材料科学期末复习题剖析PPT学习教案

1、会计学1 材料科学期末复习题剖析材料科学期末复习题剖析PPT课件课件 第1页/共57页 68. 0 ) 4 3 ( 3 4 2 3 3 a a 第2页/共57页 Structurea0 vs. r Atoms per cell Coordination Number Packing factor Examples SC160.52 Polonium (Po),-Mn BCC280.68 Fe,Ti,W,Mo, Nb,Ta,K,Na, V,Zr,Cr FCC4120.74 Fe,Cu,Au,Pt, Ag,Pb,Ni HCP2120.74 Ti,Mg,Zn,Be, Co,Zr,Cd ra2 0 r

2、a 3 4 0 ra 2 4 0 00 0 633. 1 2 ac ra 第3页/共57页 74. 012CN 633. 1 3 8 2 3 3 2 ) 2 ( 2 22 a c a c a Example: Be, Mg, Zn, Cd, Zr, Hf Ti( low temperature) n CN12 0.74 632 2 1 12 6 1 第4页/共57页 di da diameter of interstitial atom diameter of atom in lattice point 第5页/共57页 add ai 1 aa i d a d d 第6页/共57页 15. 0

3、1 2 3 2 3 a d d ad a i a 41.01 2 2 2 2 a d d ad a i a 第7页/共57页 222 ) 2 () 2 () 2 ( HLdd ia 22 HLdd ai 1 22 a a i d HL d d 2 ia dd 第8页/共57页 ada 2 3 aL 2 a H 29. 0 a i d d 22. 0 a i d d aL 2 2 ada 2 2 2 a H For FCC 第9页/共57页 n CN intersticesdi/da oct.tete.oct.tete. BCC280.6866/2=3 1212/2=60.15 0.29 FCC

4、4120.7444/4=188/4=20.41 0.22 HCP6120.7466/6=1 1212/6=20.41 0.22 第10页/共57页 For a BCC cell, Atoms/cell = 2 a0 = 0.2866nm = 2.866108cm Atomic mass = 55.847g/mol Volume of unit cell = a03 = 23.5410 24cm3/cell Density 3 2324- cm/g882. 7 )10)(6.0210(23.54 )847.55)(2( )numbersAvogadro)(cellunitofvolume( )i

5、ronofmassatomic)(cell/atomsofnumber( 第11页/共57页 第12页/共57页 第13页/共57页 第14页/共57页 第15页/共57页 1 已知位错环已知位错环ABCD的柏氏矢量为的柏氏矢量为b,外应力为外应力为 和和 ，求：，求： （1）位错环的各边分别是什么位错？）位错环的各边分别是什么位错？ （2）设想在晶体中怎样才能得到这个位错？）设想在晶体中怎样才能得到这个位错？ （3）在足够大的切应力）在足够大的切应力 作用下，位错环将如何运动？作用下，位错环将如何运动？ （4）在足够大的拉应力）在足够大的拉应力 作用下，位错环将如何运动？作用下，位错环将如何

6、运动？ 第16页/共57页 第17页/共57页 第18页/共57页 第19页/共57页 第20页/共57页 第21页/共57页 第22页/共57页 第23页/共57页 第24页/共57页 晶体与非晶体的比较 内能、密度、相变潜热、结构比较 第一节概述 第25页/共57页 第二节 熔体的结构理论 1近程有序理论： 2核前群理论 3 聚合物理论 （1）硅酸盐(Silicate)熔体的基本结构 （2） Na2O加入对硅酸盐熔体结构影响 （3）聚合物理论的基本过程 （4）熔体结构与温度、组成关系 第26页/共57页 第三节 熔体的性质 1粘度(Viscosity) （1）粘度的意义 （2）粘度的定义

7、（3）粘度的单位 （4粘度的测试方法 第27页/共57页 第28页/共57页 第29页/共57页 第30页/共57页 第四节 玻璃的通性 1各向同性（非等轴晶系具有各向异性） 2介稳性(Metastable)（系统含内能并不处于最低值） 3可逆与渐变性 4熔融态向玻璃转变时，物理化学性质随温度/成分变化的连续性 具有以上四个特征的物质，不论其化学组成如何，都称为玻璃（glass） 5 和玻璃相关的几个概念 脆性温度（Tg）: 软化温度（Tf）: 反常间距： 第31页/共57页 第32页/共57页 3形成玻璃的动力学(Kinetics)手段 3T图的意义（时间温度转变，TTTTimeTemper

8、atureTransfermation） 1.临界冷却速度（dT/dt）cTn/n，Tn=TM-Tn，Tn和n分别是三T图曲线头部(Nose of Curve)之点的温度和时间。特征值临界冷却速度越大，越难形成玻璃，而析晶容易。形成玻璃的临界冷却速率(Critical cooling rate)是随熔体组成变化而变化，因为3T曲线上任何温度下的时间仅仅随着（V/V）1/4次方变化。 2.粘度在熔点附近高，易形成玻璃，析晶位垒高。 3.Tg和Tm也是一个特征值，大约为2/3。 4.粘度和熔点是生成下班的重要标志，冷却速率是形成玻璃的重要条件。 第33页/共57页 4玻璃形成的结晶化学条件。 键强

9、 (1)单键能(Single-Bond Strength)： (2)网络形成体(Network former)： (3)网络变性体(Network modifier) (4)网络中间体(Intermediates)：介于玻璃形成体和网络变性两者之间。 (5)键强愈强的氧化物熔融后负离子也愈牢固，因此键的破坏和重新组合也愈困难，成核位垒也愈高，故不易析晶而易形成玻璃。 键型 A. 离子键化合物(Ionic bonds) B金属键(Metal bonds) C.纯粹共价键(Covalent bonds)： D极性共价键：离子键向共价键过渡的混合键，混合键既有离子键易改变键角，易形成无对称变形的趋势

10、，又具有共价键的方向性和饱性，不易改变键长和键角，前者有利于造成玻璃的远程无序，后者则造成的玻璃的近程有序，易形成玻璃。 E.金属共价键：加入半径小，电荷高或极化较大过渡元素，形成spd,spdf杂化，形成金属和加入元素组成原子团，类似SiO4，形成近程有序，但金属键的无方向性和无饱和性则使这些原子团之间可以自由连接，形成无对称变形的趋势从而产生金属玻璃的无程序。 F形成玻璃的条件：电负性X=1.52.5，阳离子较强极化，单键强度335kJ/mol，成键时SP杂化，利于形成低配位负离子团。 第34页/共57页 第六节 玻璃结构的模型 1 晶子假说(Crystalline Models)(：硅酸

11、盐玻璃是由无数“晶子”组成，晶子的化学性质取决于玻璃的化学组成。所谓“晶子”是不同于一般微晶，而是带有晶格变形的有序区域在“晶子”中心质点排列较有规律，愈远离中心，则变形程度愈大。“晶子”分散在无定形介质中，并从“晶子”部分到无定形部分的过渡是逐步完成的，两者之间无明显界线。主要体现了微不均匀性和近程有序性。 2 无规则网络学说(Random Network Models)：凡是成为玻璃态的物质与相应的晶体结构一样，也是一个三度空间网络(three dimensional network)所构成，这样网络是离子多面体(Polyhedra)构筑起来。晶体结构网是由多面体无数次有规律的重复而构成，

12、而玻璃中结构多面体重复没有规律。 第35页/共57页 第36页/共57页 2 硼酸盐玻璃(Borate Glass) A 硼反常现象 随着R2O的加入硼配位数的改变，使硼酸盐玻璃的各种物理性质与相同条件下的硅酸盐玻璃相比，出现异常现象。这种异常现象是由硼配位数由三配位变为四配位引起的称为“硼反常”。所谓异常：加入碱金属，随着碱金属增加，粘度上升，再加入碱金属，粘度下降。 B 硼反常现象的原因 在石英玻璃中引入R+，会破坏相邻四面体的桥氧，形成两个非桥氧，网络分开，Y降低。在硼玻璃中加入R+，开始加R2O时，和硅酸盐相反，非但不破坏桥氧，反而会加固网络，Y不会小，而是增加，因而粘度升高，膨胀系数

13、等明显降低。因为在硼玻璃中开始加入R2O时会增加硼配位数，使一部分硼变化成BO4，另一部分仍为三角体配位。当R2O进一步增加（Na2O为16.7%，Y=3.2）, 由于BO4带负电，不能直接连接，而通常是由BO3或另一种偶而存在的多面体来相隔，一般认为R2O提供的氧不是用于形成BO4，而是以非桥氧形式出现于三角体之中，从而使结构网络连接减弱，导致一系列变化。 第37页/共57页 第38页/共57页 第39页/共57页 第40页/共57页 第41页/共57页 第42页/共57页 第43页/共57页 第44页/共57页 第45页/共57页 第46页/共57页 1. 基本概念：相图、自由度、组元数与

14、独立组元数、吉 布斯向律、杠杆规则、初晶区规则、三角形规则、背 向线规则、切线规则； 2. 掌握相图的表示方法，包括单元系统相图、二元系统 相图、三元系统相图； 3. 对于单元系统相图，要求掌握点、线、区间的性质， 会写无变量点的平衡式子；对于二元系统相图，要求 掌握点、线、区间的性质，会写无变量点的平衡式子 ，掌握冷却结晶过程的分析以及过程量的计算；对于 三元系统相图，要求掌握点、线、区间的性质，会写 无变量点的平衡式子，掌握冷却结晶过程的分析以及 过程量的计算。 4. 专业相图应用：SiO2、ZrO、Al2O3-SiO2、铁碳合金相 图。 知识要点 第47页/共57页 第48页/共57页

15、解：（1）熔点：TBTATC （2）B最陡，C次之，A最平坦； （3）如图所示，在M点所在的温度下开始析晶， 析晶过程如下： 第49页/共57页 2、如图，考虑40B的合金。 1）平衡凝固时，画出冷却曲线与结晶过程示意图； 2）计算平衡凝固时共晶组织所占比例 3）若合金在细长的熔舟中进行不平衡定向凝固，固液界面保持平直；液相中溶质原子可以充分混合，凝固中始终成分保持均匀；固相中的扩散可忽略不计。计算合金的平衡分配系数K0及凝固后金属棒中共晶体所占的比例。 第50页/共57页 第51页/共57页 3.下图是具有多晶转变的某物质的相图，其中 DEF 线是熔体的蒸发曲线。 KE 是晶型 I 的升华曲

16、线； GF 是晶型 II 的升华曲线； JG 是晶型的升华曲线，回答下列问题： (1) 在图中标明各相的相区，并把图中各无变点的平衡特征用式子表示出来。 (2) 系统中哪种晶型为稳定相 ? 那种晶型为介稳相 ? (3) 各晶型之间的转变是单向转变还是双向转变 ? 第52页/共57页 解：(1) KEC 为晶型的相区， EFBC 过冷液体的介稳区， AGFB 晶型的介稳区， JGA 晶型的介稳区； (2)晶型为稳定相，晶型、为介稳相；因为晶 型、的蒸汽压高于晶型的，即它们的自由能较高，有 自发转变为自由能较低的晶型的趋势； 多晶转变点的温度高于两种晶型的熔点； 、转变可逆的，双向的，多晶转变点温

17、度低于、的熔点。 第53页/共57页 4、 SiO2具有很高的熔点，硅酸盐玻璃的熔制温度也 很高。现要选择一种氧化物与SiO2在800的低温下 形成均一的二元氧化物玻璃，请问，选何种氧化物？ 加入量是多少？ 解：根据Na2OSiO2系统相图可知最低共熔点为 799。故选择Na2O能与SiO2在800的低温下形成均 一的二元氧化物玻璃。 第54页/共57页 5.固体硫有两种晶型 ( 单斜硫、斜方硫 ) ，因 此硫系统可能有四个相，如果某人实验得到这四 个相平衡共存，试判断这个实验有无问题。 解：有问题，根据相律，F=C-P+2=1-P+2=3-P，系 统平衡时，F=0 ，则P=3 ，硫系统只能是三相平 衡系统。 第55页/共57页 6.根据Al2O3SiO2 系统相图说明： (1) 铝硅质耐火材料，硅砖 ( 含 SiO298 ) 、粘土砖 ( 含 Al2O3 35 50 ) 、高铝砖 ( 含 Al2O3 60 90 ) 、刚玉砖 ( 含 Al2O390 ) 内，各有哪些主要的晶相 。 (2) 为了保持较高的耐火度，在生产硅砖时应注意什么 ? 解：(1) 硅砖(含 SiO2 98%) 主要晶相： SiO2 、 2Al203 2SiO 3 固溶体（莫来石） 粘土砖(含 Al203 35 50%) 主要晶相： SiO