材料科學(xué)基礎(chǔ)課件.ppt

材料科學(xué)基礎(chǔ)課件,制作人：張通,目錄,材料結(jié)構(gòu)的基本知識 材料中的晶體結(jié)構(gòu) 高分子材料的結(jié)構(gòu) 晶體缺陷 材料的相結(jié)構(gòu)及相圖 材料的凝固與氣相沉積 擴(kuò)散與固態(tài)相變 材料的變形與斷裂 固體材料的電子結(jié)構(gòu)與物理性能 材料概論,導(dǎo)論,一.材料使用時間劃分：石器時代青銅器時代鐵器時代水泥時代鋼時代硅時代新材料時代 二.工程材料劃分：金屬材料（鋼鐵材料和有色金屬）、陶瓷材料（粘土、石英和長石）、高分子材料(塑料、合成纖維和橡膠）、復(fù)合材料。 三.其它材料 電子材料 ：在電子學(xué)和微電子學(xué)使用的材料，包括半導(dǎo)體材料、介電功能材料和磁性材料 光電子材料：具有光子和電子的產(chǎn)生、轉(zhuǎn)換和傳輸功能的材料。,超導(dǎo)材料：具有一定的低溫條件下呈現(xiàn)出電阻等于零以及排斥磁力線的性質(zhì)的材料。 四.材料性能 金屬材料：導(dǎo)電性，高的塑性和韌性，可作導(dǎo)體 陶瓷材料：高硬度，較脆，可作絕緣體 高分子材料:彈性模量，強(qiáng)度，塑性都很低，多 數(shù)不導(dǎo)電 五.內(nèi)部結(jié)構(gòu)劃分層次：原子結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵、原子的排列方式和顯微組織 六.內(nèi)部結(jié)構(gòu)決定性能 舉例：金屬鍵材料內(nèi)部有大量移動電子，使金屬具有良好導(dǎo)電性。變形時金屬鍵不會破壞，使金,屬具有良好塑性。金屬鍵結(jié)合的原子排列緊密，晶體結(jié)構(gòu)簡單，金屬密度高。共價鍵結(jié)合的材料，電子受束縛不能自由運(yùn)動，通常不導(dǎo)電。共價鍵結(jié)合力很強(qiáng)，變形時要破壞局部鍵的結(jié)合，故材 料硬而脆。原子排列不緊密，晶體結(jié)構(gòu)復(fù)雜，故共價鍵晶體陶瓷密度低。 七.材料科學(xué)定義：研究各種材料的結(jié)構(gòu)、制備加工工藝與性能之間關(guān)系的學(xué)科。,八.材料科學(xué)研究的內(nèi)容：材料結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)知識、晶體結(jié)構(gòu)、晶體缺陷、材料的相結(jié)構(gòu)及相圖、材料的凝固、材料中的原子擴(kuò)散、熱處理、工程材料概論等主要內(nèi)容。,第一章 材料結(jié)構(gòu)的基本知識,原子結(jié)構(gòu) 原子結(jié)合鍵 原子排列方式 晶體材料的組織 材料的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),第一節(jié) 原子結(jié)構(gòu),一、原子的電子排列 1.原子組成：原子核（質(zhì)子和中子）和核外電子。 2.電子排列：原子核外電子的分布，它不僅決定了單個原子的行為，也對工程材料內(nèi)部原子的結(jié)合以及材料的某些性能起著決定性作用。 3.電子排列參數(shù)：主量子數(shù)、次量子數(shù)、磁量子數(shù)以及自旋量子數(shù),（1）主量子數(shù)n： 決定原子中電子能量以及與核的平均距離，即電子所處的量子殼層。 （n=1、2、3、4） （2）次量子數(shù)l：也稱為軌道角量子數(shù)，給出電子在同一量子殼層內(nèi)所處的能級（電子亞殼層）。l=0、1、2、3，這些亞殼層習(xí)慣上以s、p、d、f表示。 （3）磁量子數(shù)m： 給出每個軌道角動量量子數(shù) 的能級數(shù)或軌道數(shù)。它基本上確定了軌道的空間取向。m=0、1、2、3。 （4）自旋量子數(shù)（全名為自旋角動量量子數(shù)） ms：反映電子不同的自旋方向 ， ms = +1/2，-1/2。,5.電子分布服原從理： (1)最低能量原理：原子總是優(yōu)先占據(jù)能量低的軌道，使系統(tǒng)處于最低的能量狀態(tài)。 (2)泡利不相容原理：一個原子中不可能存在有四個量子數(shù)完全相同的兩個電子。 (3)Hund規(guī)則：在同一亞層中的各個能級中，電子的排布盡可能分占不同的能級，而且自旋的方向相同。當(dāng)電子排布為全充滿、半充滿或全空時，是比較穩(wěn)定的，整個原子的能量最低 。,二.元素周期表,1.具有相同核電荷數(shù)的同一類原子為一種元素。 2.元素周期表是元素周期律的具體表現(xiàn)形式，它反映了元素之間相互聯(lián)系的規(guī)律，元素在周期表中的位置反映了那個元素的原子結(jié)構(gòu)和一定的性質(zhì)。,三.結(jié)論,1.原子核周圍的電子按照四個量子數(shù)的規(guī)定從低能到高能依次排列在不同的量子狀態(tài)下，同一原子中電子的四個量子數(shù)不可能完全相同。 2.根據(jù)排列次序建立了元素周期表，各個周期中的元素的性質(zhì)呈現(xiàn)相同的周期變化規(guī)律，元素在周期表上的位置不僅決定了單個原子的行為，也決定了材料中原子的結(jié)合方式以及材料的化學(xué)性能和物理性能。,第二節(jié) 原子結(jié)合鍵,一.原子結(jié)合鍵 1.存在狀態(tài)：凝聚態(tài)（液態(tài)和固態(tài)） 分類 2.一次鍵：結(jié)合力較強(qiáng)，包括離子鍵、共價鍵和金屬鍵。 3.二次鍵：結(jié)合力較弱，包括范德瓦耳斯鍵和氫鍵。,二. 一次鍵,1.離子鍵 （1）通過電子轉(zhuǎn)移形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu)，存在于大多數(shù)鹽類、堿類和金屬氧化物，如NaCI、MgO、CuO、Mg2Si、CrO2。 （2） 基本特點(diǎn)是以離子為基本結(jié)合單位。 (3）一般離子晶體中正負(fù)離子靜電引力較強(qiáng)，結(jié)合牢固。因此。其熔點(diǎn)和硬度均較高。另外，在離子晶體中很難產(chǎn)生自由運(yùn)動的電子，因此，它們都是良好的電絕緣體。但當(dāng)處在,高溫熔融狀態(tài)時，正負(fù)離子在外電場作用下可以自由運(yùn)動，即呈現(xiàn)離子導(dǎo)電性。 2.共價鍵 （1）通過共用電子對形成穩(wěn)定結(jié)構(gòu) （2）共價鍵鍵合的基本特點(diǎn)是核外電子云達(dá)到最大的重疊，形成“共用電子對”，有確定的方位，且配位數(shù)較小。 （3）共價鍵在亞金屬（碳、硅、錫、鍺等）、聚合物和無機(jī)非金屬材料中均占有重要地位。 共價鍵晶體中各個鍵之間都有確定的方位，配位數(shù)比較小。共價鍵的結(jié)合極為,牢固，故共價晶體具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、熔點(diǎn)高、質(zhì)硬脆等特點(diǎn)。共價形成的材料一般是絕緣體，其導(dǎo)電性能差。 3.金屬鍵 （1）金屬中的自由電子和金屬正離子相互作用所構(gòu)成鍵合稱為金屬鍵，例如Na、Mg、Al等。 （2）金屬鍵的基本特點(diǎn)是電子的共有化。 （3）金屬鍵既無飽和性又無方向性，因而每個原子有可能同更多的原子相結(jié)合，并趨于形成低能量的密堆結(jié)構(gòu)。當(dāng)金屬受力變形而改變原子之間的相互位置時，不至于使金屬鍵破壞，這就使金屬具有良好延展性，并且，由于自由電子的存在，金屬一般都具有良好的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能。,三.二次鍵,1.二次鍵：借原子之間的偶極吸引力結(jié)合，例如CH4、CO2、H2、H2O。 2.范德瓦耳斯鍵：屬物理鍵，系一種次價鍵，沒有方向性和飽和性。比化學(xué)鍵的鍵能少12個數(shù)量級，這主要是因?yàn)榕紭O吸引力的作用 3.范德瓦耳斯鍵的鍵能低，但它仍然是材料結(jié)合鍵的重要組成部分，依靠它大部分氣體才能聚合為液態(tài)甚至固態(tài)，當(dāng)然它們的穩(wěn)定性極差。,4.氫鍵 氫鍵是一種特殊的分子間作用力，本質(zhì)上與范德瓦耳斯鍵一樣，它是由氫原子同時與兩個電負(fù)性很大而原子半徑較小的原子（O，F(xiàn)，N等）相結(jié)合而產(chǎn)生的具有比一般次價鍵大的鍵力。也是靠原子（或分子、原子團(tuán)）的偶極吸引力結(jié)合起來的，只是氫鍵中氫原子起了關(guān)鍵作用。,原子核,電子云,原子核,電子云,a）理論電子云的分布,b）原子偶極矩的產(chǎn)生,質(zhì)上是一個裸露的質(zhì)子，對另一個電負(fù)性值較大的原子Y表現(xiàn)出較強(qiáng)的吸引力，這樣，氫原子便在兩個電負(fù)性很強(qiáng)的原子（或原子團(tuán)）之間形成一個橋梁，把二者結(jié)合。起來，成為氫鍵。所以氫鍵可以表達(dá)為：X-HY。 氫與X原子（或原子團(tuán)）為離子鍵結(jié)合，與Y之間為氫鍵結(jié)合，通過氫鍵將X、Y結(jié)合起來，X與Y可以相同或不同。 氫鍵具有飽和性和方向性，氫鍵在高分子材料中特別重要。,（3）混合鍵 對于某一具體材料而言，似乎只具有單一的結(jié)合鍵，如金屬應(yīng)為金屬鍵，A族元素應(yīng)為共價鍵，電負(fù)性不同的元素應(yīng)結(jié)合成離子鍵。然而，實(shí)際材料中單一結(jié)合鍵的情況并不是很多，大部分材料的內(nèi)部原子結(jié)合鍵往往是各種鍵的混合。 陶瓷化合物中出現(xiàn)離子鍵和共價鍵混合的情況很常見，通常金屬正離子與非金屬離子所組成的化合物不是純粹的離子化合物，它們的性質(zhì)不能僅用離子鍵理解?；衔镏须x子鍵的比例取決于組成元素中電負(fù)性差。電負(fù)性差相差越大，則離子鍵比例越高。鮑林推薦以下公式來確定化合物AB中離子結(jié)合鍵的相對值：,另一種混合鍵表現(xiàn)為兩種類型的鍵獨(dú)立純在例如一些氣體分子以共價鍵結(jié)合，而分子凝聚則依靠范德瓦力。聚合物和許多有機(jī)材料的長鏈分子內(nèi)部是共價鍵結(jié)合，鏈與鏈之間則是范德瓦力或氫鍵結(jié)合。石墨碳的上層為共價鍵結(jié)合，而片層間則為范德瓦力二次鍵結(jié)合。 正由于大多數(shù)工程材料的結(jié)合鍵是混合的，混合的方式比例又隨材料的組成而變，因此材料的性能可在很廣的范圍變化。從,而滿足工程實(shí)際各種不同的需要。 （4）結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距 固體中原子是依靠結(jié)合鍵力結(jié)合起來的 不論是何種類型的結(jié)合鍵，固體原子間 總存在著兩種力：一是吸引力，來源于電荷間的靜電吸引；二是同種電荷之間的排斥力。當(dāng)距離很遠(yuǎn)時，排斥力很小，只有當(dāng)原子間接近至電子軌道互相重疊時，排斥與吸引力相等，兩原子便穩(wěn)定在此相對位置上，這一距離r0相當(dāng)于原子的平衡距離，或稱為原子間距。當(dāng)原子距離被外力拉開時，吸引力則力圖使它們回到平衡距離r0,反之，當(dāng)原子壓縮時，排斥力起作用，使之回到平衡距離r0。 如果從能量的角度來看問題的話，我們說，在作用力等于零的平衡距離下能量應(yīng)該達(dá)到最低值，表明在該距離下體系處于穩(wěn)定狀態(tài)。當(dāng)兩個原子無限遠(yuǎn)時，原子間無作用力，作用能為零。當(dāng)距離在吸引力作用下靠近時，體系的位能逐漸下降,使體系的組態(tài)熵增加，引起自由能下降。 當(dāng)這對矛盾達(dá)到統(tǒng)一時，系統(tǒng)就達(dá)到平衡。因?yàn)橄到y(tǒng)都具有最小自由能的傾向，由此確定的點(diǎn)缺陷濃度即為該溫度下的平衡濃度。,（5）結(jié)合鍵與性能,材料結(jié)合鍵的類型及鍵能大小對某些性能有重要影響，主要表現(xiàn)在以下兩個方面： 1.物理性能： （1）熔點(diǎn)的高低代表了材料穩(wěn)定性的程度。物質(zhì)加熱時，當(dāng)熱振動能足以破壞相鄰原子間的穩(wěn)定結(jié)合時，便會發(fā)生熔化，所以熔點(diǎn)與鍵能值有較好的對應(yīng)關(guān)系：共價鍵、離子鍵化合物的熔點(diǎn)較高，其中純共價鍵金剛石具有最高熔點(diǎn)，金屬的熔點(diǎn)相對較低，但過渡族金屬有較高的熔點(diǎn)，特別是難熔金屬W、Mo、Ta等熔點(diǎn)都很高。而具有二次鍵結(jié)合的材料的熔點(diǎn)一般很低，如聚合物,（2）材料的密度與結(jié)合鍵的類型有關(guān)。大多數(shù)金屬有高的密度，主要有兩個原因：第一，金屬元素有較高的相對原子質(zhì)量；第二，也是更重要的，金屬鍵的結(jié)合方式?jīng)]有方向性，金屬原子總是趨于密集排列。相反，對于離子鍵或共價鍵結(jié)合的情況，原子排列不可能很致密，所以它們的化合物的密度較低。而聚合物由于二次鍵結(jié)合，分子鏈堆垛不緊密，加上組成原子的質(zhì)量較?。–、H、O），在工程材料中具有最低的密度。,原子排列不可能很致密，所以它們的化合物的密度較低。而聚合物由于二次鍵結(jié)合，分子鏈堆垛不緊密，加上組成原子的質(zhì)量較小（C、H、O），在工程材料中具有最低的密度。 （3）此外，金屬鍵使金屬材料具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，而由非金屬鍵結(jié)合的陶瓷、聚合物均在固態(tài)下不導(dǎo)電，它們可以作為絕緣體或絕熱體在工程上應(yīng)用。 2.力學(xué)性能：,（1）彈性模量是材料應(yīng)力-應(yīng)變曲線上彈性變形段的斜率，在拉伸變形中通常稱它為楊式模量，以E表示。而結(jié)合鍵能是影響彈性模量的主要因素，結(jié)合鍵能越大，則“彈簧”越“硬”，原子之間距離的移動所需要的外力就越大，即彈性模量越大。如金剛石具有最高的彈性模量值，E=1000GPa；其他一些工程陶瓷如碳化物、氧化物等結(jié)合鍵能也較高，它們的彈性模量為250-600GPa；由金屬鍵結(jié)合的金屬材料，彈性模量略低些，一般約為70-350GPa；而聚合物由于二次鍵的作用，彈性模量僅為0.7-3.5GPa。,（2）工程材料的強(qiáng)度與結(jié)合鍵能也有一定的聯(lián)系，一般說來，結(jié)合鍵能高的，強(qiáng)度也高些，然而強(qiáng)度在很大程度上還取決于材料的其他結(jié)構(gòu)因素，如材料的組織，因此它與鍵能之間的對應(yīng)關(guān)系不是很明顯。此外，材料的塑性與結(jié)合鍵類型有關(guān)，金屬鍵賦予材料良好的塑性；而離子鍵、共價鍵結(jié)合，使塑性變形困難，所以陶瓷材料的塑性很差。,第三節(jié) 原子的排列方式,1.固體根據(jù)原子（或原子團(tuán)、分子)分為晶體和非晶體。 2.晶體 原子排列：粒子(原子、離子或分子)在三維空間呈周期性的規(guī)則重復(fù)排列。 特點(diǎn)：各向異性：不同方向原子的排列方式不相同，因而其表現(xiàn)的性能也有差異；固定的熔點(diǎn)：排列規(guī)律能保持時呈現(xiàn)固體，溫度升高到某一特定值，排列方式的解體，,原子成無規(guī)則堆積，這時大多呈現(xiàn)不能保持自己形狀的液體。 3.非晶體：粒子(原子、離子或分子)在三維空間呈非周期性的無規(guī)則重復(fù)排列。 特點(diǎn)： 各向同性：不同方向原子的排列方式相同，因而其表現(xiàn)的性能也相同； 無固定的熔點(diǎn),4.原子排列的研究方法 原子的尺寸極小，用通常的光學(xué)顯微鏡和電子顯微鏡很難直觀的看到材料內(nèi)部的原子及其排列方式。那么，在材料研究中，我們經(jīng)常用下面兩種方法來進(jìn)行研究分析： 1.X射線法； 2.電子束法。 這兩種方法的原理就是光學(xué)中的干涉和衍射。,第四節(jié) 晶體材料的組織,1.材料的組織:各種晶粒的組合特征，即各種晶粒的相對量，尺寸大小、形狀及分布等特征。 2.宏觀組織：粗大的能用肉眼觀察到的組織。 顯微組織(金相組織）：需要用金相顯微鏡或電子顯微鏡才能觀察到的組織。 3.單相組織：具有單一相的組織，所有晶粒的化學(xué)組成相同，晶體結(jié)構(gòu)也相同。,其特征主要用晶粒尺寸和形狀描述。 4.固溶體：有些合金中合金元素完全溶解于基體中， 形成均勻的合金相，形成單相固溶組織。 5.多向組織:具有兩相以上晶體組成。,第五節(jié) 材料的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),1 同一種材料在不同條件下可以得到不同的結(jié)構(gòu)，其中能量最低的結(jié)構(gòu)稱為穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)或平衡態(tài)結(jié)構(gòu)，而能量相對較高的結(jié)構(gòu)則稱為亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)。 2.從熱力學(xué)的角度來看，能量最低的結(jié)構(gòu)最穩(wěn)定，因此獲得穩(wěn)定結(jié)構(gòu)最有利。然而，實(shí)際上體系存在的結(jié)構(gòu)并不一定是穩(wěn)態(tài)的，很多情況下得到的卻是能量較高的亞穩(wěn)態(tài)，這是由結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變的動力學(xué)條件決定的。因,此，材料最終得到什么結(jié)構(gòu)必須綜合考慮結(jié)構(gòu)形成的熱力學(xué)條件和動力學(xué)條件。 3.熱力學(xué)條件：是指結(jié)構(gòu)形成時必須沿著能量降低的方向進(jìn)行，或者說結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變必須存在一個推動力，只有這樣，過程才能自發(fā)進(jìn)行。 動力學(xué)條件：是指過程的反應(yīng)速度。任何反應(yīng)都存在著阻力，阻力最小的過程總是進(jìn)行得最快最容易實(shí)現(xiàn)，所以動力學(xué)條件的實(shí)質(zhì)是考慮阻力。 4.體系最終得到的結(jié)構(gòu)還取決于轉(zhuǎn)變過程的外界條件，如溫度、壓力、冷卻速度等。當(dāng)然這些因素還是通過改變熱力學(xué)條件和動力學(xué)條件來影響結(jié)構(gòu)的。,第二章材料中的晶體結(jié)構(gòu),晶體學(xué)基礎(chǔ) 純金屬的晶體結(jié)構(gòu) 離子晶體的結(jié)構(gòu) 共價晶體的結(jié)構(gòu),第一節(jié) 晶體學(xué)基礎(chǔ),1.空間點(diǎn)陣：由幾何點(diǎn)做周期性的規(guī)則排列所形成的三維陣列。它是原子的理想排列， 共有14種。 陣點(diǎn)：空間點(diǎn)陣中的點(diǎn)。它是純粹的幾何點(diǎn)，各點(diǎn)周圍環(huán)境相同。 晶格：描述晶體中原子排列規(guī)律的空間格架。 晶胞：空間點(diǎn)陣中最小的幾何單元。,晶體結(jié)構(gòu)：原子、離子或原子團(tuán)按照空間點(diǎn)陣的實(shí)際排列。 可能存它在局部缺陷， 可有無限多種。 2.晶胞選取原則：能夠充分反映空間點(diǎn)陣的對稱性；相等的棱和角的數(shù)目最多；具有盡可能多的直角；體積最小。 3.晶胞的描述： 有三個棱邊的長度a,b,c及其夾角,示晶胞中點(diǎn)的位置表示（坐標(biāo)法）。,4.布拉菲點(diǎn)陣： 根據(jù)每個陣點(diǎn)的周圍環(huán)境相同的要求，將空間點(diǎn)陣分為14種點(diǎn)陣分屬7個晶系。 5.晶向：空間點(diǎn)陣中各陣點(diǎn)列的方向。 晶面：通過空間點(diǎn)陣中任意一組陣點(diǎn)的平 面。 國際上通用米勒指數(shù)標(biāo)定晶向和晶面。 晶向指數(shù)的標(biāo)定。 6. 晶相指數(shù)的確定步驟：,（1）建立坐標(biāo)系，確定原點(diǎn)（陣點(diǎn)）、坐標(biāo)軸和度量單位（棱邊）。 （2）確定坐標(biāo)值 （3）化整并加方括號 注意：指數(shù)意義是代表相互平行、方向一致 的所有晶向。 負(fù)值：標(biāo)于數(shù)字上方，表示同一晶向 的相反方向。,晶向族：晶體中原子排列情況相同但空間位向不同的一組晶向。用表示，數(shù)字相同，但排列順序不同或正負(fù)號不同的晶向?qū)儆谕痪蜃濉?7. 晶相指數(shù)的確定步驟： （1）建立坐標(biāo)系：確定原點(diǎn)（非陣點(diǎn)）、坐標(biāo)軸和度量單位。 （2）求截距：x,y,z。 （3）取倒數(shù)：h,k,l。 （4）化整數(shù)加加圓括號：h、k、l,加后(hkl)。 注意：指數(shù)意義:代表一組平行的晶面；,0的意義：面與對應(yīng)的軸平行； 平行晶面：指數(shù)相同，或數(shù)字相同但正負(fù)號相反; 晶面族：晶體中具有相同條件（原子排列和晶面間距完全相同），空間位向不同的各組晶面。用hkl表示。 若晶面與晶向同面，則hu+kv+lw=0; 若晶面與晶向垂直，則u=h, k=v, w=l,8. 六方系晶向指數(shù)和晶面指數(shù) 六方系指數(shù)標(biāo)定的特殊性：四軸坐標(biāo)系（等價晶面不具有等價指數(shù)）。 晶面指數(shù)的標(biāo)定: 標(biāo)法與立方系相同(四個截距)；用四個數(shù)字(hkil)表示；i=-(h+k)。 晶向指數(shù)的標(biāo)定標(biāo)法與立方系相同(四個坐標(biāo))；用四個數(shù)字(uvtw)表示；t=-(u+w)。 依次平移法：適合于已知指數(shù)畫晶向（末點(diǎn)）。 坐標(biāo)換算法：UVWuvtw u=(2U-V)/3, v=(2V-U)/3, t=-(U+V)/3, w=W。,9. 晶帶：相交和平行于某一晶向直線所有晶面的組合。此直線叫晶帶軸。同一晶帶中的晶面叫共晶面。晶帶用晶帶軸的晶向指數(shù)表示。晶帶軸與該晶帶中任一晶面之間均滿足下列關(guān)系： hu+kv+lw=0， 凡滿足上式的晶面都屬于以uvw為晶帶軸的晶帶。,10.（1） 由兩晶面(h1k1l1) (h2k2l2)求其 晶帶軸uvw：u=k1l2-k2l1; v=l1h2-l2h1; w=h1k2-h2k1。 （2）由兩晶向u1v1w1u2v2w2求其決定 的晶面(hkl)。 （3）H=v1w1-v2w2; k=w1u2-w2u1; l=u1v2-u2v1。 （4）晶面間距（簡單立方）： d=a/(h2+k2+l2)1/2,第二節(jié) 純金屬的晶體結(jié)構(gòu),1. 典型晶體結(jié)構(gòu): 面心立方（A1或fcc)、體 心立方(A2或bcc)、密排六方(A3或hcp)。 2.配位數(shù)（CN）：晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周圍 最近且等距離的原子數(shù)。 致密度（K）：晶體結(jié)構(gòu)中原子體積占總體 積的百分?jǐn)?shù)。K=nv/V。 間隙半徑（rB）：間隙中所能容納的最大圓球半徑。,三種典型晶體結(jié)構(gòu)的特征,3.多晶型性：元素的晶體結(jié)構(gòu)隨外界條件的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變的性質(zhì)。 4.四 影響原子半徑的因素：溫度與應(yīng)力、結(jié)合鍵的影響、配位數(shù)的影響（高配位結(jié)構(gòu)向低配位結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時，體積膨脹，原子半徑減小減緩體積變化）、核外電子分布的影響（一周期內(nèi)，隨核外電子數(shù)增加至填滿，原子半徑減小至一最小值。,第三節(jié) 離子晶體的結(jié)構(gòu),1.離子晶體的主要特點(diǎn)： （1）硬度高強(qiáng)度大，熔點(diǎn)沸點(diǎn)較高，熱膨脹系數(shù)較小，脆性大。 （2）良好的絕緣性 （3）無色透明 2.離子半徑：從原子核中心到最外層電子的平衡距離，反映了核對核外電子的吸引和核外電子之間排斥的平均效果，是決定離子結(jié)構(gòu)晶體結(jié)構(gòu)類型的一個重要幾何因素。,配位數(shù)（CN）：晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周圍最近且等距離的原子數(shù)。 致密度（K）：晶體結(jié)構(gòu)中原子體積占總體積的百分?jǐn)?shù)。K=nv/V。 間隙半徑（rB）：間隙中所能容納的最大圓球半徑。 3.離子的堆積：立方最密堆積、六方最密堆積、立方體心密堆積、四面體堆積。正離子居于負(fù)離子空隙。 4.負(fù)離子配位多面體：在離子晶體結(jié)構(gòu)中，與某一個正離子成配位關(guān)系而緊鄰的各個負(fù)離子中心線所構(gòu)成的多面體。,5. 離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則： （ 1）鮑林第一規(guī)則（負(fù)離子配位多面體規(guī)則）：在離子晶體中，正離子周圍形成一個負(fù)離子配位多面體，正負(fù)離子間的平衡距離取決于正負(fù)離子半徑之和，正離子的配位數(shù)取決于正負(fù)離子的半徑比。 （2）鮑林第二規(guī)則（電價規(guī)則含義）：一個負(fù)離子必定同時被一定數(shù)量的負(fù)離子配位多面體所共有。 （3）鮑林第三規(guī)則（棱與面規(guī)則）：在配位結(jié)構(gòu)中，共用棱特別是共用面的存在，會降低這個結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。,第四節(jié) 共價晶體的結(jié)構(gòu),1. 共價晶體：由兩種非金屬元素的原子或異種元素的原子通過共價鍵結(jié)合而形成的無限大分子。又名原子晶體。 2. 主要特點(diǎn)：共價鍵具有明顯的飽和性和強(qiáng)烈的方向性，原子配位數(shù)比離子型晶體和金屬性晶體小。共價鍵的結(jié)合力比離子鍵強(qiáng)，晶體具有高強(qiáng)度高硬度。脆性大沸點(diǎn)高和揮發(fā)性低的特點(diǎn)，導(dǎo)電性差。,第三章 高分子材料的結(jié)構(gòu),高分子材料概述 高分子鏈的結(jié)構(gòu)及構(gòu)象 高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu) 高分子材料的性能與結(jié)構(gòu),第一節(jié) 高分子材料概述,1. 高分子化合物：一種或多種低分子化合物聚合而成的相對分子質(zhì)量很大的化合物，又稱聚合物或高聚物。相對分子質(zhì)量大于5000。 低分子化合物：對分子質(zhì)量小于5000，分子 有幾個或幾十個原子。 評定標(biāo)準(zhǔn)：高分子化合物具有較好的強(qiáng)度、 塑性和彈性，低分子化合物沒有這些性能。 2. 單體:組成高分子化合物的低分子化合物。 它是化合物獨(dú)立存在的基本單元，是單個分 子存在的穩(wěn)定狀態(tài)。,3. 鏈節(jié)：組成大分子的結(jié)構(gòu)單元。 聚合度：大分子鏈中鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)，反 映了大分子鏈的長短和相對分子質(zhì)量。 4. 官能度：在一個單體上能與別的單體發(fā)生鍵合的位置數(shù)目。單體分子的官能度決定了高分子的結(jié)構(gòu)。 5. 多分散性:高分子化合物中各個分子的相對分子質(zhì)量不等的現(xiàn)象叫做相對分子質(zhì)量的多分散性。它只存在于高分子化合物，決定了它的物理和化學(xué)性能的大分散度。 6. 平均相對分子質(zhì)量分為數(shù)均相對分子質(zhì)量和重均相對分子質(zhì)量。,7.加聚反應(yīng)：由一種或多種單體相互加成而連接成聚合物的反應(yīng)，其產(chǎn)物為聚合物。 組成：與單體相同。反應(yīng)過程中沒有副產(chǎn)物。 均聚反應(yīng)：由一種單體參與的加聚反應(yīng)。 共聚反應(yīng)：由兩種或兩種以上單體參與的加聚反應(yīng)。 8.縮聚反應(yīng)：由一種或多種單體相互混合而連接成聚合物，同時析出某種低分子化合物的反應(yīng)。 均縮聚反應(yīng)：由一種單體參加的縮聚反應(yīng)。 共縮聚反應(yīng)：由兩種或兩種以上單體參加的縮聚反應(yīng)。,9. 分子化合物的分類： 加聚聚合物按聚合反應(yīng)的類型分為加聚聚合物和縮聚聚合物。 按高分子的幾何結(jié)構(gòu)分為線型聚合物和體型聚合物。 按聚合物的熱行為分為熱塑性聚合物和熱固性聚合物。,第二節(jié) 高分子鏈的結(jié)構(gòu)及構(gòu)象,1. 高分子鏈的結(jié)構(gòu)是指組成高分子結(jié)構(gòu)單元的化學(xué)組成鏈接方式、空間構(gòu)型、高分子鏈的幾何形狀及構(gòu)象等。 2. 高分子是由單體通過加聚和縮聚反應(yīng)連結(jié)而成的鏈狀分子。高分子鏈中的重復(fù)結(jié)構(gòu)為鏈節(jié)。根據(jù)鏈節(jié)中化學(xué)組成不同，高分子鏈主要有以下幾種：碳鏈高分子、雜鏈高分子、元素有機(jī)高分子。 3. 鏈接方式：均聚物中單體的連接方式：頭尾連接、頭頭或尾尾相連、無軌連接。,聚物中單體的連接方式： 無軌共聚：ABBABBABA 交替共聚：ABABABAB 嵌段共聚：AAAABBAAAABB 接枝共聚：AAAAAAAAAAA B B B B B B 4. 高分子鏈的空間構(gòu)型（按取代基的位置與排列規(guī)律） 分類： 全同立構(gòu)：取代基R全部處于主鏈一側(cè)。,間同立構(gòu)：取代基R相間分布在主鏈兩側(cè)。 無軌立構(gòu)：取代基R在主鏈兩側(cè)不規(guī)則分布。 5. 高分子鏈的幾何形狀：線型、支化型、體型。 高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（鏈間結(jié)構(gòu)、分子間結(jié)構(gòu)） 無定形結(jié)構(gòu)、部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)、結(jié)晶型結(jié)構(gòu) 。 6. 高分子鏈的構(gòu)象：由于單鏈內(nèi)旋轉(zhuǎn)引起的原子在空間據(jù)不同位置所構(gòu)成的分子鏈的各種形象。 7. 高分子鏈的柔順性：高分子由于構(gòu)象變化獲得不同卷曲程度一般用兩端點(diǎn)間的直線距離衡量。,影響因素：高分子鏈的結(jié)構(gòu)和所處條件（溫度壓力介質(zhì)等），也與高分子作用力有關(guān)。 結(jié)構(gòu)因素：主鏈結(jié)構(gòu)和側(cè)基性質(zhì)。主鏈全由單鏈組成時，分子鏈柔順性最好。極性的側(cè)基使柔順性降低；側(cè)基體積越大，柔順性越低。對稱側(cè)基使柔順性增高。側(cè)基沿分子鏈分布的距離、分子間的化學(xué)鍵等結(jié)構(gòu)因素對柔順性也有影響。,第三節(jié) 高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu),1.高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)：聚合物本體中分子鏈的排列和堆積結(jié)構(gòu)。按照高分子排列的特點(diǎn)，固體聚合物的聚集狀態(tài)結(jié)構(gòu)分為晶態(tài)和非晶態(tài)。 2.晶態(tài)聚合物主要有櫻狀膠束結(jié)構(gòu)模型和折疊鏈狀結(jié)構(gòu)模型。 3.非晶態(tài)聚合物主要有無序結(jié)構(gòu)模型和局部有序結(jié)構(gòu)模型。,4. 結(jié)晶度：結(jié)晶的程度，并用結(jié)晶部分的質(zhì)量和 體積占整體重量或體積的百分比表示。 測定方法：X射線衍射法、密度法、紅外光譜法、 核磁共振法和量熱法，最簡單易行最常用密度 法。 5. 線型聚合物結(jié)晶能力受分子結(jié)構(gòu)影響規(guī)律： （1）結(jié)構(gòu)簡單規(guī)整度高對稱性好的高分子容易 結(jié)晶。 （2）等規(guī)聚合物結(jié)晶能力強(qiáng)。 （3）縮聚物都能結(jié)晶 （4）高分子鏈的支化不利于結(jié)晶,6. 玻璃化溫度：當(dāng)一塊玻璃冷卻到熔點(diǎn)溫度以下時， 在某一溫度范圍內(nèi)仍是塑形的，但冷卻到某一 溫度時，發(fā)生玻璃硬化，這時的溫度叫做玻璃化溫度。,第四節(jié) 高分子材料的性能與結(jié)構(gòu),1. 高分子材料的主要性能特點(diǎn): （1）彈性模量和強(qiáng)度都較低 （2）從液態(tài)凝固后多為非晶態(tài) （3）容易老化 （4）原料豐富，成本低，密度小，化學(xué)穩(wěn) 定好，有良好絕緣性能。 （5）良好光學(xué)性能 2. 高分子材料分為 熱塑性塑料、熱固性塑料和橡 膠。,3. 改變高分材料性能的途徑 （1）改變結(jié)晶度 （2）改變側(cè)基的性質(zhì) （3）改變主鏈的結(jié)構(gòu) （4）共聚 （5）拉拔強(qiáng)化,4. 熱缺陷的產(chǎn)生：原子一定溫度下熱振動，能量是按麥克斯威爾波茲曼分布出現(xiàn)起伏，總有一些高能量原子，離開平衡位置，造成缺陷。 熱缺陷兩種主要形態(tài)： 弗倫克爾缺陷：原子離開平衡位置后，擠到格子點(diǎn)的間隙中，形成間隙離子，而原來位置上形成空位，成對產(chǎn)生。 肖特基缺陷：原子獲得較大能量，移到表面外新的位置上去，原來位置則形成空位，空位逐漸轉(zhuǎn)移到內(nèi)部，體積增加。,第四章 晶體缺陷,點(diǎn)缺陷 位錯的基本概念 位錯的能量機(jī)交互作用 晶體中的界面,第一節(jié) 點(diǎn)缺陷,1. 缺陷的分類 缺陷是一種局部原子排列的破壞。按照按缺陷的幾何形狀缺陷可以分為： （1）點(diǎn)缺陷 在三維方向上尺寸都很?。ㄟh(yuǎn)小于晶體或晶粒的線度），又稱零維缺陷。典型代表有空位、間隙原子等。 （2）線缺陷 在兩個方向尺寸很小，一個方向尺寸較大（可以和晶體或晶粒線度相比擬），又稱為一維缺陷。位錯是典型的線缺陷，是一種非常重要的缺陷。,（3）面缺陷 在一個方向尺寸很小，另兩個方向尺寸較大，又稱二維缺陷。如晶粒間界、晶體表面、層錯等。 2.點(diǎn)缺陷的種類有很多，但金屬中常見的基本點(diǎn)缺陷有兩種類型：空位和間隙原子。 3.一定溫度下，點(diǎn)缺陷的數(shù)目是一定的，這就是點(diǎn)缺陷的平衡濃度。 空位及間隙原子在熱力學(xué)上是平衡濃度為：,其中Ce為某一種類型點(diǎn)缺陷的平衡濃度，N為晶體的原子總數(shù)，A為材料常數(shù)，T熱力學(xué)溫度，k玻爾茲蔓常數(shù)，u該類型缺陷的形成能。 對點(diǎn)缺陷的平衡濃度的理解： (1) 一方面，晶體中點(diǎn)缺陷的形成引起了點(diǎn)陣的畸變，使晶體的內(nèi)能增加，提高了系統(tǒng)的自由能。 (2) 另一方面，由于點(diǎn)缺陷的形成，增加了點(diǎn)陣排列的混亂度，系統(tǒng)的微觀狀態(tài)數(shù)目發(fā)生變化。,點(diǎn)缺陷的類型,返回,4. 赫姆霍茲自由能 ：A=UTS 赫姆霍茲自由能變化：A=UTS U內(nèi)能 H焓 S熵 T熱力學(xué)溫度 由公式可以看出，點(diǎn)缺陷產(chǎn)生使內(nèi)能增加，自由能有增大趨勢；同時點(diǎn)缺陷產(chǎn)生使系統(tǒng)混亂程度增加，熵值增加，自由能有減小趨勢；自由能變化由二者共同決定。 熵值的增加隨缺陷數(shù)量的變化是非線性的，少量點(diǎn)缺陷的存在使熵增快速增加，繼續(xù)增加點(diǎn)缺陷使熵增變化逐漸變緩。U和S這兩項(xiàng)相反作用的結(jié)果使自由能變化A如圖所示。,先隨晶體中缺陷數(shù)目的增多，自由能逐漸降低，然后又逐漸增高，這樣體系中在一定溫度下存在著一個平衡的點(diǎn)缺陷濃度，在該濃度下體系的自由能最低。也就是說由熱振動產(chǎn)生的點(diǎn)缺陷屬于熱力學(xué)平衡缺陷，晶體中存在這些缺陷使自由能是降低的；相反，如果沒有這些卻陷，自由能反而升高。 5.過飽和點(diǎn)缺陷：有時晶體中缺陷的數(shù)目會明顯超過平均值，這種點(diǎn)缺陷成為過飽和點(diǎn)缺陷。這是由于高溫淬火、輻照冷加工造成的。 6.點(diǎn)缺陷可以造成金屬物理性能與力學(xué)性能的變化,（1）引起電阻的增加。破壞了原子排列的規(guī)律性，使電子在傳導(dǎo)時的散射增加，從而增加了電阻。 （2）空位使晶體的密度下降，體積膨脹 （3）空位的存在及其運(yùn)動是晶體高溫下發(fā)生蠕變的重要原因之一。 （4）高溫快速冷卻時保留的空位，或經(jīng)輻照處理后空位，這些過量空位往往沿一些晶面聚集，形成空位片，或它們與其他晶體缺陷發(fā)生交互作用，因而使材料強(qiáng)度有所提高，但同時也引起顯著的脆性。,第二節(jié) 位錯的基本概念,1.位錯：原子行列間相互滑移，不再符合理 想晶格的有序的排列，為線缺陷。 2.位錯最重要、最基本的形態(tài)有刃形位錯和 螺形位錯兩種，另有介于它們之間的混合 型位錯等。 3.刃型位錯：滑移面和未滑移面交界處的一條交界線（如動畫所示），也即一個多余半原子面與滑移面相交的交線上，由于原子失掉正常的相鄰關(guān)系，形成的晶格缺陷。它與滑移方向垂直。,刃型位錯的正負(fù)：多余半原子面在滑移面上邊的刃型位錯稱為正刃型位錯，反之稱為負(fù)刃型位錯 位錯核心：畸變在位錯中心處最大，隨著距離的增大逐漸減小。一般是原子錯排嚴(yán)重到失掉正常相鄰關(guān)系的區(qū)域。 4.螺型位錯：滑移面和未滑移面交界處的一條交界線（如動畫所示），它所貫穿的一組原來是平行的晶面變成了一個以此為軸的螺旋面，原子失掉正常的相鄰關(guān)系，形成的晶格缺陷。它與滑移方向平行。 螺型位錯的左右旋：螺旋面為右旋的為右旋螺型 位錯，反之為左旋螺型位錯 螺型位錯的晶體生長特點(diǎn)：蜷線臺階,5.混合型位錯：位錯線與滑移方向既不平行也不垂直，原子排列介于螺型位錯與刃型位錯之間。 6.螺型位錯與刃型位錯的區(qū)別 （1）螺型位錯中不存在多余半原子面，而是垂直于位錯線的原子平面發(fā)生了螺旋狀的扭曲。 （2）螺位錯線的b與其位錯線相平行，而刃位錯線的b與其位錯線相互垂直，這是區(qū)別螺位錯與刃位的主要依據(jù)。 （3）螺型位錯可分為左螺型位錯和右螺型位錯，與正負(fù)刃位錯不同，左右螺型位錯是不能相互轉(zhuǎn),化的，不管從哪個方向看，旋轉(zhuǎn)的方向是不會變 （4）螺位錯與刃位錯的滑移運(yùn)動有一個重要的差別，即刃位錯有確定的滑移面 刃型位錯、螺型位錯和混合位錯在本質(zhì)上的共同點(diǎn)： （1）它們都是線缺陷； （2）它們都可以在外力的作用下發(fā)生滑移運(yùn)動，而且運(yùn)動的結(jié)果都是在位錯線滑移過的區(qū)域之中，造成了上下兩半晶晶體整體相對位移過一個b的距離，這一點(diǎn)是非常重要的。,7.柏式矢量的表示：通常用其沿晶體主軸的分量來表示， 刃型位錯與其柏格斯矢量互相垂直，而螺型位錯與其柏格斯矢量互相平行。 位錯強(qiáng)度：指柏格斯矢量的大小。 位錯柏格斯矢量的守恒性： （1）一個位錯只具有唯一的柏格斯矢量。位錯運(yùn)動或形態(tài)變化矢量不變，矢量的大小及方向完全決定于位錯本身，而與回路之大小與形狀無關(guān) （2）位錯線不能在晶體內(nèi)部中斷?？蛇B接晶體表面，形成封閉位錯環(huán)等,7.柏式回路：在好區(qū)中圍繞位錯作一閉合回路，回路的每一步，都連接相鄰的同類原子，并且始終保持在晶體的好區(qū)，這個回路稱柏式回路（螺型位錯與刃型位錯）。 柏式矢量：反映含與不含位錯的兩個晶體的差別，體現(xiàn)實(shí)際晶體所含位錯根本特征的矢量。為閉合在兩種晶體上繞走同樣步數(shù)而無法閉合的回路所附加的矢量。 （3）位錯與其他位錯相聯(lián)，指向節(jié)點(diǎn)(即位錯線交點(diǎn))的諸位錯的柏格斯矢量之和，必然等于離開節(jié)點(diǎn)的諸位錯的柏格斯矢量之和。 柏式矢量的表示：通常用其沿晶體主軸的分量來表示， 刃型位錯與其柏格斯矢量互相垂直，而螺型位錯與其柏格斯矢量互相平行。,位錯強(qiáng)度：指柏格斯矢量的大小。 柏式矢量方向確定：回路的正向與位錯線正向組成右手螺旋關(guān)系。（位錯正向?yàn)閺募埍车郊埫妫?8.位錯密度：在單位體積晶體中所包含的位錯線的總長度。 A截面積 n穿過截面積的位錯線數(shù)目 9.交滑移：如果由于某種原因，螺位錯在某一平面上的滑移運(yùn)動受阻，那麼只要應(yīng)力條件具備，它可以繞過障礙向另一個滑移面上繼續(xù)滑移，稱為交滑移。螺位錯交滑移時，滑移面改變了，但b矢量不變。 10. 位錯的觀察：浸蝕技術(shù)和透射電鏡觀察,位錯的滑移特征,下頁,上頁,第三節(jié) 位錯的能量及交互作用,位錯的應(yīng)變能,第三節(jié) 位錯的能量及交互作用,1.位錯的能量：位錯在晶體中引起畸變，具有能量。包括位錯核心能和應(yīng)變能（核心以外的能量）兩部分 應(yīng)變能：位錯周圍的原子偏離了平衡位置， 處于較高能量狀態(tài)，高出的能量稱為位錯 的應(yīng)變能，簡稱位錯能。 刃型位錯： 螺型位錯：,r0位錯內(nèi)部半徑 r1位錯在晶體中的影響范圍 無論是刃型、螺型還是混合型位錯，均有： a常取0.51.0，螺型位錯取0.5，刃型位錯取1.0，即位錯的能量與切變模的平方成正比，所以柏氏矢量的模是影響位錯能量的最重要因素,2.位錯的線張力 由此可知，保持位錯線彎曲所需的切應(yīng)力曲率半徑成反比，這一關(guān)系式對位錯運(yùn)動及增殖有重要意義,第四節(jié) 晶體中的界面,1.面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它們對材料的力學(xué)和物理化學(xué)性能具有重要影響。 2.大角度晶界：晶粒位向差大于10度的晶界。其結(jié)構(gòu)為幾個原子范圍內(nèi)的原子的混亂排列，可視為一個過渡區(qū)。 小角度晶界：晶粒位向差小于10度的晶界。其結(jié)構(gòu)為位錯列，又分為對稱傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。 晶界能：原子偏離了平衡位置，相對于晶體內(nèi)部，晶界處于較高的能量狀態(tài)，高出的那部分能量。,孿晶界：兩塊相鄰孿晶的共晶面。分為共格孿晶界和非共格孿晶界。 表面吸附：外來原子或氣體分子在表面上富集的現(xiàn)象。 物理吸附：由分子鍵力引起，無選擇性，吸附熱小，結(jié)合力小。 化學(xué)吸附：由化學(xué)鍵力引起，有選擇性，吸附熱大，結(jié)合力大。 3. 界面特性： （1）界面能會引起界面吸附。 （2）界面上原子擴(kuò)散速度較快。 （3）對位錯運(yùn)動有阻礙作用。 （4）易被氧化和腐蝕。 （5）原子的混亂排列利于固態(tài)相變的形核。,第五章 材料的相結(jié)構(gòu)及相圖,材料的相結(jié)構(gòu) 二元相圖及其類型 復(fù)雜相圖分析 相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ) 三元系相圖及其類型,第一節(jié) 材料的相結(jié)構(gòu),1 合金：兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬經(jīng)一定方法合成的具有金屬特性的物質(zhì)。 組元：組成合金最基本的物質(zhì)。（如一元、二元、三元合金） 合金系：給定合金以不同的比例而合成的一系列不同成分合金的總稱。 相：材料中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一的組成部分。（如單相、兩相、多相合金。）,2. 相的分類 固溶體：以合金中某一祖元為溶劑其他組元為溶質(zhì)，所形成的與溶劑有相同晶體結(jié)構(gòu)、晶格常數(shù)稍有變化的固相。 中間相（金屬化合物）：組成原子有固定比例，其結(jié)構(gòu)與組成組元均不相同的相。 3. 按溶質(zhì)原子位置不同，可分為置換固溶體和間隙固溶體。 按固溶度不同，可分為有限固溶體和無限固溶體。 按溶質(zhì)原子分布不同，可分為無序固溶體和有序固溶體。,1. 置換固溶體：溶質(zhì)原子位于晶格點(diǎn)陣位置的固溶體。 影響置換固溶體溶解度的因素: (1) 原子尺寸因素:原子尺寸差越小，越易形成置換固溶體，且溶解度越大。 r=(rA-rB)/rA,當(dāng)r15%時，有利于大量互溶。 (2) 晶體結(jié)構(gòu)因素:結(jié)構(gòu)相同，溶解度大，有可能形成無限固溶體。 (3) 電負(fù)性因素:電負(fù)性差越小，越易形成固,溶體，溶解度越大。 (4) 電子濃度因素:電子濃度e/a越大，溶解度越小。e/a有一極限值，與溶劑晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。一價面心立方金屬為1.36，一價體心立方金屬為1.48。 （上述四個因素并非相互獨(dú)立，其統(tǒng)一的理論的是金屬與合金的電子理論） 2. 間隙固溶體 影響因素：原子半徑和溶劑結(jié)構(gòu)。 溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶體 3. 陶瓷材料中的固溶方式：置換或間隙固溶，甚至形成無限固溶體。,4. 中間相是由金屬與金屬，或金屬與類金屬元素之間形成的化合物，也稱為金屬間化合物。 （1 ）正常價化合物 形成：電負(fù)性差起主要作用，符合原子價規(guī)則。 鍵型：隨電負(fù)性差的減小，分別形成離子鍵、共價鍵、金屬鍵。 組成：AB或AB2。 （2） 電子化合物（電子相） 形成：電子濃度起主要作用，不符合原子價規(guī)則。 鍵型：金屬鍵（金屬金屬）。,（3）組成：電子濃度對應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)，可用化學(xué)式表示，可形成以化合物為基的固溶體。 （4） 間隙化合物 形成：尺寸因素起主要作用。 結(jié)構(gòu)：簡單間隙化合物（間隙相）：金屬原子呈現(xiàn)新結(jié)構(gòu)，非金屬原子位于其間隙，結(jié)構(gòu)簡單。 （5）復(fù)雜間隙化合物：主要是鐵、鈷、鉻、錳的化合物，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 組成：可用化學(xué)式表示，可形成固溶體，復(fù)雜間隙化合物的金屬元素可被置換。,第二節(jié) 二元相圖及其類型,1. 相圖：描述系統(tǒng)的狀態(tài)、溫度、壓力及成分之間關(guān)系的圖解。 相律：描述材料在不同條件下相平衡狀態(tài)所準(zhǔn)尋的法規(guī)，是理解分析相圖十分重要的理論依據(jù)。 相圖和相律只在熱力學(xué)平衡條件下成立，不能反映各平衡相的結(jié)構(gòu)，分布狀態(tài)及其具體形貌。,2. 相律：熱力學(xué)平衡條件下，系統(tǒng)的組元數(shù)、相數(shù)和自由度數(shù)之間的關(guān)系。 表達(dá)式：f=c-p+2; 壓力一定時，f=c-p+1。 應(yīng)用：可確定系統(tǒng)中可能存在的最多平衡相 數(shù)。如單元系2個，二元系3個?？梢越忉尲兘饘倥c二元合金的結(jié)晶差別純金屬結(jié)晶恒溫進(jìn)行，二元合金變溫進(jìn)行。 3. 相圖的表示與建立 狀態(tài)表示：溫度成分坐標(biāo)系。坐標(biāo)系中的點(diǎn)表象點(diǎn)。 4.杠桿定律：平衡相成分的確定（根據(jù)相率，若溫度一定，則自由度為0，平衡相成分隨,之確定。） 數(shù)值確定：直接測量計算或投影到成分軸測量計算。 注意：只適用于兩相區(qū)；三點(diǎn)（支點(diǎn)和端點(diǎn)）要選準(zhǔn) 5. 勻晶相圖及其分析 勻晶轉(zhuǎn)變：由液相直接結(jié)晶出單相固溶體的轉(zhuǎn)變。 勻晶相圖：具有勻晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。 兩點(diǎn)：純組元的熔點(diǎn)； 兩線：L, S相線； 三區(qū)：L, , L+。,6.（1）共晶轉(zhuǎn)變：由一定成分的液相同時結(jié)晶出兩個一定成分固相的轉(zhuǎn)變。 共晶相圖：具有共晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。 （液態(tài)無限互溶、固態(tài)有限互溶或完全不溶，且發(fā)生共晶反應(yīng)。 共晶組織：共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。（是兩相混合 物） 成分表示：質(zhì)量分?jǐn)?shù)或摩爾分?jǐn)?shù)。 相圖的建立 方法：實(shí)驗(yàn)法和計算法。,過程：配制合金測冷卻曲線確定轉(zhuǎn)變溫 度填入坐標(biāo)繪出曲線。 相圖結(jié)構(gòu)：兩點(diǎn)、兩線、三區(qū)。 （2）相圖分析（相圖三要素） 點(diǎn) ：純組元熔點(diǎn)；最大溶解度點(diǎn)；共晶（是亞共晶、過共晶成分分界點(diǎn)）等。 線：結(jié)晶開始、結(jié)束線；溶解度曲線；共晶線等。區(qū)：3個單相區(qū)；3個兩相區(qū)；1個三相區(qū)。 （3）合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相 圖為例 ）,Wsn19的合金 凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。 二次相（次生相）的生成：脫溶轉(zhuǎn)（二次析出或二次再結(jié)晶）。 室溫組織（）及其相對量計算。 （4）共晶合金 組織組成物與組織圖 組織組成物：組成材料顯微組織的各個不同本質(zhì)和形態(tài)的部分。 組織圖：用組織組成物填寫的相圖。,共晶成分的合金得到的亞、過共晶組織（偽共晶區(qū)偏移） 不平衡共晶：位于共晶線以外成分的合金發(fā)生共晶反應(yīng)而形成的組織。 原因：不平衡結(jié)晶。成分位于共晶線以外端點(diǎn)附件。 離異共晶：兩相分離的共晶組織。 形成原因：平衡條件下，成分位于共晶線上兩端點(diǎn)附近;不平衡條件下，成分位于共晶線外兩端點(diǎn)附。 消除：擴(kuò)散退火。 （5）不平衡結(jié)晶及其組織 偽共晶： 偽共晶：由非共晶成分的合金所得到的,完全共晶組織。 形成原因：不平衡結(jié)晶。成分位于共晶點(diǎn)附近。 不平衡組織：由非共晶成分的合金得到的完全共晶組織 包晶轉(zhuǎn)變：由一個特定成分的固相和液相生成,第三節(jié) 復(fù)雜的相圖分析,1. 分析方法： （1）相圖中若有穩(wěn)定中間相，可以把相圖分為幾個部分，根據(jù)需要選取某一部分進(jìn)行分析。 （2）許多相圖往往只標(biāo)注單向區(qū)，為了便于分析相圖，應(yīng)根據(jù)相區(qū)接觸法則填寫各空白相區(qū)，也可用組織組成物填寫相圖。 （3）利用典型成分分析合金的結(jié)晶過程及組織相變，并利用杠桿定律分析各相相對量隨變化情況。,2. 二 鐵碳合金相圖 （1）組元和相 組元：鐵石墨相圖：Fe,C; 鐵滲碳體相圖：Fe-Fe3C。 相：L, , A(), F(), Fe3C(K)。（其定義） （2）相圖分析 點(diǎn)：16個。 線：兩條磁性轉(zhuǎn)變線；三條等溫轉(zhuǎn)變線； 其余三條線：GS,ES,PQ。 區(qū)：5個單相區(qū)，7個兩相區(qū)，3個三相區(qū)。 相圖標(biāo)注：相組成物標(biāo)注的相圖。,組織組成物標(biāo)注的相圖。 （3 ）合金分類： 工業(yè)純鈦（C%2.11%） 3.平衡結(jié)晶過程及其組織 典型合金（7種）的平衡結(jié)晶過程、組織化、室溫組織及其相對量計算。 重要問題：Fe3C, Fe3C, Fe3C 的意義及其最大含量計算。,5 含碳量對平衡組織和性能的影響 對平衡組織的影響（隨C%提高）： 組織：Fe3C LdFe3C； 相：減少，F(xiàn)e3C增多； Fe3C形態(tài)：Fe3C（薄網(wǎng)狀、點(diǎn)狀） 析Fe3C（層片狀） Fe3C（網(wǎng)狀） 共晶Fe3C（基體） Fe3C（粗大片狀） 對力學(xué)性能的影響： 強(qiáng)度、硬度升高，塑韌性下降。 對工藝性能的影響: 適合鍛造：C%2.11%，可得到單相組織。 適合鑄造：C%4.3%。，流動性好。 適合冷塑變：C%0.25%，變形阻力小。 適合熱處理：0.02182.11，有固態(tài)相變。,第四節(jié) 相圖的熱力學(xué)基礎(chǔ),化學(xué)位與相平衡條件 （1）化學(xué)位：偏摩爾吉布斯自由能。用 表示。 化學(xué)位的確定：在自由能成分曲線上，過成分點(diǎn)的切線與兩縱軸的交點(diǎn)。 （2）相平衡的條件：兩組元在各相中的化學(xué)位分別相等 在自由能成分曲線上，表現(xiàn)為各曲線間有公切線。,第五節(jié) 三元系相圖及其類型,1. 三元相圖與二元相圖比較，組元數(shù)增加了1個,即成分變量是兩個，故表示成分的坐標(biāo)軸應(yīng)為2個,需要用一個平面表示，再加上垂直于該平面的溫度軸，這樣三元相圖就演變成一個在三維空間的立體圖形，分隔相區(qū)的是一系列空間曲面，而不是二元相圖的平面曲線。 2. 三元相圖的成分表示方法 (1) 等邊成分三角形 常用三角形來表示三元合金的成分，這樣的三角形稱為濃度三角形或成分三角。,常用的成分三角形是等邊三角形和直角三角形。,(2) 直角成分坐標(biāo)表示法 當(dāng)三元系成分以某一組元為主，其他兩個組元含量很少時，合金成分點(diǎn)將靠近等邊三角形某一頂點(diǎn)。若采用直角坐標(biāo)表示成分，則可使該部分相圖更為清楚的表示出來，一般用坐標(biāo)原點(diǎn)代表高含量組元，而兩個互相垂直的坐標(biāo)軸代表其他兩個組元的成分，如下圖所示 。,(3) 等腰成分三角形 當(dāng)三元系中某一組元含量較少，而另兩組元含量較大時，合金成分點(diǎn)將靠近等邊成分三角形的某一邊。為了使該部分相圖清晰的表示出來，常采用等腰三角形，即將兩腰的刻度放大,而底邊的刻度不變。如圖5-103所示,對于O點(diǎn)成分的合金，其成分的確定方法與前述等邊三角形的確定方法相同，即過O點(diǎn)分別引兩腰的平行線與AC邊相交于a和c點(diǎn)，則： CaWA30 AcWC60 AbWB10。 雖然，上述成分表示方法在三元相圖中都有應(yīng)用，但應(yīng)用最為廣泛的還是等邊三角形。,3.等邊成分三角形中特定意義的線 (1) 平行于三角形某一邊的直線。凡成分位于該線上的所有合金，它們所含的由這條邊對應(yīng)頂點(diǎn)所代表的組元的含量為一定值。如圖中ef直線上代表B組元的含量均為Ae。 (2)通過三角形頂點(diǎn)的任一直線 凡成分位于該直線上的所有合金它們所含的由另兩個頂點(diǎn)所代表的兩組元的含量之比為一定值。如圖5-104 中Bg 線上的所有合金A、C兩組元的質(zhì)量分?jǐn)?shù)之比為WA/WC=Cg/Ag 。,4. 直線法則：三元合金中兩相平衡時，合金的成分點(diǎn)和兩個平衡相的成分點(diǎn)，必須在同一直線上。 由直線法則可得到以下規(guī)律： (1) 當(dāng)溫度一定時，若已知兩平衡相的成分，則合金的成分必位于兩平衡相成分的連線上； (2) 當(dāng)溫度一定時，若已知一相的成分及合金的成分，則另一平衡相的成分必位于兩已知成分點(diǎn)的連線的延長線上； (3) 當(dāng)溫度變化時，兩平衡相的成分變化 時，其連線一定繞合金的成分點(diǎn)而轉(zhuǎn)動。,5. 三組元在液相和固相均完全互溶的相圖為三元勻晶相圖。 6. 等溫截面是由表示溫度的水平面與空間模型中各個相界面相截得到交線投影到成分三角形中得到的，它表示三元系合金在某一溫度下的狀態(tài)。,第六章 材料的凝固與氣體沉積,材料凝固時晶核的