材料科学与人类文明第4章课件.ppt

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1、,材料科学与人类文明 第四章 材料结构基础,原子、离子和分子金属键、离子键和共价键晶体结构：晶胞晶体缺陷：点缺陷，线缺陷，面缺陷合金的基本相：固溶体和中间相普通陶瓷的显微组织高分子材料结构,主要内容,材料的结构层次,宏观结构,微观结构,原子尺度,亚原子尺度,材料的尺度,1=10-10 m1 nm=10-9 m1 m=10-6 m1 mm=10-3 m,材料的尺度,材料的尺度,物质由原子构成 原子(atom)=质子(proton)+中子(nucleus)+电子(electron)带电量质子：+1.610-19 库仑 电子：-1.610-19 库仑 中子：0质 量质子：1.6710-27 Kg 中

2、子：1.6710-27 Kg 电子：9.1110-31 Kg原子的质量集中在原子核，核外电子的质量可忽略不计原子半径约10-10 m(0.1 nm)。其中，原子核半径 10-14 m,原子的构成,Rutherfords model,原子核,电子绕原子核高速运动,发射光子能量：,玻尔原子模型、原子结构,核外电子的排列元素周期表,1s1,1s2,1s22s1,1s22s22p63s1,电子在原子核外作绕核运动、自旋运动运动轨道的能级不连续,元素周期表,电负性：表征原子获得电子的能力,电负性增加,电负性降低,决定材料性能的内因成 分材料是由哪些物质(原子)构成的？化 学 键构成材料的原子如何结合在一

3、起？晶体结构构成材料的原子是如何排列的？,化学键,最外层的电子所处的能级最高，最不稳定，称为价电子化学键主要取决于价电子,决定性能的外因温度压力,离子键和共价键的混合结构，离子键比例与阴、阳离子的电负性密切相关,*Increasing covalent bonding,化学键与材料热膨胀系数,化学键与材料熔点,化学键,与化学键密切相关的性能密度导电性导热性热膨胀硬度,由于价电子结构的不同，原子间的结合方式(化学键)也不同 有离子键、共价键、金属键、分子键(范德华力和氢键),化学键种类,一个原子的正、负电荷中心可能不重合，形成偶极子。小偶极子之间的相互作用力称范德华力,价电子被电负性大的元素原子

4、吸引，正、负离子平衡，形成离子键,原子共用价电子对，形成共价键,价电子(自由电子)为全体原子共有，在晶格间形成电子气正离子和电子气间具有静电吸引，使离子结合起来,离子键：结合力大，无方向性 离子晶体硬度高、强度高、脆性大、绝缘 例：NaCl、Al2O3、CaF2共价键：结合力大、饱和性、方向性 共价键晶体熔点高、强度高、脆性大 例：金刚石、BN、SiC、Si3N4金属键：无方向性、价电子自由运动 金属具有良好的导电、导热性、塑性变形能力分子键：由分子键形成的物质熔点低、硬度低、绝缘,化学键的特点,化学键的结合强度,各种材料中可能存在的化学键,晶体：原子在三维空间呈周期性规则排列，有规则外形，有

5、一定熔点，各向异性 例：食盐、蔗糖非晶体：原子排列不规则，外形不规则，无熔点，各向同性 例：萘,雪花六种形貌,实际晶体SEM照片,晶体和非晶体,在大多数固态金属內部，原子在三维空间整齐规律地排列(晶体)可将原子位置画成三维空间立体格子形式，称为晶格构成晶格的最小立体格子单位称晶胞金属的主要晶体结格有三种：面心立方(Face-centered cubic,FCC)体心立方(Body-centered cubic,BCC)密排六方(Hexagonal close-packed,HCP),金属晶体结构,金属晶体结构参数,举例：Cr、Mo、W、V,BCC结构,晶胞原子数1+81/8=2晶胞常数,原子填

6、充率APF(晶胞中被原子填充的体积百分率),举例：Al、Cu、-Fe、Ag、Au,FCC结构,晶胞原子数61/2+81/8=4晶胞常数,原子填充率APF(晶胞中被原子填充的体积百分率),举例：Cd、Ti、Be、Mg、Zn、Zr,HCP结构,晶胞原子数3+121/6+2 1/2=6晶胞常数,原子填充率APF(晶胞中被原子填充的体积百分率),一种元素的固体的不同晶体结构形态，称为同素异构体例，C有4种同素异构体：石墨、金刚石、富勒烯、纳米管,同素异构体,实际晶体并不完整，含有许多缺陷,晶体缺陷,“Crystals are like people,it is the defects in them

7、which tend to make them interesting!”-Colin Humphreys,产生原因：热运动；射线辐射；快速淬火点缺陷使周围晶格发生畸变，提高晶体内能，降低导电率，提高强度,点缺陷,产生原因：点缺陷坍塌；应力作用下的塑性变形位错越多，运动越困难，强度、硬度越高，脆性越大,刃型位错,螺型位错,位错是在1维尺度上产生的尺寸很大的缺陷，由晶体中原子平面的错动引起,线缺陷,透射电镜照片,晶界晶粒之间的界面,光学显微镜照片,面缺陷，包括晶界、亚晶界、相界面、表面等,孔洞(Pores)影响力学、光学、热学性能裂纹(Cracks)影响力学性能夹杂(Inclusions)影响力

8、学、光学、电学性能,体缺陷，三维缺陷，包括：,晶体缺陷,缺陷对材料的性能有很重要的影响!,缺陷与材料性能,合金的基本相,合金(Alloy)以一种金属为基础，加入其它(非)金属，所形成的有金属特性的材料组元(Constituent)组成合金的最基本的、独立的物质 可是金属元素、非金属元素、或稳定的化合物相(Phase)成分、结构相同，性能均一，有界面与其它部分隔开的、独立的、均匀的组成部分合金基本相：固溶体、中间相组织(Microstructure)合金结构的微观形貌。可是单相的，也可是多相的,Al-Si二元合金组元：Al、Si 相：Al(Si)、Si组织：Al(Si)、Si,45号钢 Fe-C

9、二元合金组元：Fe、C 相：间隙固溶体Fe(C)、渗碳体Fe3C组织：铁素体(F)、珠光体(P),面心立方中的八面体间隙能容纳的最大球半径=0.414R,体心立方中的八面体间隙能容纳的最大球半径=0.154R,晶格中的间隙,BCC铁中的C,溶液,固溶体,其它合金元素的原子溶入基础元素的晶格中，所形成的相基础元素称为溶剂溶入元素称为溶质固溶体的特点晶格型式同溶剂性能接近溶剂,固溶体,固溶体中，溶质原子造成溶剂晶格畸变，导致合金强度、硬度升高，塑性、韧性变化不大固溶强化,置换固溶体：溶质原子取代晶格中溶剂原子的位置无限固溶体：溶质和溶剂的晶格相同间隙固溶体：尺寸较小的溶质原子进入溶剂的晶格空隙,特

10、点合金元素具有一定的比例化学分子式：不符合化合价规律(含金属键形式)结合方式：金属键与其它键(离子键、共价键、分子键)相混合晶格型式：不同于各组成元素的晶格具有金属的性质，但性能与组成元素原有性能差别较大,中间相，又称金属间化合物,正常价化合物组元负电性差别较大，组元的原子数比较符合化合价规律 如Mg2Sn、AuAl2、AlN、SiC、CaTe等，硬度高、脆性大电 子 化合物满足一定电子浓度值c时，可稳定存在的化合物。不符合化合价规律 c=e/a，e为价电子总数，a为原子总数 c=21/14、21/13、21/12时，形成电子化合物，分别标为、相间 隙 化合物过渡元素与小尺寸的非金属元素(C、

11、N、B)所形成的化合物，如Fe3C,分类,金属材料结构3层次晶体结构：FCC、BCC、HCP相 结 构：固溶体、中间相组织结构：共晶组织、共析组织、非金属夹杂物等,金属材料结构,在金相显微镜下，可看到的材料的微观形貌，称显微组织(或组织)可由单相组成，也可由多相组成,铁 素 体(F):C溶入-Fe所形成的间隙固溶体，塑性好，硬度低 经35%硝酸乙醇浸蚀后，在显微镜下呈白色大颗粒状或块状渗碳体(Cm):Fe-C金属化合物(Fe3C)。含C=6.69，熔点1227，质硬而脆，耐腐蚀珠 光 体(P):F88%、Cm12%，以层状结构所组成的机械混合物，含C=0.77%性能介于F、Cm间，强韧性较好,

12、0.01%C相铁素体,0.45%C铁素体+珠光体,0.77%C 珠光体：由粗片状相、细片状Fe3C相相间组成,1.2%C珠光体+二次渗碳体,金属材料的组织,Fe-C合金室温平衡组织，取决于含C量,Fe-0.45 C铁素体(F)+珠光体(P),Fe-0.8 C珠光体(P),Fe-1.0 C珠光体(P)+渗碳体(Cm),亚共析、共析、过共析钢,共晶,亚共晶白口铸铁:莱氏体、珠光体、二次渗碳体共 晶白口铸铁:莱氏体过共晶白口铸铁:莱氏体、一次渗碳体,奥氏体：C溶入-Fe所形成的固溶体莱氏体：奥氏体+渗碳体的共晶组织，含C=4.3%,亚共晶、共晶、过共晶白口铁,室温组织,金属材料的组织,取决于化学成分

13、工艺过程化学成分一定时，工艺过程是影响组织的最重要的因素纯铁经冷拔(不加热情况下对用冷拔机拔长)后，其组织由等轴铁素体晶粒变成不等轴铁素体晶粒含C=0.77%的铁碳合金，室温平衡组织 为片状珠光体 经球化退火后，组织变为球状珠光体,片状珠光体,球状珠光体,金属材料的组织,灰口铸铁：基体均为铁素体但是，石墨形态不同，使灰口铸铁抗拉强度相差很大；冲击韧性与抗拉强度顺序相反,铁素体+片状石墨抗拉强度150MPa,铁素体+团絮状石墨抗拉强度350MPa,铁素体+球状石墨抗拉强度420MPa,冷拔后，纯铁晶粒被拉长，位错等缺陷增多，强度与硬度均提高 冷变形对纯铁理化性能影响较大，如导电性、耐蚀性降低含C

14、=0.77%的铁碳合金，室温平衡组织含片状渗碳体Fe3C相，硬度800HB 切削时车刀不断切割渗碳体Fe3C，刀具磨损厉害球化退火后，渗碳体Fe3C相变为分散的颗粒状 切削时刀具磨损小，切削性能提高,金属材料的组织,贝氏体B铁素体F和渗碳体Fe3C的两相混合组织上B羽毛状，硬脆的Cm呈细短条状分布在F晶界上，易脆性断裂，强度、韧性低，无实用价值下B黑针状，细小Cm分布于F基体中，有良好的强度、韧性配合，力学性能优良,贝氏体、马氏体组织,低C马氏体,高C马氏体,马氏体MC原子在-Fe中的过饱和固溶体低C(位错)马氏体C 0.25%，板条状，板条内有大量位错。硬度高，有一定韧性高C(孪晶)马氏体C

15、 1.0%，片状，内有大量孪晶。硬度高、脆,按组织形态，无机非金属材料分为3类无机玻璃(硅酸盐玻璃)：非晶结构类陶瓷材料微晶玻璃(玻 璃陶瓷)：晶体分布在非晶玻璃基体上的陶瓷材料陶 瓷(晶 体陶瓷)：包括单相晶体结构的特种陶瓷(Al2O3、SiC、TiC)和普通陶瓷,无机非金属材料的结构,金刚石型结构：C、Si、Ge硅 酸 盐结构：滑石3MgO4SiO2 H2O、高岭石 Al2O32SiO2 2H2O 玻 璃结构：SiO2 氧化物、非氧化物晶体结构：MgO、TiO2、Al2O3、ZnO,由硅氧四面体SiO4(基本结构单元)组成 链状：SiO4共有一个氧，连接成链状，如石棉纤维 层状：SiO4连

16、接成片状，这些片叠合在一起形成层状，如滑石、黏土、云母 网状：SiO4以三维方向相互结合，形成网状结构，如石英,Si-O：混合键(离子键+共价键),基本结构单元：SiO4四面体,硅酸盐结构,无机非金属材料的结构,玻璃：由过冷熔体形成的、非晶态的固体透明材料，主要成分为SiO2、Na2O、CaO等结构理论无规则网络学说由离子多面体构成。多面体通过氧桥而连续排列，产生空间网络结构微 晶学说由微晶构成。微晶与该玻璃成分一致，但尺度远小于一般的晶粒,玻璃结构,石英玻璃SiO4四面体通过角顶连接，形成三维空间网络，但排列无序,钠硅酸盐玻璃SiO2中加入碱或碱土金属，破坏SiO4四面体组成的网络,微晶玻璃

17、玻璃基体上弥散分布细小的结晶体,无机非金属材料的结构,阴、阳离子电荷，决定化学式阴、阳离子半径，决定阳离子周围的最近邻阴离子数(CN),只有阳离子和周围阴离子全部接触的结构，才是稳定的！,阳/阴离子半径决定空间几何,氧化物、非氧化物晶体结构，取决于2因素,无机非金属材料的结构,NaCl结构Na+半径：0.102 nmCl-半径：0.181 nmrc/ra=0.56CN=6类似结构化合物：MgO、FeO、LiF,CsCl结构Cs+半径：0.170 nmCl-半径：0.181 nmrc/ra=0.94CN=8,立方ZnS结构CN=4类似结构化合物：ZnS、ZnTe、SiC、MnS,CaF2结构Ca

18、2+半径：0.100 nmF-半径：0.133 nmrc/ra=0.75CN=8类似结构化合物PtSn2、PtIn2、AuAl2,氧化物、非氧化物晶体结构,无机非金属材料的结构,化学组成一定时，其性能取决于晶 相：种类、数量、分布，晶粒大小、形态，结晶取向玻 璃 相：数量、分布气相(气孔)：数量、尺寸、分布,普通陶瓷材料由晶相、玻璃相、气相构成，为多晶、多相集合体,普通陶瓷的显微组织,气相：存在于晶体内部、晶体与玻璃相间一般陶瓷510%，特种陶瓷5%气孔是裂纹的根源，降低强度、增大脆性一般材料：要求气孔率较低轻质隔热耐火材料、隔音吸振材料：要有一定的气孔率,多孔铝(泡沫铝),晶相：基本组成部分

19、，决定陶瓷的性能一般有多种晶相主晶相，含量多，对性能起主要作用其余的，称次晶相、第三晶相等,晶相,填充气孔、空隙粘结分散的晶相，降低烧结温度抑制晶粒长大降低陶瓷高温使用性能,玻璃相,普通陶瓷的显微组织,主要有3种硅酸盐氧化物非氧化物,多为无规网络状硅酸盐结构,高分子材料结构,主要由高分子组成高分子，又称高聚物，由一种或几种化合物(单体)聚合而成，,天然高分子材料蚕丝,聚氯乙烯-(CH2-CHCl)n-的聚合反应,高分子的重复结构单元，称链节(CH2-CHCl)链节数目，称聚合度 n链节分子量x聚合度=分子量,n CH2=CHCl,(CH2-CHCl)-(CH2-CHCl)-(CH2-CHCl)

20、,聚合反应的两种形式：加聚反应反应过程无副产物，单体一般含双(三)键缩聚反应反应过程产生低分子化合物，单体一般为环状或含官能团,常见单体,甲烷,乙烷,丙烷,乙烯,乙炔,以不同基团取代碳链高分子的H，得不同的高分子,简单的碳链线形高分子,聚 乙 烯-CH2-CH2-聚氯乙烯-CH2-CHCl-聚 丙 烯-CH2-CHCH3-,具有大侧基的线形高分子,聚甲基丙烯酸甲酯(有机玻璃),聚苯乙烯,高分子材料结构,碳 链 高分子大分子主链全部由C原子构成杂 链 高分子大分子主链除C原子外，还含有O、S、N、P等元素有机高分子大分子主链无C原子，主要由Si、O、N、Al、B、P、Ti等 原子构成；侧链为有机

21、取代基元素无机高分子大分子主链没有碳原子，且侧链无有机取代基,高分子链的分类,高分子材料结构,高分子链的形状,线形聚合物，又称热塑性聚合物 线形、支化形高分子，有高弹性 如涤纶、尼龙、生胶等体型聚合物，又称热固性聚合物 交联型、网络型高分子，强度较高 如酚醛塑料、环氧树脂、硫化橡胶等,共聚高分子链类型,共聚高分子举例：ABS塑料、丁苯橡胶等,均聚高分子链类型,均聚高分子举例：PE、PP等,高分子材料结构,分子链侧基全为H原子时，只有一种链结构。如PE,高分子链的构型,立体异构:分子链有其它取代基，取代基沿主链占据不同的位置，形成不同构型,全同立构,间同立构,无规立构,全同立构、间同立构：易结晶

22、，硬度、密度、软化温度、熔点较高 无规立构：不易结晶，易软化，性能较差,顺式天然橡胶,反式天然橡胶,几何异构：取代基沿双键占据不同的位置，形成不同构型,高分子材料结构,原子或原子团在空间的排列方式，包括：立体异构、几何异构,单键内旋转由于热运动，两个以单键连接的原子在保持键角、键长不变的前提下作相对旋转分子链柔性高频率的单键内旋转，可改变分子链构象 线形分子链呈卷曲状或线团状拉力作用下，卷曲状或线团状分子链可伸展去除外力，分子链缩回到原来的卷曲状或线团状柔性影响因素：构成单键的元素、分子链侧基或支链、链节数、温度,高分子材料结构,高分子链的构象,由单键内旋转所产生的高分子链的空间形态,结晶度高分子中结晶区域所占的百分数结晶态高分子密度 非晶态高分子密度,影响因素 冷却速率 单体复杂程度 高分子链形态 高分子链的空间构型 共聚,高分子材料结构,聚集态结构,聚集态对高分子性能的影响,高分子材料结构,