材料科学基础第三章优秀课件
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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。
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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）；
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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。
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……
04.11.2020
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
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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
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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.
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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
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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;
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
材料科学基础第三章典型晶体结构(共71张PPT)
Zn离子的位置交叉错开。
表示方法：球体堆积法；坐标法；投影图；配位多面体连 接方式
与金刚石晶胞的比照 ，有什么不同？
同型结构的晶体β-SiC,GaAs,AlP 等
5、 -ZnS〔纤锌矿〕型结构 〔AB type〕
六方晶系，简单六方格子
配位数：
晶胞中正负离子个数
堆积及空隙情况
同型结构的晶体:BeO, ZnO, AlN等
笼外俘获其它原子或基团，形成类C60的衍生物，例如
C60F60。再如，把K、Cs、Ti等金属原子掺进C60分子 的笼内，就能使其具有超导性能。再有C60H60这些相 对分子质量很大地碳氢化合物热值极高，可做火箭的 燃料等等。
2〕碳纳米管
碳纳米管又称纳米碳管〔 Carbon nanotube，CNT〕，是 单质碳的一维结构形式。碳纳米 管按照石墨烯片的层数分类可分 为：单壁碳纳米管〔Singlewalled nanotubes, SWNTs〕和多 壁碳纳米管〔Multi-walled nanotubes, MWNTs〕。
4. -ZnS〔闪锌矿〕型结构 〔AB type〕 点群：
空间群：
配位数：
晶胞中正负离子个数Z：
堆积及间隙情况：
• 以体积较大的S2-作立方紧密堆积 • Zn2+如何填充？ • 空隙如何分布？
等同点分布：
共有2套等同点。这种结构 可以看作是Zn离子处在由S离 子组成的面心立方点阵的4个
四面体间隙中，即有一半四面 体间隙被占据，上层和下层的
晶体结构的描述通常有三种方法：
1〕坐标法：给出单位晶胞中各质点的空间坐标，这种采用
数值化方式描述晶体结构是最标准化的。为了方便表示晶胞， 化学式可写为MO，其中M2＋是二价金属离子，结构中M2＋和O2－分别占据了NaCl中钠离子和氯离子的位置。 以由体正积 负还较离大子可的半径S以2比-作rN采立a方+/r用紧cl-密≈堆投0.积 影图，即所有的质点在某个晶面〔001〕上的投
表示方法：球体堆积法；坐标法；投影图；配位多面体连 接方式
与金刚石晶胞的比照 ，有什么不同？
同型结构的晶体β-SiC,GaAs,AlP 等
5、 -ZnS〔纤锌矿〕型结构 〔AB type〕
六方晶系，简单六方格子
配位数：
晶胞中正负离子个数
堆积及空隙情况
同型结构的晶体:BeO, ZnO, AlN等
笼外俘获其它原子或基团，形成类C60的衍生物，例如
C60F60。再如，把K、Cs、Ti等金属原子掺进C60分子 的笼内，就能使其具有超导性能。再有C60H60这些相 对分子质量很大地碳氢化合物热值极高，可做火箭的 燃料等等。
2〕碳纳米管
碳纳米管又称纳米碳管〔 Carbon nanotube，CNT〕，是 单质碳的一维结构形式。碳纳米 管按照石墨烯片的层数分类可分 为：单壁碳纳米管〔Singlewalled nanotubes, SWNTs〕和多 壁碳纳米管〔Multi-walled nanotubes, MWNTs〕。
4. -ZnS〔闪锌矿〕型结构 〔AB type〕 点群：
空间群：
配位数：
晶胞中正负离子个数Z：
堆积及间隙情况：
• 以体积较大的S2-作立方紧密堆积 • Zn2+如何填充？ • 空隙如何分布？
等同点分布：
共有2套等同点。这种结构 可以看作是Zn离子处在由S离 子组成的面心立方点阵的4个
四面体间隙中，即有一半四面 体间隙被占据，上层和下层的
晶体结构的描述通常有三种方法：
1〕坐标法：给出单位晶胞中各质点的空间坐标，这种采用
数值化方式描述晶体结构是最标准化的。为了方便表示晶胞， 化学式可写为MO，其中M2＋是二价金属离子，结构中M2＋和O2－分别占据了NaCl中钠离子和氯离子的位置。 以由体正积 负还较离大子可的半径S以2比-作rN采立a方+/r用紧cl-密≈堆投0.积 影图，即所有的质点在某个晶面〔001〕上的投
吉林大学材料科学基础考研第三章16精品PPT课件
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．
福州大学材料科学基础课件-第三章 位错金属的塑性变形
•
实际只有5个变量是独立的。至少应有5个独立 的滑移系才能协调多晶体的塑性变形。
3. 晶粒大小的影响 多晶体的强度随其晶粒细化而提高。满足 霍尔-佩奇(Hall-Petch)关系。
是与材料有关的两个常数。 d：多晶体中各晶粒的平均直径。
0, k
§4 塑性变形对金属组织与性能的影响
一、显微组织的变化
· 单相固溶体合金塑性
变形的特点
2．应变时效
将低碳钢试样拉伸到 产生少量预塑性变形 后卸载，然后重新加 载，试样不发生屈服 现象，但若产生一定 量的塑性变形后卸载， 在室温停留几天或在 低温（如150℃）时 效几小时后再进行拉 伸，此时屈服点现象 重新出现，并且上屈 服点升高，这种现象 即应变时效
§2
单晶体的塑性变形
金属变形的主要方式：滑移、孪生、扭折 一、滑移 （一）滑移线与滑移带
（二）滑称系 晶体的滑移是沿着一定的晶面发生的，此组晶 面称为滑移面，滑移还沿着滑移面上一定的晶向 进行，称为滑移方向。 每一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来 叫做一个滑移系。 FCC： 滑移面｛111｝，滑移方向<110> BCC： 低温｛112｝ 室温｛110｝，高温｛123｝， 而滑移方向都是<111> 滑移面为(0001)，滑移方向为<11 2 0>
· 1．聚合型两相合金的塑性变形 （1）如果两个相都具有塑性，则合金的变形决定于两 相的体积分数。 等应变理论：假定塑性变形过程中两相应变相等。 合金产生一定应变的平均流变应力 σ a = f 1 σ 1 + f2 σ 2 ： 其中：f1、f2为两个相的体积分数 f1+f2=1 σ1、σ2为两个相在此应变时的流变应力 等应力理论：假定塑性变形过程中两相应力相同。 对合金施加一定应力时，平均应变εa= f 1ε1+f 2ε2 其中：f1、f2为两个相的体积分数 ε 1,ε2为此应力下两相的应变
材料科学基础(浙大)PPT课件
最新课件
40
§2-3表面、界面结构及不完 整性
一、晶体的表面
• (一)表面力场 固体表面力
分子间引力主要来源 • (二)晶体表面状态 表面能
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§2-3表面、界面结构及不完 整性
一、晶体的表面
• (三)晶体表面的不均匀性
完美晶格结构的晶体表面：
分成两种类型：
紧密堆积表面：表面平坦，没有波折，所有的原 子距离该表面的平行平面的距离都相等
2
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§2-2位错 二、位错的应力场
• (三)位错核心 位错核心错排严重，不能再简化为连续弹性体。以点 阵模型解决 派—纳(Peierls-Nabarro)模型：实际上是不完全的点阵 模型。设晶体由被滑移面隔开的两个半块晶体组成。 衔接处直接考虑原子间相互作用，内部简化成连续弹 性介质。 派-纳模型中位错的能量组成：两部分。一是两半晶 体中的弹性应变能（主要分布于位错核心之外）；另 一是滑移面两侧原子互作用能（错排能）（基本集中 于位错核心范围内）
• 晶面间距的概念、特点
•正关交注晶晶系面面间间距距的计计算算式： dhkl
1
h2
k
2
l
2
a b c
立方晶系面间距计算式：
dh kl
a h2 k2 l2
注意：以上对简单晶胞而言；复杂晶胞应考虑层
面增加的影响。如，在体心立方或面心立方晶
胞中间有一层，故实际晶面间距应为d001/2。
最新课件
8
§1-1晶体学基础 三、晶体的对称性
• (一) 高分子晶体的形成 基本形态 、高分子材料特点 、高分子结构单 元连接特点 、结构形态 、结晶特性 (二)高分子晶体的形态 高分子晶体形貌：结晶高分子较多地具有球晶 的形貌。一个球晶由沿半径垂直方向的多层晶 片组成。晶片内是缨束状晶区或折叠链晶区。 晶片间是无定形的非晶区偏振光显微镜下聚乙 烯球晶
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
[课件]材料科学基础 第三章晶体缺陷PPT
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2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
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b. 螺型位错 screw dislocation
位错线bb’：已滑移区和未滑移区的边界线
特征：
1）无额外半原子面， 原子错排是轴对称的 2）分左螺旋位错，符合左手法则；右螺旋位错 ，符合右手法则 3）位错线与滑移矢量平行，且为直线，位错线的运动方向与滑移矢量垂直 4）凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带 所有晶面都可以为滑移面。 5) 点阵畸变引起平行于位错线的切应变，无正应变。 6）螺型位错是包含几个原子宽度的线缺陷。
2018/12/13 《材料科学基础》CAI课件-李克 9
3.2.1 位错的基本类型和特征
根据几何结构特征： a. 刃型位错 edge dislocation
b. 螺型位错 screw dislocation
2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
10
a. 刃型位错 edge dislocation
材料科学基础 第三章_晶体缺 陷
第三章 晶体缺陷
Imperfections (defects) in Crystals
It is the defects that makes materials so interesting, just like the human being.
Defects are at the heart of materials science.
1、点缺陷的形成 （production of point defects)
原因：热运动：热振动强度是温度的函数 能量起伏=〉原子脱离原来的平衡位置而迁移别处 Schottky 空位，-〉晶体表面 =〉空位(vacancy)
材料科学基础第三章市公开课获奖课件省名师示范课获奖课件
旳表面自由能。
• 当晶胚不小于临界晶核时，所需旳形核功 不不小于临界形核功。
• 将rk=2σ Tm /Lm/ΔΤ 代入
• ΔG=-4πr3ΔGB/3+4πr2σ 可得
• A=ΔGmax=16πσ3Tm2/3/Lm2/ΔΤ2
(3-13)
• 此式表白：对于一定旳液体，临界形核功
主要取决于过冷度。过冷度越大，临界形
• 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 旳关系：
• ΔGB=GL-GS=(HL-HS)-T(SL-SS) • H所L以-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旳变化很小，可视
• rmax<rk，晶胚难于 • 成核；当ΔT>ΔT*
• 时，存在不小于rk旳 • 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， 单位体积内所形成旳晶核数。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，形核率增长；二是原子 扩散速度随过冷度增大而减慢，形核率减 小。总形核率体现为：
• 假如只有一粒晶核长大，则由这一粒晶核 长大旳金属就是一块金属单晶体。
• 3.1.2 金属结晶旳宏观现象
• 金属结晶伴伴随一系列宏观特征旳变化， 如结晶潜热旳释放，融化熵旳变化等。研 究这些宏观特征旳变化是研究金属结晶过 程旳主要手段。
• 3.1.2.1 冷却曲线与金属结晶温度：用热分 析装置将金属融化后缓慢降温，每隔一定 时间统计一次温度，绘制成温度-时间关系 曲线，称为冷却曲线。这种测定冷却曲线 旳措施叫热分析法。
材料科学基础2-3
（2）半共格相界
若两个相邻晶体在相界处的晶面间距 相差较大，则在相界面上不可能做到 完全的一一对应，于是在界面上产生 了一些位错，以降低界面的弹性应变 能，这是界面上两相原子不封地匹配， 这样的界面称为半共格界面或部分共 格界面
（3）非共格相界
当两相在相界面 处的原子排列相 差很大时，只能 形成非共格界面。 这种界面与大角 度相界相似，可 以看成是由原子 不规则排列很薄 的过度层构成的。
2大角度晶界
多晶体材料中各晶粒间的晶界通常为大角度晶
界。大角度晶界结构通常较复杂，其中原子排 列较不规则，不能用位错模型来描述。
晶界可看成坏区与好区交替组成。随着相差的
增大，坏区的面积将相应增加。纯金属中晶界 宽度不超过3个原子宽度。
3.晶界能
• 晶界能定义形成单位面积界面时，系统自由能的 变化(dF/dA)，他等于界面区单位面积的能量减去 无界面时该区域单位的面积能量。 • 小角度的能量主要来自位错能量，而位错密度又 决定于晶粒的位相差，所以，小角度晶界能也与 位相差有关：
依孪晶界形成原因不同，可分为“形变孪晶”、 “生长孪晶”和“退火孪晶”等。正因为孪晶 与层错密切相关，一般层错能高的晶体不易产 生孪晶。
3.3.4相界
具有不同结构的两相之间的分界称为 “相界”。按结构特点，相界面可分 为共格相界、半共格相界和非共格相 界三种类型。
Байду номын сангаас
（1）共格相界
所谓“共格”是指界面上的原子同时 位于两个界面的结点上，即两相晶格 是彼此衔接的，界面上的原子为两者 共有。但是理想完美共格界面，只有 在孪晶界，且孪晶界即为孪晶界面时 才可能存在。
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互熔，而在固相时，完成互不相熔或只 是有限互熔并发生共晶转变，形成共晶 组织的相图，称为二元共晶相图。
Байду номын сангаас
典型的二元共晶相图
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。
• 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）；
按（独立）组元数目，将系统分为：一元系统、二 元系统、三元系统……
• 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：
f+p=c+n
• 只考虑温度和压力对系统平衡状态的影响:
•
若，F=0，则P=3，即最多有三相平衡。
水的相图
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。
• （4）相律只表示体系中组元和相的数目，不 能指明组元和相的类型和含量。
• （5）不能预告反应动力学（即反应速度问 题）。
单元系统的相图
• 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
• ∴可以用温度和压力作坐标的平面图 (pT图) 来表示系统的相图。
均晶相图分析：
杠杆规则的应用
均晶结晶的特点：
• 固溶体的结晶是在一个温度范围内完成的。
•
纯金属 F=0
•
固溶体 F=1
• 结晶出的固相与共存液相的成分不同
• 结晶过程中固相和液相的成分在不断变化， 因此有原子的扩散
二元相图的基本类型
• （2）共晶相图 在二元系统中，两个组元在液相可以无限
Pb-Sn相图是其典型的代表。
• 另一种是包含有转熔型结构的二元系统（包溶 型）。
Ag-Pt相图是其典型的代表。
共熔型
二元相图的基本类型
• （4）偏晶型相图 特征：
在液态时部分互溶的二元相图，又称偏 熔型二元相图。
典型的相图例子： Ga-Hg相图
二元相图的基本类型
（5）化合物型相图 • 同分熔化化合物型二元系统
F=C-P+2
• 凝聚系统:
•
F=C-P+1
• 式中的P称为相数，显然在f＝0时，
P最大。
几点说明：
• (1)相平衡是研究多相体系的平衡状态如何随 温度、压力和组分浓度等变数而改变的规律；
• (2)相图是根据多相平衡的实验结果而绘制的 几何图形；又称状态图；
• （3）相图中的平衡状态的概念。只适用于热 力学平衡状态，各相温度相等（热量平衡）、 各相压力相等（机械平衡）、各相化学势相等 （化学平衡）。
的均匀的组成部分叫做相，不同相之间有明显 的界面分开,该界面称为相界面。 • 注意： • 相在物理性能和化学性能上是均匀的。 • 相界面和晶界的区别。
2. 相平衡
• 在某一温度下，系统中各个相经过很 长时间也不互相转变，处于平衡状态， 这种平衡称为相平衡。(反之称为非平衡相）
• 各组元在各相中的化学势相同。
• 二元相图的表示法
• 如果合金系由A、B两组元组成，横坐标一端 为组元A，而另一端为组元B，那么体系中任 一成分合金都可以在横坐标上找到相应的点。
• 根据国标，二元合金成分可以有两种表示方法： 质量分数(W)和摩尔分数(x)。但通常多数用 质量百分数表示，在没有特别注明，合金成分 都是指质量百分数。若A、B为单质，质量百 分数和摩尔分数之间可以换算 。
材料科学基础第三章
本章主要内容
• 相与相平衡的基本概念，杠杆规则； • 二元系统各种类型相图的基本特点和阅
读分析； • 三元相图的基本概念，三元匀晶相图，
简单三元共晶相图。
为什么要研究相图？
3.2.1相图的基础知识
• 一、相与相平衡 • 1. 相 (Phase) • 在一个系统中，成分、结构相同，性能一致
A
AB
热力学动态平衡
• 3.组元与独立组分
• 组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来， 并能独立存在的化学纯物质，在一个给定的系统 中，组元就是构成系统的各种化学元素或化合物。
• 化学元素：Cu, Ni, Fe等
• 化合物：Al2O3, MgO, Na2O, SiO2等
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。
• 异分熔化化合物型二元系统
• 固相内化合物生成和分解的二元系统
同分熔化化合物型二元相图
• 这是一种最简单的具有化合物型的二元 相图。
• 所谓的同化是指该化合物在固态和液态 时都具有相同的组成，也称为一致熔化。
• 在金属材料中，最典型的是Nd2O3-Al2O3 • 在非金属材料中称为一致熔融化合物相
• 当然，现在还有使用计算机，通过热力学数据 的计算结果来绘制相图的方法。
热分析法画制Cu-Ni相图
Cu-Pb合金相图
杠杆规则
上式也可写成： wL ob C Co w ao Co CL
杠杆规则示意图
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)。
图。
异分熔化化合物型二元相图
• 所谓异分熔化是指化合物被熔化后的组 成与原先的固态组成完全不同。也称为 不一致熔融。
二元相图的建立方法：
• 二元相图的测定或建立是根据各种成分材料的 临界点（critical point）绘制的。
• 临界点是表示物质结构状态发生本质变化的临 界相变点。测定材料临界点有两种方法类型： (1)动态法：热分析法（thermal analisis method）、膨胀法、电阻法 (2) 静态法： 金相法、X－ray衍射分析法 这些方法主要 是利用合金在相结构变化时，引起物理性能、 力学性能及金相组织变化的特点来测定。
Байду номын сангаас
典型的二元共晶相图
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。
• 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）；
按（独立）组元数目，将系统分为：一元系统、二 元系统、三元系统……
• 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：
f+p=c+n
• 只考虑温度和压力对系统平衡状态的影响:
•
若，F=0，则P=3，即最多有三相平衡。
水的相图
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。
• （4）相律只表示体系中组元和相的数目，不 能指明组元和相的类型和含量。
• （5）不能预告反应动力学（即反应速度问 题）。
单元系统的相图
• 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
• ∴可以用温度和压力作坐标的平面图 (pT图) 来表示系统的相图。
均晶相图分析：
杠杆规则的应用
均晶结晶的特点：
• 固溶体的结晶是在一个温度范围内完成的。
•
纯金属 F=0
•
固溶体 F=1
• 结晶出的固相与共存液相的成分不同
• 结晶过程中固相和液相的成分在不断变化， 因此有原子的扩散
二元相图的基本类型
• （2）共晶相图 在二元系统中，两个组元在液相可以无限
Pb-Sn相图是其典型的代表。
• 另一种是包含有转熔型结构的二元系统（包溶 型）。
Ag-Pt相图是其典型的代表。
共熔型
二元相图的基本类型
• （4）偏晶型相图 特征：
在液态时部分互溶的二元相图，又称偏 熔型二元相图。
典型的相图例子： Ga-Hg相图
二元相图的基本类型
（5）化合物型相图 • 同分熔化化合物型二元系统
F=C-P+2
• 凝聚系统:
•
F=C-P+1
• 式中的P称为相数，显然在f＝0时，
P最大。
几点说明：
• (1)相平衡是研究多相体系的平衡状态如何随 温度、压力和组分浓度等变数而改变的规律；
• (2)相图是根据多相平衡的实验结果而绘制的 几何图形；又称状态图；
• （3）相图中的平衡状态的概念。只适用于热 力学平衡状态，各相温度相等（热量平衡）、 各相压力相等（机械平衡）、各相化学势相等 （化学平衡）。
的均匀的组成部分叫做相，不同相之间有明显 的界面分开,该界面称为相界面。 • 注意： • 相在物理性能和化学性能上是均匀的。 • 相界面和晶界的区别。
2. 相平衡
• 在某一温度下，系统中各个相经过很 长时间也不互相转变，处于平衡状态， 这种平衡称为相平衡。(反之称为非平衡相）
• 各组元在各相中的化学势相同。
• 二元相图的表示法
• 如果合金系由A、B两组元组成，横坐标一端 为组元A，而另一端为组元B，那么体系中任 一成分合金都可以在横坐标上找到相应的点。
• 根据国标，二元合金成分可以有两种表示方法： 质量分数(W)和摩尔分数(x)。但通常多数用 质量百分数表示，在没有特别注明，合金成分 都是指质量百分数。若A、B为单质，质量百 分数和摩尔分数之间可以换算 。
材料科学基础第三章
本章主要内容
• 相与相平衡的基本概念，杠杆规则； • 二元系统各种类型相图的基本特点和阅
读分析； • 三元相图的基本概念，三元匀晶相图，
简单三元共晶相图。
为什么要研究相图？
3.2.1相图的基础知识
• 一、相与相平衡 • 1. 相 (Phase) • 在一个系统中，成分、结构相同，性能一致
A
AB
热力学动态平衡
• 3.组元与独立组分
• 组元通常是指系统中每一个可以单独分离出来， 并能独立存在的化学纯物质，在一个给定的系统 中，组元就是构成系统的各种化学元素或化合物。
• 化学元素：Cu, Ni, Fe等
• 化合物：Al2O3, MgO, Na2O, SiO2等
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。
• 异分熔化化合物型二元系统
• 固相内化合物生成和分解的二元系统
同分熔化化合物型二元相图
• 这是一种最简单的具有化合物型的二元 相图。
• 所谓的同化是指该化合物在固态和液态 时都具有相同的组成，也称为一致熔化。
• 在金属材料中，最典型的是Nd2O3-Al2O3 • 在非金属材料中称为一致熔融化合物相
• 当然，现在还有使用计算机，通过热力学数据 的计算结果来绘制相图的方法。
热分析法画制Cu-Ni相图
Cu-Pb合金相图
杠杆规则
上式也可写成： wL ob C Co w ao Co CL
杠杆规则示意图
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)。
图。
异分熔化化合物型二元相图
• 所谓异分熔化是指化合物被熔化后的组 成与原先的固态组成完全不同。也称为 不一致熔融。
二元相图的建立方法：
• 二元相图的测定或建立是根据各种成分材料的 临界点（critical point）绘制的。
• 临界点是表示物质结构状态发生本质变化的临 界相变点。测定材料临界点有两种方法类型： (1)动态法：热分析法（thermal analisis method）、膨胀法、电阻法 (2) 静态法： 金相法、X－ray衍射分析法 这些方法主要 是利用合金在相结构变化时，引起物理性能、 力学性能及金相组织变化的特点来测定。