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1、第1章 材料的结构与性能特点1.1 教 学 指 导1. 教学要求本章重点阐明金属材料的晶体结构，简要阐述晶体缺陷和合金的结构，一般介绍金属材料的组织及性能。简要阐述高分子材料的结构与性能，一般介绍陶瓷材料的结构与性能。2. 教学目标学生应重点掌握金属材料的晶体结构，熟悉晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。熟悉高分子材料的结构与性能。一般了解陶瓷材料的结构与性能。3. 教学建议 (1) 晶体结构部分应重点阐明三种常见金属的晶体结构及特点。 (2) 学生在学习时对“晶面指数及晶向指数的确定”部分的内容会感到困难。要求学生多练多画，掌握常见的晶面和晶向的表示方法。 (3) 简要阐述高分子
2、材料的大分子链结构与聚集态，结合工程、生活实际归纳高分子材料的性能特点。 (4) 建议本章学时： 89 学时。1.2 习题参考答案1. 解释名词致密度、晶体的各向异性、刃型位错、柏氏矢量、固溶体、固溶强化、金属化合物、组织、组织组成物、疲劳强度、断裂韧性、单体、链节、热塑性、热固性、柔性、玻璃态、高弹态、粘流态答: 致密度: 晶胞中所包含的原子所占有的体积与该晶胞体积之比称为致密度(也称密排系数). 晶体的各向异性: 在晶体中，不同晶面和晶向上原子排列的方式和密度不同，它们之间的结合力的大小也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能是不同的。这种性质叫做晶体的各向异性。刃型位错: 在金属晶体中，晶
3、体的一部分相对于另一部分出现一个多余的半原子面。这个多余的半原子面犹如切入晶体的刀片，刀片的刃口线即为位错线。这种线缺陷称刃型位错。柏氏矢量: 首先指定位错线的方向。右手拇指指向位错线方向，四指弯曲，回绕位错线作一回路，每个方向上经过的原子个数相同，回路不能闭合。连接起始点至终点得一矢量，该矢量称为柏氏矢量，用b表示。它可以反映该位错的性质。固溶体: 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。固溶体晶格与溶剂的晶格相同。固溶强化: 固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。晶格畸变随溶质原子浓度的增高而增大。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难
4、，从而提高合金的强度和硬度。这种通过形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶强化是金属强化的一种重要形式。在溶质含量适当时，可显著提高材料的强度和硬度，而塑性和韧性没有明显降低。金属化合物: 合金组元相互作用形成的晶格类型和特性完全不同于任一组元的新相即为金属化合物，或称中间相。组织: 材料内部所有的微观组成总称显微组织(简称组织)。组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成。组织组成物: 合金组织中具有确定本质、一定形成机制的特殊形态的组成部分。组织组成物可以是单相，或是两相混合物。疲劳强度: 当交变应力低于一定值时,试样可以经受无限周期循环而不发生疲劳破坏，此应力值称为
5、材料的疲劳极限，亦叫疲劳强度。断裂韧性: 材料抵抗裂纹失稳扩展断裂的能力叫断裂韧性，用临界应力场强度因子KIC表示。单体: 组成高分子化合物的低分子化合物称做单体。链节: 由许多结构相同的基本单元重复连接构成大分子链，组成大分子链的这种结构单元称为链节。热塑性: 聚合物可以通过加热和冷却的方法，使聚合物重复地软化（或熔化）和硬化（或固化）的性能。热固性: 聚合物加热加压成型固化后，不能再加热熔化和软化，称为热固性。柔性: 在拉力作用下，呈卷曲状或线团状的线型大分子链可以伸展拉直，外力去除后，又缩回到原来的卷曲状和线团状。这种能拉伸、回缩的性能称为分子链的柔性。玻璃态: 在Tg温度以下，在受外力
6、作用下，高聚物链段进行瞬时的微量伸缩和微小的键角变化。外力一经去除，变形旋即消失；此时高聚物变形量小，而弹性模量较高，变形符合胡克定律，应变与应力成直线关系，并在瞬时达到平衡。高聚物的这种状态叫做无定形的玻璃态。高弹态: 在Tg温度以上，Tf温度以下，高聚物受力时，卷曲链沿外力方向舒展拉伸，产生很大的弹性变形，外力去除后，分子链又逐渐回缩到原来的卷曲状态，弹性变形消失；高聚物表现为柔软而富弹性，具有橡胶的特性。此时高聚物变形量很大，而弹性模量较低，外力去除后变形可以回复，弹性是可逆的。高聚物的这种状态叫高弹态。粘流态: 温度高于Tf后，高聚物受力后，变形迅速发展，弹性模量很快下降，开始产生粘性
7、流动，变形已变为不可逆。高聚物的这种状态叫粘流态。2. 填空题 (1) 同非金属相比，金属的主要特性是（良好的导电性和导热性。正的电阻温度系数。金属不透明并呈现特有的金属光泽。金属具有良好的塑性变形能力，金属材料的强韧性好) . (2) 晶体与非晶体结构上最根本的区别是（晶体中原子(离子或分子)规则排列。非晶体中原子(离子或分子)无规则排列) . (3) 在立方晶系中，120晶面族包括（ (120) 、 (102) 、 (012) 、 (021) 、 (210) 、 (201) 、 (120) 、 (102) 、 (012) 、 (021) 、 (210) 、 (201) ）等晶面。 (4)
8、-Fe的一个晶胞内的原子数为（4个) . (5) 高分子材料大分子链的化学组成以（C、H、O）为主要元素，根据组成元素的不同，可分为三类，即（碳链大分子) 、 (杂链大分子）和（元素链大分子) . (6) 大分子链的几何形状主要为（线型) 、 (支化型）和（体型) 。热塑性聚合物主要是（线型和支化型）分子链，热固性聚合物主要是（体型）分子链。 (7) 高分子材料的凝聚状态有（晶态) 、 (部分晶态）和（非晶态）三种。 (8) 线型非晶态高聚物在不同温度下的三种物理状态是（玻璃态) 、 (高弹态）和（粘流态) . (9) 与金属材料比较，高分子材料的主要力学性能特点是强度（低) 、弹性（高) 、
9、弹性模量（低）等。 (10) 高分子材料的老化，在结构上是发生了（降解）和（交联) . 3. 选择正确答案 (1) 晶体中的位错属于： (c) a. 体缺陷 b. 面缺陷 c. 线缺陷 d. 点缺陷 (2) 在面心立方晶格中，原子密度最大的晶向是： (b)a. 100b. 110c. 111d. 120 (3) 在体心立方晶格中，原子密度最大的晶面是： (b) a. 100b. 110c. 111d. 120 (4) 固溶体的晶体结构: (a)a. 与溶剂相同b. 与溶质相同c. 与溶剂、溶质都不同d. 与溶剂、溶质都相同 (5) 间隙相的性能特点是： (c)a. 熔点高、硬度低b. 硬度高、
10、熔点低c. 硬度高、熔点高d. 硬度低、熔点低 (6) 线型非晶态高聚物温度处于TgTf之间时的状态是： (d)a. 玻璃态，表现出高弹性 b. 高弹态，表现出不同弹性 c. 粘流态，表现出非弹性d. 高弹态，表现出高弹性 (7) 高聚物的粘弹性指的是： (a)a. 应变滞后于应力的特性b. 应力滞后于应变的特性c. 粘性流动的特性d. 高温时才能发生弹性变形的特性 (8) 高聚物受力变形后所产生的应力随时间而逐渐衰减的现象叫： (c) a. 蠕变 b. 柔顺性 c. 应力松弛 d. 内耗 (9) 热固性塑料与热塑性塑料比较，耐热性： (b)a. 较低b. 较高c. 相同d. 不能比较 (10
11、) 高分子材料中结合键的主要形式是： (c)a. 分子键与离子键b. 分子键与金属键c. 分子键与共价键d. 离子键与共价键4. 综合分析题 (1) 在立方晶胞中画出（110) 、 (120）晶面和、20 晶向。解: 见图1-1. 图 1-1 (2) -Fe、Al、Cu、Ni、V、Mg、Zn各属何种晶体结构？答: -Fe、V是体心立方晶格。Al、Cu、Ni是面心立方晶格。Mg、Zn是密排六方晶格。 (3) 画出体心立方晶格、面心立方晶格和密排六方晶格中原子最密的晶面和晶向。解: 见图1-2. 图 1-2 (4) 已知 -Fe的晶格常数a=2.8710-10m，试求出-Fe的原子半径和致密度。解
12、: r原子=34a=342.8710-101.2410-10(m)43r3原子2a3=4334a32a30.68=68% (5) 在常温下,已知铜原子的直径d=2.5510-10m，求铜的晶格常数。解: r原子=24a12d原子=24a122.5510-10=24aa3.6010-10(m) (6) 实际金属晶体中存在哪些晶体缺陷？它们对性能有什么影响？答: 点缺陷： 空位、间隙原子、异类原子。点缺陷造成局部晶格畸变，使金属的电阻率、屈服强度增加，密度发生变化。线缺陷： 位错。位错的存在极大地影响金属的力学性能。当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
13、度降低。当进行形变加工时，位错密度增加，s将会增高。面缺陷： 晶界、亚晶界。面缺陷是由位错垂直排列成位错墙而构成。亚晶界是晶粒内的一种面缺陷。 在晶界、亚晶界或金属内部的其他界面上，原子的排列偏离平衡位置，晶格畸变较大，位错密度较大(可达1016m-2以上)，原子处于较高的能量状态，原子的活性较大，所以对金属中许多过程的进行，具有极为重要的作用。晶界和亚晶界均可提高金属的强度。晶界越多，晶粒越细，金属的塑性变形能力越大，塑性越好。 (7) 一晶体中有一个位错环abcdea（见图1-3俯视图）。说明各段位错各是什么性质的位错，若是刃型位错，说明半原子面的位置。图 1-3答: ab段为右螺型位错。
14、bc段为刃型位错，半原子面过bc线且垂直于纸面，在纸面外。cd段为混合位错。de段为左螺型位错。ea段为刃型位错，半原子面过ea线且垂直于纸面，在纸面里。 (8) 什么是固溶强化？造成固溶强化的原因是什么？答: 形成固溶体使金属强度和硬度提高的现象称为固溶强化。固溶体随着溶质原子的溶入晶格发生畸变。晶格畸变随溶质原子浓度的增高而增大。晶格畸变增大位错运动的阻力，使金属的滑移变形变得更加困难，从而提高合金的强度和硬度。 (9) 间隙固溶体和间隙相有什么不同？答: 合金组元通过溶解形成一种成分和性能均匀的且结构与组元之一相同的固相称为固溶体。间隙固溶体中溶质原子进入溶剂晶格的间隙之中。间隙固溶体的
15、晶体结构与溶剂相同。由过渡族金属元素与碳、氮、氢、硼等原子半径较小的非金属元素形成的化合物为间隙化合物。当非金属原子半径与金属原子半径之比小于0.59时，形成具有简单晶格的间隙化合物，称为间隙相。间隙相具有金属特性，有极高的熔点和硬度，非常稳定。它们的合理存在，可有效地提高钢的强度、热强性、红硬性和耐磨性，是高合金钢和硬质合金中的重要组成相。 (10) 说明洛氏硬度的测试原理。答: 先后在金刚石压头(或钢球压头)上施加两个载荷(预载荷P0和总载荷P)，使压头压入金属表面。总载荷P为预载荷P0和主载荷P1之和。卸去主载荷P1后，测量其残余压入深度h来计算洛氏硬度值。残余压入深度h越大，表示材料硬度越低，实际测量时硬度可直接从洛氏硬度计表盘上读得。根据压头的种类和总载荷的大小，洛氏硬度常用的表示方式有HRA、HRB、HRC三种。 (11) 简介冲击弯曲
