1. 3一般工程材料的结构特点Structure characteristics of GeneralEngineering Materials1.3.1晶体材料的基本相结构JBasicphasestructure of crystal materials.1.3.2聚合物的结构JPolymerStructures的结构.1.3.3无机材料（陶瓷材料）Structureofinorganicmaterials本章小结summary阅读材料1非晶态结构与非晶态材料Amorphous Structues and AmorphousMaterials
1.3 一般工程材料的结构特点 Structure Characteristics of General Engineering Materials ⚫1.3.1 晶体材料的基本相结构 Basic phase structure of crystal materials ⚫1.3.2 聚合物的结构 Polymer Structures ⚫1.3.3 无机材料（陶瓷材料）的结构 Structure of inorganic materials ⚫本章小结 summary ⚫阅读材料1 非晶态结构与非晶态材料 Amorphous Structues and Amorphous Materials
1.3.1晶体材料的基本相结构StructureCharacteristics of Common Engineering Materials1.组元、相、组织与合金的概念（1）组元(constituent)组成材料的最基本、独立的物质称为“组元”。组元可以是纯元素，也可是稳定化合物。金属材料的组元多为纯元素，无机材料则多为化合物。(2)相(phase)材料中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并与其它部分有界面分开的均匀组成部分称为“相”。若材料是由成分、结构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。若材料是由成分、结构都不相同的几部分构成，则它们应属于不同的相。例如工业纯铁是单相合金（如左下图所示）共析碳钢在室温下由铁素体和渗碳体两相（如下图所示）组成，而陶瓷材料则由晶相、玻璃相（即非晶相）与气相三相所组成（如右下图所示）E陶瓷铁素体珠光体
⚫ 1.组元、相、组织与合金的概念 ⚫（1）组元（constituent） 组成材料的最基本、独立的物质称为“组元”。组元 可以是纯元素，也可是稳定化合物。金属材料的组元多为纯元素,无机材料则多为化合物。 ⚫（2）相（phase） 材料中具有同一聚集状态、同一化学成分、同一结构并与其它 部分有界面分开的均匀组成部分称为“相”。若材料是由成分、结构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。若材料是由成分、结构都不相 同的几部分构成，则它们应属于不同的相。例如工业纯铁是单相合金（如左下图所示）， 共析碳钢在室温下由铁素体和渗碳体两相（如下图所示）组成，而陶瓷材料则由晶相、玻 璃相(即非晶相)与气相三相所组成(如右下图所示)。 1.3.1 晶体材料的基本相结构 Structure Characteristics of Common Engineering Materials 铁 素 体 珠 光 体 陶瓷
1.3.1晶体材料的基本相结构StructureCharacteristics of Common Engineering Materials1.组元、相、组织与合金的概念“相结构”指的是相中原子的具体排列规律，即相的晶体结构。（3）组织（microstructure）与相的关系“组织”是与“相”有紧密联系的概念。“相”是构成组织的最基本组成部分；但是当“相”的大小、形态与分布不同时会构成不同的微观形貌（图象），各自成为独立的单相组织，或与别的相一起形成不同的复相组织。例如左下图所示工业纯铁的显微组织就是由单相a构成的组织而正下图所示共析碳钢的显微组织则是由a相与Fe3C相层片交替、相间分布共同构成的组织（即称珠光体）。而普通陶瓷则由右下图所示晶相、玻璃相和气相所组成。陶瓷铁素体珠光体
⚫ 1.组元、相、组织与合金的概念 1.3.1 晶体材料的基本相结构 Structure Characteristics of Common Engineering Materials 铁 素 体 珠 光 体 陶瓷 “相结构”指的是相中原子的具体排列规律，即相的晶体结构。 （3）组织（microstructure）与相的关系 “组织”是与“相”有紧密联系的 概念。 “相”是构成组织的最基本组成部分;但是当“相”的大小、形态与分布不 同时会构成不同的微观形貌(图象)，各自成为独立的单相组织，或与别的相一起形 成不同的复相组织。例如左下图所示工业纯铁的显微组织就是由单相α构成的组织， 而正下图所示共析碳钢的显微组织则是由α相与Fe3C相层片交替、相间分布共同 构成的组织（即称珠光体）。而普通陶瓷则由右下图所示晶相、玻璃相和气相所 组成
1.3.1晶体材料的基本相结构StructureCharacteristics of Common Engineering Materials1.组元、相、组织与合金的概念组织是材料性能的决定性因素。相同条件下，材料的性能随其组织的不同而变化。因此在工业生产中，控制和改变材料的组织具有相当重要意义。由于一般固体材料不透明，故需先制备金相试样，包括样品的截取、磨光和抛光等步骤，把欲观察面制成平整而光滑如镜的表面，然后经过一定的浸蚀，再在金相显微镜下观察其显微组织（如左下图所示）。（4）合金由两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的物质称为“合金”。例如，黄铜是铜和锌组成的合金，碳钢和铸铁是铁和碳组成的合金。由给定组元可按不同比例配制出一系列不同成分的合金，这一系列合金就构成一个合金系统，简称合金系。两组元组成的为二元系，三组元组成的为三元系等。珠光体铁素体
⚫ 1.组元、相、组织与合金的概念 ⚫组织是材料性能的决定性因素。相同条件下，材料的性能随其组织的不同而变化。因此在 工业生产中，控制和改变材料的组织具有相当重要意义。由于一般固体材料不透明，故需 先制备金相试样，包括样品的截取、磨光和抛光等步骤，把欲观察面制成平整而光滑如镜 的表面，然后经过一定的浸蚀，再在金相显微镜下观察其显微组织（如左下图所示）。 ⚫（4）合金 由两种或两种以上金属元素或金属元素与非金属元素组成的具有金属特性的 物质称为“合金”。例如，黄铜是铜和锌组成的合金，碳钢和铸铁是铁和碳组成的合金。 由给定组元可按不同比例配制出一系列不同成分的合金，这一系列合金就构成一个合金系 统，简称合金系。两组元组成的为二元系，三组元组成的为三元系等。 1.3.1 晶体材料的基本相结构 Structure Characteristics of Common Engineering Materials 铁 素 体 珠 光 体
2.晶体材料的基本相结构(1)固溶体（solidsolution）定义：指溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的均一、保持溶剂晶体结构的结晶相。其分类如下。①按照溶质原子在溶剂晶格中所占据位置分类：i.置换固溶体系指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体，犹如这些结点上的溶剂原子被溶质原子所置换一样，因此称为置换固溶体，如图1-17a示。当溶质原子与溶剂原子的直径、电化学性质等较为接近时，一般可形成置换固溶体。i.间隙固溶体溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是嵌入溶剂原子间的一些间隙中，如图1-17b示。当溶质原子直径（如C、N等元素）远小于溶剂原子（如Fe、Co、Ni等过渡族金属元素等）时，一般形成间隙固溶体。置换固溶体间隙固溶体图1.17固溶体的两种类型
⚫（1）固溶体（solid solution） ⚫定义：指溶质原子溶入溶剂晶格中所形成的均一、保持溶剂晶体结构的结晶相。其分类如下。 ⚫①按照溶质原子在溶剂晶格中所占据位置分类: ⚫i.置换固溶体 系指溶质原子位于溶剂晶格的某些结点位置所形成的固溶体，犹如这些结点上 的溶剂原子被溶质原子所置换一样，因此称为置换固溶体，如图1-17a示。当溶质原子与溶剂 原子的直径、电化学性质等较为接近时，一般可形成置换固溶体。 ⚫ii.间隙固溶体 溶质原子不是占据溶剂晶格的正常结点位置，而是嵌入溶剂原子间的一些间 隙中，如图1-17b示。当溶质原子直径(如C、N等元素)远小于溶剂原子(如Fe、Co、Ni等过渡 族金属元素等)时，一般形成间隙固溶体。 2.晶体材料的基本相结构 图1.17 固溶体的两种类型 置换固溶体 → ← 间隙固溶体
2.晶体材料的基本相结构（1）固溶体（solidsolution）②按固态溶解度分类：i.有限固溶体在一定条件下，溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度，超过此限度就不再溶解了。这一限度称为溶解度或固溶度，这种固溶体称为有限固溶体，大部分固溶体都属于此类（间隙固溶体只能是有限固溶体）。ii.无限固溶体溶质原子能以任意比例溶入溶剂，固溶体的溶解度可达100%，这种固溶体称无限固溶体。无限固溶体只能是置换固溶体，且溶质与溶剂原子晶格类型相同，电化学性质相近，原子尺寸相近等。如Cu-Ni系合金可形成无限固溶体1aT#形成无限固溶体示意图
⚫（1）固溶体（solid solution） ⚫②按固态溶解度分类: ⚫i.有限固溶体 在一定条件下，溶质原子在固溶体中的浓度有一定限度，超过此限 度就不再溶解了。这一限度称为溶解度或固溶度，这种固溶体称为有限固溶体，大 部分固溶体都属于此类(间隙固溶体只能是有限固溶体)。 ⚫ii.无限固溶体 溶质原子能以任意比例溶入溶剂,固溶体的溶解度可达100%， 这种固溶体称无限固溶体。无限固溶体只能是置换固溶体，且溶质与溶剂原子晶格 类型相同，电化学性质相近，原子尺寸相近等。如Cu-Ni系合金可形成无限固溶体。 2.晶体材料的基本相结构 ＃形成无限固溶体示意图
2.晶体材料的基本相结构(1)固溶体(solid solution)③按溶质原子和溶剂原子的相对分布分类i.无序固溶体溶质原子随机分布于溶剂的晶格中，它或占据溶剂原子等同的一些位置，或占据溶剂原子间的间隙中，看不出什么次序或规律性，这类固溶体称无序固溶体。i.有序固溶体当溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布时，这种固溶体称有序固溶体。它既可是置换式的有序，也可是间隙式的有序。Au(b)Cu2Au(a)Cudu有序固溶体示意图All原子Cu原子
⚫（1）固溶体（solid solution） ⚫③按溶质原子和溶剂原子的相对分布分类: ⚫i.无序固溶体 溶质原子随机分布于溶剂的晶格中，它或占据溶剂原子等同的一些位置，或 占据溶剂原子间的间隙中，看不出什么次序或规律性，这类固溶体称无序固溶体。 ⚫ii.有序固溶体 当溶质原子按适当比例并按一定顺序和一定方向，围绕着溶剂原子分布时， 这种固溶体称有序固溶体。它既可是置换式的有序，也可是间隙式的有序。 2.晶体材料的基本相结构 有序固溶体示意图
2.晶体材料的基本相结构(1)固溶体（solidsolution）④固溶体的性能特点形成固溶体时，由于溶质原子的溶入而使固溶体的晶格发生畸变，位错运动的阻力增加，从而提高了材料的强度和硬度，这种现象称为固溶强化。一般说来，固溶体的硬度、屈服强度和抗拉强度等总比组成其纯组元的平均值高，随溶质原子浓度的增加，硬度和强度也随之提高（如左下图所示）。溶质原子与溶剂原子的尺寸差别越大，所引起的晶格畸变也越大，强化效果则越好。由于间隙原子造成的晶格畸变比置换原子大，所以其强化效果也较好。在塑、韧性方面，如延伸率、断面收缩率和冲击韧度等，固溶体要比组成它的两纯组元平均值低（如右下图所示），但比一般化合物要高得多。综之，固溶体比纯组元和化合物具有较为优越的综合力学性能。因此，固溶体具有良好的塑性、韧性，同时比纯组元有较高的硬度、强度。因此，各种金属材料总是以固溶体为基体相。392355(ea)to327231960.5:1.01.52.0固溶强化晶格畸变示意图Ni.%
⚫（1）固溶体（solid solution） ④固溶体的性能特点 形成固溶体时，由于溶质原子的溶入而使固溶体的晶格发生畸变， 位错运动的阻力增加，从而提高了材料的强度和硬度，这种现象称为固溶强化。 一般说来，固溶体的硬度、屈服强度和抗拉强度等总比组成其纯组元的平均值高，随溶质原 子浓度的增加，硬度和强度也随之提高（如左下图所示）。溶质原子与溶剂原子的尺寸差别 越大，所引起的晶格畸变也越大，强化效果则越好。由于间隙原子造成的晶格畸变比置换原 子大，所以其强化效果也较好。在塑、韧性方面，如延伸率、断面收缩率和冲击韧度等，固 溶体要比组成它的两纯组元平均值低（如右下图所示），但比一般化合物要高得多。 综之，固溶体比纯组元和化合物具有较为优越的综合力学性能。因此，固溶体具有良好的塑 性、韧性,同时比纯组元有较高的硬度、强度。因此，各种金属材料总是以固溶体为基体相。 2.晶体材料的基本相结构 固溶强化 晶格畸变示意图
2.晶体材料的基本相结构#m子●（2）化合物5.077A京子当元素之间不具备形成固溶体的条件或溶质含量超过了溶剂的溶解度时，在合金中往往会出现新相，新相的结构不同于合金中任一组元，这种新相称为化合物。在陶瓷材料中，通常材料的组元即为某化合物。而金属材料中的化合物可分为金属化合物和非金属化合物凡是由相当程度的金属键结合并具有金属特性的化合物称为金属化合物，例如碳钢中的碳体(Fe3C)。凡不是金属键结合文不具有金属特性的化合物称为非金属化合物，例如碳钢中依靠离子键结合的FeS和MnS，其在钢中一般称为非金属夹杂物。①金属化合物的分类金属化合物的种类很多，常见的有以下三种类型i.正常价化合物，符合一般化合物的原子价规律，成分固定并可用化学式表示，如Mg2Si等i.电子化合物不遵守原子价规律，而服7从电子浓度（价电子总数与原子数之比规（）部兴相（2）推律。电子浓度不同，所形成化合物的晶格构体类型也不同。例如左图cu-Zn合金中，当体心立方品格复柔立方晶格密排六方品格电子浓度为3/2时，形成化合物CuZn，其Ca-ZaCuZACu,Zn,CaZnCa-60CaySeCunGnCufoa晶体结构为BCC(简称为β相);电子浓度为Co,AlOu-A!OepalOuAlOd-8Cn,iOunBl,21/13时，形成化合物Cu5Zn：，其晶体结CosiF-AlFeal构为复杂立方晶格（称为y相）等。NIAINI-Al
⚫（2）化合物 ⚫当元素之间不具备形成固溶体的条件或溶质含量超过了溶剂的溶解度时，在合金中往往会出 现新相，新相的结构不同于合金中任一组元，这种新相称为化合物。在陶瓷材料中，通常材料 的组元即为某化合物。而金属材料中的化合物可分为金属化合物和非金属化合物。 ⚫凡是由相当程度的金属键结合并具有金属特性的化合物称为金属化合物,例如碳钢中的渗碳体 (Fe3C)。凡不是金属键结合又不具有金属特性的化合物称为非金属化合物，例如碳钢中依靠离 子键结合的FeS和MnS，其在钢中一般称为非金属夹杂物。 ⚫①金属化合物的分类 金属化合物的种类很多，常见的有以下三种类型: ⚫i.正常价化合物 符合一般化合物的原子价规律，成分固定并可用化学式表示，如Mg2Si等。 2.晶体材料的基本相结构 ii.电子化合物 不遵守原子价规律，而服 从电子浓度(价电子总数与原子数之比)规 律。电子浓度不同，所形成化合物的晶格 类型也不同。例如左图Cu-Zn合金中，当 电子浓度为3/2时，形成化合物CuZn，其 晶体结构为BCC(简称为β相);电子浓度为 21/13时，形成化合物Cu5Zn8，其晶体结 构为复杂立方晶格(称为γ相)等
2.晶体材料的基本相结构（2）化合物①金属化合物的分类金属化合物的种类很多，常见的有以下三种类型.ili间隙化合物系由过渡族金属元素与C、H、N等原子半径较小非金属元素形成的金属化合物。根据非金属元素（以x表示）与金属元素（以M表示）原子半径的比值，可将其又分为两种a间隙相(rX/rM0.59）具有复杂晶体结构的间隙化合物，如钢中的Fe3C（复杂的斜方晶格，图1-18所示)等。图1.18渗碳E体的结构铁瓜子5.077A间隙相VC的结构批原子
⚫（2）化合物 ⚫①金属化合物的分类 金属化合物的种类很多，常见的有以下三种类型: ⚫iii.间隙化合物 系由过渡族金属元素与C、H、N等原子半径较小非金属元素形成的金属化 合物。根据非金属元素(以x表示)与金属元素(以M表示)原子半径的比值，可将其又分为两种： ⚫a间隙相(rX/rM＜0.59） 具有简单结构的金属化合物，称为间隙相(如FCC结构的VC、TiC， 简单立方结构的WC等)； ⚫b复杂晶体结构的间隙化合物（rX/rM＞0.59） 具有复杂晶体结构的间隙化合物，如钢中的 Fe3Ｃ(复杂的斜方晶格 ，图1-18所示)等。 2.晶体材料的基本相结构 间隙相VC的结构 ←图1.18渗碳 体的结构