浙大材料科学基础课件-part8
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。
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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
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PPT精品课件幻灯片
❖ 材料发展动力： ▪ 社会需求（市场拉动） ▪ 技术发展（技术推动） ▪ 科学发展（对物质的了 解，是创新的源泉）
• 硅时代（1950年）
• 20新20/材12/1料9 时代（1990年材、料科特学征与工是程多学院种材材料学料教研并室存）
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2020/12/19
材料科学与工程学院材料学教研室
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材料的历史：300,000 BC—3,500 BC
川徐家岭楚墓出土。龙首、虎颈、虎身、虎尾、
编钟：春秋中期，1978年河南淅川出土， 龟足，张口吐舌，牙齿犀利。龙首上附六条蛇
最大钟通高120.4厘米，舞修52.3厘米，
形龙。脊背上有有一方座，座上有一神兽也为
铣间59.7厘米。该钟一组26件，形制相同， 龙首，口衔一条龙，龙 首。通身饰动物纹和
大2小02依0/1次2/递19减。
2020/12/19
材料科学与工程学院材料学教研室
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提到“材料”，同学们会想到什么？列举一下现 代生活中用到了哪些材料？给材料下个定义。
请同学们能不能根据材料的发展来划分历史？如 果能，是怎样划分的？ 材料科学与材料工程有什么区别？
请问同学们材料是怎样分类的？
如何认识材料的科学问题？ （链接）
2020/12/19
•
由于材料的重要性，历史学家常常根据人类使用的材料来划分
人类社会发展的历史阶段。从古代到现在人类使用材料的历史共经
历了七个时代，其中的有些时代持续了几个世纪，各时代的开始时
间：
• 旧、新石器时代（公元前10万年） • 陶器时代 • 青铜器时代（公元前3000年） • 铁器时代（公元前1000年） • 水泥时代（公元0年） • 钢时代（1800年）
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浙大材料科学与基础课件最新版3rd(共8部分)教材
化合物形成与电负性关系：两元素电负性差别很小，键合为非极性共价键或金属键；电负性差别增加，键合极性增加，倾向于离子性键合。
（纯共价键合）Si→MgS→NaCl（离子键合）两头是极端（强极性特征）HF→HCl→HBr→HI（弱极性特征）大多数实际材料键合特点：几种键合形式同时存在。
以图1-27键型四面体表示二、晶体中的键型晶体是具有空间格子构造的固体。
晶体中的质点(离子、原子或分子)在空间的排列必须具有一定的结合作用力，才能保证它们在晶体内固定在一定的位置上作有规则的排列。
化学键：质点间必须有结合力，才能保证规则排列。
原子和原子通过化学结合力产生了结合，一般称形成了化学键化学键（一次键或基本键）种类：典型的化学键有三种：离子键、共价键、金属键分子键(范氏键)、氢键：已形成一次键的分子等之间的结合。
(一)金属结合（金属键）金属键（晶体）特点：原子团聚形成；电负性很小；吸引力相当弱；电子“共有化”（价电子几乎自由、被共用），如图1-28，无方向要求成键、强度及轨道（关系）：电子气和正离子实间库仑作用成键（电子气密度越大，库仑作用越强，直至与斥力平衡）；仅有s-轨道时键很弱，如（Na-Na ，Ca-Ca ，…），具有混合轨道（s-d 或s-p 轨道）时，如（Fe-Fe ，Cr-Cr ，…），键很强金属键形成的条件：5.0<∆X(二)离子结合（离子键）离子键（晶体）特点：负电荷原子排列，正电荷原子排列其周围允许空间；有价电子转移；金属原子最外层价电子给予非金属原子，如 图1-29；正负离子相间排列成键、强度：相反电荷间 静电力，静电力满足Coulomb's law ，与两离子间距离的平方成反比离子键形成的条件：两具有大电负性差的原子间形成，以离子为结合单元。
(三)共价结合（共价键）共价键(晶体)特点：两个原子各贡献一价电子共用(自旋相反)，如 图1-30；原子排列可有方向性成键、强度：对电子作用（吸引）力共价键形成的条件：（伴电负性升高且基本相同的对电子强烈吸引）形成的分子对称，无明显偶极矩：)%12(7.0离子性<-=∆b a X X X ；（有完全不同的对电子的吸引能力）形成的分子非对称，有极性且具偶极矩：7.17.0<∆≤X(四)范德瓦耳斯结合（分子间键）范键(晶体)特点：原子或共用电子间无电子转移，原子或分子基本保持原电子结构范键形成条件：成键不涉及电负性，由自然偶极化成键，在所有固体中这种键或多或少都会有。
《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
浙大材料科学基础课件-part8
浙大材料科学基础课件-part8(二)间隙相间隙相：较大电负性差的组元A、B，且(r(41%(rB/rA(0.59)，形成的中间相。
间隙相多由过渡族金属且和原子半径比较小的非金属元素B组成，A、B原子数之比为一定值，可用分子式表示间隙相的晶体结构：金属原子占据结点位置，而非金属原子则存在于金属原子间隙中间隙相固溶体：多数间隙相可形成以它为基的固溶体（缺位和置换固溶体），有一定的成分范围。
许多结构相同的间隙相能形成(三)间隙化合物间隙化合物：当A、B两组元的(r>30%而<41% (rB/rA(0.59)时，形成的一类中间相。
大多是一些过渡族金属和碳原子所形成的碳化物，碳原子位于间隙中。
间隙化合物的晶体结构：多具复杂的晶体结构。
示例如图3-21所示间隙化合物固溶体：金属元素往往被另一种金属元素置换而形成以间隙化合物为基的固溶体无限固溶体。
但受原子尺寸因素控制表3- 6 间隙相举例(四)拓扑密堆相拓扑密堆相：由两种大小不同的原子构成的一类中间相。
大小原子通过适当配合构成空间利用率和配位数都很高的复杂结构，配位数可达12、14、15及16。
具有拓扑学特点拓扑密堆相类型：有Cr3Si型相(Cr3Si、Nb3Sn、Nb3Sb等)，拉弗斯(Laves)相(MgCu2、MgZn2、MgNi2等)，(相(Fe7W6、Fe7Mo6等)，R相(Cr18Mo31Co)，P相(Crl8Ni40Mo42)，(相(FeCr、FeV、FeW、FeMo、CrCo、MoCo、WCo等)等等。
表3-7 拓扑密堆相中也有可以是多元的，例如AB2型的Laves相，AB型(相，AxBy等，有一定的固溶度范围表3- 7 一些二元拉弗斯相第四章非晶态固体非晶态固体：原子在空间排布没有长程序的固体非晶态固体范畴：玻璃、非晶态金属及非晶态半导体等结构是认识和研究物质的基础，然而，非晶态固体的结构比晶体要复杂得多。
§4-1 非晶态固体的特征与表述一、非晶态固体的结构特征二、非晶态固体的结构表征函数三、非晶态固体的短程序非晶态固体的结构特征非晶态固体的微结构：原子无规则排列，失去平移对称性，不满足晶体结构的基本特征，但并非完全混乱无序排列，近邻原子的排列仍具一定规律，呈现出一定的几何特征，为短程序。
浙大材料科学基础课件part7.pptx
随着离子价差别的增大，中间化合物的数目增多，固溶度则下降
四、电负性因素 化学亲和力对固溶体溶解度的影响：溶质元素与溶剂化学亲和
力强，倾向于生成化合物。化合物越稳定，则固溶度越小。见
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图 3-9 和表 3- 1
表 3- 1 镁基固溶体的溶解度与所生成化合物稳定性的关系
化学亲和力与固溶度：通常以电负性因素来衡量。电负性差大， 化学亲和力强，化合物越稳定。电负性相近的元素可能具有大的 溶解度，电负性之差小于±0.4 是一个边界 达肯经验规律：±0.4 的边界主要针对金属，对氧化物，更决定 于离子尺寸及电价因素。 场强与固溶度：中间化合物的数目与场强之差 (Z/d2)成正比（ 二 元系两种正离子的场强差）。(Z/d2)=0，固溶度最大，生成 完全 固溶的固溶体；(Z/d2)小于 10%，互溶或具有大固溶度； (Z/d2) 增大，一个低共熔点两个低共熔点许多中间化合物
图 3-10 是表示氧化物系统的场强差与化合物数目的实验结 果的关系。证明场强差大，导致生成化合物的数目增多
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§3-2 固溶体各论 三类固溶体的区分方法：通过测定固溶体的点阵参数和密度。 固溶体的计算确定：平均原子数 n 与理论原子数 n0 比较
内变化，不至于使结构发生变化
三、电价因素
1、在金属中： 电子浓度与溶解度：溶解度受电子浓度控制。固溶体的电子浓度 有极限值(一价面心立方合金 Cu、Ag 约为 1.4)。因此，溶 质元素的原子价越高，其溶解度就越小，如 图 3-6 和
图 3-7 所示。 极限电子浓度与晶体结构类型：对铜锌合金的电子结构进行计算， 得出面心立方的 固溶体极限电子浓度为 1.36，而体心立方的 相为 1.48，与实验结果甚为接近。但有异议 过渡族元素的“平均族数”(AGN)概念：因为d 壳层未被填满， 虽可贡献外层电子，却又吸收电子填充 d 壳层，原子价在 0～2 范 围变化。各元素的族数以满壳层以外的 s+p+d 电子总数计值。按 各元素的原子百分数乘以其族数求平均值。例如 20atm%铬的镍基
浙大材料科学基础课件part
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。
如错误!未找到引用源。
，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，如错误!书签自引用无效。
，错误!书签自引用无效。
，错误!书签自引用无效。
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多面体，如单形四柱与平行双面形成了四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底心格子（六底心格子为三晶系和六晶系所共有）。
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)
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8章PPT课件
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8.2.4.2 固相中的非均匀形核 固态相变时，各种晶体缺陷，如晶界、位错、
相界、空位、层错等都可以作为择优形核的位置， 这些晶体缺陷本身具有较高的能量，在这些位置 形核，可以降低形核功，因此非均匀形核比均匀 形核要容易得多，固态相变时的形核通常是非均 匀形核。
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界面能和体积应变能是固态相变过程的阻力，但在不同条 件下，所起的主导作用不同。 当新旧两相形成共格界面或半共格界面时，相变阻力主要 是体积应变能。 当新旧两相形成非共格界面时，相变阻力主要是界面能。
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8.2.4 相的非均匀形核 8.2.4.1 液相中的非均匀形核
液态金属过冷后，主要的形核障碍是晶核的液－固相 界面使系统自由能升高。
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形核功因子
原子扩散几率因子
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8.2.3.2 固相中的均匀形核
体积自由能差
界面能
体积应变能
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界面能的大小取决于界面的结构和界面成分的变化。固态 相变中形成的界面结构有三种形式，即共格界面、半共格界 面和非共格界面。
固态相变中，体积应变能来自新旧两相的比容差和界面结 构两个因素。应变能由两项组成，一项是由新相和旧相比容 不同所产生的弹性应变能；另一项是由界面上两相晶格不匹 配而产生的弹性应变能。
数学表达式：X = 1 - exp[ - (kt)n ] （式8-12）
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构造等温转变图 32 第32页/共34页
End
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感谢您的观看！
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浙大材料科学基础课件part7
(六)晶界的个性之阳早格格创做晶界的个性：没有完备，畸变较大，存留晶界能，晶粒少大战晶界的笔直化能减小晶界总里积，落矮晶界总能量；晶界常温下对于塑性变形起阻拦效率，隐然，晶粒越细，金属资料的强度、硬度也越下；晶界有较下动能及缺陷，熔面较矮，腐蚀速度较快第三章固溶体固溶体：类似于液体中含有溶量的溶液，晶体中含有中去杂量本子的一种固体的溶液固溶体个性：掺进中去杂量本子后本去的晶体结构没有爆收转化.但是面阵畸变，本能变更如普遍合金，硅中掺进磷战硼皆是固溶体固溶度：中去组分量可正在一定范畴内变更，没有损害晶体结构的最大溶解度量中间相：超出固溶体的溶解极限时，大概产死晶体结构分歧，处于二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。
所示溶体的有序战无序分类：据溶量本子正在溶剂晶体结构中排列的有序与可区别.达某一尺度为有序畴；少程有序可为超结构有限战无限固溶体分类：二组元正在固态呈无限溶解，即为（连§3-1效率固溶度的果素结构相共不过真足固溶的需要条件，没有是充分条件 绝固溶体）无限固溶体一、戚姆-罗瑟里(Hume-Rothery)顺序固溶体固溶度的普遍顺序：1、尺寸果素:当尺寸果素不利时，固溶度很小；2、化教亲战力:宁静中间相（战组元的化教亲战力有闭）会使一次固溶体的固溶度下落（中间相自由能直线矮）；3、电子浓度:电子浓度（价电子数战本子数的比值）效率固溶度战中间相宁静性，100)100(vx x V a e +-=（溶量价为v ，溶剂价为V ）.另有适用于某些合金系的“相对于价效力” ，即下价元素正在矮价中的固溶度大二、尺寸果素尺寸与溶解度闭系：溶量与溶剂本子的尺寸出进大，畸变大，宁静性便矮，溶解度小面阵常数的改变：置换固溶体，仄衡面阵常数删大或者中断,如错误!未找到引用源。
所示；间隙固溶体，经常随溶量溶进而删大.维伽定律：固溶体面阵常数a 与溶量的浓度x 之间呈线性闭系：x a a a a )(121-+=.离子晶谦脚，但是合金偏偏离（有正、背偏偏好），如错误!未找到引用源。
《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。
浙大材料科学与基础课件最新版5th(共8部分)
一纯螺型和一纯刃型位错平行：由于螺型力场yz xz σσ和，而没有刃型滑移和攀移所需的yx σ和xx σ；同样，刃型力场xx σ、yy σ、yx σ和zz σ中也没有螺型滑移所需的z θσ，所以，两位错间没有相互作用任意柏格斯矢量的两个平行的直线位错：分解为刃型分量和螺型分量，分别计算两螺和两刃间的相互作用，再叠加起来结论：若柏格斯矢量夹角<π/2，则两位错互相排斥；若柏格斯矢量夹角>π/2，则两位错互相吸引2、位错塞积：许多位错被迫堆积在某种障碍物前，如错误！未找到引用源。
所示，它们来自同一位错源，具相同的柏格斯矢量，障碍物如晶界塞积群（在垂直于位错线方向的）长度：对刃型为N μb/πτ(1-ν)，对螺型为N μb/πτ。
正比于位错总数N ，反比于外加切应力τ 塞积群的平衡：外加切应力所产生的滑移力F x =τb ，使位错尽量靠紧；其他位错间的排斥力（每一对位错间的排斥力，式2-74）使位错尽量散开；障碍物阻力（短程），仅作用在塞积群前端的位错上达很高的数值。
三者间的平衡位错塞积群前端的应力集中：受外力，同时受所有其它位错作用在领先位错与障碍物间挤压产生局部应力ττn ='。
n （塞积位错数）倍于外力的应力集中,能使相邻晶粒屈服，也可能在晶界处引起裂缝。
3.位错反应：位错之间的相互转化。
譬如一分为二或两合为一，b b b +→2位错反应条件：1、反应前矢量和等于反应后矢量和，即∑∑=后前b b2、反应后总能量小于反应前总能量，即∑∑=22后前b b （因为能量正比于b 2）。
反应b b b +→2使能量从4b 2降为2b 2变稳定4.位错交割：位错互相切割的过程林位错：穿过运动位错的滑移面的其它位错。
它会阻碍位错运动或位错切它而过位错割阶：交割过程中使位错被切割而产生的一小段不在原滑移面上的位错（错误！未找到引用源。
）为两刃交割：它的柏格斯矢量是原矢量；（错误！未找到引用源。
材料科学基础第八章固态相变 ppt课件
节
成分和晶粒大小等；
n-常数，取决于相变类型和形核
形
位置；
核 长
t-时间。
大
TTT 曲线 24
第 八
第四节 扩散型相变示例
章
固
一 脱熔转变
态
脱熔转变概念：当固溶体因温度变化等而呈过
相
饱和状态时，将自发地发生分解过程，其所含的过
变
饱和溶质原子通过扩散而形成新相析出，此过程称
第
为脱溶。相图中具有溶解度变化的体系，从单相区
（2）半共格界面
形
台阶式长大（位错滑移）
核
长 大
21
第 八
第三节 固态相变的晶核长大
章
固
2 晶核生长速率
态
（1）界面控制长大 新相生成时无成分变化(只有结构、
相 变
有序度变化）短程输送 u=exp(-Q/kT)[1-exp(-△Gv/kT)]
第
二
节
形 核 长 大
晶核长大速率是扩散系数D和相变驱动力△Gv的综合影响。22
笨，没有学问无颜见爹娘 ……” • “太阳当空照，花儿对我笑，小鸟说早早早……”
第 八
第一节 概 述
章
固 态
一 固态相变的特点
相
界面能
变
固-固两相界面能远比液-固两相界面能高：
第
一部分是形成新相界面时，因同类键、异类键的结
一
合强度和数量变化引起的化学能；
节
另一部分是由界面原子的不匹配产生的点阵畸变能．
章
固 二 脱熔类型
态
不连续脱熔：多发生在过饱和度很大
相
的置换固熔体中，是从母相中同时析
变
出片层相间的两个相：α→α’+β，与共 析转变相类似。α是过饱和固溶体，α’
材料科学基础PPT课件
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Y-Sialon
材料观-结构
宏观结构 微观结构
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结构的含义
宏观结构（眼睛观察范围-0.1mm） 显微结构（晶粒尺寸、分布、100m-0.1
m) 晶体结构（晶胞、晶格、Angstron） 原子结构（电子+质子+中子）
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结构分析的工具
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性能
材料性能：材料对外界作用的响应 力学性质：形变与断裂 热学性质：热容量、热导率、热膨胀 电学性质：电导率，介电性质 磁学性质：磁化率等 光学性质：折射或反射 劣化：材料的化学活性
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组成-工艺过程-结构-性质之间关系 材料科学核心内 容
组成+加工工艺
微观组织结构
性能
大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、 菱镁矿、白云母等）为原料制造的
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3. 有机高分子材料（高聚物）
高聚物是由一种或几种简单 低分子化合物经聚合而组成 的分子量很大的化合物
高聚物的种类繁多，性能各 异，其分类的方法多种多样
按高分子材料来源分为天然
高分子材料和合成高分子材
℃，具有良好的塑性，能承受冷热加工 第27页/共52页
工艺过程－结构（显微结构）
aluminium before refinement
aluminium after refinement
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不同加工方法的工件组织与性能
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结构的含义
宏观结构（眼睛观察范围0.1mm）
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金属材料
在103种元素中，除6种惰性元素和16种非金属元素 外，81种为金属元素。
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(二)间隙相间隙相：较大电负性差的组元A、B，且(r(41%(rB/rA(0.59)，形成的中间相。
间隙相多由过渡族金属且和原子半径比较小的非金属元素B组成，A、B原子数之比为一定值，可用分子式表示间隙相的晶体结构：金属原子占据结点位置，而非金属原子则存在于金属原子间隙中间隙相固溶体：多数间隙相可形成以它为基的固溶体（缺位和置换固溶体），有一定的成分范围。
许多结构相同的间隙相能形成(三)间隙化合物间隙化合物：当A、B两组元的(r>30%而<41% (rB/rA(0.59)时，形成的一类中间相。
大多是一些过渡族金属和碳原子所形成的碳化物，碳原子位于间隙中。
间隙化合物的晶体结构：多具复杂的晶体结构。
示例如图3-21所示间隙化合物固溶体：金属元素往往被另一种金属元素置换而形成以间隙化合物为基的固溶体无限固溶体。
但受原子尺寸因素控制表3- 6 间隙相举例(四)拓扑密堆相拓扑密堆相：由两种大小不同的原子构成的一类中间相。
大小原子通过适当配合构成空间利用率和配位数都很高的复杂结构，配位数可达12、14、15及16。
具有拓扑学特点拓扑密堆相类型：有Cr3Si型相(Cr3Si、Nb3Sn、Nb3Sb等)，拉弗斯(Laves)相(MgCu2、MgZn2、MgNi2等)，(相(Fe7W6、Fe7Mo6等)，R相(Cr18Mo31Co)，P相(Crl8Ni40Mo42)，(相(FeCr、FeV、FeW、FeMo、CrCo、MoCo、WCo等)等等。
表3-7拓扑密堆相中也有可以是多元的，例如AB2型的Laves相，AB型(相，AxBy等，有一定的固溶度范围表3- 7 一些二元拉弗斯相第四章非晶态固体非晶态固体：原子在空间排布没有长程序的固体非晶态固体范畴：玻璃、非晶态金属及非晶态半导体等结构是认识和研究物质的基础，然而，非晶态固体的结构比晶体要复杂得多。
§4-1 非晶态固体的特征与表述一、非晶态固体的结构特征二、非晶态固体的结构表征函数三、非晶态固体的短程序非晶态固体的结构特征非晶态固体的微结构：原子无规则排列，失去平移对称性，不满足晶体结构的基本特征，但并非完全混乱无序排列，近邻原子的排列仍具一定规律，呈现出一定的几何特征，为短程序。
所以非晶固体具有短程有序而长程无序的结构无序态的类型：粒子排列和分布处于随机混乱状态的几何位置无序；化学（成份）无序和电子自旋无序非晶态的结构特征可以通过双体相关函数描述双体相关函数：表示距离任一原子为r处的原子分布几率大小。
，((r)表示距任意一个原子为r处的原子密度(统计平均值)，(0是物质的平均原子密度。
物质的分布状态：图4-1(a) 气体：平均自由程外各处原子的分布几率相等；图4-1(b) 液体：原子排列密集、作用较强，近邻配位接近密堆，有短程序；图4-1(c) 非晶：与液体基本同，只是g(r)第一峰更明锐，说明短程序更强。
有时称固化液体；图4-1(d) 晶体：原子位于格点上，形成长程序。
出现明锐的峰二、非晶态固体的结构表征函数描述非晶态的结构相当困难。
分布函数表示（仅是）原子在三维空间沿径向(一维)分布的投影，（仅是）对所有的原子统计平均的结果径向分布函数RDF原子径向分布函数：许多原子组成的系统中任取一原子为球心，求半径为r到r+dr的球壳内的平均原子数，再将每原子的结果进行平均，用函数4(r2((r)dr表示（((r)表示半径为r 的球面上的平均原子密度），则RDF=4(r2((r)称为原子径向分布函数。
即任一原子周围，其他原子在沿径向的统计平均分布。
图4-2为由x射线散射获得RDF描述非晶固体的原子分布的另两个函数为双体相关函数(双体几率函数)g(r)和约化径向分布函数G(r)约化径向分布函数：，(0为平均原子密度实际上，要从理论上确定非晶态固体的径向分布函数，关键是获得函数((r)。
这可以通过原子状态同X射线间的干(二)结构描述参数RDF描述的是结构的总的特征，短程序结构的精确描述时的常用参量结构精确描述参量：1.近邻距ri：中心原子与第i配位层上的原子之间的平均距离2.配位数Ni：第i配位球层上的原子数3.近邻原子间的键角(：两个近邻原子分别与中心原子连线之间的夹角4.近邻原子的类别：多元系需要指出类别涉函数来确定。
三、非晶态固体的短程序短程序分类：表示近邻原子在空间几何位置排列上的规律和特点的几何短程序(GSRO)；表示多元系中不同类别原子的分布规律化学短程序(CSRO)化学短程序（CSRO）化学短程序：系统元素的原子周围的化学成分与平均值不同。
通常仅局限于最近邻的原子。
化学短程序参数：若有A-B二元体系，则有：，用来衡量化学亲合力。
ZAB是A原子最近邻的B原子的配位数，ZBA是B原子的A配位数，CA及CB分别是A及B原子的浓度，〈Z〉是总的配位数。
注意：该参数的确定需要知道CSRO与离开某一原子的距离之间的函数关系(二)几何短程序(GSRO)与局域结构参数非晶结构的几何描述，可以借助于对Voronoi多面体的拓扑分析进行Voronoi多面体：用来描述非晶体局域结构的多面体。
原子周围由许多面组成的最小封闭凸多面体，这些面与该原子到其近邻原子的基矢垂直。
Voronoi多面体的指数(Fi)描述：Fi (即F3，F4，F5……)，是指具有i个边的面的数目。
如BCC结构中为(0，6，0，8)，即F4=6，F6=8Voronoi多面体与配位数及局域原子体积(i：对Fi求和就是面的总数，且表示配位数；(i就等于包含第i个原子的Voronoi多面体体积。
常见的七种Voronoi多面体如图4-3所示结构原子间的几何关系定义：非晶硅(锗)、氧化物玻璃等，可以用成键原子间的连接来定义结构的拓扑性；金属玻璃用连接难以定义，故利用双体分布函数(PDF)的峰，再借助Voronoi 多面体对体系拓扑性定义几何短程有序GSRO：定义元素玻璃的局域结构短程有序为几何短程有序GSRO。
包括拓扑短程有序(TSRO)及畸变短程有序(DSRO)几何短程序局域结构参数：与局域应力张量相联系1.非晶态固体内的流体静压力P：（可用来描述拓扑短程有序TSRO的）2.Von Mises切应力(：（标志非晶态固体内原子受切应力的大小）§4-2 非晶态半导体1977年Mott主要以在非晶态半导体理论研究中的成绩获得了诺贝尔奖。
非晶态半导体的类型：主要有四面体配置的非晶态半导体（如非晶硅及非晶锗等）和硫系非晶态半导体等两类3.与近邻原子的球对称性发生椭圆偏离的度量参数(：非晶半导体的结构模型蚀状组态和交错组态：四价半导体相邻两个四面体中最近邻原子所对应的价键方向的两种组态。
图4-4非晶半导体结构模型：微晶模型、非晶原子团模型和连续无规网络模型等微晶模型：认为非晶是由大量线度很小且无规取向的微晶组成。
微晶线度足够小，每个晶粒中的原子之间仍保持着基本结构单元的键角和键长。
图4-5计算其相应的干涉函数并与实验对比如图4-6非晶子模型：是一个十二面体，每个面皆为五边形的平面五原子环。
每个组成原子的四个价键均处于蚀状组态，但允许键角有1(28(的小的偏离，即键角为108(，图4-7。
两个或更多的“非晶子”可以沿着它们任何一个五原子环连接，但不能无限延续，否则键角的偏离增大。
计算a-Si的理论与实验比较以及与微晶模型和混合模型的对比，如图4-8所示连续无规网络模型(CRN)：原子在三维空间排列的短程序只有相同的化学键特性，而在几何上的排列是完全无序的、没有周期性的，可无限地堆积满整个空间。
（其二维连续无规网络结构如图4-9示意）Polk的(球-辐)连续无序网络模型及条件：(1)五或六个原子组成的环形成胚团；(2)无不饱和键；(3)健长及键角变化在1%和±l0(以内；(4) 新单元加到结构，二面角的选择应使应变最小，以防增加悬挂键。
算得的RDF与a-Si的实验结果拟合很好，如图4-10,和图4-11描述非晶半导体的两类参量：一类是局域原子团，由短程有序参数确定；另一类参量表征局域原子团互连成网络的拓扑特点。
二、非晶半导体的微结构硅和锗的结构：无规网络结构，最近邻四面体，配位数4，近邻距可变化百分之几，键角变化±7(-±10(。
次近邻有12个原子，次近邻距为最近邻距的。
二面角的取值在0(-60(范围连续分布。
最可能的是6原子环，其它5、7和8III-V族结构：最近邻小四面体单元，亦和相应的晶态基本相同，但发生一些畸变，成无序网络时，也出现比非晶锗、硅更为复杂的情况。
硫系非晶半导体结构：通常是二配位(如Se，S，Te等VI族元素)，形成链状或环状结构。
如Se的四个p电子有两个分别与相邻原子的p电子成键，另外两个则保持不变成为孤对电子，图4-12；混合配位(如a-As2S3等二元化合物)。
同样S只有两个电子与As键，另外两个形成孤对电子，图4-13。
网络在二维空间延伸，形成层状结构，层间靠范德瓦耳斯力结合a-Si:H薄膜结构：在a-Si膜结构中嵌人了大量的氢原子。
辉光放电方法制备的薄膜，达到人为掺杂的目的，图4-14a-Si:H的两相结构模型：H的空间分布具有局部不均匀性，显示出具有两种相组分的特征。
H含量比较稀少的区域是贫氢区，倾向于以Si-H键为主的键合结构，在该区域网络结构比较完整悬挂键密度也小，称为“岛状结构”，构成圆柱体形，线度大约为60-100A。
处于大量“岛状结构”的中间区域称为结缔组织，它是富含氢的，倾向于以Si-Hx(x=2，3)键合结构为主，其网络结构更倾向于无序，含有大量的微观及宏观缺陷。
含有一定数量的微孔(～10A)。
有一小部分能陷入氢分子，在500(C的温度下也是比较稳定的。
图4-15§4-3 非晶态金属高的硬度和韧性，优异的耐腐蚀性，低损耗非晶磁性材料。
主要非晶态金属和合金的结构模型微晶、非晶团模型及偏离：对非晶态金属和合金已有很多研究。
模型计算出的干涉函数或分布函数均与实验符合得不是很好。
问题的主要原因是：微晶尺度很小时，间界区的体积将占太大的比例。
联结区的原子排布不易确定，偏离模型硬球无规密堆模型(DRPHS)：较好的模型之一。
模型计算结果与实验干涉函数或分布函数比较，特别在金属-类金属非晶合金上得到了很好的一致性。
视原子为一定直径不可压缩钢球，无规密堆硬球尽可能紧密堆积，结构中不包含可以容纳一个球的间隙，排列无规则，任两个球间距大于直径的五倍时，它们位置之间的相关性很弱，图4-16。
由此形成的结构并非粒子完全无序，仍包含一些类型的局域短程序。
局域短程序特征的描述：Bernal空洞描述与Voronoi多面体描述Bernal空洞：由相邻两个球的球心连线为棱所构成的多面体。
Voronoi多面体：以某个球为中心与最近邻的球心连线，这些连线的垂直平分面所围成的多面体。