材料科学基础课件

1、材料科学与工程基础任课教师：张英 Email: Tel:1页，共96页。 引言 晶体结构 晶体结构缺陷 相平衡与相图 扩散 相变 固态反应 烧结目 录第2页，共96页。化学反应 结构物理性能材料工艺材料科学研究材料的组分、结构与性能之间相互关系和变化规律的一门应用基础科学。1 引言第3页，共96页。材料的分类：按材料性质：结构材料、功能材料；按材料用途：能源材料、建筑材料、航空材料、 信息材料、生物医学材料等。第4页，共96页。 根据材料的基本组成、性质特征、存在的状态、物理性质及效应、用途等对材料进行分类，材料可分为金属材料、无机非金属材料、高分子材料(聚合物)和复

2、合材料等四大类。第5页，共96页。铝铸铁铜1. 金属材料金属材料是元素周期表中的金属元素组成的材料。可分为由一种金属元素构成的单质(纯金属)，由两种以上的金属元素或金属与非金属元素构成的合金。合金又分为固溶体和金属间化合物。第6页，共96页。金属材料的种类种类范围钢碳素钢：碳素结构钢、碳素工具钢合金钢：合金结构钢(渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢、易切钢等) 合金工具钢(刃具钢、模具钢、量具钢等) 特殊性能钢(不锈钢、耐热钢、耐磨钢等)铸铁灰铸铁、可锻铸铁、球墨铸铁、特殊性能铸铁(如耐磨铸铁、耐热铸铁)等有色金属及合金铝及铝合金：变形铝合金(防锈铝、硬铝、超硬铝和锻铝4类) 铸造铝合金(铝硅合金

3、、铝铜合金、铝镁合金和铝锌合金4类)铜及铜合金：紫铜(纯铜)、黄铜、白铜和青铜(锡青铜和无锡青铜)钛及钛合金其他金属及合金第7页，共96页。 无机非金属材料(inorganic nonmetallic materials)是以某些元素的氧化物、碳化物、氮化物、卤素化合物、硼化物以及硅酸盐、铝酸盐、磷酸盐、硼酸盐等物质组成的材料。是除有机高分子材料和金属材料以外的所有材料的统称。 2. 无机非金属材料水泥 玻璃第8页，共96页。种类 性能特征 主要组成 用途 介电陶瓷 绝缘性 Al2O3、Mg2SiO4 集成电路基板 热电性 PbTiO3、BaTiO3 热敏电阻 压电性 PbTiO3、LiNbO

4、3 振荡器 强介电性 BaTiO3 电容器 光学陶瓷 荧光、发光性 Al2O3CrNd玻璃 激光 红外透过性 CaAs、CdTe 红外线窗口 高透明度 SiO2 光导纤维 电发色效应 WO3 显示器 磁性陶瓷 软磁性 ZnFe2O、-Fe2O3 磁带、各种高频磁心 硬磁性 SrO6Fe2O3 电声器件、仪表及控制器件的磁芯 半导体陶瓷 光电效应 CdS、Ca2Sx 太阳电池 阻抗温度变化效应 VO2、NiO 温度传感器 热电子放射效应 LaB6、BaO 热阴极 常用功能陶瓷第9页，共96页。3. 有机高分子材料由一种或几种简单低分子化合物经聚合而组成的分子量很大的化合物。特点：质轻、传热系数小

5、、耐腐蚀性好、电气绝缘性和成形加工性优良、减震消音、透光、易着色等明显突出的优点，但也存在着热膨胀系数大、使用温度低、容易燃烧和容易老化等缺点。第10页，共96页。高分子材料的种类种类范围塑料通用塑料：聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、酚醛树脂等工程塑料：聚酰胺、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚碳酸酯等纤维人造纤维：粘胶纤维、蛋白质纤维等合成纤维：涤纶、锦纶、腈纶等橡胶通用橡胶：顺丁橡胶、丁苯橡胶、丁基橡胶等特种橡胶：丁腈橡胶、硅橡胶等第11页，共96页。4. 复合材料把两种或两种以上性质不同的材料通过设计结合在一起称为一体，这样的多相固体材料往往可以综合各种组分材料如金属、高分子材料、陶瓷等的优点，可满足各

6、种不同环境的使用要求，这类多相多质固体新型材料称为复合材料。复合材料的基体材料分为金属和非金属两大类。金属基体常用的有铝、镁、铜、钛及其合金。非金属基体主要有合成树脂、橡胶、陶瓷、石墨、碳等。增强材料主要有玻璃纤维、碳纤维、硼纤维、芳纶纤维、碳化硅纤维、石棉纤维、晶须、金属丝和硬质细粒等。第12页，共96页。使用环境、服役条件性能（满足设计要求的多种性能强度、导电性、硬度、色彩等）性质（力学、电学、光学、磁学、声学、热学等）结构（微观结构、显微结构、组织结构、相结构）组成（化学组成、矿物组成、相组成）制备与加工（各种制备工艺及后期加工工艺）组成结构性能关系第13页，共96页。材料的结构层次原子

7、及电子结构原子的空间排列组织结构或相结构第14页，共96页。类 别典 型 性 能力学性能硬度（磨损率，冲击，耐划痕性）；强度（弹性模量，拉伸强度，屈服强度）；蠕变（蠕变速率，应力断裂性能）；延性（延伸率，断面收缩率）；疲劳（疲劳极限，疲劳寿命）；其他性质（密度，气孔率）热学性能热容量；导热性；热膨胀；转变温度；抗热冲击性光学性能光吸收；光反射；光折射；光透射；颜色；光衍射；激光作用；光电导性；光辐射电学性能导电性；介电性（绝缘）；铁电性；压电性磁学性能铁氧体磁性；铁磁性；顺磁性；抗磁性；磁导率声学性能声吸收；声反射；声透射；吸声系数；降噪系数化学性能化学稳定性；腐蚀；氧化；催化性能；纯度工程材

8、料的性质（性能）第15页，共96页。四大材料的成形工艺方法材料常见成形方法金属铸造、焊接、锻造、冲压等高分子挤出、注射、模压、热成形等陶瓷压制-烧结、浇注-烧结、挤出-烧结等复合材料手糊成形、压制成形、挤出等第16页，共96页。材料性能的环境效应温度、气氛、辐射、重力等例：不锈钢在还原气氛、高温下生锈；核反应堆中中子的高能辐射可以影响所有材料的内部结构，使材料的硬度降低、脆化等；在太空生长出的晶体，其结构和性能与地球上的也不一样。第17页，共96页。问题：日常生活中使用的茶杯、餐具是什么材料制作的？材料具有何种性能才能满足使用要求？电子仪表内不同元件之间需要用材料连接起来，以实现每个元件的功能

9、，试考虑选择何种材料恰当？选择飞机机翼材料时应考虑哪些主要的性能？第18页，共96页。材料选择使用性：材料在使用过程中，能够安全可靠地工作所必需具备的性能，包括材料的力学性能、物理性能、化学性能。工艺性能：材料在不同的制造工艺条件下所表现出的承受加工的能力。经济性：要求制品的最终成本应最低，制品成本包括所选的材料所包含的原料成本、成形工艺所产生的加工成本以及制品的使用成本，同时还得考虑制品使用寿命对制品成本的折算。环境协调性第19页，共96页。2 晶体结构第20页，共96页。本章内容提要2.1 结晶学基础2.2 晶体中质点的堆积2.3 无机化合物结构第21页，共96页。2.1 结晶学基础 晶体

10、 空间点阵 晶体结构 晶胞与原胞 晶体学符号第22页，共96页。非晶体：其内部质点（原子、离子或分子）在三维空间不具 有周期性的固体。 晶体：内部质点（原子、离子或分子）在三维空间成周期性重复排列的固体。第23页，共96页。非晶体特点没有固定的熔点，通常会在一定的温度范围内从液态经过 熔融状态到固态，期间发生的是一个连续变化的过程，这个温度范围被称为转变区；各向同性；没有规则稳定的几何外形，并且没有内在的晶界或相界；具有较高的内能；物质原子的结合键的性质处于小配位数的离子共价键或金属共价键之间的过渡键合状态时容易生成非晶态。 如玻璃、石蜡、沥青等 第24页，共96页。晶体特点晶体具有格子构造，

11、质点在三维空间作格子状的规则排列；晶体在自由生长状态下能自发地形成规则的多面体形态；晶体的性质具有随方向而变化的异向性；晶体具有外形和性质的对称性；晶体具有最小内能和稳定性。第25页，共96页。晶体：内部质点（原子、离子或分子）在三维空间成周期性重复排列的固体。格子构造常用空间几何图形来抽象地表示晶体结构，即把晶体质点的中心用直线连接起来，构成的空间网络，即晶体的空间点阵。* 具体阐述一下晶体的特征第26页，共96页。空间点阵：把晶体结构中原子或分子等结构基元抽象为周围环境相同的阵点之后，描述晶体结构的周期性和对称性的图像。第27页，共96页。空间点阵中所称点子，代表着结构中相同的位置结点。若

12、晶体是由完全相同的一种原子所组成，结点可以是原子本身的位置，可以是原子周围相应点的位置。若晶体是由数种原子组成，这数种原子构成基本的结构单元，基元，则结点可以代表基元的重心位置，或基元中任意的点子。空间点阵说明：第28页，共96页。结点的总体称为布拉维点阵，或布拉维格子。特点：每点周围的情况都一样。若晶体是由完全相同的一种原子组成，则这种原子所组成的网络就是布拉维格子，和结点组成的相同；若晶体的基元包含数种原子，则每个基元中，相应的同种原子各构成和结点相同的网络，称为子晶格，它们相对位移而形成所谓的复式格子，可见，复式格子是由若干相同结构的子晶格相互位移套构而成的。第29页，共96页。 直线点

13、阵 平面点阵 空间点阵* 晶体的空间点阵类型第30页，共96页。ANaCl中沿y轴Na+和Cl-排列的情况BNa+的直线排列C抽象为直线点阵 1. 一维点阵第31页，共96页。周期性结构点阵周期性结构点阵周期性结构点阵结点仅有几何意义， 并不真正代表任何质点。第32页，共96页。(a)NaCl中xy平面Na+和Cl-排列的情况(b)Na+或Cl-的平面排列(c)抽象为平面点阵2. 二维点阵第33页，共96页。3. 三维点阵左NaCl中Na+和Cl-排列的情况右抽象为空间点阵第34页，共96页。空间点阵的基本规律 分布在同一直线上的结点（阵点）构成一个行列（晶列）。在一个空间点阵中，可以有无穷多

14、不同方向的行列，相互平行的行列，其结点间距必定相等；不相平行的行列，一般说其结点间距亦不相等。连接分布在同一平面内的结点则构成一个面网（晶面）。在一个空间点阵中，可以有无穷多不同方向的面网，但相互平行的面网，其面网密度和面网间距也必定相等。联接分布在三维空间内的结点就构成了空间点阵。空间点阵本身将被三组相交行列划分成一系列平行叠置的平行六面体，结点就分布在它们的角顶上。平行六面体的大小和形状可由结点间距a、b、c及其相互之间的交角、表示，它们被称为点阵参数。第35页，共96页。晶体结构基元点阵=+晶体结构第36页，共96页。晶胞和原胞：以一结点为顶点，以三个不同方向的周期为边长的平行六面体可作

15、为晶格的一个重复单元。体积最小的重复单元，称为原胞。反映了晶格的周期性，其选取不具唯一性，但体积都相等。第37页，共96页。为了反映晶体对称的特征，结晶学上所取的重复单元，体积不一定最小，结点不仅在顶角上，还可以在面心或体心上，这种重复单元称作晶胞。第38页，共96页。三种常见的晶胞结构1、面心立方(Face-Centered Cubic (FCC)第39页，共96页。2、体心立方(Body-Centered Cubic (BCC)第40页，共96页。3、密排六方(Hexagonal Colse-Packed (HCP)120第41页，共96页。体心立方 面心立方 固体物理学中原胞的选取示例图

16、a1第42页，共96页。晶体学符号晶面符号(面号):它是根据晶面(或晶体中平行于晶面的其他平面)与各结晶轴的交截关系，用简单的数字符号形式来表达它们在晶体上方位的一种晶体学符号;目前国际上通用的都是米氏符号(Millers symbol)，亦称米勒符号.第43页，共96页。晶面符号的确定:晶体上任意一个晶面，若它在三个结晶轴X轴、Y轴、Z轴上的截距依次为OA、OB、OC, 已知轴率为abc，则该晶面在晶轴上的截距系数p, q, r分别为: p = OX/a, q = OY/b, r = OZ/c其倒数比 1/p:1/q:1/r = h : k : l晶面指数(米氏指数): 取h:k:l的最简单

17、整数比, 此时的h, k, l就称为晶面指数; 第44页，共96页。米氏指数(Miller indices)是指：用来表达晶面在晶体上之方向的一组无公约数的整数，它们的具体数值等于该晶面在结晶轴上所截截距系数的倒数比。如果将米氏指数按顺序连写，并置于园括号内, 表达为(h k l), 便构成了晶面的米氏符号。按X、Y、Z轴顺序，不得颠倒！晶轴有正负方向，指数的负号写在上面晶面可与晶轴垂直, 平行或斜交第45页，共96页。例（3D）xyz = (1 1 1)ABC = (h k l) = ?cbaOYXZABCABC = (12 3 4)第46页，共96页。ba(1 1 0)(2 1 0)(1

18、0 0)(0 1 0)(2 1 0)(2 1 0)(2 1 0)(1 1 0)(1 1 0)(1 1 0)(0 1 0)(1 0 0)-a-b第47页，共96页。四轴定向时的晶面符号:定义同三轴定向用(h k i l)的形式表达指数依次与X、Y、U和Z轴相对应存在 h + k + i = 0第48页，共96页。晶棱符号用简单数字符号形式表达晶棱符号只涉及方向, 不涉及具体位置表达为u v w确定晶棱符号的方法：将晶棱平移，使之通过晶体中心，然后在其上任取一点，求出此点在三个晶轴上的坐标（u、v、w），并以轴长来度量，即求得晶棱符号。第49页，共96页。例3：设晶体上有一晶棱OP，将其平移使通过

19、晶轴的交点，并在其上任意取一点M，M点在三个晶轴上的坐标分别为MR=a、MK=2b和MF=3c，三个轴的轴长分别为a、b、c，则：uvw=MR/aMK/bMF/c=123。故该晶棱的符号为123。第50页，共96页。四轴定向时的晶棱符号以u v t w的形式表达也有三指数形式: u v w四指数和三指数之间的比较第51页，共96页。点、线、面与点、线、面族的标记符号名称特定点、线、面的标记符号点、线、面族的标记符号点的位置、线（方向或晶向）面（平面或晶面）mnp或mnpuvw(hkl):mnp:hkl第52页，共96页。晶带符号晶带(zone)彼此间的交棱均相互平行的一组晶面之组合。晶带轴(z

20、one axis)用以表示晶带方向的一根直线，它平行于该晶带中的所有晶面，也就是平行于该晶带中各个晶面的公共交棱方向。晶带符号(zone symbol)在晶体上用相应的晶带轴(晶棱)符号来表示。第53页，共96页。第54页，共96页。晶面间距：相邻两个平行晶面之间的距离面间距特性：通常低指数的面间距较大，高指数的面间距小。晶面间距与点阵类型有关。体心立方：110最大；面心立方：111最大，都不是100晶面间距最大的面总是阵点(或原子)最密排的晶面。晶面间距越小，晶面上阵点排列越稀疏。第55页，共96页。第56页，共96页。晶面间距dhkl计算：正交晶系面间距计算式：立方晶系面间距计算式：六方晶

21、系面间距计算式：注意：以上对简单晶胞而言；复杂晶胞应考虑层面增加的影响。如，在体心立方或面心立方晶胞中间有一层，故实际晶面间距应为d001/2。第57页，共96页。第58页，共96页。Oabc第59页，共96页。第60页，共96页。球体最紧密堆积(Closest-Packed)原理球体的堆积密度越大， 系统的势能越低，晶体越稳定。2.2 晶体中质点的堆积第61页，共96页。等径球体的最紧密堆积方式球体在平面的堆积方式两层球体的堆积方式三层球体的堆积方式空隙类型空隙数与球数的关系空间利用率的求解第62页，共96页。1. 球体在平面的堆积方式第63页，共96页。第64页，共96页。2. 两层球体的

22、最紧密堆积方式ACB第65页，共96页。ABCABC第66页，共96页。ABC3. 三层球体的最紧密堆积方式（一）第67页，共96页。第68页，共96页。第69页，共96页。ABC三层球体的最紧密堆积方式（二）第70页，共96页。第71页，共96页。第72页，共96页。ABC4. 空隙类型第73页，共96页。第74页，共96页。NaCl晶体问题：以NaCl为例，1个Na+或1个Cl-周围有几个四面体空隙，几个八面体空隙？其中有多少空隙是被填满的？第75页，共96页。ABC球数与空隙数的关系(以B空隙上面的球为例)（ABAB）第76页，共96页。ABC球数与空隙数的关系（ABCABC）第77页，

23、共96页。总结：在密堆积结构中，每个球接触到同种球的个数为12个；密堆积结果形成2种方式：六方紧密堆积和立方紧密堆积；密堆积结果形成2种空隙：一种是由6个球形成的八面体空隙，一种是由4个球形成的四面体空隙。每个球周围有6个八面体空隙，对n个等大球体堆积系统，其八面体空隙总数为 ；每个球体周围有8 个四面体空隙，对n 个等大球体堆积系统，其四面体空隙总数为 。第78页，共96页。1.3 不等径球体的紧密堆积较大球体作等径球体的紧密堆积，较小的球填充在大球紧密堆积形成的空隙中。例：NaCl晶体第79页，共96页。1.4 空间利用率的求解例：计算等径球面心立方紧密堆积的空间利用率?原子堆积系数ato

24、mic packing factor（APF）： 晶胞中原子体积与晶胞体积的比值。第80页，共96页。例 以球体紧密堆积模型，计算下列结构的空间利用率。(1) 简立方； (2) 体心立方；(3) 面心立方； (4) 六方密积；第81页，共96页。ca第82页，共96页。例 根据最紧密堆积原理，空间利用率越高，结构越稳定，金刚石结构的空间利用率很低（只有34.01%），为什么它也很稳定？第83页，共96页。例 以NaCl晶胞为例，说明等径球面心立方紧密堆积中的八面体和四面体空隙的位置和数量，并计算其空间利用率。第84页，共96页。内在因素对晶体结构的影响化学组成与晶体结构的关系质点的相对大小配位

25、数和配位多面体离子极化电负性外在因素对晶体结构的影响同质多晶与类质多晶及晶型转变同质多晶与类质多晶晶型转变影响晶体结构的因素第85页，共96页。三角形配位 四面体配位 八面体配位 立方体配位配位多面体第86页，共96页。离子晶体的结构： 主要取决于离子间的数量关系、离子的相对大小及离子间的极化关系。这些因素的相互作用又取决于晶体的化学组成，其中何种因素起主要作用，视具体晶体而定。哥希密特结晶化学定律： 晶体结构取决于其组成基元（原子、离子或离子团）的数量关系、大小关系及极化性能。第87页，共96页。同质多晶与类质同晶 外在因素对晶体结构的影响同质多晶：化学组成相同的物质，在不同的热力学条件下 形成结构不同的晶体的现象，由此所产生的每一种化学组成相同但结构不同的晶体称为变体。 对研究晶型转变、材料制备过程中工艺制度的确定有重要意义。类质同晶：化学组成相似或相近的物质，在相同的热力学条件下，形成的晶体具有相同的结构。 对矿物提纯与分离、固溶体的形成及材