第二章 材料学纲要.ppt
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1、材料科学与工程导论材料科学与工程导论主讲人:黄艳琴主讲人:黄艳琴南京邮电大学材料科学与工程学院2011年11月17日材料科学与工程的核心问题材料科学与工程的核心问题材料科学材料科学与工程的核心问题是揭示材料与工程的核心问题是揭示材料成分成分-结构结构-工艺工艺-性能性能的关系。的关系。材料的性能是材料研究的出发点和目标。材料的性能是材料研究的出发点和目标。材料的化学成分和组织结构是影响材料性能的直接因素。材料的化学成分和组织结构是影响材料性能的直接因素。加工过程通过改变材料的组织结构影响性能。加工过程通过改变材料的组织结构影响性能。下图为材料科学与工程四要素:下图为材料科学与工程四要素:材料性
2、能材料性能化学成分化学成分组织结构组织结构制备加工制备加工第二章第二章材料学纲要材料学纲要一、一、材料的成分与组织结构材料的成分与组织结构铸铁(铸铁(铸铁(铸铁(含碳量含碳量2.112.114%4%)锰钢(增加强度和韧性)锰钢(增加强度和韧性)碳钢碳钢(含碳量含碳量0.32.11%)不锈钢(不锈钢(Cr 18%,Ni 8%,提高耐腐蚀和抗氧化性)提高耐腐蚀和抗氧化性)材料的化学成分材料的化学成分 指组成材料的元素种类及其含量,通常用质量分数表示。质质谱谱仪仪:可测量分子的分子量。根据带电粒子在电磁场中能够偏转的原理,按物质分子碎片的质量差异进行分离和检测物质组成的一类仪器。质谱仪以离子源、质量
3、分析器和离子检测器为核心。用于材料成分结构检测的仪器用于材料成分结构检测的仪器元元素素分分析析仪仪:根据被测样品在燃烧后得到的二氧化碳、水和氮气含量定量测量样品中的碳、氢、氮等元素的含量。核核磁磁共共振振仪仪:将被检测物置于特殊的磁场中,用无线电射频脉冲激发氢原子核,引起氢原子核共振,并吸收能量。在停止射频脉冲后,氢原子核按特定频率发出射电信号,并将吸收的能量释放出来,被接受器收录,经电子计算机处理获得图像。用于材料成分结构检测的仪器用于材料成分结构检测的仪器材料结构关系材料结构关系 材料的结构包括:原子结构、原子排列的方式(晶体材料的结构包括:原子结构、原子排列的方式(晶体和非晶体)、结构缺
4、陷、相结构、显微组织(显微镜下的和非晶体)、结构缺陷、相结构、显微组织(显微镜下的微观结构)等。哪些主要因素能够影响和改变结构?只有微观结构)等。哪些主要因素能够影响和改变结构?只有了解了这些才能实现控制结构的目的。了解了这些才能实现控制结构的目的。材料科学诞生的理论基础材料科学诞生的理论基础相平衡相平衡原子和晶体学说原子和晶体学说显微组织研究显微组织研究1 1、显微组织、显微组织眼见为实:一个证据的可见性质要比任何理论具有更高的价值眼见为实:一个证据的可见性质要比任何理论具有更高的价值眼见为实:一个证据的可见性质要比任何理论具有更高的价值眼见为实:一个证据的可见性质要比任何理论具有更高的价值
5、 钢锭缓慢冷却凝固时得到的长柱状晶粒(宏观组织):钢锭缓慢冷却凝固时得到的长柱状晶粒(宏观组织):钢锭快速冷却凝固时得到的细小晶粒(显微组织):钢锭快速冷却凝固时得到的细小晶粒(显微组织):宏观组织宏观组织 显微组织显微组织显微技术的进步:显微技术的进步:显微技术的进步:显微技术的进步:显显微微镜镜发发展展至至今今可可以以说说是是有有了了三三代代显显微微镜镜。这这也也使使得得人人们们对对于于微微观观世世界界的的认认识越来越深入,从微米级,亚微米级发展到纳米级乃至原子分辨率。识越来越深入,从微米级,亚微米级发展到纳米级乃至原子分辨率。光学显微镜光学显微镜 1830年代后期,由M.Schleide
6、和T.Schmann所发明;它使人类“看”到了致病的细菌、微生物和微米级的微小物体,对社会的发展起了巨大的促进作用,至今仍是主要的显微工具。但光学显微镜分辨率取决于光的波长,因此受到可见光波长的限制。电子显微镜电子显微镜 1924年,德布罗意发现单能量的电子束具有波的特性,几千伏的加速电压得到的波长比可见光小许多,可用于成像,提高分辨率;后来发现电子束可被x射线衍射,证实了德布罗意的理论。20世纪三十年代,卢斯卡(E.Ruska)发明了电子显微镜,使人类能“看”到病毒等亚微米的物体,它与光学显微镜一起成了微电子技术的基本工具。扫描探针显微镜扫描探针显微镜 也可称为纳米显微镜。1981年,IBM
7、 Zurich 实验室的比尼格和罗勒发明了扫描隧道显微镜(Scanning Tunneling Microscope,简称STM),使人类实现了观察单个原子的原望;1985年比尼格应奎特(C.F.Quate)发明了可适用于非导电样品的原子力显微镜(AFM),也具有原子分辨率,与扫描隧道显微镜一起构建了扫描探针显微镜(SPM)系列。Gerd BinnigHeinrich Rohrer扫描隧道显微镜的原理扫描隧道显微镜的原理1 1、隧道电流隧道电流隧道电流隧道电流根根据据量量子子力力学学中中电电子子的的隧隧道道效效应应,金金属属中中电电子子云云密密度度并并不不在在表表面面边边界界处处突突变变为为零
8、零。在在金金属属表表面面以以外外,电电子子云云密密度度呈呈指指数数衰衰减减,衰衰减减长长度度约约为为1nm。用用一一个个极极细细的的、只只有有原原子子线线度度的的金金属属针针尖尖作作为为探探针针,将将它它与与被被研研究究物物质质(称称为为样样品品)的的表表面面作作为为两两个个电电极极,当当样样品品表表面面与与针针尖尖非非常常靠靠近近(距距离离1nm)时时,两两者者的的电电子子云云略略有有重重叠叠。这这样样,通通过过电电子子云云的的电电子子流流就就会会在表面和探针间的距离变化极为灵敏。在表面和探针间的距离变化极为灵敏。金属表面与针尖的电子云图金属表面与针尖的电子云图2 2、样品表面的扫描、样品表
9、面的扫描 隧隧道道电电流流 I 对对针针尖尖与与样样品品表表面面之之间间的的距距离离 S极极为为敏敏感感,如如果果 S 减减小小0.1nm,隧隧道道电电流流就就会会增增加加一一个个数数量量级级。当当针针尖尖在在样样品品表表面面上上方方扫扫描描时时,即即使使其其表表面面只只有有原原子子尺尺度度的的起起伏伏,也也将将通通过过其其隧隧道道电电流流显显示示出出来来。借借助助于于电电子子仪仪器器和和计计算算机机的的反反馈馈,在在屏屏幕幕上上即即显显示示出样品表面的高分辨率三维图像。出样品表面的高分辨率三维图像。3、STM的工作模式的工作模式金薄膜的金薄膜的扫扫描照片描照片2 2、相平衡、相平衡相的定义:
10、相的定义:在在相相同同的的温温度度、压压力力和和成成分分条条件件下下,系系统统中中单单个个均均匀匀部部分称为相;分称为相;相相是是空空间间区区域域均均匀匀的的部部分分,原原则则上上它它们们可可以以与与系系统统中中其其它相机械的分离出来;它相机械的分离出来;一一个个相相与与系系统统中中的的其其它它部部分分有有清清晰晰的的界界限限;可可以以含含有有一一种种或或多多种种化化学学组组元元,在在系系统统达达到到平平衡衡时时,相相的的成成分分是是均均匀的。匀的。相变:相变:外外界界条条件件发发生生变变化化的的过过程程中中,物物相相于于某某一一特特定定条条件件下下(临临界界值值)时时发发生生突突变变。从从一
11、一种种结结构构变变成成另另一一种种结结构构,如如气气、液液、固固相相的的转转变变,或或固固体体中中不不同同晶晶体体结结构构间间的的转转变。变。水的相图水的相图(1)在水、冰、水蒸气三个区域内,体系都是单相,必须同时指定温度和压力两个变量,体系的状态才能完全确定;(2)三条实线是两个区域的交界线,指定了温度就不能指定压力,压力应由体系自定,反之亦然;在交界线分别发生水-冰、冰-水蒸气、水-水蒸气的相变;(3)三条实线的交点称为三相点,该点三相共存,温度和压力都由体系自定,其温度为273.16 K,压力为610.62 Pa。3 3、原子结构、原子结构1879187918791879年年年年 J.J
12、 Thomson J.J Thomson J.J Thomson J.J Thomson 发现电子(发现电子(发现电子(发现电子(electron),electron),electron),electron),揭示了原子内部秘密揭示了原子内部秘密揭示了原子内部秘密揭示了原子内部秘密1911191119111911年年年年 E.RutherfordE.RutherfordE.RutherfordE.Rutherford提出原子结构有核模型提出原子结构有核模型提出原子结构有核模型提出原子结构有核模型1913191319131913年年年年 N.BohrN.BohrN.BohrN.Bohr结合结合结
13、合结合 Bohr Bohr Bohr Bohr 原子模型原子模型原子模型原子模型 M.PlankM.Plank和和A.EinsteinA.Einstein量子论量子论Rutherford Rutherford 原子有核模型原子有核模型原子结构的量子理论原子结构的量子理论原子核:位于原子中心,带正电原子核:位于原子中心,带正电电子电子:核外高速旋转,带负电,按能核外高速旋转,带负电,按能量高低排列量高低排列核外电子的排布规律:能量最低原理能量最低原理保里不相容原理保里不相容原理洪特规则洪特规则4 4、结合键、结合键l一、金属键(Metallic bonding)典型的金属原子结构:最外层电子数很
14、少,即价电子(典型的金属原子结构:最外层电子数很少,即价电子(valence electronvalence electron)极易极易 挣脱原子核之束缚而成为自由电子(挣脱原子核之束缚而成为自由电子(Free electronFree electron),),形成电子云形成电子云(electron electron cloudcloud),金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。),金属中自由电子与金属正离子之间构成键合称为金属键。性质:良好导电、导热性能,延展性好性质:良好导电、导热性能,延展性好化学键化学键化学键化学键物理键:亦称范德华键物理键:亦称范德华键物理键:亦称范德华键
15、物理键:亦称范德华键氢键:介于化学键和范德华键之间氢键:介于化学键和范德华键之间氢键:介于化学键和范德华键之间氢键:介于化学键和范德华键之间金属键金属键金属键金属键共价键共价键共价键共价键离子键离子键离子键离子键键能键能键能键能100-800 KJ/mol100-800 KJ/mol(强相互作用)(强相互作用)几到几十几到几十 KJ/mol KJ/mol(弱相互作用)(弱相互作用)二、离子键二、离子键(Ionic bonding)Ionic bonding)多数盐类、碱类和金属氧化物多数盐类、碱类和金属氧化物l 特点:以离子而不是以原子为结合单元,要求正负离子相间排列,且无方向性,无饱和性l
16、性质:熔点和硬度均较高,良好电绝缘体,但在熔融状态或溶于水后能导电。三、共价键(covalent bonding)l亚金属(C、Si、Sn、Ge),聚合物和无机非金属材料l实质:由二个或多个电负性差不大的原子间通过共用电子对而成 l特点:饱和性,方向性l性质:熔点高、质硬脆、导电能力差 实质:金属原子 带正电的正离子 非金属原子 带负电的负离子 e 静电作用力静电作用力四、范德华力(四、范德华力(Van Van derder waalswaals bonding)bonding)l属物理键,次价键,不如化学键强大,但能很大程度改变材料性质 五、氢键(Hydrogen bonding)l 极性分
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