材料科学基础复习ppt课件.ppt
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1、材料科学基础材料科学基础复习内容复习内容2019.6期末考试形式期末考试形式材料科学基础材料科学基础2009-2019第二学期第二学期类型类型1、概念题(、概念题(30-40分)分)2、简答题(、简答题(10分)分)3、填空题(、填空题(10分)分)4、计算题(、计算题(20分)分)5、分析论述题(、分析论述题(20分)分)第一章第一章 原子结构与键合原子结构与键合概念:概念:1 1、原子间键合类型及本质。、原子间键合类型及本质。2 2、金属、高分子、陶瓷材料中的键类型、典型物质名称。、金属、高分子、陶瓷材料中的键类型、典型物质名称。平衡距离平衡距离r0 Equilibrium spacing
2、;当当 FA+ FR = 0 时的原子间距时的原子间距当当r = r0 时,时,E0称为结合能(称为结合能(Bonding energy),将将2个原子无限分离所需能量。个原子无限分离所需能量。通常通常r0 0.3nm (3)1.2.1 键合力与能量键合力与能量 (Bonding Forces and Energy)REE EArRrArNNdrFdrFdrF材材 料料 中中 的的 键键范德瓦尔键(二次键)范德瓦尔键(二次键)共价键共价键金属键金属键半导体半导体聚合物聚合物离子键离子键陶瓷和玻璃陶瓷和玻璃金属金属结结 合合 键键 的的 特特 性性离子键离子键共价键共价键金属键金属键结构特点结构
3、特点无方向性或方向性不明无方向性或方向性不明显,配位数大显,配位数大方向性明显,配位数小,方向性明显,配位数小,密度小密度小无方向性,无饱和性,无方向性,无饱和性,配位数极大,密度大配位数极大,密度大力学特点力学特点强度高,膨胀系数小,强度高,膨胀系数小,劈裂性良好,硬度大劈裂性良好,硬度大强度高,硬度大强度高,硬度大有各种强度,有塑性有各种强度,有塑性热学特点热学特点熔点高,膨胀系数小,熔点高,膨胀系数小,熔体中有离子存在熔体中有离子存在熔点高,膨胀系数小,熔点高,膨胀系数小,熔体中有的含有分子熔体中有的含有分子有各种熔点高,导热性有各种熔点高,导热性好,液态的温度范围宽好,液态的温度范围宽
4、电学特点电学特点绝缘体,熔体为导体绝缘体,熔体为导体 绝缘体,熔体为非导体绝缘体,熔体为非导体导电体导电体根据原子间键和的不同,将材料分为金属、陶瓷和高分子根据原子间键和的不同,将材料分为金属、陶瓷和高分子第二章固体结构第二章固体结构1 1、概念:、概念:空间点阵、晶体结构、晶胞、晶向族、晶面族、晶带及晶带空间点阵、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。度、电子化合物、间隙相、间隙化合物、超结构。2 2、计算、计算晶向、晶面指数的标定,原子的线
5、、面密度,致密度。晶向、晶面指数的标定,原子的线、面密度,致密度。体心立方体心立方堆垛因子(致密度)堆垛因子(致密度)0.68配位数:配位数:8面心立方面心立方堆垛因子(致密度)堆垛因子(致密度)0.74配位数:配位数:12密排六方密排六方堆垛因子(致密度)堆垛因子(致密度)0.74配位数:配位数:12晶体结构晶体结构 = 空间点阵空间点阵 + 基元基元刚球模型刚球模型三种典型金属结构的晶体学特点三种典型金属结构的晶体学特点结构特征结构特征晶体结构类型晶体结构类型面心立方面心立方(A1)体心立方体心立方(A2)密排六方密排六方(A3)点阵常数点阵常数aaa, c (c/a =1.633)原子半
6、径原子半径R晶胞内原子数晶胞内原子数426配位数配位数128 12致密度致密度0.740.680.74a42a43 4321,222caa14种布拉菲点阵种布拉菲点阵与与7个晶系个晶系7个晶系个晶系棱边长度及夹角关系棱边长度及夹角关系14种布拉菲点阵种布拉菲点阵立方立方a=b=c,=90简单立方简单立方体心立方体心立方面心立方面心立方四方四方a=bc,=90简单四方简单四方体心四方体心四方菱方菱方a=b=c,=90简单菱方简单菱方六方六方a1=a2=a3c,= 90,=120简单六方简单六方正交正交abc,=90简单正交简单正交底心底心正交正交体心体心正交正交面心面心正交正交单斜单斜abc,=
7、90简单单斜简单单斜底心底心单斜单斜三斜三斜abc,90简单三斜简单三斜立方晶系常见晶向立方晶系常见晶向 由于由于3 3个坐标轴存在个坐标轴存在正、正、负值负值,因此在晶向指数中,因此在晶向指数中也可存在负值。也可存在负值。如:如:111,111 , 111 晶向族:晶向族:111立方晶系常见晶面立方晶系常见晶面晶面族:晶面族:100 六角晶系中的晶向、晶面六角晶系中的晶向、晶面(a)晶向)晶向(b)晶面)晶面02110011 0001)0101() 1110()0001( 注意注意:三指数系统与:三指数系统与四指数系统转换关系四指数系统转换关系晶晶 带带 定定 律律 所有平行或相交于同一直线
8、的晶面构成所有平行或相交于同一直线的晶面构成晶带晶带,此直线,此直线称为称为晶带轴晶带轴,属于此晶带的晶面称为,属于此晶带的晶面称为晶带面晶带面。晶带轴晶带轴u v w与该晶带的与该晶带的晶面(晶面(h k l)之间存在以下关系:之间存在以下关系:hu + kv + lw = 0u v w(h k l)晶带轴晶带轴晶带面晶带面晶带晶带线性与平面原子密度线性与平面原子密度线原子密度:线原子密度:在特定的晶向上,线矢量通过原子中心,在特定的晶向上,线矢量通过原子中心,2个原子中心间的个原子中心间的线段长度为线段长度为l,此线段中包含的,此线段中包含的原子部分原子部分的尺寸为的尺寸为c, c / l
9、为线原子密度(为线原子密度(LD)。)。面原子密度:面原子密度:在特定的晶面上,晶面通过原子中心,由几在特定的晶面上,晶面通过原子中心,由几个原子中心构成的平面的个原子中心构成的平面的面积面积Ap,此平面中包含的,此平面中包含的原子原子部分的面积部分的面积Ac, Ac / Ap为面原子密度(为面原子密度(PD)。)。密度计算密度计算AvogardroNVAnAcmolatoms/10023.623x常数,常数,阿伏加多罗阿伏加多罗晶胞体积晶胞体积原子重量原子重量晶胞中的原子数晶胞中的原子数密度密度r rNVnAAc r r 晶体结构可以视为原子密排面在空晶体结构可以视为原子密排面在空间一层一层
10、平行堆垛的结果。间一层一层平行堆垛的结果。密排密排面面数数量量密排密排方向方向数数量量体心立方体心立方11064面心立方面心立方11146密排六方密排六方六方六方底面底面1底面对底面对角线角线3密排面密排面 密排方向密排方向32种点群、种点群、 230种空间群种空间群点群:点群:是指一个晶体中所是指一个晶体中所有点对称元素的集合有点对称元素的集合。点群在宏观。点群在宏观上表现为晶体外形的对称。上表现为晶体外形的对称。 晶体外形中只能有晶体外形中只能有32种对称点群种对称点群的原因: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;点对称与平移对称两者共存于晶体结构中,
11、它们相互协调,彼此制约;(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。的对称元素之间能够自洽。空间群:空间群:用以描述晶体中原子组合的所有可能方式,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。是确定晶体结构的依据。230种空间群:种空间群:晶体结构中晶体结构中3232个点群个点群和和1414种布拉菲点阵种布拉菲点阵的组合得到。的组合得到。X-射线衍射与射线衍射与Bragg定律定律X-射线与周期性排列原子发生衍射的射线与周期性排列原子发生衍射的必要条件必要条件:相同密勒
12、指数相同密勒指数 (hkl) 的的AA,BB面,面,晶面间距晶面间距dhkl;2列(列(1,2)单色)单色X射射线波长线波长 ,以,以 角入射,散射波为角入射,散射波为(1,2),路径差为(衍射条件):,路径差为(衍射条件): n = SQ + QT = dhklsin + dhkl sin =2 dhklsin (布拉格定律(布拉格定律 Bragg Law)n 为反射级数(为反射级数(the order of reflection),为整数(),为整数(1、2、3 )2 衍射角(衍射角( diffraction angle )合合 金金 相相 结结 构构合金(合金(Alloy):):两种或两
13、种以上两种或两种以上金属元素金属元素,或,或金属元素与非金属金属元素与非金属元素元素,经熔炼、烧结或其它方法组合而成并,经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性具有金属特性的物质。的物质。组元(组元(Component):):组成合金最基本的独立的物质,通常组元组成合金最基本的独立的物质,通常组元就是组成合金的就是组成合金的元素元素,也可以是,也可以是稳定的化合物稳定的化合物。组元间由于物理的或。组元间由于物理的或化学的相互作用,可形成各种相。化学的相互作用,可形成各种相。相(相(Phase):):是合金中具有是合金中具有同一聚集状态同一聚集状态、相同晶体结构相同晶体结构、成分成分和性能均
14、一和性能均一,并以,并以界面(相界)界面(相界)相互分开的组成部分。相互分开的组成部分。合金中的相结构:合金中的相结构:可分为可分为固溶体固溶体和和中间相中间相两大类。两大类。合金中的相结构:合金中的相结构: 固溶体固溶体:置换式固溶体置换式固溶体间隙式固溶体间隙式固溶体 中间相中间相(金属间化合物金属间化合物) :正常价化合物正常价化合物_ _符合化合物原子价规律符合化合物原子价规律电子化合物电子化合物( (休姆休姆- -罗塞里相罗塞里相) )_ _电子浓度决定晶体结构电子浓度决定晶体结构间隙相间隙相_ _rX/rM0.59时,形成复杂晶体结构时,形成复杂晶体结构, Fe3C电子浓度电子浓度
15、: : 合金中价电子数目与原子数目的比值,即合金中价电子数目与原子数目的比值,即e/a100)100(/BxxAaeA,B分别为溶剂、溶质的原子价,分别为溶剂、溶质的原子价,x为溶质的原子分数(为溶质的原子分数(%)固固 溶溶 体体定义:定义:溶质原子完全溶于固态溶剂中,并能保持溶质原子完全溶于固态溶剂中,并能保持溶剂元素的溶剂元素的晶格类型晶格类型, ,这种类型的合金相称为固溶体。这种类型的合金相称为固溶体。固溶体种类:固溶体种类:根据溶质原子在溶剂中的位置,可分为根据溶质原子在溶剂中的位置,可分为置换式置换式(Substitutive)固溶体与固溶体与间隙式间隙式(Interstitial
16、)固溶体。固溶体。间隙固溶体间隙固溶体 当溶质原子半径小,与溶剂原子半径差当溶质原子半径小,与溶剂原子半径差 r41% 时,溶质原子可能进入溶剂晶格间隙中时,溶质原子可能进入溶剂晶格间隙中形成间隙固溶体形成间隙固溶体 通常原子半径小于通常原子半径小于0.1nm的的非金属元素非金属元素,如,如H、C、N、O等容易成为溶质间隙原子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,引起由于溶质原子大小比晶格间隙的尺寸大,引起溶剂溶剂点阵畸变点阵畸变,故间隙固溶体都是,故间隙固溶体都是有限固溶体有限固溶体面心立方晶格中的间隙面心立方晶格中的间隙位于晶胞中心,由六个原子所组成位于晶胞中心,由六
17、个原子所组成的的八面体中心八面体中心(共(共4个)个)rB/rA = 0.414位于晶胞体对角线上靠结点位于晶胞体对角线上靠结点1/4处,由四处,由四个原子所组成的个原子所组成的四面体中心四面体中心(共(共8个)个)rB/rA = 0.225设原子半径为设原子半径为rA, 间隙中能容纳的最大圆球半径为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,由六个原位于晶胞六面体的面中心,由六个原子所组成的子所组成的八面体中心八面体中心(共(共6个)个)rB/rA = 0.15由四个原子所组成的由四个原子所组成的四面四面体中心体中心 (共(共12个)个)r
18、B/rA = 0.29 设原子半径为设原子半径为rA, 间隙中能容纳的最大圆球半径为间隙中能容纳的最大圆球半径为rB注:注:体心立方结构的四面体和八面体间隙体心立方结构的四面体和八面体间隙不对称不对称( (其棱边长度不全其棱边长度不全相等相等) ),这会对间隙原子的,这会对间隙原子的固溶固溶及其产生的及其产生的畸变畸变有明显的影响。有明显的影响。置换固溶体置换固溶体 溶解度的影响因素溶解度的影响因素 晶体结构:晶体结构:晶体结构相同是组元间形成晶体结构相同是组元间形成无限固溶体无限固溶体的必要条的必要条件。组元的件。组元的晶体结构类型不同晶体结构类型不同,其溶解度只能是有限的。,其溶解度只能是
19、有限的。 原子尺寸:原子尺寸:组元的原子半径差组元的原子半径差 r15%时时,有利于形成溶解度,有利于形成溶解度较大的固溶体;当较大的固溶体;当 r 15%时时, r 越大则溶解度越小。越大则溶解度越小。 化学亲和力(电负性因素):化学亲和力(电负性因素):组元间组元间电负性相近电负性相近,可能具有,可能具有大的溶解度;大的溶解度;电负性差大电负性差大,则化学亲和力大,易形成化合物,则化学亲和力大,易形成化合物,而不利于形成固溶体,固溶体的溶解度愈小。而不利于形成固溶体,固溶体的溶解度愈小。 原子价因素:原子价因素:溶质的溶质的原子价(电子浓度)原子价(电子浓度)影响固溶体的溶解影响固溶体的溶
20、解度,度,最大溶解度最大溶解度时,时,电子浓度电子浓度 e/a 接近接近1.4。中间相(金属间化合物)中间相(金属间化合物) 两组元两组元A和和B组成合金时,除了可形成固溶体之外,如果溶质含量超组成合金时,除了可形成固溶体之外,如果溶质含量超过其溶解度时,便可能形成过其溶解度时,便可能形成新相新相,其成分处于,其成分处于A在在B中、和中、和B在在A中的中的最大溶解度之间,故称为最大溶解度之间,故称为中间相中间相。 中间相可以是中间相可以是化合物化合物,也可以是以,也可以是以化合物为基的固溶体化合物为基的固溶体(第二类固溶第二类固溶体体或或二次固溶体二次固溶体)。它的晶体结构不同于其任一组元,结
21、合键中通常)。它的晶体结构不同于其任一组元,结合键中通常是是金属键金属键和和其它典型键(如离子键、共价键和分子键)其它典型键(如离子键、共价键和分子键)相混合。因此相混合。因此中间相具有一定的中间相具有一定的金属特性金属特性,又称为,又称为金属间化合物金属间化合物。 金属间化合物种类很多,主要包括三种:金属间化合物种类很多,主要包括三种: 正常价化合物正常价化合物 电子化合物电子化合物 间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物正常价化合物正常价化合物 正常价化合物正常价化合物是指符合化合物是指符合化合物原子价规律的金属间化合物。它原子价规律的金属间化合物。它们具有们具有严格的化合比严格的化合比,成
22、分固定成分固定不变不变。 它的结构与相应分子式的它的结构与相应分子式的离子离子化合物晶体结构相同化合物晶体结构相同,如分子式,如分子式具有具有AB型的正常价化合物其晶体型的正常价化合物其晶体结构为结构为NaCl型。型。 正常价化合物常见于正常价化合物常见于陶瓷材料陶瓷材料,多为离子化合物。多为离子化合物。例如:例如:Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Ge、Mg2Si 等等等等电子化合物(休姆电子化合物(休姆-罗塞里相)罗塞里相)Hume-Rothery phase 电子化合物电子化合物是指按照一定价电子浓度的比值组成一定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,即晶格类型的化合物,即电
23、子浓度决定晶体结构电子浓度决定晶体结构。 电子化合物电子化合物不符合化学价规律不符合化学价规律,原子间以金属键为主,原子间以金属键为主,具有明显的具有明显的金属特性金属特性。如:价电子浓度(如:价电子浓度(e/a):): 3/2 体心立方(体心立方( 相)相); 7/4 密排密排六方晶格(六方晶格( 相);相);21/13 复杂立方(复杂立方( 相);相); 电子化合物的电子化合物的熔点和硬度都很高熔点和硬度都很高,而,而塑性较差塑性较差,是有,是有色金属中的重要色金属中的重要强化相强化相。间间 隙隙 相相q 当非金属原子半径(当非金属原子半径(rX)与金属原子半径()与金属原子半径(rM)的
24、比值)的比值rX/rM0.59时时,将形成具有将形成具有复杂晶体结构复杂晶体结构的的金属间化合物金属间化合物,其中非金属原,其中非金属原子也位于晶格的间隙处,故称之为子也位于晶格的间隙处,故称之为间隙化合物间隙化合物。例如例如Fe3C是铁碳合金中的重要组成相,称为是铁碳合金中的重要组成相,称为渗碳体渗碳体,具有复杂的,具有复杂的正正交晶格交晶格。Fe3C中的中的Fe原子可以部分地被其它金属原子(原子可以部分地被其它金属原子(Mn、Cr、Mo、W)所置换,形成)所置换,形成(Fe、Mn)3C等,称为等,称为合金渗碳体合金渗碳体。 间隙化合物中原子间结合键为间隙化合物中原子间结合键为共价键共价键和
25、和金属键金属键。间隙化。间隙化合物也具有合物也具有很高的熔点和硬度很高的熔点和硬度,脆性较大脆性较大,也是钢中重要,也是钢中重要的的强化相强化相之一。但之一。但与间隙相相比与间隙相相比,间隙化合物的熔点、硬,间隙化合物的熔点、硬度、以及化学稳定性都要低一些。度、以及化学稳定性都要低一些。第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷1 1、概念、概念肖脱基空位、弗仑克尔空位、刃型位错、螺型位错、柏氏矢肖脱基空位、弗仑克尔空位、刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移及攀移、弗兰克量、位错密度、位错的滑移及攀移、弗兰克- -瑞德源、汤普森瑞德源、汤普森四面体、位错反应、扩展位错、表面能、界面能、重整位
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