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1、第二章材料的结构第二章材料的结构Chapter 2 Structures of MaterialsChapter 2 Structures of Materials主要内容：主要内容：l纯金属的晶体结构l合金的晶体结构l高分子聚合物的结构l陶瓷材料的结构金刚石的晶体结构金刚石的晶体结构石墨的晶体结构石墨的晶体结构第二章 材料的结构第一节纯金属的晶体结构第一节纯金属的晶体结构一、晶体的基本概念一、晶体的基本概念1.1.晶体与非晶体晶体与非晶体l 晶体晶体（Crystal）晶体是其内部原子在三维空间呈规则排列的物质。晶体是其内部原子在三维空间呈规则排列的物质。例如：例如：所有的金属、食盐等。所有的
2、金属、食盐等。晶体的特点：晶体的特点：结构有序；结构有序；各向异性；各向异性；有固定的熔点。有固定的熔点。第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构各向异性各向异性（Anisotropy）：在在测测定定材材料料的的性性能能时时，沿沿不不同同方方向向测测定定所所得得的的结结果果各各不不相相同同，即各向异性。即各向异性。l 非晶体非晶体（Non-crystal）非晶体是其内部原子排列无序的物质。非晶体是其内部原子排列无序的物质。例如：例如：普通玻璃、松香等。普通玻璃、松香等。非晶体的特点：非晶体的特点：结构无序；结构无序；各向同性；各向同性；没有固定的熔点；没有固定的熔点；
3、热导率热导率(导热系数导热系数)和热膨胀性小；和热膨胀性小；塑性变形大；塑性变形大；组成的变化范围大。组成的变化范围大。各向同性各向同性（Isotropy）：在在测测定定材材料料的的性性能能时时沿沿任任何何方方向向测测定定的的结结果果都都是是一一致致的的，不不因因方方向向而而异异，即即各各向向同同性性，或或称等向性。称等向性。第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构2.2.晶体学的基本知识晶体学的基本知识l 晶格晶格（Crystal Lattice）晶体结构的描述：晶体结构的描述：将晶体的原子看成是刚性小球；将晶体的原子看成是刚性小球；把原子抽象为几何点；把原子抽象为
4、几何点；用假想的直线将几何点连接起来。用假想的直线将几何点连接起来。晶体模型晶体模型晶格：晶格：用用以以描描述述晶晶体体中中原原子子排排列列规规律律的空间几何格架。的空间几何格架。晶格晶格第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构l 晶胞晶胞（Unit Cell）晶胞在三维空间平移，即可重构晶格。晶胞在三维空间平移，即可重构晶格。晶胞晶胞晶格晶格晶胞：晶胞：组成晶格的最小几何单元体。组成晶格的最小几何单元体。第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构晶胞的表示方法晶胞的表示方法XYZcba a、b、c 晶格常数（点阵常数）晶格常数（点阵常数）、夹
5、角夹角l 晶格常数晶格常数（Lattice Constant）晶格常数：晶格常数：晶晶胞胞的的几几何何尺尺寸寸。又称为点阵常数。又称为点阵常数。第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构l 晶面与晶面指数晶面与晶面指数（1 1）晶面）晶面（Crystallographic Plane）在晶格中由一系列原子所构成的平面，称为晶面。在晶格中由一系列原子所构成的平面，称为晶面。晶格中由一些原子构成的原子面晶格中由一些原子构成的原子面第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构（2 2）晶面指数）晶面指数（Indices of Crystallograph
6、ic Plane）为便于研究和表述给晶面规定的符号。为便于研究和表述给晶面规定的符号。确定晶面指数的步骤：确定晶面指数的步骤：求截距求截距求出待定晶面在三个坐标轴上的截距。求出待定晶面在三个坐标轴上的截距。取倒数取倒数将三个截距之值变为倒数。将三个截距之值变为倒数。化简并加圆括号化简并加圆括号将三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号。将三个倒数按比例化为最小整数，并加上一圆括号。晶面指数的一般形式：晶面指数的一般形式：（hkl）第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构立方晶格中的三种重要晶面立方晶格中的三种重要晶面第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构
7、纯金属的晶体结构l 晶向与晶向指数晶向与晶向指数（1 1）晶向）晶向（Crystallographic Direction）在晶格中，任意两原子之间的连线所指的方向，称为晶向。在晶格中，任意两原子之间的连线所指的方向，称为晶向。晶格中由一些原子构成的原子列晶格中由一些原子构成的原子列第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构（2 2）晶向指数）晶向指数（Indices of Crystallographic Direction）为便于研究和表述给晶向规定的符号。为便于研究和表述给晶向规定的符号。确定晶向指数的步骤：确定晶向指数的步骤：引直线引直线通过坐标原点引一条直线，
8、使其平行于待求的晶向。通过坐标原点引一条直线，使其平行于待求的晶向。求坐标值求坐标值求出所引直线上任意一点的三个坐标值。求出所引直线上任意一点的三个坐标值。化简并加方括号化简并加方括号将三个坐标值按比例化为最小整数，并加上一方括号。将三个坐标值按比例化为最小整数，并加上一方括号。晶向指数的一般形式：晶向指数的一般形式：uvw第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构立方晶格中的一些重要晶向立方晶格中的一些重要晶向第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构 关于晶面和晶向的几点说明：关于晶面和晶向的几点说明：F某一晶面指数并不仅代表某一具体的晶面，
9、而是代表一某一晶面指数并不仅代表某一具体的晶面，而是代表一组相互平行的晶面。组相互平行的晶面。所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。所有相互平行的晶面都具有相同的晶面指数。F原子排列情况完全相同的所有晶面同属于一个晶面族。原子排列情况完全相同的所有晶面同属于一个晶面族。晶面族用晶面族用hkl表示。表示。F某一晶向指数并不仅代表某一具体的晶向，而是代表了某一晶向指数并不仅代表某一具体的晶向，而是代表了一族平行线的位向。一族平行线的位向。所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指数。所有相互平行的晶向都具有相同的晶向指数。F原子排列情况完全相同的所有晶向同属于一个晶向族。原子排列情况完全相同的所有晶向
10、同属于一个晶向族。晶向族用晶向族用uvw表示。表示。F在立方晶系中，相同指数的晶面和晶向相互垂直。在立方晶系中，相同指数的晶面和晶向相互垂直。第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构l 晶格结构的表征晶格结构的表征晶格尺寸：晶格尺寸：以晶格常数表示。以晶格常数表示。原子半径（原子半径（r r）：）：代表原子的刚性小球的半径。代表原子的刚性小球的半径。晶胞原子数（晶胞原子数（n n）：）：晶胞内的原子数目。晶胞内的原子数目。晶格中原子排列的紧密程度：晶格中原子排列的紧密程度：配位数（配位数（Z）（Coordination Number）晶格中与任一原子等距且最近邻的原子
11、数目。晶格中与任一原子等距且最近邻的原子数目。致密度（致密度（K）（堆积因子）（堆积因子）（Packing Fact）晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。晶胞中原子所占体积与晶胞体积之比。第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构a体心立方晶格体心立方晶格二、常见纯金属的晶格类型二、常见纯金属的晶格类型1.1.体心立方晶格体心立方晶格（bcc，body-centered cubic lattice）l 晶格的特征晶格的特征体心立方晶体模型体心立方晶体模型具有具有bccbcc结构的金属：结构的金属：-FeFe、NaNa、K K、CrCr、W W、MoMo、V V、NbNb、
12、TaTa等。等。第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构l 晶格的基本参数晶格的基本参数原子半径原子半径晶胞原子数晶胞原子数 n=1/88+1=2配位数配位数 Z8致密度致密度 0.6868%a第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构a面心立方晶格面心立方晶格2.2.面心立方晶格面心立方晶格（fcc，face-centered cubic lattice）l 晶格的特征晶格的特征面心立方晶体模型面心立方晶体模型具有具有fccfcc结构的金属：结构的金属：-FeFe、CuCu、AlAl、NiNi、AuAu、AgAg、PtPt、PbPb等。等。第
13、二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构al 晶格的基本参数晶格的基本参数原子半径原子半径晶胞原子数晶胞原子数 n=1/88+1/26=4配位数配位数 Z=12致密度致密度 0.7474%第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构密排六方晶格密排六方晶格两个简单六方晶格穿插两个简单六方晶格穿插在一起构成密排六方晶格在一起构成密排六方晶格3.3.密排六方晶格密排六方晶格（hcp，hexagonal close-packed lattice）l 晶格的特征晶格的特征密排六方晶体模型密排六方晶体模型ac具有具有hcphcp结构的金属：结构的金属：MgM
14、g、ZnZn、CdCd、BeBe、-TiTi等。等。c c/a a 称为密排六方晶格的轴比称为密排六方晶格的轴比理想的理想的hcphcp晶格的轴比晶格的轴比c/a 1.633第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构l 晶格的基本参数晶格的基本参数原子半径原子半径晶胞原子数晶胞原子数 n=1/612+1/22+3=6 配位数配位数 Z=12致密度致密度 0.7474%第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构三、实际金属的晶体结构1.1.单晶体与多晶体单晶体与多晶体l 单晶体单晶体（Single Crystal）的特征的特征
15、 晶格排列方位完全一致。晶格排列方位完全一致。晶体具有各向异性。晶体具有各向异性。例如：例如：单晶硅单晶硅、单晶锗等。、单晶锗等。l 多晶体多晶体（Polycrystal）的特征的特征 晶体由许多小单晶体组成，各单晶体的晶格排列位向不相同。晶体由许多小单晶体组成，各单晶体的晶格排列位向不相同。晶体具有伪各向同性。晶体具有伪各向同性。例如：例如：常用的金属等。常用的金属等。第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构单晶体结构示意图单晶体结构示意图多晶体结构示意图多晶体结构示意图晶粒晶粒（Grain）晶界晶界（Grain Boundary）第二章 材料的结构2.1 2.1
16、纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构2.2.理想晶体与实际晶体理想晶体与实际晶体l 理想晶体理想晶体（Perfect Crystal）的概念的概念 原子排列规则、无任何缺陷的晶体，称为理想晶体或完整晶体。原子排列规则、无任何缺陷的晶体，称为理想晶体或完整晶体。l 实际晶体中的晶体缺陷实际晶体中的晶体缺陷在实际晶体（如实际应用的金属材料）中存在晶体缺陷。在实际晶体（如实际应用的金属材料）中存在晶体缺陷。3.3.晶体缺陷晶体缺陷（Crystal Defect）原子偏离规则排列的不完整性区域，称为晶体缺陷。原子偏离规则排列的不完整性区域，称为晶体缺陷。晶体缺陷不仅对金属及合金的性能有重大影响，而且还在扩
17、散、相晶体缺陷不仅对金属及合金的性能有重大影响，而且还在扩散、相变、塑性变形和再结晶等过程中起重要作用。变、塑性变形和再结晶等过程中起重要作用。晶体缺陷根据其几何形态特征，有点缺陷、线缺陷、面缺陷等类别。晶体缺陷根据其几何形态特征，有点缺陷、线缺陷、面缺陷等类别。第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构l 点缺陷点缺陷（Point Defect）在三维空间各方向上尺寸都很小，亦称为零维缺陷。在三维空间各方向上尺寸都很小，亦称为零维缺陷。点缺陷主要有点缺陷主要有空位空位、间隙原子间隙原子、置换原子置换原子等。等。空位空位（Vacancy）：晶格中某个原子脱离了平衡位置而
18、形成的空结点。晶格中某个原子脱离了平衡位置而形成的空结点。间隙原子间隙原子（Interstitial Atom）：晶格间隙中挤进的原子。晶格间隙中挤进的原子。置换原子置换原子（Substitutional Atom）：外来的取代晶格正常阵点上的原子的异类原子。外来的取代晶格正常阵点上的原子的异类原子。第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构晶体中的点缺陷晶体中的点缺陷空位空位间隙原子间隙原子置换原子置换原子第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构点缺陷对晶格规律性的影响：点缺陷对晶格规律性的影响：点缺陷的存在，破坏了原子的平衡，造成晶格局部产
19、生畸变。点缺陷的存在，破坏了原子的平衡，造成晶格局部产生畸变。点缺陷对晶体性能的影响：点缺陷对晶体性能的影响：点缺陷提高材料的电阻率、硬度和强度，降低材料的塑性和韧性，点缺陷提高材料的电阻率、硬度和强度，降低材料的塑性和韧性，还使材料的密度发生变化。还使材料的密度发生变化。空位使晶格局部收缩空位使晶格局部收缩间隙原子使晶格局部膨胀间隙原子使晶格局部膨胀 置换原子使晶格局部膨胀置换原子使晶格局部膨胀第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构l 线缺陷线缺陷（Line Defect）在三维空间两个方向上尺寸很小，亦称为一维缺陷。在三维空间两个方向上尺寸很小，亦称为一维缺陷。
20、线缺陷主要是线缺陷主要是位错位错。位错位错（Dislocation）：位错是晶体中一列或若干列原子发生有规律的错排现象。位错是晶体中一列或若干列原子发生有规律的错排现象。产生位错的主要原因是晶体内部原子的局部滑移，根据局部滑移的方式产生位错的主要原因是晶体内部原子的局部滑移，根据局部滑移的方式不同，位错有不同，位错有刃型位错刃型位错、螺型位错螺型位错和由这两种位错混合组成的和由这两种位错混合组成的混合位错混合位错等等类型。类型。第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构E晶体中的刃型位错晶体中的刃型位错位错线位错线（Dislocation Line）刃型位错刃型位错（E
21、dge Dislocation）：第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构多余半原子面多余半原子面（Extra Plane)第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构正刃型位错和负刃型位错：正刃型位错和负刃型位错：刃型位错的符号：刃型位错的符号：正正，负负 。第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构螺型位错螺型位错（Screw Dislocation）：晶体中的螺型位错晶体中的螺型位错位错对晶体强度的影响位错对晶体强度的影响位错对晶格规律性的影响：位错对晶格规律性的影响：在位错线附近，原子的错排使晶格发生畸变。在位错线
22、附近，原子的错排使晶格发生畸变。第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构位错对晶体性能的影响：位错对晶体性能的影响：位错的存在可降低晶体的强度。位错的存在可降低晶体的强度。当位错大量产生后，又可提高晶体当位错大量产生后，又可提高晶体 的强度，同时使晶体的塑性和韧性的强度，同时使晶体的塑性和韧性 降低。降低。注：注：注：注：位错密度指单位体积晶体位错密度指单位体积晶体 中位错线的总长度。中位错线的总长度。第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构l 面缺陷面缺陷（Planar Defect）在三维空间一个方向上尺寸很小，另外两个方向上尺寸较大。在
23、三维空间一个方向上尺寸很小，另外两个方向上尺寸较大。面缺陷主要有面缺陷主要有晶界晶界、亚晶界亚晶界、孪晶界孪晶界、相界相界、表面表面等。等。晶界晶界（Grain Boundary）：晶界是晶粒与晶粒之间的界面。晶界是晶粒与晶粒之间的界面。亚晶界亚晶界（Sub-grain Boundary）：晶粒内部位向差很小晶粒内部位向差很小(一般一般1 12)2)的小角度晶界。的小角度晶界。在晶粒内部，原子的排列并非完整，在一些局部区域，晶格的位向存在晶粒内部，原子的排列并非完整，在一些局部区域，晶格的位向存在差异。相对完整的部分称在差异。相对完整的部分称亚晶粒亚晶粒，亚晶粒之间的界面就是亚晶界。，亚晶粒之
24、间的界面就是亚晶界。相界相界（Phase Boundary）：相与相之间的界面。相与相之间的界面。晶界晶界示意图示意图亚晶亚晶界界示意图示意图10 10 第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构不锈钢中的晶界不锈钢中的晶界第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构Cu-Ni 合金中的亚结构合金中的亚结构第二章 材料的结构2.1 2.1 纯金属的晶体结构纯金属的晶体结构晶界等面缺陷对晶格规律性的影响：晶界等面缺陷对晶格规律性的影响：晶界是不同位向晶粒之间的过渡层，原子排列较紊乱，处
25、于无规则排列晶界是不同位向晶粒之间的过渡层，原子排列较紊乱，处于无规则排列状态，或位于两种晶粒位向的折衷位置上。状态，或位于两种晶粒位向的折衷位置上。晶界等面缺陷对晶体性能的影响：晶界等面缺陷对晶体性能的影响：晶界等面缺陷能同时提高晶体的强度和塑性。晶界等面缺陷能同时提高晶体的强度和塑性。细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段。细化晶粒是改善金属力学性能的有效手段。第二节合金的晶体结构第二节合金的晶体结构重要概念：重要概念：l 合金合金（Alloy）由两种或两种以上的金属，或金属与非金属组成的具有金属特征由两种或两种以上的金属，或金属与非金属组成的具有金属特征 的物质。的物质。l 组元组元（Co
26、mponent）组成合金最基本的、独立的物质。组成合金最基本的、独立的物质。组元可以是元素，也可以是稳定的化合物。组元可以是元素，也可以是稳定的化合物。根据组元数，合金有根据组元数，合金有单元合金单元合金、二元合金二元合金、三元合金三元合金、多元合金多元合金。l 合金系合金系（Alloy System）由给定组元以不同的比例配制而成的一系列成分不同的合金，它由给定组元以不同的比例配制而成的一系列成分不同的合金，它 们构成一个合金系统，即合金系。们构成一个合金系统，即合金系。第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构 举例：举例：举例：举例：碳钢碳钢（Carbon Steel
27、Carbon Steel）：由铁（由铁（Fe）和碳（）和碳（C）所组成的合金。）所组成的合金。FeFe和和C C是合金的组元。是合金的组元。FeFe、C C含量不同的碳钢同属于铁碳合金系。含量不同的碳钢同属于铁碳合金系。有有FeFe和和C C两个组元，属于二元合金。两个组元，属于二元合金。黄铜黄铜（BrassBrass）：由铜（由铜（Cu）和锌（）和锌（Zn）所组成的合金。）所组成的合金。CuCu和和ZnZn是合金的组元。是合金的组元。CuCu、ZnZn含量不同的黄铜同属于铜锌合金系。含量不同的黄铜同属于铜锌合金系。有有CuCu、ZnZn两个组元，属于二元合金。两个组元，属于二元合金。第二章
28、材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构l 相相（Phase）合金中具有同一原子聚集状态、同一化学成分、同一结构和性质，合金中具有同一原子聚集状态、同一化学成分、同一结构和性质，并以界面相互隔开的均匀组成部分。并以界面相互隔开的均匀组成部分。合金可以由一种相组成，更多的是由几种相组成。合金可以由一种相组成，更多的是由几种相组成。合金的性能与相的性质、数量、大小、形态及分布密切相关。合金的性能与相的性质、数量、大小、形态及分布密切相关。l 显微组织显微组织（Microscopic Structure）通过显微镜等所观察到的材料的微观形貌。通过显微镜等所观察到的材料的微观形貌。合金组
29、织是由不同性质、数量、大小、形态及分布的各种相组成。合金组织是由不同性质、数量、大小、形态及分布的各种相组成。第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构举例：举例：举例：举例：第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构显微镜下看到的铸铁的显微组织显微镜下看到的铸铁的显微组织石墨石墨（一种固相）（一种固相）铁素体铁素体（一种固相）（一种固相）第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构一、固溶体一、固溶体（Solid Solution）组成合金的组元在液态和固态下都互相溶解，形成一种成分和性能组成合金的组元在液态和固态下都互相溶解，形成一
30、种成分和性能均匀、晶体结构与其中一个组元相同的固相，这种固相称为固溶体。均匀、晶体结构与其中一个组元相同的固相，这种固相称为固溶体。溶剂溶剂（SolventSolvent）+溶质溶质（SoluteSolute）固溶体固溶体 与固溶体晶格类型相同的组元与固溶体晶格类型相同的组元其他组元（一般含量较少）其他组元（一般含量较少）举例举例举例举例:-Fe-Fe +C C铁素体铁素体固溶体固溶体（体心立方）（体心立方）溶剂溶剂（体心立方）（体心立方）溶质溶质（六方）（六方）第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构固溶体的分类：固溶体的分类：根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将
31、固溶体分为：根据溶质原子在溶剂晶格中所占据的位置，可将固溶体分为：置换固溶体置换固溶体和和间隙固溶体间隙固溶体。置换固溶体置换固溶体溶剂原子溶剂原子溶质原子溶质原子间隙固溶体间隙固溶体溶剂原子溶剂原子溶质原子溶质原子Cu (rCu=0.1276nm)Ni (rNi=0.1244nm)Fe (rFe=0.1260nm)C (rC=0.0770nm)白铜（铜镍合金）结构示意图白铜（铜镍合金）结构示意图置换固溶体置换固溶体间隙固溶体间隙固溶体第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构举例：举例：举例：举例：奥氏体结构示意图奥氏体结构示意图第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶
32、体结构合金的晶体结构固溶体的分类：固溶体的分类：根据溶质原子在溶剂晶格中分布是否有规律，可将固溶体分为：根据溶质原子在溶剂晶格中分布是否有规律，可将固溶体分为：有序固溶体有序固溶体和和无序固溶体无序固溶体。Cu3Au的结构示意图的结构示意图CuAu的结构示意图的结构示意图CuAu举例：举例：举例：举例：第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构固溶体的分类：固溶体的分类：根据溶质原子在溶剂晶格中的溶解度，可将固溶体分为：根据溶质原子在溶剂晶格中的溶解度，可将固溶体分为：有限固溶体有限固溶体和和无限固溶体无限固溶体。若溶质与溶剂以任何比例都能互若溶质与溶剂以任何比例都能互 溶
33、，其溶解度达到溶，其溶解度达到100100，则称为则称为 无限固溶体，否则就是有限固溶体。无限固溶体，否则就是有限固溶体。举例：举例：举例：举例：铜镍合金铜镍合金 CuCu和和NiNi能按任何比例相互溶解而形成无限固溶体。能按任何比例相互溶解而形成无限固溶体。溶解度溶解度（Solubility LimitSolubility Limit）：在在一一定定条条件件下下，溶溶质质在在固固溶溶体体中中的的极极限限浓浓度度，又又称称为为固固溶溶度度（Solid SolubilitySolid Solubility）。第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构1.1.置换固溶体置换固溶
34、体（Substitutional Solid Solution）溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体。溶质原子占据溶剂晶格的某些结点位置而形成的固溶体。置换固溶体的形成特征：置换固溶体的形成特征：r溶剂溶剂 r溶质溶质 （r：原子的半径）原子的半径）当溶剂和溶质的原子差别大于当溶剂和溶质的原子差别大于15%15%时，就很难形成置换固溶体。时，就很难形成置换固溶体。影响置换固溶体溶解度的因素：影响置换固溶体溶解度的因素：尺寸因素尺寸因素r r溶剂溶剂与与r r溶质溶质相差越小，固溶度越大。相差越小，固溶度越大。晶体结构因素晶体结构因素溶剂和溶质具有相同的晶格类型，固溶度较大。溶剂和溶
35、质具有相同的晶格类型，固溶度较大。电负性因素电负性因素溶剂和溶质元素的电负性相差越小，固溶度越大。溶剂和溶质元素的电负性相差越小，固溶度越大。电子浓度因素电子浓度因素当电子浓度达到极限值时，固溶度最大。当电子浓度达到极限值时，固溶度最大。电子浓度电子浓度（Electron ConcentrationElectron Concentration）：合金中各组成元素的价电子总数与原子总数的比值。合金中各组成元素的价电子总数与原子总数的比值。第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构 结论：结论：结论：结论：原子尺寸、晶体结构、电负性和电子浓度等四个因素均有利时，固溶体原子尺寸、
36、晶体结构、电负性和电子浓度等四个因素均有利时，固溶体的溶解度越大，越有可能形成无限固溶体。的溶解度越大，越有可能形成无限固溶体。举例：举例：举例：举例：铜镍合金铜镍合金Cu (rCu=0.1276nm)Ni (rNi=0.1244nm)铜镍合金结构示意图铜镍合金结构示意图CuCu和和NiNi原子的半径相差原子的半径相差2.5%2.5%。CuCu和和NiNi均为面心立方结构（均为面心立方结构（fccfcc）。）。CuCu和和NiNi在元素周期表中相邻，电负性相近。在元素周期表中相邻，电负性相近。第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构2.2.间隙固溶体间隙固溶体（Inter
37、stitial Solid Solution）溶质原子进入溶剂晶格中的间隙之中而形成的固溶体。溶质原子进入溶剂晶格中的间隙之中而形成的固溶体。间隙固溶体的形成特征：间隙固溶体的形成特征：r溶质溶质 /r溶剂溶剂 0.59 碳碳(C)(C)、氮、氮(N)(N)、氢、氢(H)(H)、硼、硼(B)(B)、氧、氧(O)(O)等小原子容易进入金属元素的等小原子容易进入金属元素的 晶格间隙中而形成间隙固溶体。晶格间隙中而形成间隙固溶体。间隙固溶体的溶解度：间隙固溶体的溶解度：溶剂晶格的间隙有限，因此，间隙固溶体只能是有限固溶体，其溶溶剂晶格的间隙有限，因此，间隙固溶体只能是有限固溶体，其溶 解度通常较小。
38、解度通常较小。第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构3.3.固溶体的性能固溶体的性能 晶格畸变晶格畸变（Lattice Distortion）：虽然溶质原子很小，但仍较溶剂的晶格间隙大，当它们溶入溶剂晶虽然溶质原子很小，但仍较溶剂的晶格间隙大，当它们溶入溶剂晶 格的间隙时，都会使溶剂晶格产生畸变，点阵常数增大，畸变能升高。格的间隙时，都会使溶剂晶格产生畸变，点阵常数增大，畸变能升高。固溶强化固溶强化（Solution Strengthening）：通过溶入溶质元素形成固溶体而使金属的强度和硬度提高的现象，通过溶入溶质元素形成固溶体而使金属的强度和硬度提高的现象，称为固溶
39、强化。称为固溶强化。机理：机理：无论是置换固溶体还是间隙固溶体，均会造成晶格畸变。无论是置换固溶体还是间隙固溶体，均会造成晶格畸变。晶格畸变将增大位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，变形晶格畸变将增大位错运动的阻力，使金属滑移变形变得更加困难，变形 抗力增大，从而引起固溶体的硬度和强度升高，而塑性和韧性降低。抗力增大，从而引起固溶体的硬度和强度升高，而塑性和韧性降低。第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构溶质原子溶入溶剂晶格中产生晶格畸变：溶质原子溶入溶剂晶格中产生晶格畸变：溶质原子溶入晶格间隙中溶质原子溶入晶格间隙中溶质原子替换溶剂原子溶质原子替换溶剂原子溶质
40、原子替换溶剂原子溶质原子替换溶剂原子第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构二、金属化合物二、金属化合物（Intermetallic Compound）金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均金属化合物是合金组元间相互作用所形成的一种晶格类型及性能均不同于任一组元的合金固相。又称为金属间化合物、中间相。不同于任一组元的合金固相。又称为金属间化合物、中间相。1.1.正常价化合物正常价化合物（Normal-valence Compound）正常价化合物是指那些严格遵守化合价规律的金属化合物。正常价化合物是指那些严格遵守化合价规律的金属化合物。举例：举例：Mg
41、Mg2 2PbPb、MgMg2 2SiSi、MgMg2 2SnSn、MnSMnS 等。等。2.2.电子化合物电子化合物（Electron Compound）电子化合物是指那些不遵守一般的化合价规律，但服从电子浓度规电子化合物是指那些不遵守一般的化合价规律，但服从电子浓度规律的金属化合物。律的金属化合物。举例：举例：CuZnCuZn、FeAlFeAl、NiAlNiAl、CuCu5 5ZnZn8 8、CuZnCuZn3 3 等。等。第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构3.3.间隙化合物间隙化合物（Interstitial Compound）间隙化合物是由过渡族金属间隙化合
42、物是由过渡族金属（如（如FeFe、CrCr、MnMn 、MoMo、W W、V V等）与原等）与原子直径较小的非金属元素（子直径较小的非金属元素（C C、N N、H H、B B等）所等）所形成的金属化合物。形成的金属化合物。l 间隙相间隙相（Interstitial Phase）当非金属元素原子半径与金属元素原子半径之比小于当非金属元素原子半径与金属元素原子半径之比小于0.590.59时，形成时，形成的具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。的具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。举例：举例：VCVC、TiCTiC、WCWC、NbCNbC、TiNTiN、MoMo2 2N N、FeFe4 4N N
43、等。等。l 间隙化合物间隙化合物（Interstitial Compound）当非金属元素原子半径与金属元素原子半径之比大于当非金属元素原子半径与金属元素原子半径之比大于0.590.59时，形成时，形成的具有复杂结构的间隙化合物。的具有复杂结构的间隙化合物。举例：举例：FeFe3 3C C、CrCr2323C C6 6、CrCr7 7C C3 3、MnMn3 3C C 等。等。间隙相间隙相VC的晶体结构的晶体结构间隙化合物间隙化合物Fe3C 的的晶体结构晶体结构第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构4.4.金
44、属化合物的性能特点金属化合物的性能特点具有一定程度的金属性质。具有一定程度的金属性质。具有较高的熔点。具有较高的熔点。具有较高的硬度。具有较高的硬度。具有较大的脆性。具有较大的脆性。机械混合物机械混合物（Mechanical Mixture）：绝大多数的工业合金，其组织均为固溶体与少量金属化合物所构成的绝大多数的工业合金，其组织均为固溶体与少量金属化合物所构成的 机械混合物。合金的性能就取决于它们的性质、形态、大小、数量等。机械混合物。合金的性能就取决于它们的性质、形态、大小、数量等。分析：分析：合金仅由金属化合物组成，虽然有很高的硬度，但脆性太大，合金仅由金属化合物组成，虽然有很高的硬度，但
45、脆性太大，无法应用。合金仅由固溶体组成，则往往强度、硬度等不够高，使用受无法应用。合金仅由固溶体组成，则往往强度、硬度等不够高，使用受 到一定限制。到一定限制。小结：小结：小结：小结：两类合金相两类合金相固溶体固溶体和和金属化合物金属化合物的比较：的比较：晶体结构：晶体结构：l 固溶体的晶体结构特征：固溶体的晶体结构特征：与组元之一的溶剂的晶体结构相同。与组元之一的溶剂的晶体结构相同。l 金属化合物的晶体结构特征：金属化合物的晶体结构特征：与任一组元的晶体结构都不相同，而是与任一组元的晶体结构都不相同，而是一种新的结构。一种新的结构。性能：性能：l 固溶体的性能特点：固溶体的性能特点：强度和硬
46、度较低、塑性和韧性较高。强度和硬度较低、塑性和韧性较高。l 金属化合物的性能特点：金属化合物的性能特点：熔点和硬度较高、脆性较大。熔点和硬度较高、脆性较大。在合金中的作用：在合金中的作用：l 固溶体通常作为合金的固溶体通常作为合金的基体基体。l 金属化合物通常作为合金中的金属化合物通常作为合金中的强化相强化相。第二章 材料的结构2.2 2.2 合金的晶体结构合金的晶体结构第三节高分子聚合物的结构第三节高分子聚合物的结构一、高分子材料的基本概念一、高分子材料的基本概念1.1.高分子化合物高分子化合物（Macromolecular Compound）由一种或多种简单低分子化合物聚合而成的相对分子质
47、量很大的由一种或多种简单低分子化合物聚合而成的相对分子质量很大的化合物称为高分子化合物。又称聚合物化合物称为高分子化合物。又称聚合物（Polymer）、高聚物、高聚物（High Polymer）。许多化合物的分子量比较小，可以称作低分子：许多化合物的分子量比较小，可以称作低分子：水（水（H H2 2O O）：）：1818石英（石英（SiSi2 2O O）：）：6060 高分子化合物相对分子质量很多在高分子化合物相对分子质量很多在50005000以上：以上：聚苯乙烯（聚苯乙烯（PSPS）：）：1000010000300000300000 聚氯乙烯（聚氯乙烯（PVCPVC）：）：200002000
48、0160000160000第二章 材料的结构2.3 2.3 高分子聚合物的结构高分子聚合物的结构 高分子化合物的结构特点：高分子化合物的结构特点：高分子化合物一般以某些简单的结构单元重复连接而成。高分子化合物一般以某些简单的结构单元重复连接而成。举例：举例：举例：举例：聚乙烯：聚乙烯：聚氯乙烯：聚氯乙烯：CH2CH2乙烯乙烯 CH2CH2CH2CH2 CH2CH2CH2CH2nCH2CH2nClCH2CHnCH2 CHnCl氯乙烯氯乙烯大分子链大分子链聚乙烯聚乙烯第二章 材料的结构2.3 2.3 高分子聚合物的结构高分子聚合物的结构几个重要名词：几个重要名词：l 单体单体（Monomer）组成
49、聚合物的简单低分子化合物。组成聚合物的简单低分子化合物。l 链节链节（Monomer Unit）大分子链中的重复单元。大分子链中的重复单元。l 聚合度（聚合度（n）（Degree of Polymerization）一条高分子链中所含有的链节数目。一条高分子链中所含有的链节数目。举例：举例：举例：举例：第二章 材料的结构2.3 2.3 高分子聚合物的结构高分子聚合物的结构CH2CH2nCH2CH2n单体单体链节链节聚合度聚合度 2.2.高分子材料的分类高分子材料的分类l 按来源分类按来源分类l 按用途分类按用途分类天然高分子材料天然高分子材料（如橡胶）（如橡胶）人工合成高分子材料人工合成高分子
50、材料（如塑料、尼龙）（如塑料、尼龙）高分子材料高分子材料橡胶橡胶（具有高弹性的物质）（具有高弹性的物质）塑料塑料（具有可塑性的物质）（具有可塑性的物质）纤维纤维（具有柔韧、纤细特性的物质）（具有柔韧、纤细特性的物质）第二章 材料的结构2.3 2.3 高分子聚合物的结构高分子聚合物的结构高分子材料高分子材料l 按热性能分类按热性能分类l 按结构分类按结构分类高分子材料高分子材料热塑性聚合物热塑性聚合物热固性聚合物热固性聚合物高分子材料高分子材料聚合物的主链聚合物的主链碳链聚合物碳链聚合物杂链聚合物杂链聚合物聚合物的分子结构聚合物的分子结构元素聚合物元素聚合物线型分子结构线型分子结构（直链）（直链