工程材料与热加工技术第2章.ppt

单击此处编辑母版标题样式,单击此处编辑母版文本样式,第二级,第三级,第四级,第五级,*,第2章 金属的晶体结构与结晶,第2章 金属的晶体结构与结晶,2.1,金属的晶体结构,2.2,金属的结晶,知识窗高分子材料的结构,自测习题,2.1,金属的晶体结构,2.1.1 晶体结构常识,1.,晶格、晶胞和晶格常数,在金属晶体中，原子是按一定的几何规律周期性规则排列的。为了便于研究，人们把金属晶体中的原子近似地设想为刚性小球，这样就可将金属看成是由刚性小球按一定的几何规则紧密堆积而成的晶体，如图,2-1,所示。,图,2-1,晶体中的原子堆积模型,1),晶格,为了研究晶体中原子的排列规律，假定理想晶体中的原子都是固定不动的刚性球体，并用假想的线条将晶体中各原子中心连接起来，便形成了一个空间格架，这种抽象的、用于描述原子在晶体中排列方式的空间格架称为晶格，如图,2-2,所示。,图,2-2,晶格的抽象模型,2),晶胞,晶体中原子的排列具有周期性的特点，因此，通常只从晶格中选取一个能够完全反映晶格特征的、最小的几何单元来分析晶体中原子的排列规律，这个最小的几何单元称为晶胞，如图,2-3,所示。实际上整个晶格就是由许多大小、形状和位向相同的晶胞在三维空间重复堆积排列而成的。,图,2-3,晶胞,3),晶格常数,晶胞的大小和形状常以晶胞的棱边长度,a,、,b,、,c,及棱边夹角,、,、,来表示，晶胞的棱边长度称为晶格常数，如图,2-4,所示。当棱边长度,a,b,c,，,棱边夹角,90,时，这种晶胞称为简单立方晶胞，由简单立方晶胞组成的晶格称为简单立方晶格。,图,2-4,晶格常数,4),晶面、晶向和晶体的各向异性,金属晶体中通过原子中心所构成的不同方位上的原子面称为晶面。通过原子中心所构成的不同方向上的原子列，可以代表晶格空间的一定方向，称为晶向。,由于晶体中不同晶面和晶向上原子排列的紧密程度不同，原子间的结合力大小也就不同，从而在不同的晶面和晶向上会显示出不同的性能，即晶体的各向异性。晶体的这种特性在力学性能、物理性能和化学性能上都能表现出来，并在工业生产中有所应用。,2.,常见的晶格类型,由于金属原子之间具有很强的结合力，因此金属晶体中的原子都趋向于紧密排列。但不同的金属具有不同的晶体结构，大多数金属的晶体结构都比较简单，其中常见的有以下三种：,1),体心立方晶格,体心立方晶格的晶胞是一个立方体。其中，,a,=,b,=,c,，,在立方体的八个角上和立方体的中心各有一个原子，如图,2-5,所示。每个晶胞中实际含有的原子数为,1+8,1/8=2,个。具有体心立方晶格的金属有铬,(,Cr),、,钨,(,W),、,钼,(,Mo),、,钒,(,V),、,铁,(,-Fe),等。,图,2-5,体心立方晶格的晶胞,2),面心立方晶格,面心立方晶格的晶胞也是一个立方体，其中，,a,=,b,=,c,，,在立方体的八个角上和立方体的六个面的中心各有一个原子，如图,2-6,所示。每个晶胞中实际含有的原子数为,(1/8),8+6,(1/2)=4,个。具有面心立方晶格的金属有铝,(,Al),、,铜,(,Cu),、,镍,(,Ni),、,金,(,Au),、,银,(,Ag),、,铁,(,-Fe),等。,图,2-6,面心立方晶格的晶胞,3),密排六方晶格,密排六方晶格的晶胞是个正六方柱体，它由六个呈长方形的侧面和两个呈正六边形的底面所组成。在密排六方晶胞的,12,个角上和上、下底面中心各有一个原子，另外在晶胞中间还有三个原子，如图,2-7,所示。每个晶胞中实际含有的原子数为,(1/6),12+2,(1/2)+3=6,个。具有密排六方晶格的金属有镁,(,Mg),、,锌,(,Zn),、,镉,(,Cd,),等。,图,2-7,密排六方晶格的晶胞,3,常见晶格的致密度,金属晶体的一个显著特点是其原子趋于最紧密的排列，因而金属晶格中原子排列的紧密程度是反映金属晶体结构特征的一个重要因素。晶体中原子排列的紧密程度常用晶格的致密度表示。晶格的致密度是指晶胞中所含原子的体积与该晶胞的体积之比。,表,2-1,列出了三种常见金属晶格的特点。可以看出，在三种常见的晶体结构中，原子排列最致密的是面心立方晶格和密排六方晶格，而体心立方晶格要差些。,表,2-1,三种常见金属晶格的结构特点,2.1.2 实际金属的晶体结构,如前所述，晶体具有各向异性是对理想晶体而言的，但是工业上实际应用的金属材料一般不具备各向异性。例如，对体心立方晶格的,-Fe(,纯铁,),进行测定，其任何方向上的弹性模量均为,200,GPa,。,原来实际应用的金属材料通常是多晶体材料，这些晶体中存在很多缺陷,(,原子排列不规则的地方,),。,1,多晶体,多晶体是指整块金属材料包含着许多小晶体，每个小晶体内的晶格位向基本一致，而各小晶体之间彼此方位不同。这种由许多小晶体组成的晶体结构称为多晶体结构，如图,2-8,所示。多晶体中每个外形不规则的小晶体称为晶粒，晶粒与晶粒间的界面就是晶界。由于晶界是两相邻晶粒之间不同晶格位向的过渡层，因此晶界上原子的排列总是不规则的。,图,2-8,多晶体结构示意图,多晶体结构中，一般晶粒尺寸小，如钢铁材料晶粒尺寸一般为,10,-,3,10,-,1,mm,左右，必须通过显微镜放大几十倍乃至几百倍以上才能观察到。在显微镜下不能直接观察到这些小晶体的立体形态，而只能观察到所要研究的金属试样表面所截晶粒的平面图形。通过对所要观察试样表面的细磨和抛光，获得平整而没有磨痕的光洁表面，然后用腐蚀剂对试样表面进行腐蚀。由于晶粒的晶界容易被腐蚀成凹沟，因此在显微镜下呈现出暗色的晶界，而晶粒内部相对比较明亮，如图,2-9,所示。,图,2-9,纯铁显微组织,2,晶体的缺陷,1),点缺陷,点缺陷是指尺寸都很小,(,原子尺寸范围内,),的缺陷。常见的点缺陷有空位、间隙原子、置换原子。空位是指在正常的晶格结点上没有原子，如图,2-10(,a,),所示；间隙原子是指个别晶格空隙之间存在的多余原子，如图,2-10(,b,),所示；置换原子是指晶格结点上的原子被其它元素的原子所取代，如图,2-10(,c,),所示。由于点缺陷的出现，原子间作用力的平衡被破坏了，促使缺陷周围的原子发生靠拢或撑开，即产生了晶格的畸变。这将会引起金属强度、硬度、电阻等的变化。,图2-10点缺陷,(,a,),空位；,(,b,),间隙原子；,(,c,),置换原子,2),线缺陷,线缺陷是指晶体内部呈线状分布的缺陷，常见的是各种类型的位错。位错是晶体中有一列或若干列原子发生了有规则的错排现象。刃型位错是比较简单的一种，如图,2-11,所示。这种缺陷的特点是：在晶体的某一个晶面的上、下两部分的原子面产生错排，就好像沿着某方位的晶面插入的一个多余原子面，但又未插到底，犹如插入刀刃一般，故称为刃型位错，而多余原子面的底边称为刃型位错线。,图,2-11,刃型位错,位错密度是指晶体中单位体积所包含的位错线的长度，通常用位错密度描述位错数量的多少。晶体中位错的存在，对晶体力学性能将产生很大的影响。若金属为理想晶体或仅含极少量位错时，金属的屈服强度,s,很高；当含有一定量的位错时，强度降低；当进行形变加工时，位错密度增加，屈服强度,s,将会增高。位错密度与强度关系示意图如图,2-12,所示。目前采用一些特殊方法已能制造出几乎不含位错的小晶须，其强度高达,13 400,MPa,，,而工业退火纯铁抗拉强度低于,300,MPa,，,两者相差,40,多倍。,图,2-12,位错密度与强度关系示意图,3),面缺陷,面缺陷是指金属的晶界和亚晶界。实际金属材料一般为多晶体材料，其相邻两晶粒之间的位向差多数为,30,40,的大角度。晶界处原子的排列必须从一种晶粒的位向过渡到另一种晶粒的位向，因此晶界成为两晶粒之间原子无规则排列的过渡层，如图,2-13(,a,),所示。在实际金属晶体中的晶粒内部，存在有许多小晶块，它们之间的位向差很小，只有几分、几秒，一般小于,1,2,，它们相互镶嵌成一颗晶粒。在这些小晶块的内部原子排列的位向是一致的，这些小晶块称为亚晶粒,(,或亚结构，或镶嵌块,),，相邻亚晶粒之间的界面称为亚晶界，如图,2-13(,b,),、,(,c,),所示。,图,2-13,晶界与亚晶界示意图,晶界具有许多不同于晶粒内部的特性，它的存在会对金属的性能产生重要的影响。晶界的存在提高了金属的强度，晶界越多,(,即晶粒越细,),，金属材料的强度、硬度越高；晶界处的熔点较低；晶界处往往优先形成新相，晶界容易被腐蚀。亚晶界对金属性能的影响与晶界相似，如亚晶界越多，即亚晶越细，将使金属的屈服强度增大。,综上所述，实际金属晶体一般不是单晶体，而是多晶体材料，且存在许多晶体缺陷，其结构特征见表,2-2,。,表,2-2,实际金属晶体结构特征,2.1.3,合金的相结构,1,固溶体,(1),间隙固溶体。溶质原子处于溶剂晶格间隙中的固溶体称为间隙固溶体，如图,2-14(,a,),所示。实验证明：当溶质元素与溶剂元素的原子半径之比小于,0.59,时才能形成间隙固溶体，因此形成间隙固溶体的溶质元素都是一些原子半径小的非金属元素，如,H,、,C,、,O,、,N,等。,非金属元素的原子半径小，形成间隙固溶体的例子很多。如碳钢中碳原子溶入,-Fe,晶格的间隙中形成称为铁素体的间隙固溶体，碳原子溶入,-Fe,晶格间隙中形成称为奥氏体的间隙固溶体。溶质原子溶入溶剂的数量越多，溶剂的晶格畸变就越大，当溶质超过一定数量时，溶剂的晶格就会变得不稳定，于是溶质原子就不能继续溶解。所以间隙固溶体永远是有限固溶体。,图2-14固溶体的类型,(,a,),间隙固溶体；,(,b,),置换固溶体,(2),置换固溶体。溶剂晶格中的某些原子位置被溶质原子取代而形成的固溶体称为置换固溶体，如图,2-14(,b,),所示。形成置换固溶体时，溶质原子在溶剂中的溶解度主要取决于两者在元素周期表中的位置、晶格类型和原子半径的大小。一般说来，溶质与溶剂原子在周期表中位置越靠近，晶格类型相同，原子半径差越小，其溶解度越大，甚至可以以任何比例互溶形成无限固溶体。例如，铜和镍都是面心立方晶格，铜的原子半径为,2.55,10,-,10,m,，,镍的原子半径为,2.49,10,-,10,m,，,两者是处在同一周期并且相邻的两个元素，所以可以形成无限固溶体。由于溶质原子与溶剂原子的直径不可能完全相同，因此，形成置换固溶体时也会造成固溶体中的晶格常数的变化和晶格畸变，如图,2-15,所示。,图,2-15,形成固溶体时的晶格畸变,由于溶质原子的溶入，固溶体的晶格发生畸变，结果使金属材料的强度、硬度升高。这种通过溶入溶质元素形成固溶体，使金属材料的变形抗力增大、强度、硬度升高的现象称为固溶强化，它是金属材料强化的重要途径之一。实践证明，适当掌握固溶体中的溶质含量，可以在显著提高金属材料的强度、硬度的同时，仍能保持良好的塑性和韧性。例如，向铜中加入,19%,的镍，可使纯铜的抗拉强度由,220,MPa,提高到,380,MPa,，,硬度由,44,HBS,提高到,70,HBS,，,而伸长率仍然保持在,50%,左右。所以对力学性能要求较高的结构材料，几乎都以固溶体作为最基本的组成相。,2,金属化合物,合金中溶质含量超过溶剂的溶解度时将出现新相，这个新相可能是一种晶格类型和性能完全不同于任意合金组元的化合物，例如碳钢中的,Fe,3,C(,渗碳体,),。金属化合物一般具有复杂的晶体结构。金属化合物的特点是熔点高、硬度高和脆性大。因此，当合金中出现金属化合物时，通常能提高合金的强度、硬度和耐磨性，但也会降低塑性和韧性。金属化合物是各类合金钢、硬质合金及许多非铁合金的重要组成部分。,多数工业合金均为固溶体和少量化合物构成的混合物，通过调整固溶体的溶解度和其中的化合物的形态、数量、大小及分布，可使合金的力学性能在一个相当大的范围内变动，从而满足不同的性能要求。,表,2-3,合金相结构的特征,2.2,金,属,的,结,晶,2.2.1 纯金属的结晶,1,冷却曲线和过冷现象,将纯金属加热熔化成液体，然后使其缓慢冷却，在冷却过程中，每隔一段时间测量液体的温度，可得到纯金属的温度时间曲线,(,又称冷却曲线,),，如图,2-16,所示。由此曲线可见，液态金属从高温开始冷却时，由于周围环境的吸热，温度均匀下降，状态保持不变，当温度下降到一定温度后，金属开始结晶，放出结晶潜热，抵消了金属向四周散出的热量，因而冷却曲线上出现了“平台”。持续一段时间之后，结晶完毕，固态金属的温度继续均匀下降，直至室温。曲线上“平台”所对应的温度就是纯金属结晶温度。,图,2-16,纯金属的冷却曲线,2,纯金属的结晶过程,液态金属的结晶是由晶核的形成和晶核的长大两个过程来实现的。结晶时，首先在液体中形成一些极微小的晶体,(,称为晶核,),，然后再以它们为核心不断长大。在这些晶体长大的同时，又出现新的晶核并逐渐长大，直至液态金属全部消失。结晶过程可用图,2-17,来表示。,图,2-17,纯金属的结晶过程,1),晶核的生成,研究表明，液态金属有两种形核方式：自发形核和非自发形核。,(1),自发形核。当温度降到结晶温度以下时，液态金属中就将形成一些比较稳定的原子集团，成为结晶的核心。这种从液体内部自发形成结晶核心的过程叫做自发形核。,(2),非自发形核。液态金属依附在一些未溶微粒表面形成晶核的过程称为非自发形核。这些未溶微粒可以是液态金属存在的杂质，也可能是人为加入的物质。虽然在液态金属中自发形核和非自发形核是同时存在的，但在实际金属的结晶过程中，非自发形核比自发形核更重要，往往起优先和主导的作用。,2),晶核的长大,晶核形成以后，晶核即开始长大。晶核长大实质是原子由液体向固体表面的转移，金属晶体往往以树枝状的形式长大。在晶核生长的初期，保持规则的几何外形，但在继续生长的过程中，由于棱边和尖角处的散热条件优于其他部位，能使结晶时放出的结晶潜热迅速逸出，此处晶体优先长大并沿一定方向生长出空间骨架，这种骨架如同树干，称为一次晶轴。在一次晶轴伸长和变粗的同时，其棱边又生成二次晶轴，同样可以形成三次晶轴、四次晶轴等，从而形成一个树枝状晶体，称为树枝状晶，简称枝晶。,在金属结晶过程中，由于晶核是按树枝状骨架方式长大的，当其发展到与相邻的树枝状骨架相遇时，就停止扩展，但是此时的骨架仍处于液体中，故骨架内将不断长出更高次的晶轴。同时，先生长的晶轴也在逐渐加粗，使剩余的液体越来越少，直至晶轴之间的液体结晶完毕，各次晶轴互相接触形成一个充实的晶粒。在结晶过程中，如果液体的供应不充分，金属最后凝固的树枝晶之间的间隙不会被填满，晶体的树枝状就很容易表露出来。,3.,金属晶粒的大小与控制,(1),增加过冷度。从金属的结晶过程可知，一定体积的液态金属中，形成的晶核数目越多，则结晶后的晶粒越多，晶粒就越细小。随着过冷度的增大，晶核的数目增加，因此提高过冷度可以增加单位体积内晶粒的数目，使晶粒细化。但过冷度过大或温度过低时，原子的扩散能力降低，形核的速率反而减少。实际生产中，增大过冷度的主要办法是提高液体金属的冷却速度以增加形核数目。如在铸造生产中，金属型比砂型有更大的冷却速度，可以获得更细的晶粒。,(2),变质处理。金属的体积比较大时，获得较大的过冷度比较困难，而且对于形状复杂的铸件，冷却速度也不能过快。生产中为了得到细晶粒的铸件，常采用变质处理。变质处理是在液体金属中加入能非自发形核的物质，这种物质称为变质剂。变质剂的作用在于增加晶核的数量或者阻碍晶核长大。例如，在铁水中加入硅铁、硅钙合金时，能使组织中的石墨变细。,(3),振动或搅拌。金属结晶时，如对液态金属采取机械振动、超声波振动、电磁振动或机械搅拌等措施，可以使枝晶破碎细化，而且破碎的枝晶还可起到新生晶核的作用，增加了晶核数量，使晶粒得到了细化。,2.2.2,二元合金相图,1,二元合金相图的建立,下面以,Cu,-,Ni,合金为例，说明用热分析法建立相图的步骤。,(1),配制不同成分的,Cu,-,Ni,合金。,(2),测定,Cu,-,Ni,合金的冷却曲线，并找出各冷却曲线上的临界点,(,即转折点和平台,),的温度值。,(3),画出温度成分坐标系，并在成分坐标上找出合金的位置，作出成分垂直线，在相应成分垂直线上标出临界点温度。,(4),将物理意义相同的点连成曲线，并根据已知条件和实际分析结果，用数字、字母标注各区域内组织的名称，即得完整的,Cu,-,Ni,二元合金平衡相图,(,或状态图,),。图,2-18,为由上述步骤建立的相图。,图2-18铜镍合金相图的建立,(,a,)Cu,-,Ni,合金冷却曲线；,(,b,)Cu,-,Ni,合金相图,Cu,-,Ni,二元合金状态图上的每个点、线、区均有一定的物理意义。例如在图,2-18,中有两条曲线，上面的曲线为液相线，代表各种成分的铜镍合金在冷却过程中开始结晶的温度；下面的曲线为固相线，代表各种成分的铜镍合金在冷却过程中结晶终了的温度。液相线和固相线将整个相图分为三个区域，液相线以上为液相区,(,L),，,固相线以下为固相区,(,),，,在液相线与固相线之间为液相与固相共存的两相区,(,L+),。,2,匀晶相图,二元合金系中两组元在液态和固态下均能无限互溶的相图称为二元匀晶相图。,Cu,-,Ni,相图就是一个匀晶相图,(,如图,2-19,所示,),。,现以,Ni,质量分数为,60%,的,Cu,-,Ni,合金为例分析结晶过程，该合金的冷却曲线和结晶过程如图,2-19(,b,),所示。在,t,1,温度以上，合金为液相,L,，,缓慢冷却至,t,1,t,3,温度之间时，合金发生匀晶反应，从液相中逐渐结晶出,固溶体，,t,3,点温度以下合金全部结晶为固溶体。其他成分合金的结晶过程与其类似。,图2-19 匀晶合金的结晶过程,(,a,)Cu,-,Ni,合金相图；,(,b,)Cu,-,Ni,合金冷却曲线,匀晶合金的结晶具有下列特点：,(1),与纯金属一样，固溶体从液相中结晶出来的过程中，也包括有形核与长大两个过程，但固溶体更趋于呈树枝状长大。,(2),固溶体结晶在一个温度区间内进行，即为一个变温结晶过程。,(3),在两相区内，温度一定时，两相的成分是确定的。确定相成分的方法是：过指定温度作水平线，分别交于液相线和固相线，这两点在成分轴上的投影点即为液相和固相的成分。随着温度的下降，液相成分沿液相线变化，固相成分沿固相线变化。,(4),在两相区内，温度一定时，两相的质量比是一定的。,(5),匀晶相图是在很缓慢的冷却时测得的。实际冷却时，由于冷却速度不可能无限缓慢，先结晶的和后结晶的部分成分不同，来不及扩散时就在金属内部出现成分不均的现象,(,称为偏析,),，成分偏析将影响金属的性能。,3,二元共晶相图,通常把在一定温度下，由一定成分的液相同时结晶出成分一定的两个固相的过程称为共晶转变。合金系的两组元在液态时无限互溶，在固态下有限互溶，并在凝固过程中发生共晶转变的相图称为二元共晶相图。图,2-20,所示的,Pb,-,Sn,合金相图为典型的二元合金共晶相图。,L,、,、,相是该合金系的三个基本相：,相是以,Pb,组元为溶剂、,Sn,组元为溶质所形成的有限固溶体，,相是以,Sn,组元为溶剂、,Pb,组元为溶质所形成的有限固溶体。相图中有三个单相区,L,、,、,，,三个两相区,L+,、,L+,及,+,，,还有一个三相共存区,(,即共晶线,MEN,),。,图,2-20,铅锡合金相图,图中,A,点为,Pb,的熔点，,B,点为,Sn,的熔点。,AE,、,EB,线为液相线，,AM,、,MEN,、,NB,线为固相线。,FM,线是固溶体,的溶解度曲线；,NG,线是固溶体,的溶解度曲线。,具有,E,点成分的液相在,183,恒温结晶时将析出两种成分和结构不同的,、,固相，这个过程就是共晶转变，即。共晶转变产物是两个固相的机械混合物,(,+),，,称为共晶体或共晶组织，因此，,E,点称为共晶点。成分对应于共晶点的合金称为共晶合金，,E,点对应的温度称为共晶温度，,MEN,水平线称为共晶线。成分位于,(,M,E,),区间的合金称为亚共晶合金，成分位于,(,E,N,),区间的合金称为过共晶合金。,1),共晶合金的结晶过程,图,2-20,中的,E,点成分的合金称为共晶合金。其结晶过程示意如图,2-21,所示。在液相线以上为液态，冷至,E,点共晶温度时发生共晶转变，这一过程在恒温下进行，直到凝固结束，生成的共晶体由,和,两个固溶体组成。当共晶合金继续冷却时，合金将从,相和,相中分别析出,相和,相，这些相是从固体中析出的，通常称为次生相。共晶组织中析出的次生相常与共晶组织中的同类相混在一起，在金相晶微镜下很难分辨，般不予考虑，因此，共晶合金的室温组织为,(,),共晶体。,图,2-21,共晶合金的结晶,2),亚共晶合金的结晶过程,图,2-20,中从,M,点到,E,点成分的合金，都是亚共晶合金。当该合金从液态冷却至液相线时，开始从液体中析出,固溶体，随着温度的下降，,相逐渐增多，剩余液相不断减少，液相中的,Sn,含量升高。当温度降到共晶温度时，剩余液体的成分正好为,E,点的成分，发生共晶转变生成,(,),共晶组织。先结晶出的初晶,相不参与转变，保留下来。当,ME,线以下继续冷却时，从初晶,相中析出,相，即,L,L,(,),(,),。,所以，亚共晶合金在室温下的金相组织为,(,),。,3),过共晶的结晶过程,图,2-20,中,E,点到,N,点成分的合金都是过共晶合金。该合金从液态冷至两相区后先析出,相，随着温度的降低，结晶出的,相越来越多，剩余液相成分沿液相线向,E,点靠近。当温度降到共晶温度时，剩余液相发生共晶转变生成,(,),。,先析出的,相不参与反应，被保留下来。在共晶温度点以下继续冷却时，从初晶,相中析出,相，即,L,L,(,),(,),。,所以，过共晶合金在室温下的金相组织为,(,),。,4,共析转变相图,在恒定的温度下，由一个特定成分的固相同时分解成另外两个成分和结构均不同的新固相的转变，称为共析转变。发生共析转变的相图称为共析相图，如图,2-22,所示。,图中的共析转变发生在,C,点，表示为。共析转变产物为共析体或共析组织，,C,点也称共析点。,图,2-22,共析相图,与共晶反应相比，由于母相是固相而不是液相，因而共析反应具有以下特点：,(1),由于在固态中的原子扩散比液态固难得多，共析反应比共晶反应需要更大的过冷度，因而使得成核率较高，得到的两相机械混合物,(,共析体,),也比父晶体更为弥散和细小。,(2),共析反应常出现母相与子相的比容不同而产生容积的变化，从而引起大的内应力。,知识窗高分子材料的结构,高分子材料又称为高分子化合物或高分子聚合物,(,简称高聚物,),，是以高分子化合物为主要组分的有机材料，可分为天然高分子材料,(,如蚕丝、羊毛、纤维素、油脂、天然橡胶、淀粉和蛋白质等,),和人工合成高分子材料,(,如塑料、合成橡胶、合成纤维、胶粘剂和涂料等,),两大类。它们的结构可分为大分子链结构和聚集态结构。,1,大分子链结构,1),大分子链的化学组成,并不是所有元素都能结合成链状大分子，只有,B,、,C,、,N,、,O,、,Si,、,P,、,S,、,As,等元素才能组成大分子链。大分子链的组成不同，高聚物的性能也就不同。,2),大分子链的形态,大分子链可呈现不同的几何形状，主要有线型、支化型和体型,(,或网型,),等三类。,(1),线型分子链。各链节以共价键连接成线型长链，像一根长线，通常呈卷曲或团状，如图,2-23(,a,),所示。,(2),支化型分子链。在线型大分子链的两侧有许多长短不一的小支链，如图,2-23(,b,),所示。,(3),体型分子链。在线型或支化型分子链之间，沿横向通过链节以共价链连接起来，形成三维,(,空间,),网状大分子，如图,2-23(,c,),所示。,图2-23 大分子链的形态,(,a,),线型；,(,b,),支化型；,(,c,),体型,2,高分子化合物的聚集态结构,聚合物的聚集态结构是指在分子间力作用下大分子链相互聚集所形成的几何排列和堆砌方式，一般可分为晶态、非晶态、液晶态、取向态等，如图,2-24,所示。,图2-24 高聚物的聚集态结构示意图,(,a,),晶态；,(,b,),部分晶态；,(,c,),非晶态,(1),晶态结构。线型聚合物固化时可以结晶，但由于分子链运动较困难，不可能完全结晶，因此晶态聚合物实际为晶区,(,分子有规律排列,),和非晶区,(,分子无规律排列,),两相结构。一般结晶度,(,晶区所占有的质量分数,),只有,50%,85%,，特殊情况可达到,98%,。在结晶聚合物中，晶区与非晶区相互穿插，紧密相连，一个大分子链可以同时穿过许多晶区和非晶区。,(2),非晶态结构。聚合物凝固时，分子不能规则排列，呈长程无序、近程有序状态。非晶态聚合物分子链的活动能力大，弹性和塑性较好。由于其聚集态结构是均相的，因而材料各个方向的性能是相同的。,(3),液晶态结构。液晶态是介于晶态和液态之间的热力学稳定态相。其物理状态为液体，又具有晶体的有序性。液晶有许多特殊的性质，如有些液晶具有灵敏的电响应特性和光学特性，广泛应用于显示技术中。,(4),取向态结构。在外力作用下，卷曲的大分子链沿外力方向平行排列而形成定向结构。有单轴,(,一个方向,),和双轴,(,相互垂直两个方向,),两种取向。取向态聚合物呈现明显的各向异性，材料的强度大大增加。,自,测,习,题,一、名词解释,晶体、单晶体、多晶体、晶格、晶胞、晶粒、晶界、合金、组元、相、组织、共晶转变,二、如果其它条件相同，试比较下列铸造条件下铸件晶粒的大小：,1.金属型铸造与砂型铸造。,2.高温浇注与低温浇注。,3.浇注时采用振动与不采用振动。,4.厚大铸件的表面与心部。,三、问答题,1金属中常见的晶体结构有哪几种？,2实际晶体的晶体缺陷有哪几种类型？它们对晶体的力学性能有何影响？,3固溶体与化合物有何区别？固溶体的类型有哪几种?,4何谓金属的结晶?纯金属的结晶是由哪两个基本过程组成的?,5何谓过冷现象和过冷度?过冷度与冷却速度有何关系？,6晶粒大小对金属的力学性能有何影响?细化晶粒的常用方法有哪几种?,7什么是共晶转变?共晶转变有何特点?,8什么是共析转变？共晶转变与共析转变有何异同？,