一般工程材料的结构特点课件

1.3一般工程材料的结构特点

StructureCharacteristicsofGeneral

EngineeringMaterials1.3.1晶体材料的基本相结构

Basicphasestructureofcrystalmaterials1.3.2聚合物的结构

PolymerStructures

1.3.3无机材料（陶瓷材料）的结构Structureofinorganicmaterials本章小结

summary阅读材料1非晶态结构与非晶态材料

AmorphousStructuesandAmorphousMaterials

1.组元、相、组织与合金的概念（1）组元（constituent）

组成材料的最基本、独立的物质称为“组元”。组元可以是纯元素，也可是稳定化合物。金属材料的组元多为纯元素,无机材料则多为化合物。（2）相（phase）

材料中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为“相”。若材料是由成分、结构相同的同种晶粒构成的，尽管各晶粒之间有界面隔开，但它们仍属于同一种相。若材料是由成分、结构都不相同的几部分构成，则它们应属于不同的相。例如工业纯铁是单相合金（如左下图所示），共析碳钢在室温下由铁素体和渗碳体两相（如下图所示）组成，而陶瓷材料则由晶相、玻璃相(即非晶相)与气相三相所组成(如右下图所示)。1.3.1晶体材料的基本相结构StructureCharacteristicsofCommonEngineeringMaterials铁素体

珠光体陶瓷

1.组元、相、组织与合金的概念1.3.1晶体材料的基本相结构StructureCharacteristicsofCommonEngineeringMaterials铁素体

珠光体陶瓷“相结构”指的是相中原子的具体排列规律，即相的晶体结构。（3）组织（microstructure）与相的关系“组织”是与“相”有紧密联系的概念。“相”是构成组织的最基本组成部分;但是当“相”的大小、形态与分布不同时会构成不同的微观形貌(图象)，各自成为独立的单相组织，或与别的相一起形成不同的复相组织。例如左下图所示工业纯铁的显微组织就是由单相α构成的组织，而正下图所示共析碳钢的显微组织则是由α相与Fe3C相层片交替、相间分布共同构成的组织（即称珠光体）。而普通陶瓷则由右下图所示晶相、玻璃相和气相所组成。（1）固溶体（solidsolution）

定义：指溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的均一、保持溶剂晶体结构的结晶相。其分类如下。①按照溶质原子在溶剂晶格中所占据位置分类:i.置换固溶体系指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体，犹如这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换一样，因此称为置换固溶体，如图1-17a示。当溶质原子与溶剂原子的直径、电化学性质等较为接近时，一般可形成置换固溶体。ii.间隙固溶体溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是嵌入溶剂原子间的一些间隙中，如图1-17b示。当溶质原子直径(如C、N等元素)远小于溶剂原子(如Fe、Co、Ni等过渡族金属元素等)时，一般形成间隙固溶体。2.晶体材料的基本相结构图1.17固溶体的两种类型置换固溶体→←间隙固溶体（1）固溶体（solidsolution）

②按固态溶解度分类:i.有限固溶体在一定条件下，溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度，超过此限度就不再溶解了。这一限度称为溶解度或固溶度，这种固溶体称为有限固溶体，大部分固溶体都属于此类(间隙固溶体只能是有限固溶体)。ii.无限固溶体溶质原子能以任意比例溶入溶剂,固溶体的溶解度可达100%，这种固溶体称无限固溶体。无限固溶体只能是置换固溶体，且溶质与溶剂原子晶格类型相同，电化学性质相近，原子尺寸相近等。如Cu-Ni系合金可形成无限固溶体。2.晶体材料的基本相结构＃形成无限固溶体示意图（1）固溶体（solidsolution）

③按溶质原子和溶剂原子的相对分布分类:i.无序固溶体

溶质原子随机分布于溶剂的晶格中，它或占据溶剂原子等同的一些位置，或占据溶剂原子间的间隙中，看不出什么次序或规律性，这类固溶体称无序固溶体。ii.有序固溶体

当溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布时，这种固溶体称有序固溶体。它既可是置换式的有序，也可是间隙式的有序。2.晶体材料的基本相结构有序固溶体示意图（2）化合物

当元素之间不具备形成固溶体的条件或溶质含量超过了溶剂的溶解度时，在合金中往往会出现新相，新相的结构不同于合金中任一组元，这种新相称为化合物。在陶瓷材料中，通常材料的组元即为某化合物。而金属材料中的化合物可分为金属化合物和非金属化合物。凡是由相当程度的金属键结合并具有金属特性的化合物称为金属化合物,例如碳钢中的渗碳体(Fe3C)。凡不是金属键结合又不具有金属特性的化合物称为非金属化合物，例如碳钢中依靠离子键结合的FeS和MnS，其在钢中一般称为非金属夹杂物。①金属化合物的分类金属化合物的种类很多，常见的有以下三种类型:i.正常价化合物符合一般化合物的原子价规律，成分固定并可用化学式表示，如Mg2Si等。2.晶体材料的基本相结构ii.电子化合物不遵守原子价规律，而服从电子浓度(价电子总数与原子数之比)规律。电子浓度不同，所形成化合物的晶格类型也不同。例如左图Cu-Zn合金中，当电子浓度为3/2时，形成化合物CuZn，其晶体结构为BCC(简称为β相);电子浓度为21/13时，形成化合物Cu5Zn8，其晶体结构为复杂立方晶格(称为γ相)等。（2）化合物

①金属化合物的分类金属化合物的种类很多，常见的有以下三种类型:iii.间隙化合物系由过渡族金属元素与C、H、N等原子半径较小非金属元素形成的金属化合物。根据非金属元素(以x表示)与金属元素(以M表示)原子半径的比值，可将其又分为两种：a间隙相(rX/rM＜0.59）具有简单结构的金属化合物，称为间隙相(如FCC结构的VC、TiC，简单立方结构的WC等)；b复杂晶体结构的间隙化合物（rX/rM＞0.59）具有复杂晶体结构的间隙化合物，如钢中的Fe3Ｃ(复杂的斜方晶格，图1-18所示)等。2.晶体材料的基本相结构间隙相VC的结构←图1.18渗碳体的结构（2）化合物

②金属化合物的性能特点金属化合物一般都有较高的熔点、较高的硬度和较大的脆性(即硬而脆)，但塑性很差。特别是间隙相具有极高的熔点和硬度，见表1-3所示。根据这一特性，若能使金属化合物以比较弥散形式分布于固溶体基体上，往往能使整个合金的强度、硬度、耐磨性等得到很大提高。因此，在金属材料中，金属化合物常被用作强化相，用以提高合金的强度、硬度、耐磨性及耐热性等。2.晶体材料的基本相结构表1.3一些碳化物的硬度和熔点

间隙相1.3.2聚合物的结构

PolymerStructures

聚合物是由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大（103～106之间）的化合物。其分子量虽大，但化学组成确比较简单，它通常是以C为骨干，与H、O、N、S或P、Cl、F、Si等中的一种或一种以上元素结合构成，其中主要是碳氢化合物及衍生物。组成聚合物的每一个大分子链都是由一种或几种低分子化合物的成千上万个原子以共价键形式重复连接而成。这里的低分子化合物称为“单体”。例如，由数量足够多的乙烯（CH2=CH2）作单体，通过聚合反应打开它们的双键便可生成聚乙烯。其反应式为：nCH2=CH2-[-CH2-CH2-]n-。这里“-CH2-CH2-”结构单元称为“链节”，而链节的重复个数n称为“聚合度”。因此，单体是组成大分子的合成原料，而链节则是组成大分子的基本（重复）结构单元。聚合物的结构主要包括两个微观层次:一个是大分子链的结构，另一个是大分子的聚集态结构。系指大分子的结构单元的化学组成、键接方式、空间构型、支化及交联等。（1）线型结构

线型高分子的结构是整个大分子呈细长链状（见图1-19a），分子直径与长度之比可达1:1000以上。通常蜷曲成不规则的线团状，受拉时可伸展呈直线状。另一些聚合物大分子链带有一些小支链，整个大分子呈枝状（见图1-19b），这也属于线性结构。线型结构聚合物的特点是具有良好的弹性和塑性，在加工成型时，大分子链时而蜷曲收缩，时而伸直，十分柔软，易于加工，并可反复使用。在一定溶剂中可溶胀、溶解，加热时则软化并熔化。属于这类结构的聚合物，如聚乙烯、聚氯乙烯、未硫化的橡胶及合成纤维等。（2）体型结构

体型大分子的结构是大分子链之间通过支链或化学键交联起来，在空间呈网状，也称网状结构（如图1-19c所示）。具有体型结构的聚合物，主要特点是脆性大、弹性和塑性差，但具有较好的耐热性、难溶性、尺寸稳定性和机械强度。加工时只能一次成型(即在网状结构形成之前进行)。热固性塑料、硫化橡胶等属于这类结构的聚合物材料。1.大分子链的结构

a-线型b-支链型c-体型（网状）图1-19大分子链的形状示意图

1.大分子链的结构除上述各结构因素外，分子链的构型(大分子链的结构单元中由化学键所构成的空间排布方式)，大分子链中链段(部分链节组成的可以独立运动的最小单元)间相互运动的难易程度等都构成了大分子链的不同空间形象(即大分子链的构象)。因构象变化获得各种不同蜷曲程度的特性，称作大分子链的柔顺性。聚合物所独具结构特点，使其许多基本性能不同于低分子物质、也不同于其它固体材料的根本原因。＃单键内旋运动示意图大分子的形状及末端距r

图1-20中“D”所示，系大多数聚合物材料所具有的聚集态结构特征，即是由上述A、B、C三种聚集态结构单元组成的复合物，只不过是不同聚合物中各结构单元的相对量、形状、分布等不同而已。一般用结晶度表示聚合物中结晶区域所占的比例，结晶度变化的范围很宽，从30%～80%。部分结晶聚合物的组织大小不等（10nm～1cm），形状各异（片晶、球晶、伸直链束等）的晶区悬浮分散在非晶态结构的基体中。聚合物的聚集态结构影响其性能。大分子链结晶时，链的排列变得规整而紧密，于是分子间力增大，链运动变得困难，因而导致聚合物的熔点、密度、强度、刚度、耐热性等提高，而弹性、延伸率和韧性下降；结晶度愈高，变化愈大。2.大分子的聚集态结构D实际聚合物结构串晶球晶2.大分子的聚集态结构

聚乙烯球晶的扫描电镜照片。右图是局部放大的照片。三维立体的照片把聚乙烯球晶的球状形貌表现得特别逼真，比一般球晶的黑十字消光图案更能说明问题。1.3.3无机材料的结构

Structureofinorganicmaterials

无机材料（陶瓷）是由金属和非金属元素的化合物构成的多晶固体材料。组成无机材料的基本相及其结构要比金属复杂得多，在显微镜下观察，可看到无机材料的显微结构(组织)通常由三种不同的相组成，即晶相、玻璃相和气相(气孔),如图1.21所示。

图1.21无机材料显微组织示意图→

图1.21无机材料显微组织示意图

1.3.3无机材料（陶瓷材料）的结构Structureofinorganicmaterials

2.玻璃相玻璃相是一种非晶态低熔点固体相，熔融的陶瓷组分在快速冷却时原子还未来得及自行排列成周期性结构而形成的无定形固态玻璃相。陶瓷中玻璃相的作用是:粘结分散的晶体相，降低烧结温度、抑制晶体长大和充满孔隙等。玻璃相熔点低、热稳定性差，导致陶瓷在高温下产生蠕变，而且强度也不及晶体相。因此，工业陶瓷中玻璃相含量较多，需控制在20%～40%范围内；而特种陶瓷中玻璃相含量极少。

图1.21无机材料显微组织示意图

1.3.3无机材料（陶瓷材料）的结构Structureofinorganicmaterials

3.气相

气相即气孔，它是陶瓷生产工艺过程中不可避免地残存下来的。陶瓷中有两种气孔：一种是开口气孔，会造成虹吸现象而大大恶化陶瓷性能；另一种是闭口气孔，它常残留在陶瓷中，这两种气孔分布在玻璃相中，也可分布在晶界或晶内，通常约占５％以上，气孔会造成应力集中，因而降低陶瓷强度及抗电击穿能力，对光线有散射作用而降低陶瓷的透明度。通常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％。

本章小结

Summary物质的结构有晶体结构与非晶态结构之分。而固体材料的微观结构是决定性能的根本因素。本章讨论的重点为金属的晶体结构，从纯金属与合金两方面分析了晶体结构的特点。在纯金属的晶体结构中，首先分析了理想晶体的结构特点（主要是体心立方、面心立方及密排六方晶格特点）以及立方晶系中晶面、晶向指数确定方法；在此基础上又讨论了实际金属中存在着的晶体缺陷类型，基本型式及对材料性能的影响。由于工程上实际应用的金属材料多为合金，因此掌握合金相结构的基本类型、分类、性能特点及在合金中的