陶瓷材料的性能课件

2．1金属材料的结构与组织

2．1．1纯金属的晶体结构 2．1．2金属的实际晶体结构 2．1．3合金的晶体结构 2．1．4金属材料的组织 2．2高分子材料的结构与性能

2．2．1高分子材料的结构 2．2．2高分子材料的性能 2．3陶瓷材料的结构与性能

2．3．1陶瓷材料的结构 2．3．2陶瓷材料的性能目录第2章材料的结构与组织 目录第2章材料的结构与组织12.1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2.1金属材料的结构与组织2.1.1纯金属的晶体结构22.晶面与晶向

图2-2立方晶格中的一些晶面

2.晶面与晶向图2-2立方晶格中的一些晶面33.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

3.金属晶体的类型(1)体心立方晶格图2-3体42.1.2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2.1.2金属的实际晶体结构1.单晶体和多晶体图2-652.实际金属的晶体缺陷

(1)点缺陷

①空位②间隙原子图2-7空位和间隙原子示意图

2.实际金属的晶体缺陷(1)点缺陷图2-7空位和6(2)线缺陷

①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

(2)线缺陷①刃型位错:刃型位错如图2-8（a）所示7

②螺型位错:螺型位错如图2-9所示。图2-9螺型位错示意图②螺型位错:螺型位错如图2-9所示。图2-8(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，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。(3)面缺陷面缺陷是指在两个方向上尺寸很大，9

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。

总之，实际金属的晶体结构不是理想完整的，而是存在着102.1.3合金的晶体结构

1.合金的基本概念

（1）合金

（2）组元

（3）相

2.1.3合金的晶体结构1.合金的基本概念112.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.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12

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。2.1.4金属材料的组织1.组织的概念图2-11132.2高分子材料的结构与性能2.2.1高分子材料的结构

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。2.2高分子材料的结构与性能2.2.1高分子材料的结构14(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。

①线型分子链；②支化型分子链；③体型(网型或交联型)。

图2-12大分子链的形态(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15(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(3)空间构型图2-13所示为乙烯聚合物常见的三种空间162.大分子链的构象及柔性

图2-14分子链的内旋转示意图2.大分子链的构象及柔性图2-14分子链的内旋转示意173.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3.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182.2.2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

2.2.2高分子材料的性能1.高分子材料的物理性能和化学192.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(1)高聚物的物理、力学状态图20(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。

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

(2)高分子材料的力学性能特点高聚物的性能由硬21

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

黏弹性:应变与应力同步发生，或应变与应力同22●蠕变（如图2－20所示）。

图2-20蠕变前、后分子构象变化示意图

●应力松弛如图2－21所示。图2-21应力松弛过程中分子构象变化示意图●蠕变（如图2－20所示）。图2-20蠕变前、后分子构象23●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●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24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。图2-23可以看出高聚物的变形特点。A点为初始状态，252.3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）

2.3陶瓷材料的结构与性能2.3.1陶瓷材料的结构26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:①构成硅酸盐的基本单元为硅氧四面体结构，如图2-24所示;②硅氧四面体只能通过共用顶角而相互结合;③Si4+通过

O2-结合，

Si—O—Si的结合键在氧上的键角接近于145°;④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;⑤硅氧四面体采取比较紧密的结构结合;⑥同一结构中硅氧四面体最多只相差1个氧原子。

图2-24硅氧四面体结构陶瓷的典型组织结构包括：1.晶体相27(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(2)氧化物图2-25所示为几种典型氧化物的结构。图228(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(3)非氧化合物图2-26所示为各种非氧化合物的结构。图292.玻璃相

玻璃相的作用包括:

①黏连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度;②降低烧结温度，加快烧结速度;③阻止晶体转变，抑制其长大;④获得透光性等玻璃特性;⑤不能成为陶瓷的主导相2.玻璃相玻璃相的作用包括:303.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%。

3.气相图2-28气孔对陶瓷强度的影响312.3.2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

2.3.2陶瓷材料的性能1.陶瓷的物理和化学性能322.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(1‰～1%)。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2.陶瓷的力学性能2.3.2陶瓷材料的性能图2-233

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。

总之，陶瓷材料的性能特点是:具有不可燃烧性、高34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。

目录思考题2-1什么叫晶体?什么叫非晶体?目录35

2．1金属材料的结构与组织

2．1．1纯金属的晶体结构 2．1．2金属的实际晶体结构 2．1．3合金的晶体结构 2．1．4金属材料的组织 2．2高分子材料的结构与性能

2．2．1高分子材料的结构 2．2．2高分子材料的性能 2．3陶瓷材料的结构与性能

2．3．1陶瓷材料的结构 2．3．2陶瓷材料的性能目录第2章材料的结构与组织 目录第2章材料的结构与组织362.1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2.1金属材料的结构与组织2.1.1纯金属的晶体结构372.晶面与晶向

图2-2立方晶格中的一些晶面

2.晶面与晶向图2-2立方晶格中的一些晶面383.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

3.金属晶体的类型(1)体心立方晶格图2-3体392.1.2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2.1.2金属的实际晶体结构1.单晶体和多晶体图2-6402.实际金属的晶体缺陷

(1)点缺陷

①空位②间隙原子图2-7空位和间隙原子示意图

2.实际金属的晶体缺陷(1)点缺陷图2-7空位和41(2)线缺陷

①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

(2)线缺陷①刃型位错:刃型位错如图2-8（a）所示42

②螺型位错:螺型位错如图2-9所示。图2-9螺型位错示意图②螺型位错:螺型位错如图2-9所示。图2-43(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，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。(3)面缺陷面缺陷是指在两个方向上尺寸很大，44

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。

总之，实际金属的晶体结构不是理想完整的，而是存在着452.1.3合金的晶体结构

1.合金的基本概念

（1）合金

（2）组元

（3）相

2.1.3合金的晶体结构1.合金的基本概念462.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.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47

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。2.1.4金属材料的组织1.组织的概念图2-11482.2高分子材料的结构与性能2.2.1高分子材料的结构

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。2.2高分子材料的结构与性能2.2.1高分子材料的结构49(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。

①线型分子链；②支化型分子链；③体型(网型或交联型)。

图2-12大分子链的形态(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50(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(3)空间构型图2-13所示为乙烯聚合物常见的三种空间512.大分子链的构象及柔性

图2-14分子链的内旋转示意图2.大分子链的构象及柔性图2-14分子链的内旋转示意523.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3.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532.2.2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

2.2.2高分子材料的性能1.高分子材料的物理性能和化学542.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(1)高聚物的物理、力学状态图55(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。

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

(2)高分子材料的力学性能特点高聚物的性能由硬56

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

黏弹性:应变与应力同步发生，或应变与应力同57●蠕变（如图2－20所示）。

图2-20蠕变前、后分子构象变化示意图

●应力松弛如图2－21所示。图2-21应力松弛过程中分子构象变化示意图●蠕变（如图2－20所示）。图2-20蠕变前、后分子构象58●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●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59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。图2-23可以看出高聚物的变形特点。A点为初始状态，602.3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）

2.3陶瓷材料的结构与性能2.3.1陶瓷材料的结构61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:①构成硅酸盐的基本单元为硅氧四面体结构，如图2-24所示;②硅氧四面体只能通过共用顶角而相互结合;③Si4+通过

O2-结合，

Si—O—Si的结合键在氧上的键角接近于145°;④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;⑤硅氧四面体采取比较紧密的结构结合;⑥同一结构中硅氧四面体最多只相差1个氧原子。

图2-24硅氧四面体结构陶瓷的典型组织结构包括：1.晶体相62(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(2)氧化物图2-25所示为几种典型氧化物的结构。图263(3)非氧化合物

图2-26所示为各种非氧化合物的结构