材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)教案第一章

1、材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)The Fundamentals(Elements,Principles )of Materials Science & Engineering An Introduction to Materials Science材料科學(xué)系：劉天模緒論Introduction材料(Materials)是國(guó)民經(jīng)濟(jì)的物質(zhì)基礎(chǔ)。廣義的材料包括人們的思想意識(shí)之外的所有物質(zhì)(substance)工工農(nóng)農(nóng)業(yè)業(yè)生生產(chǎn)產(chǎn)國(guó)國(guó)防防科科學(xué)學(xué)技技術(shù)術(shù)人人民民生生活活材料品種材料品種數(shù)量國(guó)家現(xiàn)代化程度標(biāo)志之一數(shù)量國(guó)家現(xiàn)代化程度標(biāo)志之一質(zhì)量質(zhì)量材料材料能源 現(xiàn)代技術(shù)的三大支柱能源 現(xiàn)代技術(shù)的三大

2、支柱信息信息材料無(wú)處不在，無(wú)處不有簡(jiǎn)單復(fù)雜簡(jiǎn)單復(fù)雜單一性能綜合性能單一性能綜合性能結(jié)構(gòu)材料功能材料結(jié)構(gòu)材料功能材料單一材料復(fù)合材料單一材料復(fù)合材料材料發(fā)展過(guò)程我國(guó)材料的歷史進(jìn)程(Historical perspective)漫長(zhǎng)而又曲折的歷程漫長(zhǎng)而又曲折的歷程：（Stone Age）（Stone Age） 石器時(shí)代：石器時(shí)代： 石斧、鑿、刀、鏟、箭頭、石斧、鑿、刀、鏟、箭頭、 紡輪、缽等（西安半坡遺址）紡輪、缽等（西安半坡遺址）石斧 （Bronze Age)（Bronze Age)巨型司母戊鼎巨型司母戊鼎（河南安陽(yáng)晚商遺址）（河南安陽(yáng)晚商遺址）青銅器時(shí)代: 青銅器時(shí)代: 湖北江陵楚墓出土越王勾

3、踐寶劍中國(guó)古代鐵器的金相組織湖南長(zhǎng)沙砂子塘戰(zhàn)國(guó)凹形鐵鋤ron Age（I）鐵時(shí) 器代器代古代科技名著：古代科技名著：“考工記考工記”（先秦）、（先秦）、“夢(mèng)溪筆談夢(mèng)溪筆談”（宋代沈（宋代沈 括）、括）、“天工開(kāi)物天工開(kāi)物”（明代宋應(yīng)星）（明代宋應(yīng)星）明代后：封建統(tǒng)治、帝國(guó)主義侵略束縛了材料的發(fā)展明代后：封建統(tǒng)治、帝國(guó)主義侵略束縛了材料的發(fā)展 停滯狀態(tài)停滯狀態(tài)解放后：材料科學(xué)受到重視和發(fā)展，被列為現(xiàn)代技術(shù)三大支柱之一。解放后：材料科學(xué)受到重視和發(fā)展，被列為現(xiàn)代技術(shù)三大支柱之一。 一整套材料體系一整套材料體系 門(mén)類全齊門(mén)類全齊 數(shù)量數(shù)量 質(zhì)量質(zhì)量 鋼鐵突破鋼鐵突破2 2億噸大關(guān)億噸大關(guān) 世界第一世

4、界第一 原子彈、氫彈、人造衛(wèi)星、火箭原子彈、氫彈、人造衛(wèi)星、火箭長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭在發(fā)射架上的圖片長(zhǎng)征三號(hào)運(yùn)載火箭在發(fā)射架上的圖片寶鋼高爐寶鋼高爐材料分類(Classification of Materials)氯2334223342金屬材料（Metallic Materials):鋼鐵、鋁、銅、鈦合金金屬材料（Metallic Materials):鋼鐵、鋁、銅、鈦合金陶瓷材料（Ceramics）：Al O 、SiC、Si N 、SiO 、TiN陶瓷材料（Ceramics）：Al O 、SiC、Si N 、SiO 、TiN或無(wú)機(jī)非金屬材料（Inorganic Materials)或無(wú)機(jī)非金屬材

5、料（Inorganic Materials)高分子材料（High Polymers)：纖維、蛋白質(zhì)、聚乙烯、聚乙烯高分子材料（High Polymers)：纖維、蛋白質(zhì)、聚乙烯、聚乙烯Matel- MatrixMatel- Matrix復(fù)合材料（Composites)：Composites復(fù)合材料（Composites)：CompositesPolymer- MatrixPolymer- Matrix金屬材料金屬學(xué)金屬材料金屬學(xué)陶瓷材料陶瓷學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ) 突出材料共性教學(xué)陶瓷材料陶瓷學(xué)材料科學(xué)基礎(chǔ) 突出材料共性教學(xué)高分子材料高分子物理高分子材料高分子物理 材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)是研究材料的成分、材

6、料科學(xué)與工程基礎(chǔ)是研究材料的成分、組織結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系組織結(jié)構(gòu)與性能之間關(guān)系非非金金屬屬材材料料、復(fù)復(fù)合合材材料料：材材料料學(xué)學(xué)：金金屬屬材材料料、變變形形與與再再結(jié)結(jié)晶晶：材材料料變變形形學(xué)學(xué)：材材料料的的相相圖圖、熱熱處處理理：材材料料相相變變學(xué)學(xué)：凝凝固固、晶晶體體缺缺陷陷構(gòu)構(gòu)與與鍵鍵合合、固固體體結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)、：材材料料結(jié)結(jié)構(gòu)構(gòu)學(xué)學(xué)：原原子子結(jié)結(jié)VIIII II I綜綜合合實(shí)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)常常用用材材料料組組織織觀觀察察察察鐵鐵碳碳合合金金非非平平衡衡組組織織觀觀鐵鐵碳碳合合金金平平衡衡組組織織觀觀察察材材料料電電阻阻溫溫度度系系數(shù)數(shù)測(cè)測(cè)定定材材料料密密度度測(cè)測(cè)定定驗(yàn)驗(yàn)材材料料科科學(xué)學(xué)與與工工程

7、程基基礎(chǔ)礎(chǔ)實(shí)實(shí)學(xué)習(xí)方法： 培養(yǎng)能力為主，學(xué)習(xí)知識(shí)為輔 要掌握正確的思維方式，不要死記硬背 認(rèn)真記好筆記，課后短時(shí)復(fù)習(xí) 抓住主線條，不鉆牛角尖 考試前及早復(fù)習(xí)，不要臨陣磨槍 積極參加答疑，不要閉門(mén)復(fù)習(xí)第一章 材料的結(jié)構(gòu)Structure of Materialv材料的性能取決于材料的成分、加工工藝和結(jié)構(gòu)。材料的性能取決于材料的成分、加工工藝和結(jié)構(gòu)。v材料結(jié)構(gòu)學(xué)是材料科學(xué)體系中最重要的學(xué)科之一。材料結(jié)構(gòu)學(xué)是材料科學(xué)體系中最重要的學(xué)科之一。第一節(jié) 結(jié)合鍵Binding Bond一、結(jié)合力與結(jié)合能雙原子模型： d0dcAB結(jié)合力排斥力吸引力原子間距d排斥力FF吸引力d0dcAB結(jié)合能排斥能吸引能原子間

8、距d排斥能吸引能EAB （a） （b）圖11 雙原子作用模型二、結(jié)合鍵離子鍵氯鈉 NaCl的晶體結(jié)構(gòu) Si形成的四面體109金屬離子 金屬鍵模型電子氣共價(jià)鍵金屬鍵分子鍵和氫鍵三、材料的鍵性 金屬材料 金屬材料的結(jié)合鍵主要是金屬鍵。 金屬特性：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性好；正電阻溫度系數(shù)；好的延展 性；金屬光澤等。陶瓷村料 陶瓷材料是包含金屬和非金屬元素的化合物，其結(jié)合鍵主要是離子鍵和共價(jià)鍵，大多數(shù)是離子鍵。離子鍵賦予陶瓷材料相當(dāng)高的穩(wěn)定性，所以陶瓷材料通常具有極高的熔點(diǎn)和硬度，但同時(shí)陶瓷材料的脆性也很大。高分子材料 高分子材料的結(jié)合鍵是共價(jià)鍵、氫鍵和分子鍵。其中，組成分子的結(jié)合鍵是共價(jià)鍵和氫鍵，而分子間的

9、結(jié)合鍵是范德華鍵。盡管范德華鍵較弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子間的作用力也相應(yīng)較大，這使得高分子材料具有很好的力學(xué)性能 第二節(jié) 晶體學(xué)基礎(chǔ) Fundamentals of crystallogphy一、晶體的概念晶體的特性 晶體的三大特征： 原子排列有序；有固定的熔點(diǎn)；各向異性。空間點(diǎn)陣和晶胞caX b YZ （a） （b） （c）簡(jiǎn)單立方晶體（a） 晶體結(jié)構(gòu) （b） 晶格 （c） 晶胞二、配位數(shù)和致密度配位數(shù) 所謂配位數(shù)是指晶體中與任一個(gè)原子最近鄰、等距離的原子數(shù)目。 致密度 若把原子看成剛性球，則原子之間必有空隙存在，可用原子剛球所占體積與晶體體積之比來(lái)表示晶體結(jié)構(gòu)排列的緊密程度

10、，稱為致密度或密集系數(shù)。可用下式表示： VnVK0例：計(jì)算簡(jiǎn)單立方晶體的致密度解：簡(jiǎn)單立方：晶格常數(shù)為a，原子半徑為一個(gè)晶胞內(nèi)所含的原子數(shù) ； ；所以：致密度a211881n330612134aaV3aV 61633aaK三、晶向指數(shù)和晶面指數(shù) 在晶體中，由一系列原子所組成的平面稱為晶面，任意兩個(gè)原子之間連線所指的方向稱為晶向。為了確定晶向、晶面在晶體中的空間位向，就需要引入一個(gè)統(tǒng)一的規(guī)則來(lái)標(biāo)志它們，這種統(tǒng)一的標(biāo)志，叫做晶向指數(shù)和晶面指數(shù)。國(guó)際上通用的是密勒（Miller）指數(shù)。晶向指數(shù)晶向指數(shù)的確定步驟如下：（1）以晶胞中的某一陣點(diǎn)為原點(diǎn)，以三條棱邊為X、Y、Z軸，并以晶胞棱邊的長(zhǎng)度為單位長(zhǎng)

11、度；（2）如果所求晶向未通過(guò)坐標(biāo)原點(diǎn)，過(guò)原點(diǎn)引一條平行于所求晶向的有向直線；（3）在所引直線上取離原點(diǎn)最近的那個(gè)原子，求出其在X、Y、Z軸上的坐標(biāo)；（4）將三個(gè)坐標(biāo)值按比例化為最小整數(shù)，依次記入方括號(hào) 中，即得所求晶向指數(shù)。 通常以u(píng)vw表示晶向指數(shù)的普遍形式，若其中某數(shù)為負(fù)值，應(yīng)將負(fù)號(hào)標(biāo)注在該數(shù)的上方，例如 。 111110110111100 XYZ圖17 立方晶系中的三個(gè)重要晶向如圖給出了立方晶系中的一些主要晶向的晶向指數(shù)。 對(duì)于一個(gè)晶向指數(shù)，表示的不是一個(gè)具體的方向，而是所有相互平行，方向一致的晶向。如果兩個(gè)晶向指數(shù)數(shù)值大小相等，符號(hào)相反，則這兩組晶向相互平行但是方向相反。 晶向族 在立

12、方晶系中：111、111、111、111、111、111、111、111八個(gè)晶向，指的是立方體中四個(gè)對(duì)角線的方向。從晶體的對(duì)稱關(guān)系來(lái)看，這一組晶向在性質(zhì)上是等同的，故總稱之為晶向族。原子排列情況相同，但空間位向不同的所有晶向稱為晶向族，用表示，上述八個(gè)晶向即可用表示。 同理，代表：100、010、001、100、010、001 六個(gè)晶向。 應(yīng)當(dāng)指出，只有在立方晶系中晶向族各晶向指數(shù)可以通過(guò)改變指數(shù)和正負(fù)號(hào)的排列組合方式求出。對(duì)于其他晶系并不一定適用。 晶面指數(shù) 晶面指數(shù)的一般表達(dá)式為（hkl），其確定步驟如下： （1）與確定晶面指數(shù)類似建立坐標(biāo)系，但坐標(biāo)原點(diǎn)應(yīng)位于待定晶面之外，以避免出現(xiàn)零截距

13、。 （2）以晶格常數(shù)為長(zhǎng)度單位求出待定晶面在各軸上的截距。若晶面與某軸平行，則認(rèn)為該晶面在該軸上的截距為無(wú)窮大，其倒數(shù)為零。 （3）取截距的倒數(shù)，將其化為最小整數(shù)，置于圓括號(hào)內(nèi)，寫(xiě)成（hkl）的形式，即得晶面指數(shù)。 如圖給出了一些立方晶系中的一些主要晶面的晶面指數(shù)。 XXXYYYZZZ（100）（111）（110）立方晶格中的三種重要晶面 與晶向指數(shù)類似，如果有截距為負(fù)值，應(yīng)將負(fù)號(hào)記在相應(yīng)的指數(shù)上面。晶面指數(shù)（hkl）不是指一個(gè)晶面，而是代表一組相互平行的晶面。當(dāng)兩個(gè)晶面指數(shù)的數(shù)字和順序完全相同而符號(hào)相反時(shí)，則這兩個(gè)晶面相互平行。 晶面族 在同一晶體結(jié)構(gòu)中，有些晶面上的原子排列和晶面間距完全相

14、同，但具有不同的空間位向，這些晶面均歸并為一個(gè)晶面族，用表示。例如，在立方晶系中： 100包括（100）,（010）,（001） 110包括（110）,（101）,（011）,（110）,（101）,（011） 111包括（111）,（111）,（111）,（111） 晶面族不僅包括了相互平行的一組晶面，而且也包括了位向不同，但晶面間距相等、原子排列相同的若干組平行晶面。 在立方晶系中，hkl晶面族所包括的晶面可用改變h、k、l的正負(fù)號(hào)及數(shù)字的排列組合來(lái)求得。但是這種方法不適用于其他晶系。 晶面指數(shù)的幾何意義 XYZNO晶面指數(shù)與晶面位向間的關(guān)系A(chǔ)BCD；haOA ；kaOB ；laOC ；O

15、AODcos；OBODcos；OCODcosOCOBOA1:1:1cos:cos:coslkh:cos:cos:cos即：從立體幾何可知，在正交晶系中： 1coscoscos222所以，只要晶面指數(shù)一旦確定，晶面位向即可求得。因此，晶面（hkl）的法線矢量為： )(1222k lj ki hlkhON即晶面（hkl）的法線與晶向hkl的方向平行，這就是晶面指數(shù)的幾何意義。 如圖：ON為晶面（hkl）的法線，ON與該晶面交于D點(diǎn)；OA、OB、OC分別為（hkl）在X、Y、Z軸上的截距；ON與X、Y、Z軸之間的夾角分別為、；cos、cos、cos就是法線ON的方向余弦。立方點(diǎn)陣中晶胞的三個(gè)基矢相等

16、，設(shè)其為a，則根據(jù)晶面指數(shù)的確定方法可知：晶帶 平行或相交于同一直線的一組晶面組成一個(gè)晶帶。這一組晶面叫做共帶面，而該直線（用晶向指數(shù)表示）叫做晶帶軸。同一晶帶中各晶面的法線均與晶帶軸垂直。 在立方晶系中，晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的數(shù)字和順序相同時(shí)，該晶向垂直于該晶面，則有hkl(hkl)，就是說(shuō)該晶向即為該晶面的法線。若晶帶軸的指數(shù)為uvw，由矢量代數(shù)可以證明，該晶帶軸中的任一晶面（hkl）與晶帶軸指數(shù)間具有下列關(guān)系：0lwkvhu該式又稱為晶帶方程。第三節(jié) 金屬及合金的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)Structure Characteristic of Metal & Alloy 一、常見(jiàn)純金屬的晶格類型 體心立方晶

17、格：記為BCC姓名語(yǔ)文數(shù)學(xué)英語(yǔ)物理李小紅85939094劉兵8394曾小玲8189 （a） （b） （c）體心立方晶胞（a） 模型； （b） 晶胞； （c） 晶胞原子數(shù)屬于這種晶格類型的金屬有-Fe、Cr、W、Mo、V等 致密度：晶格常數(shù)為a，原子半徑為 ； ； ； 所以：致密度 a4321881n3301634334aaV3aV 68. 08311632330aaVnVK配位數(shù)為8面心立方晶格：記為FCC 屬于這種晶格類型的金屬有Fe、Cu 、Al 、Ag、Au、Pb、Ni等。 （a） （b） （c）面心立方晶胞（a） 模型； （b） 晶胞； （c） 晶胞原子數(shù) 配位數(shù)12；致密度0.74密

18、排六方晶格：記為HCP 密排六方晶格的晶胞是一個(gè)六方柱體，由六個(gè)呈長(zhǎng)方體的側(cè)面和兩個(gè)呈六邊形的底面所組成，如圖所示。屬于這種晶格類型的金屬有Mg、Zn、Be、Cd等。 （a） （b） （c）密排六方晶胞（a） 模型； （b） 晶胞； （c） 晶胞原子數(shù)配位數(shù)：12；致密度：0.74（與面心立方相同）晶胞中的間隙 由致密度計(jì)算結(jié)果可知，晶體中應(yīng)存在一定數(shù)量的間隙。例如，對(duì)于體心立方，致密度k0.68，說(shuō)明僅有68的體積被原子占有，存在32的間隙。這些間隙對(duì)金屬的性能，合金的相結(jié)構(gòu)，擴(kuò)散以及相變等都有重要的影響。從幾何形狀上看，晶格中有兩種間隙：八面體間隙和四面體間隙。 金屬原子八面體間隙金屬原子

19、四面體間隙(a)(b)體心立方結(jié)構(gòu)中的間隙(a) 八面體間隙(b) 四面體間隙 面心立方晶格中也有八面體間隙與四面體間隙兩種，如圖所示，它們分別是正八面體間隙和正四面體間隙 金屬原子八面體間隙金屬原子四面體間隙(a)(b)面心立方結(jié)構(gòu)中的間隙(a) 八面體間隙(b) 四面體間隙原子的堆垛方式 前面已指出，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度與配位數(shù)完全一致，均屬于最密排列晶格，但是晶格類型卻不同，為了搞清這個(gè)問(wèn)題，就需要了解原子的堆垛方式。 面心立方結(jié)構(gòu)的原子堆垛方式 密排六方的原子堆垛方式 A層B層C層A層B層C層 面心立方晶胞原子堆垛方式 密排六方晶胞原子堆垛方式二、實(shí)際金屬的晶體結(jié)構(gòu)單晶體

20、與多晶體 晶體中原子排列規(guī)律相同，晶格位向一致的晶體，稱為單單晶體晶體。在實(shí)際應(yīng)用中金屬材料中較少的用單晶體金屬，工程上使用的金屬材料，幾乎都是多晶體材料。 通常使用的金屬都是由很多小晶體組成的，這些小晶體內(nèi)部的晶格位向是均勻一致的，而它們之間，晶格位向卻彼此不同，這些外形不規(guī)則的顆粒狀小晶體稱為晶粒晶粒。每一個(gè)晶粒相當(dāng)于一個(gè)單晶體。晶粒與晶粒之間的界面稱為晶界晶界。這種由許多晶粒組成的晶體稱為多晶體多晶體。 點(diǎn)缺陷 點(diǎn)缺陷是指在晶體空間中，其長(zhǎng)、寬、高尺寸都很?。ㄏ喈?dāng)于原子尺寸）的一種缺陷。晶體的點(diǎn)缺陷主要包括三種形式：晶體空位、間隙原子和置換原子，如圖所示。 晶體中的點(diǎn)缺陷 空位； 間隙原

21、子； 置換原子線缺陷 線缺陷是指在三維空間中兩維方向的尺寸較小，在另一維方向的尺寸相對(duì)較大的缺陷，所以又稱為一維缺陷。晶體中最普通的線缺陷就是位錯(cuò)。 位錯(cuò)是晶格中的某處有一列或若干列原子發(fā)生了某些有規(guī)律的錯(cuò)排現(xiàn)象。這種錯(cuò)排現(xiàn)象是晶體內(nèi)部局部滑移造成的，根據(jù)局部滑移的方式不同，可以形成不同類型的位錯(cuò)，最簡(jiǎn)單、最基本的類型有刃型位錯(cuò)刃型位錯(cuò)和螺型位錯(cuò)螺型位錯(cuò)兩種，由它們組合可以構(gòu)成混合位錯(cuò)和不全位錯(cuò)等線缺陷。 刃型位錯(cuò) （a)立體模型 （b）平面圖 刃型位錯(cuò)示意圖 G H E F晶體局部滑移造成的刃型位錯(cuò)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)示意位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)示意螺型位錯(cuò)CBAD(b)（a）立體模型 ；（b）平面圖 螺型位錯(cuò)示意圖A

22、BCD(a )螺型位錯(cuò)示意圖螺型位錯(cuò)示意圖柏氏矢量 柏氏矢量是描述位錯(cuò)幾何特性最重要的參數(shù)之一。柏氏矢量由柏氏回路確定。bllb柏氏矢量的物理意義： 柏氏矢量代表晶體的滑移方向。面缺陷 晶體中的面缺陷是指在兩個(gè)方向尺寸很大而第三方向尺寸很小，呈面狀分布的缺陷。這類缺陷主要是晶粒邊界和亞晶界。 晶界 晶界是兩相鄰晶粒間的過(guò)渡界面。由于相鄰晶粒間彼此位向各不相同，故晶界處的原子排列與晶內(nèi)不同，它們因同時(shí)受到相鄰兩側(cè)晶粒不同位向的綜合影響，而做無(wú)規(guī)則排列或近似于兩者取向的折衷位置的排列，這就形成了晶體中的重要的面缺陷。 晶界是晶體中的一種重要的缺陷。由于晶界上的原子排列不規(guī)則，脫離平衡位置，所以晶界

23、具有較高的能量，使其具有一系列不同于晶粒內(nèi)部的特征。例如，晶界比晶粒容易被腐蝕，熔點(diǎn)較低；原子沿晶界擴(kuò)散速度快；在常溫下晶界對(duì)金屬的塑性變形起阻礙作用。因此，金屬材料晶粒愈細(xì)小，則晶粒愈多，其室溫強(qiáng)度愈高。亞晶界 實(shí)驗(yàn)表明，在實(shí)際金屬的一個(gè)晶粒內(nèi)部晶格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差異的小晶塊（位向差一般不超過(guò)2），如圖127所示。這些小晶塊稱為亞結(jié)構(gòu)，。亞結(jié)構(gòu)之間的界面稱為亞晶界。亞晶界實(shí)際上是由一系列的位錯(cuò)所組成。亞晶界上原子排列也不規(guī)則，具有較高的能量，與晶界類似的特征，故細(xì)化亞結(jié)構(gòu)，可顯著提高金屬的強(qiáng)度。 晶界示意圖 亞晶界示意圖固溶體 固溶體是指固態(tài)下以某一合金組元為溶劑，在其

24、晶格中溶入其他組元原子（溶質(zhì)）后形成的一種合金相，其特點(diǎn)是固溶體具有溶劑組元的晶格類型。 置換固溶體 溶劑原子 溶質(zhì)原子 置換固溶體示意圖固溶體中溶質(zhì)原子引起的晶格畸變示意圖 （a）正畸變 （b）負(fù)畸變(a)(b) 間隙固溶體 當(dāng)溶質(zhì)與溶劑原子半徑的比值rb/ra0.59時(shí)，形成間隙固溶體。溶質(zhì)原子填充到溶劑晶格的間隙中形成間隙固溶體，如圖所示。形成間隙固溶體的溶質(zhì)原子通常都是一些原子半徑小的非金屬元素，如氫（0.046nm）、氧（0.061nm）、氮（0.071nm）、碳（0.077nm）、硼（0.097nm），溶劑則大多數(shù)是過(guò)渡族元素。 溶劑原子溶質(zhì)原子 間隙固溶體示意圖金屬間化合物 在合

25、金中，溶質(zhì)原子濃度超過(guò)固溶體的固溶極限時(shí)，將會(huì)形成一種晶格結(jié)構(gòu)，特性完全不同任一組元的新相，因其具有金屬性質(zhì)，稱之為金屬間化合物。由于它們常處在相圖的中間位置，所以又被稱為中間相。中間相分為正常價(jià)化合物、電子化合物和間隙化合物三種。 正常價(jià)化合物 正常價(jià)化合物就是符合原子價(jià)規(guī)律的，受電負(fù)性控制的一種金屬化合物。如MnS、MgS、Mg2Si 等。正常價(jià)化合物的熔點(diǎn)，硬度及脆性均較高。 電子化合物 電子化合物通常是IB族或過(guò)渡族元素與B、A、A和A族元素所組成，它們不遵守化合價(jià)規(guī)律而是按照一定電子濃度比值形成金屬間化合物。電子濃度不同，晶體結(jié)構(gòu)類型也不同。 間隙相 間隙相具有比較簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)，如

26、面心立方、密排六方和簡(jiǎn)單六方等。金屬占據(jù)晶格中的正常結(jié)點(diǎn)位置，而非金屬位于晶格的間隙之中。 間隙化合物 間隙化合物主要是過(guò)渡族元素和碳原子所形成的碳化物。在合金鋼中常見(jiàn)的主要是M3C型（如F3C），M7C3型（如Cr7C3）等。間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)都很復(fù)雜，部分金屬元素往往會(huì)被另外一種或幾種元素所置換，而形成更為復(fù)雜的化合物，如(Fe、Mn)3C等。V原子C原子 (a) (b)間隙相和間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)（a）間隙相VC （b）間隙化合物第四節(jié)第四節(jié) 高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)高分子材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) Polymer Structures一、高分子材料概述一、高分子材料概述高分子的含義 高分子化合物是經(jīng)

27、常用到和見(jiàn)到的各種塑料、橡膠、纖維等非金屬材料的總稱。所謂高分子是是指分子量特別大的有機(jī)化合物，是由一種或者多種單體，通過(guò)聚合反應(yīng)形成的相對(duì)分子質(zhì)量很大的化合物，它是相對(duì)于低分子而言。 一般地說(shuō)，低分子化合物沒(méi)有什么強(qiáng)度和彈性，而高分子化合物則具有一定的強(qiáng)度和彈性。高分子的組成 由一種或幾種簡(jiǎn)單的低分子有機(jī)化合物結(jié)以重復(fù)的方式連接而成，就像一根鏈條由眾多鏈環(huán)連接在一起一樣。 大分子鏈中的重復(fù)結(jié)構(gòu)單元稱之為“鏈節(jié)”。組成大分子鏈時(shí)，鏈節(jié)的數(shù)目（n）叫做聚合度。聚合度和高分子的分子量有如下關(guān)系：M=mn M-高分子的分子量 n-高分子的聚合度 m-鏈節(jié)的分子量高分子的基本特點(diǎn) 高分子具有和低分子截

28、然不同的結(jié)構(gòu)特征： （1）大分子的可分割性：低分子物質(zhì)的分子不能用一般的機(jī)械方法把它分開(kāi)。如果把它分開(kāi)，它就改變性質(zhì)（即分解）成另外的物質(zhì)。高分子則不然，因?yàn)樗肿雍艽蟆Ｒ粋€(gè)分子量很大的分子用外力把它拉斷或切開(kāi)，變成兩個(gè)分子后，高分子化合物的性質(zhì)一般沒(méi)有明顯的改變。高分子結(jié)構(gòu)的這種特征稱為可分割性。 （2）具有彈性：高分子化合物在外力作用下容易發(fā)生變形，當(dāng)外力解除，這種變形就可以恢復(fù)到原狀。 （3）具有可塑性：高分子化合物受熱以后先是經(jīng)過(guò)一個(gè)較長(zhǎng)的軟化過(guò)程，而后才能變?yōu)榭闪鲃?dòng)的液體。因?yàn)楦叻肿踊衔锸怯珊荛L(zhǎng)的大分子鏈所構(gòu)成，當(dāng)鏈的某一部分受熱時(shí)，這一部分鏈的運(yùn)動(dòng)能量增加，但由于大分子鏈不易傳熱

29、，因此，除了這一部分受熱外，鏈的其他部分則受熱不多，這些部分的運(yùn)動(dòng)能量就不大。只有經(jīng)過(guò)一個(gè)較長(zhǎng)的時(shí)間和溫度間隔，分子鏈?zhǔn)軣岵糠植粩鄶U(kuò)大，整個(gè)大分子鏈才會(huì)變軟?？傊?，高分子化合物不可能一下子達(dá)到由固體狀態(tài)變?yōu)橐后w狀態(tài)。這是高分子化合物具有可塑性的原因。 （4）具有絕緣性：高分子化合物對(duì)電、熱、聲具有良好的絕緣性能。從結(jié)構(gòu)上看這是因?yàn)楦叻肿踊衔锎蠖际怯袡C(jī)化合物，分子中的化學(xué)鍵都是共價(jià)鍵，不能電離，因此不能傳遞電子，又因?yàn)榇蠓肿映黍榍鸂顟B(tài)，互相糾纏在一起，在受熱，受聲作用之后，分子不易振動(dòng)起來(lái)，因而它對(duì)熱、聲也具有絕緣性。 二、大分子鏈的分子量及其分布二、大分子鏈的分子量及其分布高聚物分子量的多分

30、散性 高聚物的分子量有兩個(gè)特點(diǎn)，一是分子量很大，二是分子量多分散性。對(duì)于低分子化合物而言，每種分子都有確定的分子量，分子大小一樣，所以都有固定的分子量。而絕大多數(shù)高分子聚合物都是分子量不等的同系物的混合物。例如通常所說(shuō)分子量10萬(wàn)的聚乙烯，可能是由分子量2萬(wàn)20萬(wàn)大小不同的聚乙烯分子組成的，這種現(xiàn)象稱為分子量的多分散性多分散性。 高聚物材料是數(shù)量眾多的大分子鏈的聚集體，由于大分子鏈長(zhǎng)短不同，每根大分子鏈的分子量也不同。高聚物的分子量用“平均分子量平均分子量”表示，高聚物分子量不是一個(gè)確定值，而是一個(gè)數(shù)值范圍。根據(jù)統(tǒng)計(jì)平均方法不同，其分子量的表示也不同。如果按高聚物中各級(jí)分的分子數(shù)平均叫“數(shù)均分

31、子量數(shù)均分子量”，以表示；如果按高聚物中各級(jí)分的重量平均，得到的是“重均分子量重均分子量”，用表示。此外還有粘均分子量和Z均分子量等。 常用統(tǒng)計(jì)平均分子量的表示 數(shù)均分子量 按分子數(shù)的統(tǒng)計(jì)平均，定義為： 式中：Mi：第i組分子的單分子質(zhì)量；Ni：第i組分子的分子數(shù)。 重均分子量 按重量的統(tǒng)計(jì)平均，定義為： 式中：Wi：第i組分子的總質(zhì)量。iiiiinNMNMiiiiiwWMWM分子量的分布 若要確切地描繪高聚物試樣的分子量，除了給出分子量的統(tǒng)計(jì)平均值外，還應(yīng)給出試樣的分子量分布，最理想的是能知道該試樣的分子量分布曲線。如圖所示為高聚物的分子量分布，它表示該高聚物中具有各種分子量的大分子鏈的重量

32、是不同的。 高聚物重量W 分子量M高聚物分子量分布及重均分子量三、大分子鏈的組成和構(gòu)造三、大分子鏈的組成和構(gòu)造組成大分子鏈的元素（1）碳鏈聚合物 主鏈由碳原子一種元素組成。其主鏈結(jié)構(gòu)如下：CCCCCC乙烯基聚合物就是屬于碳鏈聚合物的一種。其鏈節(jié)結(jié)構(gòu)如下： 其中，R叫做官能團(tuán)或側(cè)基，官能團(tuán)不同，得到的聚合物也不同。如R換為Cl，得到氯乙烯；R換為OH（羥基），得到乙烯醇；R換為CH3，得到丙烯。 H HC CH R （2）雜鏈聚合物 主鏈除碳外，還有其它元素。如： CCOC CCHC CCSC 聚酯就是一種典型的雜鏈聚合物，其特征是在碳主鏈中嵌入一個(gè)酯鍵： O CO （3）元素有機(jī)聚合物 主鏈由

33、氧和其它元素組成，如： OSiOSiO 在大分子鏈中常見(jiàn)的C、H、O、N等元素都是原子量較小的輕元素。這就決定了高聚物材料比重較?。ㄒ话阒挥?.92.0），只有鋼鐵的1/41/7。高分子鏈結(jié)構(gòu)單元的鍵接方式和構(gòu)型 大分子鏈形成后，由共價(jià)鍵固定的鏈內(nèi)原子和原子團(tuán)的幾何排列即固定不變。任何大分子鏈都是由鏈節(jié)按一定的方式連接而成的。 鍵接方式鍵接方式：結(jié)構(gòu)單元在鏈中的連接方式和順序決定于單體及合成反應(yīng)的性質(zhì)。 空間構(gòu)型：空間構(gòu)型：高分子中結(jié)構(gòu)單元由化學(xué)鍵所固定的原子在空間的幾何排列稱為分子鏈的構(gòu)型構(gòu)型。即使分子鏈組成相同，但由于取代基的位置不同，也可有不同的立體構(gòu)型。如乙烯類高分子鏈一般有以下三種立

34、體構(gòu)型： 1）全同立構(gòu) 取代基R全部處于主鏈的同一側(cè)。 2）間同立構(gòu) 取代基R相間地分布在主鏈的兩側(cè)。 3）無(wú)規(guī)立構(gòu) 取代基R在主鏈的兩側(cè)作不規(guī)則的分布。 高分子鏈的構(gòu)象及柔順性 （1）高分子鏈的構(gòu)象 單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn) 由于單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)所引起的原子在空間占據(jù)不同位置所構(gòu)成的分子鏈的各種形象，稱為高分子鏈的構(gòu)象。（2）高分子鏈的柔順性 由構(gòu)象變化獲得不同卷曲程度的特性，稱為高分子鏈的柔順性。高分子鏈的柔順性與單鍵內(nèi)旋轉(zhuǎn)難易程度有關(guān)。 C1 109o28， C2 C3C4碳鏈CC鍵的內(nèi)旋轉(zhuǎn)示意圖伸展鏈無(wú)規(guī)線團(tuán)鏈折疊鏈螺旋鏈 單個(gè)大分子鏈的幾種構(gòu)象示意圖高分子鏈的幾何形狀 由于聚合反應(yīng)的復(fù)雜性，在合成聚合物

35、的過(guò)程中，可以發(fā)生各種各樣的反應(yīng)形式，所以高分子鏈也會(huì)呈現(xiàn)出各種不同的形態(tài)。一般說(shuō)來(lái)，高分子鏈的幾何形狀有以下三種： （1）線型高分子線型高分子：由許多鏈節(jié)組成的長(zhǎng)鏈，通常是卷曲成線團(tuán)狀。這類高聚物的特點(diǎn)是彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性高聚物。此類材料加熱后軟化，冷卻后又硬化成型，隨溫度變化可以反復(fù)進(jìn)行。聚乙烯、聚氯乙烯等烯類聚合物都屬于典型的熱塑性高聚熱塑性高聚物物。 （2）支鏈型高分子 在主鏈上帶有支鏈。這類高聚物的性能和加工都接近于線型高分子，也屬于熱塑性高聚物熱塑性高聚物。 （3）體型(網(wǎng)狀)高分子 分子鏈之間有許多鏈節(jié)互相交聯(lián)，呈三維網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。這類高聚物的硬度高、脆性大、無(wú)彈性和塑性

36、，是熱固性高聚物熱固性高聚物。此類材料受熱發(fā)生化學(xué)變化而固化成型，成型后再受熱也不會(huì)軟化變形，如酚醛樹(shù)脂、環(huán)氧樹(shù)脂等。 三、高分子材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)三、高分子材料的聚集態(tài)結(jié)構(gòu) 組成物質(zhì)的分子聚集在一起的狀態(tài)稱為物質(zhì)的聚集態(tài)。一般物質(zhì)的聚集態(tài)可分為氣體、液體和固體。高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)，是指高分子材料內(nèi)部高分子鏈之間的幾何排列和堆砌結(jié)構(gòu)，也稱為超分子結(jié)構(gòu)，它是在高分子材料加工成型過(guò)程中形成的。高分子鏈之間以范德瓦爾斯鍵或氫鍵結(jié)合，鍵雖弱，但因分子鏈很長(zhǎng)，故鏈間總作用力為各鏈節(jié)作用力與聚合度之積，因而大大超過(guò)鏈內(nèi)共價(jià)鍵。顯然，高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)與高分子材料的性能有著直接關(guān)系。 第五節(jié) 無(wú)機(jī)非金屬材料的

37、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)Structures of Inorganic Nonmetallic Materials (Ceramics)陶瓷是由金屬和非金屬的無(wú)機(jī)化合物所構(gòu)成的多晶多相固體物質(zhì)，它實(shí)際上是各種無(wú)機(jī)非金屬材料的統(tǒng)稱。傳統(tǒng)上“陶瓷”是陶器與瓷器的總稱。后來(lái)，發(fā)展到泛指整個(gè)硅酸鹽材料，包括玻璃、水泥、耐火材料、陶瓷等。 一、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)一、陶瓷材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn) 陶瓷材料在熱和化學(xué)環(huán)境中比它們的組元更穩(wěn)定，通常比相應(yīng)的金屬或聚合物更硬。陶瓷和金屬類似，具有晶體構(gòu)造，但與金屬不同的是其結(jié)構(gòu)中并沒(méi)有大量的自由電子。這是因?yàn)樘沾墒且噪x子鍵或共價(jià)鍵為主的離子晶體(如MgO、Al2O3等)或共價(jià)晶體(如Si

38、C、Si3N4等)。 在室溫下，陶瓷材料的典型組織是由晶體相、玻璃相和氣相組成。二、陶瓷晶體相二、陶瓷晶體相 晶體相是組成陶瓷的基本相，也稱主晶相。它往往決定著陶瓷的力學(xué)、物理、化學(xué)性能。例如由離子鍵結(jié)合的氧化鋁晶體組成的剛玉陶瓷，具有機(jī)械強(qiáng)度高、耐高溫及抗腐蝕等優(yōu)良性能。氧化物結(jié)構(gòu)和硅酸鹽結(jié)構(gòu)是陶瓷晶體中最重要的兩類結(jié)構(gòu)。它們的共同特點(diǎn)是：結(jié)合鍵主要是離子鍵，或含有一定比例的共價(jià)鍵；有確定的成分，可以用準(zhǔn)確的分子式表示。 氧化物結(jié)構(gòu) 氧化物結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)是較大的氧離子緊密排列成晶體結(jié)構(gòu)，較小的正離子填充在它們的空隙內(nèi)。根據(jù)正離子所占空隙的位置和數(shù)量的不同，形成各種不同結(jié)構(gòu)的氧化物，如下表所示。

39、結(jié)構(gòu)類型晶體結(jié)構(gòu) 陶瓷中主要化合物 AX型面心立方堿土金屬氧化物MgO、BaO等，堿金屬鹵化物，堿土金屬硫化物AX2型面心立方CaF2(螢石)、ThO2、VO2等簡(jiǎn)單四方TiO2(金紅石)、SiO2(高溫方石英)等A2X3型菱形晶體-Al2O3(剛玉)ABX3型簡(jiǎn)單立方CaTiO3(鈣鈦礦)、BaTiO3等菱形晶系FeTiO3(鈦鐵礦)、LiNbO3等AB2X4型面心立方MgAl2O4(尖晶石)等100多種硅酸鹽結(jié)構(gòu) 硅酸鹽材料在自然界中大量存在，約占已知礦物的三分之一。許多陶瓷材料都包含硅酸鹽，一方面是因?yàn)楣杷猁}豐富和便宜，另一方面則是因?yàn)樗鼈兙哂性诠こ躺嫌杏玫哪承┆?dú)特性能。普通水泥是人們最