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1、單擊此處編輯母版標題樣式,單擊此處編輯母版文本樣式,第二級,第三級,第四級,第五級,*,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合的要求。,以強度為例，純金屬的強度一般都很低，如鐵的拉伸強度約為,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，合金的力學性能高得多且種類多。,組元,：組成合金獨立的、最基本的單元。,組元包括,二元合金,：由兩個組元組成的合金。,由給定組元可以配制成一系列成分不同的合金，這些合金組成一個合金系統(tǒng)，稱為,合金系,，兩個組元組成的為二元系，三個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的均勻組成部分。,多數(shù)金屬在液態(tài)各組成元素之間無限互溶，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)點在溶劑晶格中的位置來劃分：,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，如超過此濃度則有其它相形成。,b、無限固溶體：溶質(zhì)可以任意比例溶入到溶劑中，最高可達100%。（,只能是置換固溶體,）,形成無限固溶體的幾個必要條件：,溶質(zhì)和溶劑的原子尺寸差極小（在周期表中位置相鄰）；溶質(zhì)與溶劑的晶體結(jié)構(gòu)類型相同；溶質(zhì)和溶劑的負電性相近；只有一價元素或（在計算電子濃度時當作0價）過渡族金屬元素，才有可能與一價金屬元素（溶劑）形成無限固溶體。,（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、無序固溶體：溶質(zhì)原子在固溶體中無規(guī)律的分布。,當同類原子間的結(jié)合能
5、小于異類原子間的結(jié)合能時，溶質(zhì)原子會呈部分有序分布；此時若溶質(zhì)原子達到一定的原子分數(shù)時，則會呈完全有序分布，即形成有序固溶體?？梢娪行蚬倘荏w有確定的化學成分，可用化學式表示。,當有序固溶體加熱至某一臨界溫度時，將轉(zhuǎn)變?yōu)闊o序固溶體；而緩慢冷卻至這一溫度時，又可轉(zhuǎn)變?yōu)橛行蚬倘荏w。這一轉(zhuǎn)變過程稱為有序化，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，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，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，位錯移動困難，因而使固溶體的強度、硬度提高，塑性和韌性有所下降，這種現(xiàn)象稱為,固溶強化,。,(5)固溶強化是提高金屬材料機械性能的重要途徑之一。,2.2.1 正常價化合物,金屬與化學元素周期表中一些電負性較強的 A、A、A族元素，按照化學上的原子價規(guī)律所形成的化合物，稱為正常價化合物。它們的成分可以用分子式來表達，如Mg,2,Si、Mg,2,Sn、ZnS、ZnSe等。,這些化合物的穩(wěn)定性與組元間電負性差有關(guān)，電負性差越大，化合物越穩(wěn)定，越趨于離子鍵結(jié)合。電負性差越小，化合物越不穩(wěn)定，越趨于
7、金屬鍵結(jié)合。,正常價化合物包括從離子鍵、共價鍵過渡到金屬鍵為主的一系列化合物。,正常價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 一些正常價化合物及其晶體結(jié)構(gòu)類型,2.2.3 間隙型化合物,過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，,其特點是半徑較大的過渡族元素的原子占據(jù)新晶格的結(jié)點位置，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。,當金屬（M）與非金屬（X）的原子半徑比值R,X,/R,M,0.59且電負性差較大時，化合物具有比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)，稱為間隙相（若R,X,/R,M,0.59且電負性差較小時，可形成間隙固溶體
8、）；,而當R,X,/R,M,0.59且電負性差較大時，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、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，脆性大。因為除金屬鍵外，還含有較多的離子鍵及共價鍵的成分。故絕大多數(shù)的工程材料將金屬化合物作為強化合金的第二相。,彌散強化,：金屬化合物硬而脆，當其以極小的粒子均勻分布在固溶體基體上時，使合金的強度、硬度提高，而塑性、韌性降低不多的現(xiàn)象。,彌散強化是提高金屬材料機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、物理、化學性能。,陶瓷是以離子鍵或共價鍵為主的離子晶體或共價晶體。
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：,（1）結(jié)合鍵主要是離子鍵，或含有一定比例的共價鍵；,（2）有確定的成分，可以用準確的分子式表示；,（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)的特點及分類,用于制造陶瓷材料的主要硅酸鹽礦物有長石、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,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，還有一定的共價鍵成分。每個四面體的氧原子外層只有7個電子，故為-1價，還能和其他金
11、屬離子鍵合；,3)結(jié)構(gòu)中Si,4+,間沒有直接的鍵,它們是通過O,2-,連接起來的；,4)每一個O,2-,只能連接2個硅氧四面體，此時其外層電子數(shù)恰好達到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)（含有有限硅氧團的硅酸鹽）,a、含孤立有限硅氧團的硅酸鹽，孤立硅氧四面體指四面體之間不通過離子鍵或共價鍵結(jié)合。,硅氧四面體中氧為-1價，單個硅氧四面體為-4價，硅氧四面體可與其它正離子鍵合使化合價達到飽和。,b、含成對有限硅氧團和環(huán)狀有限硅
12、氧團的硅酸鹽。硅氧四面體可成對連接，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在該平面上共頂連接形成的具有六角對稱的二維結(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個頂點均與相鄰硅氧四面體的頂點相鄰，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)半導體、無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)：無規(guī)則網(wǎng)絡(luò)學說認為，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 巨大分子及相對分子質(zhì)量,通常，相對分子質(zhì)量小于500的稱為低分子物質(zhì)，相對分子質(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,可簡寫成 n CH,2,=CH,2,。,聚合物的分子為很長的鏈條，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。當高聚物只由一種單體組成時，單體的結(jié)構(gòu)即為鏈節(jié)的結(jié)構(gòu)，也就是整個高聚物的結(jié)構(gòu)。,鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)稱為,聚合度,。一個大分子鏈的相對分子質(zhì)量M，應(yīng)該是它的鏈節(jié)的相對分子質(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形成高聚物的過程，其所進行的反應(yīng)為聚合反應(yīng)。,常用的聚合反應(yīng)有加成聚合反應(yīng)（簡稱,加聚反應(yīng),）和縮合聚合反應(yīng)（簡稱,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)過程中無副產(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，形成兩個或兩個以上的新鍵。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)是指單個分子的結(jié)構(gòu)和形態(tài)，又分為近程結(jié)構(gòu)和遠程結(jié)構(gòu)。近程結(jié)構(gòu)是指單個大分子結(jié)構(gòu)單元的化學組成、鏈接方式和立體構(gòu)型等；遠程結(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)單元的化學組成,大分子鏈的化學組成不同，原子間共價鍵力就不同，高分子材料的化學和物理性能也不同。,a.碳鏈大分子：主鏈以C原子間共價鍵相聯(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)
