《材料科学基础复习》ppt课件

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1、材料科学基础 复习内容 2010.6,期末考试形式 材料科学基础2009-2010第二学期,类型 1、概念题（30-40分） 2、简答题（10分） 3、填空题（10分） 4、计算题（20分） 5、分析论述题（20分）,第一章 原子结构与键合,概念： 1、原子间键合类型及本质。 2、金属、高分子、陶瓷材料中的键类型、典型物质名称。,平衡距离r0 Equilibrium spacing； 当 FA+ FR = 0 时的原子间距 当r = r0 时， E0称为结合能（Bonding energy），将2个原子无限分离所需能量。 通常r0 0.3nm (3),1.2.1 键合力与能量 （Bonding

2、 Forces and Energy）,材 料 中 的 键,结 合 键 的 特 性,根据原子间键和的不同，将材料分为金属、陶瓷和高分子 金属材料：金属键 陶瓷材料：共价键 / 离子键 高分子材料：共价键 / 分子键 / 氢键,第二章固体结构,1、概念： 空间点阵、晶体结构、晶胞、晶向族、晶面族、晶带及晶带定律、配位数、致密度、间隙固溶体、置换固溶体、电子浓度、电子化合物、间隙相、间隙化合物、超结构。 2、计算 晶向、晶面指数的标定，原子的线、面密度，致密度。,体心立方 堆垛因子（致密度） 0.68 配位数：8,面心立方 堆垛因子（致密度） 0.74 配位数：12,密排六方 堆垛因子（致密度）

3、0.74 配位数：12,晶体结构 = 空间点阵 + 基元,刚球模型,三种典型金属结构的晶体学特点,14种布拉菲点阵 与 7个晶系,立方晶系常见晶向,由于3个坐标轴存在正、负值，因此在晶向指数中也可存在负值。 如：,晶向族：111,立方晶系常见晶面,晶面族：100,六角晶系中的晶向、晶面,（a）晶向 （b）晶面,注意：三指数系统与四指数系统转换关系,晶 带 定 律,所有平行或相交于同一直线的晶面构成晶带，此直线称为晶带轴，属于此晶带的晶面称为晶带面。,晶带轴u v w与该晶带的晶面（h k l）之间存在以下关系： hu + kv + lw = 0,晶带轴,晶带面,晶带,线性与平面原子密度,线原子

4、密度：在特定的晶向上，线矢量通过原子中心，2个原子中心间的线段长度为l，此线段中包含的原子部分的尺寸为c， c / l为线原子密度（LD）。,面原子密度：在特定的晶面上，晶面通过原子中心，由几个原子中心构成的平面的面积Ap，此平面中包含的原子部分的面积Ac， Ac / Ap为面原子密度（PD）。,密度计算,晶体结构可以视为原子密排面在空间一层一层平行堆垛的结果。,密排面 密排方向,32种点群、 230种空间群,点群：是指一个晶体中所有点对称元素的集合。点群在宏观上表现为晶体外形的对称。,晶体外形中只能有32种对称点群的原因： (1)点对称与平移对称两者共存于晶体结构中，它们相互协调，彼此制约；

5、 (2) 点对称元素组合时必须通过一个公共点，必须遵循一定的规则，使组合的对称元素之间能够自洽。,空间群：用以描述晶体中原子组合的所有可能方式， 是确定晶体结构的依据。 230种空间群：晶体结构中32个点群和14种布拉菲点阵的组合得到。,X-射线衍射与Bragg定律,X-射线与周期性排列原子发生衍射的必要条件：,相同密勒指数 (hkl) 的AA，BB面，晶面间距dhkl；2列（1，2）单色X射线波长，以角入射，散射波为(1，2)，路径差为（衍射条件）： n = SQ + QT = dhklsin + dhkl sin =2 dhklsin （布拉格定律 Bragg Law）,n 为反射级数（t

6、he order of reflection），为整数（1、2、3 ） 2 衍射角（ diffraction angle ）,合 金 相 结 构,合金（Alloy）：两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。 组元（Component）：组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。组元间由于物理的或化学的相互作用，可形成各种相。 相（Phase）：是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构、成分和性能均一，并以界面（相界）相互分开的组成部分。 合金中的相结构：可分为固溶体和中间相两大类。,合金中的相结构：

7、固溶体: 置换式固溶体 间隙式固溶体 中间相（金属间化合物） : 正常价化合物_符合化合物原子价规律 电子化合物(休姆-罗塞里相)_电子浓度决定晶体结构 间隙相_rX/rM0.59时，形成复杂晶体结构, Fe3C,电子浓度: 合金中价电子数目与原子数目的比值，即e/a,A，B分别为溶剂、溶质的原子价，x为溶质的原子分数（%）,固 溶 体,定义：溶质原子完全溶于固态溶剂中，并能保持溶剂元素的晶格类型,这种类型的合金相称为固溶体。 固溶体种类：根据溶质原子在溶剂中的位置，可分为置换式（Substitutive）固溶体与间隙式（Interstitial）固溶体。,间隙固溶体,当溶质原子半径小，与溶剂

8、原子半径差r41% 时，溶质原子可能进入溶剂晶格间隙中形成间隙固溶体 通常原子半径小于0.1nm的非金属元素，如H、C、N、O等容易成为溶质间隙原子 由于溶质原子大小比晶格间隙的尺寸大，引起溶剂点阵畸变，故间隙固溶体都是有限固溶体,面心立方晶格中的间隙,位于晶胞中心，由六个原子所组成的八面体中心（共4个） rB/rA = 0.414,位于晶胞体对角线上靠结点1/4处，由四个原子所组成的四面体中心（共8个） rB/rA = 0.225,设原子半径为rA, 间隙中能容纳的最大圆球半径为rB,体心立方晶格中的间隙,位于晶胞六面体的面中心，由六个原子所组成的八面体中心（共6个） rB/rA = 0.1

9、5,由四个原子所组成的四面体中心 （共12个） rB/rA = 0.29,设原子半径为rA, 间隙中能容纳的最大圆球半径为rB,注：体心立方结构的四面体和八面体间隙不对称(其棱边长度不全相等)，这会对间隙原子的固溶及其产生的畸变有明显的影响。,置换固溶体 溶解度的影响因素,晶体结构：晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件。组元的晶体结构类型不同，其溶解度只能是有限的。 原子尺寸：组元的原子半径差r15%时，有利于形成溶解度较大的固溶体；当r 15%时， r 越大则溶解度越小。 化学亲和力（电负性因素）：组元间电负性相近，可能具有大的溶解度；电负性差大，则化学亲和力大，易形成化合物，而不利

10、于形成固溶体，固溶体的溶解度愈小。 原子价因素：溶质的原子价（电子浓度）影响固溶体的溶解度，最大溶解度时，电子浓度 e/a 接近1.4。,中间相（金属间化合物）,两组元A和B组成合金时，除了可形成固溶体之外，如果溶质含量超过其溶解度时，便可能形成新相，其成分处于A在B中、和B在A中的最大溶解度之间，故称为中间相。 中间相可以是化合物，也可以是以化合物为基的固溶体（第二类固溶体或二次固溶体）。它的晶体结构不同于其任一组元，结合键中通常是金属键和其它典型键（如离子键、共价键和分子键）相混合。因此中间相具有一定的金属特性，又称为金属间化合物。 金属间化合物种类很多，主要包括三种： 正常价化合物 电子

11、化合物 间隙相和间隙化合物,正常价化合物,正常价化合物是指符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有严格的化合比，成分固定不变。 它的结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同，如分子式具有AB型的正常价化合物其晶体结构为NaCl型。 正常价化合物常见于陶瓷材料，多为离子化合物。,例如： Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Ge、Mg2Si 等等,电子化合物（休姆-罗塞里相） Hume-Rothery phase,电子化合物是指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的化合物，即电子浓度决定晶体结构。 电子化合物不符合化学价规律，原子间以金属键为主，具有明显的金属特性。 如：价电子浓度（e/a）：

12、3/2 体心立方（ 相）； 7/4 密排六方晶格（ 相）；21/13 复杂立方（ 相）； 电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。,间 隙 相,当非金属原子半径（rX）与金属原子半径（rM）的比值rX/rM0.59时，将形成具有简单晶体结构的金属间化合物，称为间隙相。 在晶隙相晶格中金属原子位于晶格结点位置，而非金属原子则位于晶格的间隙处。 间隙相中原子间结合键为共价键和金属键。间隙相具有极高的熔点和硬度，同时其脆性也很大，是高合金钢和硬质合金中的重要强化相。 通过化学热处理或气相沉积等方法，在钢的表面形成致密的间隙相薄层，可显著提高钢的耐磨性或耐腐蚀性。,间隙化合

13、物,当非金属原子半径与金属原子半径的比值rX/rM0.59时，将形成具有复杂晶体结构的金属间化合物，其中非金属原子也位于晶格的间隙处，故称之为间隙化合物。 例如Fe3C是铁碳合金中的重要组成相，称为渗碳体，具有复杂的正交晶格。Fe3C中的Fe原子可以部分地被其它金属原子（Mn、Cr、Mo、W）所置换，形成(Fe、Mn)3C等，称为合金渗碳体。 间隙化合物中原子间结合键为共价键和金属键。间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔点、硬度、以及化学稳定性都要低一些。,第三章 晶体缺陷,1、概念 肖脱基空位、弗仑克尔空位、刃型位错、螺型位错、

14、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移及攀移、弗兰克-瑞德源、汤普森四面体、位错反应、扩展位错、表面能、界面能、重整位置点阵、失配度、对称倾侧晶界、非共格晶界。 2、计算 点缺陷浓度，位错密度。 3、分析判断 位错反应条件，位错受力分析。,缺 陷 种 类 Imperfections, Defects,点缺陷（Point defects）：最简单的晶体缺陷，在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列。在空间三维方向上的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称零维缺陷。 包括空位、间隙原子、杂质、溶质原子等。 线缺陷（Linear defects）：在一个方向上的缺陷扩展很大，其它两个方向上尺寸很小

15、，也称为一维缺陷。主要为位错。 面缺陷（Interfacial defects）：在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。 包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等。,点缺陷的形成条件 原子热运动,点缺陷的平衡浓度： 设由N个原子组成的晶体中含有n个空位，形成一个空位所需能量为Ev，振动熵为Sf，k为波尔兹曼常数，则空位在T温度时的空位平衡浓度C： 类似的，间隙原子平衡浓度C ： 一般，晶体中间隙原子的形成能比空位的形成能大3-4倍，间隙原子的量与空位相比可以忽略。 热平衡缺陷（thermal equilibrium defects） ：由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形

16、成的点缺陷。,位错的运动,位错运动是位错的重要性质之一，它与晶体的力学性能，如强度、塑性、断裂等密切相关 位错的运动方式主要是： 滑移 slip 攀移 climb 位错的滑移（守恒运动）：在外加切应力作用下，位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现,位错滑移的特点,刃型位错：滑移的切应力方向与位错线垂直； 螺型位错：滑移的切应力方向与位错线平行。 2) 刃型位错：滑移方向与位错运动方向一致； 螺型位错：滑移方向与位错运动方向垂直。 3) 螺型位错：如果在原滑移面上运动受阻时，有可能转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移，这称为交滑移。,运动位错的交割： 扭折：位错交割形成的曲折线段在位错的滑移面上。 割阶：该曲折线段垂直于位错的滑移面。,位错反应：位错线之间可以合并或分解 几何条件：反应前后诸位错的柏氏矢量之和相等， b b1 + b2 能量条件：反应后位错的总能量小于反应前位错的能量 b2 b12 +