材料科学基础第三章模板PPT课件
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材料科学基础山东大学第三章精品PPT课件
• 体积自由能—液相原子进入晶胚体内规则排列, 能量降低形核驱动力,促使晶 胚存在并长大;
• 表面自由能—液相原子占据晶胚表面层,排列 不规则,受力不平衡,能量升高 结晶阻力,促使晶胚熔化、消失;
总自由能的变化决定晶胚能否存在、结晶能 否继续,即决定相转变方向.
2020/10/24
第三章 凝固
19
体系中液、体固系两中相的表 体积自由能面之自差由能
f : 自由度, C: 组元, P: 平衡相数目. • 实际结晶("平台")温度: 略低于理论结晶温度.
2020/10/24
第三章 凝固
7
§3.1金属结晶的基本规律
3. 过冷现象与过冷度
• 过冷(undercooling): 纯金属开始结晶温度总 是低于理论结晶温度的现象;
• 过冷度:液体材料的理论结晶温度(Tm)与其实
偿2/3表面能的增加,还有1/3的表面能必须由系统 的能量起伏来提供.
2020/10/24
第三章 凝固
15
§3.3 晶核的形成
形核: 母相中形成等于或大于临界尺寸
的新相晶核.
均匀形核：依靠母相自身能量变化获得
驱动力,由晶胚直接长成晶
核的过程,又称自发形核或均
质形核.
非均匀形核：晶核在母相与外来夹杂的相
2020/10/24
热分析装 置示意图
第三章 凝固
纯金属的冷却曲线
6
§3.1金属结晶的基本规律
2. 结晶温度
• Tm(T0): 液体材料的理论结晶(凝固)温度—金 属的熔点;
• Tn: 实际开始结晶温度; • "平台"的形成:
– 材料结晶潜热的释放等于体系向外界的散热;
• 表面自由能—液相原子占据晶胚表面层,排列 不规则,受力不平衡,能量升高 结晶阻力,促使晶胚熔化、消失;
总自由能的变化决定晶胚能否存在、结晶能 否继续,即决定相转变方向.
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第三章 凝固
19
体系中液、体固系两中相的表 体积自由能面之自差由能
f : 自由度, C: 组元, P: 平衡相数目. • 实际结晶("平台")温度: 略低于理论结晶温度.
2020/10/24
第三章 凝固
7
§3.1金属结晶的基本规律
3. 过冷现象与过冷度
• 过冷(undercooling): 纯金属开始结晶温度总 是低于理论结晶温度的现象;
• 过冷度:液体材料的理论结晶温度(Tm)与其实
偿2/3表面能的增加,还有1/3的表面能必须由系统 的能量起伏来提供.
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第三章 凝固
15
§3.3 晶核的形成
形核: 母相中形成等于或大于临界尺寸
的新相晶核.
均匀形核：依靠母相自身能量变化获得
驱动力,由晶胚直接长成晶
核的过程,又称自发形核或均
质形核.
非均匀形核：晶核在母相与外来夹杂的相
2020/10/24
热分析装 置示意图
第三章 凝固
纯金属的冷却曲线
6
§3.1金属结晶的基本规律
2. 结晶温度
• Tm(T0): 液体材料的理论结晶(凝固)温度—金 属的熔点;
• Tn: 实际开始结晶温度; • "平台"的形成:
– 材料结晶潜热的释放等于体系向外界的散热;
3_《材料科学基础》第三章_晶体结构缺陷((上)
点缺陷（零维缺陷）--原子尺度的偏离.
按 缺
例：空位、间隙原子、杂质原子等
陷 线缺陷（一维缺陷）--原子行列的偏离.
的
例：位错等
几 何
面缺陷（二维缺陷）--表面、界面处原子排列混乱.
形
例：表面、晶界、堆积层错、镶嵌结构等
态 体缺陷（三维缺陷）--局部的三维空间偏离理想晶体的周期性
例：异相夹杂物、孔洞、亚结构等
1、 固溶体的分类
(1) 按杂质原子的位置分： 置换型固溶体—杂质原子进入晶格中正常结点位置而取代基
质中的原子。例MgO-CoO形成Mg1-xCoxO固溶体。 间隙型固溶体—杂质原子进入晶格中的间隙位置。
有时俩
(2)按杂质原子的固溶度x分： 无限（连续）固溶体—溶质和溶剂任意比例固溶(x=0~1)。
多相系统
均一单相系统
Compounds AmBn
原子间相互反应生成
均一单相系统
结构
各自有各自的结构
A structure
structure
+ B structure
结构与基质相同 A structure
结构既不同于A也不同于B New structure
化学计量 A/B
不定
固溶比例不定
m:n 整数比或接近整数比的一定范围内
四、固溶体Solid solution（杂质缺陷）
1、固溶体的分类 2、置换型固溶体 3、间隙型固溶体 4、形成固溶体后对晶体性质的影响 5、固溶体的研究方法
①固溶体：含有外来杂质原子的单一均匀的晶态固体。 例：MgO晶体中含有FeO杂质 → Mg1-xFexO
基质 溶剂 主晶相
杂质 溶质 掺杂剂
萤石CaF2(F-空位)
材料科学基础(第3章)
②Fe3Al型 该类结构的晶胞可以视为由8个体心立方晶胞 组成，Fe原子占据了8个小立方体的所有顶角 以及4个不相邻的体心位置，而Al原子则占据 其余4个不相邻的体心处。 具有Fe3Al型结构的合金还有Fe3Si、Mg3Li、 Cu3Al等。
B、面心立方固溶体中形成的超结构 ①Cu3Au型 Cu3Au合金相在高于390℃以上具有无序的面心 立方结构。当缓慢冷却到390℃以下时，Cu、Au 原子呈现有序排列，其中Au原子位于面心立方 晶胞的顶角处，Cu原子则占据所有面心位置。 具有这类超结构的合金相还有FeNi3、MnNi3、 Co3V、TiZn3等。
B、影响有序化的因素 合金的有序度主要与温度、冷却速度、合金成分 等因素有关。 随着T↑→原子运动增强，S↓,到某一临界温度， 呈现完全无序状态。 有序化是一个依赖于原子迁移的过程，所以有序 化与冷却速度有关，快速冷却将抑制有序化进行。 从成分方面考虑，当合金的成分偏离理想成分时， 就不能产生完全的有序结构，成分偏离程度决定 了有序化程度的高低。
C、有序化对于合金性能的影响 有序化使得电阻率急剧降低，例如Cu3Au合金 有序时的电阻为无序的1/2，CuAu合金有序时为 无序的1/3。 有序化可以提高合金的硬度，例如CuPt合金， 无序时HB130，500℃×1h退火形成超结构， HB260。原因是提高了塑形变形阻力。 有序化对于某些材料磁性产生影响，例如Ni3Mn 在无序时为顺磁性，但在形成超结构后成为铁 磁性物质。
1、中间相的分类及其特点 （1）正常价化合物—组元间的结合服从原子价 化合规律。 （2）电子化合物— 组元间的结合取决于电子浓 度因素。 （3）间隙相和间隙化合物—小尺寸原子与过渡 族金属之间形成的。 （4）拓扑密堆结构—组元间的结合与原子尺寸 因素有关。 中间相通常是按一定的原子比结合起来的，可以 用化学分子式来表示。中间相的性能与组元不同， 但一般仍保留金属特性。
材料科学基础 第3章
一种空间点阵（图(d)）。 不同的晶体结构可以归属于同一种空间点阵，每 种空间点阵可以形成无限多的晶体结构。
空间点阵 ＋ 基元 ＝ 晶体结构
15
3.3 每个阵点只有一个原子的晶体及六方晶体
工业上常用的金属不下三、四十种，除少
数金属具有较复杂的晶体结构外，绝大多数金
属均为比较简单的高对称性晶体结构，它们是 面心立方（A1，fcc） 体心立方（A2，bcc）
4ra ra
2a 2a 4
29
bcc
<111>晶向（体对角线方向）的原子彼此相切，
排列最紧密。
4ra
ra
3a
3a 4
30
hcp
当c/a=1.633时，所有相邻原子都彼此相
切，排列紧密。此时2ra = a， ra = a/2。
当c/a≠1.633时，
ra a2 3 c2 4 2
原子排列方式相同但空间位向不同的所有晶面
可归为一类，称为晶面族。用｛h k l｝表示。
规律：立方晶系中，同一晶面族的各组晶面指
数的数字相同，但排列秩序或正负号不同。所以
在立方晶系中，｛h k l｝晶面族包括的晶面可以 用h、k、l三个数字的排列组合方式找出。但是， 该方法只适用于立方晶系，不适用于非立方晶系。
的棱长。
fcc
bcc
20
hcp：2个点阵常数，即正六边形的边长a，
上、下底面的间距c。
c/a称为轴比。若顶角原子及面心原子恰好
与体内的三个原子相切，即属于理想密排六方
结构，此时的 a 8 3 1.633 c
。但实际上c/a
往往偏离1.633，即为非理想hcp。
c/a值的范围：1.568（铍， Be）～ 1.886（镉，Cd）
空间点阵 ＋ 基元 ＝ 晶体结构
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3.3 每个阵点只有一个原子的晶体及六方晶体
工业上常用的金属不下三、四十种，除少
数金属具有较复杂的晶体结构外，绝大多数金
属均为比较简单的高对称性晶体结构，它们是 面心立方（A1，fcc） 体心立方（A2，bcc）
4ra ra
2a 2a 4
29
bcc
<111>晶向（体对角线方向）的原子彼此相切，
排列最紧密。
4ra
ra
3a
3a 4
30
hcp
当c/a=1.633时，所有相邻原子都彼此相
切，排列紧密。此时2ra = a， ra = a/2。
当c/a≠1.633时，
ra a2 3 c2 4 2
原子排列方式相同但空间位向不同的所有晶面
可归为一类，称为晶面族。用｛h k l｝表示。
规律：立方晶系中，同一晶面族的各组晶面指
数的数字相同，但排列秩序或正负号不同。所以
在立方晶系中，｛h k l｝晶面族包括的晶面可以 用h、k、l三个数字的排列组合方式找出。但是， 该方法只适用于立方晶系，不适用于非立方晶系。
的棱长。
fcc
bcc
20
hcp：2个点阵常数，即正六边形的边长a，
上、下底面的间距c。
c/a称为轴比。若顶角原子及面心原子恰好
与体内的三个原子相切，即属于理想密排六方
结构，此时的 a 8 3 1.633 c
。但实际上c/a
往往偏离1.633，即为非理想hcp。
c/a值的范围：1.568（铍， Be）～ 1.886（镉，Cd）
材料科学基础第三章.ppt
第三章材料的相结构与相图
同济大学材料科学与工程学院 无机非金属材料研究所
• 3.1 材料的相结构
基本概念：
（1）组元：组成材料的最基本的、独立的物质。
组元可以是纯元素：Cu、Ni、Fe等；
也可以是非金属元素：C、N、B、O等；
或者是化合物
：Al2O3、SiO2、ZrO2等
（2）材料可以是单组元构成：
关键词：聚集状态（冰＋水：二相） 晶体结构（不同的相具有不同的晶
体结构）
存在相界面 （理论上各相之间是可以分离的）
• 材料的性能与各组成相的性质、形态、数量 有很大的关系：
• 实例1：
微晶玻璃—— 由玻璃相＋微晶相组成
铁碳合金 ——随着铁中碳含量的变化源自通常在0.0218%-6.69%之间），可 以形成各种不同的结晶态物质，如铁素体、 渗碳体、奥氏体等，这些相的形态、数量对 钢材的性能有很大的影响。
各组元质点分布分别按照各自的布拉维点阵进 行排列，整个固溶体就是由各组元的分点阵组成 的复杂点阵，也称超点阵或超结构。
• 3.1.1.1置换型固溶体
• 在理论的指导下，通过对实践经验的积累 总结，针对置换型固溶体的情况，提出了 一些重要的影响因素：
• （1）晶体结构类型 • （2）质点尺寸因素 • （3）化学电负性（化学亲和力） • （4）电价因素
合金组元间的电负性差越大，则倾向于生 成化合物而不利于形成固溶体；生成的化 合物越稳定，则固溶体的溶解度就越小。
只有电负性相近的元素才可能具有较大的溶 解度，有利于形成固溶体。
（通常以以 0.4 作为边界条件）
• （4）电价因素（电子浓度）
定义：电子浓度是指合金中各组成元素的价 电子数总和与原子总数的比值：e/a
同济大学材料科学与工程学院 无机非金属材料研究所
• 3.1 材料的相结构
基本概念：
（1）组元：组成材料的最基本的、独立的物质。
组元可以是纯元素：Cu、Ni、Fe等；
也可以是非金属元素：C、N、B、O等；
或者是化合物
：Al2O3、SiO2、ZrO2等
（2）材料可以是单组元构成：
关键词：聚集状态（冰＋水：二相） 晶体结构（不同的相具有不同的晶
体结构）
存在相界面 （理论上各相之间是可以分离的）
• 材料的性能与各组成相的性质、形态、数量 有很大的关系：
• 实例1：
微晶玻璃—— 由玻璃相＋微晶相组成
铁碳合金 ——随着铁中碳含量的变化源自通常在0.0218%-6.69%之间），可 以形成各种不同的结晶态物质，如铁素体、 渗碳体、奥氏体等，这些相的形态、数量对 钢材的性能有很大的影响。
各组元质点分布分别按照各自的布拉维点阵进 行排列，整个固溶体就是由各组元的分点阵组成 的复杂点阵，也称超点阵或超结构。
• 3.1.1.1置换型固溶体
• 在理论的指导下，通过对实践经验的积累 总结，针对置换型固溶体的情况，提出了 一些重要的影响因素：
• （1）晶体结构类型 • （2）质点尺寸因素 • （3）化学电负性（化学亲和力） • （4）电价因素
合金组元间的电负性差越大，则倾向于生 成化合物而不利于形成固溶体；生成的化 合物越稳定，则固溶体的溶解度就越小。
只有电负性相近的元素才可能具有较大的溶 解度，有利于形成固溶体。
（通常以以 0.4 作为边界条件）
• （4）电价因素（电子浓度）
定义：电子浓度是指合金中各组成元素的价 电子数总和与原子总数的比值：e/a
材料科学基础第三章
2, 具体步骤: , 具体步骤:
选组元, 选组元,配合 金系, 金系,熔化 标注在温度— 标注在温度 成分坐标中 无限缓冷下测各 合金的冷却曲线 连接各相变点 确定各合金 的相变温度 确定相
如:0%Cu,20%Cu,40%Cu,60%Cu,80%Cu,100%Cu , , , , , 六组合金. 六组合金.
后结晶出来的, 后结晶出来的,含A元素少 元素少
先结晶出来的, 先结晶出来的,含A元素多 元素多
富Ni
富Cu
Cu-Ni合金晶内偏析的组织 合金晶内偏析的组织
非平衡结晶
晶内偏析
1500 1400
L
塑性,韧性下降, 塑性,韧性下降,易引起 晶内腐蚀, 晶内腐蚀,热加工困难 扩散退火
1300 1200 1100 1000 900 800 0 20 40 60 80 100
(一)二元合金相图的建立 Pb-Sb二元合金为例 二元合金为例) (以Pb-Sb二元合金为例) 1,建立相图的思路: ,建立相图的思路:
合金相变时,伴随物理,化学性能的变化, 合金相变时,伴随物理,化学性能的变化,可利用 者热膨胀法,磁性测定法,金相法,电阻 法和X射线结构分析法等 精确测定相变临界点( 射线结构分析法等) 法和 射线结构分析法等)精确测定相变临界点(即临界 温度),确定不同相存在的温度和成分区间,建立相图. ),确定不同相存在的温度和成分区间 温度),确定不同相存在的温度和成分区间,建立相图.
进行材料研究,金相分析,制定热, 进行材料研究,金相分析,制定热, 作用 铸,锻,焊等热加工工艺规范的重要依据 和有效工具. 和有效工具.
一,相律
在恒压下,在纯固态或纯液态情况下, 在恒压下,在纯固态或纯液态情况下,出现的相数 小于等于主元数.在液固共存(恒温) 小于等于主元数.在液固共存(恒温)条件下出现 的相数小于等于主元数加一.因而,对二元合金, 的相数小于等于主元数加一.因而,对二元合金, 固态下出现的相数为1或2,液固共存(恒温)条件 固态下出现的相数为 或 ,液固共存(恒温) 下恒温下出现的相数为2或 . 下恒温下出现的相数为 或3.
材料科学基础第三章典型晶体结构(共71张PPT)
Zn离子的位置交叉错开。
表示方法：球体堆积法；坐标法；投影图；配位多面体连 接方式
与金刚石晶胞的比照 ，有什么不同？
同型结构的晶体β-SiC,GaAs,AlP 等
5、 -ZnS〔纤锌矿〕型结构 〔AB type〕
六方晶系，简单六方格子
配位数：
晶胞中正负离子个数
堆积及空隙情况
同型结构的晶体:BeO, ZnO, AlN等
笼外俘获其它原子或基团，形成类C60的衍生物，例如
C60F60。再如，把K、Cs、Ti等金属原子掺进C60分子 的笼内，就能使其具有超导性能。再有C60H60这些相 对分子质量很大地碳氢化合物热值极高，可做火箭的 燃料等等。
2〕碳纳米管
碳纳米管又称纳米碳管〔 Carbon nanotube，CNT〕，是 单质碳的一维结构形式。碳纳米 管按照石墨烯片的层数分类可分 为：单壁碳纳米管〔Singlewalled nanotubes, SWNTs〕和多 壁碳纳米管〔Multi-walled nanotubes, MWNTs〕。
4. -ZnS〔闪锌矿〕型结构 〔AB type〕 点群：
空间群：
配位数：
晶胞中正负离子个数Z：
堆积及间隙情况：
• 以体积较大的S2-作立方紧密堆积 • Zn2+如何填充？ • 空隙如何分布？
等同点分布：
共有2套等同点。这种结构 可以看作是Zn离子处在由S离 子组成的面心立方点阵的4个
四面体间隙中，即有一半四面 体间隙被占据，上层和下层的
晶体结构的描述通常有三种方法：
1〕坐标法：给出单位晶胞中各质点的空间坐标，这种采用
数值化方式描述晶体结构是最标准化的。为了方便表示晶胞， 化学式可写为MO，其中M2＋是二价金属离子，结构中M2＋和O2－分别占据了NaCl中钠离子和氯离子的位置。 以由体正积 负还较离大子可的半径S以2比-作rN采立a方+/r用紧cl-密≈堆投0.积 影图，即所有的质点在某个晶面〔001〕上的投
表示方法：球体堆积法；坐标法；投影图；配位多面体连 接方式
与金刚石晶胞的比照 ，有什么不同？
同型结构的晶体β-SiC,GaAs,AlP 等
5、 -ZnS〔纤锌矿〕型结构 〔AB type〕
六方晶系，简单六方格子
配位数：
晶胞中正负离子个数
堆积及空隙情况
同型结构的晶体:BeO, ZnO, AlN等
笼外俘获其它原子或基团，形成类C60的衍生物，例如
C60F60。再如，把K、Cs、Ti等金属原子掺进C60分子 的笼内，就能使其具有超导性能。再有C60H60这些相 对分子质量很大地碳氢化合物热值极高，可做火箭的 燃料等等。
2〕碳纳米管
碳纳米管又称纳米碳管〔 Carbon nanotube，CNT〕，是 单质碳的一维结构形式。碳纳米 管按照石墨烯片的层数分类可分 为：单壁碳纳米管〔Singlewalled nanotubes, SWNTs〕和多 壁碳纳米管〔Multi-walled nanotubes, MWNTs〕。
4. -ZnS〔闪锌矿〕型结构 〔AB type〕 点群：
空间群：
配位数：
晶胞中正负离子个数Z：
堆积及间隙情况：
• 以体积较大的S2-作立方紧密堆积 • Zn2+如何填充？ • 空隙如何分布？
等同点分布：
共有2套等同点。这种结构 可以看作是Zn离子处在由S离 子组成的面心立方点阵的4个
四面体间隙中，即有一半四面 体间隙被占据，上层和下层的
晶体结构的描述通常有三种方法：
1〕坐标法：给出单位晶胞中各质点的空间坐标，这种采用
数值化方式描述晶体结构是最标准化的。为了方便表示晶胞， 化学式可写为MO，其中M2＋是二价金属离子，结构中M2＋和O2－分别占据了NaCl中钠离子和氯离子的位置。 以由体正积 负还较离大子可的半径S以2比-作rN采立a方+/r用紧cl-密≈堆投0.积 影图，即所有的质点在某个晶面〔001〕上的投
材料科学基础ppt课件
11
• 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
12
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)
23
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)
16
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
28
无 规 共 聚 ( random)
• 两种高分子无规则地平行联结
ABAABABBAAABABBAAA
• 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
12
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)
23
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)
16
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
28
无 规 共 聚 ( random)
• 两种高分子无规则地平行联结
ABAABABBAAABABBAAA
材料科学基础.第三章
常见金属的液-固界面为粗糙界面，一些非金属、亚金属、金 属间化合物的液-固界团多为光滑界面。 3.4.2 晶核的长大机制 晶核长大所需的界面过冷度被称为动态过冷度，用⊿Tk表示。 具有光滑界面的物质，△Tk约为1-2℃；具有粗糙界面的物质， △Tk仅为0.01-0.05℃。说明不同类型界面，其长大机制不同。 1.粗糙界面的长大 晶体整个界面沿法线方向向液相中长 大，这种长大方式叫垂直长大。垂直长大时生长速度很快。 2.光滑界面的长大 可能有以下两种 （1）界面上反复形 成二维晶核的机制。 (2) 缺陷长大机制。 液体中的原子不断 添加到螺错或孪晶等 晶体缺陷的台阶上使 晶体长大，如右图。
1.垂直提拉法 先熔化坩埚中的材料，使液体保持稍高于熔点 的温度，然后下移夹有一个籽晶的杆，使籽晶与液面接触。缓慢 降低炉内温度，将籽晶杆一边旋转一边提拉，使籽晶作为难一的 晶核在液相中结晶，最后成为一块单晶体。 2.尖端形核法 将材料装入一个带 尖头的容器中熔化， 然后将容器从炉中 缓慢拉出，尖头首 先移出炉外缓冷， 在尖头部产生一个 晶核，容器向炉外 移动时便由这个晶 核长成一个单晶体。
3.4.3 纯金属的生长形态 纯金属凝固时的生长形态，取决于固-液界面的微观结构和界 面前沿的温度梯度。 1.正温度梯度 在正温度梯度dT/dx>0下，结晶潜热只能通过 固相散出，界面推移速度受固相传热速度的控制。粗糙界面、 光滑界面的晶体生长均以平面状向前推进。
2.负温度梯度 当dT/dx<0时，界面的热量可以从固、液两相 散失，界面移动不只受固相传热速率控制。界面某处偶然伸入液 相，则进入了△T更大的区域，生长速率加快，伸入液相中形成 一个晶轴。晶轴结晶时向两侧液相中放出潜热，使液相中垂直晶 轴的方向又产生负温度梯度，这样晶轴上又会产生二次晶、三次 晶轴…。这种生长方式称为树枝状生长。树枝生长时，伸展的晶 轴具有一定的晶体取向，面心立方为<100>；体心立方<100> 。 以树枝方式生 长时，最后凝固 的金属将树枝空 隙填满，使每个 枝晶成为一个晶 粒。图3.12为锑 液-固界面的微观结构 液-固界面按微观结构可 分为光滑界面和粗糙界面。 1.光滑界面 指界面处固液 两相截然分开。固相表面为 基本完整的原子密排面，从 微观上看界面是光滑的，但 宏观上看往往由若干曲折的 小平面组成，是不平整的， 因此又称小平面界面。 2. 粗糙界面 指液-固界面 存在厚度为几个原子间距的 过渡层，因而在微观上是粗 糙的，但宏观上界面反而是 平整光滑的。这种界面又称 非小平面界面。
[课件]材料科学基础 第三章晶体缺陷PPT
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《材料科学基础》CAI课件-李克
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b. 螺型位错 screw dislocation
位错线bb’：已滑移区和未滑移区的边界线
特征：
1）无额外半原子面， 原子错排是轴对称的 2）分左螺旋位错，符合左手法则；右螺旋位错 ，符合右手法则 3）位错线与滑移矢量平行，且为直线，位错线的运动方向与滑移矢量垂直 4）凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带 所有晶面都可以为滑移面。 5) 点阵畸变引起平行于位错线的切应变，无正应变。 6）螺型位错是包含几个原子宽度的线缺陷。
2018/12/13 《材料科学基础》CAI课件-李克 9
3.2.1 位错的基本类型和特征
根据几何结构特征： a. 刃型位错 edge dislocation
b. 螺型位错 screw dislocation
2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
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a. 刃型位错 edge dislocation
材料科学基础 第三章_晶体缺 陷
第三章 晶体缺陷
Imperfections (defects) in Crystals
It is the defects that makes materials so interesting, just like the human being.
Defects are at the heart of materials science.
1、点缺陷的形成 （production of point defects)
原因：热运动：热振动强度是温度的函数 能量起伏=〉原子脱离原来的平衡位置而迁移别处 Schottky 空位，-〉晶体表面 =〉空位(vacancy)
材料科学基础第三章
• 从纯金属冷却曲线可以看出：金属从液态 冷却到理论凝固温度(熔点)Tm时并不凝固， 而是再降至实际开始结晶温度Tn时才开始 结晶；随后温度回升到接近Tm时出现恒温 结晶(曲线平台)，结晶终止后温度继续下降。
• 曲线出现“平台”，是金属液固转变所释 放的潜热与系统散热量相等的结果。
• 在“平台”温度下，液固相不平衡，所以 “平台”温度不是熔点但相差不大。
• 如果只有一粒晶核长大，则由这一粒晶核 长大的金属就是一块金属单晶体。
• 3.1.2 金属结晶的宏观现象
• 金属结晶伴随着一系列宏观特征的改变， 如结晶潜热的释放，融化熵的变化等。研 究这些宏观特征的变化是研究金属结晶过 程的重要手段。
• 3.1.2.1 冷却曲线与金属结晶温度：用热分 析装置将金属融化后缓慢降温，每隔一定 时间记录一次温度，绘制成温度-时间关系 曲线，称为冷却曲线。这种测定冷却曲线 的方法叫热分析法。
金属中，表面能可用表面张力表示。当晶 核稳定时，有：
• σLW=σSW+σSLcosθ
(3-15)
• 形成一个晶核时，总自由能的变化为：
ΔG’=-ΔGBV+ΣσAi
(3-16)
• 晶核体积(球冠体积)为：
• VS=πr3(2-3cosθ+cos3θ)/3
(3-17)
• (VS=πh2(r-h/3), h=r(1-cosθ))
核功越小。
• 在过冷液相中，均匀形核依靠结构起伏形 成大于临界晶核的晶胚；再从能量起伏中
获得形核功形成稳定的晶核。结构起伏和 能量起伏是均匀形核的必要条件。
• 临 但界 晶晶胚核的半最径大尺rk随寸过rm冷ax却度随ΔT过增冷加度而的减增小加；而 增加。如图所示：两条曲线的交点为均匀 形核的临界过冷度ΔT*。当系统过冷度 ΔT<ΔT*时，
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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
• ∴可以用温度和压力作坐标的平面图 (pT图) 来表示系统的相图。
若，F=0，则P=3，即最多有三相平衡。
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水的相图
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• 一、相与相平衡 • 1. 相 (Phase) • 在一个系统中，成分、结构相同，性能一致
的均匀的组成部分叫做相，不同相之间有明显 的界面分开,该界面称为相界面。 • 注意： • 相在物理性能和化学性能上是均匀的。 • 相界面和晶界的区别。
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2. 相平衡
• 在某一温度下，系统中各个相经过很 长时间也不互相转变，处于平衡状态， 这种平衡称为相平衡。(反之称为非平衡相）
• 结晶过程中固相和液相的成分在不断变化， 因此有原子的扩散
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二元相图的基本类型
• （2）共晶相图 在二元系统中，两个组元在液相可以无限
互熔，而在固相时，完成互不相熔或只 是有限互熔并发生共晶转变，形成共晶 组织的相图，称为二元共晶相图。
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ห้องสมุดไป่ตู้
典型的二元共晶相图
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均晶相图分析：
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杠杆规则的应用
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均晶结晶的特点：
• 固溶体的结晶是在一个温度范围内完成的。
•
纯金属 F=0
•
固溶体 F=1
• 结晶出的固相与共存液相的成分不同
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二元相图的建立方法：
• 二元相图的测定或建立是根据各种成分材料的 临界点（critical point）绘制的。
• 临界点是表示物质结构状态发生本质变化的临 界相变点。测定材料临界点有两种方法类型： (1)动态法：热分析法（thermal analisis method）、膨胀法、电阻法 (2) 静态法： 金相法、X－ray衍射分析法 这些方法主要 是利用合金在相结构变化时，引起物理性能、 力学性能及金相组织变化的特点来测定。
• 各组元在各相中的化学势相同。
A
AB
热力学动态平衡
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• 3.组元与独立组分
• 组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来， 并能独立存在的化学纯物质，在一个给定的系统 中，组元就是构成系统的各种化学元素或化合物。
• 化学元素：Cu, Ni, Fe等
• 化合物：Al2O3, MgO, Na2O, SiO2等
第三章材料的相结构及相图 （之二）
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本章主要内容
• 相与相平衡的基本概念，杠杆规则； • 二元系统各种类型相图的基本特点和阅
读分析； • 三元相图的基本概念，三元匀晶相图，
简单三元共晶相图。
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为什么要研究相图？
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3.2.1相图的基础知识
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• 二元相图的表示法
• 如果合金系由A、B两组元组成，横坐标一端 为组元A，而另一端为组元B，那么体系中任 一成分合金都可以在横坐标上找到相应的点。
• 根据国标，二元合金成分可以有两种表示方法： 质量分数(W)和摩尔分数(x)。但通常多数用 质量百分数表示，在没有特别注明，合金成分 都是指质量百分数。若A、B为单质，质量百 分数和摩尔分数之间可以换算 。
• 当然，现在还有使用计算机，通过热力学数据 的计算结果来绘制相图的方法。
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热分析法画制Cu-Ni相图
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Cu-Pb合金相图
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杠杆规则
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上式也可写成： wL obC Co w ao Co CL
杠杆规则示意图
f+p=c+n
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• 只考虑温度和压力对系统平衡状态的影响:
•
F=C-P+2
• 凝聚系统:
•
F=C-P+1
• 式中的P称为相数，显然在f＝0时，
P最大。
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几点说明：
• (1)相平衡是研究多相体系的平衡状态如何随 温度、压力和组分浓度等变数而改变的规律；
• (2)相图是根据多相平衡的实验结果而绘制的 几何图形；又称状态图；
• （3）相图中的平衡状态的概念。只适用于热 力学平衡状态，各相温度相等（热量平衡）、 各相压力相等（机械平衡）、各相化学势相等 （化学平衡）。
• （4）相律只表示体系中组元和相的数目，不 能指明组元和相的类型和含量。
• （5）不能预告反应动力学（即反应速度问 题）。
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单元系统的相图