工程材料第二章材料的结构

工程材料第二章材料的结构第一页，共五十三页，编辑于2023年，星期六第一节金属的晶体结构一、晶体的基本概念：第二页，共五十三页，编辑于2023年，星期六晶胞的表示方法：第三页，共五十三页，编辑于2023年，星期六二、常见的金属晶格：1.体心立方晶格：BCC（bodycentredcubic）

第四页，共五十三页，编辑于2023年，星期六体心立方晶胞的原子半径、原子数及致密度：aa原子半径:晶胞原子数:n=1/8×8+1=2配位数:Z＝8(体心的原子与8个顶角原子等距且最近邻)致密度:

第五页，共五十三页，编辑于2023年，星期六2.面心立方晶格：FCC（facecentredcubic）

第六页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础面心立方晶格aa原子半径:晶胞原子数:n=1/8×8+1/2×6=4配位数:Z＝12致密度:

第七页，共五十三页，编辑于2023年，星期六3.密排六方晶格：HCP（hexagonalclose-packed

）第八页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础密排六方晶格两个简单六方晶格穿插在一起构成密排六方晶格原子半径:晶胞原子数：n=1/6×12+1/2×2+3=6配位数:Z＝12致密度:

轴比：c/a

1.633

第九页，共五十三页，编辑于2023年，星期六三、晶面指数和晶向指数：晶向指数[uvw]或<uvw>；晶向指数的确定：晶面指数(hkl)或{hkl}

晶面指数的确定：第十页，共五十三页，编辑于2023年，星期六第二节实际金属的组织结构1.多晶体结构：第十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期六2.晶体缺陷：（1）点缺陷：第十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期六（2）线缺陷：第十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期六高温合金中位错线的TEM像：第十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期六钛合金中位错线的TEM像:第十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础ττ位错运动示意第十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期六（3）面缺陷：第十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期六工业纯铁的晶界:第十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期六晶界和孪晶界TEM衍衬像：第十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期六界面原子排列的TEM像：第二十页，共五十三页，编辑于2023年，星期六第三节固态合金的相结构（一）固溶体：1.置换固溶体：2.间隙固溶体：第二十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期六形成固溶体时的晶格畸变：第二十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期六3.固溶体的性能：通过形成固溶体，使得材料的强度、硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化的特点是提高材料的强度和硬度，但塑性和韧性有所降低。固溶强化强度指标有限，不能满足生产上的需要。固溶体的物理性能有所变化。第二十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期六合金元素对α-Fe的固溶强化：第二十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期六（二）金属化合物：金属化合物能提高合金的强度、硬度和耐磨性，而通常会降低其塑性和韧性。当金属化合物以细小的颗粒均匀分布在固溶体基体上，使合金的强度、硬度和耐磨性大大提高的方法称为弥散强化。Fe3C的晶格结构（图2-18）。第二十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础间隙相VC的晶体结构间隙化合物Fe3C的晶体结构第二十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础§3.3

高分子材料的结构StructureofPolymerMaterials

一、高分子材料的基本概念1．高分子化合物高分子化合物是指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，所以又称为聚合物或高聚物。高分子化合物的相对分子质量一般在104以上，甚至达到几十万或几百万以上，它是由成千上万个原子以共价键相连接的大分子化合物。通常把相对分子质量小于5000的称为低分子化合物；而大于5000的则称为高分子化合物。第二十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础2．单体与链节单体用于聚合形成大分子链的简单低分子化合物称为单体，它是化合物独立存在的基本单元，链节高分子化合物的相对分子质量很大，主要呈长链形，因此常称为大分子链或分子链。大分子链极长，是由许许多多结构相同的基本单元重复连接构成的，组成大分子链的这种特定的重复结构单元称为链节。链节的结构和成分代表了高分子化合物的结构和成分。第二十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础3．高分子材料的分类及命名通常高分子材料采用习惯命名法，在原料单体名称前加“聚”字，如聚乙烯、聚氯乙烯等。由两种单体缩聚而成的聚合物，如果结构比较复杂或不太明确，则往往在单体名称后加上“树脂”二字来命名，如由苯酚和甲醛合成的聚合物叫做“酚醛树脂”。只用一种单体成分合成的聚合物称为均聚物；使用两种或多种不同单体成分合成的聚合物称为共聚物。有时为了简化，往往采用英文缩写名称，如聚乙烯用PF，聚氯乙烯用PVC等。

第二十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础第三十页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础二、高分子材料的分子链结构高分子材料的分子链结构是指组成高分子结构单元的化学组成、键接方式、空间构型，高分子链的几何形状及构象等。1．分子链的化学组成根据链节中主链化学组成的不同，高分子链主要有以下几种类型。第三十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础碳链高分子高分子主链是由相同的碳原子以共价键连接而成。如：—C—C—C—C—或—C—C＝C—C—

杂链高分子

高分子主链是由两种或两种以上的原子构成的，即除碳原子外，还含有氧、氮、硫、磷、氯、氟等原子。如：—C—C—O—C—C—、—C—C—N—C—C—

元素有机高分子

高分子主链一般由无机元素硅、钛、铝、硼等原子和有机元素氧原子等组成。如：

—O—Si—O—Si—O—第三十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础2．高分子链结构单元的键接方式和构型大分子链形成后，由共价键固定的链内原子和原子团的几何排列即固定不变。任何大分子链都是由链节按一定的方式连接而成的。

键接方式

结构单元在链中的连接方式和顺序决定于单体及合成反应的性质。空间构型高分子中结构单元由化学键所固定的原子在空间的几何排列称为分子链的构型。即使分子链组成相同，但由于取代基的位置不同，也可有不同的立体构型。

第三十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础3．高分子链的几何形状

在合成聚合物的过程中，可以发生各种各样的反应形式，所以高分子链也会呈现出各种不同的形态。一般说来，高分子链的几何形状有以下三种：

线形高分子由许多链节组成的长链，通常是卷曲成线团状。这类高聚物的特点是弹性、塑性好，硬度低，是热塑性高聚物。

第三十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础支链型高分子在主链上带有支链。这类高聚物的性能和加工都接近于线型高分子，也属于热塑性高聚物。

体形（网状）高分子分子链之间有许多链节互相交联，呈三维网状结构。这类高聚物的硬度高、脆性大、无弹性和塑性，是热固性高聚物。

第三十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础4．高分子链的构象及柔顺性高分子链的构象

由于单键内旋转所引起的原子在空间占据不同位置所构成的分子链的各种形象，称为高分子链的构象。高分子链的柔顺性由构象变化获得不同卷曲程度的特性，称为高分子链的柔顺性。高分子链的柔顺性与单键内旋转难易程度有关。C1

109o28，ˊ

C2

C3C4碳链C—C键的内旋转示意图伸展链无规线团链折叠链螺旋链

单个大分子链的几种构象示意图第三十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础三、高分子材料的聚集态结构组成物质的分子聚集在一起的状态称为物质的聚集态。高分子的聚集态结构是指高分子材料内部高分子链之间的几何排列和堆砌结构，也称为超分子结构，它是在高分子材料加工成型过程中形成的。显然，高分子的聚集态结构与高分子材料的性能有着直接关系。第三十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础§3.4无机非金属材料的结构StructureofInorganicNonmetallicMaterials(Ceramics)

陶瓷材料一般由三部分组成：晶体相、玻璃相、气相一、晶体相晶体相是组成陶瓷的基本相，也称主晶相。它往往决定着陶瓷的力学、物理、化学性能。第三十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础

1.氧化物结构氧化物结构的特点是较大的氧离子紧密排列成晶体结构，较小的正离子填充在它们的空隙内。根据正离子所占空隙的位置和数量的不同，形成各种不同结构的氧化物。结构类型晶体结构

陶瓷中主要化合物

AX型面心立方碱土金属氧化物MgO、BaO等，碱金属卤化物，碱土金属硫化物AX2型面心立方CaF2(萤石)、ThO2、VO2等简单四方TiO2(金红石)、SiO2(高温方石英)等A2X3型菱形晶体α-Al2O3(刚玉)ABX3型简单立方CaTiO3(钙钛矿)、BaTiO3等菱形晶系FeTiO3(钛铁矿)、LiNbO3等AB2X4型面心立方MgAl2O4(尖晶石)等100多种第三十九页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础

2.硅酸盐结构硅酸盐材料在自然界中大量存在，约占已知矿物的三分之一。普通水泥是人们最熟悉的硅酸盐，它最明显的优势是能将岩石骨料结合成整块材料。硅酸盐四面体单元硅氧四面体单元按照不同的连接方式构建起来，就形成各种各样的硅酸盐材料。O2－Si4+硅氧四面体结构第四十页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础硅氧四面体的各种连接方式第四十一页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础二、玻璃相

玻璃相是陶瓷高温烧结时各组成物和杂质产生一系列物理、化学反应后形成的一种非晶态物质。它的结构是由离子多面体（如硅氧四面体）构成短程有序排列的空间网络。玻璃相在陶瓷组织中的作用是：粘结分散的晶体相，降低烧结温度，抑制晶粒长大和填充气孔使陶瓷致密等。玻璃相的熔点低、热稳定性差，使陶瓷在高温下容易产生蠕变，从而降低高温下的强度。第四十二页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础三、气相

气相是指陶瓷孔隙中的气体即气孔，是在陶瓷生产过程中形成，并被保留下来的。陶瓷中的气孔有开放气孔和封闭气孔两种。气孔对陶瓷性能有显著影响。因此生产上要控制气孔数量、大小及分布。陶瓷材料的气孔量是衡量陶瓷材料质量的重要标志。普通陶瓷的气孔率为5％～10％，特种陶瓷在5％以下，金属陶瓷要求在0.5％以下。第四十三页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础§3.5液晶态结构StructureofLiquidCrystal一、晶体和液体间的过渡态

液晶是晶体、液体和非晶态固体之间的一种过渡态。液晶有液体的流动性，又具有晶体的某些各向异性。F．Reinitzer在1888年首先观察到液晶现象，他在测定有机物熔点时，发现某些有机物熔化后，会经历一个不透明的浑浊液态阶段，只有继续加热，才成为透明的各向同性液体。翌年，O.Lehmann也观察到同样现象，并发现浑浊状液体中间相具有和晶体相似的性质，故称为“液晶”（Liquidcrystals）。第四十四页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础二、液晶的分类1．按形成条件分类（1）热致性液晶指材料通过升温至熔点或玻璃化温度（Tg）以上才进入液晶状态的液晶。目前在技术中直接应用的液晶都是属于热致性液晶。（2）溶致性液晶是由符合一定结构要求的化合物与溶剂组成液晶体系，由两种以上化合物组成。这类分子需要形成一定的溶液后，方显现出液晶的性质，故又称溶变型液晶。第四十五页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础

2．按结构分类从液晶的结构和光学特征来看，可将液晶分为三类：（1）向列相液晶（Nematic）这类液晶的薄膜在偏光显微镜下观察时，呈现丝状组织。其特点是杆状分子广泛的平行排列，沿纵向容易移动。向列相液晶分子取向有序，位置则是随机的。第四十六页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础（2）胆甾相液晶（Cholesteric）这类液晶实际上是向列相液晶的一种特例情况（一种畸变态），它由相互重叠的“向列相”平面堆积而成。这是一种扭曲的结构，具有特殊的光学性质，如特别高的旋光性，对圆偏振光有特殊的选择型反射。（3）近晶相液晶（Smectic）这类液晶在浓肥皂水溶液中，显现出特有的偏光显微镜像（皂相）。这类液晶分子排列分层，且有同一方向排列的特征，比较接近晶体。近晶相液晶除了取向有序外，它们的分子重心组成层状结构，故又称层型液晶。第四十七页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础三、液晶分子排列结构

液晶分子主要有三种排列结构，即向列相、胆甾相、近晶相。随着温度的升高，液晶会从有序程度高的状态，逐步变为无序的各向同性液相状态。（a）向列相（b）胆甾相（c）近晶相液晶分子的排列情况示意图第四十八页，共五十三页，编辑于2023年，星期六材料学基础四、聚合物液晶

要形成聚合物液晶的首要条件是聚合物中有生成液晶态分子结构单元或液晶基元，也就是说要有棒状或条状分子存在。

聚合物液晶是有机分子液晶的结构基础上再引入高分子而成。根