一般工程材料的結(jié)構(gòu)特點課件

1.3一般工程材料的結(jié)構(gòu)特點

StructureCharacteristicsofGeneral

EngineeringMaterials1.3.1晶體材料的基本相結(jié)構(gòu)

Basicphasestructureofcrystalmaterials1.3.2聚合物的結(jié)構(gòu)

PolymerStructures

1.3.3無機材料（陶瓷材料）的結(jié)構(gòu)Structureofinorganicmaterials本章小結(jié)

summary閱讀材料1非晶態(tài)結(jié)構(gòu)與非晶態(tài)材料

AmorphousStructuesandAmorphousMaterials

1.組元、相、組織與合金的概念（1）組元（constituent）

組成材料的最基本、獨立的物質(zhì)稱為“組元”。組元可以是純元素，也可是穩(wěn)定化合物。金屬材料的組元多為純元素,無機材料則多為化合物。（2）相（phase）

材料中具有同一聚集狀態(tài)、同一化學(xué)成分、同一結(jié)構(gòu)并與其它部分有界面分開的均勻組成部分稱為“相”。若材料是由成分、結(jié)構(gòu)相同的同種晶粒構(gòu)成的，盡管各晶粒之間有界面隔開，但它們?nèi)詫儆谕环N相。若材料是由成分、結(jié)構(gòu)都不相同的幾部分構(gòu)成，則它們應(yīng)屬于不同的相。例如工業(yè)純鐵是單相合金（如左下圖所示），共析碳鋼在室溫下由鐵素體和滲碳體兩相（如下圖所示）組成，而陶瓷材料則由晶相、玻璃相(即非晶相)與氣相三相所組成(如右下圖所示)。1.3.1晶體材料的基本相結(jié)構(gòu)StructureCharacteristicsofCommonEngineeringMaterials鐵素體

珠光體陶瓷

1.組元、相、組織與合金的概念1.3.1晶體材料的基本相結(jié)構(gòu)StructureCharacteristicsofCommonEngineeringMaterials鐵素體

珠光體陶瓷“相結(jié)構(gòu)”指的是相中原子的具體排列規(guī)律，即相的晶體結(jié)構(gòu)。（3）組織（microstructure）與相的關(guān)系“組織”是與“相”有緊密聯(lián)系的概念。“相”是構(gòu)成組織的最基本組成部分;但是當(dāng)“相”的大小、形態(tài)與分布不同時會構(gòu)成不同的微觀形貌(圖象)，各自成為獨立的單相組織，或與別的相一起形成不同的復(fù)相組織。例如左下圖所示工業(yè)純鐵的顯微組織就是由單相α構(gòu)成的組織，而正下圖所示共析碳鋼的顯微組織則是由α相與Fe3C相層片交替、相間分布共同構(gòu)成的組織（即稱珠光體）。而普通陶瓷則由右下圖所示晶相、玻璃相和氣相所組成。（1）固溶體（solidsolution）

定義：指溶質(zhì)原子溶入溶劑晶格中所形成的均一、保持溶劑晶體結(jié)構(gòu)的結(jié)晶相。其分類如下。①按照溶質(zhì)原子在溶劑晶格中所占據(jù)位置分類:i.置換固溶體系指溶質(zhì)原子位于溶劑晶格的某些結(jié)點位置所形成的固溶體，猶如這些結(jié)點上的溶劑原子被溶質(zhì)原子所置換一樣，因此稱為置換固溶體，如圖1-17a示。當(dāng)溶質(zhì)原子與溶劑原子的直徑、電化學(xué)性質(zhì)等較為接近時，一般可形成置換固溶體。ii.間隙固溶體溶質(zhì)原子不是占據(jù)溶劑晶格的正常結(jié)點位置，而是嵌入溶劑原子間的一些間隙中，如圖1-17b示。當(dāng)溶質(zhì)原子直徑(如C、N等元素)遠小于溶劑原子(如Fe、Co、Ni等過渡族金屬元素等)時，一般形成間隙固溶體。2.晶體材料的基本相結(jié)構(gòu)圖1.17固溶體的兩種類型置換固溶體→←間隙固溶體（1）固溶體（solidsolution）

②按固態(tài)溶解度分類:i.有限固溶體在一定條件下，溶質(zhì)原子在固溶體中的濃度有一定限度，超過此限度就不再溶解了。這一限度稱為溶解度或固溶度，這種固溶體稱為有限固溶體，大部分固溶體都屬于此類(間隙固溶體只能是有限固溶體)。ii.無限固溶體溶質(zhì)原子能以任意比例溶入溶劑,固溶體的溶解度可達100%，這種固溶體稱無限固溶體。無限固溶體只能是置換固溶體，且溶質(zhì)與溶劑原子晶格類型相同，電化學(xué)性質(zhì)相近，原子尺寸相近等。如Cu-Ni系合金可形成無限固溶體。2.晶體材料的基本相結(jié)構(gòu)＃形成無限固溶體示意圖（1）固溶體（solidsolution）

③按溶質(zhì)原子和溶劑原子的相對分布分類:i.無序固溶體

溶質(zhì)原子隨機分布于溶劑的晶格中，它或占據(jù)溶劑原子等同的一些位置，或占據(jù)溶劑原子間的間隙中，看不出什么次序或規(guī)律性，這類固溶體稱無序固溶體。ii.有序固溶體

當(dāng)溶質(zhì)原子按適當(dāng)比例并按一定順序和一定方向，圍繞著溶劑原子分布時，這種固溶體稱有序固溶體。它既可是置換式的有序，也可是間隙式的有序。2.晶體材料的基本相結(jié)構(gòu)有序固溶體示意圖（2）化合物

當(dāng)元素之間不具備形成固溶體的條件或溶質(zhì)含量超過了溶劑的溶解度時，在合金中往往會出現(xiàn)新相，新相的結(jié)構(gòu)不同于合金中任一組元，這種新相稱為化合物。在陶瓷材料中，通常材料的組元即為某化合物。而金屬材料中的化合物可分為金屬化合物和非金屬化合物。凡是由相當(dāng)程度的金屬鍵結(jié)合并具有金屬特性的化合物稱為金屬化合物,例如碳鋼中的滲碳體(Fe3C)。凡不是金屬鍵結(jié)合又不具有金屬特性的化合物稱為非金屬化合物，例如碳鋼中依靠離子鍵結(jié)合的FeS和MnS，其在鋼中一般稱為非金屬夾雜物。①金屬化合物的分類金屬化合物的種類很多，常見的有以下三種類型:i.正常價化合物符合一般化合物的原子價規(guī)律，成分固定并可用化學(xué)式表示，如Mg2Si等。2.晶體材料的基本相結(jié)構(gòu)ii.電子化合物不遵守原子價規(guī)律，而服從電子濃度(價電子總數(shù)與原子數(shù)之比)規(guī)律。電子濃度不同，所形成化合物的晶格類型也不同。例如左圖Cu-Zn合金中，當(dāng)電子濃度為3/2時，形成化合物CuZn，其晶體結(jié)構(gòu)為BCC(簡稱為β相);電子濃度為21/13時，形成化合物Cu5Zn8，其晶體結(jié)構(gòu)為復(fù)雜立方晶格(稱為γ相)等。（2）化合物

①金屬化合物的分類金屬化合物的種類很多，常見的有以下三種類型:iii.間隙化合物系由過渡族金屬元素與C、H、N等原子半徑較小非金屬元素形成的金屬化合物。根據(jù)非金屬元素(以x表示)與金屬元素(以M表示)原子半徑的比值，可將其又分為兩種：a間隙相(rX/rM＜0.59）具有簡單結(jié)構(gòu)的金屬化合物，稱為間隙相(如FCC結(jié)構(gòu)的VC、TiC，簡單立方結(jié)構(gòu)的WC等)；b復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物（rX/rM＞0.59）具有復(fù)雜晶體結(jié)構(gòu)的間隙化合物，如鋼中的Fe3Ｃ(復(fù)雜的斜方晶格，圖1-18所示)等。2.晶體材料的基本相結(jié)構(gòu)間隙相VC的結(jié)構(gòu)←圖1.18滲碳體的結(jié)構(gòu)（2）化合物

②金屬化合物的性能特點金屬化合物一般都有較高的熔點、較高的硬度和較大的脆性(即硬而脆)，但塑性很差。特別是間隙相具有極高的熔點和硬度，見表1-3所示。根據(jù)這一特性，若能使金屬化合物以比較彌散形式分布于固溶體基體上，往往能使整個合金的強度、硬度、耐磨性等得到很大提高。因此，在金屬材料中，金屬化合物常被用作強化相，用以提高合金的強度、硬度、耐磨性及耐熱性等。2.晶體材料的基本相結(jié)構(gòu)表1.3一些碳化物的硬度和熔點

間隙相1.3.2聚合物的結(jié)構(gòu)

PolymerStructures

聚合物是由一種或幾種簡單低分子化合物經(jīng)聚合而組成的分子量很大（103～106之間）的化合物。其分子量雖大，但化學(xué)組成確比較簡單，它通常是以C為骨干，與H、O、N、S或P、Cl、F、Si等中的一種或一種以上元素結(jié)合構(gòu)成，其中主要是碳氫化合物及衍生物。組成聚合物的每一個大分子鏈都是由一種或幾種低分子化合物的成千上萬個原子以共價鍵形式重復(fù)連接而成。這里的低分子化合物稱為“單體”。例如，由數(shù)量足夠多的乙烯（CH2=CH2）作單體，通過聚合反應(yīng)打開它們的雙鍵便可生成聚乙烯。其反應(yīng)式為：nCH2=CH2-[-CH2-CH2-]n-。這里“-CH2-CH2-”結(jié)構(gòu)單元稱為“鏈節(jié)”，而鏈節(jié)的重復(fù)個數(shù)n稱為“聚合度”。因此，單體是組成大分子的合成原料，而鏈節(jié)則是組成大分子的基本（重復(fù)）結(jié)構(gòu)單元。聚合物的結(jié)構(gòu)主要包括兩個微觀層次:一個是大分子鏈的結(jié)構(gòu)，另一個是大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。系指大分子的結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成、鍵接方式、空間構(gòu)型、支化及交聯(lián)等。（1）線型結(jié)構(gòu)

線型高分子的結(jié)構(gòu)是整個大分子呈細長鏈狀（見圖1-19a），分子直徑與長度之比可達1:1000以上。通常蜷曲成不規(guī)則的線團狀，受拉時可伸展呈直線狀。另一些聚合物大分子鏈帶有一些小支鏈，整個大分子呈枝狀（見圖1-19b），這也屬于線性結(jié)構(gòu)。線型結(jié)構(gòu)聚合物的特點是具有良好的彈性和塑性，在加工成型時，大分子鏈時而蜷曲收縮，時而伸直，十分柔軟，易于加工，并可反復(fù)使用。在一定溶劑中可溶脹、溶解，加熱時則軟化并熔化。屬于這類結(jié)構(gòu)的聚合物，如聚乙烯、聚氯乙烯、未硫化的橡膠及合成纖維等。（2）體型結(jié)構(gòu)

體型大分子的結(jié)構(gòu)是大分子鏈之間通過支鏈或化學(xué)鍵交聯(lián)起來，在空間呈網(wǎng)狀，也稱網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)（如圖1-19c所示）。具有體型結(jié)構(gòu)的聚合物，主要特點是脆性大、彈性和塑性差，但具有較好的耐熱性、難溶性、尺寸穩(wěn)定性和機械強度。加工時只能一次成型(即在網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)形成之前進行)。熱固性塑料、硫化橡膠等屬于這類結(jié)構(gòu)的聚合物材料。1.大分子鏈的結(jié)構(gòu)

a-線型b-支鏈型c-體型（網(wǎng)狀）圖1-19大分子鏈的形狀示意圖

1.大分子鏈的結(jié)構(gòu)除上述各結(jié)構(gòu)因素外，分子鏈的構(gòu)型(大分子鏈的結(jié)構(gòu)單元中由化學(xué)鍵所構(gòu)成的空間排布方式)，大分子鏈中鏈段(部分鏈節(jié)組成的可以獨立運動的最小單元)間相互運動的難易程度等都構(gòu)成了大分子鏈的不同空間形象(即大分子鏈的構(gòu)象)。因構(gòu)象變化獲得各種不同蜷曲程度的特性，稱作大分子鏈的柔順性。聚合物所獨具結(jié)構(gòu)特點，使其許多基本性能不同于低分子物質(zhì)、也不同于其它固體材料的根本原因。＃單鍵內(nèi)旋運動示意圖大分子的形狀及末端距r

圖1-20中“D”所示，系大多數(shù)聚合物材料所具有的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)特征，即是由上述A、B、C三種聚集態(tài)結(jié)構(gòu)單元組成的復(fù)合物，只不過是不同聚合物中各結(jié)構(gòu)單元的相對量、形狀、分布等不同而已。一般用結(jié)晶度表示聚合物中結(jié)晶區(qū)域所占的比例，結(jié)晶度變化的范圍很寬，從30%～80%。部分結(jié)晶聚合物的組織大小不等（10nm～1cm），形狀各異（片晶、球晶、伸直鏈束等）的晶區(qū)懸浮分散在非晶態(tài)結(jié)構(gòu)的基體中。聚合物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)影響其性能。大分子鏈結(jié)晶時，鏈的排列變得規(guī)整而緊密，于是分子間力增大，鏈運動變得困難，因而導(dǎo)致聚合物的熔點、密度、強度、剛度、耐熱性等提高，而彈性、延伸率和韌性下降；結(jié)晶度愈高，變化愈大。2.大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)D實際聚合物結(jié)構(gòu)串晶球晶2.大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)

聚乙烯球晶的掃描電鏡照片。右圖是局部放大的照片。三維立體的照片把聚乙烯球晶的球狀形貌表現(xiàn)得特別逼真，比一般球晶的黑十字消光圖案更能說明問題。1.3.3無機材料的結(jié)構(gòu)

Structureofinorganicmaterials

無機材料（陶瓷）是由金屬和非金屬元素的化合物構(gòu)成的多晶固體材料。組成無機材料的基本相及其結(jié)構(gòu)要比金屬復(fù)雜得多，在顯微鏡下觀察，可看到無機材料的顯微結(jié)構(gòu)(組織)通常由三種不同的相組成，即晶相、玻璃相和氣相(氣孔),如圖1.21所示。

圖1.21無機材料顯微組織示意圖→

圖1.21無機材料顯微組織示意圖

1.3.3無機材料（陶瓷材料）的結(jié)構(gòu)Structureofinorganicmaterials

2.玻璃相玻璃相是一種非晶態(tài)低熔點固體相，熔融的陶瓷組分在快速冷卻時原子還未來得及自行排列成周期性結(jié)構(gòu)而形成的無定形固態(tài)玻璃相。陶瓷中玻璃相的作用是:粘結(jié)分散的晶體相，降低燒結(jié)溫度、抑制晶體長大和充滿孔隙等。玻璃相熔點低、熱穩(wěn)定性差，導(dǎo)致陶瓷在高溫下產(chǎn)生蠕變，而且強度也不及晶體相。因此，工業(yè)陶瓷中玻璃相含量較多，需控制在20%～40%范圍內(nèi)；而特種陶瓷中玻璃相含量極少。

圖1.21無機材料顯微組織示意圖

1.3.3無機材料（陶瓷材料）的結(jié)構(gòu)Structureofinorganicmaterials

3.氣相

氣相即氣孔，它是陶瓷生產(chǎn)工藝過程中不可避免地殘存下來的。陶瓷中有兩種氣孔：一種是開口氣孔，會造成虹吸現(xiàn)象而大大惡化陶瓷性能；另一種是閉口氣孔，它常殘留在陶瓷中，這兩種氣孔分布在玻璃相中，也可分布在晶界或晶內(nèi)，通常約占５％以上，氣孔會造成應(yīng)力集中，因而降低陶瓷強度及抗電擊穿能力，對光線有散射作用而降低陶瓷的透明度。通常普通陶瓷的氣孔率為5%～10%；特種陶瓷在５％以下；金屬陶瓷則要求低于0.5％。

本章小結(jié)

Summary物質(zhì)的結(jié)構(gòu)有晶體結(jié)構(gòu)與非晶態(tài)結(jié)構(gòu)之分。而固體材料的微觀結(jié)構(gòu)是決定性能的根本因素。本章討論的重點為金屬的晶體結(jié)構(gòu)，從純金屬與合金兩方面分析了晶體結(jié)構(gòu)的特點。在純金屬的晶體結(jié)構(gòu)中，首先分析了理想晶體的結(jié)構(gòu)特點（主要是體心立方、面心立方及密排六方晶格特點）以及立方晶系中晶面、晶向指數(shù)確定方法；在此基礎(chǔ)上又討論了實際金屬中存在著的晶體缺陷類型，基本型式及對材料性能的影響。由于工程上實際應(yīng)用的金屬材料多為合金，因此掌握合金相結(jié)構(gòu)的基本類型、分類、性能特點及在合金中的