浙大材料科学基础课件part3.doc
材料科学基础第三章模板PPT课件
04.11.2020
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二元相图的基本类型
• （3）固溶型相图 特征： 高温时，两个组元在液态和固态都完全互
溶，而低温时，完全互溶的固溶体又分 成两个部分互溶的固溶体。
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• 固溶型体系的相图有两种类型： • 一种是包含有共溶型结构的二元系统（共溶型）；
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二元系相图
• 二元凝聚系统有两个组元，根据相律： • F=C-P+1，二元系统最大的自由度数目
F=2，这两个自由度就是温度和成分。 • 故二元凝聚系统的相图，仍然可以采用
二维的平面图形来描述。即以温度和任 一组元浓度为坐标轴的温度-成分图表示。
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二元相图的基本类型
• （1）均晶相图
当两个组元化学性质相近，晶体结构相同，晶格 常数相差不大时，它们不仅可以在液态或熔融 态完全互溶，而且在固态也完全互溶，形成成 分连续可变的固溶体，称为无限固溶体或连续 固溶体，它们形成的相图即为均晶相图 (Isomorphous system)。
独立组分是指决定一个相平衡系统中多相组成所需 要的最少数目的化学纯物质，它的数目称为独立 组分数，用字母C表示。
按（独立）组元数目，将系统分为：一元系统、二 元系统、三元系统……
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• 4 自由度和吉布斯相律
自由度是指在平衡系统中那些独立可变因 素的最大数目，以符号f表示。
吉布斯相律是指处于热力学平衡状态的系 统中自由度与组元数和相数之间的关系 定律：
• 组元数 C=1 • 根据相律： F=1-P+2=3-P • ∵F≥0, ∴P≤3 • 若，P=1，则F=2
材料科学基础三晶体结构缺陷PPT课件
解：以C正a离C子l2为基准K，C缺l陷反C应a方K程式V为：K 2C阴l离C子l 填隙
CaCl2
KCl
Ca
K
ClCl
Cli
以负C离a子C为l基2准，缺KC陷l反应C方a程i式 为：2V阳K离子空2位ClCl
CaCl2
2 KCl
Ca
K
7
电荷缺陷
e，
导带
F色心 n型半导体
（ e，导电 ） 施主能级
受主能级
V色心
p型半导体 （ h• 导电 ）
h•
价带
负离子空位形成正电中心，吸引自由电子，形成F色心 正离子空位形成负电中心，吸引电子孔穴，形成V色心
影 响8
§3.1 点缺陷（point defects）
一、点缺陷的类型 二、点缺陷化学反应表示法 三、热缺陷 四、固溶体（杂质缺陷） 五、非化学计量化合物（非化学计量缺陷） 六、点缺陷的运动（略）
VK
2ClCl
KCl
16
练习： 1、少量TiO2添加到Al2O3晶格内（降低烧结温度） 2、少量Y2O3添加到ZrO2中（晶型稳定剂） 3、少量CaO加入到ZrO2晶格内（晶型稳定剂） 4、少量ZrO2加入到Al2O3晶格内（相变增韧）
17
1、少量TiO2添加到Al2O3晶格内
以正离子为基准1来自第三章 晶体结构缺陷§3.1 点缺陷 §3.2 线缺陷 §3.3 面缺陷 §3.4 体缺陷
2
①定义
理想晶体所有质点都在自己的结点位置,质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体与理想的点阵结构发生偏离(位置、组成),存在着各种各样的结构的不完整性。
晶体结构缺陷：指晶体点阵结构中周期性势场的畸变。
《材料科学基础》课件
1 2
a
101
1 6
a
121
1 3
a
111
3-11
全位错
几何条件：
shockley不全位错
Franker不全位错
• 能量条件：
shockley不全位错
全位错
Franker不全位错
b=a/3<111>和｛111｝面垂直。纯刃位错。
b垂直于滑移面，不是fcc晶体的滑移方向， 不能滑移，只可攀移。
ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ
4、（3-8）比较刃位错和螺位错的异同点。
14、表征晶体中晶向和晶面的方法有 解析法 和 图示 法。（晶 体投影图 ）
二、分析计算
1、（2-3）（1）晶面A在x、y、z轴上的截距分别是2a、3b和 6c，求该晶面的米勒指数；（2）晶面B在x、y、z轴上的截 距分别是a/3、b/2和c，求该晶面的米勒指数。
1 : 1 : 1 3: 2:1 236
3 0.40183
0.683
•(4) CsCl的分子量为:
(35.453 +132.905 )=168.358，
•阿佛加得罗常数是6.0238×1023;
•每个CsCl分子的质量A为：
168.358/(6.0238×10 ) 23
ZM / N A a3
1168.358 /(6.02 1023) (0.4018 107 )3
配位数是8.
[CsCl 8] 或 [ClCs8]配位六面体。
（4）
对CsCl晶体，晶体结构为简 单立方，晶胞中含有一个 正离子一个负离子，沿体 对角线正负离子相切:
3a 2r 2r
a=0.4018nm
3a 2 (0.167 0.181) 0.696
(完整word版)材料科学基础 第三章
第三章 金属与陶瓷的结构一、学习目的材料的结构问题需分层次认识，第一层次是原子核外电子的排布即电子组态和电子构型；第二层次是原子与原子之间的排列位置与相互作用即晶体结构；第三层次是晶相、玻璃相的分布、大小、形状等即显微结构。
固态物质按照原子间（或分子）的聚集状态可以分为晶体和非晶体，在金属与陶瓷中，这两种状态都存在，并且以晶体为主。
在掌握了原子结构与化学键基础上，学习晶体结构基础知识，掌握固体中原子与原子之间的排列关系，对认识和理解材料性能至关重要。
二、本章主要内容在结晶性固体中，材料的许多性能依赖于内部原子的排列，因此，必须掌握晶体特征和描述方法。
本章从微观层次出发，介绍了金属、陶瓷材料的结构特点，介绍了结晶学的基础知识。
主要内容包括：1、 晶体和晶胞晶体：是原子、离子或分子按照一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性。
晶胞：是从晶体结构中取出的能够反映晶体周期性和对程性的重复单元。
2、 金属的晶体结构金属原子之间靠金属键结合形成的晶体为金属晶体。
金属晶体的三种类型和特征为：面心立方晶体：晶胞中八个角上各有一个原子，六个面中心各有一个原子，角上的原子为临近8个晶胞所共有，每个面中心原子为2个晶胞所共有。
晶胞的原子数为4。
晶胞长度a （晶胞参数a=b=c ）与原子半径R 之间的关系为：2a =晶胞中原子堆积系数（晶胞中原子体积与晶胞体积的比值）APF=0.74. 体心立方晶体：晶胞中八个角上各有一个原子，晶胞的中心有一个原子，角上的原子为临近8个晶胞所共有，所以，体心立方晶胞中的原子数为2。
晶胞长度a （晶胞参数a=b=c ）与原子半径R 之间的关系为：a =晶胞中原子堆积系数APF=0.68.密排六方晶体：由两个简单六方晶胞穿插而成。
形状为八面体，上下两个面为六角形，六个侧面为长方形。
密排六方的晶胞参数有两个，a 为正六边形的边长，c 为上下底面的间距（晶胞高度）。
材料科学基础ppt课件
• 这类聚合物是由缩聚反应或开环聚合而成的， 因主链带极性，易水解，醇解或酸解
• 优点：耐热性好，强度高 • 缺点：易水解
• 这类聚合物主要用作工程塑料
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元素高分子
➢主链中不含碳原子，而是由Si 、B 、As等元素和O元 素组成，但在侧链上含有有机取代基团。这类高分 子兼具无机和有机高分子特性，如有机硅高分子。
• 支化高分子的形式：星形(Star)、 梳形 (Comb)、无规(Random)
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网状(交联)大分子
• 缩聚反应中有三个或三个以上官能 度的单体存在时，高分子链之间通 过支链联结成一个三维空间网形大 分子时即成交联结构
• 交联与支化有本质区别 支化(可溶，可熔，有软化点) 交联(不溶，不熔，可膨胀)
2
•
3-1 材料组成和结构的基本内容
Principal Contents of Materials Composition and Structures
• 材料的组成： 构成材料的基本单元的成分及数目
• 材料的结构： 材料的组成单元(即原子或分子)之间相互吸引 和相互排斥作用达到平衡时在空间的几何排列。
(2)
结构单元 的键接方式 ( 几何构型 Geometric
Configuration) (链节)
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加聚
缩聚
• 由以上知：
• 由于高分子是链状结构，所以把简单重复(结构)单元称为“链节”(chains) • 简单重复(结构)单元的个数称为聚合度DP(Degree of Polymerization1
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无 规 共 聚 ( random)
• 两种高分子无规则地平行联结
ABAABABBAAABABBAAA
浙大材料科学基础课件part3
滑动面表示符号：平移为a/2、b/2或c/2时，写作a、b或c；沿体对角线平移1/2距离，写作n；沿面对角线平移1/4距离，写作d。
(2)螺旋轴：由回转轴和平行于轴的平移构成。
图1-24为3次螺旋轴，绕轴回转120º并沿轴平移c/3。
螺旋轴按其回转方向有右旋和左旋之分螺旋轴表示符号：21(表示2次、c/2)，31(表示3次、c/3、右旋)，32(表示3次、c/3、左旋)，41(表示4次、c/4、右旋)，42(4次、c/2)，43(表示4次、c/4、左旋)， 61(6次、c/6、右旋)，62(6次、c/3、右旋)，63(6次、c/2)， 64(6次、c/6、左旋)， 65(6次、c/3、左旋)所有对称要素归纳：回转对称轴：1、2、3、4、6对称面：m（2）对称中心：1（z）回转-反演轴：3、4、6滑动面：a、b、c、n、d螺旋轴：21、31、32、41、42、43、61、62、63、64、65(二)点群、单形及空间群点群：晶体可能存在的对称类型。
通过宏观对称要素在一点上组合运用而得到。
只能有32种对称类型，称32种点群表1- 3 32种点群及所属晶系*2/m表示其对称面与二次轴相垂直，/表示垂直的意思。
其余类推同一晶系晶体可为不同点群的原因：阵点上原子组合情况不同。
如图1-25，对称性降低，平行于六面体面的对称面不存在，4次对称轴也不存在。
理想晶体的形态―单形和聚形：单形：由对称要素联系起来的一组同形等大晶面的组合。
32种对称型总共可以导出47种单形，如图1-26.1，图1-26.2，图1-26.3所示聚形：属于同一晶类的两个或两个以上的单形聚合而成的几何多面体。
大量的晶体形态是由属于同一晶类的单形聚合而成的封闭一定空间的几何多面体，如单形四方柱与平行双面形成了四方柱体的真实晶体形态空间群：描述晶体中原子通过宏观和微观对称要素组合的所有可能方式。
属于同一点群的晶体可因其微观对称要素的不同而分属不同的空间群，空间群有230种，见教材中表1- 4国际通用的空间群符号及其所代表的意义为：P：代表原始格子以及六方底心格子（六方底心格子为三方晶系和六方晶系所共有）。
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(六)晶界的特性晶界的特性：不完整，畸变较大，存在晶界能，晶粒长大和晶界的平直化能减小晶界总面积，降低晶界总能量；晶界常温下对塑性变形起阻碍作用，显然，晶粒越细，金属材料的强度、硬度也越高；晶界有较高动能及缺陷，熔点较低，腐蚀速度较快第三章固溶体固溶体：类似于液体中含有溶质的溶液，晶体中含有外来杂质原子的一种固体的溶液固溶体特点：掺入外来杂质原子后原来的晶体结构不发生转变。
但点阵畸变，性能变化如多数合金，硅中掺入磷和硼都是固溶体固溶度：外来组分量可在一定范围内变化，不破坏晶体结构的最大溶解度量中间相：超过固溶体的溶解限度时，可能形成晶体结构不同，处于两端固溶体的中间部位的新相固溶体分类：置换固溶体，间隙固溶体，缺位固溶体,如错误!未找到引用源。
所示溶体的有序和无序分类：据溶质原子在溶剂晶体结构中排列的有序与否区分。
达某一尺度为有序畴；长程有序可为超结构有限和无限固溶体分类：两组元在固态呈无限溶解，即为（连§3-1影响固溶度的因素结构相同只是完全固溶的必要条件，不是充分条件续固溶体）无限固溶体一、休姆-罗瑟里(Hume-Rothery)规律固溶体固溶度的一般规律：1、尺寸因素:当尺寸因素不利时，固溶度很小；2、化学亲和力:稳定中间相（和组元的化学亲和力有关）会使一次固溶体的固溶度下降（中间相自由能曲线低）；3、电子浓度:电子浓度（价电子数和原子数的比值）影响固溶度和中间相稳定性，100)100(vx x V a e +-=（溶质价为v ，溶剂价为V ）。
还有适用于某些合金系的“相对价效应” ，即高价元素在低价中的固溶度大二、尺寸因素尺寸与溶解度关系：溶质与溶剂原子的尺寸相差大，畸变大，稳定性就低，溶解度小点阵常数的改变：置换固溶体，平均点阵常数增大或收缩,如错误!未找到引用源。
所示；间隙固溶体，总是随溶质溶入而增大。
维伽定律：固溶体点阵常数a 与溶质的浓度x 之间呈线性关系：x a a a a )(121-+=。
《材料科学基础》培训讲座PPT(35张)
• 形状记忆合金
形状记忆合金百叶窗
超级钢 近来，钢铁工业已经开发出一种汽车用钢，比原先的轻24%，而强度
34%，称为超级钢。其优点是：高撞击能量吸收率；高强度-质量比；实用
材料科学基础是进行材料科学研究的基础理论，它将各种材料（包括 属、陶瓷、高分子材料）的微观结构和宏观结构规律建立在共同的理论基础 用于指导材料的研究、生产、应用和发展。它涵盖了材料科学和材料工程的 础理论。
材料科学基础的地位
人类社会发展的历史阶段常常用当时主要使用的材料来划分。从古代到现 人类使用材料的历史共经历了七个时代，各时代的开始时间：
结构材料实际上是一种按结合键种类 来分类的方法。由此可将材料分为金属、 陶瓷、高分子和由金属、陶瓷和高分子分 别组合成的各种复合材料材料。
金属材料：黑色金属材料（钢铁）、有色黑色金属材料（除钢铁 以外的） 陶瓷材料：氧化物陶瓷、非氧化物陶瓷 高分子材料：塑料、橡胶合成纤维 复合材料：金属基复合材料、陶瓷基复合材料、树脂基复合材料 功能材料：电子材料、光电子材料、超导材料
《材料科学基础》
《Foundations of Materials Science》
主讲：徐敏虹
绪论
一、《材料科学基础》的基本概念 二、《材料科学基础》的地位 三、学习《材料科学基础》的意义 四、《材料科学基础》的内容 五、如何学好《材料科学基础》
《材料科学基础》的基本概念
材料是指人类社会能接受地，经济地的制造有用物品的物质。 材料科学是研究材料的成分、组织结构、制备工艺、加工工艺、材料的 能与材料应用之间的相互关系的科学。材料科学是当代科学技术发展的基础 工业生产的支柱，是当今世界的带头学科之一。纳米材料科学与技术是20世 80年代发展起来的新兴学科，成为21世纪新技术的主导中心。
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滑动面表示符号：平移为a/2、b/2或c/2时，写作a、b或c；沿体对角线平移1/2距离，写作n；沿面对角线平移1/4距离，写作d。
(2)螺旋轴：由回转轴和平行于轴的平移构成。
图1-24为3
次螺旋轴，绕轴回转120º并沿轴平移c/3。
螺旋轴按其回
转方向有右旋和左旋之分
螺旋轴表示符号：21(表示2次、c/2)，31(表示3次、c/3、右旋)，32(表示3次、c/3、左旋)，41(表示4次、c/4、右旋)，42(4次、c/2)，43(表示4次、c/4、左旋)，61(6次、c/6、右旋)，62(6次、c/3、右旋)，63(6次、c/2)，64(6次、c/6、左旋)，65(6次、c/3、左旋)
所有对称要素归纳：
回转对称轴：1、2、3、4、6
对称面：m（2）
对称中心：1（z）
回转-反演轴：3、4、6
滑动面：a、b、c、n、d
螺旋轴：21、31、32、41、42、43、61、62、63、64、65
(二)点群、单形及空间群
点群：晶体可能存在的对称类型。
通过宏观对称要素在一点上组合运用而得到。
只能有32种对称类型，称32种点群
表1- 3 32种点群及所属晶系
*2/m表示其对称面与二次轴相垂直，/表示垂直的意思。
其余类推
同一晶系晶体可为不同点群的原因：阵点上原子组合情况不同。
如图1-25，对称性降低，平行于六面体面的对称面不存在，4次对称轴也不存在。
理想晶体的形态―单形和聚形：
单形：由对称要素联系起来的一组同形等大晶面的组合。
32种对称
型总共可以导出47种单形，如图1-26.1，图1-26.2，图1-26.3所示
聚形：属于同一晶类的两个或两个以上的单形聚合而成的几何多面体。
大量的晶体形态是由属于同一晶类的单形聚合而成的封闭一定空间的几何多面体，如单形四方柱与平行双面形成了四方柱体的真实晶体形态
空间群：描述晶体中原子通过宏观和微观对称要素组合的所有可能方式。
属于同一点群的晶体可因其微观对称要素的不同而分属不同的空间群，空间群有230种，见教材中表1- 4
国际通用的空间群符号及其所代表的意义为：
P：代表原始格子以及六方底心格子（六方底心格子为三方晶系和六方晶系所共有）。
F：代表面心格子。
I：代表体心格子。
C：代表（001）底心格子（即与z轴相交的平行六面体两个面中心与八个角顶有相当的构造单位配布）。
A：代表（100）底心格子（即与x轴相交的平行六面体两个面中心与八个角顶有相当的构造单位配布）。
R：代表三方原始格子。
其它符号：意义与前述相同
表1- 4 晶体的空间群、点群、晶系、晶族一览表
续表1- 4
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§1-2晶体化学基本原理
前面了解了晶体构造方面的内容，为后面掌握实际晶体打下了基础。
而实际晶体的形成及性质还与原子的成键及相互作用力相关。
一、电负性
电负性：形成负离子倾向大小的量度。
分子中一个原子向它本身吸引电子的能力。
电负性与分子内一个原子的电离能和电子亲和力相关
电负性↑→得电子能力↑→非金属元素
电负性↓→得电子能力↓→金属元素
大致可用X=2将两类元素分开。
表1- 5，元素电负性值。