32第1章 材料的结构

第2章材料的结构2.1材料的结合方式一、结合键1.离子键2.共价键3.金属键4.分子键2.1材料的结合方式二、工程材料的键性1.金属材料2.陶瓷材料3.高分子材料三、晶体与非晶体1.晶体2.非晶体3.晶体与非晶体的转化1.晶格和晶胞晶体示意图一、纯金属的晶体结构（一）晶体的基本概念2.2金属的结构（一）晶体的基本概念2.晶系（一）晶体的基本概念3.晶格尺寸和原子半径4.晶胞原子数5.配位数和致密度VnvK/（二）常见金属的晶格类型（bcc）1.体心立方晶格（二）常见金属的晶格类型（bcc）1).排列特征，如图2).晶格常数a＝b＝c；＝＝＝903).原子半径4).晶胞所含原子数2个5).配位数8个6).致密度0.68或68％7).具有体心立方晶格的金属有：-Fe,-Ti,Cr,W,Mo,V,Nb等ar43（二）常见金属的晶格类型（fcc）2.面心立方晶格（二）常见金属的晶格类型（fcc）1).排列特征，如上图2).晶格常数a＝b＝c；＝＝＝903).原子半径4).晶胞所含原子数4个5).配位数12个6).致密度0.74或74％7).具有面心立方晶格的金属有：-Fe,Ni,Al,Cu,Pb,Au,Ag等ar42（二）常见金属的晶格类型（hcp）3.密排六方晶格（二）常见金属的晶格类型（hcp）1).排列特征，如上图2).晶格常数a1=a2=a3=ac；===120a/c=1.633z轴垂直于底面3).原子半径r＝1/2a4).晶胞所含原子数6个5).配位数12个6).致密度0.74或74％7).具有密排六方晶格的金属有：Mg,Cd,Zn,Be,-Ti等（三）立方晶系的晶面、晶向指数晶体中各种方向上的原子面称为晶面，各个方向上的原子列称为晶向。为便于分析我们把这些晶面、晶向用一定的符号来表示，以示它们在晶体中的方位或方向，我们将这类符号称为晶面指数和晶向指数。（三）立方晶系的晶面、晶向指数1.确定晶面指数的步骤：1)以晶格中某一原子为原点(注意不要把原点放在所求的晶面上)，以晶胞的三个棱边作三维坐标的坐标轴，以相应的晶格常数为度量单位，求出所求晶面在三个坐标轴上的截距。2)求三个截距值的倒数。3)将所得的数值化为最简整数，并用圆括号“()”括起，即为晶面指数。（三）立方晶系的晶面、晶向指数2.晶向指数的确定方法按如下步骤进行。1)以晶胞中某原子为原点确定三维坐标系，通过原点作平行于所求晶向的直线。2)以相应的晶格常数为单位，求直线上任意一点的三个坐标值。3)将所求数值化为最简整数，加一方括号“[]”括起，即为晶向指数。晶向指数的一般形式为[hkl]（三）立方晶系的晶面、晶向指数3.晶面族，晶向族要注意的是晶体中每一个晶面(晶向)指数并非仅指一个晶面(晶向)而是指一系列相平行的一组晶面(晶向)。若原子排列完全相同但空间位向不同的晶面(晶向)我们通常统称为晶面(晶向)族。晶面族用“{}”表示，晶向族用“”表示。如：{100}晶面族，它包括(100)、(010)、(001)等晶面；100晶向族，它包括[100]、[010]、[001]等晶向。4.晶面及晶向的原子密度5.晶体的各向异性（四）多晶体结构单晶体晶粒晶界亚晶亚晶界（五）晶体的缺陷(点)1.点缺陷（五）晶体的缺陷(线)2.线缺陷位错密度＝S/V(cm/cm3)（五）晶体的缺陷(面)3.面缺陷1)晶界2)亚晶界二、合金的相结构几个基本概念合金：通过熔炼、烧结或其它方法，将两种或两种以上的金属元素或金属与非金属元素结合在一起所形成的具有金属特性的物质称为合金。相：合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相分开的、均匀的组成部分组织：所谓组织是指用肉眼或显微镜观察到的不同组成相的形状、尺寸、分布及各相之间的组合状态。固溶体：指以合金中某一组元为溶剂，在其晶格中溶人其它组元原子(溶质)后形成的一种合金相。金属间化合物：合金中，当溶质含量超过固溶体的固溶度时，将出现新相而新相的晶格结构不同于任一组成元素，其成份在相图中位于组元A、B为溶剂的固溶体的最大固溶度之间，称之为中间相。中间相的结合键主要为金属键而具有金属性质，又称金属间化合物。（一）固溶体1.固溶体的分类置换固溶体(无限固溶体)间隙固溶体(有限固溶体)2.固溶体的性能（二）金属间化合物1.正常价化合物该化合物符合一般化合物的原子价规律，成分固定，可用化学式表示。正常价化合物具有很高的硬度和脆性。在合金中，当它在固溶体基体上合理分布时，将会使合金得到强化，而起到强化相的作用。如：Mg2Si、Mg2Sn、MnS等（二）金属间化合物2.电子化合物服从电子浓度规律，即当合金的电子浓度达到某一数值，便会形成具有某种晶格结构的化合物相。可见，形成这类化合物的主导因素是合金的电子浓度，故称之为“电子化合物”。电子浓度通常为3/2(21/14)，相，具有体心立方晶格；21/13，相，具有复杂立方晶格；7/4(21/12)，相，具有密排六方晶格。此类化合物硬度高、塑性差,一般为强化相（二）金属间化合物3.间隙相与间隙化合物过渡族金属可与H、B、C、N等原子半径较小的非金属元素形成化合物。当金属(M)与非金属(X)的原子半径的比值rX/rM0.59时，形成具有简单晶体结构的间隙化合物，称为间隙相；当金属与非金属原子半径的比值rX/rM0.59时，形成具有复杂晶体结构的间隙化合物，称为具有复杂结构的间隙化合物。间隙相中金属原子总是排成面心立方或简单六方结构非金属原子一般位于间隙位置，如图为VC结构间隙化合物具有复杂的晶体结构，像Cr、Mn、Mo、Fe的碳化物具有这样的结构，如图示为Fe3C结构第4节陶瓷材料的结构特点及力学性能一、陶瓷的概念二、陶瓷的结构特点（晶相、玻璃相）1.离子晶体陶瓷NaCl结构、CaF2结构、刚玉型结构、钙钛矿型结构CaF2结构二、陶瓷的结构特点2.共价晶体陶瓷属于金刚石结构以及SiC和SiO2结构。三、陶瓷的力学性能1.刚度很高。在各类材料中是最高的2.硬度很高，通常为1000-5000HV，陶瓷的硬度随温度的升高而降低，但高温仍具有很高的数值。3.强度较低，仅为E的10-4-10-2(理论上应为10-1-1/5)。4.塑性几乎无5.韧性或脆性是典型的脆性材料，韧性极低。6.其他物理化学性能热膨胀性能很低；导热性能较小，是很好的绝热材料；热稳定性能较差；化学稳定性很高；绝大多数陶瓷材料是良好的绝缘体，但有不少陶瓷材料有一定的导电性能——是重要的半导体材料。第5节聚合物的结构特点及力学性能一、高分子材料的结构特点1.几个基本概念加聚反应(加成聚合反应)缩聚反应高分子材料2.高分子链的形态线型分子链支链型分子链体型分子链一、高分子材料的结构特点3.高分子化合物的力学状态1)玻璃态TxTTg2)高弹态TgTTf3)粘流态TfTTd二、高分子材料的性能特点1.低强度和较高的比强度2.高弹性和低弹性模量3.粘弹性（两个概念：应力松弛；内耗）4.高耐磨性5.其它物理化学性能特点高的绝缘性；低的耐热性；低的导热性；高的热膨胀性；高的化学稳定性6.高分子材料的老化和防止：定义：高分子材料在长期储存和使用过程中，由于受氧、光、热、机械力、水蒸气及微生物等外因的作用，使性能逐渐退化，直至丧失使用价值的现象称为老化防止：1)改变高聚物的结构；2)添加防老化剂；3)表面处理本章小结•材料的性能（物理、化学及工艺性能）•材料的结合方式•常见金属的三种典型结构（bcc、fcc、hcp）•立方晶系的晶面、晶向指数确定•晶体的缺陷(点缺陷、线缺陷、面缺陷)•合金的相结构(固溶体、金属间化合物)•陶瓷的结构特点、力学性能•高分子材料的结构特点、力学性能•高分子材料的老化及其防止本章的主要概念结合键、晶体、非晶体、空间点阵、晶格、晶胞、配位数、致密度、合金、相、固溶体、显微组织、间隙固溶体、置换固溶体、金属间化合物、间隙相、具有复杂结构的间隙化合物、各向异性、晶系、单晶体、晶界、晶粒、陶瓷、聚合物、点缺陷、线缺陷、面缺陷、亚晶界