《工程材料与成形技术》课程授课教案（讲义）第1章 工程材料结构与性能

《工程材料及成形技术》教案 第1章工程材料的结构与性能 1.1金属材料的结构与组织 11.1纯金属的晶体结构 (一)晶体与非晶体 ·物质由原子组成 ·原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。 ·原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。 ·它们的具体组合状态称为结构。 ·晶体是指原子呈规则排列的周体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有 各向异性。 ·非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。 (二)品格与品胞 ·晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点 (原子中心)称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。 ·晶胞：能代表品格原子排列规律的最小几何单元。 ●品格常数： 晶胞个边的尺寸a、b、c 各棱间的夹角a、B、光 ●品系 根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系，14种晶胞。 90%以上的金属具有立方品系和六方品系。 立方晶系：=bc,ae=90° 六方品系：al=a2=a3≠c,a=-90°，=120 ·原子半径：品胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。 ·晶胞原子数： 一个晶胞内所包含的原子数目。 ·致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。 (三)立方系的晶面和晶向 ●晶体中各方位上的原子面称晶面，用晶面指数(hk1)表示。hk1分别代表 Xy,z轴上的截距的倒数 ·原子排列情况相同而在空间位向不同（即不平行）的品面统称为品面族，用尖括 号表示，即{hk}。如： 1/16

1 / 16 《工程材料及成形技术》教案 第 1 章 工程材料的结构与性能 1.1 金属材料的结构与组织 1.1.1 纯金属的晶体结构 （一） 晶体与非晶体 ⚫ 物质由原子组成。 ⚫ 原子的结合方式和排列方式决定了物质的性能。 ⚫ 原子、离子、分子之间的结合力称为结合键。 ⚫ 它们的具体组合状态称为结构。 ⚫ 晶体是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主要以晶体形式存在。晶体具有 各向异性。 ⚫ 非晶体是指原子呈无序排列的固体。在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。 （二）晶格与晶胞 ⚫ 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成的三维空间格架。直线的交点 （原子中心）称结点。由结点形成的空间点的阵列称空间点阵。 ⚫ 晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。 ⚫ 晶格常数： 晶胞个边的尺寸 a、b、c. 各棱间的夹角 、、。 ⚫ 晶系： 根据晶胞参数不同，将晶体分为七种晶系，14 种晶胞。 90%以上的金属具有立方晶系和六方晶系。 立方晶系：a=b=c，===90 六方晶系：a1=a2=a3 c，==90，=120 ⚫ 原子半径： 晶胞中原子密度最大方向上相邻原子间距的一半。 ⚫ 晶胞原子数： 一个晶胞内所包含的原子数目。 ⚫ 致密度：晶胞中原子本身所占的体积百分数。 （三）立方系的晶面和晶向 ⚫ 晶体中各方位上的原子面称晶面，用晶面指数（h k l）表示。h, k, l 分别代表 x,y,z 轴上的截距的倒数。 ⚫ 原子排列情况相同而在空间位向不同(即不平行)的晶面统称为晶面族, 用尖括 号表示, 即{h k l}。如：

11D-(111)+ī11)+1ī1)+11 品向上某一点xy,z的坐标。 ·原子排列情况相同而在空间位向不同（即不平行）的晶向统称为晶向族，用尖括 号表示，即。如：=[10]+[010]+001 立系的胸 ·金属的特点 ()金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。 (b)金属原子趋向于紧密排列： (c)具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。 常见纯金属的品格类型有：体心立方(bcc面心立方(fcc)和密排六方(hcp)品格。 (I)体心立方(bcc)晶格金属的参数 ·原子半径： ·原子个数：2 ·致密度：0.68 ●常见金属：a-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等 (2)面心立方(bcc)品格金属的参数 : ·原子半径： ·原子个数：4 ●致密度：0.74 ●常见金属：Y-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等 (3)密排六方(hcp)晶格金属的参数 ·密排六方(hcp)品格的参数 ●晶格常数：底面边长a和高c,ca=1.633 ●原子半径： ·原子个数：6 ●致密度：0.74 ·常见金属：Mg、Zn、Cd、Be等 2/16

2 / 16 立方晶系重要的晶面 {111}:(111) (111) (111) (111) {110}:(110) (101) (011) (110) (101) (011) {100}:(100) (010) (001) − − − − − − 、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 ⚫ 晶体中各方向上的原子列称晶向，用晶向指数[u v w]表示。u,v,w 分别代表该 晶向上某一点 x,y,z 的坐标。 ⚫ 原子排列情况相同而在空间位向不同(即不平行)的晶向统称为晶向族, 用尖括 号表示, 即。如: = [100] + [010] + [001] 立方晶系重要的晶向 111 :[111] [111] [111] [111] 110 :[110] [101] [011] [110] [101] [011] 100 :[100] [010] [001] − − − − − −       、 、 、 、 、 、 、 、 、 、 （四）三种常见的金属晶体结构 ⚫ 金属的特点 （a）金属原子是通过正离子与自由电子的相互作用而结合的，称为金属键。 （b）金属原子趋向于紧密排列。 （c）具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。 常见纯金属的晶格类型有：体心立方(bcc)、面心立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。 （1）体心立方(bcc) 晶格金属的参数 ⚫ 晶格常数：a(a=b=c) ⚫ 原子半径： 3 r = a 4 ⚫ 原子个数：2 ⚫ 致密度：0.68 ⚫ 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb 等 （2）面心立方(bcc) 晶格金属的参数 ⚫ 晶格常数：a(a=b=c) ⚫ 原子半径： 2 r = a 4 ⚫ 原子个数：4 ⚫ 致密度：0.74 ⚫ 常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au 等 （3）密排六方(hcp)晶格金属的参数 ⚫ 密排六方(hcp)晶格的参数 ⚫ 晶格常数：底面边长 a 和高 c，c/a=1.633 ⚫ 原子半径： 1 r = a 2 ⚫ 原子个数：6 ⚫ 致密度：0.74 ⚫ 常见金属： Mg、Zn、Cd、Be 等

(4)三种常见晶格的密排面和密排方向 ●单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度 ·单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。 ·原子密度最大的品面或品向称密排面或密排方向， 密排面 数量 密排方向 数量 体心立方品格 {110 6 面心立方晶格 密排六方品格六方底面 1 底面对角线 3 (五)金属品体的特性 (1)金屈品体具有确定的熔点 ·纯金属缓慢加热到一定温度，固态金属熔化成为液态金属。熔化过程中温度不 变。 a)熔化温度(T)称为熔点。 b)非品体材料在加热时周态转变为液态时温度变化。 (2)金属品体具有各向异性 ·各向异性：晶体在不同的方向上的力学、物理和化学等性能不一样。 ·各向同性：非品体在各个方向上性能完全相同，这种性质叫非品体的各向同性 ·在晶体中，不同晶面和品向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力 的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的 各向异性。 ●单晶体铁在磁场中沿方向磁化容易。制造变压器用的硅钢片的方 向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。 ·实际使用的金属，内部有许多晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，在 宏观上沿各个方向上的性能趋于相同，品体的各向异性显示不出来。 (六)实际金属的晶体结构 (1)几个概念 ●单品体：其内部品格方位完全一致的品体 ●多品体：由多品粒组成的品体结构。 ·晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小品体组成， 这些小晶体称为晶粒。 ·晶界：品粒之间的交界面。 3/16

3 / 16 （4）三种常见晶格的密排面和密排方向 ⚫ 单位面积晶面上的原子数称晶面原子密度。 ⚫ 单位长度晶向上的原子数称晶向原子密度。 ⚫ 原子密度最大的晶面或晶向称密排面或密排方向。 密排面 数量 密排方向 数量 体心立方晶格 {110} 6 4 面心立方晶格 {111} 4 6 密排六方晶格 六方底面 1 底面对角线 3 （五）金属晶体的特性 （1）金属晶体具有确定的熔点 ⚫ 纯金属缓慢加热到一定温度, 固态金属熔化成为液态金属。熔化过程中温度不 变。 a) 熔化温度(T0)称为熔点。 b) 非晶体材料在加热时, 固态转变为液态时, 温度变化。 （2）金属晶体具有各向异性 ⚫ 各向异性：晶体在不同的方向上的力学、物理和化学等性能不一样。 ⚫ 各向同性：非晶体在各个方向上性能完全相同，这种性质叫非晶体的各向同性。 ⚫ 在晶体中, 不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力 的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能不同。这种性质叫做晶体的 各向异性。 ⚫ 单晶体铁在磁场中沿方向磁化容易。制造变压器用的硅钢片的方 向应平行于导磁方向，以降低变压器的铁损。 ⚫ 锌在盐酸中溶解时，晶面的溶解速度的次序从大到小是： ⚫ 实际使用的金属，内部有许多晶粒组成，每个晶粒在空间分布的位向不同，在 宏观上沿各个方向上的性能趋于相同，晶体的各向异性显示不出来。 （六） 实际金属的晶体结构 （1）几个概念 ⚫ 单晶体：其内部晶格方位完全一致的晶体。 ⚫ 多晶体：由多晶粒组成的晶体结构。 ⚫ 晶粒：实际使用的金属材料是由许多彼此方位不同、外形不规则的小晶体组成， 这些小晶体称为晶粒。 ⚫ 晶界：晶粒之间的交界面

(2)品粒尺寸 ●变形金属晶粒尺寸约1~100um,铸造金属可达几mm。 ·如果品粒尺寸达到纳米级别(1-100nm),则可称为纳米材料 ●品粒战细小，品界面积越大 ·所以说，多品体就是由多品粒组成的品体结构。 (3)晶体缺陷 ·晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在者大量的晶体缺陷。按形状可 分三类，即点、线、面缺陷。 ·点缺陷 )空间三维尺寸都很小的缺陷。 b)点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。 ©)晶格畸变使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。 ●线缺陷一一品体中的位错 )品格中一部分品体相对于另一部分品体发生局部滑移，滑移面上滑移 区与未滑移区的交界线称作位错。 b)位错分刃型位错和螺型位错。 )位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。金属的位错密度为 10-102em2。 p=S/V(cm/cm或1/cm) d)位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍 位错运动是强化金属的主要途径。 ©）减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。 ·面缺陷一晶界与亚晶界 )晶界是不同位向晶粒的过渡部位，宽度为510个原子间距，位向差一 般为2040°。 b)亚晶粒是组成品粒的尺寸很小，位向差也很小(10'2)的小品块。 心)亚晶粒之间的交界面称亚晶界，可看作位错壁。 d)晶界的特点 ①原子排列不规则 ②熔点低。 ③耐蚀性差。 ④易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚 ⑤阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细品粒 (使用温度低于0.5Tm)。 4/16

4 / 16 （2）晶粒尺寸 ⚫ 变形金属晶粒尺寸约 1~100m, 铸造金属可达几 mm。 ⚫ 如果晶粒尺寸达到纳米级别（1-100nm），则可称为纳米材料 ⚫ 晶粒越细小，晶界面积越大。 ⚫ 所以说，多晶体就是由多晶粒组成的晶体结构。 （3）晶体缺陷 ⚫ 晶格的不完整部位称晶体缺陷。实际金属中存在着大量的晶体缺陷。按形状可 分三类, 即点、线、面缺陷。 ⚫ 点缺陷 a) 空间三维尺寸都很小的缺陷。 b) 点缺陷破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲，称晶格畸变。 c) 晶格畸变使强度、硬度提高，塑性、韧性下降。 ⚫ 线缺陷——晶体中的位错 a) 晶格中一部分晶体相对于另一部分晶体发生局部滑移，滑移面上滑移 区与未滑移区的交界线称作位错。 b) 位错分刃型位错和螺型位错。 c) 位错密度：单位体积内所包含的位错线总长度。金属的位错密度为 104~1012/cm2。  = S/V (cm/cm3 或 1/cm2 ) d) 位错对性能的影响：金属的塑性变形主要由位错运动引起，因此阻碍 位错运动是强化金属的主要途径。 e) 减少或增加位错密度都可以提高金属的强度。 ⚫ 面缺陷—晶界与亚晶界 a) 晶界是不同位向晶粒的过渡部位，宽度为 5~10 个原子间距，位向差一 般为 20~40°。 b) 亚晶粒是组成晶粒的尺寸很小，位向差也很小(10’ ~2 )的小晶块。 c) 亚晶粒之间的交界面称亚晶界，可看作位错壁。 d) 晶界的特点： ① 原子排列不规则。 ② 熔点低。 ③ 耐蚀性差。 ④ 易产生内吸附，外来原子易在晶界偏聚。 ⑤ 阻碍位错运动，是强化部位，因而实际使用的金属力求获得细晶粒 （使用温度低于 0.5Tm）

⑥是相变的优先形核部位。 1.1.2合金的晶体结构 (一)几个概念 ·合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的 元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。 ·组成合金的元素相互作用可形成不同的相。 ·所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分 开的均匀组成部分。 ·固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。 (二)固溶体 ·合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。用α、B、 y表示。 ·与固溶体晶体结构相同的元素称溶剂，其它元素称溶质。 ●固溶体是合金的重要组成相.实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为 基的合金。 ·按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体 (1)置换固溶体 ●溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的周溶体。 ·溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。 (2)间隙固溶体 ·溶质原子嵌入溶剂品格间隙所形成的固溶体。 ·形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如C、N、B等， 而溶剂元素一般是过渡族元素。 ●形成间隙固溶体的一般规律为r质厅剂<0.59。 ·间隙固溶体都是无序固溶体。 (3)固溶体的溶解度 ·溶质原子在固溶体中极限浓度 ·溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。组成元素无限互溶的固溶体称 无限周溶体。 ·组成元素原子半径、电化学性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才可能 形成无限固溶体 ·间隙固溶体都是有限固溶体， (4)固溶体的性能 5/16

5 / 16 ⑥ 是相变的优先形核部位. 1.1.2 合金的晶体结构 （一）几个概念 ⚫ 合金是指由两种或两种以上元素组成的具有金属特性的物质。组成合金的 元素可以是全部是金属，也可是金属与非金属。 ⚫ 组成合金的元素相互作用可形成不同的相。 ⚫ 所谓相是指金属或合金中凡成分相同、结构相同，并与其它部分有界面分 开的均匀组成部分。 ⚫ 固态合金中的相分为固溶体和金属化合物两类。 （二）固溶体 ⚫ 合金中其结构与组成元素之一的晶体结构相同的固相称固溶体。用 、、  表示。 ⚫ 与固溶体晶体结构相同的元素称溶剂，其它元素称溶质。 ⚫ 固溶体是合金的重要组成相,实际合金多是单相固溶体合金或以固溶体为 基的合金。 ⚫ 按溶质原子所处位置分为置换固溶体和间隙固溶体。 （1）置换固溶体 ⚫ 溶质原子占据溶剂晶格某些结点位置所形成的固溶体。 ⚫ 溶质原子呈无序分布的称无序固溶体，呈有序分布的称有序固溶体。 （2）间隙固溶体 ⚫ 溶质原子嵌入溶剂晶格间隙所形成的固溶体。 ⚫ 形成间隙固溶体的溶质元素是原子半径较小的非金属元素，如 C、N、B 等， 而溶剂元素一般是过渡族元素。 ⚫ 形成间隙固溶体的一般规律为 r 质/r 剂<0.59。 ⚫ 间隙固溶体都是无序固溶体。 （3）固溶体的溶解度 ⚫ 溶质原子在固溶体中极限浓度。 ⚫ 溶解度有一定限度的固溶体称有限固溶体。组成元素无限互溶的固溶体称 无限固溶体。 ⚫ 组成元素原子半径、电化学性相近，晶格类型相同的置换固溶体，才可能 形成无限固溶体. ⚫ 间隙固溶体都是有限固溶体。 （4）固溶体的性能

·随溶质含量增加，固溶体的强度、硬度增加，塑性、韧性下降一固溶强化。 ·产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。 ·与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与金属化合物 相比，其硬度要低得多，而塑性和制性则要高得彩 (三)金属化合物 ·合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。 ·金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。 ·当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性 ●金属化合物也是合金的重要组成相 ·常见类型： a)正常价化合物一一符合正常原子价规律。如Mg,$i b)电子化合物 一符合电子浓度规律。如CuS。(电子浓度为价电子数 与原子数的比值) c)间隙化合物一一由过渡族元素与C、N、B、H等小原子半径的非金属 元素组成。具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。间隙相（具 有简单晶格结构的间隙化合物)。 i部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。如TiC、VC、TN等 i.具有复杂结构间隙化合物，如FeB、FC,C、Cr23C6等。 ⅲiFe:C称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格 ●固溶强化一一合金通过组元之间的溶解形成固溶体。在提高强度的同时能 保持良好的塑性和韧性。 ·第二相强化一一利用金属化合物的高熔点、高硬度优势，作为第二相提高 合金的强度。 )第二相的形态（大小、形状、分布）对强化效果的影响极为明显。如： FeC要极力避免呈网状出现。 b)比较理想的是：第二相高度弥散，实现“弥散强化”。 1.1.3金属材料的组织 (一)显微组织的概念 ·显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数 量、大小和分布的组合 (二)观察方法和设备 ·用专门方法制备试样，然后用光学金相显微镜或电子显微镜进行观察分析。 6/16

6 / 16 ⚫ 随溶质含量增加, 固溶体的强度、硬度增加, 塑性、韧性下降—固溶强化。 ⚫ 产生固溶强化的原因是溶质原子使晶格发生畸变及对位错的钉扎作用。 ⚫ 与纯金属相比，固溶体的强度、硬度高，塑性、韧性低。但与金属化合物 相比，其硬度要低得多，而塑性和韧性则要高得多。 （三）金属化合物 ⚫ 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称金属化合物。 ⚫ 金属化合物具有较高的熔点、硬度和脆性，并可用分子式表示其组成。 ⚫ 当合金中出现金属化合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。 ⚫ 金属化合物也是合金的重要组成相。 ⚫ 常见类型： a) 正常价化合物——符合正常原子价规律。如 Mg2Si b) 电子化合物——符合电子浓度规律。如 Cu3Sn。（电子浓度为价电子数 与原子数的比值） c) 间隙化合物——由过渡族元素与 C、N、B、H 等小原子半径的非金属 元素组成。具有金属特征和极高的硬度及熔点，非常稳定。间隙相（具 有简单晶格结构的间隙化合物）。 i. 部分碳化物和所有氮化物属于间隙相。如 TiC、VC、TiN 等 ii. 具有复杂结构间隙化合物，如 FeB、Fe3C、Cr23C6 等。 iii. Fe3C 称渗碳体，是钢中重要组成相，具有复杂斜方晶格。 ` ⚫ 固溶强化——合金通过组元之间的溶解形成固溶体。在提高强度的同时能 保持良好的塑性和韧性。 ⚫ 第二相强化——利用金属化合物的高熔点、高硬度优势，作为第二相提高 合金的强度。 a) 第二相的形态（大小、形状、分布）对强化效果的影响极为明显。如： Fe3C 要极力避免呈网状出现。 b) 比较理想的是：第二相高度弥散，实现“弥散强化”。 1.1.3 金属材料的组织 （一）显微组织的概念 ⚫ 显微组织实质上是指在显微镜下观察到的金属中各相或各晶粒的形态、数 量、大小和分布的组合。 （二）观察方法和设备 ⚫ 用专门方法制备试样，然后用光学金相显微镜或电子显微镜进行观察分析

(三)显微组织的决定因素 ·金属材料的组织取决于它的化学成分和工艺过程。当材料的化学成分一定 时，工艺过程则是其显微组织的最重要的影响因素。 (四)显微组织与性能的关系 ·材料的显微组织决定了材料的性能。例如：石墨的形态不同，对铸铁的强 度和韧性产生了重大影响。 12非金属材料的结构与组织 12.1高分子材料的结构与组织 (一)什么是高分子材料？ ·高分子材料又称为高分子聚合物（简称高聚物），是以高分子化合物为主要 组分的有机材料。 ·高分子化合物是指相对分子质量很大的化合物，相对分子质量一般在5000 以上，有的甚至高达几百万。 ●高分子化合物由低分子化合物通过聚合反应获得。 ·组成高分子化合物的低分子化合物称作单体。如：乙烯通过聚合反应生成 聚乙烯，乙烯称作单体。 (二)大分子链的结构 ●大分子链的化学组成 )主要是碳、氢、氧。碳是形成大分子链的主要元素。其他还有氨、硅、 硫等元素。 b)碳链大分子：主链全部由碳原子以共价健相连接，即C-C-C。 )杂链大分子：主链除有碳原子外，还有氧、氮、硫、磷等，以共价健 相连接」 )元素链大分子：主链不含碳原子，由硅、氧、硼、硫、磷 ·大分子链的形态 )线型分子链：直径小于1纳米，长度达几百、几千纳米，呈卷曲状 b)支化型分子链：在主链的两侧以共价键连接的支链， ©)体型（交联型）：在线型或支化型分子链之间以共价键连接，形成空间 网状大分子。 ·大分子链的空间构型 )分子链原子或原子团在空间的排列方式，即链结构， b)聚氯（苯）乙烯三种空间构型 全同立构：取代基R有规律在碳链平面同侧 7/16

7 / 16 （三）显微组织的决定因素 ⚫ 金属材料的组织取决于它的化学成分和工艺过程。当材料的化学成分一定 时, 工艺过程则是其显微组织的最重要的影响因素。 （四）显微组织与性能的关系 ⚫ 材料的显微组织决定了材料的性能。例如：石墨的形态不同，对铸铁的强 度和韧性产生了重大影响。 1.2 非金属材料的结构与组织 1.2.1 高分子材料的结构与组织 （一）什么是高分子材料？ ⚫ 高分子材料又称为高分子聚合物(简称高聚物), 是以高分子化合物为主要 组分的有机材料。 ⚫ 高分子化合物是指相对分子质量很大的化合物，相对分子质量一般在 5000 以上，有的甚至高达几百万。 ⚫ 高分子化合物由低分子化合物通过聚合反应获得。 ⚫ 组成高分子化合物的低分子化合物称作单体。如： 乙烯通过聚合反应生成 聚乙烯，乙烯称作单体。 （二）大分子链的结构 ⚫ 大分子链的化学组成 a) 主要是碳、氢、氧。碳是形成大分子链的主要元素。其他还有氮、硅、 硫等元素。 b) 碳链大分子：主链全部由碳原子以共价键相连接，即-C-C-C-。 c) 杂链大分子：主链除有碳原子外，还有氧、氮、硫、磷等，以共价键 相连接。 d) 元素链大分子：主链不含碳原子，由硅、氧、硼、硫、磷 ⚫ 大分子链的形态 a) 线型分子链：直径小于 1 纳米，长度达几百、几千纳米，呈卷曲状。 b) 支化型分子链：在主链的两侧以共价键连接的支链。 c) 体型(交联型) ：在线型或支化型分子链之间以共价键连接, 形成空间 网状大分子。 ⚫ 大分子链的空间构型 a) 分子链原子或原子团在空间的排列方式，即链结构。 b) 聚氯（苯）乙烯三种空间构型： i. 全同立构：取代基 R 有规律在碳链平面同侧

ⅱ.间同立构：取代基R交替地在碳链平面两侧 ⅲ，无规立构：取代基R无规律在碳链平面 (三)大分子链的构象及柔性 ●内旋转 ·单链以一定角度旋转。内旋转使大分子链的空间形象（构象）变化。 ·在拉力作用下，线型大分子链伸展拉直。外力去除后，缩回卷曲状和线团 状。 ·能伸展、回缩的性能称为分子链的柔性，这是聚合物具有弹性的原因。 (四)高分子材料的案集态 ·晶态：分子链在空间规则挂列。 ·部分晶态：分子链在空间部分规则排列。 ·非晶态：分子链在空间无规则排列，亦称玻璃态 线型聚合物可以形成品态或部分品态。体型聚合物为非品态（或 玻璃态)。大名数聚合物是部分品态或完全非品态。 1.2.2陶瓷材料的结构与组织 (一)陶瓷材料的制备过程 ·原料破碎、混合一→成型一一烧结 ·普通陶瓷的原料：粘土、石英和长石组成 ·生产过程特点：先成形，后成材。 (二)陶瓷材料的组织结构 (1)按照组织形态陶瓷材料分为三类： ·无机玻璃一一即硅酸盐玻璃，其粒子在空间成不规则排列的非品结构类陶 瓷材料。 ·微品玻璃一一即玻璃陶瓷，是单个品体分布在非品态的玻璃基体上的一类 陶瓷材料。 ·陶瓷（品体陶瓷）一一具有单相晶体结构的特种陶瓷（如氧化铝），以及具 有复杂结构的普通陶瓷。是最常用的陶瓷结构材料和工具材料。 (2)陶瓷材料的组织结构 ●陶瓷的典型组织结构包括三种相：品体相、玻璃相和气相 。晶体相 )晶体相是陶瓷的主要组成相，有硅酸盐、氧化物和非氧化合物等 b)硅酸盐 1普通陶瓷的主要原料，结合键为离子健与共价健的混合键 ⅱ.构成硅酸盐的基本单元是硅氧四面体 8/16

8 / 16 ii. 间同立构：取代基 R 交替地在碳链平面两侧。 iii. 无规立构：取代基 R 无规律在碳链平面 （三）大分子链的构象及柔性 ⚫ 内旋转 ⚫ 单链以一定角度旋转。 内旋转使大分子链的空间形象（构象）变化。 ⚫ 在拉力作用下，线型大分子链伸展拉直。外力去除后，缩回卷曲状和线团 状。 ⚫ 能伸展、回缩的性能称为分子链的柔性，这是聚合物具有弹性的原因。 （四）高分子材料的聚集态 ⚫ 晶态：分子链在空间规则排列。 ⚫ 部分晶态：分子链在空间部分规则排列。 ⚫ 非晶态：分子链在空间无规则排列，亦称玻璃态。 ⚫ 线型聚合物可以形成晶态或部分晶态。体型聚合物为非晶态(或 玻璃态)。 大多数聚合物是部分晶态或完全非晶态。 1.2.2 陶瓷材料的结构与组织 （一）陶瓷材料的制备过程 ⚫ 原料破碎、混合→→成型→→烧结 ⚫ 普通陶瓷的原料：粘土、石英和长石组成。 ⚫ 生产过程特点：先成形，后成材。 （二）陶瓷材料的组织结构 （1）按照组织形态陶瓷材料分为三类： ⚫ 无机玻璃 ——即硅酸盐玻璃，其粒子在空间成不规则排列的非晶结构类陶 瓷材料。 ⚫ 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）——具有单相晶体结构的特种陶瓷（如氧化铝），以及具 有复杂结构的普通陶瓷。是最常用的陶瓷结构材料和工具材料。 （2）陶瓷材料的组织结构 ⚫ 陶瓷的典型组织结构包括三种相： 晶体相、玻璃相和气相 ⚫ 晶体相 a) 晶体相是陶瓷的主要组成相，有硅酸盐、氧化物和非氧化合物等 。 b) 硅酸盐 i. 普通陶瓷的主要原料，结合键为离子键与共价键的混合键。 ii. 构成硅酸盐的基本单元是硅氧四面体

c)氧化物 i1离子键结合，也有共价键结合。 ⅱ氧离子作紧密立方或紧密六方排列。 金属离子规则地分布在四面体和八面体的间隙之中。 d非氧化物 1金属碳化物：共价键和金属键之间的过渡键，以共价健为主。 ii.间隙相：TC、ZC、VC。 i.复杂碳化物：FcC、MnC、CrC,CrsC6、WC、CrC v.氮化物：金属性弱些，有一定的离子键。如六方品格BN,六方晶系 的SiaN、AN。 V,硼化物和硅化物：较强的共价健，连成链、网和骨架，构成独立结构 单元 玻璃相 a)玻璃相作用 1,粘连品体相，填充品体相间空隙，提高材料致密度： ⅱ降低烧成温度，加快烧结： ⅲ阻止品体转变，抑制其长大： ⅳ.获得透光性等玻璃特性 V,对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火性等不利。 b)玻璃相的结构特点 i玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物组成。 ⅱ.硅氧四面体组成不规则的空间网，形成玻璃的骨架 c)气相 i气相是陶瓷内部残留的孔洞。 ⅱ.根据气孔情况，陶瓷分致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。 ⅲ气孔降低陶瓷的强度，造成裂纹的根源。尽量使其含量降低。 .多孔陶瓷隔热性能好。 1.普通陶瓷的气孔率为5%~10% 2.特种陶瓷的在5%以下： 3.金属陶瓷则要求低于0.5%。 1.3工程材料的性能 工程材料的性能分类 使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造性能、塑性加工性能、焊接 9116

9 / 16 c) 氧化物 i. 离子键结合,也有共价键结合。 ii. 氧离子作紧密立方或紧密六方排列。 iii. 金属离子规则地分布在四面体和八面体的间隙之中。 d) 非氧化物 i. 金属碳化物：共价键和金属键之间的过渡键, 以共价键为主。 ii. 间隙相：TiC、ZrC、VC。 iii. 复杂碳化物：Fe3C、Mn3C、Cr3C2, Cr23C6、WC、Cr7C3 iv. 氮化物：金属性弱些, 有一定的离子键。如六方晶格 BN，六方晶系 的 Si3N4、AlN。 v. 硼化物和硅化物：较强的共价健，连成链、网和骨架，构成独立结构 单元 ⚫ 玻璃相 a) 玻璃相作用 i. 粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度； ii. 降低烧成温度，加快烧结； iii. 阻止晶体转变，抑制其长大； iv. 获得透光性等玻璃特性； v. 对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火性等不利。 b) 玻璃相的结构特点 i. 玻璃相主要由氧化硅和其它氧化物组成。 ii. 硅氧四面体组成不规则的空间网, 形成玻璃的骨架。 c) 气相 i. 气相是陶瓷内部残留的孔洞。 ii. 根据气孔情况，陶瓷分致密陶瓷、无开孔陶瓷和多孔陶瓷。 iii. 气孔降低陶瓷的强度，造成裂纹的根源。尽量使其含量降低。 iv. 多孔陶瓷隔热性能好。 1. 普通陶瓷的气孔率为 5%～10%； 2. 特种陶瓷的在 5%以下； 3. 金属陶瓷则要求低于 0.5%。 1.3 工程材料的性能 工程材料的性能分类： 使用性能：材料在使用过程中所表现的性能。包括力学性能、物理性能和化学性能。 工艺性能：材料在加工过程中所表现的性能。包括铸造性能、塑性加工性能、焊接

性能、热处理性能和切削加工性能等。 13.1金属材料的性能 (一)力学性能 (1)力学性能可以分为四大类 ·强度类（屈服强度、断裂强度、疲劳强度、持久蠕变强度） ·塑韧性类（塑性、冲击韧性、断裂韧性） ·硬度（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度 ·其他（磨损、应力松弛、滞后与内耗） (2)强度与塑性 ·静载荷强度一一在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力。依据 GB639-86通过拉伸试验取得。 a)从试验可以获得下列指标 i.弹性极限c ⅱ弹性模量（刚度）E i.屈服强度(c,2) w.抗拉强度b (o/c称为屈强比) b),是组显微织敏感性能，合金化、热处理，冷热加工对影响非常 大。 ©)E是组显微织不敏感性能，合金化、热处理，冷热加工对其影响微弱。 d)可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 。塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力，指标为： a)伸长率兰 (3)变载荷强度（疲劳强度） ·材料在低于。，重复交变应力作用下发生断裂的现象。 ·材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用 61表示。钢铁材料规定次数为10？，有色金属合金为10。 a)碳素钢a1=(0.4-0.55) b)灰铸铁a10.4c c)有色金属a1=(0.3-0.4)0 。通过改善材料形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化 等方法可提高材料披劳抗力。 (4)冲击韧性 ·冲击韧性一一是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力。 10/16

10 / 16 性能、热处理性能和切削加工性能等。 1.3.1 金属材料的性能 （一）力学性能 （1）力学性能可以分为四大类： ⚫ 强度类（屈服强度、断裂强度、疲劳强度、持久蠕变强度） ⚫ 塑韧性类（塑性、冲击韧性、断裂韧性） ⚫ 硬度（布氏硬度、洛氏硬度、维氏硬度） ⚫ 其他（磨损、应力松弛、滞后与内耗） （2）强度与塑性 ⚫ 静载荷强度——在外力作用下材料抵抗变形和断裂的能力。 依据 GB639-86 通过拉伸试验取得。 a) 从试验可以获得下列指标: i. 弹性极限 σe ii. 弹性模量（刚度）E iii. 屈服强度（σs，σ0.2） iv. 抗拉强度 σb (σb/σs 称为屈强比) b) σs，σb 是组显微织敏感性能，合金化、热处理，冷热加工对影响非常 大。 c) E 是组显微织不敏感性能，合金化、热处理，冷热加工对其影响微弱。 d) 可以通过增加横截面积或改变截面形状来提高零件的刚度。 ⚫ 塑性：材料受力破坏前可承受最大塑性变形的能力，指标为： a) 伸长率 1 0 0 100% l l l  − =  b) 断面收缩率： 0 1 0 100% F F F  − =  （3）变载荷强度（疲劳强度） ⚫ 材料在低于 s 重复交变应力作用下发生断裂的现象。 ⚫ 材料在规定次数应力循环后仍不发生断裂时的最大应力称为疲劳极限。用 -1 表示。钢铁材料规定次数为 107，有色金属合金为 108。 a) 碳素钢 σ-1≈（0.4-0.55）σs b) 灰铸铁 σ-1≈0.4σs c) 有色金属 σ-1 ≈（0.3-0.4）σs ⚫ 通过改善材料形状结构，减少表面缺陷，提高表面光洁度，进行表面强化 等方法可提高材料疲劳抗力。 （4）冲击韧性 ⚫ 冲击韧性——是指材料抵抗冲击载荷作用而不破坏的能力