第一章材料的结构与性能01

1.1金属材料的结构与组织第1章材料的结构

与性能1.2金属材料的性能1.3高分子材料的结构与性能1.4陶瓷材料的结构与性能内容提要：

本章介绍金属材料的结构与组织，包括纯金属的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构、金属材料的组织。介绍金属材料的工艺性能、机械性能和理化性能。还介绍高分子材料和陶瓷材料的结构与性能。学习目标：

本章重点掌握金属材料的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。了解高分子材料的结构与性能。学习建议：

1．晶体结构部分应弄清三种常见金属的晶体结构及其特点，应充分发挥空间想象力。

2．晶面指数及晶向指数的确定在学习时会感到困难。应掌握常见的晶面和晶向的表示方法，需要多练多画。

3．了解高分子材料的大分子链结构与聚集态，结合工程、生活实际归纳高分子材料的性能特点，作一般了解。

4．对陶瓷材料的结构与性能也只作一般了解。

1.1.3金属材料的组织1.1

金属材料的结构

与组织1.1.1纯金属的晶体结构1.1.2合金的晶体结构0．晶体的概念、晶体结构1．三种常见的晶体结构2．晶面和晶向3．金属晶体的特性4．晶体缺陷1.1.1纯金属的晶体结构

晶体——材料中的原子（离子、分子）在三维空间呈规则，周期性排列。非晶体：蜂蜡、玻璃

等。晶体金刚石、NaCl、冰等。

非晶体——原子无规则堆积，也称为“过冷液体”。液体●晶体的概念原子（离子）的刚球模型原子中心位置●晶体结构晶胞点阵（晶格）模型晶胞XYZabc晶格常数a，b，c反映该晶格特征的最小组成单元1．三种常见的金属晶体结构（1）体心立方晶格bcc（2）面心立方晶格fcc（3）密排六方晶格hcp（1）体心立方晶格bcc-Fe、W、V、Mo等体心立方晶胞晶格常数：a=b=c；

===90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.68致密度=Va/Vc，其中Vc:晶胞体积a3Va:原子总体积24r3/3XYZabc2r2raa2空隙半径若在晶胞空隙中放入刚性球，则能放入球的最大半径为空隙半径。体心立方晶胞中有两种空隙。

●四面体空隙半径为:

r四=0.29r原子

四面体空隙

●八面体空隙半径为:

r八=0.15r原子

八面体空隙配位数配位数为晶格中与任一个原子相距最近且距离相等的原子数目。配位数越大，原子排列紧密程度就越大。

体心立方晶格的配位数为8。（2）面心立方晶格fcc-Fe、Cu、Ni、Al、Au、Ag等面心立方晶胞晶格常数：a=b=c；===90晶胞原子数：原子半径：致密度：0.74XYZabc密排方向4空隙半径●四面体空隙半径为:r四=0.225r原子四面体空隙

●八面体空隙半径为:r八=0.414r原子八面体空隙配位数

12（3）密排六方晶格hcpC（石墨）、Mg、Zn/镉Cd,鈹Be等晶格常数底面边长a底面间距c侧面间角120侧面与底面夹角90晶胞原子数：6原子半径：a/2致密度：0.74配位数：12由于原子排列紧密程度不一样,当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时,体积会发生变化。这就是钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因。不同晶体结构中原子排列的方式不同,将会使它们的形变能力不同。2.金属晶体中的晶面和晶向XYZabc晶面通过原子中心的平面晶向通过原子中心的直线所指的方向XYZabc立方晶系的晶面表示方法晶面指数的标定过程：1.设定一空间坐标系，原点在欲定晶面外，并使晶面在三条坐标轴上有截距或截距无穷大；2.以晶格常数a为长度单位，写出欲定晶面在三条坐标轴上的截距：1∞∞；3.截距取倒数：100；4.截距的倒数化为最小整数：100；5.将三整数写在圆括号内（100）。晶面指数的一般标记为（hkl）－－实际表示一组原子排列相同的平行晶面。晶面的截距可以为负数，在指数上加—“－”号。晶面族：{111}＝(111)+(Ī11)+(1Ī1)+(11Ī)立方晶系的晶向表示方法晶向标定过程：1.设定一空间坐标系，原点在欲定晶向的结点上；2.写出该晶向上另一结点的空间坐标值：100，3.将坐标系按比例化为最小整数：100，4.将化好的整数记在方括号内：[100]晶向指数一般标记为[uvw].实际表示一组原子排列相同的平行晶向。晶向族：<uvw><100>=[100]+[010]+[001]3.金属晶体的特性（1）有确定的熔点熔点晶体非晶体时间温度晶体和非晶体的熔化曲线（2）各向异性不同晶面或晶向上原子密度不同引起性能不同的现象XYZXYZ4.实际金属中的晶体缺陷实际金属晶体结构与理想结构的偏离单晶体：内部晶格位向完全一致

的晶体（理想晶体）。如单晶Si半导体。多晶体：由许多位向不同的晶粒构成的晶体。晶粒（单晶体）晶体缺陷类型（1）点缺陷：空位、间隙原子、异类原子（2）线缺陷：位错（3）面缺陷：晶界与亚晶界（1）点缺陷如果间隙原子是其它元素就称为异类原子（杂质原子）空位间隙原子（2）线缺陷——刃位错与螺位错刃位错刃位错螺位错（3）面缺陷晶粒（单晶体）晶界亚晶界亚晶界面缺陷引起晶格畸变，晶粒越细，则晶界越多，强度和塑性越高。●组元与相的概念●固溶体●金属化合物1.1.2合金的晶体结构组元与相的概念组元组成合金的独立的最基本单元。例如：元素、稳定化合物。如，Fe-C合金中，Fe、C均为组元。相化学成分和晶体结构相同，且有界面与其它部分分开的均匀组成部分。合金中有两类基本相——固溶体和化合物固溶体固溶体概念

合金组元通过溶解形成成分和性能均匀的、结构上与组元之一相同的固相。如，Fe(C)固溶体。溶解度概念在一定的温度和压力等条件下，溶质在固溶体中的极限浓度即为溶质在固溶体中的溶解度。固溶体类型ZXY间隙原子间隙固溶体置换固溶体置换原子YXZ固溶强化形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象正常晶格晶格畸变晶格畸变小原子置换引起的晶格畸变间隙原子引起的晶格畸变金属化合物化合物类型合金组元形成晶格类型与任一组元都不相同的新相正常价化合物——按化合价规律形成，如，Mg2Si。间隙化合物——过渡金属+小半径非金属元素电子化合物——按电子浓度规律形成，如，Cu3Al。{间隙相

r非/r金0.59，如，WC、TiC、VC复杂结构的间隙化合物

r非/r金0.59如，Fe3C、Cr23C6间隙化合物熔点高、硬度高，脆性大。1.1.3金属材料的组织组织（显微组织）指在金相显微镜下观察到的金属材料内部的微观形貌组织由相构成，观察时应分析相的形态、数量、大小和分布方式。金属材料性能由组织决定，而组织由化学成分和工艺过程决定。亚共析钢x400过共析钢x4001.2.1工艺性能1.2.2机械性能1.2.3理化性能1.2

金属材料的性能铸造性能：流动性、收缩性、偏析1.2.1工艺性能热处理性能：淬透性锻造性能：塑性、变形抗力焊接性能：焊接性、碳当量切削性能：表面粗糙度、刀具寿命强度、塑性、硬度、疲劳强度、断裂韧性1.2.2机械性能1.2.3理化性能●物理性能：

密度、熔点、导热性、导电性、热膨胀性、磁性。●化学性能：耐腐蚀性、抗氧化性。1.3高分子材料的结构与性能天然高分子材料包括蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、天然橡胶、淀粉和蛋白质等。人工合成高分子材料包括塑料、合成橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等。链接的结构和成分代表高分子化合物的结构和成分，为合成高分子化合物的各单体结构的特定连接体。1.3.2.高分子材料的机械性能特点

(1)强度低

高聚物的强度平均为100MPa,比金属低得多,但密度小，许多高聚物的比强度是很高的,某些工程塑料的比强度比钢铁和其他金属还高。

对于粘弹性的高聚物，其强度主要受温度和变形速度的影响。随着温度的升高，高聚物的力学状态发生变化：

●在脆化温度Tb以下，高聚物处于硬玻璃态；

●在Tb～Tg之间处于软玻璃态；

●在略高于Tg时处于皮革态；

●在高于Tg较多时处于橡胶态；

●在接近于粘流温度Tf时处于半固态。

相应地，高聚物的性能由硬脆逐渐变为强韧、柔软。有机玻璃具有这类典型的变化规律。

温度低，强度较高

温度高，强度较低载荷作用的时间影响转变温度。作用较慢时，分子链来得及位移，呈韧性状态；速度较高时，链段来不及运动，表现出脆性行为。低速拉伸时强度较低，伸长率较大。

高速拉伸时强度较高，伸长率小，33(2)弹性高、弹性模量低

●高聚物的弹性变形量大，可达到100%～1000％。

一般金属材料只有0.1%～1.0％。●高聚物的弹性模量低，约为2MPa～20MPa。

一般金属材料为103MPa～2×105MPa。(3)粘弹性

大多数高聚物的高弹性大体是“平衡高弹性”，即应变与应力同步发生。

粘弹性产生的原因：链段的运动遇到阻力，需要时间来调整构象。应力作用的速度愈快，链段愈来不及作出反应，则粘弹性愈显著。

粘弹性的主要表现有蠕变、应力松驰和内耗等。ａ．蠕变是在应力保持恒定的情况下，应变随时间的增长而增加的现象。高聚物在力的长期作用时，发生不可回复的塑性变形。

b.应力松弛

高聚物受力变形后所产生的应力随时间而逐渐衰减的现象叫应力松弛。

例如，连接管道的法兰盘中的密封垫圈，经过长时间工作后发生渗漏现象，就是应力松弛的表现。

与蠕变一样它也是由大分子链在力的长时间作用下，逐渐改变构象和发生了位移所引起的。c.滞后与内耗

高聚物受周期载荷时，例如，橡胶轮胎、传送带或减震器工作时，产生伸－缩的循环应变。

橡胶受载时应变落后于应力。在重复加载时，变形来不及恢复，分子链的构象改变跟不上，造成分子间的内摩擦，产生内耗，由变形所引起的弹性储能转变为热能。

内耗的存在会导致高聚物温度的升高，加速其老化，但内耗能吸收震动波，有利于高聚物的减震性能。(4)塑性

高聚物由许多很长的分子组成,加热时分子链的一部分受热，其它部分不会受热或少受热，因此材料不会立即熔化，而先有一软化过程，所以表现出明显的塑性。

处于高弹态的橡胶，在温度较低和分子量很高时具有这样的性能。

处于玻璃态的塑料（如聚乙烯等热塑性塑料），当温度较高时也具有这样的性能。(5)韧性

高聚物的冲击韧性比金属小得多，仅为其百分之一的数量级。

(6)减摩、耐磨性

大多数塑料对金属和对塑料的摩擦系数值一般在0.2～0.4范围内,但有一些塑料的摩擦系数很低。

例如,聚四氟乙烯对聚四氟乙烯的摩擦系数只有0.04，几乎是所有固体中最低的。

塑料的另一优点是磨损率低而且可以进行一定的估计。2、高分子材料的物理和化学性能

1.绝缘性、隔热隔音性

高聚物分子是良好的绝缘体，绝缘性能与陶瓷相当。对热、声也有良好的绝缘性能。2.耐热性

热固性塑料的耐热性比热塑性塑料高。常用热塑性塑料如聚乙烯、聚氯乙烯、尼龙等，长期使用温度一般在100℃以下；热固性塑料如酚醛塑料的为130℃～150℃；耐高温塑料如有机硅塑料等，可在200℃～300℃使用。

3.耐蚀性

高聚物的化学稳定性很高。它们耐水和无机试剂、耐酸和碱的腐蚀。尤其是被誉为塑料王的聚四氟乙烯，不仅耐强酸、强碱等强腐蚀剂，甚至在沸腾的王水中也很稳定。耐蚀性好是塑料的优点之一。

4.老化

老化是指高聚物在长期使用和存放过程中，由于受各种因素的作用，性能随时间不断恶化，逐渐丧失使用价值的过程。

其主要表现：对于橡胶为变脆，龟裂或变软，发粘；对于塑料是退色，失去光泽和开裂。

这些现象是不可逆的，所以老化是高聚物的一个主要缺点。抗老化能力的主要措施1.表面防护—涂镀一层金属或防老化涂料；2.改进高聚物的结构减少高聚物各层次结构上的弱点；3.加入防老化剂消除在外界因素影响下高聚物中产生的游离基或使活泼的游离基变成比较稳定的游离基以抑制分子链的降解或交联。小结高分子材料强度低、塑性好、弹性高、弹性模量低，具有粘弹性，减摩、耐磨性、绝缘性、耐蚀性好，耐热性低、易老化。1.4

陶瓷材料的结构与性能

1.4.1陶瓷材料的结构

按照组织形态分为三大类：无机玻璃（硅酸盐玻璃—非晶体结构类陶瓷）、微晶玻璃（玻璃陶瓷）和陶瓷（晶体陶瓷—普通玻璃、氧化铝特种陶瓷）。一、陶瓷材料的制备过程原料破碎、混合—成型—烧结；普通陶瓷的原料通常是由粘土、石英和长石组成。在加热烧成或烧结和冷却过程中，由这三部分组成的坯料相继发生四个阶段的变化：(1)

低温阶段(室温～300℃)

残余水分的排除。(2)分解及氧化阶段(300～950℃)(3)

高温阶段(950℃～烧成温度)

(4)冷却阶段(烧成温度～室温)

二次莫来石晶体析出或长大;液相转变;残留石英晶型转变。二、陶瓷材料的组织结构

陶瓷的典型组织结构包括三种相：晶体相(莫来石和石英)、玻璃相和气相晶体相：(1)硅酸盐--硅酸盐是普通陶瓷的主要原料，是陶瓷组织中重要的晶体相，结合键为离子键与共价键的混合键。

(2)氧化物--多数陶瓷特别是特种陶瓷的主要组成和晶体相；离子键结合,也有共价键。

(3)非氧化合物

--不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物，是特种陶瓷特别是金属陶瓷的主要组成和晶体相。2.玻璃相

(1)玻璃相作用

①粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度；

②降低烧成温度，加快烧结；

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：对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火性等不利。(2)玻璃相产生过程

熔融液相冷却时在玻璃转变温度粘度增大到一定程度时,熔体硬化，转变为玻璃。(3)玻璃相结构特点玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物组成。硅氧四面体组成不规则的空间网,形