SiC4四面体(由处于中心的1个硅原子与周围离其最近的4个碳原子构成的四面体)和CSi4四面体(由处于中心的1个碳原子与周围离其最近的4个硅原子构成的四面体)排列堆积而成。下一页上一页硅原子与碳原子之间的结合键以共价键为主，兼有部分离子键(离子键性约为12%)。SiC主要有属于六方晶系的α-SiC和属于立方晶系的β-SiC两种基本的晶体结构形式，在此基础上还可以产生超过200多种的变体。β-SiC在相对较低的温度下存在，将其加热到2000℃以上将不可逆地转变为稳定存在的α-SiC。四、陶瓷中的晶体缺陷实际陶瓷晶体中也存在点缺陷、位错、面缺陷等晶体缺陷。由于陶瓷主要是以结合力强的离子键或共价键结合，所以在陶瓷中形成点缺陷、位错等晶体缺陷所需的能量远高于金属中，使得陶瓷中点缺陷、位错的形成较为困难，其密度显著低于金属中。第四节常用陶瓷材料的结构下一页上一页第四节常用陶瓷材料的结构陶瓷晶体中晶体缺陷对陶瓷性能的影响规律与金属中晶体缺陷对性能的影响基本相同。但陶瓷中点缺陷、位错的运动因受离子键或共价键强烈的阻碍而十分困难，如陶瓷中的位错在室温下几乎不能产生运动，导致陶瓷材料在受力断裂前几乎不产生塑性变形，其受力破坏方式表现为脆性断裂，使得陶瓷材料的室温强度测定只能获得一个断裂强度值。所以，位错运动困难被认为是造成陶瓷材料室温下很脆的重要原因之一。五、陶瓷材料中的相通常，陶瓷材料都是通过将陶瓷粉体均匀混入少量起劲结陶瓷粉末、降低烧结温度、使陶瓷在烧结中致密化等作用的烧结助剂，而后压制成型并在高温下烧结而成。下一页上一页因此，如图1-22所示，陶瓷材料中的相包括由陶瓷粉体形成的晶体相、由烧结助剂为主体形成的玻璃相以及气孔，也即气相。

1.晶体相陶瓷材料中的晶体相是陶瓷材料的主要组成部分，在许多情况下，陶瓷材料中可有多种晶体相，根据不同晶体相的相对数量可将晶体相分为主晶相、次晶相等。通常，主晶相的基本性质、数量、晶粒大小、形态及其分布等是决定陶瓷材料物理、化学、力学等各种性能的主要因素。

2.玻璃相在陶瓷材料烧结成形过程中，烧结助剂与各组成相产生一系列物理化学反应后形成液相，其冷却凝固后便形成玻璃相。因其一般为非晶态物质，故称为玻璃相。第四节常用陶瓷材料的结构下一页上一页第四节常用陶瓷材料的结构玻璃相是陶瓷材料中不可缺少的组成相，其作用是降低烧结温度，将分散的晶相赫结在一起，并抑制晶体相的晶粒长大和填充气孔。玻璃相分布于陶瓷晶体相颗粒之间，直接影响着陶瓷材料的性能。因玻璃相的熔点、强度较晶体相低，因此，必须控制其数量不能太多。在先进陶瓷材料中，玻璃相所占体积分数视陶瓷材料的制备工艺不同而有不同，一般控制在30%以下。

3.气孔(相)

气孔由陶瓷组织内部残留下来而未排除的气体形成，是陶瓷材料制备过程中难以完全避免的，其形成与原料和生产工艺有密切关系。根据陶瓷中气孔的含量，可将陶瓷分为致密陶瓷和多孔陶瓷等。下一页上一页第四节常用陶瓷材料的结构陶瓷材料中气孔的存在以及气孔的大小、形状、数量和分布等直接影响着陶瓷材料的性能。如气孔的存在使陶瓷材料的密度、强度以及绝缘性等降低，也常常是引起陶瓷材料中应力集中而萌发裂纹、造成陶瓷材料脆断的重要原因之一。因此，对于要求力学性能好、绝缘性高的致密陶瓷材料而言，气孔应尽量细小、呈球形，在陶瓷材料中所占体积分数应尽量低，一般应低于5%。但在有些情况下，又需要陶瓷材料具有一定的气孔体积分数。如用于制备陶瓷/铝复合材料的陶瓷骨架就需要一定的气孔率以便于铝合金液的渗人。用作汽车尾气净化器中催化剂载体的陶瓷材料也需要高的气孔率以增加尾气与催化剂接触面积，提高尾气净化效率。返回上一页第五节高分子材料的结构高分子材料如塑料、橡胶、纤维等是由分子量极大(可包含几千乃至几十万个原子)的高分子化合物(也称聚合物或高聚物)为主、添加一些辅助成分如抗老化剂等构成。在高分子材料中，一个高分子的组成原子之间是以共价键结合，而高分子之间则是以结合力较弱的范德华键或氢键结合。由于高分子之间是以范德华键或氢键结合，这就决定了高分子材料不可能具有像金属、陶瓷材料那样高的强度和熔点。高分子材料的性能也与其结构有关，其结构主要是指两个不同的微观层次。第一是高分子链的结构，即组成一个高分子的基本单元—结构单元的化学组成、结构单元之间的键接方式、高分子链上原子或原子基团的空间排列特征以及高分子链的几何形状等。第二是高分子的聚集态结构，即众多高分子聚集形成高分子材料时，高分子之间的几何排列特征。下一页第五节高分子材料的结构一、高分子链的结构高分子化合物是由许多相同且结构简单的基本结构单元通过共价键重复连接而成的高分子链(可长几百nm)。高分子的基本结构单元(又称链节)可以由一种或几种简单的低分子化合物构成。当结构单元仅由一种低分子化合物构成时，也称其为单体。高分子链中结构单元的重复数称为高分子的聚合度。如聚合度为n的聚氯乙烯分子[CH2-CH2]就是由n个氯乙烯分子CH2=CH2打开双键后相互连接而成，而氯乙烯分子CH2=CH2就是聚氯乙烯分子的结构单元。该过程可表示为具有不同结构单元的高分子显然具有不同的性能。而具有相同结构单元的高分子也可能具有不同的性能。下一页上一页第五节高分子材料的结构这是因为高分子即使具有相同的结构单元，但是其中结构单元之间的键接方式以及相互之间的空间几何排列关系等(即结构)可能不同。高分子链的结构分为近程结构和远程结构。

1.高分子的近程结构

(1)高分子结构单元的化学组成。当高分子具有不同化学组成的结构单元时，其性能也会不同。如聚乙烯、聚氯乙烯、聚四氟乙烯的结构单元分别为CH2=CH2,CH2=CHCl,CF2=CF2。

(2)高分子结构单元的键接方式。对于聚乙烯

，由于其结构单元分子完全对称，单体在分子链中的链接方式只有一种。但有些高分子的结构单元具有不对称性，例如CH2=CHR，如果把有下一页上一页第五节高分子材料的结构取代基R的一端称作“头”，把有亚甲基CH2的一端称作“尾”，当这些结构单元之间发生聚合时，其可以有以下三种不同的键接方式，即:

头一头键接:

头一尾键接:下一页上一页第五节高分子材料的结构尾-尾键接:

(3)高分子链的空间构型。高分子链的空间构型是指高分子链中由化学键决定的取代基围绕特定原子在空间所形成的排列形式。对

，空间构型可有:

全同立构(取代基R在高分子主链一侧):下一页上一页第五节高分子材料的结构间同立构(取代基R相间在高分子主链二侧):下一页上一页下一页上一页第五节高分子材料的结构无规立构(取代基R无规分布在高分子主链两侧):

(4)高分子链的几何形状。高分子链按其几何形状可分为如图1-23所示的线型高分子、支链型高分子和交联型高分子三种类型。线型高分子链间无化学键连接，分子间可相对移动，从而使由其所形成的高分子材料在溶剂中能够溶解，有良好的弹性和塑性，加热可熔化，具有热塑性(即其受热时可软化而被加工成型，冷却后变硬。再加热时仍可软化能被再次加工成型)。第五节高分子材料的结构支链型高分子的主链上带有侧链，其所形成的高分子材料在溶剂中能够溶解，加热可熔化，具有热塑性，但支链的形成将使高分子材料的密度、弹性、强度、塑性、耐热性、耐蚀性等下降。交联型高分子因呈现网状结构，而使其所形成的高分子材料具有不溶解、热固性(即其受热时不发生明显的软化，除非其结构被破坏)、有较好的耐热性和尺寸稳定性、强度较高，但塑性低、脆性大等特点。

2.高分子的远程结构

(1)高分子的大小。由于高分子聚合过程复杂，所得到的高分子分子量不可能完全相同。因此采用平均相对分子量描述高分子的大小。高分子的分子量越大，分子间的作用力越强，则由其构成的高分子材料的强度越高，熔化状态下的劲度越大。下一页上一页第五节高分子材料的结构

(2)高分子链的构象。如图1-24所示，高分子链中许多原子之间是以化学单键键接，单键可以围绕着某一轴产生旋转，称为内旋转。因内旋转不同，可使高分子链在空间具有不同的几何形态。高分子链的构象即是指由高分子链化学单键的不同内旋转所构成的高分子链在空间的各种几何形态。(3)高分子链的柔顺性。由于热运动，高分子链的构象时刻在改变，使得高分子链呈卷曲状。高分子链的柔顺性即是指高分子链能够改变其构象而具有不同卷曲程度的性质。二、高分子的聚集态结构下一页上一页第五节高分子材料的结构高分子的聚集态结构是指高分子聚集在一起所形成的几何结构。按照高分子排列的有序性，可将固态高分子分为晶态结构和非晶态结构等。若高分子链按照三维有序排列方式聚集在一起，则为晶态结构。若高分子链杂乱无序地聚集在一起，则为非晶态结构。由于高分子的长链结构特点以及随之而来的高分子链缠结的影响，很难获得处于完全晶态结构的高分子聚集态。因此，绝大多数高分子聚合物是处于如图1-25所示的半结晶状态，即聚合物的有些区域中高分子呈有序排列，称其为晶区，而另一部分区域中高分子呈无序排列，称其为非晶区。由于高分子链很长，所以，一条高分子链可以穿越几个晶区或非晶区。高分子聚合物中高分子不能100%结晶的原因主要是动力学方面的因素，即在有限的下一页上一页第五节高分子材料的结构凝固或退火时间内，高分子链之间不可能完全解缠结并很好地排列起来。可以总结高分子聚集态的结构特点如下:1)晶态的高分子聚合物总包含有一定量的非晶态区。

2)晶区内的高分子排列也不是完全有序，存在着大量缺陷。

3)一个高分子链可穿越几个晶区或非晶区。

4)交联型高分子皆为非晶态结构。通常用结晶度来描述高分子聚合物晶化的程度。结晶度定义为高分子聚合物中晶区的重量(或体积)百分数。高分子聚合物的结晶度越高，则其硬度、强度、密度、