材料科学基础山东大学第三章精品PPT课件
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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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13
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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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6
• 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》课件
THANKS
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稳定性
材料在化学环境中保持其组成和结构的能力。
腐蚀性
材料与化学物质反应的能力，一些材料容易受到腐蚀。
活性
材料参与化学反应的能力和程度。
耐候性
材料在各种气候条件下的稳定性，如耐紫外线、耐风雨等。
材料的力学性质
弹性模量
描述材料抵抗弹性变形的能力。
硬度
材料表面抵抗被压入或划痕的能力。
韧性
材料吸收能量并抵抗断裂的能力。
材料科学的发展历程
总结词
概述材料科学的发展历程，包括重要的里程碑和代表 性人物。
详细描述
材料科学的发展历程可以追溯到古代，如中国的陶瓷和 青铜器制作，古埃及的石材加工等。然而，材料科学作 为一门独立的学科是在20世纪中期才开始形成的。在 这个时期，一些重要的里程碑包括开发出高温超导材料 、纳米材料和光电子材料等新型材料，这些材料的出现 极大地推动了科技的发展。同时，一些杰出的科学家如 诺贝尔奖得主也在这个领域做出了卓越的贡献。随着科 技的不断进步，材料科学的发展前景将更加广阔。
。
绿色材料与可持续发展
绿色材料
采用环保的生产方式，开发具有环保性能的新型材料，如可降解 塑料、绿色建材等。
节能减排
通过采用新型材料和技术，降低能源消耗和减少污染物排放，实现 节能减排的目标。
可持续发展
推动材料科学的发展，实现经济、社会和环境的协调发展，促进可 持续发展。
非晶体结构与性质
非晶体的结构特征
非晶体中的原子或分子的排列是无序的，不遵循长程有序的晶体 结构。
非晶体的物理和化学性质
非晶体的物理和化学性质与晶体不同，如玻璃态物质具有较好的化 学稳定性和机械强度。
材料科学基础完整ppt课件
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
离子% 结 ）= [-1 e 合 -1 4(X A 键 X B )（ 2 1% 00
另一种混合键表现为两种类型的键独立 纯在例如一些气体分子以共价键结合，而 分子凝聚则依靠范德瓦力。聚合物和许多 有机材料的长链分子内部是共价键结合， 链与链之间则是范德瓦力或氢键结合。石 墨碳的上层为共价键结合，而片层间则为 范德瓦力二次键结合。
.
5
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
八.材料科学研究的内容：材料结构的基础知识、
晶体结构、晶体缺陷、材料的相结构及相图、材
料的凝固、材料中的原子扩散、热处理、工程材
料概论等主要内容。 .
子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当
.
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处在
经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
高温熔融状态时，正负离子在外电场作用 下可以自由运动，即呈现离子导电性。
2.共价键
（1）通过共用电子对形成稳定结构
.
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经营者提供商品或者服务有欺诈行为 的，应 当按照 消费者 的要求 增加赔 偿其受 到的损 失，增 加赔偿 的金额 为消费 者购买 商品的 价款或 接受服 务的费 用
三.结论
1.原子核周围的电子按照四个量子数的规定 从低能到高能依次排列在不同的量子状态 下，同一原子中电子的四个量子数不可能 完全相同。
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
晶体结构(共78张PPT)
多为无色透明，折 射率较高
山东大学材料科学基础
共价键结合，有方 向性和饱和性，键 能约80kJ/mol
Si,InSb, PbTe
金属键结合， 无方向性，配 位数高，键能 约80kJ/mol
Fe,Cu,W
范得华力结合 ，键能低， 约 8-40 kJ /mol
Ar,H2,CO2
熔点高
强度和硬度由中到 高，质地脆
闪锌矿〔立方ZnS〕结构 S
Zn
属于闪锌矿结构的晶体有β-SiC，GaAs，AlP，InSb
山东大学材料科学基础
•
•
•
•
萤石〔CaF2〕型结构
立方晶系Fm3m空间群，
a0=0.545nm， Z=4。 AB2型化合物， rc/ra>0.732〔0.975〕 配位数：8：4
Ca2+作立方紧密堆积，
F-填入全部四面体 空隙中。 注意：所有八面 体空隙都未被占据。
山东大学材料科学基础
钙钛矿〔CaTiO3〕结构
Ti
ABO3型
立方晶系：以
•
一个Ca2+和3个
O2-作面心立方
Ca
密堆积，
Ti4+占1/4八面体C空aT隙iO3。晶胞 配位多面体连接与Ca2+配位数
Ti4+配位数6，rc/ra=0.436(0.414-0.732)
Ca2+配位数12，rc/ra=0.96
O2-配位数6；
取决温度、组成、掺杂等条件，钙钛矿结构呈现立方、
四方、正交等结构形式。
山东大学材料科学基础
许多化学式为ABO3型的化合物，其中A与B两种阳 离子的半径相差颇大时常取钙钛矿型结构。在钙钛矿 结构中实际上并不存在一个密堆积的亚格子，该结构 可以看成是面心立方密堆积的衍生结构。较小的B离 子占据面心立方点阵的八面体格位，其最近邻仅是氧 离子。
山东大学材料科学基础
共价键结合，有方 向性和饱和性，键 能约80kJ/mol
Si,InSb, PbTe
金属键结合， 无方向性，配 位数高，键能 约80kJ/mol
Fe,Cu,W
范得华力结合 ，键能低， 约 8-40 kJ /mol
Ar,H2,CO2
熔点高
强度和硬度由中到 高，质地脆
闪锌矿〔立方ZnS〕结构 S
Zn
属于闪锌矿结构的晶体有β-SiC，GaAs，AlP，InSb
山东大学材料科学基础
•
•
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•
萤石〔CaF2〕型结构
立方晶系Fm3m空间群，
a0=0.545nm， Z=4。 AB2型化合物， rc/ra>0.732〔0.975〕 配位数：8：4
Ca2+作立方紧密堆积，
F-填入全部四面体 空隙中。 注意：所有八面 体空隙都未被占据。
山东大学材料科学基础
钙钛矿〔CaTiO3〕结构
Ti
ABO3型
立方晶系：以
•
一个Ca2+和3个
O2-作面心立方
Ca
密堆积，
Ti4+占1/4八面体C空aT隙iO3。晶胞 配位多面体连接与Ca2+配位数
Ti4+配位数6，rc/ra=0.436(0.414-0.732)
Ca2+配位数12，rc/ra=0.96
O2-配位数6；
取决温度、组成、掺杂等条件，钙钛矿结构呈现立方、
四方、正交等结构形式。
山东大学材料科学基础
许多化学式为ABO3型的化合物，其中A与B两种阳 离子的半径相差颇大时常取钙钛矿型结构。在钙钛矿 结构中实际上并不存在一个密堆积的亚格子，该结构 可以看成是面心立方密堆积的衍生结构。较小的B离 子占据面心立方点阵的八面体格位，其最近邻仅是氧 离子。
第材料科学基础第3章
▪ 点缺陷引起晶格畸变,能量升高，结构不稳定，易发生转
变。 点缺陷的存在会引起性能的变化：
(1)物理性质、如R、V、ρ 等； (2)力学性能：采用高温急冷(如淬火 ,大量的冷变形）,高 能粒子辐照等方法可获得过饱和点缺陷，如使σS提高； (3)影响固态相变,化学热处理等。
第材料科学基础第3章
3.2 位错
3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界
4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可 作为一般了解
5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的 类型
第材料科学基础第3章
6、点缺陷的平衡浓度公式 7、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量 的特征， 8、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运
对离子晶体，和纯金属相比，点缺陷形成能 都很大，故一般离子晶体中，在平衡状态下存 在的点缺陷浓度是极小的。
第材料科学基础第3章
△Ev对C的影响
金属
种类
Pb
Al
Mg
Au
Cu
Pt
W
△Ev ×
10-8J
0.08
0.12
0.14
0.15
0.17
0.24
0.56
C
9.2× 2.8× 1.5× 3.6× 2.0× 7.8× 5.7×
（4）外来杂质原子：
（5）置换原子(substitutional atom) ：
第材料科学基础第3章
点缺陷类型1
第材料科学基础第3章
点缺陷类型2
第材料科学基础第3章
3.1.2 点缺陷的平衡浓度
晶体中点缺陷的存在一方面造成点阵畸变，使晶体的内 能升高，降低了晶体的热力学稳定性，另一方面由于 增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的 振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值 增大，增加了晶体的热力学稳定性。这两个相互矛盾 的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的 平衡浓度。这个浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平 衡浓度。经热力学推导：
变。 点缺陷的存在会引起性能的变化：
(1)物理性质、如R、V、ρ 等； (2)力学性能：采用高温急冷(如淬火 ,大量的冷变形）,高 能粒子辐照等方法可获得过饱和点缺陷，如使σS提高； (3)影响固态相变,化学热处理等。
第材料科学基础第3章
3.2 位错
3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界
4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可 作为一般了解
5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的 类型
第材料科学基础第3章
6、点缺陷的平衡浓度公式 7、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量 的特征， 8、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运
对离子晶体，和纯金属相比，点缺陷形成能 都很大，故一般离子晶体中，在平衡状态下存 在的点缺陷浓度是极小的。
第材料科学基础第3章
△Ev对C的影响
金属
种类
Pb
Al
Mg
Au
Cu
Pt
W
△Ev ×
10-8J
0.08
0.12
0.14
0.15
0.17
0.24
0.56
C
9.2× 2.8× 1.5× 3.6× 2.0× 7.8× 5.7×
（4）外来杂质原子：
（5）置换原子(substitutional atom) ：
第材料科学基础第3章
点缺陷类型1
第材料科学基础第3章
点缺陷类型2
第材料科学基础第3章
3.1.2 点缺陷的平衡浓度
晶体中点缺陷的存在一方面造成点阵畸变，使晶体的内 能升高，降低了晶体的热力学稳定性，另一方面由于 增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的 振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值 增大，增加了晶体的热力学稳定性。这两个相互矛盾 的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的 平衡浓度。这个浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平 衡浓度。经热力学推导：
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
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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)
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
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位错和向错
3.2.1 位错的基本类型和特征
位错的类型： 刃型位错（edge dislocation）（正应变） 螺型位错（screw dislocation） （切应变） 混合位错（mixed dislocation） 向错（复杂应变）
1. 刃型位错
（1）刃型位错（edge dislocation）的产生 完整晶体滑移的理论剪切强度要远高于实际晶体滑移的对应 强度，从而促进了位错理论的产生和发展。 （2） 刃型位错图示： 刃型位错线：多余半原子面与滑移面的交线。 （3）刃型位错特征： ① 刃型位错有一个额外的（多余）半原子面。正刃型位错用 “⊥”表示，负刃型位错用“┬”表示；其正负只是相对而言。 判断用右手定则：食指指向位错线方向，中指指向柏氏矢量 方向，拇指指向多余半原子面方向。 ② 刃型位错是直线、折线或曲线。它与滑移方向、柏氏矢量 垂直。
螺型位错示意图
晶体局部滑移造成的螺型位错
比较
• 刃型位错 • 位错线
– 形状？ – 位错线的移动方向？
• 螺型位错 • 位错线
– 形状？ – 位错线的移动方向？
• 滑移面
–？
• 滑移面
–？
• 正应变和切应变
• 只有切应变
3.混合位错
(1) 混合位错（mixed dislocation）的图示 (2) 混合位错特征:混合位错可分为刃型分量和螺型分量 , 它们分别具有刃位错和螺位错的特征。 刃:ξ ⊥b ; 螺: ξ ∥b ; 位错环(dislocation loop)是一种典型的混合位错。
3. 柏氏矢量的特性－B
(5) 位错的连续性:可以形成位错环、连接于其他位错、终止 于晶界或露头于表面,但不能中断于晶体内. (6) 可用柏氏矢量判断位错类型 刃型位错: ξ e⊥be，右手法则判断正负 螺型位错: ξ s∥bs，二者同向右旋,反向左旋 (7) 柏氏矢量表示晶体滑移方向和大小.大小|b|，方向为柏氏 矢量 方向。 (8) 刃型位错滑移面为ξ 与柏氏矢量所构成的平面,只有一个； 螺型位错滑移面不定,多个。 (9) 柏氏矢量可以定义为:位错为柏氏矢量不为0的晶体缺陷.
材料科学基础ppt
组织是指用金相观察方法观察材料内部时看到的涉及晶体或晶粒大小、方向、形状排 列状况等组成关系的组成物。不同的组织具有不同的力学性能和物理性能。
第一章 材料结构的基本知识
一、原子的电子排列
第一节 原子结构
原子
原子核
中子 质子
核外电子
原子的结构示意图
原子的运动轨道是有四个量子数所确定的，它们分别为主量子数、次量子数、磁 量子数以及自旋量子数。四个量子数中最重要的是主量子数n(n=1、2、3、4·····），
正方晶系： d h k 1 / l h [ /a ) ( 2 ( k /b ) 2 ( l/c ) 2 ] 1 /2
六方晶系：
d h k 1 / l4 / [ 3 ( h 2 h k k 2 ) /a 2 ( l/c ) 2 ] 1 /2
第二节 纯金属的晶体结构
一. 典型金属的晶体结构
金属晶体中的结合键是金属键，由于金属键没有方向性和饱和性，使大多数金属晶 体都具有排列紧密、对称性高的简单晶体结构。最常见的典型金属通常具有面心立方（A1 或fcc）、体心立方（A2或bcc）和蜜排六方（A3或hcp）三种晶体结构。
四. 晶面间距
1. 晶面间距：相邻两平行晶面间的距离。
2. 计算公式
对于各晶系的简单点阵，晶面间距与晶面指数 (hkl) 和点阵常数(a,b,c)之间有如下
关系：
立方晶系：
dhk la/h ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2k2l2]1/2
四方晶系：
d h k1 l/h [2 (k 2 )/a 2 ( l/c )2 ] 1 /2
二.材料性能与内部结构的关系
材料的不同性能都是由其内部结构决定的。从材料的内部结构来看，可分为四个 层次：原子结构、结合键、原子的排列方式（晶体和非晶体）以及显微组织。
第一章 材料结构的基本知识
一、原子的电子排列
第一节 原子结构
原子
原子核
中子 质子
核外电子
原子的结构示意图
原子的运动轨道是有四个量子数所确定的，它们分别为主量子数、次量子数、磁 量子数以及自旋量子数。四个量子数中最重要的是主量子数n(n=1、2、3、4·····），
正方晶系： d h k 1 / l h [ /a ) ( 2 ( k /b ) 2 ( l/c ) 2 ] 1 /2
六方晶系：
d h k 1 / l4 / [ 3 ( h 2 h k k 2 ) /a 2 ( l/c ) 2 ] 1 /2
第二节 纯金属的晶体结构
一. 典型金属的晶体结构
金属晶体中的结合键是金属键，由于金属键没有方向性和饱和性，使大多数金属晶 体都具有排列紧密、对称性高的简单晶体结构。最常见的典型金属通常具有面心立方（A1 或fcc）、体心立方（A2或bcc）和蜜排六方（A3或hcp）三种晶体结构。
四. 晶面间距
1. 晶面间距：相邻两平行晶面间的距离。
2. 计算公式
对于各晶系的简单点阵，晶面间距与晶面指数 (hkl) 和点阵常数(a,b,c)之间有如下
关系：
立方晶系：
dhk la/h ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2k2l2]1/2
四方晶系：
d h k1 l/h [2 (k 2 )/a 2 ( l/c )2 ] 1 /2
二.材料性能与内部结构的关系
材料的不同性能都是由其内部结构决定的。从材料的内部结构来看，可分为四个 层次：原子结构、结合键、原子的排列方式（晶体和非晶体）以及显微组织。
材料科学基础课件(山大)..
材料科学基础主讲教师：吕宇鹏2002－2003学年第一学期绪论1 课程性质：技术基础课。
2 学习材料科学的重要性（1）材料科学研究材料的成分、组织结构、加工工艺与性能之间关系的科学。
（四要素关系如2）材料科学在社会与社会发展中的地位①社会需求是材料发展的巨大动力信息与材料：信息获取（传感器：化合物）－信息传递（光纤：无机、有机材料）－信息贮存（金属与合金）－信息显示（用于液晶显示的非晶硅、有机液晶材料）－信息处理（处理器芯片硅－锗）。
②能源与材料：贮氢材料（钛锰及稀土类合金）、太阳能电池材料（硅、合金、化合物）、核能用材料（锆合金等）。
③航空航天材料：发动机（高温合金，金属基复合材料，陶瓷与陶瓷基复合材料）、汽轮机部件（纤维增强金属基复合材料、陶瓷基复合材料）、火箭喷嘴（难熔金属）等。
④人与材料：金属、无机、高分子及其复合材料。
（3）材料的四大家族①金属材料：综合性能等。
②陶瓷材料：高温、稳定性能等。
③高分子材料；耐腐蚀等特殊性能。
④复合材料：1＋1大于2。
3 内容安排（1）内容核心：材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间的关系及其在各种条件下的变化规律。
（2）内容结构材料学原理（1－8章）―相变原理（9章）―工程与功能材料学（10－11章）（3）学时安排总学时：114 （周一3，4；周三1，2；周五1，2）实验：124 学习方法提纲挈领、记好笔记、及时复习。
5 教材与参考书教材刘智恩.材料科学基础.西北工业大学出版社.2000年8月第一版参考书石德柯.材料科学基础.机械工业出版社.1999年5月第一版赵品.材料科学基础教程.哈尔滨工业大学出版社.2002年三月第二版殷景华.功能材料概率.哈尔滨工业大学出版社.1999年8月第一版预习名词：金属键、晶体、空间点阵、晶体结构、晶胞第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式1 原子结构2 原子结合键（1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
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• 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;
– 相律: f = C – P + 1
出现的晶胚数量越多,晶胚尺寸也越大.
• 结构起伏是产生晶核的基础,是结晶的必要条件 之二.
2020/10/24
第三章 凝固
14
§3.2金属结晶的基本条件
金属结晶的能量条件
能量起伏：
• 能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量 水平而高低不一的现象;
• 能量起伏也是结晶的必要条件之一; • 原因: 形成临界晶核时,体积自由能的降低只能补
之一: 热力学条件— GB 0
之二: 结构条件— 结构起伏 之三: 能量条件— 能量起伏
过冷度 TT0Tn0
2020/10/24
第三章 凝固
9
等温等压条件下,物质 系统总是自发地从自
§3.2金属结晶的基本条由件能能低高的的状状态态转向变自.由
金属结晶的热力学条件
–热力学第二定律— 转变的热力学判据: G 0
• 与固态相比,原子间 距稍大,配位数略小 (见表3-1),原子排 列较混乱.
2020/10/24
第三章 凝固
无序结构模型示意图
12
§3.2金属结晶的基本条件
• 一般结构模型都是 表示静态的结构， 实际液体中的原子 是在不停地热运动， 无论是近程有序或 无序的区域，都在 不停的变换着，液 体中这些不断变换 着的近程有序原子 集团与那些无序原 子形成动态平衡。
–自由能-温度曲线
dG dT
p
S
★
▪ T=Tm:两相共存; ▪ T>Tm:固态熔化为液态; ▪ T>Tm:液态凝固为固态.
2020/10/24
第三章 凝固
液、固态金属自由 能—温度曲线
10
§3.2金属结晶的基本条件
– G B 是结晶形核的驱动力
GB
Lm Tm
T
T>0, G<0 —过冷是结晶的必要条件之一;
2020/10/24
第三章 凝固
13
§3.2金属结晶的基本条件
结构起伏:
• 结构起伏:液态材料中出现的短程有序原子集团 的时隐时现的现象.
• 一定温度下不同尺寸的短程有序原子集团出现的 几率呈正态分布,过小不能稳定存在,只有超过一 定尺寸才有可能成为晶核.
• 晶胚:过冷液体中尺寸较大的短程规则排列结构. • 晶胚的稳定存在与过冷度有关,过冷度越大,实际
际开始温度之差,即:T=T0 –Tn
– 过冷度是金属结晶的必要条件,即结晶总是 在一定的过冷条件下进行的;
– 过冷度越大,开始结晶的温度越低;
– 金属越纯,过冷度越大;冷却速度越大,过冷 度越大.
– 过冷度对金属形核长大及性能有重要影响.
2020/10/24
第三章 凝固
8
§3.2金属结晶的基本条件
• 形核有孕育期; • 已有晶核不断长大,新晶核不断形成; • 晶核相遇后停止长大,所有液态金属消耗完后结
晶完成,得多晶粒组织,晶粒位向各不相同.
2020/10/24
第三章 凝固
4
§3.1金属结晶的基本规律
2020/10/24
第三章 凝固
5
§3.1金属结晶的基本规律
金属结晶的宏观现象
1. 冷却曲线
界面处优先形成的过程,又
称非自发形核或异质形核.
2020/10/24
第三章 凝固
16
§3.3 晶核的形成
均匀形核
2020/10/24
第三章 凝固
17
§3.3 晶核的形成
非均匀形核
2020/10/24
第三章 凝固
18
§3.3 晶核的形成—均匀形核
晶胚形成时的能量变化
形成晶胚时原子不同占位带来的能量变化:
凝固是相变过程，可为其它相变研究提供基础。
2020/10/24
第三章 凝固
2
第三章 凝固—前言
主要内容：1. 凝ຫໍສະໝຸດ 规律过冷现象凝固条件
形核
基本过程
长大
2. 凝固理论的应用
2020/10/24
第三章 凝固
均匀形核
非均匀形核 长大方式和形态
长大速率
3
§3.1金属结晶的基本规律
金属结晶的微观现象
金属结晶过程: 形核—长大过程。
T越大, G的绝对值越大—过冷度越大,越有利
于结晶;
G的绝对值是凝固过程的驱动力—两相的自由能
差值是相转变的驱动力.
2020/10/24
第三章 凝固
11
§3.2金属结晶的基本条件
金属结晶的结构条件
液态金属的结构
• 微晶无序模型: 长 程无序,短程有序;
• 拓朴无序模型: 基 本单元(近程有序) 随机堆垛而成;
材料科学基础
20010.9
第三章 凝固—前言
凝固：物质从液态到固态的过程称为凝固。 结晶：得到的固态物质为晶体的凝固过程。 学习目的：
一般金属材料均需经过冶炼和铸造，因外界条件 的差异，凝固所获得铸件的内部组织会有所不同， 将影响其工艺性能、使用性能和寿命；
了解金属的凝固过程，掌握其有关规律，对控制 铸件质量，提高制品的性能等都有重要意义；
§3.3 晶核的形成—均匀形核
自由能变化与晶胚半径的关系:
设晶胚为球形,半径为r, 表面积为S,体积为V,则:
GG VG S
若GB为单位体积自由能差;
• 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.
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第三章 凝固
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§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
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热分析装 置示意图
第三章 凝固
纯金属的冷却曲线
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§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;
– 相律: f = C – P + 1
出现的晶胚数量越多,晶胚尺寸也越大.
• 结构起伏是产生晶核的基础,是结晶的必要条件 之二.
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第三章 凝固
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§3.2金属结晶的基本条件
金属结晶的能量条件
能量起伏：
• 能量起伏：系统中微小区域的能量偏离平均能量 水平而高低不一的现象;
• 能量起伏也是结晶的必要条件之一; • 原因: 形成临界晶核时,体积自由能的降低只能补
之一: 热力学条件— GB 0
之二: 结构条件— 结构起伏 之三: 能量条件— 能量起伏
过冷度 TT0Tn0
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第三章 凝固
9
等温等压条件下,物质 系统总是自发地从自
§3.2金属结晶的基本条由件能能低高的的状状态态转向变自.由
金属结晶的热力学条件
–热力学第二定律— 转变的热力学判据: G 0
• 与固态相比,原子间 距稍大,配位数略小 (见表3-1),原子排 列较混乱.
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第三章 凝固
无序结构模型示意图
12
§3.2金属结晶的基本条件
• 一般结构模型都是 表示静态的结构， 实际液体中的原子 是在不停地热运动， 无论是近程有序或 无序的区域，都在 不停的变换着，液 体中这些不断变换 着的近程有序原子 集团与那些无序原 子形成动态平衡。
–自由能-温度曲线
dG dT
p
S
★
▪ T=Tm:两相共存; ▪ T>Tm:固态熔化为液态; ▪ T>Tm:液态凝固为固态.
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第三章 凝固
液、固态金属自由 能—温度曲线
10
§3.2金属结晶的基本条件
– G B 是结晶形核的驱动力
GB
Lm Tm
T
T>0, G<0 —过冷是结晶的必要条件之一;
2020/10/24
第三章 凝固
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§3.2金属结晶的基本条件
结构起伏:
• 结构起伏:液态材料中出现的短程有序原子集团 的时隐时现的现象.
• 一定温度下不同尺寸的短程有序原子集团出现的 几率呈正态分布,过小不能稳定存在,只有超过一 定尺寸才有可能成为晶核.
• 晶胚:过冷液体中尺寸较大的短程规则排列结构. • 晶胚的稳定存在与过冷度有关,过冷度越大,实际
际开始温度之差,即:T=T0 –Tn
– 过冷度是金属结晶的必要条件,即结晶总是 在一定的过冷条件下进行的;
– 过冷度越大,开始结晶的温度越低;
– 金属越纯,过冷度越大;冷却速度越大,过冷 度越大.
– 过冷度对金属形核长大及性能有重要影响.
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第三章 凝固
8
§3.2金属结晶的基本条件
• 形核有孕育期; • 已有晶核不断长大,新晶核不断形成; • 晶核相遇后停止长大,所有液态金属消耗完后结
晶完成,得多晶粒组织,晶粒位向各不相同.
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第三章 凝固
4
§3.1金属结晶的基本规律
2020/10/24
第三章 凝固
5
§3.1金属结晶的基本规律
金属结晶的宏观现象
1. 冷却曲线
界面处优先形成的过程,又
称非自发形核或异质形核.
2020/10/24
第三章 凝固
16
§3.3 晶核的形成
均匀形核
2020/10/24
第三章 凝固
17
§3.3 晶核的形成
非均匀形核
2020/10/24
第三章 凝固
18
§3.3 晶核的形成—均匀形核
晶胚形成时的能量变化
形成晶胚时原子不同占位带来的能量变化:
凝固是相变过程，可为其它相变研究提供基础。
2020/10/24
第三章 凝固
2
第三章 凝固—前言
主要内容：1. 凝ຫໍສະໝຸດ 规律过冷现象凝固条件
形核
基本过程
长大
2. 凝固理论的应用
2020/10/24
第三章 凝固
均匀形核
非均匀形核 长大方式和形态
长大速率
3
§3.1金属结晶的基本规律
金属结晶的微观现象
金属结晶过程: 形核—长大过程。
T越大, G的绝对值越大—过冷度越大,越有利
于结晶;
G的绝对值是凝固过程的驱动力—两相的自由能
差值是相转变的驱动力.
2020/10/24
第三章 凝固
11
§3.2金属结晶的基本条件
金属结晶的结构条件
液态金属的结构
• 微晶无序模型: 长 程无序,短程有序;
• 拓朴无序模型: 基 本单元(近程有序) 随机堆垛而成;
材料科学基础
20010.9
第三章 凝固—前言
凝固：物质从液态到固态的过程称为凝固。 结晶：得到的固态物质为晶体的凝固过程。 学习目的：
一般金属材料均需经过冶炼和铸造，因外界条件 的差异，凝固所获得铸件的内部组织会有所不同， 将影响其工艺性能、使用性能和寿命；
了解金属的凝固过程，掌握其有关规律，对控制 铸件质量，提高制品的性能等都有重要意义；
§3.3 晶核的形成—均匀形核
自由能变化与晶胚半径的关系:
设晶胚为球形,半径为r, 表面积为S,体积为V,则:
GG VG S
若GB为单位体积自由能差;