材料概论(周达飞)(二版) 第2章

材料概论各种材料(金属、高分子和无机非金属)不论其形状大小如何,其宏观性能都是由其化学组成和组织结构决定的。材料的性能与化学组成、工艺、结构的关系如下：第二章材料的组成、结构与性能2.1材料的组成2.2材料的结构2.3材料的性能只有从不同的微观层次上正确地了解材料的组成和组织结构特征与性能间的关系，才能有目的、有选择地制备和使用选用材料。化学组成工艺过程本征性能显微结构材料性能2.1材料的组成材料通常都是由原子or分子结合而成的，也可以说是由各种物质组成的，而物质是由≥1种元素组成的。按原子or分子的结合与结构分布状态的不同，可分成3类：第二章材料的组成、结构与性能•组元、相和组织•固溶体•聚集体•复合体2.1.2材料的化学组成2.1.1材料组元的结合形式固溶体、聚集体和复合体第二章材料的组成、结构与性能材料的组元:金属材料多为纯元素，如普通碳钢Fe&C；陶瓷材料多为化合物，如Y2O3–ZrO2Y2O3&ZrO2组成材料最基本、独立的物质，或称组分。可以是纯元素or稳定化合物。相:具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分。1m图2-1.50%ZrO2/Al2O3复合材料的SEM照片*相与相之间有明显的分界面，可用机械的方法将其分离开。第二章材料的组成、结构与性能ZrO2Al2O3*各晶粒间有界面隔开，但它们是由成分、结构均相同的同种晶粒构成的材料，仍属于同一相。*在相界面上，性质的改变是突变的。*1个相必须在物理和化学性质上都是完全均匀的，但不一定只含有1种物质。例如：•纯金属是单相材料，钢(非纯金属)在室温下由铁素体(含碳的Fe)和渗碳体(Fe3C为化合物)组成；•普通陶瓷：由晶相(1种/几种)与非晶相(玻璃相)组成。*由成分、结构都不同的几种晶粒构成的材料，则它们属于几种不同的相。•材料的组织第二章材料的组成、结构与性能材料内部的微观形貌。实际上是指由各个晶粒or各种相所形成的图案。在不同条件下，相的晶粒大小、形态及分布会有所不同，从而材料内部会呈现不同的显微组织。*组织是材料性能的决定性因素。*只含1种相的组织称为：单一或单相组织；*由多种相构成的组织称为：复合或多相组织。组织与相是两个有着密切联系的不同概念。铸铁组织a)普通铸铁;b)可锻铸铁;c)球墨铸铁acb球状石墨团絮状石墨片状/蠕虫状石墨铁素体(C溶于Fe)/铁素体+珠光体椭球形TiO2颗粒(轴比1.3、尺寸nm量级)构成的光子晶体（引自JiangP.,BertoneJ.F.,andColvinV.L.,Science2001,291:453）第二章材料的组成、结构与性能不同温度下水热电沉积制备的HA(磷酸钙盐类化合物)/TiO2复合涂层的环境扫描电镜照片可看出：团粒状的TiO2微粒较均匀地分散在HA或CDHA涂层中，随T，HA晶体由长针状(a)逐渐生长为长棒状(e)，晶体端面和长度呈增大趋势，从高倍率图(f)，可看出晶体端面呈六边形。但晶体生长很不均匀，长短大小相差较大，当200℃时，长度约15～50m，直径约0.5～6m。(a)100℃(c)160℃(b)140℃(d)180℃(e)200℃(f)200℃,(e)的放大20m20m20m20m20m5m2.宏观组织—是用肉眼可以观察到的粗大组织，有时是指用放大倍数≤20~100的放大镜可观察到组织。又可分为：单一和复合组织。这些组织还可细分见表2-1第二章材料的组成、结构与性能*材料组织可分为：1.微观组织(结构)—也称微细组织、显微组织，由原子的种类及其排列状态决定的。又可分为：晶体结构与非晶态(无定形)结构。组织(结构)类型主要构成物实例微观组织晶体聚集金属、无机物、有机物金属、微晶玻璃、结晶高分子等非晶聚集无机物、有机物玻璃、玻璃态塑料、橡胶等宏观组织单一组织致密金属、无机物、有机物型钢、棒钢、钢板、石材、塑料板、塑料棒等纤维金属、无机物、有机物（链状高分子）金属、玻璃、石棉、羊毛、棉花、丝绢、尼龙、维尼纶等单纤维复合组织聚集组织纤维聚集无机、有机纤维的聚集体（+空气）毛毡、垫料、织布等多孔无机物、有机物+空气泡沫混凝土、加气混凝土、泡沫塑料、木材等复合聚集无机物、有机物复合聚集体灰砂浆、混凝土、纤维增强混凝土、木纤维水泥板、石棉水泥板、玻璃钢、涂料、金属陶瓷迭合组织两种以上材料的迭合胶合板、石膏板、蜂窝板、钢筋混凝土等表2-1材料组织的分类(p19)相同条件下，材料性能随其组织的不同而变，如：第二章材料的组成、结构与性能*通过控制和改变钢的组织，可以使硬度很低or很高；*胶合板是单片板用胶合剂粘合成使纤维方向互相垂直相交，以改善木材各向异性的缺点；热轧时钢的组织变化1、轧件2、轧前晶粒；3、上辊4、下辊5、变成细长晶粒；6、细晶粒出现；7、新晶粒长大；8、形成新晶粒。*泡沫塑料是在组织内引入气孔以减轻质量，增大弯曲刚性，同时降低其导热率；*钢筋混凝土和增强塑料，是以钢筋or纤维作为增强材料，以获得单一材料所不具备的优良性质。•溶体：≥2种的原子or分子溶合在一起时的状态。一般是原子or分子的均匀混合物，不是化合物。•溶液：液态溶体。第二章材料的组成、结构与性能固溶体•固溶体：固态溶体，即溶质组元溶入溶剂组元的晶格中所形成的单相固体。保持溶剂组元的晶格类型。如：C溶入Fe形成以Fe为基的固溶体，其晶格没变仍为体心立方结构。•合金与陶瓷中有不少是属于固溶体。固溶体的分类：按溶质原子在溶剂晶格中的位置不同可分成:第二章材料的组成、结构与性能•置换型固溶体(或称取代型)：溶剂A晶格中的原子被溶质B的原子取代所形成的固溶体。原子A同B的大小要大致相同。•填隙型固溶体(也称间隙型)：在溶剂A的晶格间隙内有溶质B的原子填入(溶入)所形成的固溶体。B原子必须是充分小的，如C和N等是典型的溶质原子。•对同1种晶体，可同时存在这2种形式的固溶体，如普碳钢中，Mn在-Fe中是取代固溶，C是填隙固溶。第二章材料的组成、结构与性能•与纯金属相比，合金固溶体的物理、化学性能均发生了不同程度的变化：*溶入溶质原子，将使固溶体的强度和硬度↗，称为固溶强化；*要求高导磁率、高塑性和高抗蚀性的合金，其金相组织多数由1种固溶体组成；第二章材料的组成、结构与性能*要求强韧兼备的结构材料：常采用以固溶体为基，而细小质点的第2相呈弥散分布的材料。*不少固溶元素可明显地改变基体的理化性能。如Si溶入-Fe中可↗导磁率、↗比电阻，含24%Si的硅钢片是1种应用广泛的软磁材料。聚集体第二章材料的组成、结构与性能•有的晶粒间呈连续变化牢固地结合在一起(如金属or固溶体等)；一般金属or无机材料，不论是由“单元素”、“固溶体”or由“≥两种元素的结晶相”构成的抑或是“结晶相&玻璃相的共存状态”，都是由无数的原子or晶粒聚集而成的固体，这类状态的材料称为聚集体。其中：•有的晶粒间结合较微弱(如铸铁、花岗岩等)，受外力作用时，在晶粒的界面会发生破坏。*石棉&云母：链状&层状结构的晶体，因相互间结合力较弱，可将其分散成细纤维&薄片。第二章材料的组成、结构与性能*链状高分子材料：通过链的卷入、某些交联作用及部分析晶等可使键能有一定程度的增加。*纯金属：一般可看成是微细晶体的聚集体；*合金：可看作是母相金属原子的晶体与加入的合金晶体等聚合而成的聚集体。晶粒间的结合力＜晶粒内部的结合力。复合体(复合材料)：第二章材料的组成、结构与性能由≥2种不同材料通过一定的方式复合而构成的新型材料，各相之间存在着明显的界面。各相不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料相的特性，并赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。其结构通常：•一相为连续相，称为基体材料；•另一相是不连续的，以独立的形态分布在整个连续相中，称为分散相。•与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为增强材料。第二章材料的组成、结构与性能•增强材料的种类有：颗粒增强、晶须和纤维增强、层板复合等，如先进复合材料是以碳纤维、芳纶、陶瓷纤维、晶须等高性能增强材料与耐高温树脂、金属、陶瓷和碳(石墨)等构成的复合材料，用于各种高技术领域量少而性能要求高的场合。三种最普通的复合材料中相的排列第二章材料的组成、结构与性能聚合物/层状硅酸盐(PLS)纳米复合材料结构示意图（a）插层型（b）剥离型（a）（b）*胶合板——将纤维方向相互垂直迭合在一起的；*蜂窝结构材料——用蜂窝状的物质作为夹心材料，用强度大的平板作表面材料制成的轻质抗弯刚性大的材料。•较粗大的骨料用结合材料结合而成的称为复合组合体，如混凝土、纤维板(将植物质纤维用树脂结合制成的)等。第二章材料的组成、结构与性能•叠层材料：一般指将成型好的材料按一定方向迭合成层状胶合在一起做成的材料，如：思考题普通的混凝土中有几种相？请分别写出各种相的名称。若在其中加入钢筋，则钢筋起到什么作用？此时又有几种相？金属材料的化学组成:包括纯金属和以金属为基所构成的合金。特点是具有其他材料无法取代的强度、塑性、韧性、导热性、导电性以及良好的可加工性等。为获得需要的性能，须控制材料的成分与组织。无机非金属材料的化学组成高分子材料的化学组成2.1.2材料的化学组成第二章材料的组成、结构与性能单质金属存在于自然界的94种元素中，72种是金属元素。大多数是以过渡金属为中心的纯金属状态使用。工业上习惯分为：第二章材料的组成、结构与性能黑色金属：铁、铬、锰3种；有色金属：其余的所有金属。又可分为：重金属、轻金属、贵金属和稀有金属等4类。金属合金:由≥2种金属元素或金属与非金属元素构成的具有金属性质的物质。如黄铜—Cu+Zn的合金，硬铝—Al+Cu+Mg等组成的合金。第二章材料的组成、结构与性能合金元素：为形成合金所加入的元素。由2或3种元素构成的分别叫做二元或三元合金。一些主要合金的化学组成见p22表2-2。合金一般都是多晶体，有时可形成固溶体、共熔晶、金属间化合物，以及它们的聚集体。非晶态合金具有许多优异性能，如强韧性、抗侵蚀、导磁率高、超导性等。化学组分几乎涉及所有元素，原料处理和制备工艺的日新月异，使新产品层出不穷。一些代表性的无机非金属材料的组成及分类见p23表2-3。第二章材料的组成、结构与性能无机非金属材料的组成陶瓷、玻璃、水泥、耐火材料和搪瓷等。由金属和非金属元素的化合物配料经一定工艺过程制得的。如:SiO2、Ai2O3、TiO2、CaO、MgO、K2O、Na2O、PbO等氧化物；Ca(OH)2、Mg(OH)2、KOH、Al(OH)3、NaOH等氢氧化物、SiC、B4C、TiC等碳化物、Si3N4、BN、AlN等氮化物。高分子材料的化学组成有机化合物(简称碳氢化合物)：以C元素为主，多数是同氢(H)、氧(O)中的任1种or≥2种结合而成的，也有同氮(N)、硫(S)、磷(P)、氯(Cl)、氟(F)、硅(Si)等结合构成。第二章材料的组成、结构与性能高分子材料：以高分子化合物(亦称聚合物或树脂)为主要组分的材料。高分子化合物：指分子质量特别大的有机化合物，相对分子质量是一个平均值，通常104；低分子化合物的分子质量是均一的，一般500；主链中不含离子键和金属键。合成高分子化合物：由1种or几种简单的低分子化合物聚合而成，如由氯乙烯聚合得到聚氯乙烯，其化学反应式可写成：nCH2=CHCl[CH2-CHCl]n。根据不同的来源,可分为：天然高分子材料：木材、皮革、油脂、天然橡胶等合成高分子材料：各种塑料、合成橡胶、合成纤维等。第二章材料的组成、结构与性能单体：可聚合成高分子化合物的低分子化合物。重复单元：组成高分子化合物的相同结构单元。第二章材料的组成、结构与性能每个重复单元又称作大分子链的1个链节，1个高分子化合物中重复单元的数目n叫做链节数，在大多数场合下链节数可称为聚合度，记为DP。如：聚氯乙烯单体是氯乙烯，链节是如-CH2-CHCl-，聚合度为3002500，相对分子质量为216万。按应用功能，高分子材料可分为：第二章材料的组成、