第二章材料結構基礎

1、材料結構基礎,材料科學與工程學系王秀麗wangxl@zju.edu.cn,材料科學與人類文明,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,課件下載,材料科學與工程學系主頁本科生教育教學課件,,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,主要內(nèi)容,原子、離子和分子金屬鍵、離子鍵和共價鍵晶體結構：晶胞，晶面指數(shù)，晶向指數(shù)晶體缺陷：點缺陷，線缺陷，面缺陷合金的基本相：固溶體和中間相,2024/2/29

2、,材料科學與人類文明--材料結構基礎,尺度表征,Examples,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,材料的尺度,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,材料的尺度,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,材料的尺度,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,材料的結構層次,,,,,,,宏觀結構Macroscopi

3、c Structure,微觀結構Microscopic Structure,原子尺度Atomic Level,亞原子尺度Subatomic Level,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,Chap2-1原子組成、化學鍵,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,原子的構成,物質(zhì)由原子構成！原子(atom)=質(zhì)子(proton)+中子(nucleus)+電子(electron)帶電量——質(zhì)子：

4、+ 1.6?10-19 庫侖；電子： - 1.6?10-19 庫侖；中子：0質(zhì)量——質(zhì)子：1.67?10-27 Kg；中子： 1.67?10-27 Kg；電子： 9.11?10-31 Kg原子的質(zhì)量集中在原子核，核外電子的質(zhì)量可以忽略不計原子的半徑約為10-10 m（0.1 nm）數(shù)量級，其中，原子核的半徑不超過10-14 m,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,原子結構模型,Rutherford's

5、model,無法解釋電子不向原子中心坍塌的原因,質(zhì)子和中子組成原子核，電子繞原子核作高速運動,The solar system,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,核外電子的運動,Bohr's model, 1913,電子在原子核外作繞核（循軌）運動和自旋運動其運動軌道的能級分立不連續(xù)在多電子的原子中，電子的分布遵循泡利不相容原理和能量最低原理最外層的電子所處的能級最高，最不穩(wěn)定，稱為價電子。化學鍵主要

6、取決于價電子,注意不同軌道的形狀！Heisenberg’s Uncertainty PrincipleWave function: the probability of finding an electron with special energy in the space surrounding the nucleus,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,核外電子軌道,To specify an electro

7、n state, one need:n—principal quantum number l—orbital quantum numberm—magnetic quantum numbers—spin quantum number,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,核外電子軌道能級排序,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,玻爾原子模型的證據(jù)舉例,發(fā)射光子能量：,,2024/2/29,材料

8、科學與人類文明--材料結構基礎,原子結構舉例,H：1s1He：1s2Li：1s22s1Na：1s22s22p63s1,核外電子的排列元素周期表,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,元素周期表,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,電負性,電負性降低,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,化學鍵,材料的性能是由以下因素決定的：內(nèi)因成分——材料是由哪些物質(zhì)（原子）構成

9、的？化學鍵——構成材料的原子如何結合在一起？晶體結構——構成材料的原子是如何排列的？外因溫度、壓力和化學鍵關系密切的材料性能：密度、導電性、導熱性、熱膨脹、硬度,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,原子間作用力,兩個原子之間存在的相互作用力，包括原子核與核外電子之間的吸引力，以及原子核、核外電子之間的排斥力。在某一間距a0處，吸引力和排斥力達到平衡，勢能最低，原子最穩(wěn)定。,2024/2/29,材料科學與人

10、類文明--材料結構基礎,化學鍵種類,由于核外電子結構，特別是價電子結構的不同，原子之間的結合方式（化學鍵）也不同?？梢苑譃殡x子鍵、共價鍵、金屬鍵、范德華力和氫鍵。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,離子鍵,價電子被電負性大的元素原子吸引，正負離子平衡形成離子鍵特點：結合力大，無方向性組成的離子晶體硬度高、強度高、脆性大、絕緣舉例：NaCl、Al2O3、CaF2,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結

11、構基礎,共價鍵,共用價電子對；特點：結合力大、飽和性、方向性由它組成的共價鍵晶體熔點高、強度高、脆性大舉例：金剛石、BN 、 SiC 、 Si3N4,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,共價鍵的方向性,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,金屬鍵,原子失去價電子形成正離子；正離子在三維空間規(guī)則排列形成晶格；價電子為全體原子共有（自由電子），在晶格間自由運動，形成電子氣；正離子和電子氣之

12、間產(chǎn)生靜電吸引使離子結合起來。,金屬鍵特點：無方向性、價電子可以在晶體中自由運動,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,金屬,金屬由金屬鍵結合，具有下列特征：良好的導電、導熱性；良好的塑性變形能力（因為金屬鍵沒有方向性，原子間沒有選擇性）；不透明，呈現(xiàn)金屬光澤；電阻隨溫度升高而增大。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,氫鍵,H與O、N、F等電負性高的原子A（A=O、N、F等）組成共價鍵分子

13、時，共有電子對（電荷中心）偏向原子A。此時，H原子一側帶正電，A原子一側帶負電。一個分子的H原子可以和另一個分子的A原子通過正負電荷相互作用而形成一種附加鍵，即氫鍵。氫鍵存在于H2O、HF、NH3和許多高分子化合物中。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,為什么冰的密度低于水,冰中水分子的排列,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,分子鍵,結合過程沒有電子得失、共有或公有化，價電子分布幾乎不變。范

14、得瓦耳斯力其實是分子偶極之間作用力。由分子鍵形成的物質(zhì)熔點低、硬度低、絕緣。,在某一瞬間，一個原子的正負電荷中心可能不重合，從而形成小的偶極子。小偶極子之間的相互作用力稱范德華力。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,化學鍵結合強度比較,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,各種材料中可能存在的化學鍵,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,化學鍵與材料熔點,* Increasin

15、g covalent bonding,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,化學鍵與材料熱膨脹系數(shù),2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,Chap2-2晶體結構,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,晶體和非晶體,晶體：固體材料中原子在三維空間呈周期性規(guī)則排列，有規(guī)則外形，有一定熔點，各向異性。舉例：食鹽、蔗糖非晶體：原子不規(guī)則排列，無規(guī)則外形，無一定熔點，各向同性。舉例：萘

16、,,雪花六種形貌,實際晶體SEM照片,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,介 觀,宏 觀,晶體的結構與形狀,晶體的結構,晶體的形狀,,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,,Morphology of PbS crystal with NaCl structure,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,ABA,ABCA,ATOMIC PACKING,2024/2/29,

17、材料科學與人類文明--材料結構基礎,大多數(shù)固態(tài)金屬內(nèi)部的原子都在三微空間整齊規(guī)律地排列（晶體）。因此其原子位置可以畫成三微空間立體格子形式，稱為晶格 (crystal lattice)； 構成晶格的最小立體格子單位稱晶胞(unit cell)。金屬的主要晶體結格有三種：面心立方（Face-centered cubic, FCC）體心立方（Body-centered cubic, BCC）密排六方（Hexagonal close-

18、packed, HCP）,金屬晶體結構,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,,FCC結構,舉例：Al、Cu、?-Fe、Ag、Au,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,FCC結構,,,晶胞原子數(shù)：6×1/2 +8×1/8 =4晶胞常數(shù)：,,,,原子填充率（晶胞中被原子填充的體積百分率）APF：,,2024/2/29,

19、材料科學與人類文明--材料結構基礎,BCC結構,,,,舉例：Cr、Mo、W、V,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,BCC結構,,,晶胞原子數(shù)：1+8×1/8 =2晶胞常數(shù)：,,,,原子填充率：,,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,HCP結構,,,,,,,舉例：Cd、Ti、Be、Mg、Zn、Zr,,,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,HCP結構,,,晶胞

20、原子數(shù)：3+12×1/6+2 ×1/2 =6晶胞常數(shù)：,,,,原子填充率：,,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,假設固體為完整的晶體，其密度?可近似認為是晶胞的密度：,,n——晶胞原子數(shù)M——一個原子的質(zhì)量Vc——晶胞體積A——元素的原子量NA——阿佛加德羅常數(shù)，NA=6.022?1023。,材料密度估算,2024/2/29,

21、材料科學與人類文明--材料結構基礎,例題,純鐵在910 ?C以上為FCC結構（?-Fe，a=0.129 nm），910 ?C以下為BCC結構（?-Fe，a=0.126 nm）。估算：1）兩種結構純鐵的理論密度；2）純鐵從910 ?C以上冷卻到910 ?C以下后的體積變化。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,Answer,考慮4個Fe原子,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,同素異構體,一種

22、元素的固體的不同晶體結構形態(tài)稱為同素異構體。例如，C有四種同素異構體：石墨、金剛石、富勒烯、納米管。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,晶向指數(shù)與晶面指數(shù),為了能明確的、定量的表示晶格中任意兩原子間連線的方向或任意一個原子面。,用米勒指數(shù)（Miller indices）來統(tǒng)一標定,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,1) 晶向指數(shù),求法：,定原點,— 建坐標,— 化最小整數(shù),— 加[ ]

23、,,— 求坐標,例：,o,X 軸坐標 —— 1,Y 軸坐標 —— 1,Z 軸坐標 —— 1,[ ],[111],2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,1) 晶向指數(shù),求法：,定原點,— 建坐標,— 化最小整數(shù),— 加[ ],— 求坐標,,例：,[111],,X 軸坐標 —— 0,Y 軸坐標 —— 0,Z 軸坐標 —— 1,[ ],[001],2024/2/29,材料科學與人類文

24、明--材料結構基礎,[ ],1) 晶向指數(shù),求法：,定原點,— 建坐標,— 化最小整數(shù),— 加[ ],— 求坐標,,例：,[111],,X 軸坐標 —— 1,Y 軸坐標 —— -1,Z 軸坐標 —— 1,,[001],3. 實際上表示所有相互平行、方向一致的晶向[u v w],特點：,1. 直接表示任意兩點連線的方向,2. 只表示方向，不表示長短,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,,,繪

25、出[100]、 晶向,,,,繪出[231]、 晶向,,[231],,,,,,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,,,,繪出[100]、 晶向,,,,[231],,,,,,,,,,,繪出[231]、 晶向,技巧：,當晶向指數(shù)中有大于1的數(shù)時，,,外延晶胞，直接求點,將指數(shù)化為分數(shù),2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,,

26、2) 晶面指數(shù),求法：,定原點,— 求截距,— 化最小整數(shù),— 加（）,— 取倒數(shù),例：,,X 軸坐標 —— 1,Y 軸坐標 —— 1,Z 軸坐標 —— 1,( ),1 1 1,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,,2) 晶面指數(shù),2. 實際上表示所有相互平行的晶面（ h k l ),求法：,定原點,— 求截距,— 化最小整數(shù),— 加（）,特點：,1. 直接表示任意晶面,— 取倒數(shù),例：,

27、,X 軸坐標 —— 1,Z 軸坐標 —— ∞,( ),1 1 0,Y 軸坐標 —— 1,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,繪出 晶面,,,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,課堂練習：,請繪出下列晶向：,請繪出下列晶面：,[001],[010],[100],[110],[112],(001),(010),(100),(

28、110),(112),,,,,,,,,,,,,,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,課堂練習：,請繪出下列晶向：,[001],[010],[100],[110],[112],,,,,,,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,2. 一個晶向指數(shù)代表一系列相互平行、方向相同的晶向,晶向族：,1. 立方晶系，數(shù)字相同，僅正負號、數(shù)字排序不同的屬同一晶向族,3. 一個晶向族

29、代表一系列性質(zhì)地位相同的晶向,—— 加 ,例：,,,,,[111],[100],3) 晶向族與晶面族,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,2. 一個晶面指數(shù)代表一系列相互平行的晶面,晶面族：,1. 立方晶系，數(shù)字相同，僅正負號、數(shù)字排序不同的屬同一晶面族,3. 一個晶面族代表一系列性質(zhì)地位相同的晶面,—— 加 ｛ ｝,例：,,(110),= { 110 },(111),,,,2

30、024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,4) 晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的關系,指數(shù)數(shù)字相同的晶向與晶面相互垂直,—— 僅 對于立方晶系而言,例：,,,,,[110] 與 (110),[100] 與 (100),[111] 與 (111),2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,六方晶系的晶向指數(shù)與晶面指數(shù),采用a1、a2、a3和c四軸坐標系,a1、a2、a3軸共面，夾角120°,—— 只有兩個獨

31、立,晶向：[ u v t w ]  －（u + v）＝ t 或 u＋v＋t＝0,晶向：[ u v t w ]  －（u + v）＝ t 或 u＋v＋t＝0,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,,,,,

32、,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,晶面間距越大， 則該晶面上原子排列越密集晶面間距越小， 則該晶面上原子排列越稀疏,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,不同晶面原子排列密度不同。FCC、BCC、HCP的原子最密排面分別為(111)、(110)、(001)。不同晶向原子排列密度不同。FCC、BCC、HCP的原子最密排方向分別為(111) [110]、(110) [111]、(001) [00

33、1]。因此，一些力學性能也不同。,應用舉例,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,二氧化鈦納米棒,,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,應用舉例——天然斷面,CaF2,PbS,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,X-射線衍射,衍射條件——布拉格定律：,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,X射線衍射,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,Ch

34、ap2-3晶體缺陷,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,晶體缺陷,實際晶體并不是完整的，含有許多缺陷。這些缺陷可分為點缺陷、線缺陷及面缺陷。,“Crystals are like people, it is the defects in them which tend to make them interesting!” —— Colin Humphreys,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎

35、,缺陷與材料性能,缺陷對材料的性能有很重要的影響 !,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,點缺陷,產(chǎn)生原因：①熱運動；②射線輻射；③快速淬火點缺陷使周圍晶格發(fā)生畸變，提高晶體內(nèi)能，降低導電率，提高強度。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,熱運動平衡空位濃度,熱運動產(chǎn)生的平衡空位濃度Nv可以用下式計算：,,Ns——完整晶格中的格點數(shù)Qv——空位形成能（表征在完整晶格中形成空位的難易程度）kB

36、——玻爾茲曼常數(shù)，1.38?10-23 J/atom-KT——溫度，單位K。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,例題,估算300 K時Cu中的平衡空位濃度（已知Qv=0.9 ev/atom，?=8.4 g/cm3，原子量A=63.5 g/mol）。答案：7.4?107 vacancies/cm3Cu為面心立方晶體結構,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,線缺陷——位錯,,,產(chǎn)生原因：①

37、點缺陷坍塌；②應力作用下的塑性變形位錯越多，其運動越困難，材料的強度、硬度越高，脆性越大。,刃型位錯,螺型位錯,位錯是只在1維尺度上尺寸很大的缺陷，由晶體中原子平面的錯動引起。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,位錯,含有刃型位錯的晶體結構,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,螺型位錯,位錯,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料

38、結構基礎,位錯,混合位錯,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,位錯線的實驗觀察,,透射電鏡照片,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,位錯密度,晶體中位錯的量可以用位錯線的長度來表征。位錯密度指單位體積中位錯線的總長度。退火金屬中位錯密度約為1010 m/m3，即每立方厘米中位錯線的總長度約為10 Km。這個數(shù)據(jù)盡管看起來很大，實際上仍有99.999%的金屬原子在正常的晶格格點位置上。,2024/2

39、/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,面缺陷,,,晶界——晶粒之間的界面,光學顯微鏡照片,面缺陷包括晶界、亞晶界、相界面、表面等,,應用：納米材料、晶粒細化,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,體缺陷,體缺陷是三維缺陷，包括：孔洞(Pores)——影響材料的力學、光學、熱學性能；裂紋(Cracks)——影響材料的力學性能；夾雜(Inclusions)——影響材料的力學、光學、電學性能。,材料制備過程中盡量

40、避免出現(xiàn)體缺陷?。?2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,Chap2-4合金基本相,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,合金的基本相,幾個概念合金(Alloy)——以一種金屬元素為基礎，加入其它金屬或非金屬而組成的具有金屬特性的材料。組元(Constituent)——組成合金的最基本的獨立的物質(zhì)。可以是金屬元素、非金屬元素或穩(wěn)定的化合物。相(Phase)——成分、結構相同，性能均一，并有界

41、面與其它部分隔開的獨立均勻的組成部分。合金中的基本相有固溶體和中間相兩種。組織(Microstructure)——合金結構的微觀形貌?？梢允菃蜗嗟?，也可以是多相的。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,舉例,Al-Si二元合金組元：Al、Si相：Al(Si)、Si組織：Al(Si)、Si,45號鋼Fe-C二元合金組元：Fe、C相：Fe(C)、Fe3C組織：鐵素體（F）、珠光體（P）,2024/2/29

42、,材料科學與人類文明--材料結構基礎,固溶體,,,,溶液,固溶體,固溶體——以一種金屬元素為基礎，其它合金元素（金屬或非金屬）的原子溶入基礎元素的晶格中所形成的相?；A元素稱為溶劑，溶入元素稱為溶質(zhì)。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,固溶體的分類,置換固溶體：溶質(zhì)原子取代晶格中溶劑原子原子的位置。形成無限固溶體的前提：溶質(zhì)和溶劑金屬的晶格型式相同。間隙固溶體：尺寸較小的溶質(zhì)原子進入晶格空隙。固溶體的特點（1

43、）晶格型式同溶劑；（2）性能和溶劑接近。固溶體中溶質(zhì)原子使溶劑晶格發(fā)生畸變，因此其強度、硬度比溶劑元素高，塑性韌性變化不大——固溶強化,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,晶格中的間隙,,,面心立方中的八面體間隙能容納的最大球半徑=0.414R,體心立方中的八面體間隙能容納的最大球半徑=0.154R,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,BCC鐵中的C,2024/2/29,材料科學與人類文明-

44、-材料結構基礎,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,中間相,組成化合物的合金元素按一定比例結合；晶格型式不同于各組成元素的晶格；結合方式：金屬鍵和其它鍵（離子鍵、共價鍵、分子鍵）相混合；化學分子式不符合化合價規(guī)律（因為結合含金屬鍵形式）；具有金屬的性質(zhì)，但性能和組成元素原有性能差別較大。,合金組元之間發(fā)生化學反應，形成晶體結構不同于任一組元的新相。由于它們在二元相圖上的位置總是位于中間，故通常把這些相稱為中間

45、相，也稱為金屬間化合物。其特點有：,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,中間相的分類,正常價化合物——由負電性差別較大的組元組成，組元的原子數(shù)比較符合化合價規(guī)律。如Mg2Sn、AuAl2、AlN、SiC、CaTe等。硬度高、脆性大。電子化合物——滿足一定電子濃度值c時可以穩(wěn)定存在的化合物。不符合化合價規(guī)律。c=e/a, e為價電子總數(shù)，a為原子總數(shù)。c為21/14，21/13，21/12時形成電子化合物，分別標

46、為?、?、?相。間隙化合物——過渡族金屬元素與小原子尺寸的非金屬元素（C、N、B）形成的化合物。如Fe3C。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,Chap2-5 常見材料的組織結構,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,金屬材料結構,金屬材料結構3層次：晶體結構：FCC、BCC、HCP相結構：固溶體、中間相組織結構：共晶組織、共析組織、非金屬夾雜物等,,2024/2/29,材料科學與人

47、類文明--材料結構基礎,金屬材料的組織,在金相顯微鏡下觀察，可以看到金屬材料內(nèi)部的微觀形貌。這種微觀形貌稱做顯微組織(簡稱組織)組織由數(shù)量、形態(tài)、大小和分布方式不同的各種相組成金屬材料的組織可以由單相組成，也可以由多相組成,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,亞共析、共析、過共析鋼,,,,,,Fe-0.45 CF + P,Fe-0.8 CP,Fe-1.0 CP + Cm,2024/2/29,材料科學與人類文

48、明--材料結構基礎,亞共晶、共晶、過共晶白口鐵,共晶,,,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,金屬材料的組織,金屬材料的組織取決于它的化學成分和工藝過程 不同碳含量的鐵碳合金在平衡結晶后獲得的室溫組織不一樣金屬材料的化學成分一定時，工藝過程則是其組織的最重要的影響因素 純鐵經(jīng)冷拔后，其組織由原來的等軸形狀的鐵素體晶粒變成拉長了的鐵素體晶粒C含量為0.77%的鐵碳合金經(jīng)球化退火后，得到的組織為球狀珠光體。這種

49、組織與室溫平衡組織片狀珠光體的形態(tài)完全不一樣,片狀珠光體,球狀珠光體,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,金屬材料組織-性能關系,灰口鑄鐵的基體都是鐵素體，但石墨的形態(tài)不同，使抗拉強度相差很大沖擊韌性與抗拉強度順序相反,鐵素體和片狀石墨抗拉強度150 MPa,鐵素體和團絮狀石墨抗拉強度350 MPa,鐵素體和球狀石墨抗拉強度420 MPa,純鐵經(jīng)冷拔后，晶粒被拉長變形，內(nèi)部位錯密度等缺陷增多，強度與硬度均提高

50、得多冷變形對純鐵的物理、化學性能也有較大的影響，如導電性、耐蝕性降低。碳含量為0.77%的鐵碳合金，室溫平衡組織中含有片狀的Fe3C相, 其硬度高達800 HB。切削加工時，車刀要不斷切斷Fe3C，因此刀具的磨損很厲害。但球化退火后，F(xiàn)e3C相變?yōu)榉稚⒌念w粒狀, 切削時對刀具的磨損較小，使切削性能得到提高。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,貝氏體組織,,,貝氏體B——550 ?C ~Ms之間的轉變產(chǎn)物。為F和F

51、e3C的兩相混合組織。上B——羽毛狀，硬脆的滲碳體呈細短條狀分布在鐵素體晶束的晶界上，容易發(fā)生脆性斷裂，強度、韌性低，無實用價值。下B——黑色針狀，滲碳體細小彌散分布在鐵素體基體上，有良好的強度韌性配合，力學性能優(yōu)良。B相變由于相變溫度低，只有C原子擴散，F(xiàn)e原子基本不擴散，是半擴散型相變。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,馬氏體組織,,低碳馬氏體,高碳馬氏體,馬氏體（M）——溫度低于Ms時的過冷奧氏體轉變

52、產(chǎn)物。是C原子在?-Fe中的過飽和固溶體。低碳馬氏體——含碳量小于0.25%時，馬氏體呈板條狀，板條內(nèi)有大量位錯，又稱位錯馬氏體。硬度高，有一定韌性。高碳馬氏體——含碳量大于1.0%時，馬氏體呈片狀，內(nèi)有大量孿晶亞結構，又稱孿晶馬氏體。硬度高、脆。馬氏體相變特點：非擴散型相變，速度快；馬氏體轉變溫度Ms隨含碳量增高而降低；相變不徹底，存在殘余奧氏體。轉變量隨溫度降低而增大。Ms越低，殘余奧氏體量越多；體積膨脹，產(chǎn)生很大的內(nèi)

53、應力。,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,陶瓷材料的分類,定義：傳統(tǒng)上，陶瓷材料是指硅酸鹽類材料，如陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、磚瓦等；　　現(xiàn)今意義上，陶瓷材料是指各種無機非金屬材料的通稱。分類：通常分為玻璃、玻璃陶瓷和工程陶瓷（也叫燒結陶瓷）,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,陶瓷材料,玻璃－工業(yè)玻璃（光學玻璃、電工玻璃、儀表玻璃） 建筑玻璃、日用玻璃（無固

54、定熔點，受熱軟化的非晶態(tài)固體材料）,工程陶瓷,玻璃陶瓷－耐熱耐蝕微晶玻璃、光學玻璃陶瓷、無線電透明微晶玻璃,普通陶瓷－日用陶瓷、建筑衛(wèi)生陶瓷、電器絕緣陶瓷 化工陶瓷、多孔陶瓷,特種陶瓷－電容器陶瓷、壓電陶瓷、瓷性陶瓷、高溫陶瓷,金屬陶瓷－結構陶瓷、工具陶瓷（硬質(zhì)合金）、耐熱陶瓷,,,陶瓷的分類,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,無機非金屬材料的結構,金剛石型結構：C、Si、Ge

55、硅酸鹽結構：滑石3MgO?4SiO2 ?H2O 、高嶺石 Al2O3?2SiO2 ?2H2O 玻璃結構：SiO2 氧化物、非氧化物晶體結構：MgO、TiO2、 Al2O3 、ZnO,,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,硅酸鹽結構,由硅氧四面體SiO4（基本結構單元）組成 鏈狀： SiO4共有一個氧，連接成鏈狀，如石棉纖維 層狀： SiO4連接成片狀，這些片疊合在一起形成層狀，如滑石、黏土、云母 網(wǎng)狀：

56、以三維方向相互結合形成網(wǎng)狀結構，如石英,基本結構單元,Si-O：混合鍵（離子鍵+共價鍵）,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,玻璃結構,玻璃：由熔融體過冷而成的非晶結構透明固體材料，其主要成分為SiO2、Na2O、CaO等。玻璃結構理論：無規(guī)則網(wǎng)絡學說——玻璃由離子多面體（三角體MO或四面體MO）構成。它們之間通過公共氧（氧橋）搭橋作三維無規(guī)則連續(xù)排列，形成空間網(wǎng)絡結構。晶子學說——玻璃由晶子構成。晶子是與該玻

57、璃成分一致的晶態(tài)化合物，但尺度遠小于一般的晶粒。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,石英玻璃、硅酸鹽玻璃、微晶玻璃,,,石英玻璃[SiO4]四面體之間通過角頂連接形成三維空間網(wǎng)絡，但排列無序。,納硅酸鹽玻璃SiO2中加入堿金屬或堿土金屬，破壞[SiO4]四面體組成的網(wǎng)絡。,微晶玻璃玻璃基體上彌散分布細小的結晶體。,,,提高強度！,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,氧化物、非氧化物晶體結構

58、,主要取決于兩個因素：陰陽離子電荷，決定了化學式；陰陽離子的半徑，決定了陽離子周圍的最近鄰陰離子數(shù)（CN）。,只有陽離子和周圍陰離子全部接觸的結構才是穩(wěn)定的！,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,,離子半徑和CN關系,,離子半徑和空間幾何形態(tài)之間的關系可以通過簡單計算獲得，結果如左圖。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,氧化物、非氧化物晶體結構舉例1,NaCl結構：Na+半徑：0.102

59、nmCl-半徑：0.181 nmrc/ra=0.56CN=6具有NaCl結構的化合物：NaCl、MgO、FeO、LiF,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,氧化物、非氧化物晶體結構舉例2,CsCl結構：Cs+半徑：0.170 nmCl-半徑：0.181 nmrc/ra=0.94CN=8,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,氧化物、非氧化物晶體結構舉例3,立方ZnS結構：CN=4

60、具有ZnS結構的化合物：ZnS、ZnTe、SiC、MnS,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,氧化物、非氧化物晶體結構舉例4,CaF2結構：Ca2+半徑：0.100 nmF-半徑：0.133 nmrc/ra=0.75CN=8具有CaF2結構的化合物：PtSn2、PtIn2、AuAl2,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,普通陶瓷的顯微組織,普通陶瓷材料是由晶相、玻璃相和氣相構成的多晶多

61、相集合體。化學組成一定時，其性能取決于：晶相：種類、數(shù)量、分布，晶粒大小、形態(tài)，結晶特征、取向玻璃相：存在與分布氣相（氣孔）：尺寸、數(shù)量、分布。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,晶相,陶瓷的基本組成部分，其性質(zhì)決定著陶瓷的性能。陶瓷中一般有多種晶相。含量多、對性能起主要作用的稱主晶相，其余的稱次晶相、第三晶相等。陶瓷中的晶體相主要有硅酸鹽、氧化物、非氧化物三種。,2024/2/29,材料科學與人類文明

62、--材料結構基礎,玻璃相,非晶低熔點固體，多為無規(guī)則網(wǎng)絡的硅酸鹽結構作用：填充氣孔和空隙；將分散的晶相粘結起來，降低燒結溫度；抑制晶粒長大；降低陶瓷材料的高溫使用性能。,,,,晶體結構,非晶體結構,,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,氣相,存在于晶體內(nèi)部或晶體與玻璃相之間。一般陶瓷中占5-10%，特種陶瓷中低于5%。氣孔是裂紋的根源，使陶瓷強度降低、脆性增大。因此，一般材料要求有較低的氣孔率。輕質(zhì)隔熱

63、耐火材料、隔音吸振材料要求有一定的氣孔率。,多孔鋁（泡沫鋁）,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,原料：粘土(高嶺石 Al2O3·2SiO2·2H2O)、石英(SiO2)和長石(正長石 K2O·Al2O3·6SiO2)特點：堅硬而脆性較大，絕緣性和耐蝕性極好；制造工藝簡單、成本低廉，各種陶瓷中用量最大。分類：日用陶瓷和工業(yè)陶瓷。,普通陶瓷,2024/2/29,材

64、料科學與人類文明--材料結構基礎,國內(nèi)外常用的日用瓷,我國的傳統(tǒng)日用瓷,綜合性能好的新型高質(zhì)瓷,（1）普通日用陶瓷,－日用器皿和瓷器,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,工業(yè)陶瓷按用途分類:   建筑衛(wèi)生瓷：用于裝飾板、衛(wèi)生間裝置及器具等，通常尺寸較大，要求強度和熱穩(wěn)定性好； 化學化工瓷：用于化工、制藥、食品等工業(yè)及實驗室中的管道設備、耐蝕容器及實驗器皿等，通常要求耐各種化學介質(zhì)腐蝕的能力要強

65、； 電工瓷：主要指電器絕緣用瓷，也叫高壓陶瓷，要求機械性能高、介電性能和熱穩(wěn)定性好。,（2）普通工業(yè)陶瓷,改善性能的方法：加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等，提高機械強度和耐堿抗力；加入Al2O3、ZrO2等提高強度和熱穩(wěn)定性；加入滑石或鎂砂降低熱膨脹系數(shù)；加入SiC提高導熱性和強度。,分類：炻器和精陶。炻器是陶器和瓷器之間的一種瓷。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,廣義的陶器可分為四類:土器,炻器,陶

66、器和瓷器。土器：坯質(zhì)粗松,多孔,色澤不潔,成陶火度最低,有吸水性.音粗而韻短,如磚瓦缽炻器：坯質(zhì)致密堅硬,取天然泥色,成陶火度在1010－1020℃,無吸水性,音粗而韻長,如紫砂陶陶器：坯質(zhì)也較細,上釉,成陶火度高,有吸水性,音粗而韻短瓷器：坯質(zhì)致密透明,上釉,成陶火度最高,無汲水性,音清而韻長,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,特種陶瓷  也叫現(xiàn)代陶瓷、精細陶瓷或高性能陶瓷分類：特種

67、結構陶瓷和特種功能陶瓷如壓電陶瓷、磁性陶瓷、電容器陶瓷、高溫陶瓷等工程上最重要的是高溫陶瓷，包括氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷,特種陶瓷,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,高分子材料結構,高分子材料概述高分子材料合成高分子材料結構,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,高分子材料概述,高分子材料主要由高分子化合物組成高分子化合物通常由一種或幾種低分子化合物（單體）聚合而

68、成，又稱高聚物。,天然高分子材料——蠶絲,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,常見單體——碳水化合物,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,常見單體,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,常見單體,碳鏈高分子中以不同的基團取代H，可以獲得不同性能的高分子,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,高分子化合物的合成,聚氯乙烯的聚合反應：,高聚物的重復結構單元稱鏈節(jié)，鏈

69、節(jié)數(shù)目稱聚合度。高分子的分子量為鏈節(jié)分子量與聚合度的乘積。聚合反應的兩種形式： 加聚反應——反應過程無副產(chǎn)物，單體一般為含雙鍵的有機化合物。 縮聚反應——反應過程產(chǎn)生低分子化合物，單體一般為環(huán)狀化合物或含官能團的化合物。,2024/2/29,材料科學與人類文明--材料結構基礎,高分子鏈的分類,碳鏈高分子——大分子主鏈全部由碳原子構成雜鏈高分子——大分子主鏈除碳原子外，還含有O、S、N、P等元素有機高分子——大分子主鏈沒有