第二章材料結(jié)構(gòu).ppt

1、第二章 材料的結(jié)構(gòu),第二章 材料的結(jié)構(gòu),本章重點(diǎn)： 金屬材料的晶體結(jié)構(gòu) 本章難點(diǎn)： 晶體缺陷及合金的結(jié)構(gòu) 學(xué)習(xí)目標(biāo)： 了解常用材料的結(jié)合方式及其結(jié)構(gòu)特點(diǎn)； 了解晶體缺陷的形成及其對材料性能的影響。,主 要 內(nèi) 容,第一節(jié) 結(jié)合鍵 第二節(jié) 材料的晶體結(jié)構(gòu) 晶體結(jié)構(gòu) 合金的結(jié)構(gòu) 陶瓷結(jié)構(gòu) 高分子結(jié)構(gòu),第一節(jié) 結(jié)合鍵,工程材料的性能取決于兩大因素：一是其組成原子或分子的結(jié)構(gòu)及本性；二是這些原子或分子在空間的排列方式。原子或分子在空間的排列方式隨外界條件的變化而有所改變。但是原子或分子結(jié)構(gòu)及其本性是不變的，它決定了材料的種類和基本屬性。是了解和研究材料結(jié)構(gòu)的基本出發(fā)點(diǎn)。 固體物質(zhì)內(nèi)部原子（或分子）都排

2、列在能量較低的位置，彼此之間存在一種約束力使其牢固地結(jié)合在一起，這種約束力即為結(jié)合鍵。通常結(jié)合鍵有：離子鍵、共價鍵、金屬鍵和分子鍵。,一、離子鍵：電負(fù)性相差較大的兩種原子，通過 電子得失，變成正負(fù)離子，依靠正負(fù)離子間的引 力形成的結(jié)合鍵，如下圖所示。,離子晶體熔點(diǎn)高，硬度高，熱膨脹系數(shù)小，但相對脆性大。,二、共價鍵：得失電子能力相近的原子相互靠近時， 依靠共用電子對產(chǎn)生結(jié)合力而形成的結(jié)合鍵。,共價晶體往往熔點(diǎn)高，硬度高。,三、金屬鍵：依靠共有的負(fù)電子云與正離子之間的庫侖 力作用而形成的結(jié)合鍵。,金屬晶體具有良好的導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、可塑性、正的電阻溫 度系數(shù)和金屬光澤。,四、分子鍵：依靠瞬時偶極矩

3、的作用產(chǎn)生結(jié)合力而形成 的結(jié)合鍵。,分子晶體具有低熔點(diǎn)、低硬度、彈性模量低等性能特點(diǎn)。,第二節(jié) 材料的晶體結(jié)構(gòu)與非晶體結(jié)構(gòu),一、晶體與非晶體 原子在三維空間按一定幾何規(guī)律排列形成的有序結(jié)構(gòu)， 稱為晶體。原子在空間作無序排列，這種結(jié)構(gòu)為非晶體。 晶體具有固定的熔點(diǎn)，規(guī)則的外形，具有各向異性。而 非晶體沒有固定的熔點(diǎn)，呈現(xiàn)各向同性。,二、晶體結(jié)構(gòu) （一）晶體結(jié)構(gòu)的基本概念 1、晶格、晶胞和晶格常數(shù),晶格 用以描述晶體中原子排列規(guī)律的空間點(diǎn)陣格架。,晶胞 能完全反映晶格特征的最小幾何單元。,晶格常數(shù) 描述晶胞大小的尺度。,2。晶胞的致密度 晶胞中原子所占的體積與晶胞總體積之比，它表示原子在晶胞 中排

4、列的緊密程度。,（二）常見晶體結(jié)構(gòu)的類型 晶體材料中常見的、典型的晶體結(jié)構(gòu)類型有：體心立方結(jié)構(gòu)、 面心立方結(jié)構(gòu)和密排六方結(jié)構(gòu)。,1.體心立方結(jié)構(gòu),晶胞的特征參數(shù):,a = b = c , = = = 90,晶胞中的原子數(shù): n= 8 181= 2個,原子的半徑: R = 3 a4,致密度:K= nV原子V晶體= 0.68 = 68 %,屬于體心立方晶格的金屬有:鉻 ( Cr )鉬 ( Mo ) ; 鎢( W ) -鐵 ( -Fe ),2.面心立方結(jié)構(gòu),晶胞的特征參數(shù): a = b = c , = = = 90,晶胞中的原子數(shù): n=81/8+61/2= 4個,原子的半徑: R = 2 a4,致

5、密度:K= nV原子V晶體= 0.74 = 74 %,屬于面心立方晶格的金屬有:金 ( Au ) ; 銀 ( Ag ) ; 銅 ( Cu ) ;鋁 ( Al ) ; -鐵 ( -Fe ) 等,3.密排六方結(jié)構(gòu),（三）晶體缺陷,1.點(diǎn)缺陷：三維尺度都很小，不超過幾個原子直徑的缺陷， 主要有間隙原子和空位。,空位和間隙原子的運(yùn)動是晶體中原子擴(kuò)散的主要方式，這對 金屬的熱處理過程非常重要。,2.線缺陷：二維尺度小而第三維尺度很大的缺陷，位錯是金屬 晶體中常見的缺陷。,晶體中位錯的數(shù)量以單位體積內(nèi)所包含的 位錯線的總長度來表示，稱為位錯密度。 金屬中位錯密度的變化以及位錯的運(yùn)動， 對金屬的性能、塑性變

6、形有重要影響。,3.面缺陷材料的多晶體結(jié)構(gòu)。在多晶體結(jié)構(gòu)中，晶粒 之間的過渡區(qū)域是原子排列紊亂的區(qū)域，稱為晶界，是 金屬中主要的面缺陷。,晶界在常溫下的強(qiáng)度和硬度較高，晶界較容易腐蝕，晶界處原子擴(kuò)散的速度較快。,三、金屬材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),幾個基本概念：合金，組元，相,合金的基本相結(jié)構(gòu)可分為固溶體和金屬化合物兩大類。,1.合金-兩種或兩種以上的金屬或金屬與非金屬組合而成并具有金屬特性的物質(zhì)。 組元-組成合金的基本單元。組元可以是金屬和非金屬,也可以是化合物。 2. 組織-材料中的直觀形貌,可以用肉眼觀察到,也可以借助于放大鏡、顯微鏡觀察到的微觀形貌。 宏觀組織:肉眼或是30倍放大鏡所呈現(xiàn)的形貌；顯

7、微組織:顯微鏡觀察而呈現(xiàn)的形貌。 3.相-合金中具有同一化學(xué)成分、同一晶體晶體結(jié)構(gòu)和性質(zhì)并以界面相互隔開的均勻組成部分。,1.固溶體-合金在固態(tài)下由組元間相互溶解而形成的相。,固溶體的最大特點(diǎn)是保持溶劑的晶體結(jié)構(gòu)。,固溶體的類型：置換固溶體(a)和間隙固溶體(b),置換固溶體和間隙固溶體引起的點(diǎn)陣畸變。晶格畸變使晶體變 形抗力增加，材料的強(qiáng)度和硬度提高，這種現(xiàn)象稱為固溶強(qiáng)化。,2.金屬化合物,金屬化合物的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),溶劑A + 溶質(zhì)B = c bcc fcc cph,例如: 3Fe + C = Fe3C 體心 六方 復(fù)雜結(jié)構(gòu),金屬化合物一般熔點(diǎn)較高，硬度高，脆性大。人們可以 通過固溶體的溶解度和

8、分布于其中的化合物的形狀、大 小、數(shù)量和分布來調(diào)整合金的性能以滿足不同的需要。,四、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),1.晶體相 晶體相是陶瓷的主要組成相，對性能起決定性作用。在陶瓷 的晶體相結(jié)構(gòu)中，最重要的有氧化物結(jié)構(gòu)和硅酸鹽結(jié)構(gòu)兩類。 左圖為Al2O3的晶體結(jié)構(gòu)，右圖為硅氧四面體結(jié)構(gòu)。,硅氧四面體可以獨(dú)立存在，也可與別的陽離子結(jié)合，形 成不同連接方式的硅酸鹽結(jié)構(gòu)，如鏈狀、環(huán)狀和層狀等。,組成陶瓷另外兩個相是玻璃相和氣孔。前者是低熔點(diǎn)的非晶態(tài)固 體相，主要起粘結(jié)作用，并可阻止晶體的轉(zhuǎn)變，抑制晶體長大， 使陶瓷獲得一定的透光性。氣相是陶瓷內(nèi)部留下來的孔洞。,五、高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn),！. 結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成

9、,結(jié)構(gòu)單元 主鏈 側(cè)鏈基團(tuán) 或 取代基,聚合度,（一）大分子鏈的結(jié)構(gòu),2. 結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式和大分子鏈的構(gòu)型與構(gòu)象,（1）鍵結(jié)方式,兩種以上 單體連接 方 式,間同立構(gòu),全同立構(gòu),無規(guī)立構(gòu),（2）空間構(gòu)型：,是指分子中由化學(xué)鍵 所固定的原子在空間的排列。,（3）幾何形狀：主要有：線形、支化型和體型,線形高分子,支化型,體型,線形高分子彈性、 塑性好，易于加 工；支化型高分 子強(qiáng)度和耐熱度 較低；而體型高 分子具有較好的 尺寸穩(wěn)定性和強(qiáng) 度以及耐熱性， 但彈性低、塑性 低、脆性大，成 型加工只能在網(wǎng) 狀結(jié)構(gòu)形成之前。,（4）高分子的構(gòu)象：可定義為由于單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的分子在空間的不同形態(tài)。,所謂柔順性，是高分子鏈能夠改變其構(gòu)象的性質(zhì)。高分子的柔順性是高分子材料的性能不同于小分子物質(zhì)的主要原因。 高分子鏈類似一根繩子，為不規(guī)則地蜷曲的無規(guī)線團(tuán)。單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)是導(dǎo)致高分子鏈呈蜷曲構(gòu)象的原因。單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)是高分子鏈能夠改變構(gòu)象的原因。單鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)也是高分子鏈產(chǎn)生柔順性的原因。,（二）大分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu),按大分子幾何排列的特點(diǎn)，固態(tài)高聚物的結(jié)構(gòu)分為無