第一章工程材料的结构与性能

工程材料及成形技术基础绪论材料与成形技术的经济地位材料的发展史

材料的分类本课程在人才培养中的地位和作用本课程的内容和要求材料的分类按化学成分分类金属（黑色金属、有色金属）非金属无机非金属（传统硅酸盐（水泥、玻璃、陶瓷、耐火材料）现代陶瓷（氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、碳化物陶瓷、硼化物陶瓷）有机非金属（塑料、橡胶、纤维、胶沾剂）按用途分类结构材料（利用其力学性能）功能材料（利用光学、电学、声学、磁学、化学、物理、生物化学等特性完成特定功能）按状态分类单晶体、多晶体、非晶体绪论本课程在人才培养中的地位和作用本课程的内容和要求第一章工程材料的结构与性能

1.1材料原子的相互作用

1.2晶体材料的原子排列

1.3非晶态材料中的原子排列

1.4合金的晶体结构

1.5高聚物的结构

1.6陶瓷的结构

1.7工程材料的性能

本章小结

1.1材料原子的相互作用离子键共价键金属键分子键原子结合键类型1.2晶体材料的原子排列1.2.1理想晶体结构

1).晶格

2).常见的金属晶体结构

3).晶面和晶向的表示方法1.2.2实际晶体结构

1).单晶体与多晶体

2).晶体缺陷

晶体、非晶体晶格、点阵、晶胞、晶面、晶向1.2.1理想晶体结构

根据晶胞的三条棱边是否相等、三个夹角是否相等以及是否为直角，晶体学将所有晶体分为7个晶系，14种空间点阵。称作布喇菲空间点阵常见的三种金属晶格类型有：体心立方晶格。面心立方晶格。密排六方晶格。常见的晶格类型

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(1)体心立方晶格结构

40

(2)面心立方晶格结构41

(3)密排六方晶格结构。42动画15

密排六方晶胞3).晶面和晶向的表示方法

晶面和晶向的表示方法分别采用晶面指数(hkl)和晶向指数[uvw]形式（以立方晶系为例）。晶向指数[uvw]的确定方法是：以晶胞的某一阵点为原点，三个基矢

为坐标轴，并以点阵基矢的长度作为三个

坐标的单位长度；过原点作一直线OP，使其平行于待

标志的晶向AB,这一直线必定会通过某些

阵点；在直线OP上选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点的坐标值；将此值乘以最小公倍数化为最小整数u、v、w,加上方括号，[uvw]即为AB的晶向指数。晶面XYZ-ZYXZ-YX(326)在点阵中设置参考坐标系，方法与确定晶向指数时相同，但不能将坐标原点选在待确定指数的晶面上；以点阵基矢的长度为单位，量出待定晶面在各坐标轴上的截距；取三个截距的倒数，并以最小公倍数乘这三个倒数，得到三个最小的整数h、k、l;将求得的h、k、l用圆括号括起来，（hkl)即为该晶面的晶面指数。晶面指数的确定方法单晶体的各向异性

单晶体中不同晶面和晶向上的原子排列方式和密度不同，因而，在不同的晶面和晶向上的各种性能也不同，这种现象称为各向异性。1.2.2实际晶体结构1.多晶体与亚结构实际金属晶体内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个小晶体内部晶格位向一致，而各小晶体之间晶格位向不同。小晶体称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。在晶界上原子排列是不规则的。这种由多晶粒构成的晶体结构称为“多晶体”，多晶体呈现各向同性。单晶体多晶体晶粒晶界2).晶体缺陷种类点缺陷线缺陷图2—12(b)示意了螺型位错的形成。上下两部分晶体相对滑移一个原子间距，ABDC为滑移面，EF’线以右为已滑移区，．EF、线以左为未滑移区，EF线为位错线。如图2一12(c)所示，EF线周围的原子失去正常的排列，沿位错线原子面呈螺旋形，每绕轴一周，原子面上升一个原子间距，构成了一个以EF为轴的螺旋面，这种晶体缺陷称为螺型位错。面缺陷晶体缺陷的影响

晶格缺陷对金属的许多性能有极重要的影响，与晶体的凝固、固态相变、扩散等过程都有重大关系，特别是对塑性变形、强度和断裂等起着决定性的作用。如：晶体缺陷的出现,将使其周围的晶格产生畸变,而晶格畸变使材料的强度、硬度等力学性能和电阻率、耐蚀性等物理及化学性能发生改变。1.3非晶态材料中的原子排列1.3.1短程有序1.3.2亚稳态性1.4合金的晶体结构1.4.1合金的相结构、组织极其关系1.4.2固溶体1.4.3金属间化合物1.4.4合金性能

由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元素组成的具有金属性质的物质，称为合金。组成合金的元素叫做组元。由两种组元组成的合金，称为二元合金。在物质中，凡是成分相同，结构相同，并与其他部分以界面分开的均匀组成部分，称为相。合金结晶后可以是一种相，也可以是由若干种相所组成。一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为组织。相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了不同的组织，不同的组织使合金具有不同的力学性能。固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性来分，可以分为固溶体和化合物两类。1.4.1合金、相、组织及其相互关系57

置换固溶体中，溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无规律的。如果溶质原子在溶剂晶格中的溶解度有一定限度，则称有限互溶，形成有限置换固溶体；如果合金组元可以以任何比例相互溶解，如Cu-Ni

合金，这叫无限互溶，形成无限置换固溶体。间隙固溶体是由一些原子半径小于1Å的非金属元素，如:H、O、C、B、N，溶入过渡族金属而形成，且只有当溶质原子直径与溶剂原子直径的比值小于0.59时，才能形成间隙固溶体。溶剂晶格的间隙是有限的，因此间隙固溶体只能是有限固溶体。1.4.2固溶体溶剂原子间隙固溶体置换固溶体溶质原子1.4.3金属间化合物

1)正常价化合物

2)电子化合物

3)间隙化合物1.4.4合金性能

1)固溶体与固溶强化

2)化合物与第二相强化1.5高聚物的结构

高聚物又称高分子化合物,通常由一种或几种简单的低分子化合物聚合而成。高聚物的分子量很大，一般在104～107的范围内。高聚物的结构主要是指大分子链的结构，即大分子链的形态、和大分子的聚集态结构。

1.5.1大分子链的结构

1.5.2高聚物的聚集态结构（二）聚合反应类型高聚物是由一种或几种简单化合物聚合而成，其聚合方式有加聚、缩聚两种。1．加聚反应由一种或几种单体聚合而成高聚物的反应，称为加聚以应。这种高聚物链节的化学结构与单体的化学结构相同。根据单体种类的不同，可分为均聚和共聚两种：（1）均聚是指由一种单体聚合而成的高聚物，称为均聚物。如聚乙烯是乙烯的均聚物。（2）共聚是指由几种不同类型的单体的聚合而生产的产物，称为共聚物。1.5.1大分子链的结构

大分子链的结构包括大分子结构单元的化学组成、键接方式、空间构型等。

1)结构单元的化学组成：由C、H、N、O、Si等元素构成。其中碳原子之间以共价键结合的碳链高分子是最重要的高聚物。

2)结构单元的键接方式和链的构型（头_尾连接、头_头连接、尾_尾连接等连接方式；空间构型有全同立构、间同立构和无规立构

3)大分子链的形态：（大分子链的几何形态、大分子链的构象及柔顺性）

2.结构单元键连接方式和链的构型⑴聚合物中聚氯乙烯单体的连接方式

1)头-尾连接：

2)头-头或尾-尾连接：

3)无规则连接：

（2）链的构型链的结构是指高分子链中原子或原子团在空间的排列方式,即链构型。按取代基R在空间所处的位置及规律不同,可有以下三种立体构型:

大分子链的几何形态线型带有支链体型大分子链的运动方式线型无定型高聚物中，大分子链的运动方式具有多重性，主要有如下几种：

(1)整链的运动：大分子链作为一个整体作质量中心的移动，即发生原子链间的相对移动(滑脱)。反映在性能上是高聚物呈现延性，会出现由粘性流动引起的永久变形。

(2)链段的运动：链段是由几个至几十个链节组成的一小段分子链，由于主链的内旋转，使大分子链具有柔顺性，在整链质量中心不移动的情况下，一部分链段相对于另一部分链段而运动，出现