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1、21 金属材料的结构与组织 211 纯金属的晶体结构 212 金属的实际晶体结构 213 合金的晶体结构 214 金属材料的组织 22 高分子材料的结构与性能 221 高分子材料的结构 222 高分子材料的性能 23 陶瓷材料的结构与性能 231 陶瓷材料的结构 232 陶瓷材料的性能,目录,第2章 材料的结构与组织,2.1 金属材料的结构与组织,2.1.1 纯金属的晶体结构 1.晶格、晶胞与晶格常数,图2-1 晶格构造模型,2.晶面与晶向,图2-2 立方晶格中的一些晶面,3.金属晶体的类型,(1)体心立方晶格 (2)面心立方晶格 (3)密排六方晶格,图2-3 体心立方晶胞 图2-4 面心立方
2、晶胞 图2-5 密排六方晶胞,2.1.2 金属的实际晶体结构,1.单晶体和多晶体,图2-6 单晶体和多晶体结构示意图,2.实际金属的晶体缺陷,(1)点缺陷 空位 间隙原子,图2-7 空位和间隙原子示意图,(2)线缺陷,刃型位错:刃型位错如图2-8（a）所示。,图2-8 刃型位错示意图,螺型位错:螺型位错如图2-9所示。,图2-9 螺型位错示意图,(3)面缺陷,面缺陷是指在两个方向上尺寸很大，第三个方向上尺寸很小而呈面状分布的缺陷。面缺陷主要是指金属中的晶界和亚晶界。,晶界处的主要特征： 原子排列不规则，因此对金属的塑性变形起着阻碍作用，晶界越多，其作用越明显。 显然，晶粒越细，晶界总面积就越大
3、，金属的强度和硬度也就越高。所以在常温下使用的金 属材料，一般总是力求获得细小的晶粒。 晶界处原子具有较高的能量，且杂质（往往是一些低熔点的杂质）较多，因此其熔点较低，有时还未加热到金属的熔点，晶界处就已先熔化了。 晶界处原子能量较高而容易满足固态相变所需要的能量起伏，因此新相往往在旧相晶界处形核。晶粒越细小，晶界越多，新相的形核率就越高。 晶界处有较多的空位，因此原子沿晶界的扩散速度较快。 晶界处电阻较高，且易被腐蚀。,总之，实际金属的晶体结构不是理想完整的，而是存在着各种晶体缺陷，并且这些缺陷在不断地运动变化着，金属中的许多重要变化过程，都是依靠晶体缺陷的运动来进行的，并且金属的许多性能也
4、都与晶体缺陷密切相关。,2.1.3 合金的晶体结构,1.合金的基本概念 （1）合金 （2）组元 （3）相,2.固溶体,根据溶质原子在溶剂中所处位置不同，固溶体可分为间隙固溶体和置换固溶体两大类。 (1)间隙固溶体 如图2-10(a)所示。 (2)置换固溶体 如图2-10(b)所示。,图2-10 晶格结构模型,2.1.4 金属材料的组织,1.组织的概念 2.组织的决定因素 3.组织与性能的关系 不同组织结构的材料具有不同的性能,图2-11 两种晶粒大小不同的纯铁示意图,综上所述，金属材料的成分、工艺、组织结构和性能之间有着密切的关系。,2.2 高分子材料的结构与性能,2.2.1 高分子材料的结构
5、 1.大分子链的构成 (1)化学组成 组成大分子链的化学元素，主要是碳、氢、氧，另外还有氮、氯、氟、硼、硅、硫等，其中碳是形成大分子链的主要元素。 大分子链根据组成元素不同可分为三类，即碳链大分子、杂链大分子和元素链大分子。,(2)形态,大分子链呈现不同的几何形状，主要有线型、支化型和体型三类，如图2-12所示。 线型分子链；支化型分子链；体型(网型或交联型)。,图2-12 大分子链的形态,(3)空间构型,图2-13 所示为乙烯聚合物常见的三种空间构型。,图2-13 乙烯聚合物的立体异构,2.大分子链的构象及柔性,图2-14 分子链的内旋转示意图,3.高分子材料的聚集态,图2-15为聚合物三种
6、聚集态结构示意图。,图2-15 聚合物三种聚集态结构示意图,2.2.2 高分子材料的性能,1.高分子材料的物理性能和化学性能特点 (1)绝缘性 (2)耐热性 (3)耐蚀性 (4)老化,2.高分子材料的力学性能,(1)高聚物的物理、力学状态 线型非晶态高聚物的三种力学状态为玻璃态、高弹态和黏流态。 如图2-16所示。 图中Tb为脆化温度、Tg为玻璃化温度、Tf为黏流温度、Td为分解温度。,图2-16 线型非晶态高聚物在恒定载荷下的变形-温度曲线,(2)高分子材料的力学性能特点,高聚物的性能由硬脆、强硬、强韧、柔韧而缓慢地发生变化，其应力应变曲线如图2-17所示。有机玻璃具有这类典型的变化规律。
7、图2-18为高聚物在不同加载速度时的应力应变。高聚物大都服从这种规律。,图2-17 非晶态高聚物在不同温度时的 应力-应变曲线,图2-18 高聚物在不同加载速度时的 应力-应变曲线,黏弹性:应变与应力同步发生，或应变与应力同时达到平衡，如图2-19(a)所示。 应变不仅决定于应力，而且决定于应力作用的速率。即应变不随作用力即时建立平衡，而有所滞后，如图2-19(b)所示。,图2-19 应力、应变与时间的关系,蠕变（如图220所示）。,图2-20 蠕变前、后分子构象变化示意图,应力松弛 如图221所示。,图2-21 应力松弛过程中分子构象变化示意图,滞后与内耗 高聚物受周期性载荷时，产生伸-缩的
8、循环应变，如图2-22所示。,图2-22 橡胶在一个承载周期中的应力-应变曲线,图2-23可以看出高聚物的变形特点。A点为初始状态，B点为屈服点，C点为断裂点。,图2-23 高聚物的应力-应变曲线,B点所对应的屈服应变较大，比金属大得多。 缩颈变形阶段很长，C点所对应的断裂伸长量较大。,2.3 陶瓷材料的结构与性能,2.3.1 陶瓷材料的结构 按照组织形态陶瓷材料分为三类。 无机玻璃即硅酸盐玻璃 微晶玻璃即玻璃陶瓷，是单个晶体分布在非晶态的玻璃基体上的一类陶瓷材料。 陶瓷（晶体陶瓷）,陶瓷的典型组织结构包括： 晶体相（莫来石和石英） 玻璃相 气相,1.晶体相 （1）硅酸盐,硅酸盐基本结构具有以
9、下特点: 构成硅酸盐的基本单元为硅氧四面体结构，如图2-24所示; 硅氧四面体只能通过共用顶角而相互结合; Si4+通过 O2-结合， SiOSi的结合键在氧上的键角接近于145 ; 稳定的硅酸盐结构中，硅氧四面体采取最高空 间维数互相结合; 硅氧四面体采取比较紧密的结构结合; 同一结构中硅氧四面体最多只相差1个氧原子。,图2-24 硅氧四面体结构,(2)氧化物,图2-25所示为几种典型氧化物的结构。,图2-25 几种典型氧化物的结构,(3)非氧化合物,图2-26所示为各种非氧化合物的结构。,图2-26 各种非氧化合物的结构,2.玻璃相,玻璃相的作用包括: 黏连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材
10、料致密度; 降低烧结温度，加快烧结速度; 阻止晶体转变，抑制其长大; 获得透光性等玻璃特性; 不能成为陶瓷的主导相,3.气相,图2-28 气孔对陶瓷强度的影响,气相是陶瓷内部残留的孔洞，其成因复杂，影响因素多。陶瓷根据气孔率分为致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。除多孔陶瓷外，气孔对陶瓷的性能不利，它降低了陶瓷的强度，常常是造成裂纹的根源(图2-28)，所以应尽量降低气孔率。一般普通陶瓷的气孔率为5 %10% ;特种陶瓷在5 %以下;金属陶瓷则要求低于0.5 %。,2.3.2 陶瓷材料的性能,1.陶瓷的物理和化学性能 (1)热膨胀性能 (2)导热性 (3)热稳定性 (4)化学稳定性 (5)导电性,
11、2.陶瓷的力学性能 (1)刚度 (2)硬度 (3)强度：晶界使陶瓷实际强度比理论值低得多(11%)。如图2-29所示。,2.3.2 陶瓷材料的性能,图2-29 晶格构造模型,总之，陶瓷材料的性能特点是:具有不可燃烧性、高耐热性、高化学稳定性、不老化性、高硬度和良好的抗压能力，但脆性很高，温度急变抗力很低，抗拉、抗弯性能差。,思考题,2-1 什么叫晶体?什么叫非晶体? 2-2 什么叫晶格?什么叫晶胞? 2-3 常见的金属晶体有哪几种? 2-4 铁有哪几种同素异晶体? 2-5 晶体缺陷有哪几种?它们对力学性能有什么影响? 2-6 什么叫固溶体?什么叫固溶强化现象? 2-7 什么叫金属化合物?它有何特征? 2-8 什么叫金属的组织? 2-9 试述晶粒大小与力学性能的关系。 2-10 什么叫高分子材料?简述高分子材料的结构。,目录,