金屬材料的結構與組織純金屬的晶體結構金屬.ppt

1、21 金屬材料的結構與組織 211 純金屬的晶體結構 212 金屬的實際晶體結構 213 合金的晶體結構 214 金屬材料的組織 22 高分子材料的結構與性能 221 高分子材料的結構 222 高分子材料的性能 23 陶瓷材料的結構與性能 231 陶瓷材料的結構 232 陶瓷材料的性能,目錄,第2章 材料的結構與組織,2.1 金屬材料的結構與組織,2.1.1 純金屬的晶體結構 1.晶格、晶胞與晶格常數,圖2-1 晶格構造模型,2.晶面與晶向,圖2-2 立方晶格中的一些晶面,3.金屬晶體的類型,(1)體心立方晶格 (2)面心立方晶格 (3)密排六方晶格,圖2-3 體心立方晶胞 圖2-4 面心立方

2、晶胞 圖2-5 密排六方晶胞,2.1.2 金屬的實際晶體結構,1.單晶體和多晶體,圖2-6 單晶體和多晶體結構示意圖,2.實際金屬的晶體缺陷,(1)點缺陷 空位 間隙原子,圖2-7 空位和間隙原子示意圖,(2)線缺陷,刃型位錯:刃型位錯如圖2-8（a）所示。,圖2-8 刃型位錯示意圖,螺型位錯:螺型位錯如圖2-9所示。,圖2-9 螺型位錯示意圖,(3)面缺陷,面缺陷是指在兩個方向上尺寸很大，第三個方向上尺寸很小而呈面狀分布的缺陷。面缺陷主要是指金屬中的晶界和亞晶界。,晶界處的主要特征： 原子排列不規(guī)則，因此對金屬的塑性變形起著阻礙作用，晶界越多，其作用越明顯。 顯然，晶粒越細，晶界總面積就越大

3、，金屬的強度和硬度也就越高。所以在常溫下使用的金 屬材料，一般總是力求獲得細小的晶粒。 晶界處原子具有較高的能量，且雜質（往往是一些低熔點的雜質）較多，因此其熔點較低，有時還未加熱到金屬的熔點，晶界處就已先熔化了。 晶界處原子能量較高而容易滿足固態(tài)相變所需要的能量起伏，因此新相往往在舊相晶界處形核。晶粒越細小，晶界越多，新相的形核率就越高。 晶界處有較多的空位，因此原子沿晶界的擴散速度較快。 晶界處電阻較高，且易被腐蝕。,總之，實際金屬的晶體結構不是理想完整的，而是存在著各種晶體缺陷，并且這些缺陷在不斷地運動變化著，金屬中的許多重要變化過程，都是依靠晶體缺陷的運動來進行的，并且金屬的許多性能也

4、都與晶體缺陷密切相關。,2.1.3 合金的晶體結構,1.合金的基本概念 （1）合金 （2）組元 （3）相,2.固溶體,根據溶質原子在溶劑中所處位置不同，固溶體可分為間隙固溶體和置換固溶體兩大類。 (1)間隙固溶體 如圖2-10(a)所示。 (2)置換固溶體 如圖2-10(b)所示。,圖2-10 晶格結構模型,2.1.4 金屬材料的組織,1.組織的概念 2.組織的決定因素 3.組織與性能的關系 不同組織結構的材料具有不同的性能,圖2-11 兩種晶粒大小不同的純鐵示意圖,綜上所述，金屬材料的成分、工藝、組織結構和性能之間有著密切的關系。,2.2 高分子材料的結構與性能,2.2.1 高分子材料的結構

5、 1.大分子鏈的構成 (1)化學組成 組成大分子鏈的化學元素，主要是碳、氫、氧，另外還有氮、氯、氟、硼、硅、硫等，其中碳是形成大分子鏈的主要元素。 大分子鏈根據組成元素不同可分為三類，即碳鏈大分子、雜鏈大分子和元素鏈大分子。,(2)形態(tài),大分子鏈呈現(xiàn)不同的幾何形狀，主要有線型、支化型和體型三類，如圖2-12所示。 線型分子鏈；支化型分子鏈；體型(網型或交聯(lián)型)。,圖2-12 大分子鏈的形態(tài),(3)空間構型,圖2-13 所示為乙烯聚合物常見的三種空間構型。,圖2-13 乙烯聚合物的立體異構,2.大分子鏈的構象及柔性,圖2-14 分子鏈的內旋轉示意圖,3.高分子材料的聚集態(tài),圖2-15為聚合物三種

6、聚集態(tài)結構示意圖。,圖2-15 聚合物三種聚集態(tài)結構示意圖,2.2.2 高分子材料的性能,1.高分子材料的物理性能和化學性能特點 (1)絕緣性 (2)耐熱性 (3)耐蝕性 (4)老化,2.高分子材料的力學性能,(1)高聚物的物理、力學狀態(tài) 線型非晶態(tài)高聚物的三種力學狀態(tài)為玻璃態(tài)、高彈態(tài)和黏流態(tài)。 如圖2-16所示。 圖中Tb為脆化溫度、Tg為玻璃化溫度、Tf為黏流溫度、Td為分解溫度。,圖2-16 線型非晶態(tài)高聚物在恒定載荷下的變形-溫度曲線,(2)高分子材料的力學性能特點,高聚物的性能由硬脆、強硬、強韌、柔韌而緩慢地發(fā)生變化，其應力應變曲線如圖2-17所示。有機玻璃具有這類典型的變化規(guī)律。

7、圖2-18為高聚物在不同加載速度時的應力應變。高聚物大都服從這種規(guī)律。,圖2-17 非晶態(tài)高聚物在不同溫度時的 應力-應變曲線,圖2-18 高聚物在不同加載速度時的 應力-應變曲線,黏彈性:應變與應力同步發(fā)生，或應變與應力同時達到平衡，如圖2-19(a)所示。 應變不僅決定于應力，而且決定于應力作用的速率。即應變不隨作用力即時建立平衡，而有所滯后，如圖2-19(b)所示。,圖2-19 應力、應變與時間的關系,蠕變（如圖220所示）。,圖2-20 蠕變前、后分子構象變化示意圖,應力松弛 如圖221所示。,圖2-21 應力松弛過程中分子構象變化示意圖,滯后與內耗 高聚物受周期性載荷時，產生伸-縮的

8、循環(huán)應變，如圖2-22所示。,圖2-22 橡膠在一個承載周期中的應力-應變曲線,圖2-23可以看出高聚物的變形特點。A點為初始狀態(tài)，B點為屈服點，C點為斷裂點。,圖2-23 高聚物的應力-應變曲線,B點所對應的屈服應變較大，比金屬大得多。 縮頸變形階段很長，C點所對應的斷裂伸長量較大。,2.3 陶瓷材料的結構與性能,2.3.1 陶瓷材料的結構 按照組織形態(tài)陶瓷材料分為三類。 無機玻璃即硅酸鹽玻璃 微晶玻璃即玻璃陶瓷，是單個晶體分布在非晶態(tài)的玻璃基體上的一類陶瓷材料。 陶瓷（晶體陶瓷）,陶瓷的典型組織結構包括： 晶體相（莫來石和石英） 玻璃相 氣相,1.晶體相 （1）硅酸鹽,硅酸鹽基本結構具有以

9、下特點: 構成硅酸鹽的基本單元為硅氧四面體結構，如圖2-24所示; 硅氧四面體只能通過共用頂角而相互結合; Si4+通過 O2-結合， SiOSi的結合鍵在氧上的鍵角接近于145 ; 穩(wěn)定的硅酸鹽結構中，硅氧四面體采取最高空 間維數互相結合; 硅氧四面體采取比較緊密的結構結合; 同一結構中硅氧四面體最多只相差1個氧原子。,圖2-24 硅氧四面體結構,(2)氧化物,圖2-25所示為幾種典型氧化物的結構。,圖2-25 幾種典型氧化物的結構,(3)非氧化合物,圖2-26所示為各種非氧化合物的結構。,圖2-26 各種非氧化合物的結構,2.玻璃相,玻璃相的作用包括: 黏連晶體相，填充晶體相間空隙，提高材

10、料致密度; 降低燒結溫度，加快燒結速度; 阻止晶體轉變，抑制其長大; 獲得透光性等玻璃特性; 不能成為陶瓷的主導相,3.氣相,圖2-28 氣孔對陶瓷強度的影響,氣相是陶瓷內部殘留的孔洞，其成因復雜，影響因素多。陶瓷根據氣孔率分為致密陶瓷、無開孔陶瓷和多孔陶瓷。除多孔陶瓷外，氣孔對陶瓷的性能不利，它降低了陶瓷的強度，常常是造成裂紋的根源(圖2-28)，所以應盡量降低氣孔率。一般普通陶瓷的氣孔率為5 %10% ;特種陶瓷在5 %以下;金屬陶瓷則要求低于0.5 %。,2.3.2 陶瓷材料的性能,1.陶瓷的物理和化學性能 (1)熱膨脹性能 (2)導熱性 (3)熱穩(wěn)定性 (4)化學穩(wěn)定性 (5)導電性,2.陶瓷的力學性能 (1)剛度 (2)硬度 (3)強度：晶界使陶瓷實際強度比理論值低得多(11%)。如圖2-29所示。,2.3.2 陶瓷材料的性能,圖2-29 晶格構造模型,總之，陶瓷材料的性能特點是:具有不可燃燒性、高耐熱性、高化學穩(wěn)定性、不老化性、高硬度和良好的抗壓能力，但脆性很高，溫度急變抗力很低，抗拉、抗彎性能差。,思考題,2-1 什么叫晶體?什么叫非晶體? 2-2 什么叫晶格?什么叫晶