表11.7给出一些陶瓷材料的J断裂韧性值，并附几种常用金属村料的断裂韧性以作对比．可见金属材料的值比陶瓷高一个数量级。要考虑使陶瓷材料的特长得到充分发挥．扩大在实际中的应用，就必须想办法大幅度提高和改善陶瓷的)。
断裂韧性K1c是描述材料瞬间断裂时的裂纹尖端临界应力场强度因子。在工程上即使在很低的应力下经长时间作用也会使陶瓷材制发生断裂、特别是在长时间的同期循环载荷作用下，会产生低应力疲劳断裂。因此说．陶瓷材料具有延迟断裂的特征。为了描述这种具有时间效应的断裂现象．必须知道裂纹的扩展速率V与其裂纹尖端应力场强度因子用之间的关系。图11.15给出二者之间关系的示意图(KI-v图).
第1章材料的结构与性能
内容提要：
本章介绍金属材料的结构与组织，包括纯金属的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构、金属材料的组织。介绍金属材料的工艺性能、机械性能和理化性能。还介绍高分子材料和陶瓷材料的结构与性能。
学习目标：
本章重点掌握金属材料的晶体结构、晶体缺陷和合金的结构，了解金属材料的组织及性能。了解高分子材料的结构与性能。
学习建议：
1．晶体结构部分应弄清三种常见金属的晶体结构及其特点，应充分发挥空间想象力。 2．晶面指数及晶向指数的确定在学习时会感到困难。应掌握常见的晶面和晶向的表示方法，需要多练多画。
3．了解高分子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．对陶瓷材料的结构与性能只作一般了解。
5. 建议本章学时：8～9 学时。 1.1 金属材料的结构与组织
1.1.1 纯金属的晶体结构
晶体中原子(离子或分子)规则排列的方式称为晶体结构。
通过金属原子(离子)的中心划出许多空间直线，这些直线将形成空间格架。这种格架称为晶格。晶格的结点为金属原子(或离子)平衡中心的位置。
晶体 晶格
能反映该晶格特征的最小组成单元称为晶胞。晶胞在三维空间的重复排列构成晶格。晶胞的基本特性即反映该晶体结构(晶格)的特点。晶胞的几何特征可以用晶胞的三条棱边长a、b、c和三条棱边之间的夹角α、β、γ等六个参数来描述。其中a、b、c 为晶格常数。
金属的晶格常数一般为:
1×10-10 m～7×10-10 m。 晶胞
不同元素组成的金属晶体因晶格形式及晶格常数的不同,表现出不同的物理、化学和力学性能。金属的晶体结构可用X射线结构分析技术进行测定。
一、三种常见的金属晶体结构☆老师提示：重点内容
体心立方晶格(胞) (B.C.C.晶格) 面心立方晶格(胞) (F.C.C.晶格) 密排六方晶格(胞) (H.C.P.晶格) 老师提示由于原子排列紧密程度不一样,当金属从面心立方晶格向体心立方晶格转变时, 体积会发生变化。这就是钢在淬火时因相变而发生体积变化的原因。不同晶体结构中原子排列的方式不同, 将会使它们的形变能力不同。
二、晶体中的晶面和晶向
通过晶体中原子中心的平面叫做晶面；
通过原子中心的直线为原子列，其所代表的方向叫做晶向。
晶面或晶向可用晶面指数或晶向指数来表达。
1. 立方晶系的晶面表示方法
空间坐标系
立方晶胞中的主要晶面
以图中的晶面ABB'A'为例, 晶面指数的标定过程如下：
（1）设定一空间坐标系, 原点在欲定晶面外, 并使晶面在三条坐标轴上有截距或无穷大。
（2）以晶格常数a为长度单位, 写出欲定晶面在三条坐标轴上的截距:
1∞∞
（3）截距取倒数：100
（4）截距的倒数化为最小整数：100
（5）将三整数写在圆括号内：(100)
晶面ABB'A'的晶面指数即为(100)。
同样可得晶面ACC'A'和ACD'的晶面指数分别为(110)、(111)。
晶面指数的一般标记为(hkl)。(hkl)实际表示一组原子排列相同的平行晶面。
晶面的截距可以为负数, 在指数上加负号, 如。若某个晶面(hkl)
的指数都乘以-1, 则得到晶面, 则晶面(hkl)与属于一组平行晶
面, 如晶面ACD'(111)与晶面A'C'B , 这两个晶面一般用一个晶面指数
(111)来表示。
在立方晶系中, 由于原子的排列具有高度的对称性, 往往存在许多原子排列完全相同但在空间位向不同(即不平行)的晶面, 这些晶面总称为晶面族, 用大括号表示, 即{hkl}。
在立方晶胞中、、、同属{111}晶面族。
可用下式表示：
1.4 陶瓷材料的结构与性能特点
1.4.1 陶瓷材料的结构
一、陶瓷材料的制备过程
陶瓷的原料通常是由粘土、石英和长石三部分组成。在加热烧成或烧结和冷却过程中，由这三部分组成的坯料相继发生四个阶段的变化：
(1) 低温阶段(室温～300℃) 残余水分的排除。
(2) 分解及氧化阶段(300～950℃) 结构水的排除；有机物、碳素和无机物等的氧化；碳酸盐、硫化物等的分解；石英晶型转变。
(3) 高温阶段(950℃～烧成温度) 氧化、分解反应继续进行；相继出现共熔体等液相，各组成物逐渐溶解；一次莫来石(3Al2O3·2SiO2)晶体生成; 二次莫来石晶体长大; 石英块溶解成残留小块; 发生烧结成瓷。
(4) 冷却阶段(烧成温度～室温) 二次莫来石晶体析出或长大; 液相转变; 残留石英晶型转变。
二、陶瓷材料的组织结构
陶瓷材料组织结构比较复杂。按照组织形态陶瓷材料分为三类： 无机玻璃：即硅酸盐玻璃，是室温下具有确定形状，但其粒子在空间成不规则排列的非晶结构类陶瓷材料；
微晶玻璃：即玻璃陶瓷，是单个晶体分布在非晶态的玻璃基体上的一类陶瓷材料； 陶瓷（晶体陶瓷）：如具有单相晶体结构的氧化铝特种陶瓷，但更典型的是具有复杂结构的普通陶瓷等。这类陶瓷材料是最常用的结构材料和工具材料。
陶瓷的典型组织结构包括三种相：晶体相(莫来石和石英)、玻璃相和气相
陶瓷在室温下的组织
1. 晶体相
晶体相是陶瓷的主要组成相，主要有硅酸盐、氧化物和非氧化合物等。它们的结构、数量、形态和分布，决定陶瓷的主要性能和应用。
(1) 硅酸盐
硅酸盐是普通陶瓷的主要原料，是陶瓷组织中重要的晶体相，结合键为离子键与共价键的混合键。
硅酸盐结构的规律是：
①构成硅酸盐的基本单元是硅氧四面体；硅氧四面体结构
②硅氧四面体只能通过共用顶角而相互连结；
③ Si4+离子通过O2-结合, Si-O-Si的结合键在氧上的键角接近于145°； ④稳定的硅酸盐结构中, 硅氧四面体采取最高空间维数互相结合； ⑤硅氧四面体采取比较紧密的结构连结；
⑥同一结构中的硅氧四面体最多只相差1个氧原子。 (2) 氧化物氧化物晶体相
多数陶瓷特别是特种陶瓷的主要组成和晶体相；离子键结合,也有共价键；最重要的氧化物晶体相：AO、AO2、A2O3、ABO3和AB2O4等(A、B表示阳离子)。
氧化物的结构及特点：氧离子作紧密立方或紧密六方排列；金属离子规则地分布在四面体和八面体的间隙之中。
(3) 非氧化合物非氧化合物
不含氧的金属碳化物、氮化物、硼化物和硅化物，是特种陶瓷特别是金属陶瓷的主要组成和晶体相。
金属碳化物：共价键和金属键之间的过渡键, 以共价键为主。
间隙相：如TiC、ZrC、HfC、VC、NbC和TaC等；
复杂碳化物：如斜方结构的Fe3C、Mn3C、Cr3C2, 立方结构的Cr23C6、Mn23C6, 六方结构的WC、Cr7C3、Mn7C3以及复杂结构的Fe3W3C等。
氮化物：与碳化物相似, 金属性弱些, 有一定的离子键。如六方晶格BN，六方晶系的Si3N4和AlN。
硼化物和硅化物：较强的共价健，连成链、网和骨架，构成独立结构单元。
2. 玻璃相
(1) 玻璃相作用
①粘连晶体相，填充晶体相间空隙，提高材料致密度；
②降低烧成温度，加快烧结；
③阻止晶体转变，抑制其长大；
④获得透光性等玻璃特性；
⑤不能成为陶瓷的主导相：对陶瓷的机械强度、介电性能、耐热耐火性等不利。
(2) 玻璃相产生过程熔融液相冷却时在玻璃转变温度粘度增大到一定程度时, 熔体硬化，转变为玻璃。玻璃物质的粘度随温度而变化。