第一章工程材料的结构与性能

第一章 工程材料的结构与性能
1.1材料原子的相互作用
离子键
共价键
金属键
分子键
原子结合键类型
第一章 工程材料的结构与性能
1.2晶体材料的原子排列 1.2.1理想晶体结构 1).晶格 2).常见的金属晶体结构 3).晶面和晶向的表示方法 1.2.2实际晶体结构 1).单晶体与多晶体 2).晶体缺陷
第一章 工程材料的结构与性能
第一章 工程材料的结构与性能
1.3非晶态材料中的原子排列
1.3.1短程有序 1.3.2亚稳态性
第一章 工程材料的结构与性能
1.4合金的晶体结构
1.4.1合金的相结构、组织极其关系 1.4.2固溶体 1.4.3金属间化合物 1.4.4合金性能
第一章 工程材料的结构与性能
1.4.1合金、相、组织及其相互关系
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(1)体心立方晶格结构
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(2)面心立方晶格结构
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(3)密排六方晶格结构。
动画15 密排六方晶胞
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3).晶面和晶向的表示方法
晶面和晶向的表示方法分别采用晶面指数 (hkl)和晶向指数[uvw]形式（以立方晶系为例）。 晶面 晶向指数[uvw] 的确定方法是： Z 以晶胞的某一阵点为原点，三个基矢 为坐标轴，并以点阵基矢的长度作为三个 坐标的单位长度； 过原点作一直线OP，使其平行于待 Y 标志的晶向AB,这一直线必定会通过某些 X 阵点； 在直线OP上选取距原点O最近的一个阵点P，确定P点 的坐标值； 将此值乘以最小公倍数化为最小整数u、v、w,加上方括 号，[uvw]即为AB的晶向指数。
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2. 结构单元键连接方式和链的构型 ⑴聚合物中聚氯乙烯单体的连接方式 1)头-尾连接：
2)头-头或尾-尾连接：
3)无规则连接：
第一章 工程材料的结构与性能 （2）链的构型 链的结构是指高分子链中原子或原子团在空间的排列方式,即 链构型。按取代基R在空间所处的位置及规律不同,可有以下三种立 体构型:
1.5.2高聚物的聚集态结构
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1.6陶瓷的结构
陶瓷的基本相结构主要有:晶相、玻璃相、气相等。其组 织示意图见下图 陶瓷的性能主要取决于晶相。陶瓷中的晶相主要有硅酸盐 、氧化物、非氧化物。
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以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合的晶体。如 金刚石，硅酸盐等
1.2.1理想晶体结构
晶体、非晶体
晶格、点阵、晶胞、晶面、晶向
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常见的晶格类型
根据晶胞的三条棱边是否
相等、三个夹角是否相等以及 是否为直角，晶体学将所有晶
体分为7个晶系，14种空间点阵。
称作布喇菲空间点阵 常见的三种金属晶格类型有： 体心立方晶格。 面心立方晶格。 密排六方晶格。
为共聚物。
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1.5.1大分子链的结构
大分子链的结构包括大分子结构单元的化学组成、键接 方式、空间构型等。 1)结构单元的化学组成：由C、H、N、O、Si等元素构成。 其中碳原子之间以共价键结合的碳链高分子是最重要的高聚 物。 2)结构单元的键接方式和链的构型（头_尾连接、头_头 连接、尾_尾连接等连接方式；空间构型有全同立构、间同 立构和无规立构 3)大分子链的形态： （大分子链的几何形态、大分子 链的构象及柔顺性）
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第一章 工程材料的结构与性能
绪论
本课程在人才培养中的地位和作用 本课程的内容和要求
第一章 工程材料的结构与性能
第一章工程材料的结构与性能
1.1材料原子的相互作用 1.2晶体材料的原子排列
1.3非晶态材料中的原子排列
1.4合金的晶体结构
1.5高聚物的结构
1.6陶瓷的结构 1.7工程材料的性能 本章小结
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工程材料及成形 技术基础
第一章 工程材料的结构与性能
绪论
材料与成形技术的经济地位
材料的发展史 材料的分类
本课程在人才培养中的地位和作用
本课程的内容和要求
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材料的分类
按化学成分分类 金属（黑色金属、有色金属） 非金属 无机非金属（传统硅酸盐（水泥、玻璃、陶瓷、耐火材 料） 现代陶瓷（氧化物陶瓷、氮化物陶瓷、 碳化物陶瓷、硼化物陶瓷） 有机非金属（塑料、橡胶、纤维、胶沾剂） 按用途分类 结构材料（利用其力学性能） 功能材料（利用光学、电学、声学、磁学、化学、物理、生物 化学等特性完成特定功能） 按状态分类 单晶体、多晶体、非晶体
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1.强度
1)静载时的强度 (1) 弹性和刚度 (2) 屈服点σs (3) 抗拉强度σb 2)变载时的强度 3)高温强度
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2.塑性
材料在外力的作用下,产生塑性变形而不断裂的性能称 为塑性。其大小用伸长率和断面收缩率来表示。
L1 L0 100% L0
1.5.2高聚物的聚集态结构
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（二）聚合反应类型 高聚物是由一种或几种简单化合物聚合而成，其聚合方式有 加聚、缩聚两种。
1．加聚反应
由一种或几种单体聚合而成高聚物的反应，称为加聚以应。 这种高聚物链节的化学结构与单体的化学结构相同。根据单体种类 的不同，可分为均聚和共聚两种： （1）均聚是指由一种单体聚合而成的高聚物，称为均聚物。如 聚乙烯是乙烯的均聚物。 （2）共聚是指由几种不同类型的单体的聚合而生产的产物，称
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大分子链的几何形态
线型
带有支链
体型
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大分子链的运动方式 线型无定型高聚物中，大分子链的运动方式具有多重 性，主要有如下几种： (1)整链的运动：大分子链作为一个整体作质量中心的 移动，即发生原子链间的相对移动(滑脱)。反映在性能上 是高聚物呈现延性，会出现由粘性流动引起的永久变形。 (2)链段的运动：链段是由几个至几十个链节组成的一 小段分子链，由于主链的内旋转，使大分子链具有柔顺性 ，在整链质量中心不移动的情况下，一部分链段相对于另 一部分链段而运动，出现可逆伸缩。反映在性能上是高聚 物呈现独有的高弹性。 (3)链节的运动：链节、原子团、原子在平衡位臵作小 范围运动。反映在性能上是高聚物呈现普弹性(应力与应 变成正比)。
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由两种或两种以上的金属元素或金属元素和非金属元 素组成的具有金属性质的物质，称为合金。组成合金的元 素叫做组元。由两种组元组成的合金，称为二元合金。 在物质中，凡是成分相同，结构相同，并与其他部分 以界面分开的均匀组成部分，称为相。合金结晶后可以是 一种相，也可以是由若干种相所组成。 一种或多种相按一定方式相互结合所构成的整体称为 组织。相的相对数量、形状、尺寸和分布的不同，形成了 不同的组织，不同的组织使合金具有不同的力学性能。 固态合金中的相，按其晶格结构的基本属性来分，可 以分为固溶体和化合物两类。
硬度
符号 压头类型 压力 Kgf 150 硬度值 有效范围 20~60 HRC 25~100 HRB 70HRA 应用举例
HRC
金刚石圆锥
120º
淬火钢件
HRB
Ф1/16inch 淬火钢球 120º
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1.4.2固溶体
溶剂原子
溶质原子
置换固溶体
间隙固溶体
置换固溶体中，溶质原子在溶剂晶格中的分布是任意的、无 规律的。如果溶质原子在溶剂晶格中的溶解度有一定限度，则 称有限互溶，形成有限置换固溶体；如果合金组元可以以任何 比例相互溶解，如Cu-Ni 合金，这叫无限互溶，形成无限置换 固溶体。 间隙固溶体是由一些原子半径小于1Å 的非金属元素，如:H、 O、C、B、N，溶入过渡族金属而形成，且只有当溶质原子直 径与溶剂原子直径的比值小于0.59时，才能形成间隙固溶体。 溶剂晶格的间隙是有限的，因此间隙固溶体只能是有限固溶体。
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单键内旋转示意图
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4. 高聚物的聚集态结构
高分子化合物的聚集态结构是指高聚物内部高分子链之间的几 何排列或堆砌结构,也称超分子结构。依分子在空间排列的规整性
可将高聚物分为结晶型、部分结晶型和无定型(非晶态)三类。
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晶粒 晶界
单晶体
多晶体
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2).晶体缺陷种类
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点缺陷
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线缺陷
第一章 工程材料的结构与性能 图2—12(b)示意了螺型位错的形成。上下两部 分晶体相对滑移一个原子间距，ABDC为滑移 面，EF’线以右为已滑移区，．EF、线以左为 未滑移区，EF线为位错线。如图2一12(c)所示， EF线周围的原子失去正常的排列，沿位错线 原子面呈螺旋形，每绕轴一周，原子面上升一 个原子间距，构成了一个以EF为轴的螺旋面， 这种晶体缺陷称为螺型位错。
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面缺陷
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晶体缺陷的影响
晶格缺陷对金属的许多性能有极重要的影响， 与晶体的凝固、固态相变、扩散等过程都有重大关 系，特别是对塑性变形、强度和断裂等起着决定性 的作用。 如：晶体缺陷的出现,将使其周围的晶格产生畸 变,而晶格畸变使材料的强度、硬度等力学性能和电 阻率、耐蚀性等物理及化学性能发生改变。
当试验压力的单位为牛顿(N)时
HB 0.102
2F
D( D D 2 d 2 )
低碳钢:ơb=3.53HB,高碳钢: ơb=3.33HB,合金调质钢: ơb=3.19HB 灰铸铁: ơb=0.98HB,退火铝合金: ơb=4.70HB
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洛氏硬度
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晶面指数的确定方法
在点阵中设置参考坐标系，方法与确定晶 向指数时相同，但不能将坐标原点选在待 确定指数的晶面上； 以点阵基矢的长度为单位，量出待定晶面 在各坐标轴上的截距； -Y 取三个截距的倒数，并以最小 公倍数乘这三个倒数，得到三个 最小的整数h、k、l; 将求得的h、 k、 l用圆括号括 X 起来，（hkl)即为该晶面的晶面 指数。 Z
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1.4.3金属间化合物
1)正常价化合物 2)电子化合物 3)间隙化合物 1.4.4合金性能 1)固溶体与固溶强化 2)化合物与第二相强化
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1.5高聚物的结构
高聚物又称高分子化合物,通常由一种或几种 简单的低分子化合物聚合而成。高聚物的分子量很 大，一般在104～107的范围内。 高聚物的结构主要是指大分子链的结构，即大 分子链的形态、和大分子的聚集态结构。 1.5.1大分子链的结构
共价晶体的强度、硬度高、脆性大，熔点、沸点高，挥发度低。
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传统陶瓷 由粘土、 石英、长石等成分 组成，以天然为主。 现代陶瓷 由 Al3O2、SiC、Si3N4等 成分组成，以合成 为主。
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1.7工程材料的性能
1.7.1工程材料的力学性能 1. 强度 2. 塑性 3. 硬度 4. 冲击韧性 5. 断裂韧性 6. 耐磨性 7.粘弹性 1.7.2工程材料的物理性能 1.7.3工程材料的化学性能 1.7.4工程材料的工艺性能
A0 A1 100% A0
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3.硬度
布氏硬度原理
洛氏硬度原理
维氏硬度原理
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布氏硬度
第一章 工程材料的结构与性能
硬度
布氏硬度用HB表示:当试验压力的单位为kgf时
F F 2F HB F凹 Dh D( D D 2 d 2 )
(326)
X
Y
-Z
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单晶体的各向异性
单晶体中不同晶面和晶向上的原子排列方式和 密度不同，因而，在不同的晶面和晶向上的各种性 能也不同，这种现象称为各向异性。
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1.2.2实际晶体结构
1.多晶体与亚结构 实际金属晶体内部包含了许多颗粒状的小晶体，每个 小晶体内部晶格位向一致，而各小晶体之间晶格位向不同。 小晶体称为“晶粒”，晶粒与晶粒之间的界面称为“晶界”。 在晶界上原子排列是不规则的。这种由多晶粒构成的晶体结 构称为“多晶体”，多晶体呈现各向同性。