材料的结构与组织

图1-28 气孔对陶瓷强度的影响
3.2 陶瓷材料的性能
• • • • • • 1.陶瓷的物理和化学性能 (1)热膨胀性能 (2)导热性 (3)热稳定性 (4)化学稳定性 (5)导电性
3.2 陶瓷材料的性能
• • • • 陶瓷的力学性能 (1)刚度 (2)硬度 (3)强度：晶界使陶瓷实际强度比理论值低得多 (1‰～1%)。如图1-29所示。
3.气相
气相是陶瓷内部残留的孔 洞，其成因复杂，影响因素 多。陶瓷根据气孔率分为致 密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔 陶瓷。除多孔陶瓷外，气孔 对陶瓷的性能不利，它降低 了陶瓷的强度，常常是造成 裂纹的根源(图1-28)，所以 应尽量降低气孔率。一般普 通陶瓷的气孔率为5 %～10% ; 特种陶瓷在5 %以下;金属陶 瓷则要求低于0.5 %。
黏弹性:应变与应力同步发生，或应变与应力同时 达到平衡，如图1-19(a)所示。 应变不仅决定于应力，而且决定于应力作用的速 率。即应变不随作用力即时建立平衡，而有所滞后， 如图1-19(b)所示。
图1-19 应力、应变与时间的关系
●蠕变（如图1-20所示）。
图1-20 蠕变前、后分子构象变化示意图 ●应力松弛 如图1-21所示。
1.单晶体和多晶体
图1-6 单晶体和多晶体结构示意图
实际金属的晶体缺陷
(1)点缺陷 ①空位 ②间隙原子
图1-7 空位和间隙原子示意图
(2)线缺陷 ①刃型位错:刃型位错如图1-8（a）所示。
图1-8 刃型位错示意图
②螺型位错:螺型位错如图1-9所示。
图1-9
螺型位错示意图
(3)面缺陷
面缺陷是指在两个方向上尺寸很大，第三个方向上尺寸很小而呈 面状分布的缺陷。面缺陷主要是指金属中的晶界和亚晶界。 晶界处的主要特征： ●原子排列不规则，因此对金属的塑性变形起着阻碍作用，晶界越多， 其作用越明显。 显然，晶粒越细，晶界总面积就越大，金属的强度 和硬度也就越高。所以在常温下使用的金 属材料，一般总是力求获 得细小的晶粒。 ●晶界处原子具有较高的能量，且杂质（往往是一些低熔点的杂质） 较多，因此其熔点较低，有时还未加热到金属的熔点，晶界处就已先 熔化了。 ●晶界处原子能量较高而容易满足固态相变所需要的能量起伏，因此 新相往往在旧相晶界处形核。晶粒越细小，晶界越多，新相的形核率 就越高。 ●晶界处有较多的空位，因此原子沿晶界的扩散速度较快。 ●晶界处电阻较高，且易被腐蚀。
(2)氧化物 • 图1-25所示为几种典型氧化物的结构。
图1-25 几种典型氧化物的结构
(3)非氧化合物 • 图1-26所示为各种非氧化合物的结构。
图1-26 各种非氧化合物的结构
玻璃相 • 玻璃相的作用包括: • ①黏连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致 密度; • ②降低烧结温度，加快烧结速度; • ③阻止晶体转变，抑制其长大; • ④获得透光性等玻璃特性; • ⑤不能成为陶瓷的主导相
金属材料的结构与组织
1.1 纯金属的晶体结构 1.晶格、晶胞与晶格常数
图1-1 晶格构造模型
晶面与晶向
图1-2 立方晶格中的一些晶面
3.金属晶体的类型 (1)体心立方晶格 (2)面心立方晶格 (3)密排六方晶格
图1-3 体心立方晶胞
图1-4 面心立方晶胞
图1-5 密排六方晶胞
1.2 金属的实际晶体结构
图1-21 应力松弛过程中分子构象变化示意图
●滞后与内耗 高聚物受周期性载荷时，产生 伸-缩的循环应变，如图1-22所示。
图1-22 橡胶在一个承载周期中点。A点为初始 状态，B点为屈服点，C点为断裂点。
●B点所对应 的屈服应变 较大，比金 属大得多。 ●缩颈变形 阶段很长，C 点所对应的 断裂伸长量 较大。
材料的结构与组织
1 金属材料的结构与组织 1 ．1 纯金属的晶体结构 1 ．2 金属的实际晶体结构 1 ．3 合金的晶体结构 1 ．4 金属材料的组织 2 高分子材料的结构与性能 1 高分子材料的结构 2 高分子材料的性能 3 陶瓷材料的结构与性能 3 ．1 陶瓷材料的结构 3 ．2 陶瓷材料的性能
1.晶体相 （1）硅酸盐
图1-24 硅氧四面体结构
②硅氧四面体只能通过共用顶角 而相互结合; ③ Si4+通过 O1-结合， Si—O— Si的结合键在氧上的键角接近于 145° ; ④稳定的硅酸盐结构中，硅氧四 面体采取最高空 间维数互相结 合; ⑤硅氧四面体采取比较紧密的结 构结合; ⑥同一结构中硅氧四面体最多只 相差1个氧原子。
图1-23 高聚物的应力-应变曲线
3 陶瓷材料的结构与性能
• • • • 3.1 陶瓷材料的结构 按照组织形态陶瓷材料分为三类。 无机玻璃－即硅酸盐玻璃 微晶玻璃－即玻璃陶瓷，是单个晶体分布 在非晶态的玻璃基体上的一类陶瓷材料。 • 陶瓷（晶体陶瓷）
陶瓷的典型组织结构包括： 晶体相（莫来石和石英） 硅酸盐基本结构具有以下特点: 玻璃相 ①构成硅酸盐的基本单元为硅氧 四面体结构，如图1-24所示; 气相
图1-29 晶格构造模型
总之，陶瓷材料的性能特点是: 具有不可燃烧性、高耐热性、高化 学稳定性、不老化性、高硬度和良 好的抗压能力，但脆性很高，温度 急变抗力很低，抗拉、抗弯性能差。
思考题
• • • • • • • • • • 1-1 什么叫晶体?什么叫非晶体? 1-2 什么叫晶格?什么叫晶胞? 1-3 常见的金属晶体有哪几种? 1-4 铁有哪几种同素异晶体? 1-5 晶体缺陷有哪几种?它们对力学性能有什么影响? 1-6 什么叫固溶体?什么叫固溶强化现象? 1-7 什么叫金属化合物?它有何特征? 1-8 什么叫金属的组织? 1-9 试述晶粒大小与力学性能的关系。 1-10 什么叫高分子材料?简述高分子材料的结构。
(2)形态 • 大分子链呈现不同的几何形状，主要有线型、支 化型和体型三类，如图1-12所示。 ①线型分子链；②支化型分子链；③体型(网型或 交联型)。
图1-12 大分子链的形态
(3)空间构型 • 图1-13 所示为乙烯聚合物常见的三种空间构型。
图1-13 乙烯聚合物的立体异构
大分子链的构象及柔性
图1-16 线型非晶态高聚物在恒定载荷下的变形-温度曲线
(2)高分子材料的力学性能特点
高聚物的性能由硬脆、强硬、强韧、柔韧而缓慢地发 生变化，其应力应变曲线如图1-17所示。有机玻璃具有这 类典型的变化规律。 图1-18为高聚物在不同加载速度时的应力应变。高聚 物大都服从这种规律。
图1-17 非晶态高聚物在不同温度时的 图1-18 高聚物在不同加载速度时的 应力-应变曲线 应力-应变曲线
图1-10 晶格结构模型
1.4 金属材料的组织
1.组织的概念 组织的决定因素 3.组织与性能的关系 • 不同组织结构的材料具有不同的性能
综上所述，金 属材料的成分、 工艺、组织结构 和性能之间有着 密切的关系。
图1-11 两种晶粒大小不同的纯铁示意图
2 高分子材料的结构与性能
• • • • 1 高分子材料的结构 1.大分子链的构成 (1)化学组成 组成大分子链的化学元素，主要是碳、氢、氧， 另外还有氮、氯、氟、硼、硅、硫等，其中碳是 形成大分子链的主要元素。 • 大分子链根据组成元素不同可分为三类，即碳链 大分子、杂链大分子和元素链大分子。
图1-14 分子链的内旋转示意图
3.高分子材料的聚集态 • 图1-15为聚合物三种聚集态结构示意图。
图1-15 聚合物三种聚集态结构示意图
2 高分子材料的性能
• • • • • 1.高分子材料的物理性能和化学性能特点 (1)绝缘性 (2)耐热性 (3)耐蚀性 (4)老化
高分子材料的力学性能 • (1)高聚物的物理、力学状态 • 线型非晶态高聚物的三种力学状态为玻璃态、高弹态和黏 流态。 • 如图1-16所示。 图中Tb为脆化温度、Tg为玻璃化温度、 Tf为黏流温度、Td为分解温度。
总之，实际金属的晶体结构不是理 想完整的，而是存在着各种晶体缺陷， 并且这些缺陷在不断地运动变化着， 金属中的许多重要变化过程，都是依 靠晶体缺陷的运动来进行的，并且金 属的许多性能也都与晶体缺陷密切相 关。
1.3 合金的晶体结构
1.合金的基本概念 （1）合金 （2）组元 （3）相
固溶体
• 根据溶质原子在溶剂中所处位置不同，固溶体可分为间隙 固溶体和置换固溶体两大类。 (1)间隙固溶体 如图1-10(a)所示。 (2)置换固溶体 如图1-10(b)所示。