吉林大学材料科学基础考研第三章16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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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
吉林大学材料科学基础3
a 2R 2
2 or R a 4
a
4R
a
☞ FCC unit cell volume VC
VC a 2 R 2
3
3
16R
3
2
C h a p t e r 3 / Structures of Metals and Ceramics
☞ The number of atom in unit cell (n) (晶胞原子数)
C h a p t e r 3 / Structures of Metals and Ceramics
Lattice (晶格, 点阵) The regular geometrical arrangement (规则几何排列) of points in crystal space. It means a three-dimensional array of points coinciding with atom positions (or sphere centers)
C h a p t e r 3 / Structures of Metals and Ceramics
The Body-Centered Cubic (BCC) (体心立方晶格) crystal structure
An aggregate of atoms
C h a p t e r 3 / Structures of Metals and Ceramics
☞ Relationship between a and R a: the cube edge length R: atomic radius (原子半径) a2+a2 = (4R)2
crystalline and noncrystalline between materials having the same composition exist Significant property differences e.g. ceramics polymers
2 or R a 4
a
4R
a
☞ FCC unit cell volume VC
VC a 2 R 2
3
3
16R
3
2
C h a p t e r 3 / Structures of Metals and Ceramics
☞ The number of atom in unit cell (n) (晶胞原子数)
C h a p t e r 3 / Structures of Metals and Ceramics
Lattice (晶格, 点阵) The regular geometrical arrangement (规则几何排列) of points in crystal space. It means a three-dimensional array of points coinciding with atom positions (or sphere centers)
C h a p t e r 3 / Structures of Metals and Ceramics
The Body-Centered Cubic (BCC) (体心立方晶格) crystal structure
An aggregate of atoms
C h a p t e r 3 / Structures of Metals and Ceramics
☞ Relationship between a and R a: the cube edge length R: atomic radius (原子半径) a2+a2 = (4R)2
crystalline and noncrystalline between materials having the same composition exist Significant property differences e.g. ceramics polymers
第材料科学基础第3章_PPT课件
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。
3.2 位错
位错的起源： 刚性相对滑动模型：
τm = G/30 纯铁：G ≈ 100GPa 纯铁的理论临界切应力：约3000MPa 纯铁的实际屈服强度：~ 10MPa 1934年 Taylor、Orowan、Polanyi提出位错模型， 滑移是通过称为位错的运动而进行的 1950年代 位错模型为试验所验证 现在，位错是晶体的性能研究中最重要的概念。
（4）外来杂质原子：
（5）置换原子(substitutional atom) ：
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：
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。
△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×
(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。
3.2 位错
位错的起源： 刚性相对滑动模型：
τm = G/30 纯铁：G ≈ 100GPa 纯铁的理论临界切应力：约3000MPa 纯铁的实际屈服强度：~ 10MPa 1934年 Taylor、Orowan、Polanyi提出位错模型， 滑移是通过称为位错的运动而进行的 1950年代 位错模型为试验所验证 现在，位错是晶体的性能研究中最重要的概念。
（4）外来杂质原子：
（5）置换原子(substitutional atom) ：
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：
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。
△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×
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)
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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
28
无 规 共 聚 ( random)
• 两种高分子无规则地平行联结
ABAABABBAAABABBAAA
材料科学基础课件
举例：金属键材料内部精选有大量移动电子，使金5
属具有良好塑性。金属键结合的原子排列紧密， 晶体结构简单，金属密度高。共价键结合的材 料，电子受束缚不能自由运动，通常不导电。 共价键结合力很强，变形时要破坏局部键的结 合，故材
料硬而脆。原子排列不紧密，晶体结构复杂， 故共价键晶体陶瓷密度低。
七.材料科学定义：研究各种材料的结构、制备 加工工艺与性能之间关系的学科。
（2）次量子数l：也称为轨道角量子数，给出电
子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚壳层） 。l=0、1、2、3…，这些亚壳层习惯上以s、p 、d、f表示。
（3）磁量子数m： 给出每个轨道角动量量子数
的能级数或轨道数。它基本上确定了轨道的空间 取向。m=0、±1、±2、±3…。
（4）自旋量子数（全名为自旋角动量量子数）
二.工程材料划分：金属材料（钢铁材料和有色金 属）、陶瓷材料（粘土、石英和长石）、高分子 材料(塑料、合成纤维和橡胶）、复合材料。
三.其它材料 电子材料 ：在电子学和微电子学使用的材料， 包括半导体材料、介电功能材料和磁性材料 光电子材料：具有光子和电子的产生、转换和传 输功能的材料。
精选
3
精选
4
牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质 硬脆等特点。共价形成的材料一般是绝缘体，其 导电性能差。
3.金属键 （1）金属中的自由电子和金属正离子相互作用所
构成键合称为金属键，例如Na、Mg、Al等。 （2）金属键的基本特点是电子的共有化。 （3）金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原
子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能 量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间 的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金 属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在 ，金属一般都具有良好的导电和导热性能。
属具有良好塑性。金属键结合的原子排列紧密， 晶体结构简单，金属密度高。共价键结合的材 料，电子受束缚不能自由运动，通常不导电。 共价键结合力很强，变形时要破坏局部键的结 合，故材
料硬而脆。原子排列不紧密，晶体结构复杂， 故共价键晶体陶瓷密度低。
七.材料科学定义：研究各种材料的结构、制备 加工工艺与性能之间关系的学科。
（2）次量子数l：也称为轨道角量子数，给出电
子在同一量子壳层内所处的能级（电子亚壳层） 。l=0、1、2、3…，这些亚壳层习惯上以s、p 、d、f表示。
（3）磁量子数m： 给出每个轨道角动量量子数
的能级数或轨道数。它基本上确定了轨道的空间 取向。m=0、±1、±2、±3…。
（4）自旋量子数（全名为自旋角动量量子数）
二.工程材料划分：金属材料（钢铁材料和有色金 属）、陶瓷材料（粘土、石英和长石）、高分子 材料(塑料、合成纤维和橡胶）、复合材料。
三.其它材料 电子材料 ：在电子学和微电子学使用的材料， 包括半导体材料、介电功能材料和磁性材料 光电子材料：具有光子和电子的产生、转换和传 输功能的材料。
精选
3
精选
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牢固，故共价晶体具有结构稳定、熔点高、质 硬脆等特点。共价形成的材料一般是绝缘体，其 导电性能差。
3.金属键 （1）金属中的自由电子和金属正离子相互作用所
构成键合称为金属键，例如Na、Mg、Al等。 （2）金属键的基本特点是电子的共有化。 （3）金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原
子有可能同更多的原子相结合，并趋于形成低能 量的密堆结构。当金属受力变形而改变原子之间 的相互位置时，不至于使金属键破坏，这就使金 属具有良好延展性，并且，由于自由电子的存在 ，金属一般都具有良好的导电和导热性能。
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1.配位数与致密度?(简答)
定义:所谓配位数就是指晶体结构中任一原子周围最近邻且 等距离的原子数;致密度是指晶体结构中原子体积占总体积的 百分数.
计算:配位数N=? 致密度:K=nv/V
2.晶系，晶面及晶向的定义，描述和标定（简答）.
陶瓷晶体结构:
• 陶瓷晶体中大量存在的是离子晶体，由于 离子键不具有方向性和饱和性，有利于空 间的紧密堆积，堆积方式取决于阴阳离子 的电荷和离子半径r的相对大小。
2. 重要概念 无定形 各向异性 原子堆积因素 晶体结构 体心立方，面心立方，和密排六方结构 布拉格定律 配位数 晶系 晶粒 晶界 晶格 晶格参数 密勒指数 非晶结构 晶胞
晶 体:晶材料中的原子的是有规则排列的,无周期性的，
通常呈现规则的几何形状。 （其内部原子的排列十分规整严格，比士兵的方阵还要整齐得多。
空间格子:
为了便于描述空间点阵的图形,可用许多平行线将所有阵点 连接起来,于是形成一个三维几何格架,称为空间格子.
空间点阵:
阵点在三维空间中呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环境, 这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵.简称点阵.
晶系与布拉格定律 :
7大晶系:
三斜,单斜,正交，六方，菱方，四方，六方.
非晶态材料主要是在冷却过程中,利用先进的技术手段使 得材料进入了玻璃态,这样形成的材料称为非晶材料,非晶 材料是处于亚稳态的.
Hale Waihona Puke 准晶态（准晶）:其内部排列既不同于晶体，也不同于非晶体。
晶体学分析认为，晶体中原子呈有序排列，且具有平移 对称性，晶体点阵中各个阵点周围环境必然完全相同，故晶 体结构只能有１．２．３．４．６次旋转对称轴，而５次和 高于６次的对称轴不能满足平移对称的条件，均不可能存在 于晶体中，但近年来在科研过程中发现，在类似于晶态的固 体中存在５次对称轴，这们把这一类新的原子的聚集状态称 为准晶态，此固体称为准晶．
第三章 金属与陶瓷的结构
小结常见三种金属晶体及陶瓷结构计 单晶与多晶的比较 各向异性 非晶固
体
本章重点内容
一.计算题: 1.金属晶体结构及相关计算（简答）
1.1 标定晶面指数,晶向指数.(06) 1.2 致密度计算(三种典型金属晶体结构计算)
1.3 金属的密度计算. （08,FCC.05,BCC）
面心立方结构: n=8×1/8+6×1/2=4，体心立方结
构:n=8×1/8+1=2，密排六方结构:n=12×1/6+2×1/2+3=6。
4.点阵常数与原子半径(计算题)
面心立方结构:点阵常数为a,原子半径R=根号2a/4，体心立方结 构:点阵常数为a,原子半径R=根号3a/4，密排六立结构:点阵常数为 a\c.c/a=1.633.
3.各向异性的概念，产生机理，并描述特点. 概念：晶体在不同方向的物理化学特性也不同。
机理：晶体的各向异性即沿晶格的不同方向（密勒指数来
标志晶体的不同取向），原子排列的周期性和疏密程度不 尽相同，由此导致晶体在不同方向的物理化学特性也不同。 特点：晶体的各向异性具体表现在晶体不同方向上的弹性 膜量、硬度、热膨胀系数、导热性、电阻率、电位移矢量、 电极化强度、磁化率和折射率等都是不同的。各向异性作 为晶体的一个重要特性具有相当重要的研究价值。
如果把晶体中任意一个原子沿某一方向平移一定距离，必能找到
一个同样的原子。） 单 晶：对于晶体来说,如果晶体中的原子是按周期性重复
排列并且对整个晶体来说并没有被打断过,换句话说就是
由一个晶粒组成的晶体,这样的晶体称为单晶.
多 晶： 大多数晶体都是由许多个晶粒组成的,这样的晶体称为多晶.
非 晶: 非晶材料中的原子的是非规则排列的,无周期性.
14种布拉格点阵（一般要求了解）.
1.常见的三种金属晶体结构及晶体学特征？
☺ 面心立方fcc ☺ 体心立方bcc ☺ 密排六方hcp
2.常用来描述三种晶体结构特征的参数？(简答题必会)
晶胞内原子的数目，点阵常数，原子半径，配位数，致密度， 原子间隙（四面体间隙，八面体间隙）
3.晶胞中的原子数目?(计算题)
纳料晶材料：纳料晶材料即通常所说的纳料材料是指由至少 在一个方向上尺寸为几个纳米的结构单元所构成的晶体材料.
各向异性:
对于一些单晶材料来说,其各项物理性能在不同的晶向上测得的数 据是不同的,这种这种现象我们称为各向异性.
各向同性:
如果材料的各项性能与测量的方向无关,由称为各向同性.
晶 胞:
为了说明点阵的规律和特点,在点阵中取出一个具有代表性 的单元(最小平行六面体)作为点阵的组成单元,称为晶胞.
（２）如果阴阳离子半径比在0.155至0.225之间，则阴离子的 配位数为3，阴离子与阳离子形成平面正三角形结构． （３）如果阴阳离子半径比在0.225至0.414之间，则阴离子配 位数为４，阴离子位于四面体的中心．
（４）如果阴阳离子半径比在0.414至0.732，则阴离子位于八 面体的中心，周围由六个原子所包围，配位数为6． （５）如果阴阳离子半径比为在0.732至1.0之间则阴离子配位数 为８，阴离子位于体心立方的中央．
• 配位数与配位多面体：在晶体中，离子或 原子周围与它直接相邻的异号离子或原子 的个数称为配位数，正离子周围负离子数 不同，形成的配位多面体形状不同，导致 离子晶体的空间构型不同。
关于陶瓷结构中最为重要的是判断阳离子的配位数，因为在陶 瓷中，阳离子的半径一般小于阴离子的半径．判断规则如下：
（１）如果阴阳离子的半径比小于0.155，则较小的阴离子会结 合两个阳离子形成线性结构阴离子的配位数为２．
（６）陶瓷材料最为常见的配位数为4,6,8.
3.陶瓷材料变形特点及微观解释
你哈
特点：相对金属和高分子材料而言，脆、难以变形时陶瓷
材料的一大特点，滑移系数目少，位错结构复杂, 因为
陶瓷材料是以离子键和共价键构成的。
微观解释：
➢ 对于共价键陶瓷晶体，因为共价键有方向性和饱和性， 键能高，并且共价键晶体的位错宽度一般极窄，决定了 其难以变形。
➢ 对于离子键结合的陶瓷晶体，离子键要求正负离子相间 排列，在外力的作用下，当位错运动一个原子间距时， 由于存在巨大的同号离子的库伦电斥力，致使位错沿着 垂直或平行于离子键方向很难运动，因此对于离子键多 晶陶瓷，往往很脆，且易在晶界形成裂纹，最终导致脆 性断裂。
重要简答题：【各向异性是晶体的重要特征之一】