材料的组成、结构与性能.ppt
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1、第二章第二章 材料的组成、结构与性能材料的组成、结构与性能材料的宏观性能是由化学组成和组织结构决定的。材料的宏观性能是由化学组成和组织结构决定的。2.1 材料的组成材料的组成 2.2 材料的结构材料的结构 2.3 材料的性能材料的性能 2.1 材料的组成材料的组成 按原子或分子的结合与结构分布状态的不同,材料的组成按原子或分子的结合与结构分布状态的不同,材料的组成可分成固溶体、聚集体和复合体。可分成固溶体、聚集体和复合体。材料组元的结合形式材料组元的结合形式1、组元、相、组织、组元、相、组织 组成材料最基本、独立的物质称为材料的组成材料最基本、独立的物质称为材料的组元组元(或称组分)(或称组分
2、)。组元可以是纯元素,也可以是稳定的化合物。组元可以是纯元素,也可以是稳定的化合物。材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分叫做材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分叫做相相。相与相之间有明显的界面,在界面上,性质的改变是突变的。相与相之间有明显的界面,在界面上,性质的改变是突变的。若材料是由成分、结构均相同的同种晶粒构成的,尽管若材料是由成分、结构均相同的同种晶粒构成的,尽管各晶粒之间有界面隔开,但它们仍属于同一种相。若材料是各晶粒之间有界面隔开,但它们仍属于同一种相。若材料是由成分、结构都不同的几种晶粒构成的,则它们属于几种不由成分、结构都不同的几种晶粒构成的,则它们属于几种不同
3、的相。同的相。一个相必须在物理性质和化学性质上都是完全均匀,但一个相必须在物理性质和化学性质上都是完全均匀,但不一定只含有一种物质。不一定只含有一种物质。材料内部的微观形貌称为材料内部的微观形貌称为材料的组织材料的组织。晶粒和相形成的图。晶粒和相形成的图案。又可分为,微观组织(结构)案。又可分为,微观组织(结构)10-710-9m,晶体、非晶,晶体、非晶态(无定形结构)。宏观组织,单一、复合。态(无定形结构)。宏观组织,单一、复合。宏观组织结构:宏观组织结构:用肉眼或放大镜能观察到的晶粒、用肉眼或放大镜能观察到的晶粒、相的集合状态。相的集合状态。显微组织结构:显微组织结构:或称亚微观结构。借助
4、光学或电子或称亚微观结构。借助光学或电子显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材料内部显微镜可观察到的晶粒、相的集合状态或材料内部的微区结构,尺寸约为的微区结构,尺寸约为10 7 10 4m。微观结构:微观结构:比显微组织结构更细的一层结构,包括比显微组织结构更细的一层结构,包括原子、分子结构及原子和分子的排列结构。原子、分子结构及原子和分子的排列结构。2、固溶体、固溶体 将将外外来来组组元元引引入入晶晶体体结结构构,占占据据主主晶晶相相质质点点位位置置一一部部分分或或间间隙隙位位置置一一部部分分,仍仍保保持持一一个个晶晶相相,这这种种晶晶体体称称为为固固溶溶体体(即即溶溶质质溶溶解解在在溶溶剂
5、剂中中形形成成固固溶溶体体),也也称称为为固固体体溶液。溶液。固溶体的分类固溶体的分类一、一、根据外来组元在主晶相中所处位置根据外来组元在主晶相中所处位置,可分为置换,可分为置换固溶体和间隙固溶体。固溶体和间隙固溶体。二、按外来组元在主晶相中的固溶度,可分为连续型二、按外来组元在主晶相中的固溶度,可分为连续型(无限型无限型)固溶体和有限型固溶体。固溶体和有限型固溶体。(一)、根据溶质原子在主晶相中所处(一)、根据溶质原子在主晶相中所处位置位置分:分:1、置置换换式式固固溶溶体体,亦亦称称替替代代固固溶溶体体,其其溶溶质质原原子子位位于点阵结点上,替代(置换)了部分溶剂原子。于点阵结点上,替代(
6、置换)了部分溶剂原子。金金属属和和金金属属形形成成的的固固溶溶体体都都是是置置换换式式的的。如如,Cu-Zn系中固溶体都是置换式固溶体。系中固溶体都是置换式固溶体。在在金金属属氧氧化化物物中中,主主要要发发生生在在金金属属离离子子位位置置上上的的置置换换,如如:MgO-CaO,MgO-CoO,PbZrO3-PbTiO3,Al2O3-Cr2O3等。等。2、间间隙隙式式固固溶溶体体,亦亦称称填填隙隙式式固固溶溶体体,其其溶溶质质原子位于点阵的间隙中。原子位于点阵的间隙中。金金属属和和非非金金属属元元素素H、B、C、N等等形形成成的的固固溶溶体体都都是是间间隙隙式式的的。如如,在在Fe-C系系的的固
7、固溶溶体体中中,碳碳原原子子就就位位于于铁铁原原子子的的BCC(体体心心立立方方结结构构)点点阵的八面体间隙中。阵的八面体间隙中。(二)、根据外来组元在主晶相中的固溶度(二)、根据外来组元在主晶相中的固溶度1、有有限限固固溶溶体体(不不连连续续固固溶溶体体、部部分分互互溶溶固固溶溶体),其固溶度小于体),其固溶度小于100%。两两种种晶晶体体结结构构不不同同或或相相互互取取代代的的离离子子半半径径差差别别较较大大,只只能能生生成成有有限限固固溶溶体体。如如MgO-CaO系系统统,虽虽然然都都是是NaCl型型结结构构,但但阳阳离离子子半半径径相相差差较较大大,rMg2+=8nm,rCa2+=10
8、nm,取取代代只只能能到到一定限度。一定限度。2、无无限限固固溶溶体体(连连续续固固溶溶体体、完完全全互互溶溶固固溶溶体体),是是由由两两个个(或或多多个个)晶晶体体机机构构相相同同的的组组元元形形成成的的,任一组元的成分范围均为任一组元的成分范围均为0100%。Cu-Ni系系、Cr-Mo系系、Mo-W系系、Ti-Zr系系等等在室温下都能无限互溶,形成连续固溶体。在室温下都能无限互溶,形成连续固溶体。MgO-CoO系系统统,MgO、CoO同同属属NaCl型型结结构构,rCo2+=8nm,rMg2+=8nm,形形成成无无限限固固溶溶体体,分子式可写为分子式可写为MgxNi1-xO,x=01;Pb
9、TiO3与与PbZrO3也也可可形形成成无无限限固固溶溶体体,分分子子式写成:式写成:Pb(ZrxTi1-x)O3,x=01。形成置换固溶体的影响因素形成置换固溶体的影响因素1.原子或离子尺寸的影响原子或离子尺寸的影响2、晶体结构类型的影响、晶体结构类型的影响3、离子类型和键性、离子类型和键性4、电价因素、电价因素1.原子或离子尺寸的影响原子或离子尺寸的影响以以r1和和r2分别代表半径大和半径小的溶剂分别代表半径大和半径小的溶剂(主晶主晶相相)或溶质或溶质(杂质杂质)原子原子(或离子或离子)的半径,的半径,n当当时,溶质与溶剂之间可以形成连时,溶质与溶剂之间可以形成连续固溶体。续固溶体。n当当
10、时,溶质与溶剂之间只能时,溶质与溶剂之间只能形成有限型固溶体,形成有限型固溶体,n当当时,溶质与溶剂之间很难形成时,溶质与溶剂之间很难形成固固溶体或不能形成溶体或不能形成固溶体,而容易形成中间相或化合固溶体,而容易形成中间相或化合物。因此物。因此r愈大,则溶解度愈小。愈大,则溶解度愈小。这是形成连续固溶体的必要条件,这是形成连续固溶体的必要条件,而不是充分必要条件。而不是充分必要条件。2、晶体结构类型的影响、晶体结构类型的影响若若溶溶质质与与溶溶剂剂晶晶体体结结构构类类型型相相同同,能能形形成成连连续续固固溶溶体体,这这也也是是形形成成连连续续固固溶溶体体的的必必要要条条件,而不是充分必要条件
11、。件,而不是充分必要条件。NiO-MgO都都具具有有面面心心立立方方结结构构(FCC),且且r萤石萤石TiO2MgO实验证实验证明是符合的。明是符合的。形成固溶体后对晶体性质的影响形成固溶体后对晶体性质的影响n1、稳定晶格,阻止某些晶型转变的发生稳定晶格,阻止某些晶型转变的发生n2、活化晶格、活化晶格n3、固溶强化、固溶强化n4、形成固溶体后对材料物理性质的影响、形成固溶体后对材料物理性质的影响1、稳定晶格,阻止某些晶型转变的发生、稳定晶格,阻止某些晶型转变的发生(1)PbTiO3是一种铁电体,纯是一种铁电体,纯PbTiO3烧结性能极差,居烧结性能极差,居里点为里点为490,发生相变时,晶格常
12、数剧烈变化,在常温,发生相变时,晶格常数剧烈变化,在常温下发生开裂。下发生开裂。PbZrO3是一种反铁电体,居里点为是一种反铁电体,居里点为230。两者结构相同,两者结构相同,Zr4+、Ti4+离子尺寸相差不多,能在常温离子尺寸相差不多,能在常温生成连续固溶体生成连续固溶体Pb(ZrxTi1-x)O3,x=0.10.3。在斜方铁电体。在斜方铁电体和四方铁电体的边界组成和四方铁电体的边界组成Pb(Zr0.54Ti0.46)O3处,压电性能、处,压电性能、介电常数都达到最大值,烧结性能也很好,被命名为介电常数都达到最大值,烧结性能也很好,被命名为PZT陶瓷。陶瓷。(2)ZrO2是一种高温耐火材料,
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- 关 键 词:
- 材料 组成 结构 性能
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