材料科学基础山东大学第三章PPT课件
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材料科学基础第三章模板PPT课件
04.11.2020
30
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。
04.11.2020
31
• 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）；
04.11.2020
13
04.11.2020
14
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。
04.11.2020
04.11.2020
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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.
2020/10/24
第三章 凝固
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§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;
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
•
•
•
•
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。
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
晶体结构
山东大学材料科学基础
S2-： 0 0 0； 0 ½ ½； ½ 0 ½; ½ ½ 0 Zn2+： ¼ ¼ ¾； ¼ ¾ ¼； ¾ ¼ ¼; ¾ ¾ ¾
结构型式 离 子 堆 积 描 述 化学组成比 n+/n负离子堆积方式 正负离子配位数比CN+/CN正离子所占空隙种类 正离子所占空隙分数 立方ZnS型 1:1 立方最密堆积 4:4 正四面体 1/2
钙钛矿型结构中离子间关系如下: 设A位离子半径为rA,B位离子半径为rB,O2-半径为 ro, rA+ro＝√2（rB+ro） 但是，实际测定发现，A、B离子半径有一定的变 动范围，可表示为： 2rA+2ro＝t √2（rB+ro） 式中，t为容忍因子， t=0.77∽1.10
山东大学材料科学基础
A与B离子的电价不限于2价和4价，任意一对阳 离子半径适合于配位条件，且其原子价之和为6， 则它们可能取这种结构。 钙钛矿型化合物化学计量比可以是A2+B4+O3(如 BaTiO3和PbZrO3)或是A3+B3+O3(如LaGaO ,LaAlO )； 也可以A1+B5+O3(如KNbO ,NaWO )或A1+B2+O3（KNiF ）; 混合形式如Pb(Mg Nb )O 和Pb(Sc Ta )O 也是可能的。
山东大学材料科学基础
Ti Ba
四方BaTiO3结构中离子的位置，Ti离子向上位移
山东大学材料科学基础
从立方到四方转变温度称为居里点。 对于纯BaTiO3居里点为130℃。除BaTiO3外，许多晶体 都有自发极化，大多数铁电体结构都有氧八面体，氧八 面体空隙越大，其中金属离子半径越小、电荷越大，则 晶体就越容易发生自发极化。 在钙钛矿化合物中，居里点转变温度变化很大。如 PbTiO3，较大的Pb2+取代Ba2+,Ti4+的八面体环境更为不 安定，立方－四方转变温度是490℃；而SrTiO3居里点 只有－55℃。这可以解释成，Sr2+比Ba2+小，使得氧八 面体也小，可以将Ti稳定在体心位置。实际上，居里点 可以在一个很宽的范围连续的变化，通过在BaTiO3和 PbTiO3（提高Tc）或SrTiO3(降低Tc)之间形成固溶体。
材料科学基础第三章 62页PPT文档
• 当温度高于Tm时，GL<GS，固态自动熔化 为液态；当温度低于Tm时，GL>GS，液态 自动转化为固态。
• 单位体积自由能变量ΔGB与过冷度变量ΔT 的关系：
• ΔGB=GL-GS=(HL-HS)-T(SL-SS) • H因L此-H：S=SLLm-(S熔S=化Lm潜/T热m); T=Tm时, ΔGB=0。 • 当 为T常<数Tm，时则，：因为SL-SS的变化很小，可视
• 与均匀形核功ΔG(式3-9)相比，此式多一项 系数： (2-3cosθ+cos3θ)/4
• 讨论：
• 当θ=0时，ΔG’=0，此时固体杂质相当于现 成的核，结晶不需要形核功；
• 当θ=π时，ΔG’=ΔG，此时固体杂质不起促 进晶胚成核作用；
• 一般情况下，θ在0º~180º之间，ΔG’<ΔG。 即非均匀形核比均匀形核所需要的形核功 小，且随θ角的减小而减小。
• 3.3.1.2 临界成核：当r=rk时，晶胚可能消 失，也可能长大，称其为临界晶核。其半
径rk称为临界晶核半径。
• 临界晶核的自由能变化为0，由式(3-9)可得：
• rk=2σ/ΔGB
(3-10)
• 此式表明：临界晶核半径与晶胚的单位面
积自由能成正比；与晶胚的单位体积自由
能变化成反比。
• 因ΔGB=LmΔΤ/Tm
• 3.3.2 非均匀形核 • 金属实际凝固的过冷度一般不超过20ºC，
远远低于均匀形核的0.2Tm。这是由于非均 匀形核的结果。
• 3.3.2.1 非均匀形核 • 的形核功：液相在 • W相基底上形成球 • 冠状的S晶核，其 • 曲率半径为r，接触 • 角(湿润角)为θ。
• 以 晶σ胚LSW与，WσS和W和S与σS液L分相别L之表间示的液界体面与能基。底在W纯，
• 单位体积自由能变量ΔGB与过冷度变量ΔT 的关系：
• ΔGB=GL-GS=(HL-HS)-T(SL-SS) • H因L此-H：S=SLLm-(S熔S=化Lm潜/T热m); T=Tm时, ΔGB=0。 • 当 为T常<数Tm，时则，：因为SL-SS的变化很小，可视
• 与均匀形核功ΔG(式3-9)相比，此式多一项 系数： (2-3cosθ+cos3θ)/4
• 讨论：
• 当θ=0时，ΔG’=0，此时固体杂质相当于现 成的核，结晶不需要形核功；
• 当θ=π时，ΔG’=ΔG，此时固体杂质不起促 进晶胚成核作用；
• 一般情况下，θ在0º~180º之间，ΔG’<ΔG。 即非均匀形核比均匀形核所需要的形核功 小，且随θ角的减小而减小。
• 3.3.1.2 临界成核：当r=rk时，晶胚可能消 失，也可能长大，称其为临界晶核。其半
径rk称为临界晶核半径。
• 临界晶核的自由能变化为0，由式(3-9)可得：
• rk=2σ/ΔGB
(3-10)
• 此式表明：临界晶核半径与晶胚的单位面
积自由能成正比；与晶胚的单位体积自由
能变化成反比。
• 因ΔGB=LmΔΤ/Tm
• 3.3.2 非均匀形核 • 金属实际凝固的过冷度一般不超过20ºC，
远远低于均匀形核的0.2Tm。这是由于非均 匀形核的结果。
• 3.3.2.1 非均匀形核 • 的形核功：液相在 • W相基底上形成球 • 冠状的S晶核，其 • 曲率半径为r，接触 • 角(湿润角)为θ。
• 以 晶σ胚LSW与，WσS和W和S与σS液L分相别L之表间示的液界体面与能基。底在W纯，
[课件]材料科学基础第三章-2PPT
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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.
材料科学基础第三章
• 不同温度下的最大晶胚尺寸(rmax)不同，而 且液体过冷度越大，实际可能出现的最大 晶胚尺寸也越大。
• 3.3. 晶核的形成
• 在母相中形成等于或大于一定临界尺寸的 新相晶核的过程叫形核。分均匀形核和非 均匀形和两种方式。
• 3.3.1 均匀形核：晶核由晶胚发展而成，但 晶胚不一定成为晶核。
• 3.3.2 非均匀形核 • 金属实际凝固的过冷度一般不超过20ºC，
远远低于均匀形核的0.2Tm。这是由于非均 匀形核的结果。
• 3.3.2.1 非均匀形核 • 的形核功：液相在 • W相基底上形成球 • 冠状的S晶核，其 • 曲率半径为r，接触 • 角(湿润角)为θ。
• 以 晶σ胚LSW与，WσS和W和S与σS液L分相别L之表间示的液界体面与能基。底在W纯，
• (dG/dT)p=-S
(3-5)
• 熵S是表征系统中原子排列有序度的参数，
恒为正。
• 式(3-5)表示：在等温等压条件下，相的自 由能随温度的升高而降低。
• 由于液态原子的有序度远比固态低，因此 液态的熵值远大于固态，并且随温度的变 化也较大。所以液态的自由能-温度曲线的 坡度比固态的陡。两条曲线必然相交。在 交点处的温度Tm下，两相自由能相等， GL=GS，可以平衡共存。
• rmax<rk，晶胚难于 • 成核；当ΔT>ΔT*
• 时，存在大于rk的 • 晶胚，这些晶胚可
• 稳定成核。
• 3.3.1.4 形核率：形核率(N)是指单位时间， 单位体积内所形成的晶核数。它受两个因 数控制：一是临界晶核半径及形核功随过 冷度增大而减小，形核率增加；二是原子 扩散速度随过冷度增大而减慢，形核率减 小。总形核率表现为：
• *熵(entropy)是德国物理学家克劳修斯 (Rudolf Clausius, 1822 – 1888)在1850年 发明的一个术语，用来表现任何一种能量 在空间中散布的平均水平。能量散布得越 平均，熵就越大，一般用符号S表示。
• 3.3. 晶核的形成
• 在母相中形成等于或大于一定临界尺寸的 新相晶核的过程叫形核。分均匀形核和非 均匀形和两种方式。
• 3.3.1 均匀形核：晶核由晶胚发展而成，但 晶胚不一定成为晶核。
• 3.3.2 非均匀形核 • 金属实际凝固的过冷度一般不超过20ºC，
远远低于均匀形核的0.2Tm。这是由于非均 匀形核的结果。
• 3.3.2.1 非均匀形核 • 的形核功：液相在 • W相基底上形成球 • 冠状的S晶核，其 • 曲率半径为r，接触 • 角(湿润角)为θ。
• 以 晶σ胚LSW与，WσS和W和S与σS液L分相别L之表间示的液界体面与能基。底在W纯，
• (dG/dT)p=-S
(3-5)
• 熵S是表征系统中原子排列有序度的参数，
恒为正。
• 式(3-5)表示：在等温等压条件下，相的自 由能随温度的升高而降低。
• 由于液态原子的有序度远比固态低，因此 液态的熵值远大于固态，并且随温度的变 化也较大。所以液态的自由能-温度曲线的 坡度比固态的陡。两条曲线必然相交。在 交点处的温度Tm下，两相自由能相等， GL=GS，可以平衡共存。
• rmax<rk，晶胚难于 • 成核；当ΔT>ΔT*
• 时，存在大于rk的 • 晶胚，这些晶胚可
• 稳定成核。
• 3.3.1.4 形核率：形核率(N)是指单位时间， 单位体积内所形成的晶核数。它受两个因 数控制：一是临界晶核半径及形核功随过 冷度增大而减小，形核率增加；二是原子 扩散速度随过冷度增大而减慢，形核率减 小。总形核率表现为：
• *熵(entropy)是德国物理学家克劳修斯 (Rudolf Clausius, 1822 – 1888)在1850年 发明的一个术语，用来表现任何一种能量 在空间中散布的平均水平。能量散布得越 平均，熵就越大，一般用符号S表示。
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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凝固是相变过程，可为其它相变研究提供基础。
2020/10/31
第三章 凝固
2
第三章 凝固—前言
主要内容：
1. 凝固规律
过冷现象
凝固条件
形核
基本过程
长大
2. 凝固理论的应用
2020/10/31
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。
§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;
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.
2020/10/31
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;
• 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.
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 出现的晶胚数量越多,晶胚尺寸也越大.
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
TБайду номын сангаас
T>0, G<0 —过冷是结晶的必要条件之一;
T越大, G的绝对值越大—过冷度越大,越有利 于结晶;
• 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.
2020/10/31
第三章 凝固
19
体系中液、固体两系相中的表 体积自由能之面差自由能
2020/10/31
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
界面处优先形成的过程,又
称非自发形核或异质形核.
2020/10/31
第三章 凝固
16
§3.3 晶核的形成
均匀形核
2020/10/31
第三章 凝固
17
§3.3 晶核的形成
非均匀形核
2020/10/31
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:
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.
2020/10/31
第三章 凝固
8
§3.2金属结晶的基本条件
之一: 热力学条件— GB 0
2020/10/31
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。
2020/10/31
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；
• 结构起伏是产生晶核的基础,是结晶的必要条件 之二.
2020/10/31
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
• 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.
2020/10/31
第三章 凝固
4
§3.1金属结晶的基本规律
2020/10/31
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
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.
2020/10/31
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
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
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)与其实际
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金属结晶的基本条件由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
–自由能-温度曲线
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第三章 凝固
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第三章 凝固—前言
主要内容：
1. 凝固规律
过冷现象
凝固条件
形核
基本过程
长大
2. 凝固理论的应用
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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。
§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;
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.
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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;
• 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.
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 出现的晶胚数量越多,晶胚尺寸也越大.
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
TБайду номын сангаас
T>0, G<0 —过冷是结晶的必要条件之一;
T越大, G的绝对值越大—过冷度越大,越有利 于结晶;
• 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.
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第三章 凝固
19
体系中液、固体两系相中的表 体积自由能之面差自由能
2020/10/31
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
界面处优先形成的过程,又
称非自发形核或异质形核.
2020/10/31
第三章 凝固
16
§3.3 晶核的形成
均匀形核
2020/10/31
第三章 凝固
17
§3.3 晶核的形成
非均匀形核
2020/10/31
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:
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.
2020/10/31
第三章 凝固
8
§3.2金属结晶的基本条件
之一: 热力学条件— GB 0
2020/10/31
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。
2020/10/31
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；
• 结构起伏是产生晶核的基础,是结晶的必要条件 之二.
2020/10/31
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
• 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
2020/10/31
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
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.
2020/10/31
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
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)与其实际
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金属结晶的基本条件由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
–自由能-温度曲线