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nullnull本章主要知识：第二章 材料的结构材料结合方式晶体与非晶体结构金属的晶体结构 高分子材料的结构特点 陶瓷材料的结构特点 实际金属的结构 null一是组成材料的单个原子结构，其原子核外电子的排布方式显著影响材料的电、磁、光和热性能，还影响到原子彼此结合的方式，从而决定材料的类型。二是原子的空间排列。金属、许多陶瓷和一些聚合物材料有非常规整的原子排列，称为晶体结构，材料的晶体结构显著影响材料的力学性能。其它一些陶瓷和大多数聚合物的原子排列是无序的，称为非晶态，其性能与晶态材料有很大不同。三是显微组织，包括晶粒的大小、合金相的种类、数量和分布等参数。材料的结构可以从三个层次来考查： 通常在使用状态下的材料都是固态，故先要弄清材料在固态下的结合方式及结构特点。null显微组织原子的空间排列null2.1 材料的结合方式 保持物质基本化学性质的最小微粒称为分子，分子由原子组成。分子的性质不仅取决于组成分子的原子种类和数目，还取决于分子中原子之间的相互作用及原子在空间的排列。 分子中原子间的相互作用称为结合键或化学键。结合键的主要类型有离子键、共价键、分子键和金属键。null 正负离子间通过静电作用所形成的化学键。如NaCl晶体内Na+与Cl-之间的结合键。一、离子键 离子键的结合力很大，因此离子晶体的硬度高，强度大，热胀系数小，但脆性大。离子键中很难产生自由电子，所以离子晶体都是良好的绝缘体，如大多数陶瓷材料。null 原子间通过共用电子对相互吸引所形成的化学键，例如金刚石、氧化硅等结构。 二、共价键 共价键的结合力很大，熔点高，沸点高，挥发性低。共价键具有明显的方向性，使材料不具有塑性且比较坚硬。null 金属晶体具有良好的导电性、导热性、塑性、正的电阻温度系数及排列紧密和呈现特有的金属光泽等都直接起因于金属键结合。三、金属键 金属离子与自由电子之间的相互作用，使许多金属离子互相结合在一起，这样形成的化学键即是金属键。null 原子或分子由其内部电荷分布不均匀产生偶极矩而引起的短程静电引力形成的结合键（分子间结合键），又称范德瓦尔斯键。 四、分子键聚氯乙烯(PVC塑料)中分子键示意图 高分子材料大分子内的原子之间为共价键结合，而大分子链与大分子链之间结合成固体则依靠分子键结合；null 氢原子与电负性很大的原子结合后，核外电子偏移，因而能和另一个电负性大原子半径小的原子（如F、O、N）产生静电引力而形成的结合键。氢键是一种较强的有方向性的范式键。五、氢键键的能量约在10千卡/摩尔以下，能量比例大致如下： 分子键：氢键：共价键=1：10：100。 工程材料中只有一种键合机制的材料很少，大多数工程材料是以金属键、共价键、离子键混合方式结合的。但金属材料以金属键为主，陶瓷材料以离子键为主，高分子材料以共价键为主。 null2.2 晶体与非晶体 在研究了结合键后，我们下一步的任务就是从原子或分子的排列方式上考虑材料的结构。 一般而论，若固态下原子或分子在空间呈有序排列，则称之为晶体，反之为非晶体。 即使材料类型和化学键都相同，但是原子排列结构不同，其性能可以有很大的区别。null定义：组成固态物质的基本质点（原子、分 子或离子）按一定规律排列而形成的物体。 一、晶体特点： 结构有序； 物理性质为各向异性； 有固定的熔点。null定义：基本质点无规律排列的物体则称非晶 体。最普通的非晶体是玻璃。 二、非晶体特点： 结构无序； 物理性质为各向同性； 没有固定的熔点； 导热系数和热膨胀性小； 塑性变形大； 组成的变化范围大。null 非晶体结构是短程有序，而晶体由于内部缺陷的存在在很小的尺寸范围内存在着无序性，所以二者之间也有共同特点。 三、晶体和非晶体的转化 许多物质的晶体与非晶体间在一定的条件下可以互相转变。 如金属液体在高速冷却下可得到非晶态金属；而玻璃经过适当处理，也可以形成晶态玻璃。 有些物体是晶体与非晶体的混合物，即有序和无序的中间状态，例如某些塑料 、液晶。null2.3 高分子材料的结构 高分子材料种类繁多，性能各异。高分子化合物的结构也比较复杂，可从两个方面加以考察，一是分子内结构（高分子链结构），一是分子间结构（聚集态结构）。null一、高分子链结构1.高分子链的形态高分子链可以呈不同的几何形状，一般可分为以下 三种类型：⑴ 线型分子链 由许多链节组成的长链，通常是卷曲线团状。具有这类结构的高聚物的特点是弹性高、塑性好、硬度低。null⑵ 支链型分子链 在主链上还带有支链。具有这类结构高聚物的性能与线型分子高聚物接近。null⑶ 体型分子链 在分子链之间存在许多链节相互横向连接。具有这类结构的高聚物的弹性和塑性极低，脆性大，硬度高。null2.高分子链的构型 高分子链的构型是指高分子链中原子或原子团在空间的排列方式。高分子通常含有不同的取代基。由于取代基所处位置的不同使高分子形成不同的立体构型。例如乙烯类高分子链，若用R代 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 取代基，通常有以下三种立体构型：⑴ 全同立构：取代基R全部位于主链的一侧null⑶ 无规立构：取代基R在主链两侧作无规律地分布⑵ 间同立构：取代基R相间分布在主链两侧 高分子链的构型不同，其性能亦不同。例如，全同立构聚苯乙烯的结构比较规整，能结晶，熔点约为240℃；而无规立构的聚苯乙烯的结构不规整，不能结晶，软化温度约为80℃。null二、高分子的聚集态结构 高聚物的聚集态结构是指高聚物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。 根据分子在空间排列的规整性高聚物可分为： 结晶型、部分结晶型和非晶型三类。 通常线型聚合物在一定条件下可以形成晶态或部分晶态，而体型聚合物为非晶态。null2.4 陶瓷材料的结构 陶瓷的性能除了与结合键和化学组成有关外，还取决于相组成和相结构。陶瓷中的相组成较为复杂，常见的相有晶相、玻璃相和气相。null一、晶相 晶相是陶瓷材料的主要组成相，常见结构有氧化物结构和硅酸盐结构。 这类物质的结合键以离子键为主。尺寸较大的氧离子（O2-）占据结点位置组成密排晶格(如面心立方或密排六方)，尺寸较小的金属离子（如Al3+、Mg2+、Ca2+等）处于晶格间隙之中。 例如氧离子占据面心立方晶格结点位置，金属离子占据全部八面体间隙，则氧离子与金属离子数之比为1：1，即构成AX型（如NaCl）结构；若金属离子占据全部四面体间隙， 则氧离子与金属离子数之比为1：2，即构成AX2型（如CaF2）结构。1.氧化物结构nullAX2型结构示意图四面体间隙（a）和 八面体间隙（b）null2. 硅酸盐结构 硅酸盐的结构特点是硅、氧离子组成四面体，硅离子位于四面体中心。硅氧四面体[SiO4]4-之间又以共有顶点的氧离子相互连接起来。由于连接方式不同而形成多种硅酸盐结构，如岛状、环状、链状和层状等。null 当每一个[SiO4]4-四面体只与其它正离子连接时，就形成了孤立的硅酸盐结构，又称原硅酸盐。橄榄石族的一系列化合物都属于此类。当两个硅酸盐四面体共用一个角而结合在一起时，产生一种双四面体，即[Si2O7]6-离子群，这个离子群又只与其它正离子相结合，生成双四面体化合物，称为热解硅酸盐。黄长石就是此种类型结构。（1）岛状结构单元null 当每个硅氧四面体有两个顶角的氧离子为相邻两个四面体所共有时，就会形成环状结构单元，其化学式为 [SiO3]n2n- ，式中n为结构单元中[SiO3] 2-的数目。例如， 当n = 3时为蓝锥石[BaTi(SiO3)3]，n = 6时为绿柱石[Be3Al2(SiO3)6]。（2）环状结构单元null 当环状结构单元中包含很多硅氧四面体时，就形成细长的直链状，其化学式与环状的相同。一大批陶瓷材料具有这种单链结构单元，这类材料又称辉石。（3）链状结构单元null 当每个硅氧四面体同一平面三个顶角上的氧离子分别为三个相邻的四面体所共有时，就会形成层状结构单元，氧与硅原子数之比为10:4，其化学式为[Si2O5]2-由于每个硅氧四面体还有一个氧可供键合，因此，可以和其它类型的层状结构键合。如粘土矿、云母矿、滑石矿等都具有这类结构。（4）层状结构单元null二、玻璃相 玻璃相是在陶瓷烧结时形成的一种非晶态物质，其结构是由离子多面体（如硅氧四面体）构成的无规则排列的空间网络。如非晶态石英的结构。玻璃相热稳定性差，在较低温度下即开始软化。玻璃相的作用是粘结分散的晶相、降低烧结温度、抑制晶相的粗化。 玻璃相对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火性等是不利的，所以不能成为陶瓷的主导组成，一般含量为20%-40%。null三、气相 气相是指陶瓷中的气孔，它是在陶瓷生产过程中形成并被保留下来的。气孔的存在降低了陶瓷的密度，能吸收震动，并进一步降低了导热系数。但也导致陶瓷强度下降，介电损耗增大，绝缘性降低。 气相的存在对陶瓷的性能也是不利的，常成为裂纹的根源，应尽可能降低其含量。一般普通陶瓷的气孔率为5%-10%。null2.5 金属的晶体结构 金属材料是指以金属键来表征其特性的材料，它包括金属及其合金。金属材料在固态下通常都是晶体状态，所以要研究金属及合金的的结构就必须首先研究晶体结构。null 晶体结构有一共同特点，即原子、离子或分子在晶体中作规则排列。 一、晶体的基本概念 一个理想晶体可以看成是由完全相同的基元在空间按一定的规则重复排列得到的。基元可以是单个原子，也可以是彼此等同的原子群或分子群。周期重复的排列用点阵来描述。 点阵是一个几何概念，它由一维、二维或三维规则排列的阵点组成。三维点阵又称空间点阵。 晶体结构 = 空间点阵 + 基元1.晶体的空间点阵nullnull 将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫晶格。 从晶格中取出一个能保持点阵几何特征的基本单元叫晶胞。显然晶胞作三维堆砌就构成了晶格。2.晶格和晶胞 晶胞的大小和形状以晶胞的棱边长a、b、c和棱边之间的夹角α、β、γ (称为晶格常数或点阵常数)来表示。nullnull简单立方晶体的晶体结构、晶格和晶胞null 布拉菲在1948年根据“每个节点环境相同”的要求，用数学 分析 定性数据统计分析pdf销售业绩分析模板建筑结构震害分析销售进度分析表京东商城竞争战略分析 法证明晶体的空间点阵只有14种，故这14种空间点阵称为布拉菲点阵，分属7个晶系。空间点阵虽然只有14种，但晶体结构则是多种多样、千变万化的。3.晶系nullnull底心单斜简单三斜简单单斜null简单正交底心正交面心正交体心正交null简单菱方简单六方简单四方体心四方null简单立方体心立方面心立方null晶格尺寸用晶格常数表示。 4.晶格尺寸、原子半径及晶胞原子数null原子半径，等于晶胞中原子密度最大的方向上 相邻两原子的中心之间距离的一半。 null晶胞原子数指一个晶胞中所含的原子数目。 null5.配位数和致密度 配位数是指晶格中与任一个原子最邻近、等距离的原子数目，即最近邻原子数。 若把原子看成刚性小球，则原子所占体积nv与晶胞体积V之比K称为致密度。K = nv / V作用：对晶体原子排列紧密程度进行定量比较。null 金属元素除了少数具有复杂的晶体结构外，绝大多数都具有比较简单的晶体结构，其中最典型、最常见的晶体结构有三种类型:体心立方结构、面心立方结构和密排六方结构。二、纯金属常见的晶体结构 金属晶体的三种典型晶胞null1.体心立方结构（BCC晶格）体心立方晶胞是一个立方体，原子分布在立方晶胞的八个顶角及其体心位置，其晶格常数ɑ=b =c， α=β=γ=90o。原子半径r= a，原子数为8×1/8+1=2个，配位数等于8，致密度K= =0.68。具有这种晶体结构的金属有Cr、V、Mo、W和α-Fe等30多种。这类金属具有相当大的强度和较好的塑性。体心立方晶格的参数体心立方晶格的参数null2.面心立方结构（FCC晶格）面心立方晶胞也是一个立方体，原子分布在立方晶胞的八个顶角及六个侧面的中心。原子半径r= a，原子数为6×1/2+8×1/8=4个，配位数等于12，致密度K=0.74。具有这种晶体结构的金属有Al、Cu、Ni和γ-Fe等约20种。这类金属塑性都很好。面心立方晶格的参数面心立方晶格的参数null3.密排六方结构（HCP晶格）密排六方晶胞是一个正六面柱体，原子分布在六方晶胞的十二个顶角，上下底面的中心及晶胞体内两底面中间三个间隙里。取正六方形面底面的边长ɑ 和上下底面的间距c作为晶格常数，两者比值c/a≈1.633。原子半径r=1/2a，原子数为2×1/2+3+12×1/6=6个，配位数等于12，致密度K=0.74。具有这种晶体结构的金属有Mg、Zn、Be等20多种。密排六方晶格的参数密排六方晶格的参数nullnull三类常见晶格小结null1.晶向指数晶向：晶体中任意两个原子之间的位向。晶向指数：用一组数字符号表示晶向。晶向指数不只是一条直线的位向，所有相互平行的晶向具有相同的晶向指数，其晶向指数用[u v w]表示。 确定晶向指数按下面三大步骤进行：建立座标（以晶格常数为单位）；过原点作一有向线平行于待定晶向； 取有向线段上任一点的座标值化为最简整数，加以方括号，即为晶向指数。 三、立方晶系的晶向、晶面表示方法 nullnull原子在晶胞中的位置座标nullnull2.晶面指数晶面：晶体中各个方位的原子面。 晶面指数：用一组数字符号表示晶面位向。 晶面指数不只是一个晶面的位向，所有相互平行的晶面具有相同的晶面指数，其晶面指数用（h k l）表示。 确定晶面指数按下面三大步骤进行：建立座标（以晶格常数为单位）；取晶面的三座标截距值的倒数，并化为最简整数； 用圆括号括起最简整数即为该晶面的晶面指数。 nullnullnull3.晶面族与晶向族 [uvw]与(hkl)分别表示的是一组平行的晶向和晶面。 指数虽然不同，但原子排列完全相同的晶向和晶面称作晶向族或晶面族。分别用和{hkl}表示。立方晶系常见的晶面为：立方晶系常见的晶面为：{110}{110}立方晶系常见的晶向为：立方晶系常见的晶向为：<111><111>[111]null说明： ① 在立方晶系中，指数相同的晶面与晶向相互垂直。 ② 遇到负指数，“-”号放在该指数的上方。[221][110]null4.各向异性 由于不同晶型的晶体或同一晶格中，相应晶面和晶向原子的排列的情况不同，导致其机械性能及相应的其它性能有很大的差异。 例1、硅钢片: [100]方向易磁化， [111]方向难磁化。 例2、α- Fe铁： E [111] = 284000MN/m2 E [100] = 132000MN/m2null2.6 实际金属的结构 前面所讲的金属晶体结构都是理想晶体的结构。在实际应用的金属材料中，原子的排列不可能像理想晶体那样规则和完整，总是不可避免地存在一些原子（实际数目很小）排列不规则，形成结构不完整性的区域，这就是晶体缺陷。晶体缺陷对金属和合金的性能有很大影响，特别是对塑性变形、扩散、相变、再结晶过程和强度等起着决定性作用。null一、多晶体结构单晶体：由一个晶核长大形成的晶体。单晶体结构强度很高，呈现各向异性，但是制备很困难。实际的金属结构都是由不同位向的单晶体组成的晶体。包含着许多小晶体，每个小晶体内的晶格方位是一致的，而小晶体之间彼此方位不同。null实际金属呈现伪各向同性： 例、Fe的E = 210000MN/m2null 由于每个小晶体都具有不规则的颗粒外形，故称为“晶粒”； 晶粒与晶粒之间的界面叫做“晶界”，晶界上原子排列总是不规则的。 这种由多晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。 晶粒的尺寸，晶粒（10-1－10-2mm）、 晶界(100－200)、 亚晶粒、亚晶界（10－20），所以必须在显微镜下才能观察到。 金属中晶粒的种类、大小、形态和分布称为“显微组织”，简称组织。nullnull二、晶体缺陷 在实际晶体中，由于铸造、变形等一系列原因，或多或少存在的偏离理想结构的区域，称为晶体缺陷。 null 根据晶体缺陷的几何特征，将它们分为点缺陷、线缺陷和面缺陷三类。1.点缺陷点缺陷的特点是在空间三维方向上的尺寸都很小，约为几个原子间距，又称零维缺陷。常见的点缺陷有三种，即空位、间隙原子和置换原子。空位：晶格中某个原子脱离了平衡位置，形成的空节点。间隙原子：在晶格的间隙挤进的某个原子。nullnull置换原子：材料中存在的其他元素的杂质原子，占据了原来原子的位置，形成了～。null 由于空位、间隙原子和置换原子的存在，使其周围邻近原子也将偏离其平衡位置，造成晶格畸变。空位和间隙原子引起的晶格畸变空位和间隙原子引起的晶格畸变null点缺陷对材料行为的影响 （1）促使原子扩散，热处理理论基础； （2）材料的电阻明显增加； （3）晶体的密度下降，体积膨胀； （4）提高材料的强度和硬度，但是降低了材料的塑性和韧性。 null2.线缺陷晶体中最普通的线缺陷就是位错，即在晶体中，有一列或若干列原子，发生了有规律的错排现象。 不锈钢中的位错线null其特点是原子发生错排的范围只在一维方向上很大，是一个直径为3～5个原子间距，长数百个原子间距以上的管状原子畸变区。位错是一种极为重要的晶体缺陷，对金属强度、塑性变形、扩散和相变等有显著影响。 通常把单位体积中包含的位错线总长度称为体积位错密度（m/cm3），通常把单位面积中包含的位错线根数称为面积位错密度（根/cm2）；生产中一般依靠增加位错密度来提高金属的强度，但塑性随之降低。nullnull 退火金属中体位错密度一般为104m/cm3一106m/cm3左右。 位错的存在极大地影响金属的机械性能。当金属为理想晶体或仅含极少量位错时（金属须m/cm3），金属的屈服强度很高，当含有一定量的位错时，强度降低。当进行形变加工时，位错密度增加，屈服强度将会增高。金属强度与位错密度的关系null晶须是指在人工控制条件下以单晶形式生长成的一种纤维，其直径非常小（微米数量级），不含有通常材料中存在的缺陷（晶界、位错、空穴等），其原子排列高度有序，因而其强度接近于完整晶体的理论值。 60年代以来已开发了近百种不同材料晶须的实验品，但是由于技术复杂，价格高昂，很少有实用价值。 1975年从稻壳制备β-SiC晶须，为工业生产打开局面。 80年代后实现了大规模生产SiC晶须，又开发了SiC晶须的金属基、陶瓷基、树脂基的复合材料，发展了Al2O3、Si3N4、K2O.6TiO2、TiN、TiB2、Zn-Ni等晶须新品种，晶须材料得到进一步发展。 目前晶须主要用作复合材料的增强剂，用于航空航天飞行器构件和部件，在机械、汽车、化工、生物医学和日用工业中也有应用。 null位错对材料行为的影响 （1）促使塑性变形，位错的滑移机制； （2）材料的电阻明显增加； （3）促使原子扩散； （4）材料内的位错密度增加，可提高材料的强度和硬度，但是降低了材料的塑性和韧性。 null晶体中最简单的位错是刃型位错和螺型位错。 刃型位错的表现形式是晶体的某个晶面的上下两部分的原子排列数目不等，就好象沿着某个晶面插入一个原子平面，但又未插到底，如同刀刃切入一样（图中┴符号）。故称“刃型位错”。 null 设想在立方晶体右端施加一切应力，使右端上下两部分沿滑移面发生了一个原子间距的相对切变。电子显微镜下的位错电子显微镜下的位错电子显微镜下的位错观察电子显微镜下的位错观察null3.面缺陷面缺陷主要指金属中的晶界和亚晶界。 晶界：是指空间取向（位向）不同的相邻的晶粒之间的交界面。 亚晶界：指亚晶粒之间形成的交界面。null取向差小于100时,叫小角度晶界； 取向差大于100时,叫大角度晶界；null所有这些面缺陷，都将导致周围的晶格发生明显的畸变，从而对金属的力学性能、化学性能产生显著的影响。如面缺陷能提高金属材料的强度和硬度。 晶界特性(结构起伏、成分起伏、能量起伏) （1）内吸附，异类原子（杂质）向晶界偏聚； （2）晶界上原子的扩散速度比晶粒内部快得多； （3）常温下,晶界对位错运动起阻碍作用； （4）晶界易氧化和优先腐蚀； （5）固态相变时优先在晶界上形核； （6）晶粒有长大的趋势，以减少晶界总面积，使晶界能总量下降。 null作业：1.三种基本晶格类型比较2.标出图示的晶面指数和晶向指数。3.通过计算得出体心立方和面心立方晶格中原子的最密晶面族和晶向族，并标出。nullnullnull