工程材料第二章材料的結構第一頁，共五十三頁，2022年，8月28日第一節金屬的晶體結構一、晶體的基本概念：第二頁，共五十三頁，2022年，8月28日晶胞的表示方法：第三頁，共五十三頁，2022年，8月28日二、常見的金屬晶格：1.體心立方晶格：BCC（bodycentredcubic）

第四頁，共五十三頁，2022年，8月28日體心立方晶胞的原子半徑、原子數及致密度：aa原子半徑:晶胞原子數:n=1/8×8+1=2配位數:Z＝8(體心的原子與8個頂角原子等距且最近鄰)致密度:

第五頁，共五十三頁，2022年，8月28日2.面心立方晶格：FCC（facecentredcubic）

第六頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎面心立方晶格aa原子半徑:晶胞原子數:n=1/8×8+1/2×6=4配位數:Z＝12致密度:

第七頁，共五十三頁，2022年，8月28日3.密排六方晶格：HCP（hexagonalclose-packed

）第八頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎密排六方晶格兩個簡單六方晶格穿插在一起構成密排六方晶格原子半徑:晶胞原子數：n=1/6×12+1/2×2+3=6配位數:Z＝12致密度:

軸比：c/a

1.633

第九頁，共五十三頁，2022年，8月28日三、晶面指數和晶向指數：晶向指數[uvw]或<uvw>；晶向指數的確定：晶面指數(hkl)或{hkl}

晶面指數的確定：第十頁，共五十三頁，2022年，8月28日第二節實際金屬的組織結構1.多晶體結構：第十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日2.晶體缺陷：（1）點缺陷：第十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日（2）線缺陷：第十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日高溫合金中位錯線的TEM像：第十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日鈦合金中位錯線的TEM像:第十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎ττ位錯運動示意第十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日（3）面缺陷：第十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日工業純鐵的晶界:第十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日晶界和孿晶界TEM衍襯像：第十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日界面原子排列的TEM像：第二十頁，共五十三頁，2022年，8月28日第三節固態合金的相結構（一）固溶體：1.置換固溶體：2.間隙固溶體：第二十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日形成固溶體時的晶格畸變：第二十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日3.固溶體的性能：通過形成固溶體，使得材料的強度、硬度提高的現象稱為固溶強化。固溶強化的特點是提高材料的強度和硬度，但塑性和韌性有所降低。固溶強化強度指標有限，不能滿足生產上的需要。固溶體的物理性能有所變化。第二十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日合金元素對α-Fe的固溶強化：第二十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日（二）金屬化合物：金屬化合物能提高合金的強度、硬度和耐磨性，而通常會降低其塑性和韌性。當金屬化合物以細小的顆粒均勻分布在固溶體基體上，使合金的強度、硬度和耐磨性大大提高的方法稱為彌散強化。Fe3C的晶格結構（圖2-18）。第二十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎間隙相VC的晶體結構間隙化合物Fe3C的晶體結構第二十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎§3.3

高分子材料的結構StructureofPolymerMaterials

一、高分子材料的基本概念1．高分子化合物高分子化合物是指由一種或多種簡單低分子化合物聚合而成的相對分子質量很大的化合物，所以又稱為聚合物或高聚物。高分子化合物的相對分子質量一般在104以上，甚至達到幾十萬或幾百萬以上，它是由成千上萬個原子以共價鍵相連接的大分子化合物。通常把相對分子質量小于5000的稱為低分子化合物；而大于5000的則稱為高分子化合物。第二十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎2．單體與鏈節單體用于聚合形成大分子鏈的簡單低分子化合物稱為單體，它是化合物獨立存在的基本單元，鏈節高分子化合物的相對分子質量很大，主要呈長鏈形，因此常稱為大分子鏈或分子鏈。大分子鏈極長，是由許許多多結構相同的基本單元重復連接構成的，組成大分子鏈的這種特定的重復結構單元稱為鏈節。鏈節的結構和成分代表了高分子化合物的結構和成分。第二十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎3．高分子材料的分類及命名通常高分子材料采用習慣命名法，在原料單體名稱前加“聚”字，如聚乙烯、聚氯乙烯等。由兩種單體縮聚而成的聚合物，如果結構比較復雜或不太明確，則往往在單體名稱后加上“樹脂”二字來命名，如由苯酚和甲醛合成的聚合物叫做“酚醛樹脂”。只用一種單體成分合成的聚合物稱為均聚物；使用兩種或多種不同單體成分合成的聚合物稱為共聚物。有時為了簡化，往往采用英文縮寫名稱，如聚乙烯用PF，聚氯乙烯用PVC等。

第二十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎第三十頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎二、高分子材料的分子鏈結構高分子材料的分子鏈結構是指組成高分子結構單元的化學組成、鍵接方式、空間構型，高分子鏈的幾何形狀及構象等。1．分子鏈的化學組成根據鏈節中主鏈化學組成的不同，高分子鏈主要有以下幾種類型。第三十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎碳鏈高分子高分子主鏈是由相同的碳原子以共價鍵連接而成。如：—C—C—C—C—或—C—C＝C—C—

雜鏈高分子

高分子主鏈是由兩種或兩種以上的原子構成的，即除碳原子外，還含有氧、氮、硫、磷、氯、氟等原子。如：—C—C—O—C—C—、—C—C—N—C—C—

元素有機高分子

高分子主鏈一般由無機元素硅、鈦、鋁、硼等原子和有機元素氧原子等組成。如：

—O—Si—O—Si—O—第三十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎2．高分子鏈結構單元的鍵接方式和構型大分子鏈形成后，由共價鍵固定的鏈內原子和原子團的幾何排列即固定不變。任何大分子鏈都是由鏈節按一定的方式連接而成的。

鍵接方式

結構單元在鏈中的連接方式和順序決定于單體及合成反應的性質。空間構型高分子中結構單元由化學鍵所固定的原子在空間的幾何排列稱為分子鏈的構型。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型。

第三十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎3．高分子鏈的幾何形狀

在合成聚合物的過程中，可以發生各種各樣的反應形式，所以高分子鏈也會呈現出各種不同的形態。一般說來，高分子鏈的幾何形狀有以下三種：

線形高分子由許多鏈節組成的長鏈，通常是卷曲成線團狀。這類高聚物的特點是彈性、塑性好，硬度低，是熱塑性高聚物。

第三十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎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。

體形（網狀）高分子分子鏈之間有許多鏈節互相交聯，呈三維網狀結構。這類高聚物的硬度高、脆性大、無彈性和塑性，是熱固性高聚物。

第三十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎4．高分子鏈的構象及柔順性高分子鏈的構象

由于單鍵內旋轉所引起的原子在空間占據不同位置所構成的分子鏈的各種形象，稱為高分子鏈的構象。高分子鏈的柔順性由構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旋轉難易程度有關。C1

109o28，ˊ

C2

C3C4碳鏈C—C鍵的內旋轉示意圖伸展鏈無規線團鏈折疊鏈螺旋鏈

單個大分子鏈的幾種構象示意圖第三十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎三、高分子材料的聚集態結構組成物質的分子聚集在一起的狀態稱為物質的聚集態。高分子的聚集態結構是指高分子材料內部高分子鏈之間的幾何排列和堆砌結構，也稱為超分子結構，它是在高分子材料加工成型過程中形成的。顯然，高分子的聚集態結構與高分子材料的性能有著直接關系。第三十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎§3.4無機非金屬材料的結構StructureofInorganicNonmetallicMaterials(Ceramics)

陶瓷材料一般由三部分組成：晶體相、玻璃相、氣相一、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、物理、化學性能。第三十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎

1.氧化物結構氧化物結構的特點是較大的氧離子緊密排列成晶體結構，較小的正離子填充在它們的空隙內。根據正離子所占空隙的位置和數量的不同，形成各種不同結構的氧化物。結構類型晶體結構

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等簡單四方TiO2(金紅石)、SiO2(高溫方石英)等A2X3型菱形晶體α-Al2O3(剛玉)ABX3型簡單立方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多種第三十九頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎

2.硅酸鹽結構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。普通水泥是人們最熟悉的硅酸鹽，它最明顯的優勢是能將巖石骨料結合成整塊材料。硅酸鹽四面體單元硅氧四面體單元按照不同的連接方式構建起來，就形成各種各樣的硅酸鹽材料。O2－Si4+硅氧四面體結構第四十頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎硅氧四面體的各種連接方式第四十一頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎二、玻璃相

玻璃相是陶瓷高溫燒結時各組成物和雜質產生一系列物理、化學反應后形成的一種非晶態物質。它的結構是由離子多面體（如硅氧四面體）構成短程有序排列的空間網絡。玻璃相在陶瓷組織中的作用是：粘結分散的晶體相，降低燒結溫度，抑制晶粒長大和填充氣孔使陶瓷致密等。玻璃相的熔點低、熱穩定性差，使陶瓷在高溫下容易產生蠕變，從而降低高溫下的強度。第四十二頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎三、氣相

氣相是指陶瓷孔隙中的氣體即氣孔，是在陶瓷生產過程中形成，并被保留下來的。陶瓷中的氣孔有開放氣孔和封閉氣孔兩種。氣孔對陶瓷性能有顯著影響。因此生產上要控制氣孔數量、大小及分布。陶瓷材料的氣孔量是衡量陶瓷材料質量的重要標志。普通陶瓷的氣孔率為5％～10％，特種陶瓷在5％以下，金屬陶瓷要求在0.5％以下。第四十三頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎§3.5液晶態結構StructureofLiquidCrystal一、晶體和液體間的過渡態

液晶是晶體、液體和非晶態固體之間的一種過渡態。液晶有液體的流動性，又具有晶體的某些各向異性。F．Reinitzer在1888年首先觀察到液晶現象，他在測定有機物熔點時，發現某些有機物熔化后，會經歷一個不透明的渾濁液態階段，只有繼續加熱，才成為透明的各向同性液體。翌年，O.Lehmann也觀察到同樣現象，并發現渾濁狀液體中間相具有和晶體相似的性質，故稱為“液晶”（Liquidcrystals）。第四十四頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎二、液晶的分類1．按形成條件分類（1）熱致性液晶指材料通過升溫至熔點或玻璃化溫度（Tg）以上才進入液晶狀態的液晶。目前在技術中直接應用的液晶都是屬于熱致性液晶。（2）溶致性液晶是由符合一定結構要求的化合物與溶劑組成液晶體系，由兩種以上化合物組成。這類分子需要形成一定的溶液后，方顯現出液晶的性質，故又稱溶變型液晶。第四十五頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎

2．按結構分類從液晶的結構和光學特征來看，可將液晶分為三類：（1）向列相液晶（Nematic）這類液晶的薄膜在偏光顯微鏡下觀察時，呈現絲狀組織。其特點是桿狀分子廣泛的平行排列，沿縱向容易移動。向列相液晶分子取向有序，位置則是隨機的。第四十六頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎（2）膽甾相液晶（Cholesteric）這類液晶實際上是向列相液晶的一種特例情況（一種畸變態），它由相互重疊的“向列相”平面堆積而成。這是一種扭曲的結構，具有特殊的光學性質，如特別高的旋光性，對圓偏振光有特殊的選擇型反射。（3）近晶相液晶（Smectic）這類液晶在濃肥皂水溶液中，顯現出特有的偏光顯微鏡像（皂相）。這類液晶分子排列分層，且有同一方向排列的特征，比較接近晶體。近晶相液晶除了取向有序外，它們的分子重心組成層狀結構，故又稱層型液晶。第四十七頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎三、液晶分子排列結構

液晶分子主要有三種排列結構，即向列相、膽甾相、近晶相。隨著溫度的升高，液晶會從有序程度高的狀態，逐步變為無序的各向同性液相狀態。（a）向列相（b）膽甾相（c）近晶相液晶分子的排列情況示意圖第四十八頁，共五十三頁，2022年，8月28日材料學基礎四、聚合物液晶

要形成聚合物液晶的首要條件是聚合物中有生成液晶態分子結構單元或液晶基元，也就是說要有棒狀或條狀分子存在。

聚合物液晶是有機分子液晶的結構基礎上再引入高分子而成。根