《材料学基础I》PPT课件 (2)
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性能/性质
成分/结构 MSE的四个组成要素
表1.1 各电子壳层及亚壳层的电子状态
主量子数 壳层序号
次量子数 亚壳层状态
量子数规定 的状态数目
考虑自旋量子数后 的状态数目
壳层 总电子数
1
1s
1
2
2s 2p
1 3
3s
1
3
3p
3
3d
5
4s
1
4
4p 4d
3 5
4f
7
2
2（＝2×12）
2
8（＝2×22）
6
2
配位数: 致密度:
Z＝12
Kn4r3 /V
3
6(4/3a)3(1/2a)3 0.74＝74%
轴比：c/a 1.633
图2-7 两个简单六方晶格穿 插在一起构成密排六方晶格
密排六方晶格，hcp （hexagonal close-packed）
第四章 金属的结晶与元相图
凝固：物质从液态转变为固态的过程。 结晶：物质从液态转变为晶体（固态）的过程。
6
18（＝2×32）
10
2
6 10
32（＝2×42）
14
f
d
p
f
d
s
f
d
p s
能
d
p
s
p
量
d
s
p
s p
s s
1
2
3
4
5
6
7
主量子数n
图1.1 电子能量水平随主量子数和次量子数的变化情况
3s
2N电子
2p
6N电子Leabharlann 2s 1s1原子2原子
材料科学基础I 第二章 (固体材料的结构)
3.电负性因素 电负性因素
溶剂、溶质原子的电负性相差越大，化学亲和力越大， 溶剂、溶质原子的电负性相差越大，化学亲和力越大， 溶解度越小。因为容易形成化合物。 溶解度越小。因为容易形成化合物。
4.电子浓度因素 电子浓度因素
电子浓度——合金中价电子数与原子数之比。 合金中价电子数与原子数之比。 电子浓度 合金中价电子数与原子数之比
1重量质量百分数ab二元合金为例100babwbmmmcmb元素b的重量质量ma元素a的重量质量2原子mol百分数100bababnnncnb元素b的原子数na元素a的原子数m合金中某元素的质量gm某元素的原子mol质量量gna阿伏加得罗常数6021023anmmn?3互换关系jnijwjiwiaimcmccjnajjaiiwicmcmc1caii元素的原子分数cwii元素的质量分数mii元素的mol质量g固溶体合金中的相分为
C wB =
B
m A + mB
× 100%
mB——元素 的重量 质量 元素B的重量 质量) 元素 的重量(质量 mA——元素 的重量 质量 元素A的重量 质量) 元素 的重量(质量
(2)原子 原子(mol)百分数 原子 百分数
nB C aB = × 100% n A + nB
nB——元素 的原子数 元素B的原子数 元素 nA——元素 的原子数 元素A的原子数 元素 m——合金中某元素的质量 合金中某元素的质量(g) 合金中某元素的质量 M——某元素的原子 某元素的原子(mol质量 量(g) 质量)量 某元素的原子 质量 NA——阿伏加得罗常数 阿伏加得罗常数6.02×1023 阿伏加得罗常数 × (3)互换关系 互换关系
固溶体
金属晶体(溶剂 中溶入了其它元素 溶质)后 就称为固溶体。 金属晶体 溶剂)中溶入了其它元素 溶质 后，就称为固溶体。 溶剂 中溶入了其它元素(溶质
材料学基础ppt课件
根据用途不同，特种玻璃分为防辐射玻璃、激光
玻璃、生物玻璃、多孔玻璃、非线性光学玻璃和光纤玻
璃等。
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30
传统的无机非金属材料 之三：水泥
水泥是指加入适量水 后可成塑性浆体，既能在 空气中硬化又能在水中硬 化，并能够将砂、石等材 料牢固地胶结在一起的细 粉状水硬性材料。
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31
水泥的种类很多，按其用途和性能可分为： 通用水泥、专用水泥和特性水泥三大类；按其所 含的主要水硬性矿物，水泥又可分为硅酸盐水泥、 铝酸盐水泥、硫铝酸盐水泥、氟铝酸盐水泥以及 以工业废渣和地方材料为主要组分的水泥。目前 水泥品种已达一百多种。
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32
• 通用水泥为大量土木工程所使用的一般用途的水 泥，如硅酸盐水泥、普通硅酸盐水泥、矿渣硅酸 盐水泥、火山灰质硅酸盐水泥、粉煤灰硅酸盐水 泥和复合硅酸盐水泥等。
• 专用水泥指有专门用途的水泥，如油井水泥、砌 筑水泥等。
• 特性水泥则是某种性能比较突出的一类水泥，如
快硬硅酸盐水泥、抗硫酸盐硅酸盐水泥、中热硅
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18
2. 无机非金属材料
无机非金属材料是由硅酸盐、铝酸盐、硼酸盐、
磷酸盐、锗酸盐等原料和（或）氧化物、氮化物、碳
化物、硼化物、硫化物、硅化物、卤化物等原料经一
定的工艺制备而成的材料。是除金属材料、高分子材
料以外所有材料的总称。它与广义的陶瓷材料有等同
的含义。无机非金属材料种类繁多，用途各异，目前
《材料学基础》
主讲： 叶原丰
金陵科技学院材料工程学院
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1
材料引言
• 什么是材料? • 1.1 材料分类 • 1.2 组成-结构-性质-工艺过程之间的关系
• 1.3材料的选择
材料科学基础 (上海交通大学)PPT课件
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31
b.间隙化合物 间隙化合物的晶体结构比较复杂。其表 达式有如下类型：M3C、M7C3、M23C6、M6C。 间隙化合物中金属元素M常被其它金属元素所代替 形成化合物为基的固溶体（二次固溶体）。
在H、N、C、B等非金属元素中,由于H和N的原 子半径很小,与所有过渡族金属都满足rx/rm<0.59, 所以过渡族金属的氢化物、氮化物都为间隙相；而 硼原子半径rB/rm>0.59较大, rB/rm>0.59，硼化 物均为间隙化合物；而碳原子半径处于中间,某些碳 素):
C电子=[A(100－x) ＋Bx]/100 C越大，越易形成化合物； C越小，越易形成固溶体
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6
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7
合金与相
相的分类
固溶体：以某一组元为溶剂，在其晶体点阵中溶入其他组元原子所形成的均 匀混合的固态溶体，它的晶体结构与其溶剂相同。
中间相（金属化合物）：组成原子有固定比例，其结构与组成组元均不相同 的相，且这种相成分处于AB互溶的溶解度之间，即落在相图的中间部位。
特点： ①由配位数为12、14、15、16的配位多面体堆垛而
成； ②呈层状结构。 类型：①Lavs相
②σ相
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33
Lavs相
形成的条件：
（1）原子尺寸因素。A原子半径略大于B原子，其 理论值为rA/rB=1.255，而实际比值约在 1.05～1.68之间；
（2）电子浓度。一定的结构类型对应着一定的电 子浓度。 Lavs相形晶体结构有三种类型。典型 代表为MgCu2、MgZn2、MgNi2,与电子浓 度对应关系见表2.12（P52）
A sse sse d A g -M g p h a se d i a g r a m . T h e tw o -p h a se r e g io n b e tw e e n (A g ) a n d A g M g (o r d e r e d ) is n o t
材料科学基础I__第九章-2__(回复与再结晶)教学文稿
高温回复 (>0.5)Tm 高温回复的主要机制为多边化。 由于同号刃位错的塞积而导致晶体点阵弯曲，在退火过程中
通过刃型位错的攀移和滑移，使同号刃型位错沿垂直于滑移面 的方向排列成小角度的亚晶界。此过程称为多边（形）化。
多晶体金属塑性变形时， 滑移通常是在许多互相交 截的滑移面上进行，产生 由缠结位错构成的胞状组 织。因此，多边化后不仅 所形成的亚晶粒小得多， 而且许多亚晶界是由位错 网组成的。
右图： a) 缠结位错 b) 位错线伸直 c) 位错网络 d)Hale Waihona Puke 大的稳定网络三、回复退火的应用
回复退火主要用作去除残余应力，使冷变形的金属件在基本 保持应变硬化状态的条件下，降低其内应力，以免变形或开裂， 并改善工件的耐蚀性。
例如，冷拉钢丝卷制弹簧，在卷成弹簧后要在250~300进行退 火，以降低内应力并使其定型。
1、金相法 以显微镜观察到第一个新晶粒或晶界因凸出形核而出现锯齿状
边缘的退火温度定为再结晶温度。适用于变形量<10~15%的金 属与合金。 2、硬度法
以硬度开始显著降低的温度定为再结晶温度。有时也采用软化 50%的退火温度定为再结晶温度。 3、完全再结晶法
工业生产中常采用经过大变形量(>70%)的冷变形金属，经过1 小时完全再结晶退火的最低温度定为再结晶温度。
可见，再结晶温度是靠实验测出来的。
对于纯金属的再结晶温度，可用经验公式计算： Tr=(0.35~0.4)Tm
公式使用条件：工业纯金属，大变形量，退火时间0.5~1小时。
五、影响再结晶的因素
1、温度
加热温度越高，再结晶速度越快，产生一定体积分数的再结 晶组织需要的时间越短。
2、变形程度
变形程度越大，储能越多， 再结晶驱动力越大，因此变形 程度越大，再结晶速度越快。
通过刃型位错的攀移和滑移，使同号刃型位错沿垂直于滑移面 的方向排列成小角度的亚晶界。此过程称为多边（形）化。
多晶体金属塑性变形时， 滑移通常是在许多互相交 截的滑移面上进行，产生 由缠结位错构成的胞状组 织。因此，多边化后不仅 所形成的亚晶粒小得多， 而且许多亚晶界是由位错 网组成的。
右图： a) 缠结位错 b) 位错线伸直 c) 位错网络 d)Hale Waihona Puke 大的稳定网络三、回复退火的应用
回复退火主要用作去除残余应力，使冷变形的金属件在基本 保持应变硬化状态的条件下，降低其内应力，以免变形或开裂， 并改善工件的耐蚀性。
例如，冷拉钢丝卷制弹簧，在卷成弹簧后要在250~300进行退 火，以降低内应力并使其定型。
1、金相法 以显微镜观察到第一个新晶粒或晶界因凸出形核而出现锯齿状
边缘的退火温度定为再结晶温度。适用于变形量<10~15%的金 属与合金。 2、硬度法
以硬度开始显著降低的温度定为再结晶温度。有时也采用软化 50%的退火温度定为再结晶温度。 3、完全再结晶法
工业生产中常采用经过大变形量(>70%)的冷变形金属，经过1 小时完全再结晶退火的最低温度定为再结晶温度。
可见，再结晶温度是靠实验测出来的。
对于纯金属的再结晶温度，可用经验公式计算： Tr=(0.35~0.4)Tm
公式使用条件：工业纯金属，大变形量，退火时间0.5~1小时。
五、影响再结晶的因素
1、温度
加热温度越高，再结晶速度越快，产生一定体积分数的再结 晶组织需要的时间越短。
2、变形程度
变形程度越大，储能越多， 再结晶驱动力越大，因此变形 程度越大，再结晶速度越快。
材料科学基础I 第一章(晶体学基础)
立方正方斜方cba???90??????cba??????90???cba??????90???菱方六方单斜三斜cba??????90???cba?????90????120?cba?????????90cba??????90???7大晶系包含14种空间点阵布拉布拉菲abravais点阵3
第一章 晶体学基础
1、晶面指数 、
方法和步骤与三指数时相同， 方法和步骤与三指数时相同， 只是要找出晶面 在四个坐标 轴上的截距。 轴上的截距。 例如： 例如： a3 o a1 a2
(1010) (0110) (1100)
(1010)
2、晶向指数： 、晶向指数：
四坐标晶向指数的确定方法有行走法和解析法。 四坐标晶向指数的确定方法有行走法和解析法。由于行走法 确定的晶向指数不是唯一的，所以这里仅介绍解析法 解析法。 确定的晶向指数不是唯一的，所以这里仅介绍解析法。 步骤： 步骤： 1)求出待定晶向在 1,a2,c三个坐标轴下的指数：U, V, W 求出待定晶向在a 三个坐标轴下的指数： 求出待定晶向在 三个坐标轴下的指数 2)按以下公式算出在四坐标轴下的指数：u, v, t, w 按以下公式算出在四坐标轴下的指数： 按以下公式算出在四坐标轴下的指数
多数金属和非金属材料都是晶体。因此， 多数金属和非金属材料都是晶体。因此，首先 要掌握晶体的特征及其描述方法。 要掌握晶体的特征及其描述方法。 晶体——组成晶体的质点在三维空间作周期性地、 组成晶体的质点在三维空间作周期性地、 晶体 组成晶体的质点在三维空间作周期性地 规则地排列。 规则地排列。 晶体的特点： 晶体的特点： 质点排列具有规则性、 质点排列具有规则性、周期性 有固定熔点（结晶温度） 非晶体没有固定的熔点 非晶体没有固定的熔点] 有固定熔点（结晶温度）[非晶体没有固定的熔点 各向异性（包含多种性能） 各向异性（包含多种性能）
第一章 晶体学基础
1、晶面指数 、
方法和步骤与三指数时相同， 方法和步骤与三指数时相同， 只是要找出晶面 在四个坐标 轴上的截距。 轴上的截距。 例如： 例如： a3 o a1 a2
(1010) (0110) (1100)
(1010)
2、晶向指数： 、晶向指数：
四坐标晶向指数的确定方法有行走法和解析法。 四坐标晶向指数的确定方法有行走法和解析法。由于行走法 确定的晶向指数不是唯一的，所以这里仅介绍解析法 解析法。 确定的晶向指数不是唯一的，所以这里仅介绍解析法。 步骤： 步骤： 1)求出待定晶向在 1,a2,c三个坐标轴下的指数：U, V, W 求出待定晶向在a 三个坐标轴下的指数： 求出待定晶向在 三个坐标轴下的指数 2)按以下公式算出在四坐标轴下的指数：u, v, t, w 按以下公式算出在四坐标轴下的指数： 按以下公式算出在四坐标轴下的指数
多数金属和非金属材料都是晶体。因此， 多数金属和非金属材料都是晶体。因此，首先 要掌握晶体的特征及其描述方法。 要掌握晶体的特征及其描述方法。 晶体——组成晶体的质点在三维空间作周期性地、 组成晶体的质点在三维空间作周期性地、 晶体 组成晶体的质点在三维空间作周期性地 规则地排列。 规则地排列。 晶体的特点： 晶体的特点： 质点排列具有规则性、 质点排列具有规则性、周期性 有固定熔点（结晶温度） 非晶体没有固定的熔点 非晶体没有固定的熔点] 有固定熔点（结晶温度）[非晶体没有固定的熔点 各向异性（包含多种性能） 各向异性（包含多种性能）
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I 7-2 线缺陷——位错的基本概念
五、位错密度
晶体中位错的量（多少）通常用位错密度来表示：
S (cm/ cm3)
V
V——晶体的体积，cm3 S——该晶体中位错线的总长度，cm
为了简便，把位错线当成直线，而且是平行地从晶体的一面 到另一面，这样上式可变为：
n l n 1/ cm2 lA A
n——面积A中见到的位错数目，个、条 l ——每根位错线长度，近似为晶体厚度。
3、左、右旋螺型位错的规定
左旋螺型位错：符合左手定则(上图) 右旋螺型位错：符合右手定则(下图)
三、柏氏矢量(Burgers vector) 1、柏氏矢量b的确定方法
2、柏氏矢量b的物理意义
柏氏矢量b是描述位错实质的重要物理量。它反映了柏氏回 路包含位错所引起点阵畸变的总积累，通常将柏氏矢量称为位 错强度。位错的许多性质，如位错的能量、应力场、位错反应 等均与其有关。它也表示出晶体滑移的大小和方向。
滑移面——位错线l与柏氏矢量b构成的平面(l ×b)。
滑移方向v、位错线l 、柏氏矢量b之间的关系： 滑移方向与柏氏矢量方向相同，与位错线垂直：v // b ⊥ l
2、攀移
只有刃型位错才能发生攀移运动，即位错在垂直于滑移面 的方向上运动。其实质是构成刃型位错的多余半原子面的扩 大或缩小，它是通过物质迁移即原子或空位的扩散来实现的。 通常把半原子面向上运动称为正攀移，向下运动称为负攀移。
分界面， l×v所指向的那部分晶体必沿着b方向运动。
这个规则对刃型位错、螺形位错、混合型位错的任何运动
（滑移、攀移）都适用。
l
v
二、螺型位错的运动
螺型位错只能滑移，不能攀移。
动画
螺型位错的运动方向v与位错线l、柏氏矢量b垂直： v⊥ l // b
材料科学基础——纯金属的凝固
度 温 Tm Ts
无限缓慢
时间
整理课件
2 晶体凝固的热力学条件
GHTS
dG S dT
SL SS
液体和晶体自由能随温度变化
G H TS dG S dT SL SS
ΔT
T1 T0
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GL=GS时，Tm称平衡熔点。
单位体积自由能的变化ΔGv与过冷度ΔT的关系：
G VG LG SH LTLS (H STSS ) H LH ST(SLSS) HT S
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2.1.2 结晶的条件
1. 结晶的过冷现象
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a. 过冷现象(undercooling)
实际结晶温度
低于理论结晶温度 度温
的现象。
Tm
ΔT
ΔT=Tm-Ts
无限缓慢
称：
Ts
ΔT为过冷度
时间
金属纯度↑ΔT↑，冷却速度↑ΔT↑
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b. 结晶潜热
1mol物质从一个相转变为另一个相时，伴 随着放出或吸收的热量称为相变潜热。
整理课件
r 2 2 T '
L
L m
k G LT
V
m
163
G
L
3(G) 非均匀
2
G均匀 23co4sco3s
rk' rk
G
' k
Gk
整理课件
整理课件
b. 非均匀形核的形核率
G非 * G均 * ，较小的过冷度下可获得较高的 形核率，但非均匀形核的最大形核率小于最大 的均匀形核率
核均
核非
匀
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2.2 晶核形成规律
晶核的形成分为均匀形核和非均匀形核。 ✓ 形核率(nucleation ratio):单位时间内,单位
材料科学基础 ppt课件
当这对矛盾达到统一时，系统就达到平衡。 因为系统都具有最小自由能的倾向，由此确定的 点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。
（5）结合键与性能
材料结合键的类型及键能大小对某些性能 有重要影响，主要表现在以下两个方面：
1.物理性能： （1）熔点的高低代表了材料稳定性的程度。物 质加热时，当热振动能足以破坏相邻原子间的稳 定结合时，便会发生熔化，所以熔点与键能值有 较好的对应关系：共价键、离子键化合物的熔点 较高，其中纯共价键金刚石具有最高熔点，金属 的熔点相对较低，但过渡族金属有较高的熔点， 特别是难熔金属W、Mo、Ta等熔点都很高。而具 有二次键结合的材料的熔点一般很低，如聚合物
2.根据排列次序建立了元素周期表，各个周 期中的元素的性质呈现相同的周期变化规 律，元素在周期表上的位置不仅决定了单 个原子的行为，也决定了材料中原子的结 合方式以及材料的化学性能和物理性能。
第二节 原子结合键
一.原子结合键 1.存在状态：凝聚态（液态和固态） 分类 2.一次键：结合力较强，包括离子键、共 价键和金属键。 3.二次键：结合力较弱，包括范德瓦耳斯 键和氢键。
二. 一次键
1.离子键
（1）通过电子转移形成稳定结构，存在于大 多数盐类、碱类和金属氧化物，如NaCI、MgO 、CuO、Mg2Si、CrO2。
（2） 基本特点是以离子为基本结合单位。
(3）一般离子晶体中正负离子静电引力较强 ，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。 另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电 子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当
电子云
原子核
电子云
原子核 a）理论电子云的分布
b）原子偶极矩的产生
4.氢键
氢键是一种特殊的分子间作用力，本质上与
范德瓦耳斯键一样，它是由氢原子同时与两个电
（5）结合键与性能
材料结合键的类型及键能大小对某些性能 有重要影响，主要表现在以下两个方面：
1.物理性能： （1）熔点的高低代表了材料稳定性的程度。物 质加热时，当热振动能足以破坏相邻原子间的稳 定结合时，便会发生熔化，所以熔点与键能值有 较好的对应关系：共价键、离子键化合物的熔点 较高，其中纯共价键金刚石具有最高熔点，金属 的熔点相对较低，但过渡族金属有较高的熔点， 特别是难熔金属W、Mo、Ta等熔点都很高。而具 有二次键结合的材料的熔点一般很低，如聚合物
2.根据排列次序建立了元素周期表，各个周 期中的元素的性质呈现相同的周期变化规 律，元素在周期表上的位置不仅决定了单 个原子的行为，也决定了材料中原子的结 合方式以及材料的化学性能和物理性能。
第二节 原子结合键
一.原子结合键 1.存在状态：凝聚态（液态和固态） 分类 2.一次键：结合力较强，包括离子键、共 价键和金属键。 3.二次键：结合力较弱，包括范德瓦耳斯 键和氢键。
二. 一次键
1.离子键
（1）通过电子转移形成稳定结构，存在于大 多数盐类、碱类和金属氧化物，如NaCI、MgO 、CuO、Mg2Si、CrO2。
（2） 基本特点是以离子为基本结合单位。
(3）一般离子晶体中正负离子静电引力较强 ，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。 另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电 子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当
电子云
原子核
电子云
原子核 a）理论电子云的分布
b）原子偶极矩的产生
4.氢键
氢键是一种特殊的分子间作用力，本质上与
范德瓦耳斯键一样，它是由氢原子同时与两个电
《材料科学基础》课件第1章 材料的结构
◆ 晶体与非晶体区别：
(a)是否具有周期性、对称性； (b)是否有确定的熔点； (c)是否各向异性； 单晶体的各向异性
25
1.2 晶体学基础 1.2.2 空间点阵和晶胞
为了便于分析研究晶体中原子或分子的排 列情况，可把它们抽象为规则排列于空间的无 数个几何点，这些点子可以是原子或分子的中 心，也可以是彼此等同的原子群或分子群的中 心，但各个点子的周围环境必须相同，这种点 的空间排列称为空间点阵。
3. 晶胞
空间点阵
27
晶胞
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
28
1.2 晶体学基础
◆选取晶胞的原则：
1.2.2 空间点阵和晶胞
① 应反映出点阵的高度对称性； ② 棱和角相等的数目最多； ③ 棱边夹角为直角时，直角数目最多； ④ 晶胞体积最小。
29
1.2 晶体学基础 4. 晶格（点阵）参数
1.2.2 空间点阵和晶胞
⑷ 简单正交
⑸ 底心正交
⑹ 体心正交
34
⑺ 面心正交
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
（四）四方 a=b≠c =β=γ=90°
⑻ 简单四方
⑼ 体心四方
（五）菱方 a=b=c =β=γ≠90°
⑽ 简单菱方
35
1.2 晶体学基础 （六 ）六方 a=b≠c =β=90°，γ=120°
共价键 相邻原子价电子各处于 相反的自旋状态，原子 核间的库仑引力 离子键 原子得、失电子后形成 负、正离子，正负离子 间的库仑引力 金属键 自由电子气与正离子实 之间的库仑引力 分子键 原子间瞬时电偶极矩的 感应作用
18
强
较强
最弱
1.1 材料的结合方式 1.1.2工程材料的键性 实际上使用的工程材料，有的是单纯的一种键，更多
(a)是否具有周期性、对称性； (b)是否有确定的熔点； (c)是否各向异性； 单晶体的各向异性
25
1.2 晶体学基础 1.2.2 空间点阵和晶胞
为了便于分析研究晶体中原子或分子的排 列情况，可把它们抽象为规则排列于空间的无 数个几何点，这些点子可以是原子或分子的中 心，也可以是彼此等同的原子群或分子群的中 心，但各个点子的周围环境必须相同，这种点 的空间排列称为空间点阵。
3. 晶胞
空间点阵
27
晶胞
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
28
1.2 晶体学基础
◆选取晶胞的原则：
1.2.2 空间点阵和晶胞
① 应反映出点阵的高度对称性； ② 棱和角相等的数目最多； ③ 棱边夹角为直角时，直角数目最多； ④ 晶胞体积最小。
29
1.2 晶体学基础 4. 晶格（点阵）参数
1.2.2 空间点阵和晶胞
⑷ 简单正交
⑸ 底心正交
⑹ 体心正交
34
⑺ 面心正交
1.2 晶体学基础
1.2.2 空间点阵和晶胞
（四）四方 a=b≠c =β=γ=90°
⑻ 简单四方
⑼ 体心四方
（五）菱方 a=b=c =β=γ≠90°
⑽ 简单菱方
35
1.2 晶体学基础 （六 ）六方 a=b≠c =β=90°，γ=120°
共价键 相邻原子价电子各处于 相反的自旋状态，原子 核间的库仑引力 离子键 原子得、失电子后形成 负、正离子，正负离子 间的库仑引力 金属键 自由电子气与正离子实 之间的库仑引力 分子键 原子间瞬时电偶极矩的 感应作用
18
强
较强
最弱
1.1 材料的结合方式 1.1.2工程材料的键性 实际上使用的工程材料，有的是单纯的一种键，更多
《材料科学基础》培训讲座PPT(35张)
在飞机发动机中一 种掺镍化合物制成称作 718合金被广泛的用于制 造波音777客机上的发动 机的压缩机、叶片及紧 固件。
• 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。
• 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。
材料科学基础I 第九章-2 (回复与再结晶)
3、凸出形核 、
当冷变形量较 小时， 小时，再结晶在 原晶界处形核。 原晶界处形核。
对于多晶体，不同晶粒的变形 对于多晶体， 程度不同，变形大的位错密度高， 程度不同，变形大的位错密度高， 畸变能高；变形小的位错密度低， 畸变能高；变形小的位错密度低， 畸变能低。 畸变能低。低畸变区向高畸变区 伸展，以降低总的畸变能。 伸展，以降低总的畸变能。
中温回复
(0.3~0.5)Tm
此阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消， 此阶段由于位错运动会导致异号位错合并而相互抵消，位错 密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。 密度有所降低，但降幅不大。所以力学性能只有很少恢复。 高温回复 (>0.5)Tm
高温回复的主要机制为多边化。 高温回复的主要机制为多边化。 多边化 由于同号刃位错的塞积而导致晶体点阵弯曲， 由于同号刃位错的塞积而导致晶体点阵弯曲，在退火过程中 通过刃型位错的攀移和滑移， 通过刃型位错的攀移和滑移，使同号刃型位错沿垂直于滑移面 的方向排列成小角度的亚晶界。此过程称为多边 多边（ 的方向排列成小角度的亚晶界。此过程称为多边（形）化。
二、再结晶的形核
由于再结晶形核的区域不同，形核方式有：亚晶粒合并形核， 由于再结晶形核的区域不同，形核方式有：亚晶粒合并形核， 亚晶粒长大形核，凸出形核。 亚晶粒长大形核，凸出形核。
1、亚晶粒合并形核 、
相邻两亚晶粒之间的晶界是由位错构成的。在再结晶温度， 相邻两亚晶粒之间的晶界是由位错构成的。在再结晶温度，位 错发生攀移和滑移并入到邻近的晶界中。 错发生攀移和滑移并入到邻近的晶界中。这样两个亚晶粒就合并 成为一个晶粒了。驱动力来自晶界能，晶界减少，形核自发进行。 成为一个晶粒了。驱动力来自晶界能，晶界减少，形核自发进行。
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理想形状 实际形状
圆球体
长球体
扁球体
a1=a2=a3， p = 1 a3 > a1=a2， p > 1 a3< a1=a2, p < 1
近似球颗粒 等轴多面体
纤维，晶须，棒 片状，盘状，
状，柱，长球
板状
退极因子（消磁因子）depolarition factor：
Lii
① 球体： p = 1
L11
L22
多晶
多相
▪ 点/线/面 —— 体视学。包括了几何、拓扑
1. 结构单元及其几何特征 Geometric
1）基本单元(组元)Unit：颗粒、单相区、畴 （微域） [Crystals：原子/离子/分子] 单元的性质：金属，无机非金属，高分子，液相，气相 （晶态/或非晶态）
2）单元的相对含量 Composition ：材料的组成 [Crystals：原子比/Mole比]
Chap. 4 显微结构 Microstructure
References: 冯端等主编，《材料科学导论》，Chap. 7 诸培南等主编，《无机非金属材料显微结构图册》
▪ 显微结构/组织结构： mm Microstructure：含义更宽，nm —— mm
▪ (Nano-) Ceramics/Metals/Polymers/Composites
退极因子（消磁因子）depolarition factor：
Lii
a1a2a3 2
0
ai2
x
dx
,
a12 x a22 x a32 x
a3 a2
a1
3
Lii 1
i1
简化处理：旋转体， a1=a2 长、短轴半径
定义一个长短轴半径比（纵横比aspect ratio) p = a3/a1
如铁电(磁)
顺电(磁)
表面效应 ：d 减小，S 增大，表面能增加
3、趁势与主要问题
尺寸、形态可控，按照一定规律排列的纳米结构，直接 长出分子器件 (self-assembly)
单个Nano 的性能测量 结构——性能的关联 挖掘新Nano 结构、新性能
Nanowire superlattice (Nature, 2002/2)
N(d’)
d’
4) 单元取向 Orientation
• 形状：异形 • 单元：性质各向异性
x3
x’3
x’1
x1
xi
aij
x
' j
x2
a ：方向余弦 ij
x3 cosx3'
❖ q = 0， 完全定向排列 along x3 ❖ q = 0 — 180o， 完全无规则 ❖ F(q) : Orientation distribution
3d: nanocystals, nano-composites, nano-devices
特征： ① 至少有一个方向的尺度是纳米范围： 1-100 nm ② 纳米效应：
② 纳米效应：
量子尺寸效应：能带从连续变为离散， Eg 能隙变宽现象
Eg
尺寸
几个 纳米 (<5 nm)
② 纳米效应：
小尺寸效应：d ~ 特征物理长度 (如单畴临界尺寸）
Quantum dots
3-3型 opal
光子“晶体”、声子“晶体”: 在显微结构层次上具有类似晶体的周期性
(SC,HCP,FCC)
Photonic crystals (光子晶体） ➢ 介电 周期结构 ➢ 光子带隙 (PGB)
Phononic (or sonic) crystals (声子晶体） ➢ 密度/刚度 周期结构 ➢ 声子带隙(SGB）或 弹性带隙(EBG)
2. 拓扑特征 Topology
1）连接度 Connectivity
0-3 型
3-3型
1-3 型
2-2 型
2) 周期性 Periodicity
• Laminated (mm) • Multi-layers (nm) • Superlattices (nm)
② 0-3 或 3-3 型
• 连续纤维 (mm) • 模板生长 (nm)
2. 纳米结构种类
0d: cluster 团簇 C60、量子点quantum dots（<10nm)、 纳米颗粒
1d: nanotubes, nanowires(quantum wires), nanorods, nanobelts, nanofibers
2d: superlattice (quantum well), thin films, multilayers
重量分数 体积分数
:
wi
Wi WT
,
wi 1
:
f
i
Vi VT
,
f i 1
表观密度
WT
VT
i
i
e.g., ① 对二相材料: i = 2,
f1+ f2 = 1
② 致密多晶: i=1, f=1, 体积分数无
意义
③ 通常多晶: 一般有气孔， 相对密度 (1), 气孔率 th
3）单元的形状 Shape: 复杂、多样 [Crystals：N/A] 理想化处理：数学上的椭球体 a1 a2 a3
L11 L22 0，L33 1
4) 单元尺寸 Size
[Crystals：原子/离子/分子半径]
➢ 平均颗粒尺寸：d = 2R
nm
mm
➢ 尺寸分布：对数正态分布 Log-normal distribution
N (d ') d'
1
2
exp
ln(d ' / d ) 2
2
d: 标准偏差
3. 渗流(逾渗)现象 Percolation
Reference: R. Zallen, 非晶态固体物理学 （中译本）科学版
结构中的几何相变: 0-3（弥散）
3-3
（连通）
Percolation (1953)
1) 格子渗流 Lattice percolation
L11 L22 0.5, L33 0
③ 扁球体 oblate： p < 1
L33 1 2 L11
cos L11
L22
2
p2 p2 1
2
p 1 p2
3/ 2
1 p
➢ 对圆盘(硬币)形状： a1=a2 》a3
L11
L22
p
4
,
L33
1
p
2
➢ 薄片 (nanosheets, thin films)
L33
1 3
② 长球体 Prolate： p > 1
cosh L11
L22
2
p2 p2 1
2
p
p2
3/2
1
1 p
L33 1 2 L11
➢ 对椭圆长棒： a1≠a2， p →∞
➢ 长纤L维1ibae1rsa)1a2 , L33 0