材料科学与工程学系 王秀丽 wangxl@zju.edu.cn 材料科学与人类文明 材料结构基础 材料科学与工程学系 王秀丽 wangxl@zju.edu.cn

课件下载 材料科学与工程学系主页 本科生教育 教学课件 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

主要内容 原子、离子和分子 金属键、离子键和共价键 晶体结构：晶胞，晶面指数，晶向指数 晶体缺陷：点缺陷，线缺陷，面缺陷 合金的基本相：固溶体和中间相 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

尺度表征 Examples 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

材料的尺度 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

材料的尺度 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

材料的尺度 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

材料的结构层次 宏观结构 Macroscopic Structure 微观结构 Microscopic Structure 原子尺度 Atomic Level 亚原子尺度 Subatomic Level 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

Chap2-1 原子组成、化学键 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

原子(atom)=质子(proton)+中子(nucleus)+电子(electron) 原子的构成 物质由原子构成！ 原子(atom)=质子(proton)+中子(nucleus)+电子(electron) 带电量——质子：+ 1.610-19 库仑；电子： - 1.610-19 库仑；中子：0 质量——质子：1.6710-27 Kg；中子： 1.6710-27 Kg；电子： 9.1110-31 Kg 原子的质量集中在原子核，核外电子的质量可以忽略不计 原子的半径约为10-10 m（0.1 nm）数量级，其中，原子核的半径不超过10-14 m 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

质子和中子组成原子核，电子绕原子核作高速运动 原子结构模型 质子和中子组成原子核，电子绕原子核作高速运动 The solar system Rutherford's model 无法解释电子不向原子中心坍塌的原因 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

核外电子的运动 注意不同轨道的形状！ Heisenberg’s Uncertainty Principle 电子在原子核外作绕核（循轨）运动和自旋运动 其运动轨道的能级分立不连续 在多电子的原子中，电子的分布遵循泡利不相容原理和能量最低原理 最外层的电子所处的能级最高，最不稳定，称为价电子。化学键主要取决于价电子 注意不同轨道的形状！ Heisenberg’s Uncertainty Principle Wave function: the probability of finding an electron with special energy in the space surrounding the nucleus Bohr's model, 1913 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

核外电子轨道 To specify an electron state, one need: n—principal quantum number l—orbital quantum number m—magnetic quantum number s—spin quantum number 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

核外电子轨道能级排序 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

玻尔原子模型的证据举例 发射光子能量： 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

原子结构举例 H：1s1 He：1s2 Li：1s22s1 Na：1s22s22p63s1 核外电子的排列 元素周期表 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

元素周期表 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

电负性 电负性降低 表征原子获得电子的能力 电负性增加 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

化学键 材料的性能是由以下因素决定的： 内因 成分——材料是由哪些物质（原子）构成的？ 化学键——构成材料的原子如何结合在一起？ 晶体结构——构成材料的原子是如何排列的？ 外因 温度、压力 和化学键关系密切的材料性能：密度、导电性、导热性、热膨胀、硬度 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

原子间作用力 两个原子之间存在的相互作用力，包括原子核与核外电子之间的吸引力，以及原子核、核外电子之间的排斥力。 在某一间距a0处，吸引力和排斥力达到平衡，势能最低，原子最稳定。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

化学键种类 由于核外电子结构，特别是价电子结构的不同，原子之间的结合方式（化学键）也不同。可以分为离子键、共价键、金属键、范德华力和氢键。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

离子键 价电子被电负性大的元素原子吸引，正负离子平衡形成离子键 特点：结合力大，无方向性 组成的离子晶体硬度高、强度高、脆性大、绝缘 举例：NaCl、Al2O3、CaF2 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

共价键 共用价电子对； 特点：结合力大、饱和性、方向性 由它组成的共价键晶体熔点高、强度高、脆性大 举例：金刚石、BN 、 SiC 、 Si3N4 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

共价键的方向性 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

金属键 金属键特点：无方向性、价电子可以在晶体中自由运动 原子失去价电子形成正离子； 正离子在三维空间规则排列形成晶格； 价电子为全体原子共有（自由电子），在晶格间自由运动，形成电子气； 正离子和电子气之间产生静电吸引使离子结合起来。 金属键特点：无方向性、价电子可以在晶体中自由运动 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

金属 金属由金属键结合，具有下列特征： 良好的导电、导热性； 良好的塑性变形能力（因为金属键没有方向性，原子间没有选择性）； 不透明，呈现金属光泽； 电阻随温度升高而增大。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

氢键 H与O、N、F等电负性高的原子A（A=O、N、F等）组成共价键分子时，共有电子对（电荷中心）偏向原子A。此时，H原子一侧带正电，A原子一侧带负电。一个分子的H原子可以和另一个分子的A原子通过正负电荷相互作用而形成一种附加键，即氢键。氢键存在于H2O、HF、NH3和许多高分子化合物中。 C O H 氢键 二甲酸分子 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

为什么冰的密度低于水 冰中水分子的排列 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

分子键 在某一瞬间，一个原子的正负电荷中心可能不重合，从而形成小的偶极子。小偶极子之间的相互作用力称范德华力。 结合过程没有电子得失、共有或公有化，价电子分布几乎不变。 范得瓦耳斯力其实是分子偶极之间作用力。 由分子键形成的物质熔点低、硬度低、绝缘。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

化学键结合强度比较 化学键 离子键 共价键 金属键 氢键 范德华力 结合能（kJ/mol） 600~1500 100~800 70~850 10~50 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

各种材料中可能存在的化学键 材料种类 离子键 共价键 金属键 范德华力 金属 存在 高分子 陶瓷 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

化学键与材料熔点 * Increasing covalent bonding 化学键 材料 结合能(kJ/mol) 熔点（ºC） 离子键 NaCl 640 801 MgO 1000 2800 共价键 Si 450 1410 C(金刚石) 713 >3550 金属键* Hg 68 -39 Al 324 660 Fe 406 1538 W 849 3410 范德华力 Ar 7.7 -189 Cl2 231 -101 氢键 NH3 35 -78 H2O 51 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

化学键与材料热膨胀系数 材料 铝 铜 铁 砖头 窗玻璃 水泥 聚乙烯 橡皮 线膨胀系数 （*10-6/ºC） 22 16 12 9 13 110-180 81 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

Chap2-2 晶体结构 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

晶体和非晶体 晶体：固体材料中原子在三维空间呈周期性规则排列，有规则外形，有一定熔点，各向异性。 雪花六种形貌 举例：食盐、蔗糖 非晶体：原子不规则排列，无规则外形，无一定熔点，各向同性。 举例：萘 雪花六种形貌 实际晶体SEM照片 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

晶体的结构与形状 晶体的结构 晶体的形状 介 观 宏 观 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

Morphology of PbS crystal with NaCl structure 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

ATOMIC PACKING ABCA ABA 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

金属晶体结构 大多数固态金属內部的原子都在三微空间整齐规律地排列（晶体）。因此其原子位置可以画成三微空间立体格子形式，称为晶格 (crystal lattice)； 构成晶格的最小立体格子单位称晶胞(unit cell)。 金属的主要晶体结格有三种： 面心立方（Face-centered cubic, FCC） 体心立方（Body-centered cubic, BCC） 密排六方（Hexagonal close-packed, HCP） 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

FCC结构 举例：Al、Cu、-Fe、Ag、Au 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

原子填充率（晶胞中被原子填充的体积百分率）APF： FCC结构 晶胞原子数： 6×1/2 +8×1/8 =4 晶胞常数： 原子填充率（晶胞中被原子填充的体积百分率）APF： 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

BCC结构 举例：Cr、Mo、W、V 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

BCC结构 晶胞原子数： 1+8×1/8 =2 晶胞常数： 原子填充率： 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

HCP结构 举例：Cd、Ti、Be、Mg、Zn、Zr 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

HCP结构 原子填充率： 晶胞原子数： 3+12×1/6+2 ×1/2 =6 晶胞常数： 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

晶体结构 晶胞原子数 原子填充率 BCC 2 0.68 FCC 4 0.74 HCP 6 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

假设固体为完整的晶体，其密度可近似认为是晶胞的密度： 材料密度估算 假设固体为完整的晶体，其密度可近似认为是晶胞的密度： n——晶胞原子数 M——一个原子的质量 Vc——晶胞体积 A——元素的原子量 NA——阿佛加德罗常数，NA=6.0221023。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

例题 纯铁在910 C以上为FCC结构（-Fe，a=0.129 nm），910 C以下为BCC结构（-Fe，a=0.126 nm）。估算： 1）两种结构纯铁的理论密度； 2）纯铁从910 C以上冷却到910 C以下后的体积变化。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

Answer 考虑4个Fe原子 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

同素异构体 一种元素的固体的不同晶体结构形态称为同素异构体。例如，C有四种同素异构体：石墨、金刚石、富勒烯、纳米管。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

晶向指数与晶面指数 为了能明确的、定量的表示晶格中任意两原子间连线的方向或任意一个原子面。 用米勒指数（Miller indices）来统一标定 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

1) 晶向指数 求法： 定原点 — 建坐标 — 求坐标 — 化最小整数 — 加[ ] 例： z X 轴坐标 —— 1 1 1 1 1) 晶向指数 求法： 定原点 — 建坐标 — 求坐标 — 化最小整数 — 加[ ] 例： z X 轴坐标 —— 1 1 1 1 Y 轴坐标 —— 1 [ ] [111] Z 轴坐标 —— 1 o y x 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

1) 晶向指数 求法： — 加[ ] 定原点 — 建坐标 — 求坐标 — 化最小整数 例： x y z o X 轴坐标 —— 0 0 0 1 1) 晶向指数 — 加[ ] 求法： 定原点 — 建坐标 — 求坐标 — 化最小整数 例： x y z o [001] X 轴坐标 —— 0 0 0 1 Y 轴坐标 —— 0 [ ] [111] Z 轴坐标 —— 1 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

1) 晶向指数 求法： 特点： 定原点 — 建坐标 — 求坐标 — 化最小整数 — 加[ ] 1. 直接表示任意两点连线的方向 1) 晶向指数 求法： 定原点 — 建坐标 — 求坐标 — 化最小整数 — 加[ ] 特点： 1. 直接表示任意两点连线的方向 2. 只表示方向，不表示长短 3. 实际上表示所有相互平行、方向一致的晶向[u v w] 例： X 轴坐标 —— 1 1 -1 1 [001] Y 轴坐标 —— -1 [111] Z 轴坐标 —— 1 [ ] 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

绘出[100]、 晶向 绘出[231]、 晶向 [231] [100] [231] [231] 2017/3/13 绘出[100]、 晶向 绘出[231]、 晶向 [100] [231] [231] [231] 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

绘出[100]、 晶向 绘出[231]、 晶向 [231] 技巧： 当晶向指数中有大于1的数时， 外延晶胞，直接求点 将指数化为分数 绘出[100]、 晶向 绘出[231]、 晶向 [100] [231] 技巧： [231] 当晶向指数中有大于1的数时， 外延晶胞，直接求点 将指数化为分数 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

2) 晶面指数 求法： 定原点 — 求截距 — 取倒数 — 化最小整数 — 加（） 例： X 轴坐标 —— 1 1 1 1 2) 晶面指数 求法： 定原点 — 求截距 — 取倒数 — 化最小整数 — 加（） 例： X 轴坐标 —— 1 1 1 1 Y 轴坐标 —— 1 Z 轴坐标 —— 1 1 1 1 ( ) 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

2) 晶面指数 求法： 特点： 定原点 — 求截距 — 取倒数 — 化最小整数 — 加（） 1. 直接表示任意晶面 2) 晶面指数 求法： 定原点 — 求截距 — 取倒数 — 化最小整数 — 加（） 特点： 1. 直接表示任意晶面 2. 实际上表示所有相互平行的晶面（ h k l ) 例： X 轴坐标 —— 1 1 1 ∞ Y 轴坐标 —— 1 Z 轴坐标 —— ∞ 1 1 0 ( ) 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

绘出 晶面 取倒数 化简 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

课堂练习： 请绘出下列晶向： [001] [010] [100] [110] [112] 请绘出下列晶面： (001) (010) (100) (110) (112) 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

课堂练习： 请绘出下列晶向： [001] [010] [100] [110] [112] 请绘出下列晶面： (001) (010) (100) (110) (112) 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

3) 晶向族与晶面族 晶向族： —— 加 < > [111] 例： = < 111 > [100] 3) 晶向族与晶面族 晶向族： —— 加 < > 1. 立方晶系，数字相同，仅正负号、数字排序不同的属同一晶向族 2. 一个晶向指数代表一系列相互平行、方向相同的晶向 3. 一个晶向族代表一系列性质地位相同的晶向 [111] = < 111 > 例： = < 100 > [100] 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

晶面族： —— 加 ｛ ｝ (111) = { 111 } 例： (110) = { 110 } —— 加 ｛ ｝ 1. 立方晶系，数字相同，仅正负号、数字排序不同的属同一晶面族 2. 一个晶面指数代表一系列相互平行的晶面 3. 一个晶面族代表一系列性质地位相同的晶面 (111) = { 111 } 例： (110) = { 110 } 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

4) 晶向指数与晶面指数的关系 —— 仅 对于立方晶系而言 指数数字相同的晶向与晶面相互垂直 例： [110] 与 (110) 4) 晶向指数与晶面指数的关系 指数数字相同的晶向与晶面相互垂直 —— 仅 对于立方晶系而言 例： [110] 与 (110) [100] 与 (100) [111] 与 (111) 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

六方晶系的晶向指数与晶面指数 采用a1、a2、a3和c四轴坐标系 —— 只有两个独立 a1、a2、a3轴共面，夹角120° c o 晶向：[ u v t w ]  －（u + v）＝ t 或 u＋v＋t＝0 晶向：[ u v t w ]  －（u + v）＝ t 或 u＋v＋t＝0 end ( h k i l )  ( h k l )  2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

end 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

晶面间距越大， 则该晶面上原子排列越密集 晶面间距越小， 则该晶面上原子排列越稀疏 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

应用举例 不同晶面原子排列密度不同。FCC、BCC、HCP的原子最密排面分别为(111)、(110)、(001)。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

二氧化钛纳米棒 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

应用举例——天然断面 CaF2 PbS 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

X-射线衍射 衍射条件——布拉格定律： 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

X射线衍射 入射线 试样 （110） （200） （211） 衍射角2 衍射线强度 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

Chap2-3 晶体缺陷 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

晶体缺陷 “Crystals are like people, it is the defects in them which tend to make them interesting!” —— Colin Humphreys 实际晶体并不是完整的，含有许多缺陷。这些缺陷可分为点缺陷、线缺陷及面缺陷。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

缺陷与材料性能 缺陷对材料的性能有很重要的影响 ! 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

点缺陷 空位 置换原子 自间隙原子 杂质间隙原子 产生原因：①热运动；②射线辐射；③快速淬火 点缺陷使周围晶格发生畸变，提高晶体内能，降低导电率，提高强度。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

热运动平衡空位浓度 热运动产生的平衡空位浓度Nv可以用下式计算： Ns——完整晶格中的格点数 Qv——空位形成能（表征在完整晶格中形成空位的难易程度） kB——玻尔兹曼常数，1.3810-23 J/atom-K T——温度，单位K。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

例题 估算300 K时Cu中的平衡空位浓度（已知Qv=0.9 ev/atom，=8.4 g/cm3，原子量A=63.5 g/mol）。 答案：7.4107 vacancies/cm3 Cu为面心立方晶体结构 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

线缺陷——位错 位错是只在1维尺度上尺寸很大的缺陷，由晶体中原子平面的错动引起。 刃型位错 螺型位错 产生原因：①点缺陷坍塌；②应力作用下的塑性变形 位错越多，其运动越困难，材料的强度、硬度越高，脆性越大。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

位错 含有刃型位错的晶体结构 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

位错 螺型位错 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

位错 混合位错 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

位错线的实验观察 透射电镜照片 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

位错密度 晶体中位错的量可以用位错线的长度来表征。位错密度指单位体积中位错线的总长度。退火金属中位错密度约为1010 m/m3，即每立方厘米中位错线的总长度约为10 Km。这个数据尽管看起来很大，实际上仍有99.999%的金属原子在正常的晶格格点位置上。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

面缺陷 应用：纳米材料、晶粒细化 光学显微镜照片 晶界——晶粒之间的界面 面缺陷包括晶界、亚晶界、相界面、表面等 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

体缺陷 材料制备过程中尽量避免出现体缺陷！！ 体缺陷是三维缺陷，包括： 孔洞(Pores)——影响材料的力学、光学、热学性能； 裂纹(Cracks)——影响材料的力学性能； 夹杂(Inclusions)——影响材料的力学、光学、电学性能。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

Chap2-4 合金基本相 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

合金的基本相 几个概念 合金(Alloy)——以一种金属元素为基础，加入其它金属或非金属而组成的具有金属特性的材料。 组元(Constituent)——组成合金的最基本的独立的物质。可以是金属元素、非金属元素或稳定的化合物。 相(Phase)——成分、结构相同，性能均一，并有界面与其它部分隔开的独立均匀的组成部分。合金中的基本相有固溶体和中间相两种。 组织(Microstructure)——合金结构的微观形貌。可以是单相的，也可以是多相的。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

举例 45号钢 Fe-C二元合金 组元：Fe、C 相：Fe(C)、Fe3C 组织：铁素体（F）、珠光体（P） Al-Si二元合金 相：Al(Si)、Si 组织：Al(Si)、Si 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

固溶体 溶液 固溶体 固溶体——以一种金属元素为基础，其它合金元素（金属或非金属）的原子溶入基础元素的晶格中所形成的相。基础元素称为溶剂，溶入元素称为溶质。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

固溶体的分类 按排列方式 有序固溶体 按溶解度 有限固溶体 无限固溶体 无序固溶体 按溶质位置 置换固溶体 间隙固溶体 置换固溶体：溶质原子取代晶格中溶剂原子原子的位置。 形成无限固溶体的前提：溶质和溶剂金属的晶格型式相同。 间隙固溶体：尺寸较小的溶质原子进入晶格空隙。 固溶体的特点（1）晶格型式同溶剂；（2）性能和溶剂接近。 固溶体中溶质原子使溶剂晶格发生畸变，因此其强度、硬度比溶剂元素高，塑性韧性变化不大——固溶强化 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

晶格中的间隙 面心立方中的八面体间隙 能容纳的最大球半径=0.414R 体心立方中的八面体间隙 能容纳的最大球半径=0.154R 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

BCC铁中的C 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

中间相 组成化合物的合金元素按一定比例结合； 晶格型式不同于各组成元素的晶格； 结合方式：金属键和其它键（离子键、共价键、分子键）相混合； 合金组元之间发生化学反应，形成晶体结构不同于任一组元的新相。由于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相，也称为金属间化合物。其特点有： 组成化合物的合金元素按一定比例结合； 晶格型式不同于各组成元素的晶格； 结合方式：金属键和其它键（离子键、共价键、分子键）相混合； 化学分子式不符合化合价规律（因为结合含金属键形式）； 具有金属的性质，但性能和组成元素原有性能差别较大。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

中间相的分类 正常价化合物——由负电性差别较大的组元组成，组元的原子数比较符合化合价规律。如Mg2Sn、AuAl2、AlN、SiC、CaTe等。硬度高、脆性大。 电子化合物——满足一定电子浓度值c时可以稳定存在的化合物。不符合化合价规律。 c=e/a, e为价电子总数，a为原子总数。c为21/14，21/13，21/12时形成电子化合物，分别标为、、相。 间隙化合物——过渡族金属元素与小原子尺寸的非金属元素（C、N、B）形成的化合物。如Fe3C。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

Chap2-5 常见材料的组织结构 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

金属材料结构 金属材料结构3层次： 晶体结构：FCC、BCC、HCP 相结构：固溶体、中间相 组织结构：共晶组织、共析组织、非金属夹杂物等 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

金属材料的组织 在金相显微镜下观察，可以看到金属材料内部的微观形貌。这种微观形貌称做显微组织(简称组织) 组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成 金属材料的组织可以由单相组成，也可以由多相组成                                                                                                     0.01%C 铁素体 0.45%C 铁素体+珠光体 0.77%C 珠光体 铁碳合金的室温平衡组织 由粗片状α相、细片状Fe3C相相间组成 1.2%C  珠光体+二次渗碳体   2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

亚共析、共析、过共析钢 Fe-0.45 C F + P Fe-0.8 C P Fe-1.0 C P + Cm 0.77 2.11 wt%C 0.77 2.11 wt%C 亚共析 过共析 共析 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

亚共晶、共晶、过共晶白口铁 2.11 4.30 6.67 wt%C 亚共晶 过共晶 共晶 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

金属材料的组织 金属材料的组织取决于它的化学成分和工艺过程 不同碳含量的铁碳合金在平衡结晶后获得的室温组织不一样 金属材料的化学成分一定时，工艺过程则是其组织的最重要的影响因素 纯铁经冷拔后，其组织由原来的等轴形状的铁素体晶粒变成拉长了的铁素体晶粒 C含量为0.77%的铁碳合金经球化退火后，得到的组织为球状珠光体。这种组织与室温平衡组织片状珠光体的形态完全不一样 片状珠光体 球状珠光体 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

金属材料组织-性能关系 灰口铸铁的基体都是铁素体，但石墨的形态不同，使抗拉强度相差很大 冲击韧性与抗拉强度顺序相反 铁素体和片状石墨 抗拉强度150 MPa 铁素体和团絮状石墨 抗拉强度350 MPa 铁素体和球状石墨 抗拉强度420 MPa 纯铁经冷拔后，晶粒被拉长变形，内部位错密度等缺陷增多，强度与硬度均提高得多 冷变形对纯铁的物理、化学性能也有较大的影响，如导电性、耐蚀性降低。碳含量为0.77%的铁碳合金，室温平衡组织中含有片状的Fe3C相, 其硬度高达800 HB。切削加工时，车刀要不断切断Fe3C，因此刀具的磨损很厉害。但球化退火后，Fe3C相变为分散的颗粒状, 切削时对刀具的磨损较小，使切削性能得到提高。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

贝氏体组织 贝氏体B——550 C ~Ms之间的转变产物。为F和Fe3C的两相混合组织。 B相变由于相变温度低，只有C原子扩散，Fe原子基本不扩散，是半扩散型相变。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

马氏体组织 马氏体（M）——温度低于Ms时的过冷奥氏体转变产物。是C原子在-Fe中的过饱和固溶体。 低碳马氏体——含碳量小于0.25%时，马氏体呈板条状，板条内有大量位错，又称位错马氏体。硬度高，有一定韧性。 高碳马氏体——含碳量大于1.0%时，马氏体呈片状，内有大量孪晶亚结构，又称孪晶马氏体。硬度高、脆。 马氏体相变特点： 非扩散型相变，速度快； 马氏体转变温度Ms随含碳量增高而降低； 相变不彻底，存在残余奥氏体。转变量随温度降低而增大。Ms越低，残余奥氏体量越多； 体积膨胀，产生很大的内应力。 低碳马氏体 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础 高碳马氏体

陶瓷材料的分类 定义：传统上，陶瓷材料是指硅酸盐类材料，如陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦等； 定义：传统上，陶瓷材料是指硅酸盐类材料，如陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦等； 　　 现今意义上，陶瓷材料是指各种无机非金属材料的通称。 分类：通常分为玻璃、玻璃陶瓷和工程陶瓷（也叫烧结陶瓷） 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

陶瓷的分类 玻璃－工业玻璃（光学玻璃、电工玻璃、仪表玻璃） 建筑玻璃、日用玻璃（无固定熔点，受热软化的非晶态固体材料） 普通陶瓷－日用陶瓷、建筑卫生陶瓷、电器绝缘陶瓷 化工陶瓷、多孔陶瓷 工程陶瓷 陶瓷材料 特种陶瓷－电容器陶瓷、压电陶瓷、瓷性陶瓷、高温陶瓷 金属陶瓷－结构陶瓷、工具陶瓷（硬质合金）、耐热陶瓷 玻璃陶瓷－耐热耐蚀微晶玻璃、光学玻璃陶瓷、无线电透明微晶玻璃 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

无机非金属材料的结构 金刚石型结构：C、Si、Ge 硅酸盐结构：滑石3MgO•4SiO2 •H2O 、高岭石 Al2O3•2SiO2 •2H2O 玻璃结构：SiO2 氧化物、非氧化物晶体结构：MgO、TiO2、 Al2O3 、ZnO 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

硅酸盐结构 Si-O：混合键（离子键+共价键） 基本结构单元 由硅氧四面体SiO4（基本结构单元）组成 网状：以三维方向相互结合形成网状结构，如石英 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

玻璃结构 玻璃：由熔融体过冷而成的非晶结构透明固体材料，其主要成分为SiO2、Na2O、CaO等。 玻璃结构理论： 无规则网络学说——玻璃由离子多面体（三角体MO或四面体MO）构成。它们之间通过公共氧（氧桥）搭桥作三维无规则连续排列，形成空间网络结构。 晶子学说——玻璃由晶子构成。晶子是与该玻璃成分一致的晶态化合物，但尺度远小于一般的晶粒。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

石英玻璃、硅酸盐玻璃、微晶玻璃 微晶玻璃 玻璃基体上弥散分布细小的结晶体。 石英玻璃 [SiO4]四面体之间通过角顶连接形成三维空间网络，但排列无序。 纳硅酸盐玻璃 SiO2中加入碱金属或碱土金属，破坏[SiO4]四面体组成的网络。 提高强度！ 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

只有阳离子和周围阴离子全部接触的结构才是稳定的！ 氧化物、非氧化物晶体结构 主要取决于两个因素： 阴阳离子电荷，决定了化学式； 阴阳离子的半径，决定了阳离子周围的最近邻阴离子数（CN）。 只有阳离子和周围阴离子全部接触的结构才是稳定的！ 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

离子半径和CN关系 离子半径和空间几何形态之间的关系可以通过简单计算获得，结果如左图。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

氧化物、非氧化物晶体结构举例1 NaCl结构： Na+半径：0.102 nm Cl-半径：0.181 nm rc/ra=0.56 CN=6 具有NaCl结构的化合物：NaCl、MgO、FeO、LiF 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

氧化物、非氧化物晶体结构举例2 CsCl结构： Cs+半径：0.170 nm Cl-半径：0.181 nm rc/ra=0.94 CN=8 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

氧化物、非氧化物晶体结构举例3 立方ZnS结构： CN=4 具有ZnS结构的化合物：ZnS、ZnTe、SiC、MnS 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

氧化物、非氧化物晶体结构举例4 CaF2结构： Ca2+半径：0.100 nm F-半径：0.133 nm rc/ra=0.75 CN=8 具有CaF2结构的化合物：PtSn2、PtIn2、AuAl2 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

普通陶瓷的显微组织 玻璃相 晶相 气孔 普通陶瓷材料是由晶相、玻璃相和气相构成的多晶多相集合体。 化学组成一定时，其性能取决于： 晶相：种类、数量、分布，晶粒大小、形态，结晶特征、取向 玻璃相：存在与分布 气相（气孔）：尺寸、数量、分布。 晶相 玻璃相 气孔 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

晶相 陶瓷的基本组成部分，其性质决定着陶瓷的性能。 陶瓷中一般有多种晶相。含量多、对性能起主要作用的称主晶相，其余的称次晶相、第三晶相等。 陶瓷中的晶体相主要有硅酸盐、氧化物、非氧化物三种。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

玻璃相 非晶低熔点固体，多为无规则网络的硅酸盐结构 作用： 填充气孔和空隙； 将分散的晶相粘结起来，降低烧结温度； 抑制晶粒长大； 降低陶瓷材料的高温使用性能。 晶体结构 非晶体结构 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

气相 存在于晶体内部或晶体与玻璃相之间。 一般陶瓷中占5-10%，特种陶瓷中低于5%。气孔是裂纹的根源，使陶瓷强度降低、脆性增大。因此，一般材料要求有较低的气孔率。 轻质隔热耐火材料、隔音吸振材料要求有一定的气孔率。 多孔铝（泡沫铝） 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

普通陶瓷 原料： 粘土(高岭石 Al2O3·2SiO2·2H2O)、石英(SiO2)和 长石(正长石 K2O·Al2O3·6SiO2) 特点： 坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好；制造工艺简单、成本低廉，各种陶瓷中用量最大。 分类： 日用陶瓷和工业陶瓷。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

（1）普通日用陶瓷 －日用器皿和瓷器 国内外常用的日用瓷 我国的传统日用瓷 综合性能好的新型高质瓷 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

（2）普通工业陶瓷 分类：炻器和精陶。炻器是陶器和瓷器之间的一种瓷。 工业陶瓷按用途分类: 工业陶瓷按用途分类:   建筑卫生瓷：用于装饰板、卫生间装置及器具等，通常尺寸较大，要求强度和热稳定性好； 化学化工瓷：用于化工、制药、食品等工业及实验室中的管道设备、耐蚀容器及实验器皿等，通常要求耐各种化学介质腐蚀的能力要强； 电工瓷：主要指电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷，要求机械性能高、介电性能和热稳定性好。 改善性能的方法： 加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等，提高机械强度和耐碱抗力；加入Al2O3、ZrO2等提高强度和热稳定性；加入滑石或镁砂降低热膨胀系数；加入SiC提高导热性和强度。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

广义的陶器可分为四类:土器,炻器,陶器和瓷器。 土器：坯质粗松,多孔,色泽不洁,成陶火度最低,有吸水性.音粗而韵短,如砖瓦钵 炻器：坯质致密坚硬,取天然泥色,成陶火度在1010－1020℃,无吸水性,音粗而韵长,如紫砂陶 陶器：坯质也较细,上釉,成陶火度高,有吸水性,音粗而韵短 瓷器：坯质致密透明,上釉,成陶火度最高,无汲水性,音清而韵长 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

特种陶瓷 特种陶瓷 也叫现代陶瓷、精细陶瓷或高性能陶瓷 分类：特种结构陶瓷和特种功能陶瓷 如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等 特种陶瓷  也叫现代陶瓷、精细陶瓷或高性能陶瓷 分类：特种结构陶瓷和特种功能陶瓷 如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等 工程上最重要的是高温陶瓷，包括氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化物陶瓷和碳化物陶瓷 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

高分子材料结构 高分子材料概述 高分子材料合成 高分子材料结构 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

高分子材料概述 天然高分子材料：蛋白质、核酸、淀粉、纤维素 高分子材料 合成高分子材料：塑料、橡胶、胶粘剂、合成纤维 高分子材料主要由高分子化合物组成 高分子化合物通常由一种或几种低分子化合物（单体）聚合而成，又称高聚物。 天然高分子材料——蚕丝 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

常见单体——碳水化合物 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

常见单体 醇 甲醇 醚 乙酸 乙醚 酸 醛 甲醛 苯酚 芳香烃 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

常见单体 碳链高分子中以不同的基团取代H，可以获得不同性能的高分子 聚乙烯 聚氯乙烯 聚丙烯 聚苯乙烯 聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃） 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

高分子化合物的合成 聚氯乙烯的聚合反应： 高聚物的重复结构单元称链节，链节数目称聚合度。 高分子的分子量为链节分子量与聚合度的乘积。 聚合反应的两种形式： 加聚反应——反应过程无副产物，单体一般为含双键的有机化合物。 缩聚反应——反应过程产生低分子化合物，单体一般为环状化合物或含官能团的化合物。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

高分子链的分类 碳链高分子——大分子主链全部由碳原子构成 杂链高分子——大分子主链除碳原子外，还含有O、S、N、P等 元素有机高分子——大分子主链没有碳原子，主要由Si、O、N、Al、B、P、Ti等原子构成，且侧链为有机取代基 元素无机高分子——大分子主链没有碳原子，且侧链无有机取代基 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

高分子材料的结构 高分子链的结构 高分子材料的聚集态结构 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

分子链的侧基为H原子时，只有一种链结构。如聚乙烯分子链： 高分子链的空间构型 高分子链的空间构型——高分子链中原子或原子团在空间的排列方式，即链结构。 空间构型包括：立体异构、几何异构 分子链的侧基为H原子时，只有一种链结构。如聚乙烯分子链： 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

立体异构 分子链的侧基有其它原子或原子团时，化学成分相同而取代基沿分子主链战占据位置不同，因而具有不同链结构的现象。 全同立构 间同立构 全同立构和间同立构易结晶，硬度、密度、软化温度、熔点较高；无规立构不易结晶，易软化，性能较差。 无规立构 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

反式结构（Trans- structure） 几何异构 顺式结构（Cis- structure） 天然橡胶 反式结构（Trans- structure） 天然橡胶 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

大分子链的构象及柔性 聚合物大分子链在不停地运动，这种运动是由单键内旋转引起的。这种由于单链内旋转所产生的大分子链的空间形象称为大分子链的构象。正是这种极高频率的单键内旋转随时改变着大分子链的构象，使线型大分子链在空间很容易呈卷曲状或线团状。在拉力作用下，呈卷曲状或线团状的线型大分子链可以伸展拉直，外力去除后，又缩回到原来的卷曲状和线团状。这种能拉伸、回缩的性能称为分子链的柔性，这是聚合物具有弹性的原因。 柔性分子链聚合物的强度、硬度和熔点较低，但弹性和韧性较好 刚性分子链聚合物相反。 柔性影响因素：构成单键的元素、分子链的侧基或支链、链节数、温度 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

高分子链的形态 线型和支化型分子链构成的聚合物统称线型聚合物，具有高弹性和热塑性，又称热塑性聚合物。如涤纶、尼龙、生胶等。 交联型和网络型高分子链构成的聚合物称为体型聚合物，具有较高的强度和热固性，又称热固性聚合物。如酚醛塑料、环氧树脂、硫化橡胶等。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

高分子材料的聚集态 高分子材料的聚集状态有三种： 晶态(分子链在空间规则排列)、 部分晶态(分子链在空间部分规则排列)     晶态(分子链在空间规则排列)、     部分晶态(分子链在空间部分规则排列)     非晶态(分子链在空间无规则排列，亦称玻璃态)  通常线型聚合物在一定条件下可以形成晶态或部分晶态，而体型聚合物为非晶态(或玻璃态)。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

完全晶态的聚合物实际生产很难获得。大多数聚合物是部分晶态或完全非晶态。 晶态聚合物：熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性和抗熔性等性能好。（分子链规则排列而紧密，分子间吸引力大，分子链运动困难） 非晶态聚合物：弹性、延伸率和韧性好。（分子链无规则排列，分子链活动能力大） 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

聚集态对高分子性能的影响 聚集态 分子链特点 性能特点 晶态 规则排列，分子间吸力大，运动困难 熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性好 非晶态 无规则排列，运动容易 弹性、延伸率和韧性好 部分晶态 介于以上两者之间 性能介于以上两者之间。随结晶度增加，熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性提高，弹性、延伸率和韧性降低。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

共聚高分子（类似于金属的合金化） 共聚高分子链类型 共聚高分子举例：ABS塑料、丁苯橡胶等。 2017/3/13 材料科学与人类文明--材料结构基础

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