材料科学基础教程教案ppt课件.ppt

材料科学基础教程,主编：赵品等哈尔滨工业大学出版社讲授人：王永忠电话：18956748398,课程设置,基础课：材料科学基础、材料结构与性能测试专业主干课：材料化学、材料物理、高分子化学与物理、材料化学实验、高分子化学与物理实验专业拓展课：材料科学导论、无机功能材料、高分子材料、无机材料合成化学、配位化学、高分子化学、专业英语、文献查阅等,绪 论,0-1材料在国民经济中的重要地位与作用 材料是用来制造各种有用物件的物质。 它是人类生存与发展、征服和改造自然的物质基础，也是人类社会现代文明的重要支柱。因此史学家将人类发展分为石器时代、青铜器时代、铁器时代、水泥时代、钢时代、硅时代和新材料时代。材料科学的发展及进步成为衡量一个国家科学技术发展的重要标准。材料科学的发展在国民经济中占有极其重要的地位，因此，材料、能源、信息被誉为现代经济发展的三大支柱。,邓小平：科学技术是第一生产力。政治学家：生产力的进步是社会发展的根本原因，而劳动工具的发展是生产力进步的主要因素。材料学家：材料是时代进步的标志。,材料是时代进步的标志,认识工具材料 制造工具 使用工具,The Iron Age-铁合金,The Stone Age -硅酸盐,The Bronze Age-铜合金,材料的发展，时代的进步,? Age-硅？碳？。,石 器 时 代,青 铜 器 时 代,铁 器 时 代,认识材料,制造工具,使用工具,工艺过程,0-2 材料观,成 分,组织结构,性能,用途,青銅器合金比例 铜：熔点高，1083，可塑性佳 锡：熔点低，232 85% Cu，15% Sn：熔点960，延展性增加，硬度增加，具光泽度,0-2 材料观-成分,0-2 材料观-结构,宏观结构微观结构,不同加工方法的工件组织与性能,使用性能力学性能物理性能化学性能工艺性能,0-2 材料观-性能,常用的加工工艺：,常见的加工工艺：,常见的加工工艺：,常见的加工工艺：,常见的加工工艺：典型塑性加工,0-3 材料的分类,1.按材料的化学成分组成分类（1）金属材料（黑色金属、有色金属）（2）无机非金属材料（水泥、玻璃、耐火材料、陶瓷） 天然高分子材料（蛋白、淀粉、纤维素） 3）高分子材料 人工合成高分子材料（合成橡胶、合成塑料、 合成纤维）（4）复合材料 2.按材料的使用性能分类（1）结构材料（2）功能材料,0-4 材料的发展历史,1.18081871年，研究并实现了金相分析的方法。2.18711903年，收集、分析及总结了大量实验结 果，导致了系统的理论研究3.19031945年，由研究合金相的平衡状态过渡到从动力学角度研究相的变化。4.1946现在，继续向金属材料因状态不同导致性能差异的方向发展，进一步弄清相变和强化的机理，在更深的层次上研究结构与性能的关系。,0-5 材料科学的发展方向,精细化 超高性能化 高功能化 复杂化（复合化、杂化） 生态环境化 智能化,材料科学是研究材料的化学成分、组织结构、加工工艺与性能之间关系及变化规律的一门科学。 材料科学基础的任务是根据工程和科学技术发展的需要设计研制新型工程材料；解决材料制备原理和工艺方法，获取可供使用的工程材料；解决材料在加工和使用过程中组织结构和性能变化的微观机理，从中找出合宜的加工工艺、强化工艺和延寿措施；创新测试材料成分、组织结构和性能的方法，完善测试技术；合理地选择和使用工程材料。 材料科学基础包含绪论、材料的结构、晶体缺陷、纯金属的凝固、二元相图、三元相图、固体材料的变形与断裂、回复与再结晶、扩散、固态相变（金属材料、高分子材料、陶瓷材料、复合材料、功能材料）。,0-6 本课程的任务与内容,0-7与其它课程的关系,材料科学基础”是以化学、物理、物理化学、材料力学、金属工艺学和金工教学实习为基础的课程，在学习时应联系上述基础课程的有关内容，以加深对本课程内容的理解。同时本课程是材料科学与工程的基础，在今后学习有关专业课程时，还应经常联系本书的有关内容，以便进一步掌握所学的知识。,第1章 材料的结构,1.1 材料的结合方式1.1.1 化学键 1. 离子键 2. 共价键 3.金属键 4. 范德华键 1.1.2 工程材料的键性,共价键,1.形成 元素周期表中的A、A、A族大多数元素或电负性不大的原子相互结合时，原子间不产生电子的转移，以共价电子形成稳定的电子满壳层的方式实现结合。这种由公用电子对产生的结合键称为共价键。2.特性 方向性，饱和性，结合力很大3.具有共价键物质的特性 共价晶体强度、硬度高，脆性大，熔点、沸点高，挥发性低 。,图 硅原子四个价键 和 硅的键角,离子键,1.形成 当两种电负性相差很大（如元素周期表相隔较远的元素）的原子相互结合时，其中电负性较小的原子失去电子成为正离子，电负性较大的原子获得电子成为负离子，正、负离子靠静电引力结合在一起而形成的结合键。2.特性 无方向性，无饱和性，结合力很大3.具有离子键物质的特性 离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系数小，但脆性大。离子晶体具有很好的绝缘性。因不吸收可见光，典型的离子晶体是无色透明的。,金属键,1.形成 金属原子结构的特点是外层电子少，原子容易失去其价电子而成为正离子。当金属原子相互结合时，金属原子的外层电子（价电子）就脱离原子，成为自由电子，为整个金属原子所共有。这些公有化的自由电子在正离子之间自由运动形成所谓电子气（或电子云）。这种由金属正离子与电子气之间相互作用而结合的方式称为金属键。 2.具有共价键物质的特性 良好的导电性及导热性。 正的电阻温度系数，即随温度升高电阻增大。 良好的强度及塑性。 金属不透明、具有金属光泽（自由电子可吸收可见光的 能量 ）。,范德瓦尔键(范德华键),1.形成 有些物质的分子具有极性，其中分子的一部分带有正电荷，而分子的另一部分带有负电荷，一个分子的正电荷部位和另一分子的负电荷部位间，以微弱静电引力相引，使之结合在一起称为范德华键（或分子键）。2.特性 结合力较弱3.具有共价键物质的特性 硬度低、沸点低，绝缘性 。,工程材料的键性,实际上使用的工程材料，有的是单纯的一种键，更多的是几种键的结合。如果以四种键为顶点作一个四面体，就可以把材料的结合键范围示意地表示在这个四面体上，具体材料的键特性见图。,1.2 晶体学基础,1.2.1 晶体与非晶体 1.2.2 空间点阵 1.2.3 晶向指数与晶面指数 1.2.4 晶体的晶体的极射赤面投影,1.2.1 晶体与非晶体,1.晶体： 物质的质点(分子、原子或离子)在三维空间作有规律的周期性重复排列所形成的物质叫晶体。2.非晶体： 非晶体在整体上是无序的，但原子间也靠化学键结合在一起，所以在有限的小范围内观察还有一定规律，可将非晶体的这种结构称为近程有序。,3. 晶体的特征（1）周期性（不论沿晶体的哪个方向看去，总是相隔一定的距离就出现相同的原子或原子集团。这个距离称为周期 ）液体和气体都是非晶体。（2）有固定的凝固点和熔点（3）各向异性（沿着晶体的不同方向所测得的性能通常是不同的 ：晶体的导电性、导热性、热膨胀性、弹性、强度、光学性质 ）。,1.2.2 空间点阵,1.空间点阵 ： 实际晶体中，质点在空间的排列方式是多种多样的为了便于研究晶体中原于、分子或离子的排列情况，近似地将晶体看成是无错排的理想晶体，忽赂其物质性，抽象为规则排列于空间的无数几何点。这些点代表原子(分子或离子)的中心，也可是彼此等同的原于或分子群的中心，各点的周围环境相同。这种点的空间排列称为空间点阵，简称点阵，这些点叫阵点。2. 晶格： 将阵点用一系列平行直线连接起来，构成一空间格架叫晶格。,3. 晶胞从点阵中取出一个仍能保持点阵特征的最基本单元叫晶胞。 在空间点阵中，能代表空间点阵结构特点的是小平行六面体 。整个空间点阵可由晶胞作三维的重复堆砌而构成。,图 空间点阵,晶胞的选取原则： （1）晶胞几何形状能够充分反映空间点阵的对称性；（2）平行六面体内相等的棱和角的数目最多；（3）当棱间呈直角时，直角数目应最多；（4）满足上述条件，晶胞体积应最小。,图 晶格的选取,描述晶胞的六参数晶胞的尺寸和形状可用点阵参数来描述，它包括晶胞的各边长度和各边之间的夹角。,图 晶胞、晶轴和点阵参数,14种空间点阵(布拉菲点阵),1.2.3 晶向指数与晶面指数,1.晶向指数和标定 2.晶面指数的标定 3.晶面族与晶向族 4.六方晶面及晶向的指数标定 5.晶带 6.晶面间距,1.晶向指数和标定,(1)以晶格中某结点为原点，取点阵常数为三坐标轴的单位长度，建立右旋坐标系,如图。定出欲求晶向上任意两个点的坐标。(2)“末”点坐标减去“始”点坐标，得到沿该坐标系各轴方向移动的点阵参数的数目。(3)将这三个值化成一组互质整数，加上一个方括号即为所求的晶向指数u v w，如有某一数为负值，则将负号标注在该数字上方。,2.晶面指数的标定,(1)建立如前所述的参考坐标系，但原点应位于待定晶面之外，以避免出现零截距(2)找出待定晶面在三轴的截距，如果该晶面与某轴平行，则截距为无穷大。(3)取截距的倒数，将其化为一组互质的整数，加固括号得到晶面指数( h k l)。注：立方系的晶面指数必垂直于晶向指数,3. 晶面族与晶向族,晶面族：晶面原子排列相同，面间距也相同，只是空间位向不同，用h k l表示。 如1 1 0：（110），（011），（101）， （110），（011），（101）晶向族：原子排列相同，空间位向不同的所有晶向，用 h k l 表示。,立方系：110 晶面族,4. 六方系晶面和晶向指数标定,六方系晶面指数的标定（四轴制） 六方晶系晶面指数的标定原理和方法同立方晶系中的一样，从待标晶面在a1，a2，a3和c轴上的截距可求得相应的指数h，k，i，l，于是晶面指数可写成(hkil)，也必有 i = - ( h+k )。,图 六方晶系的一些晶向指数与晶面指数,六方系晶向指数的标定：采用四轴坐标系，六方晶系晶向指数的标定方法如下：当晶向通过原点时，把晶向沿四个轴分解成四个分量，晶向OP可表示为：OP=ua1+va2+ta3+wC，晶向指数用uvtw表示，其中t = - (u+v) 采用三轴坐标系时，C轴垂直底面，a1、a2轴在底面上，其夹角为120o ，晶向在底面上的投影的终点分别作a1、a2轴的平行线得到U、V，从而得到 UVW 。采用三轴制虽然指数标定简单，但原子排列相同的晶向本应属于同一晶向族，其晶向指数的数字却不尽相同。,一般用四轴坐标系表示,u2UVv2VU/3tUV/3wW,行走法（1）将底面分成很多边长相等的小等边三角形（2）沿小等边三角形的边走，并要满足u+v+t = 0（3）麻烦，而且对一般的晶向，很难求出四指数u v t w2. 解析法 先求出待标晶向在a1，a2和c 三个轴下的指数U，V， W （这比较容易求得），然后按公式算出四指数u，v，t，w 。,5.晶带,相交于某一晶向直线或平行于此直线的晶面构成一个晶带，此直线称为晶带轴。立方系晶面（h k l）以u v w为晶带轴必有Hu + kv + lw = 0反之也成立。两个不平行的晶面（h1k1l1）,(h2k2l2)的晶带轴u v w可如下求得,6.晶面间距,对于不同的晶面族h k l其晶面间距也不同。总的来说，低指数晶面的面间距较大，高指数晶面的面间距较小、如图所示。由晶面指数的定义、可用数学方法求出晶面间距，见公式。,1.3 材料的晶体结构,1.3.1 典型金属的晶体结构 1.3.2 共价晶体的晶体结构 1.3.3 离子晶体的晶体结构 1.3.4 合金相结构,1.3.1 典型金属的晶体结构,体心立方,面心立方,体心立方晶胞示意图（bcc）（a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图,面心立方晶胞示意图(fcc)（a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图,密排六方晶胞示意图(hcp）（a）刚球模型；（b）质点模型；（c）晶胞中原子数示意图,1.晶胞中原子数,体心立方,面心立方,密排六方,2. 原子半径,体心立方111 面心立方111 密排六方,3. 配位数与致密度,配位数：指晶体结构中，与任一原子最近邻并且等距离的原子数。致密度（K）是晶胞中原子所占的体积分数。 K = nv / V n为晶胞原子数，v为原子体积，V为晶胞体积,体心立方配位数为8,B,A,O,OAB,111,面心立方配位数为12,密排六方配位数为12,4. 晶体中原子的堆垛方式（等径球）,最紧密堆积有面心立方和密排立方，它们的最密排面原子排列情况完全相同，但堆垛方式不一样 六方和立方最紧密堆积情况,fcc:ABCABC,hcp:ABABAB,ABA,ABCA,fcc,hcp,图 面心立方晶格密排面的堆垛方式,图 密排六方晶格密排面的堆垛方式,5. 晶体结构中的间隙,四面体间隙的数目四面体间隙半径,绿色点为四面体间隙的重心,八面体间隙的数目八面体间隙半径,四面体间隙的数目四面体间隙半径,八面体间隙的数目八面体间隙半径,面心立方结构中间隙的刚球模型八面体间隙,面心立方结构中间隙的刚球模型四面体间隙,几点说明:(1)fcc和hcp都是密排结构，而bcc则是比较“开放”的结构，因为它的间隙较多。因此，碳、氮、氢、氧、硼等原子半径较小的元素（即间隙原子）在bcc金属中的扩散速率往往比在fcc及hcp金属中高得多。(2)fcc和hcp金属中的八面体间隙大于四面体间隙，故这些金属中的间隙原子往往位于八面体间隙中。(3)fcc和hcp中的八面体间隙远大于bcc中的八面体或四面体间隙，因而间隙原子在fcc和hcp中的固解度往往比在bcc中大得多。,(4) 在bcc晶体中，四面体间隙大于八面体间隙，因而间隙原子应占据四面体间隙位置。但另一方面，由于bcc的八面体间隙是不对称的，即使上述间隙原子占据八面体间隙位置，也只引起距间隙中心位的两个原子显著地偏离平衡位置。因此，在有些bcc金属中，间隙原子占据四面体间隙位置（如碳在钼中），在另一些bcc晶体中，间隙原子占据八面体间隙位置（如碳在-铁中）。(5) fcc和hcp晶体中的八面体间隙大小彼此相等，四面体间隙大小也相等，其原因在于这两种晶体的原子堆垛方式非常相像。,1.3.2 共价晶体的晶体结构,元素周期表中A，A，A族元素、许多无机非金属材料和聚合物都是共价键结合。共价晶体的共同特点是配位数等于8N，N是族数或原子的价电子数。这是因为，为使外壳层填满必须形成8-N个共价键。共价键类型有金刚石结构、层状结构和链状结构。,图 金刚石型结构(a)晶胞；(b)原子在底面的投影,图 As的层状结构和Te的链结构,1.3.3 离子晶体的晶体结构,离子半径比的大小，决定了配位数的多少，并显著影响晶体结构。一般负离子为骨架，正离子按自身的大小居于相应的空隙中。 r+/r- 正离子配位数 负离子多面体形状 实例0.0000.155 2 哑铃形 干冰0.1550.225 3 三角形 B2O30.2250.414 4 四面体 SiO20.4140.732 6 八面体 NaCl、MgO0.7321.000 8 立方体 CsCl、ZrO2,结构：面心立方结构特点：负离子构成面心立方点阵，正离子占据全部八面体间隙，正、负离子的配位数均为6 晶胞含正、负离子各4个典型材料：MgO, CaO, FeO, NiO,结构：简单立方结构特点：负离子构成简单立方点阵，正离子占据立方体间隙，正、负离子的配位数均为8 晶胞含正、负离子各1个典型材料：CsBr, CsI,结构：面心立方结构特点：负离子构成面心立方点阵，正离子交叉分布 在四面体间隙中，正、负离子的配位数均4 典型材料：GaAs, AlP,结构：面心立方结构特点：正离子构成面心立方点阵，负离子位于该晶胞的8个四面体间隙，正、负离子的配位数分别为8、4 典型材料：Mg2Si，CuMgSb,1.3.4 合金相结构,虽然纯金属在工业上获得了一定的应用，但由于纯金属的性能有一定的局限性，特别是强度等重要性能指标往往不能满足要求，因此它的应用范围也受到了限制。实际使用的金属材料绝大部分是合金，合金化后纯金属的性能得到大大的提高，合金化是提高纯金属性能的最主要的途径。所谓合金是由两种或两种以上的金属或金属与非金属，经过熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。溶剂（主晶相）含量较高的成分。 溶质（杂质）含量较低的成分。,表 工业纯Fe、Al、Cu合金化前后b的变化,1.固溶体,固溶体定义： 凡溶质原子完全溶于溶剂中，并能保持溶剂元素的晶格类型所形成的合金相称为固溶体。固溶度: 一般来说，固溶体都有一定的成分范围。溶质在溶剂中的最大含量(即极限溶解度)便称为固溶度。固溶强化： 无论形成哪类固溶体，由于溶质原子的溶入，都使晶格产生畸变，使塑变抗力增加，表现为强度增加，硬度变大塑性降低，韧性降低，这种现象称固溶强化。,(1)置换固溶体: 转换进去的原子或离子全部在正常位置点阵结点上，不存在间隙或缺位情况（原有热缺陷不算）影响固溶体的因素：a）原子尺寸因素：要求对应的原子离度子大小越相近，则固溶体越稳定。 如：设r1, r2分别为溶剂和溶质的离子半径，则有经验规律 r1-r2 /r1 15，形成连续固溶体 r1-r2 /r1 = 15-30 ，形成有限固溶体 r1-r2 /r1 30，基本不形成固溶体 b）组员的晶体结构类型：对形成连续固溶体，要求溶质和溶剂晶格结构相同（必要条件） c）电负性因素： 要求电负性相近。一般说，电负性相近的组分间易形成固溶体，电负性相差较大的组分间易生成化合物。d）电子浓度因素：超过极限电子浓度将出现新相（不同晶体有不同极限电子浓度）。,（2）间隙固溶体：外来较小杂质进入晶格间隙形成的固溶体。在金属晶体中，这种固溶体较常见，原子半径较小的H、C、B、N等原子可嵌入金属原子所形成的间隙中。 影响间隙固溶体因素：外来杂质的大小与晶体结构密切相关。要形成间隙固溶体，添加原子要小，晶体的空隙要大。 间隙固溶体一般都使晶格参数增大，所以外来杂质溶入越多，结构越不稳定，一般不可能形成连续型，只能是有限型的。,（3）固溶体的微观不均匀性 溶质原子的分布通常会偏离完全无序状态，呈现微观的不均匀性。若同类原子结合力较强，会产生溶质原子的偏聚；若异类原子结合力较强，则溶质原子趋于以异类原子为邻的短程有序分布。,（）完全无序（）偏聚（）短程有序固溶体中溶质原子分布示意图,（4）固溶体性能特点a. 固溶体的点阵畸变b. 固溶体的强度和硬度固溶体的强度和硬度往往高于各组元，而塑性则较低，这种现象就称为固溶强化。间隙式溶质原子的强化效果般要比置换式溶质原子更显著。溶质和溶剂原子尺寸相差越大或固溶度极限越小，固溶强化越显著，则单位浓度溶质原子所引起的强化效果越大c. 固溶体的物理性能固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但般都不是线性关系。固溶体的电阻率是随溶质浓度的增加而增加的，而且在某中间浓度时电阻率最大。,2. 中间相,两组元组成的合金中，在形成有限因溶体的情况下，如果溶质含量超过其溶解度时将会出现新相，其成分处在A在B中和B在A中的最大溶解度之间，故叫中间相。中间相种类：（1）正常价化合物 （2）电子化合物 （3）间隙相与间隙化合物 （4）拓扑密堆相(TCP),(1)正常价化合物 符合原子价规则的化合物，成分可用分子式表达，AB、AB2、A2B3 构成：金属与电负性较强的、族元素组成。如：Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Ge、Mg2Si等。 特点：晶体结构对应于同类分子式的离子化合物。如：NaCl、ZnS、CaF2型等。 稳定性与组元间的电负性差有关，S降低，不稳定。如：Mg2Si主要为离子键，最稳定，熔点1102；Mg2Sn为共价键，熔点为778 ；Mg2Pb 为金属键为主，熔点仅550,(2)电子化合物 由电子浓度决定的化合物，电子浓度相同，相的晶体结构类型相同。电子浓度e/a, e一价金属，a原子数。 特点：电子浓度是决定结构的主要因素，以金属键为主有明显的金属特性，一般不符合化合价规律，可视为以化合物为基的固溶体。,（3）间隙相与间隙化合物 原子半径较小的非金属元素如C、H、N、B等可与金属元素（主要是过渡族金属）形成间隙相或间隙化合物，这主要取决于非金属（X）和金属（M）原子半径比值。a.间隙相: rx/rm0.59, 形成具有简单晶体结构的相，可用简单化学式表示，并对应一定晶体类型。金属特性，高熔点，高硬度 ，是合金和硬质合金的主要强化剂。b. 间隙化合物: rx/rm0.59形成复杂晶体结构的相。金属特性，较高的熔点、硬度，钢中常见强化剂。,思考题,试计算体心立方铁受热而变为面心立方铁时出现的体积变化。在转变温度下,体心立方铁的点阵参数是2.863埃，而面心立方铁的点阵参数是3.591埃。分别画出面心立方晶 胞和体心立方晶胞100, 110, 111晶面上原子排列示意图。,