材料学基础I-1(精品).ppt

材料学基础材料学基础Fundamental of Materialogy第一章第一章 工程材料中的原子排列工程材料中的原子排列v材料的性能取决于材料的成分、加工工艺和结构。材料的性能取决于材料的成分、加工工艺和结构。v材料结构学是材料科学体系中最重要的学科之一。材料结构学是材料科学体系中最重要的学科之一。v第一节第一节结合键结合键(BindingBond)v预备知识预备知识:原子结构以及元素周期表原子结构以及元素周期表v定义定义:原子原子(离子或分子离子或分子)之间的相互作用力之间的相互作用力二、结合键n离子键氯钠NaCl的晶体结构Si形成的四面体109金属离子金属键模型电子气共价键金属键分子键和氢键非方向键，高配位数，低温不非方向键，高配位数，低温不导电，高温离子导电导电，高温离子导电空间方向键，低配位数，纯空间方向键，低配位数，纯晶体在低温下导电率很小晶体在低温下导电率很小非方向键，配位数及密非方向键，配位数及密度都极高，导电率高，度都极高，导电率高，延性好延性好低的熔点和沸点，压缩系数大，低的熔点和沸点，压缩系数大，保留了分子的性质保留了分子的性质三、材料的键性n 金属材料 金属材料的结合键主要是金属键。金属特性：导电性、导热性好；正电阻温度系数；好的延展 性；金属光泽等。n陶瓷村料 陶瓷材料是包含金属和非金属元素的化合物，其结合键主要是离子键和共价键，大多数是离子键。离子键赋予陶瓷材料相当高的稳定性，所以陶瓷材料通常具有极高的熔点和硬度，但同时陶瓷材料的脆性也很大。n高分子材料 高分子材料的结合键是共价键、氢键和分子键。其中，组成分子的结合键是共价键，而分子间的结合键是范德华键和氢键。尽管范德华键较弱，但由于高分子材料的分子很大，所以分子间的作用力也相应较大，这使得高分子材料具有很好的力学性能 Chap.2 Crystal structures1.Lattice,unitcell,basis,andCrystalstructuresIdeal crystals:Periodicity&long-range order (平移周期性和长程有序性）x1d2d3d等同格点等同格点基矢基矢元胞元胞t1t3t2(Primaryunitcell:thesmallestunit)晶胞：晶体结构基本单元晶胞：晶体结构基本单元 晶体常数（点阵常数）晶体常数（点阵常数）:n（a,b,c)sizea,b,c)sizen（,)shape,)shape2.坐标系坐标系Coordinatesxyzabcxyzg ga ab b3.7类晶系类晶系(syngonies)、14种种Bravais点阵点阵SyngoniesAxes(a,b,c)Angles（,）立方立方cubica=b=ca=b=ga=b=g=900四方四方tetragonala=bc=900六方六方hexagonala=bca=ba=b=900,g g1200菱方菱方rhombohedrala=b=ca=b=ga=b=g900正交正交orthorhombicabc=900单斜单斜monoclinicabc=900三斜三斜triclinicabc90014种种Bravais点阵：点阵：7种晶系可以构成多少种种晶系可以构成多少种空间点阵空间点阵？每种晶系最多可构成每种晶系最多可构成4种空间点阵：种空间点阵：简单点阵（简单点阵（s）底心点阵（底心点阵（C）体心点阵（体心点阵（b）面心点阵（面心点阵（F）4.MillerindexABC1）晶面指数晶面指数xyzn1n2n3(n1n2n3)Weiss指数指数hx+ky+lz=j(hkl)晶面晶面Miller指数指数n1n2n3hkl表示法111111(1,1,1)333111(1,1,1)1001(0,0,1)1100(1,0,0)1010(0,1,0)-1110(,1,0)OOA=n1aOB=n2bOC=n3c1n1n2n3hkl(hkl)111111（111）333111（111）1001（001）1100（100）1010（010）123632（632）-11-110（10）(hkl)晶面晶面Miller指数指数hkl晶面族：等价晶面晶面族：等价晶面e.g.,100=(100)+(010)+(001)2 2）晶向指数）晶向指数xyzrr=Ux+Vy+WzuvwUVW晶向晶向Miller指数指数e.g.,x-axis100y-axis010z-axis001111110晶晶向族：等价晶向向族：等价晶向e.g.,=100+010+001+100+010+001(Forcubiclattice)1.以以SC、FCC为例，说明晶胞和原胞的异同。为例，说明晶胞和原胞的异同。2.分别给出立方和四方晶系的分别给出立方和四方晶系的101晶面族中所晶面族中所包含的等价晶面。包含的等价晶面。Homewrok1部分参考书（部分参考书（I）：）：1.杰罗得，杰罗得，固体结构固体结构（科学版）（中译本）（科学版）（中译本）2.俞文海，俞文海，晶体物理学晶体物理学（科大）（科大）3.陈纲，陈纲，晶体物理学基础晶体物理学基础（科学版）（科学版）4.张克从，张克从，近代晶体学基础近代晶体学基础（科学版）（科学版）5.冯端，冯端，金属物理学金属物理学第一卷第一卷（科学版）（科学版）第三节第三节金属及合金的结构特点金属及合金的结构特点StructureCharacteristicofMetal&Alloy 一、常见纯金属的晶格类型 n体心立方晶格：记为BCC（a）（b）（c）体心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数属于这种晶格类型的金属有-Fe、Cr、W、Mo、V等 致密度：晶格常数为a，原子半径为；所以：致密度 配位数为8n面心立方晶格：记为FCC 属于这种晶格类型的金属有Fe、Cu、Al、Ag、Au、Pb、Ni等。（a）（b）（c）面心立方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数配位数12；致密度0.74n密排六方晶格：记为HCP 密排六方晶格的晶胞是一个六方柱体，由六个呈长方体的侧面和两个呈六边形的底面所组成，如图所示。属于这种晶格类型的金属有Mg、Zn、Be、Cd等。（a）（b）（c）密排六方晶胞（a）模型；（b）晶胞；（c）晶胞原子数配位数：12；致密度：0.74（与面心立方相同）n晶胞中的间隙 由致密度计算结果可知，晶体中应存在一定数量的间隙。例如，对于体心立方，致密度k0.68，说明仅有68的体积被原子占有，存在32的间隙。这些间隙对金属的性能，合金的相结构，扩散以及相变等都有重要的影响。从几何形状上看，晶格中有两种间隙：八面体间隙和四面体间隙。金属原子八面体间隙金属原子四面体间隙(a)(b)体心立方结构中的间隙(a)八面体间隙(b)四面体间隙 面心立方晶格中也有八面体间隙与四面体间隙两种，如图所示，它们分别是正八面体间隙和正四面体间隙 金属原子八面体间隙金属原子四面体间隙(a)(b)面心立方结构中的间隙(a)八面体间隙(b)四面体间隙n原子的堆垛方式 前面已指出，面心立方晶格和密排六方晶格的致密度与配位数完全一致，均属于最密排列晶格，但是晶格类型却不同，为了搞清这个问题，就需要了解原子的堆垛方式。面心立方结构的原子堆垛方式密排六方的原子堆垛方式A层B层C层A层B层C层 面心立方晶胞原子堆垛方式 密排六方晶胞原子堆垛方式金刚石型结构金刚石型结构碳原子除位于碳原子除位于面心立方结构面心立方结构结点外，还有结点外，还有四个位于四面四个位于四面体间隙。体间隙。二、共价晶体的晶体结构二、共价晶体的晶体结构金刚石晶体致密度？金刚石晶体致密度？CSiOSiC,高温高温SiO2晶体结构晶体结构22 1.离子晶体结构规则离子晶体结构规则负离子配位多面体规则鲍林第一规则电价规则鲍林第二规则关于负离子多面体共用点、棱的规则鲍林第三规则n1.1负离子配位多面体规则负离子配位多面体规则n在离子晶体中，离子的配位数由两种异号离子在离子晶体中，离子的配位数由两种异号离子的半径比决定，而配位数大小直接影响晶体结的半径比决定，而配位数大小直接影响晶体结构。构。n半径比半径比 配位数配位数 间隙形状间隙形状 示意图示意图n0K)：本征本征杂质引入：非本征杂质引入：非本征外界条件外界条件(应力、射线辐照等应力、射线辐照等)3）热缺陷）热缺陷(本征缺陷本征缺陷intrinsicpointdefects)TE热热起伏起伏(涨落涨落)E原子原子E平均平均原子原子脱离其平衡位置脱离其平衡位置在原来位置上产生一个在原来位置上产生一个空位空位表面位置表面位置(间隙小间隙小/结构紧凑结构紧凑)间隙位置间隙位置(结构空隙大结构空隙大)Frenkel缺陷缺陷MMVM+MiMX:MXVM+VXSchottky缺陷缺陷空位：空位：VMM原子的空位原子的空位间隙：间隙：MiM间隙原子间隙原子错位原子：错位原子：MX，XM缔合中心缔合中心:(VMVX)杂质缺陷杂质缺陷:LML杂质原子在杂质原子在M位上位上带电缺陷带电缺陷:n电子缺陷：自由电子电子缺陷：自由电子e,电子空穴电子空穴hn原子缺陷：原子缺陷：VM移走移走M原子，留下它的电子原子，留下它的电子（相当于移走一个（相当于移走一个M+）VMVM+e4）点缺陷表示方法）点缺陷表示方法Kroger-Vink记号记号MX：Kroger-Vink记号记号MX：n带电缺陷带电缺陷:VX移走（移走（X原子原子+电子）电子）（相当于移走一个（相当于移走一个X-）VXVX+h总结符号规则：总结符号规则：P P缺陷种类：缺陷原子缺陷种类：缺陷原子M或或空位空位VC带带电荷电荷P 负电荷负电荷 正电荷正电荷（x 中性）中性）缺陷位置缺陷位置（i间隙）间隙）Max.C=P P 的电价的电价P上上的电价的电价（V，i的电价的电价=0）5 5）缺陷反应）缺陷反应 缺陷产生缺陷产生 复合复合 化学反应化学反应A B+C B+C 缺陷反应式缺陷反应式n 质量平衡质量平衡 P Pn 电中性电中性 C：n 位置关系位置关系 P：P PPC化学反应式中的化学反应式中的“配平配平”（V的质量的质量=0=0）晶体必须保持电中性晶体必须保持电中性 S Sci=0晶体晶体 AaBbNA:NB=a:b336）点缺陷的平衡浓度点缺陷的平衡浓度N Ne e 平衡空位数平衡空位数 N N 原子总数原子总数 EvEv 每每增增加加一一个个空空位位的的能能量变化量变化 k k 玻尔兹曼常数玻尔兹曼常数 T T 绝对温度绝对温度 其中：其中：A A由振动熵决定的系数，取由振动熵决定的系数，取110110，通常取，通常取1 1。T T-C-C 34附加电子散射附加电子散射电阻电阻 7）点缺陷对晶体性能的影响点缺陷对晶体性能的影响间隙原子间隙原子体积膨胀体积膨胀1212个原子体积个原子体积 空位空位体积膨胀体积膨胀0.50.5个原子体积个原子体积屈服强度屈服强度 对扩散、内耗、高温形变和热处理等过程有重要影响。对扩散、内耗、高温形变和热处理等过程有重要影响。点阵畸变点阵畸变Homework 31、FeO（NaCl型结构）具有型结构）具有O2-的的FCC结构而结构而Fe2+位于所有位于所有的八面体空隙中，已知的八面体空隙中，已知rFe2+=0.074nm,rO2-=0.14nma.求晶格常数求晶格常数ab.FeO的空间堆积率的空间堆积率c.FeO的密度的密度d.FeO的实际密度为的实际密度为5.6g/cm3。FeO1-x造成了实际密度小造成了实际密度小于理论密度，试求缺陷密度。于理论密度，试求缺陷密度。原子结构以及元素周期表原子结构以及元素周期表n1 工程材料的分类工程材料的分类n2 元素周期表在材料设计与研究中的意义元素周期表在材料设计与研究中的意义n3 元素排列规律元素排列规律n3.1 核外电子排列规律核外电子排列规律n3.2 原子核和核外最外层电子的相互作用力原子核和核外最外层电子的相互作用力（电负性）以及原子半径的排列规律（电负性）以及原子半径的排列规律n4 原子原子(或离子或离子)之间的相互作用力（化学键）之间的相互作用力（化学键）与电负性的关系与电负性的关系（回答（回答2提出的问题）提出的问题）工程材料的分类工程材料的分类 目的意义目的意义、为什么在材料中弹性模量（硬度）最高、最稳定的是金、为什么在材料中弹性模量（硬度）最高、最稳定的是金刚石？刚石？、为什么在设计高弹性模量、高稳定性材料时要选择合成、为什么在设计高弹性模量、高稳定性材料时要选择合成碳化硅、氮化硅？碳化硅、氮化硅？、为什么在提高碳氢高分子材料热稳定性时要选择引入、为什么在提高碳氢高分子材料热稳定性时要选择引入、l？、为什么银、铜是我们设计导电导热材料的最佳选择呢？、为什么银、铜是我们设计导电导热材料的最佳选择呢？原子结构与元素周期表电负性以及原子半径.电负性：原子得到或失去一个电子的能力.电负性以及原子半径排列规律有效核电荷数越大，半径越小，电负性越高有效核电荷数越大，半径越小，电负性越高有效核电荷数越大，半径越小，电负性越高有效核电荷数越大，半径越小，电负性越高化学键与电负性的关系n原子的电负性决定原子间形成化学键的类型n金属键：原子的电负性都较低，所有原子共享自由电子，形成金属键n共价键：原子的电负性都较高，两个原子共享电子对，形成共价键n离子键：如果是电负性高的原子和电负性较低的原子，电子就从电负性较低的原子转移到较高的原子，形成共价键