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1、 2 21 1 金属材料的结构与组织金属材料的结构与组织 2 21 11 1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 2 21 12 2 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构 2 21 13 3 合金的晶体结构合金的晶体结构 2 21 14 4 金属材料的组织金属材料的组织2 22 2 高分子材料的结构与性能高分子材料的结构与性能 2 22 21 1 高分子材料的结构高分子材料的结构 2 22 22 2 高分子材料的性能高分子材料的性能2 23 3 陶瓷材料的结构与性能陶瓷材料的结构与性能 2 23 31 1 陶瓷材料的结构陶瓷材料的结构 2 23 32 2 陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能目录第第2
2、2章章 材料的结构与组织材料的结构与组织2.1 2.1 金属材料的结构与组织金属材料的结构与组织2.1.1 2.1.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 1.1.晶格、晶胞与晶格常数晶格、晶胞与晶格常数 图2-1 晶格构造模型2.2.晶面与晶向晶面与晶向 图2-2 立方晶格中的一些晶面 3.3.金属晶体的类型金属晶体的类型(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 面心立方晶胞 图2-5 密排六方晶胞 2.1.2 2.1.2 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构 1.1.单晶体和多晶体单晶体和多晶体 图2-6 单晶体和多晶体结构示意图2.2.实际
3、金属的晶体缺陷实际金属的晶体缺陷(1)(1)点缺陷点缺陷 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：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，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
4、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都与晶体缺陷密切相关。2.1.3 2.1.3 合金的晶体结构合金的晶体结构 1.合金的基本概念合金的
5、基本概念 （1）合金 （2）组元 （3）相 2.2.固溶体固溶体 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 2.1.4 金属材料的组织金属材料的组织 1.组织的概念组织的概念2.组织的决定因素组织的决定因素 3.组织与性能的关系组织与性能的关系 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 2.2 高分子材料的结构与性能高分子材料的结构与性
6、能2.2.1 高分子材料的结构高分子材料的结构 1.大分子链的构成大分子链的构成 (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2.2.大分子链的构象及柔性大分子链的构象及柔性 图2-14
7、分子链的内旋转示意图3.3.高分子材料的聚集态高分子材料的聚集态 图2-15为聚合物三种聚集态结构示意图。图2-15 聚合物三种聚集态结构示意图2.2.2 2.2.2 高分子材料的性能高分子材料的性能 1.1.高分子材料的物理性能和化学性能特点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 2.2.高分子材料的力学性能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
8、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。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 黏弹性黏弹性:应变与应力同步发生，或应变与应力同时达到平衡平衡，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，而有所滞后滞后，如图2-19(b)所示。图2-19 应力、应变与时间的关系 蠕变（
9、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点为初始初始状态状态，B点为屈服点屈服点，C点为断裂点断裂点。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 2.3 陶瓷材料的结构与性能陶瓷材料的结构与性能2.3.1 陶瓷材料的结构陶瓷材料的结构 按照组织形态陶瓷材料分为三
10、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
11、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3.3.气相气相 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
12、5%以下;金属陶瓷则要求低于0.5%。2.3.2 2.3.2 陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能 1.陶瓷的物理和化学性能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 2.2.陶瓷的力学性能陶瓷的力学性能 (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 2.3.2 陶瓷材料的性能陶瓷材料的性能 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