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第二章材料的组成结构与性能第1页，本讲稿共33页2.1 材料的组成材料的组成 按原子或分子的结合与结构分布状态的不同，材料的组成可按原子或分子的结合与结构分布状态的不同，材料的组成可分成固溶体、聚集体和复合体。分成固溶体、聚集体和复合体。2.1.1材料组元的结合形式材料组元的结合形式1、组元、相、组织、组元、相、组织 组成材料最基本、独立的物质称为材料的组成材料最基本、独立的物质称为材料的组元组元（或称组分）。组（或称组分）。组元可以是纯元素，也可以是稳定的化合物。元可以是纯元素，也可以是稳定的化合物。材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分叫做材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分叫做相相。相与相之间有明显的界面，在界面上，性质的改变是突变的。相与相之间有明显的界面，在界面上，性质的改变是突变的。第2页，本讲稿共33页 若材料是由成分、结构均相同的同种晶粒构成的，尽管各若材料是由成分、结构均相同的同种晶粒构成的，尽管各晶粒之间有界面隔开，但它们仍属于同一种相。若材料是由成晶粒之间有界面隔开，但它们仍属于同一种相。若材料是由成分、结构都不同的几种晶粒构成的，则它们属于几种不同的相。分、结构都不同的几种晶粒构成的，则它们属于几种不同的相。一个相必须在物理性质和化学性质上都是完全均匀，但不一定只一个相必须在物理性质和化学性质上都是完全均匀，但不一定只含有一种物质。含有一种物质。材料内部的微观形貌称为材料内部的微观形貌称为材料的组织材料的组织。晶粒和相形成的图案。晶粒和相形成的图案。又可分为，微观组织（结构）又可分为，微观组织（结构）10-710-9m，晶体、非晶态（无定，晶体、非晶态（无定形结构）。宏观组织，单一、复合。形结构）。宏观组织，单一、复合。第3页，本讲稿共33页宏观组织结构：用肉眼或放大镜能观察到的晶粒、相的集合状态。显微组织结构：或称亚微观结构。借助光学或电子显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构，尺寸约为107104m。微观结构：比显微组织结构更细的一层结构，包括原子、分子结构及原子和分子的排列结构。第4页，本讲稿共33页2、固溶体、固溶体 将将外外来来组组元元引引入入晶晶体体结结构构，占占据据主主晶晶相相质质点点位位置置一一部部分分或或间间隙隙位位置置一一部部分分，仍仍保保持持一一个个晶晶相相，这这种种晶晶体体称称为为固固溶溶体体（即溶质溶解在溶剂中形成固溶体），也称为（即溶质溶解在溶剂中形成固溶体），也称为固体溶液。固体溶液。固溶体的分类固溶体的分类一、一、根据外来组元在主晶相中所处位置根据外来组元在主晶相中所处位置，可分为置换固溶体，可分为置换固溶体和间隙固溶体。和间隙固溶体。二、按外来组元在主晶相中的固溶度，可分为连续型二、按外来组元在主晶相中的固溶度，可分为连续型(无限无限型型)固溶体和有限型固溶体。固溶体和有限型固溶体。第5页，本讲稿共33页（一）、根据溶质原子在主晶相中所处（一）、根据溶质原子在主晶相中所处位置位置分：分：1、置置换换式式固固溶溶体体，亦亦称称替替代代固固溶溶体体，其其溶溶质质原原子子位位于于点点阵阵结结点上，替代（置换）了部分溶剂原子。点上，替代（置换）了部分溶剂原子。金金属属和和金金属属形形成成的的固固溶溶体体都都是是置置换换式式的的。如如，Cu-Zn系中固溶体都是置换式固溶体。系中固溶体都是置换式固溶体。在在金金属属氧氧化化物物中中，主主要要发发生生在在金金属属离离子子位位置置上上的的置置换换，如如：MgO-CaO，MgO-CoO，PbZrO3-PbTiO3，Al2O3-Cr2O3等。等。第6页，本讲稿共33页2、间间隙隙式式固固溶溶体体，亦亦称称填填隙隙式式固固溶溶体体，其其溶溶质质原原子子位于点阵的间隙中。位于点阵的间隙中。金金属属和和非非金金属属元元素素H、B、C、N等等形形成成的的固固溶溶体体都都是是间间隙隙式式的的。如如，在在Fe-C系系的的固固溶溶体体中中，碳碳原原子子就就位位于于铁原子的铁原子的BCC（体心立方结构）点阵的八面体间隙中。（体心立方结构）点阵的八面体间隙中。第7页，本讲稿共33页（二）、根据外来组元在主晶相中的固溶度（二）、根据外来组元在主晶相中的固溶度1、有有限限固固溶溶体体（不不连连续续固固溶溶体体、部部分分互互溶溶固固溶溶体体），其固溶度小于，其固溶度小于100%。两两种种晶晶体体结结构构不不同同或或相相互互取取代代的的离离子子半半径径差差别别较较大大，只只能能生生成成有有限限固固溶溶体体。如如MgO-CaO系系统统，虽虽然然都都是是NaCl型型结结构构，但但阳阳离离子子半半径径相相差差较较大大，rMg2+=8nm，rCa2+=10nm，取代只能到一定限度。，取代只能到一定限度。第8页，本讲稿共33页2、无无限限固固溶溶体体（连连续续固固溶溶体体、完完全全互互溶溶固固溶溶体体），是是由由两两个个(或或多多个个)晶晶体体机机构构相相同同的的组组元元形形成成的的，任任一一组组元的成分范围均为元的成分范围均为0100%。Cu-Ni系系、Cr-Mo系系、Mo-W系系、Ti-Zr系系等等在在室温下都能无限互溶，形成连续固溶体。室温下都能无限互溶，形成连续固溶体。MgO-CoO系系统统，MgO、CoO同同属属NaCl型型结结构构，rCo2+=8nm，rMg2+=8nm，形形成成无无限限固固溶溶体体，分分子子式式可可写写为为MgxNi1-xO，x=01；PbTiO3与与PbZrO3也也可可形形成成无无限限固固溶溶体体，分分子子式式写写成：成：Pb（ZrxTi1-x）O3，x=01。第9页，本讲稿共33页形成置换固溶体的影响因素形成置换固溶体的影响因素1.原子或离子尺寸的影响原子或离子尺寸的影响2、晶体结构类型的影响、晶体结构类型的影响3、离子类型和键性、离子类型和键性4、电价因素、电价因素第10页，本讲稿共33页1.原子或离子尺寸的影响原子或离子尺寸的影响以以r1和和r2分别代表半径大和半径小的溶剂分别代表半径大和半径小的溶剂(主晶相主晶相)或或溶质溶质(杂质杂质)原子原子(或离子或离子)的半径，的半径，n当当时，溶质与溶剂之间可以形成连续固溶时，溶质与溶剂之间可以形成连续固溶体。体。n当当时，溶质与溶剂之间只能形成时，溶质与溶剂之间只能形成有限型固溶体，有限型固溶体，n当当时，溶质与溶剂之间很难形成时，溶质与溶剂之间很难形成固溶固溶体或不能形成体或不能形成固溶体，而容易形成中间相或化合物。固溶体，而容易形成中间相或化合物。因此因此r愈大，则溶解度愈小。愈大，则溶解度愈小。这是形成连续固溶体的必要条件，这是形成连续固溶体的必要条件，而不是充分必要条件。而不是充分必要条件。第11页，本讲稿共33页2、晶体结构类型的影响、晶体结构类型的影响若若溶溶质质与与溶溶剂剂晶晶体体结结构构类类型型相相同同，能能形形成成连连续续固固溶溶体体，这这也也是是形形成成连连续续固固溶溶体体的的必必要要条条件，而不是充分必要条件。件，而不是充分必要条件。NiO-MgO都都具具有有面面心心立立方方结结构构（FCC），且且r萤石萤石TiO2MgO实验证明是符实验证明是符合的。合的。第17页，本讲稿共33页形成固溶体后对晶体性质的影响形成固溶体后对晶体性质的影响n1、稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生n2、活化晶格、活化晶格n3、固溶强化、固溶强化n4、形成固溶体后对材料物理性质的影响、形成固溶体后对材料物理性质的影响第18页，本讲稿共33页1、稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生、稳定晶格，阻止某些晶型转变的发生（1）PbTiO3是一种铁电体，纯是一种铁电体，纯PbTiO3烧结性能极差，居里点烧结性能极差，居里点为为490，发生相变时，晶格常数剧烈变化，在常温下发生开裂。，发生相变时，晶格常数剧烈变化，在常温下发生开裂。PbZrO3是一种反铁电体，居里点为是一种反铁电体，居里点为230。两者结构相同，。两者结构相同，Zr4+、Ti4+离子尺寸相差不多，能在常温生成连续固溶体离子尺寸相差不多，能在常温生成连续固溶体Pb(ZrxTi1-x)O3，x=0.10.3。在斜方铁电体和四方铁电体的边界组成。在斜方铁电体和四方铁电体的边界组成Pb(Zr0.54Ti0.46)O3处，压电性能、介电常数都达到最大值，烧结性能也处，压电性能、介电常数都达到最大值，烧结性能也很好，被命名为很好，被命名为PZT陶瓷。陶瓷。第19页，本讲稿共33页（2）ZrO2是一种高温耐火材料，熔点是一种高温耐火材料，熔点2680，但发，但发生相变时生相变时伴随很大的体积收缩，这对高温结构材料是致命的。若伴随很大的体积收缩，这对高温结构材料是致命的。若加入加入CaO，则和，则和ZrO2形成固溶体，无晶型转变，体积形成固溶体，无晶型转变，体积效应减少，使效应减少，使ZrO2成为一种很好的高温结构材料。成为一种很好的高温结构材料。第20页，本讲稿共33页2、活化晶格、活化晶格形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的形成固溶体后，晶格结构有一定畸变，处于高能量的活化状态，有利于进行化学反应。如，活化状态，有利于进行化学反应。如，Al2O3熔点高熔点高（2050），不利于烧结，若加入），不利于烧结，若加入TiO2，可使烧结温，可使烧结温度下降到度下降到1600，这是因为，这是因为Al2O3与与TiO2形成固溶体，形成固溶体，Ti4+置换置换Al3+后，后，带正电，为平衡电价，产生了正带正电，为平衡电价，产生了正离子空位，加快扩散，有利于烧结进行。离子空位，加快扩散，有利于烧结进行。第21页，本讲稿共33页3、固溶强化、固溶强化定定义义：固固溶溶体体的的强强度度与与硬硬度度往往往往高高于于各各组组元元，而而塑塑性性则则较较低低，称称为为固固溶溶强化。强化。固固溶溶强强化化的的特特点点和和规规律律：固固溶溶强强化化的的程程度度（或或效效果果）不不仅仅取取决决与与它它的的成成分分，还还取取决决与与固固溶溶体体的的类类型型、结结构构特特点点、固固溶溶度度、组组元元原原子子半半径径差等一系列因素。差等一系列因素。1）间隙式溶质原子的强化效果一般要比置换式溶质原子更显著。）间隙式溶质原子的强化效果一般要比置换式溶质原子更显著。2）溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度越小，固溶强化越显著。）溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度越小，固溶强化越显著。第22页，本讲稿共33页固固溶溶体体的的电电学学、热热学学、磁磁学学等等物物理理性性质质随随成成分分而而连连续续变化，但一般都不是线性关系。变化，但一般都不是线性关系。实实际际应应用用：通通过过测测定定固固溶溶体体的的密密度度、折折光光率率等等性性质质的的改改变变，确确定定固固溶溶体体的的形形成成和和各各组组成成间间的的相相对对含含量量。如如钠钠长长石石与与钙钙长长石石形形成成的的连连续续固固溶溶体体中中，随随着着钠钠长长石石向向钙钙长长石石的的过过渡渡，其其密密度度及及折折光光率率均均递递增增。通通过过测测定定未未知知组组成成固固溶溶体体的的性性质质进进行行对对照照，反反推推该该固固溶溶体体的的组组成。成。4、形成固溶体后对材料物理性质的影响第23页，本讲稿共33页固溶体化学式的写法固溶体化学式的写法以以CaO加入到加入到ZrO2中为例，以中为例，以1mol为基准，掺入为基准，掺入xmolCaO。形成置换式固溶体：形成置换式固溶体：空位模型空位模型xxx则化学式为：则化学式为：CaxZrlxO2-x形成间隙式固溶体：形成间隙式固溶体：间隙模型间隙模型2yyy则化学式为：则化学式为：Ca2yZr1-yO2x、y为待定参数，可根据实际掺入量确定。为待定参数，可根据实际掺入量确定。第24页，本讲稿共33页3、聚集体、聚集体 由无数的原子或晶粒聚集而成的固体，可以是由无数的原子或晶粒聚集而成的固体，可以是“单一的元素构成的单一的元素构成的”、“固溶体构成的固溶体构成的”“两种以两种以上不同元素的结晶相构成的上不同元素的结晶相构成的”、“结晶相与玻璃相结晶相与玻璃相的共存状态的共存状态”，这类状态的材料称之为聚集体。，这类状态的材料称之为聚集体。其中，有的是晶粒间呈连续变化牢固地结合在一起其中，有的是晶粒间呈连续变化牢固地结合在一起（如金属或固溶体等），有的是晶粒间的结合较微（如金属或固溶体等），有的是晶粒间的结合较微弱（如铸铁、花岗岩等）。后者受外力作用时，在弱（如铸铁、花岗岩等）。后者受外力作用时，在晶粒的界面会发生破坏。晶粒的界面会发生破坏。第25页，本讲稿共33页 纯金属一般可把它看成是微细晶体的聚集体；而合金则可看作是母相金属原子的晶体与加入的合金晶体等聚合而成的聚集体。晶粒间的结合力要比晶粒内部的结合力小。复合体 复合体（复合材料）即指由两种或两种以上的不同材料通过一定的方式复合而构成的新型材料，各相之间存在着明显的界面。复合材料中各相不但保持各自的固有特性而且可最大限度发挥各种材料相的特性，并赋予单一材料所不具备的优良特殊性能。第26页，本讲稿共33页 复合材料的结构通常是一个相为连续相，称为基体材料；而另个相是不连续的，以独立的形态分布在整个连续相中，也称为分散相。与连续相相比，这种分散相的性能优越，会使材料的性能显著增强，故常称为增强材料。材料增强的种类有颗粒增强、晶须和纤维增强、层板复合等。较粗大的骨料用结合材料结合的称为复合组合体，如混凝土。目前复合材料已日益成为材料大家族中发展最为迅猛、应用更为广泛的后起之秀。第27页，本讲稿共33页2.1.2材料的化学组成1、金属材料的化学组成（1）单质金属 金属是指元素周期表中的金属元素，存在于自然界的94种元素中，有72种是金属元素。大多数是以过渡金属为中心的纯金属状态使用。工业上习惯分为黑色金属和有色金属两大类。铁、铬、锰三种金属属于黑色金属，其余的所有金属都属于有色金属。有色金属又分为重金属、轻金属、贵金属和稀有金属等四类。第28页，本讲稿共33页（2）金属合金 金属合金是指由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素构成的具有金属性质的物质。如青铜是铜和锡的合金，黄铜是铜和锌的合金，硬铝是铝、铜、镁等组成的合金。二元合金、三元合金。2、无机非金属材料的化学组成从化学的角度来看，无机非金属材料都是由金属元素和非金属元素的化合物配合料经一定工艺过程制得的。如金属和非金属元素的氧化物（SiO2，Al2O3，TiO2，Fe2O3，CaO，MgO，K2O，Na2O等）第29页，本讲稿共33页氢氧化物（Ca(OH)2、Mg(OH)2、Al(OH)3 等）；碳化物（SiC、B4C、TiC等）；氮化物（Si3N4、BN、AlN等）以不同的方式组合而成。化学组分几乎涉及到元素周期表上所有元素。3、高分子材料的化学组成 有机化合物简单地称为碳氢化合物，是以碳元素（C）为主，大多数是同氢元素（H）、氧元素（O）中的任一种或两种以上结合而成的，此外，也有同氮（N）、硫（S）、磷（P）、氯（Cl）、氟（F）、硅（Si）等结合构成。第30页，本讲稿共33页尽管构成有机化合物的成分元素种类为数不多，但由它们组合起来可以形成组成、结构不同的数量庞大的各种化合物，其数量与日俱增。高分子材料是以高分子化合物（聚合物、高聚物、树脂）为主要组分的材料。高分子化合物是指相对分子量特别大的有机化合物。104以上 聚乙烯（PE）、聚氯乙烯（PVC）、聚甲基丙烯酸甲酯（PMMA）、聚乙烯醇（PVA）等。第31页，本讲稿共33页2.2材料的结构 材料的结构是指材料的组成单元（原子或分子）之间相互吸引和排斥作用达到平衡时的空间排布，宏观组织结构、显微组织结构及微观结构。材料的性能依赖于材料本身的结构，了解材料的结构是了解材料性能的基础。各类材料，当键合方式不同，如为离子键、共价键、金属键或氢键时，便具有不同的结构和特性。金属材料、无机非金属材料、高分子材料的差异本质上是由不同的元素、以不同的键合方式造成的。第32页，本讲稿共33页2.2.1材料中的化学键合第33页，本讲稿共33页