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1、單擊此處編輯母版標(biāo)題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級(jí),第三級(jí),第四級(jí),第五級(jí),*,第,二,章,固體中的相結(jié)構(gòu),2.1,固溶體,2.2,金屬間化合物,2.3 陶瓷晶體相,2.4 玻璃相,2.5 分子相,雖然純金屬在工業(yè)上獲得了一定的應(yīng)用，但由于其性能的局限性，不能滿足各種使用場(chǎng)合的要求。,以強(qiáng)度為例，純金屬的強(qiáng)度一般都很低，如鐵的拉伸強(qiáng)度約為,200 MN/m,2,，而鋁還不到,100 MN/m,2,，顯然都不適合用作結(jié)構(gòu)材料；,如何改變和提高金屬材料的性能？實(shí)踐證明，合金化是最主要的途徑。因此，目前應(yīng)用的金屬材料絕大多數(shù)是合金。,幾個(gè)基本概念：,合金,：一種金屬元素與另一種或幾種其它元素
2、（金屬或非金屬），通過(guò)熔煉或其它方法結(jié)合在一起所形成的具有金屬特性的物質(zhì)。,與純金屬比，合金的力學(xué)性能高得多且種類多。,組元,：組成合金獨(dú)立的、最基本的單元。,組元包括,二元合金,：由兩個(gè)組元組成的合金。,由給定組元可以配制成一系列成分不同的合金，這些合金組成一個(gè)合金系統(tǒng)，稱為,合金系,，兩個(gè)組元組成的為二元系，三個(gè)組元組成的為三元系，更多組元組成的稱為多元系。,合金的組成元素,穩(wěn)定化合物：固定的熔點(diǎn)和成分，不易分解。,相,：在任一給定的物質(zhì)系統(tǒng)中，具有同一化學(xué)成分、同一原子聚集狀態(tài)和性質(zhì)，并與其它部分有明顯界面分開(kāi)的均勻組成部分。,多數(shù)金屬在液態(tài)各組成元素之間無(wú)限互溶，故液態(tài)只有單一的液相（
3、L），固態(tài)物質(zhì)可以是單相，也可以是多相。固體中的相從結(jié)構(gòu)上可將其分為固溶體、化合物、陶瓷晶體相、玻璃相及分子相等5類。固態(tài),合金中有兩類基本相 固溶體和化合物。,2.1,固溶體,2.1.2 固溶體的分類,（1）按溶質(zhì)質(zhì)點(diǎn)在溶劑晶格中的位置來(lái)劃分：,a、置換固溶體：溶質(zhì)原子取代溶劑原子的位置，但整個(gè)結(jié)構(gòu)仍然是溶劑的晶體結(jié)構(gòu)。,b、間隙固溶體：溶質(zhì)原子位于溶劑原子的間隙位置中。形成間隙固溶體的溶質(zhì)元素是原子半徑較小的非金屬元素，如C、N、B等，而溶劑元素一般是過(guò)渡族元素。形成間隙固溶體的一般規(guī)律為r,質(zhì),/r,劑,0.59。,置換固溶體示意圖,間隙固溶體示意圖,（2）按溶質(zhì)在溶劑中的溶解度分類,a
4、、有限固溶體：在一定的條件下，溶質(zhì)在固溶體中存在一極限濃度，如超過(guò)此濃度則有其它相形成。,b、無(wú)限固溶體：溶質(zhì)可以任意比例溶入到溶劑中，最高可達(dá)100%。（,只能是置換固溶體,）,形成無(wú)限固溶體的幾個(gè)必要條件：,溶質(zhì)和溶劑的原子尺寸差極?。ㄔ谥芷诒碇形恢孟噜彛蝗苜|(zhì)與溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型相同；溶質(zhì)和溶劑的負(fù)電性相近；只有一價(jià)元素或（在計(jì)算電子濃度時(shí)當(dāng)作0價(jià)）過(guò)渡族金屬元素，才有可能與一價(jià)金屬元素（溶劑）形成無(wú)限固溶體。,（3）根據(jù)各組元分布的規(guī)律性劃分,a、有序固溶體：溶質(zhì)原子在固溶體中有規(guī)律的分布。（,只能是置換固溶體,）,b、無(wú)序固溶體：溶質(zhì)原子在固溶體中無(wú)規(guī)律的分布。,當(dāng)同類原子間的結(jié)合能
5、小于異類原子間的結(jié)合能時(shí)，溶質(zhì)原子會(huì)呈部分有序分布；此時(shí)若溶質(zhì)原子達(dá)到一定的原子分?jǐn)?shù)時(shí)，則會(huì)呈完全有序分布，即形成有序固溶體?？梢?jiàn)有序固溶體有確定的化學(xué)成分，可用化學(xué)式表示。,當(dāng)有序固溶體加熱至某一臨界溫度時(shí)，將轉(zhuǎn)變?yōu)闊o(wú)序固溶體；而緩慢冷卻至這一溫度時(shí)，又可轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w。這一轉(zhuǎn)變過(guò)程稱為有序化，臨界轉(zhuǎn)變溫度稱為有序化溫度。,2.1.3,固溶體的性能,(1)在形成間隙固溶體時(shí)，晶格常數(shù)總是隨溶質(zhì)原子的溶入而增大。,(2)形成置換固溶體時(shí)，若溶質(zhì)原子比溶劑原子大，則溶質(zhì)原子周圍晶格發(fā)生膨脹，平均晶格常數(shù)增大；反之，若溶質(zhì)原子較小，則溶質(zhì)原子周圍晶格發(fā)生收縮，使固溶體的平均晶格常數(shù)減小。,(3)
6、間隙式溶質(zhì)原子的強(qiáng)化效果般要比置換式溶質(zhì)原子更顯著。,(4)溶質(zhì)原子溶入造成的晶格畸變使塑性變形抗力增加，位錯(cuò)移動(dòng)困難，因而使固溶體的強(qiáng)度、硬度提高，塑性和韌性有所下降，這種現(xiàn)象稱為,固溶強(qiáng)化,。,(5)固溶強(qiáng)化是提高金屬材料機(jī)械性能的重要途徑之一。,2.2.1 正常價(jià)化合物,金屬與化學(xué)元素周期表中一些電負(fù)性較強(qiáng)的 A、A、A族元素，按照化學(xué)上的原子價(jià)規(guī)律所形成的化合物，稱為正常價(jià)化合物。它們的成分可以用分子式來(lái)表達(dá)，如Mg,2,Si、Mg,2,Sn、ZnS、ZnSe等。,這些化合物的穩(wěn)定性與組元間電負(fù)性差有關(guān)，電負(fù)性差越大，化合物越穩(wěn)定，越趨于離子鍵結(jié)合。電負(fù)性差越小，化合物越不穩(wěn)定，越趨于
7、金屬鍵結(jié)合。,正常價(jià)化合物包括從離子鍵、共價(jià)鍵過(guò)渡到金屬鍵為主的一系列化合物。,正常價(jià)化合物通常具有較高的硬度和脆性。,固溶度范圍極小，在相圖上為一條垂直線。,表 一些正常價(jià)化合物及其晶體結(jié)構(gòu)類型,2.2.3 間隙型化合物,過(guò)渡族金屬能與原子半徑比較小的非金屬元素C、N、H、O、B等形成化合物，,其特點(diǎn)是半徑較大的過(guò)渡族元素的原子占據(jù)新晶格的結(jié)點(diǎn)位置，而半徑較小的非金屬元素的原子則有規(guī)律地嵌入晶格的空隙中。,當(dāng)金屬（M）與非金屬（X）的原子半徑比值R,X,/R,M,0.59且電負(fù)性差較大時(shí)，化合物具有比較簡(jiǎn)單的晶體結(jié)構(gòu)，稱為間隙相（若R,X,/R,M,0.59且電負(fù)性差較小時(shí)，可形成間隙固溶體
8、）；,而當(dāng)R,X,/R,M,0.59且電負(fù)性差較大時(shí)，形成具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)的化合物，稱為復(fù)雜間隙化合物。,表 間隙相舉例,復(fù)雜間隙化合物：,復(fù)雜間隙化合物具有復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)，它的類型較多。,這類化合物在熔點(diǎn)、硬度和穩(wěn)定性方面均較間隙相差。,一般在合金鋼中，常出現(xiàn)的復(fù)雜間隙化合物有M,3,C型、M,7,C,3,型、M,23,C,6,、M,6,C等。,式中M可表示一種元素，也可以表示有幾種金屬元素固溶在內(nèi)。例如，在滲碳體Fe,3,C中，一部分Fe原子若被Mn原子置換，則形成合金滲碳體（Fe，Mn）,3,C；而Cr,23,C,6,中往往溶入Fe、Mo、W等元素，或?qū)懗桑–r，F(xiàn)e，Mo，W）,23,C,
9、6,；同樣，F(xiàn)e,3,W,3,C中能溶入Ni、Mo等元素，成為（Ni，F(xiàn)e）,3,（W，Mo）,3,C。,2.2.4 金屬化合物的特性,共性：極高的硬度、較高的熔點(diǎn)，脆性大。因?yàn)槌饘冁I外，還含有較多的離子鍵及共價(jià)鍵的成分。故絕大多數(shù)的工程材料將金屬化合物作為強(qiáng)化合金的第二相。,彌散強(qiáng)化,：金屬化合物硬而脆，當(dāng)其以極小的粒子均勻分布在固溶體基體上時(shí)，使合金的強(qiáng)度、硬度提高，而塑性、韌性降低不多的現(xiàn)象。,彌散強(qiáng)化是提高金屬材料機(jī)械性能的重要途徑之一。,2.3 陶瓷晶體相,晶體相是組成陶瓷的基本相，也稱主晶相。它往往決定陶瓷的力學(xué)、物理、化學(xué)性能。,陶瓷是以離子鍵或共價(jià)鍵為主的離子晶體或共價(jià)晶體。
10、氧化物結(jié)構(gòu)和硅酸鹽結(jié)構(gòu)是陶瓷晶體中最重要的兩類結(jié)構(gòu)。它們的共同特點(diǎn)：,（1）結(jié)合鍵主要是離子鍵，或含有一定比例的共價(jià)鍵；,（2）有確定的成分，可以用準(zhǔn)確的分子式表示；,（3）具有典型的非金屬性質(zhì)等。,陶瓷氧化物都具有典型離子化合物的結(jié)構(gòu)，這在中已介紹，下面主要介紹硅酸鹽結(jié)構(gòu)。,2.3.2 硅酸鹽結(jié)構(gòu)的特點(diǎn)及分類,用于制造陶瓷材料的主要硅酸鹽礦物有長(zhǎng)石、高嶺土、滑石、鎂橄欖石等。在所有的硅酸鹽結(jié)構(gòu)中起決定作用的是硅-氧間的結(jié)合。,硅酸鹽結(jié)構(gòu)的特點(diǎn),1)結(jié)構(gòu)是以硅氧四面體為結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)；,2)硅-氧間的結(jié)合不只是離子鍵，還有一定的共價(jià)鍵成分。每個(gè)四面體的氧原子外層只有7個(gè)電子，故為-1價(jià)，還能和其他金
11、屬離子鍵合；,3)結(jié)構(gòu)中Si,4+,間沒(méi)有直接的鍵,它們是通過(guò)O,2-,連接起來(lái)的；,4)每一個(gè)O,2-,只能連接2個(gè)硅氧四面體，此時(shí)其外層電子數(shù)恰好達(dá)到8；,5)硅氧四面體只能共頂連接,而不能共棱和共面連接,。,2.3.2.2 硅酸鹽結(jié)構(gòu)的分類,按照SiO,4,四面體在空間的組合，可將硅酸鹽分成四類：島狀結(jié)構(gòu)、鏈狀結(jié)構(gòu)、層狀結(jié)構(gòu)、骨架狀結(jié)構(gòu)。,1）島狀結(jié)構(gòu)（含有有限硅氧團(tuán)的硅酸鹽）,a、含孤立有限硅氧團(tuán)的硅酸鹽，孤立硅氧四面體指四面體之間不通過(guò)離子鍵或共價(jià)鍵結(jié)合。,硅氧四面體中氧為-1價(jià)，單個(gè)硅氧四面體為-4價(jià)，硅氧四面體可與其它正離子鍵合使化合價(jià)達(dá)到飽和。,b、含成對(duì)有限硅氧團(tuán)和環(huán)狀有限硅
12、氧團(tuán)的硅酸鹽。硅氧四面體可成對(duì)連接，或連成封閉環(huán)。,2）鏈狀結(jié)構(gòu),大量SiO,4,四面體通過(guò)共頂連接形成的一維結(jié)構(gòu)，分單鏈結(jié)構(gòu)和雙鏈結(jié)構(gòu)。,鏈狀硅氧四面體,(a)單鏈 (b)雙鏈,單鏈結(jié)構(gòu)按一維方向的周期性分為1，2，3，4，5，7節(jié)鏈。,單鏈結(jié)構(gòu)類型,3）層狀結(jié)構(gòu),由大量底面在同一平面上的硅氧四面體通過(guò)在該平面上共頂連接形成的具有六角對(duì)稱的二維結(jié)構(gòu),。,層狀硅酸鹽中的硅氧四面體,(a)立體圖 (b)在層面上的投影圖,4）骨架狀結(jié)構(gòu),骨架狀結(jié)構(gòu)是以四面體作為結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)。硅氧四面體4個(gè)頂點(diǎn)均與相鄰硅氧四面體的頂點(diǎn)相鄰，并向三維空間延伸形成架狀結(jié)構(gòu)。,方石英的晶體結(jié)構(gòu),2.4 玻璃相,非晶態(tài)物質(zhì)包
13、括玻璃、凝膠、非晶態(tài)金屬和合金（金屬玻璃）、非晶態(tài)半導(dǎo)體、無(wú)定型碳及某些聚合物等。,玻璃,：從液態(tài)凝固，結(jié)構(gòu)與液態(tài)相似的連續(xù)的非晶態(tài)固體。熔融態(tài)向玻璃態(tài)轉(zhuǎn)化的過(guò)程是可逆的與漸變的。,形成玻璃的內(nèi)部條件是黏度，外部條件是冷卻速度。,玻璃的結(jié)構(gòu)：無(wú)規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學(xué)說(shuō)認(rèn)為，物質(zhì)的玻璃態(tài)結(jié)構(gòu)與晶體結(jié)構(gòu)相似，是由離子多面體組成的空間網(wǎng)絡(luò)；晶體結(jié)構(gòu)網(wǎng)是由多面體無(wú)數(shù)次有規(guī)律重復(fù)而構(gòu)成，而玻璃體結(jié)構(gòu)中的多面體重復(fù)沒(méi)有規(guī)律性。,SiO2的結(jié)構(gòu),(a)石英晶體結(jié)構(gòu) (b)石英玻璃無(wú)規(guī)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),2.5 分子相,分子相：指固體中分子的聚集狀態(tài)，它決定了分子固體的微觀結(jié)構(gòu)。,高分子材料：分子量特別大的有機(jī)化合物的總稱，也稱聚
14、合物或高聚物。,從聚合物分子結(jié)構(gòu)可分為：線型聚合物和三維網(wǎng)型聚合物,從聚合物受熱時(shí)行為可分為：熱塑性聚合物和熱固性聚合物,2.5.1 大分子及其構(gòu)成,2.5.1.1 巨大分子及相對(duì)分子質(zhì)量,通常，相對(duì)分子質(zhì)量小于500的稱為低分子物質(zhì)，相對(duì)分子質(zhì)量大于5000的稱為高分子物質(zhì)。,合成高分子化合物的低分子化合物稱作,單體,。,如由乙烯合成聚乙烯:CH,2,=CH,2,+CH,2,=CH,2,+,-CH,2,-CH,2,-CH,2,-CH,2,-,CH,2,CH,2,n,可簡(jiǎn)寫(xiě)成 n CH,2,=CH,2,。,聚合物的分子為很長(zhǎng)的鏈條，稱為,大分子鏈,。,CH,2,CH,2,n,大分子鏈中重復(fù)結(jié)構(gòu)
15、單元(如聚乙烯中,),稱為,鏈節(jié),。,聚乙烯分子鏈,鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)和成分代表高聚物的結(jié)構(gòu)和成分。當(dāng)高聚物只由一種單體組成時(shí)，單體的結(jié)構(gòu)即為鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)，也就是整個(gè)高聚物的結(jié)構(gòu)。,鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)稱為,聚合度,。一個(gè)大分子鏈的相對(duì)分子質(zhì)量M，應(yīng)該是它的鏈節(jié)的相對(duì)分子質(zhì)量m和聚合度n的乘積，即M=Nm。,高聚物的性能及使用時(shí)的穩(wěn)定性是隨著分子大小不同而變化。,2.5.1.2 高分子的合成,高聚物的合成就是把單體聚合起來(lái)形成高聚物的過(guò)程，其所進(jìn)行的反應(yīng)為聚合反應(yīng)。,常用的聚合反應(yīng)有加成聚合反應(yīng)（簡(jiǎn)稱,加聚反應(yīng),）和縮合聚合反應(yīng)（簡(jiǎn)稱,縮聚反應(yīng),）兩種。,加聚反應(yīng)是指一種或幾種單體相互加成而連接成聚合物的反應(yīng)
16、，反應(yīng)過(guò)程中無(wú)副產(chǎn)物生成，因此生成物與其單體具有相同的成分。加聚反應(yīng)的單體必須具有不飽和鍵，以便在外界條件作用下，形成兩個(gè)或兩個(gè)以上的新鍵。分均聚、共聚。,縮聚反應(yīng)是指一種或幾種單體相互混合而連接成聚合物，同時(shí)析出（縮去）某種低分子物質(zhì)（如水、氨、醇、鹵化氫等）的反應(yīng)。反應(yīng)生成物成分與單體不同，反應(yīng)也較復(fù)雜。分均縮聚、共縮聚。,2.5.2 高聚物的結(jié)構(gòu),高聚物的結(jié)構(gòu)包括大分子的鏈結(jié)構(gòu)和聚集態(tài)結(jié)構(gòu)。,鏈結(jié)構(gòu)是指單個(gè)分子的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，又分為近程結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)。近程結(jié)構(gòu)是指單個(gè)大分子結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成、鏈接方式和立體構(gòu)型等；遠(yuǎn)程結(jié)構(gòu)是指分子的大小與形態(tài)，鏈的柔順性及分子的構(gòu)象。聚集態(tài)結(jié)構(gòu)是指高分子材料整體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)，即分子間的結(jié)構(gòu)形式，包括晶態(tài)結(jié)構(gòu)、非晶態(tài)結(jié)構(gòu)等。,2.5.2.1 結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成,大分子鏈的化學(xué)組成不同，原子間共價(jià)鍵力就不同，高分子材料的化學(xué)和物理性能也不同。,a.碳鏈大分子：主鏈以C原子間共價(jià)鍵相聯(lián)結(jié),加聚反應(yīng)制得。,b.雜鏈大分子：主鏈除C原子外還有其它原子如O、N、S等，并以共價(jià)鍵聯(lián)接，縮聚反應(yīng)而得。,c.元素鏈大分子：主鏈中不含C原子，而由Si、B、P、Al、Ti
固體中的相結(jié)構(gòu)
