1、材料学导论全册配套完整材料学导论全册配套完整 精品课件精品课件1 按化学组成按化学组成 和结构特点：和结构特点： 金属材料金属材料 、无机非金属材料、无机非金属材料、 高分子材料、高分子材料、 复合材料复合材料 按材料性能：按材料性能： 结构材料结构材料 、功能材料、功能材料 按使用领域：按使用领域： 建筑材料、电子材料、耐火建筑材料、电子材料、耐火 材料、医用材料材料、医用材料 两次工业革命都是以新材料两次工业革命都是以新材料 的发明和广泛应用为先导的的发明和广泛应用为先导的 0 0 2 2 4 4 6 6 8 8 1010 BC500 500 C)C) SiCSiC与与SiSi使用范围比较
2、使用范围比较 SiCSiC研究和应用现状研究和应用现状 高质量大尺寸的高质量大尺寸的SiCSiC晶体几乎被美国晶体几乎被美国 CreeCree公司垄断。我国生产器件用的公司垄断。我国生产器件用的SiCSiC 晶体全部依赖进口。晶体全部依赖进口。 2 2英寸晶片售价为：英寸晶片售价为：500500800800美元美元/ /片片 SiC是一种是一种 战略性材料战略性材料 发光二极管 （LED） 3.1 力学性质力学性质 弹性模量是指材料在弹性极限范围内，应弹性模量是指材料在弹性极限范围内，应 力与应变（即与应力相对应的单位变形量）力与应变（即与应力相对应的单位变形量） 的比值，用的比值，用E表示，
3、即：表示，即： 材料在外力作用下发生塑性变形的最小材料在外力作用下发生塑性变形的最小 应力叫应力叫，用，用s表示。工程上规表示。工程上规 定，试样产生定，试样产生0.2%塑性变形时的应力值塑性变形时的应力值 为该材料的条件屈服强度，记为为该材料的条件屈服强度，记为0.2。 是将试样在拉力机上施以静态拉是将试样在拉力机上施以静态拉 伸负荷，使其破坏（断裂）时的载荷。伸负荷，使其破坏（断裂）时的载荷。 是指采用简支粱法将试样放在两是指采用简支粱法将试样放在两 支点上，在两支点间的试样上施加集中载支点上，在两支点间的试样上施加集中载 荷，使试样变形直至破裂时的载荷。荷，使试样变形直至破裂时的载荷。
4、是指在试样上施加压缩载荷至破是指在试样上施加压缩载荷至破 裂（对脆性材料而言）或产生屈服现象裂（对脆性材料而言）或产生屈服现象 （对非脆性材料而言）时，原单位横截面（对非脆性材料而言）时，原单位横截面 积上所能承受的载荷。积上所能承受的载荷。 塑性指标有塑性指标有和和： 与与越大，材料的塑性越好。越大，材料的塑性越好。 %100 0 01 )( L LL 延伸率 %100 0 10 )( F FF 断面收缩率 工程上常用的有布氏工程上常用的有布氏 硬度、洛氏硬度、维氏硬度等，还常用莫氏硬度。硬度、洛氏硬度、维氏硬度等，还常用莫氏硬度。 度量度量 韧性的指标有两类。一类是韧性的指标有两类。一类是
5、冲击韧性冲击韧性，用材料受，用材料受 冲击而破断的过程所吸收的冲击功的大小来表征冲击而破断的过程所吸收的冲击功的大小来表征 材料的韧性。另一类是材料的韧性。另一类是断裂韧性断裂韧性，用材料裂纹尖，用材料裂纹尖 端应力强度因子的临界值端应力强度因子的临界值K1C来表征材料的韧性。来表征材料的韧性。 交变载交变载 荷是指大小和（或）方向重复循环变化的载荷。荷是指大小和（或）方向重复循环变化的载荷。 在交变应力作用下，即使应力的最大值低于材在交变应力作用下，即使应力的最大值低于材 料的屈服强度，材料经较长时间的工作也会发料的屈服强度，材料经较长时间的工作也会发 生断裂，这种现象称为材料的生断裂，这种
6、现象称为材料的疲劳疲劳。 当应力低于某数值时，在无限多的循环周次下，当应力低于某数值时，在无限多的循环周次下， 材料仍不断裂，此应力值称为疲劳强度或材料仍不断裂，此应力值称为疲劳强度或疲劳疲劳 极限。极限。 3.2 电学性质电学性质 材料导电性的量度为电阻率或电导率。电阻材料导电性的量度为电阻率或电导率。电阻 R与导体的长度与导体的长度l成正比，与导体的截面积成正比，与导体的截面积S 成反比，即：成反比，即： S l R 当电压加到两块中间是真空的平行金属板上时，板上的当电压加到两块中间是真空的平行金属板上时，板上的 电荷电荷 Q0与施加电压与施加电压V成正比成正比 比例系数比例系数C0就是电
7、容。如果两板间放入绝缘材料，在相就是电容。如果两板间放入绝缘材料，在相 同电压下，电荷增加了同电压下，电荷增加了Q1， 则则Q Q0 Q1CV VCQ 00 0 10 0 Q QQ C C 物理性质的交互性物理性质的交互性 - - 材料应用的关键点材料应用的关键点 电学电学-力学力学电致伸缩电致伸缩 力学力学-电学电学压电特性压电特性 磁学磁学-力学力学磁致伸缩磁致伸缩 电学电学-磁学磁学巨磁阻效应巨磁阻效应 电学电学-光学光学电致发光电致发光 - 3.3 热学性能热学性能 ：1mol固体温度升高固体温度升高1K时所吸收的时所吸收的 热量热量J/（molK） ：单位时间内在：单位时间内在1K温
8、差的温差的1cm3正正 方体的一个面向其所对的另一个面流过的方体的一个面向其所对的另一个面流过的 热量，单位热量，单位J/（cmsK）。）。 ：单位长度物体的长度随温度：单位长度物体的长度随温度 的变化率，单位的变化率，单位K-1 。 可以说，可以说，材料科学材料科学是一种近年来形成的交叉是一种近年来形成的交叉 学科和应用科学，与工程技术的联系较为密学科和应用科学，与工程技术的联系较为密 切，所以人们往往把材料科学与工程联系在切，所以人们往往把材料科学与工程联系在 一起，称之为一起，称之为“材料科学与工程材料科学与工程”。近年来，。近年来， 又称为又称为“材料科学技术材料科学技术”。 材料工程
9、材料工程是指运用材料科学的理论知识和经是指运用材料科学的理论知识和经 验知识，为满足各种特定需要而发展、制备验知识，为满足各种特定需要而发展、制备 和改进各种材料的工艺技术。和改进各种材料的工艺技术。 地地 质质采采 矿矿 矿矿 冶冶 化化 工工冶冶 金金 陶陶 瓷瓷 高分子高分子 物物 理理 材料科学与工程材料科学与工程 化化 学学 矿矿 18791879 18881888 18881888 19371937 19371937 19661966 19751975 美国美国 MIT 矿冶及材料系名称的演变矿冶及材料系名称的演变 年年系名称系名称 18651865 18791879地质与采矿工程
10、地质与采矿工程 18791879 18841884采矿工程采矿工程 18841884 18881888采矿工程采矿工程（地质、采矿、冶金）（地质、采矿、冶金） 18881888 18901890采矿与冶金采矿与冶金 18901890 19271927采矿工程与冶金采矿工程与冶金 19271927 19371937采矿与冶金采矿与冶金 19371937 19661966冶金冶金 19661966 19751975冶金与材料科学冶金与材料科学 19751975 现在现在材料科学与工程材料科学与工程 材料科学的内容可以用一个四面体来表示，也就材料科学的内容可以用一个四面体来表示，也就 是材料科学是研
11、究一种材料的成分（结构）、合是材料科学是研究一种材料的成分（结构）、合 成（工艺）、性质与效能及它们之间的关系。成（工艺）、性质与效能及它们之间的关系。 材料科学是一门交叉性学科和应用科学，它材料科学是一门交叉性学科和应用科学，它 是物理、化学、冶金学、金属学、高分子科学、是物理、化学、冶金学、金属学、高分子科学、 计算科学等学科相互融合与交叉的结果，是与实计算科学等学科相互融合与交叉的结果，是与实 际应用结合非常密切的科学，也是一个正在发展际应用结合非常密切的科学，也是一个正在发展 的科学，随有关学科的发展而得到充实和完善。的科学，随有关学科的发展而得到充实和完善。 激动人心的领域、广阔的用
12、途激动人心的领域、广阔的用途 充满着各种挑战和机遇充满着各种挑战和机遇 就业面广阔，满怀信心面向未来就业面广阔，满怀信心面向未来 1. 1. 名词解释：材料、材料科学名词解释：材料、材料科学 2. 2. 材料科学的内容及任务。材料科学的内容及任务。 3. 3. 举例说明材料在人类文明进举例说明材料在人类文明进 程中的作用。程中的作用。 作业作业 2021-8-1377 2021-8-13781 02 03 04 05 06 0 XRD intensity (a.u.) 2 T h e ta () Y A G + B a 2 + G a3 + JC P D F # 7 3 1 3 7 0 Y A
13、 G + B a 2 + 2021-8-1379 2021-8-1380 2021-8-1381 （普通陶瓷、特种陶瓷） 2021-8-1382 2021-8-1383 2021-8-1384 2021-8-1385 2021-8-1386 2021-8-1387 2021-8-1388 2021-8-1389 2021-8-1390 2021-8-1391 2021-8-1392 2021-8-1393 2021-8-1394 2021-8-1395 2021-8-1396 2021-8-1397 2021-8-1398 2021-8-1399 2021-8-13100 2021-8-131
14、01 2021-8-13102 2021-8-13103 2021-8-13104 2021-8-13105 2021-8-13106 2021-8-13107 2021-8-13108 2021-8-13109 2021-8-13110 2021-8-13111 2021-8-13112 2021-8-13113 2021-8-13114 2021-8-13115 2021-8-13116 2021-8-13117 2021-8-13118 2021-8-13119 2021-8-13120 2021-8-13121 2021-8-13122 2021-8-13123 2021-8-1312
15、4 2021-8-13125 粉体制备原料处理成 型烧 结加 工成 品 热成型 2021-8-13126 2021-8-13127 2021-8-13128 2021-8-13129 2021-8-13130 2021-8-13131 2021-8-13132 2021-8-13133 2021-8-13134 2021-8-13135 2021-8-13136 2021-8-13137 2021-8-13138 2021-8-13139 2021-8-13140 2021-8-13141 2021-8-13142 2021-8-13143 材料可按其对外电场的响应方式分为两类材料可按其对外电
16、场的响应方式分为两类: : 一类以电荷长程迁移级即以传导的方式对一类以电荷长程迁移级即以传导的方式对 外电场作出响应，这类材料称为外电场作出响应，这类材料称为导电材料导电材料。 另一类以感应的方式对外电场作出响应，另一类以感应的方式对外电场作出响应， 即沿电场方向产生电偶极矩或偶极矩的改即沿电场方向产生电偶极矩或偶极矩的改 变，这类材料称为变，这类材料称为电介质电介质，这种现象称为，这种现象称为 电介质的极化。通常，绝缘体都是典型的电介质的极化。通常，绝缘体都是典型的 电介质。电介质。 2021-8-13144 电介质陶瓷是指电阻率大于电介质陶瓷是指电阻率大于10108 8mm 的陶瓷材料，能
17、承受较强的电场而不的陶瓷材料，能承受较强的电场而不 被击穿。被击穿。 电介质 压电体 热释电体 铁电体 图21 各种电介质陶瓷间的相互关系 2021-8-13145 绝缘材料在电气电路或电子电路中所起的作用主要绝缘材料在电气电路或电子电路中所起的作用主要 是根据电路设计要求将导体物理隔离，以防电流在是根据电路设计要求将导体物理隔离，以防电流在 它们之间流动而破坏电路的正常运行。此外，绝缘它们之间流动而破坏电路的正常运行。此外，绝缘 材料还起着导体的机械支持、散热及电路环境保护材料还起着导体的机械支持、散热及电路环境保护 等作用。等作用。 2021-8-13146 随着电子工业的发展，集成电路、
18、大规模集成电路随着电子工业的发展，集成电路、大规模集成电路 以及超大规模集成电路相继问世，这类电路需要以及超大规模集成电路相继问世，这类电路需要绝绝 缘性能、导热性能、热膨胀匹配性能、高频性能及缘性能、导热性能、热膨胀匹配性能、高频性能及 快速响应性能快速响应性能等一系列性能优良的绝缘陶瓷作为电等一系列性能优良的绝缘陶瓷作为电 路的基片与封装材料路的基片与封装材料. . 2021-8-13147 2021-8-13148 作为高导热材料具有巨大作为高导热材料具有巨大 的潜力，可以取代的潜力，可以取代BeOBeO、SiCSiC，甚至部分取，甚至部分取 代代AlAl2 2O O3. 3. 导热系数
19、虽比导热系数虽比SiCSiC和和BeOBeO陶瓷略低，陶瓷略低， 但比但比AlAl2 2O O3 3陶瓷约高陶瓷约高8-108-10倍，且体积电阻率，倍，且体积电阻率， 击穿强度、介电损耗等电气性能可与击穿强度、介电损耗等电气性能可与AlAl2 2O O3 3 陶瓷媲美，且介电常数较低，机械强度较陶瓷媲美，且介电常数较低，机械强度较 高，热膨胀系数为高，热膨胀系数为4.44.4 1010-6 -6/ /，接近于，接近于SiSi， 可进行多层布线，是很有发展前途的基板可进行多层布线，是很有发展前途的基板 材料。材料。 2021-8-13149 2021-8-13150 陶瓷的介电常数应尽可能的高
20、陶瓷的介电常数应尽可能的高 稳定性好稳定性好 介质损耗角正切要小介质损耗角正切要小 比体积电阻要求高于比体积电阻要求高于101010 10 mm 高的介电强度高的介电强度 陶瓷电容器以其体积小、容量大、结构简单、陶瓷电容器以其体积小、容量大、结构简单、 高频特性优良、品种繁多、价格低廉、便于高频特性优良、品种繁多、价格低廉、便于 大批量生产而广泛应用于计算机、电器、通大批量生产而广泛应用于计算机、电器、通 信设备、工业仪器仪表等领域。信设备、工业仪器仪表等领域。 2021-8-13151 介质滤波器在通信中也是必不可少的电子器件。微波介质陶介质滤波器在通信中也是必不可少的电子器件。微波介质陶
21、瓷制成的谐振器与金属空腔谐振器相比，具有体积小、质量瓷制成的谐振器与金属空腔谐振器相比，具有体积小、质量 轻、温度稳定性好、价格便宜等优点。已在便携式轻、温度稳定性好、价格便宜等优点。已在便携式、 汽车电话、无绳电话、电视卫星接受器、汽车电话、无绳电话、电视卫星接受器、及全球卫及全球卫 星定位系统等方面有着十分重要的应用。星定位系统等方面有着十分重要的应用。 2021-8-13152 2021-8-13153 2021-8-13155 2021-8-13156 2021-8-13157 2021-8-13158 2021-8-13159 热释电效应是一种自然现象，也是晶体的一种热释电效应是一种
22、自然现象，也是晶体的一种 物理效应。物理效应。晶体受热温度升高，由于温度的变晶体受热温度升高，由于温度的变 化化TT而导致自发极化的变化，在晶体的一定而导致自发极化的变化，在晶体的一定 方向上产生表面电荷，这种现象称为热释电效方向上产生表面电荷，这种现象称为热释电效 应。应。 Ps P T Ps自发极化的变化量；自发极化的变化量； P 热释电系数；热释电系数； T 温度的变化量。温度的变化量。 2021-8-13160 由上述可知，晶体中存在热释电效应的前提由上述可知，晶体中存在热释电效应的前提 是：首先具有是：首先具有自发极化自发极化，即晶体结构的某些，即晶体结构的某些 方向的正、负电荷重心
23、不重合；二是有方向的正、负电荷重心不重合；二是有温度温度 变化变化，即热释电效应是反映材料在温度变化，即热释电效应是反映材料在温度变化 状态下的性能。状态下的性能。 2021-8-13161 接收辐射（红外辐射）产生接收辐射（红外辐射）产生温升温升； 由于温升而引起由于温升而引起热释电晶片表面电荷热释电晶片表面电荷的变化的变化 （极化变化）；（极化变化）； 由于晶体片表面电荷变化引起晶片上、下表面由于晶体片表面电荷变化引起晶片上、下表面 电势差电势差的变化，通过放大器使其转换成电压或的变化，通过放大器使其转换成电压或 电流进行测量。电流进行测量。 2021-8-13162 2021-8-131
24、63 也称为也称为的共同特点是：的共同特点是： 它它 们的导电性随环境变化而变化。利用这一特们的导电性随环境变化而变化。利用这一特 性，可制成各种不同类型的陶瓷敏感器件，性，可制成各种不同类型的陶瓷敏感器件， 如热敏如热敏 、气敏、气敏、湿敏、压敏、湿敏、压敏 、光敏器件等。、光敏器件等。 2021-8-13164 2021-8-13165 2021-8-13166 2021-8-13167 2021-8-13168 2021-8-13169 2021-8-13170 2021-8-13171 作业 1. 名词解释：无机非金属材料，结构 陶瓷，功能陶瓷。 2. 陶瓷材料的显微结构。 3. 陶瓷
25、材料的性能。 4. 传统陶瓷与特种陶瓷的区别。 5. 压电陶瓷的机理及其应用。 钠钙玻璃钠钙玻璃铅玻璃铅玻璃硼硅酸盐玻璃硼硅酸盐玻璃石英玻璃石英玻璃 钢化玻璃钢化玻璃 微晶玻璃微晶玻璃 彩色玻璃彩色玻璃 变色玻璃变色玻璃 玻璃的种类玻璃的种类 磨砂玻璃磨砂玻璃 慢慢 快快 网络中一个氧原子最多同两个形成网络的阳离子网络中一个氧原子最多同两个形成网络的阳离子M M （如（如SiSi、AlAl、B B等）相连接。等）相连接。成网阳离子成网阳离子在多元体在多元体 （如硅氧四面体、铝氧三面体）的中央。（如硅氧四面体、铝氧三面体）的中央。 这些多面体通过顶角上的公共氧以这些多面体通过顶角上的公共氧以“氧
26、桥氧桥”相连而相连而 形成三维连续网架。但这种网架不象晶体那样有序，形成三维连续网架。但这种网架不象晶体那样有序， 而是完全无序的。其它而是完全无序的。其它变网阳离子变网阳离子分布在网络之间。分布在网络之间。 （a）石英晶体结构模型）石英晶体结构模型 （b）石英玻璃结构模型）石英玻璃结构模型 (c) 钠钙玻璃结构示意图钠钙玻璃结构示意图 力学性质力学性质 理论强度高，实际强度低。抗压强度高，抗拉强度低。理论强度高，实际强度低。抗压强度高，抗拉强度低。 硬度高，脆性大。硬度高，脆性大。 物理性质物理性质 高度透明，具有很重要的光学性质。能透可见光和红外线。高度透明，具有很重要的光学性质。能透可见
27、光和红外线。 热膨胀性随成分变化较大。热膨胀性随成分变化较大。 化学性质化学性质 化学性质稳定。抗酸腐蚀，但不抗碱。化学性质稳定。抗酸腐蚀，但不抗碱。 n2 n2 n1 作业 1、玻璃的结构。 2、光导纤维的导光原理及应用。 3、如何制备微晶玻璃？ 硅酸盐水泥硅酸盐水泥铝酸盐水泥铝酸盐水泥硫铝酸盐水泥硫铝酸盐水泥 氟铝酸盐水泥氟铝酸盐水泥火山灰水泥火山灰水泥 CaOAl2O3 SiO2Fe2O3 配料配料粉磨粉磨成球成球煅烧煅烧 粉磨粉磨包装包装 13001450 矿渣矿渣 石膏石膏 水泥的熟料水泥的熟料 粉煤灰粉煤灰 火山灰火山灰 普通水泥普通水泥 矿渣水泥矿渣水泥 粉煤灰水泥粉煤灰水泥 火
28、山灰水泥火山灰水泥 不掺其它料不掺其它料 硅酸三钙硅酸三钙 3CaOSiO2，C3S 硅酸二钙硅酸二钙 2CaOSiO2，C2S 铝酸三钙铝酸三钙 3CaOAl2O3，C3A 铁铝酸四钙铁铝酸四钙 4CaOAl2O3Fe2O3，C4AF 主要矿物成分对水泥性能的影响主要矿物成分对水泥性能的影响 密度密度 容重容重 细度细度 需水性需水性 凝结时间凝结时间 安定性安定性 强度强度 标号标号 水化热水化热 第二部分：金属材料第二部分：金属材料 材料科学与化学工程学院材料科学与化学工程学院 歼歼10 (10 (中国中国) ) 太行发动机（中国）太行发动机（中国） 材材 料料 学学 科科 金金 属属
29、材材 料料 与与 热热 处处 理理 钢钢 铁铁 冶冶 金金 有有 色色 金金 属属 冶冶 金金 冶冶 金金 物物 理理 化化 学学 金金 属属 压压 力力 加加 工工 无无 机机 非非 金金 属属 材材 料料 硅硅 酸酸 盐盐 工工 程程 高高 分分 子子 材材 料料 与与 工工 程程 粉粉 末末 冶冶 金金 复复 合合 材材 料料 腐腐 蚀蚀 与与 防防 护护 材材 料料 科科 学学 与与 工工 程程 复复 合合 材材 料料 铸铸 造造 焊焊 接接 材材料料学学科科二二级级学学科科分分类类表表 金属材料金属材料 课程内容课程内容 2、金属材料的力学性能、金属材料的力学性能 3、金属合金相图、
30、金属合金相图 1、金属晶体结构、金属固溶体和晶体缺陷、金属晶体结构、金属固溶体和晶体缺陷 4、新型金属材料、新型金属材料 金属材料金属材料 金属材料是由化学元素周金属材料是由化学元素周 期表中的金属元素组成的材料。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可分为由一种金属元素构成的 单质（纯金属）；由两种或两单质（纯金属）；由两种或两 种以上的金属元素或金属与非种以上的金属元素或金属与非 金属元素构成的合金。合金又金属元素构成的合金。合金又 可分为固溶体和金属间化合物可分为固溶体和金属间化合物。 在在103种元素中，除种元素中，除He,Ne,Ar等等6种惰性元素种惰性元素 和和C
31、、Si、N等等16种非金属元素外，其余种非金属元素外，其余81种为种为 金属元素。除金属元素。除Hg之外，单质金属在常温下呈现之外，单质金属在常温下呈现 固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及固体形态，外观不透明，具有特殊的金属光泽及 良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有良好的导电性和导热性。在力学性质方面，具有 较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。较高的强度、刚度、延展性及耐冲击性。 单质金属单质金属 合金是以一种金属元素为基体加上一种合金是以一种金属元素为基体加上一种 或一种以上的金属或非金属元素熔合在一起或一种以上的金属或非金属元素熔合在一起 形成的具有金属特性的物质。合金的性
32、质与形成的具有金属特性的物质。合金的性质与 组成合金的各个相的性质有关，同时也与这组成合金的各个相的性质有关，同时也与这 些相在合金中的数量、形状及分布有关。些相在合金中的数量、形状及分布有关。 合合 金金 合合 金金 组元组元：组成材料的最基本的独立的物质称为：组成材料的最基本的独立的物质称为“组组 元元”，组元可以是金属元素或非金属元素（例如：，组元可以是金属元素或非金属元素（例如： 普通碳钢的组元是普通碳钢的组元是Fe与与C)，也可以是稳定的化合，也可以是稳定的化合 物。物。 相相：材料中成份、性能、结构相同并以界面互相：材料中成份、性能、结构相同并以界面互相 分开的均匀的组成部分称为分
33、开的均匀的组成部分称为“相相”。 金属的结构 1、体心立方结构、体心立方结构 （a）刚球模型 （b）质点模型 （c）晶胞原子数 图图1 1 体心立方晶胞体心立方晶胞 (铬、钼、钨等）铬、钼、钨等） （a）刚球模型）刚球模型 （b）质点模型）质点模型 （c）晶胞原子数）晶胞原子数 金属的结构 2、面心立方结构、面心立方结构 （a）刚球模型）刚球模型 （b）质点模型）质点模型 （c）晶胞原子数）晶胞原子数 图图2 2 面心立方晶胞面心立方晶胞 （铝、铜、镍等）（铝、铜、镍等） 金属的结构 3、密排六方结构、密排六方结构 图图3 3 密排六方晶胞密排六方晶胞 （镁、锌等）（镁、锌等） （a）刚球模型
34、）刚球模型 （b）质点模型）质点模型 （c）晶胞原子数）晶胞原子数 三种典型金属晶体结构中每个晶胞所占有的原子 数n为： 面心立方结构 n=81/8+61/2=4 体心立方结构 n=81/8+1=2 密排六方结构 n=121/6+21/2+3=6 金属的结构 金属的实际晶体结构金属的实际晶体结构 实际上，金属是一个多晶体结构，实际上，金属是一个多晶体结构， 这种原子排列方位基本一致，但这种原子排列方位基本一致，但 外形不规则的小晶体，称为晶粒。外形不规则的小晶体，称为晶粒。 由于金属是多晶体结构，单个晶由于金属是多晶体结构，单个晶 粒的各向异性彼此相互抵消，金属粒的各向异性彼此相互抵消，金属
35、就显示出各向同性，若对金属进行就显示出各向同性，若对金属进行 单方向的塑性变形（如冷扎、冷拉单方向的塑性变形（如冷扎、冷拉 等），使各个晶粒的晶格趋向一致，等），使各个晶粒的晶格趋向一致， 则多晶体金属又会显示出各向异性。则多晶体金属又会显示出各向异性。 图图4 4 金属的多晶体结金属的多晶体结 构示意图构示意图 金属化合物金属化合物 合金的分类合金的分类 固溶体固溶体 合金的结构按其组元在结晶时彼此作用的不同，合金的结构按其组元在结晶时彼此作用的不同， 可以分为固溶体、金属化合物、机械混合物三种类型。可以分为固溶体、金属化合物、机械混合物三种类型。 合金固溶体合金固溶体 当金属的晶体结构保持
36、溶剂组元当金属的晶体结构保持溶剂组元 的晶体结构时，这种合金称为一次固的晶体结构时，这种合金称为一次固 溶体或端际固溶体，简称为溶体或端际固溶体，简称为固溶体固溶体。 合金金属化合物合金金属化合物 金属元素与其它金属元素或非金金属元素与其它金属元素或非金 属元素之间形成合金时，除固溶体外，属元素之间形成合金时，除固溶体外， 还可能形成还可能形成金属化合物金属化合物。 合金金属间化合物合金金属间化合物 A、B两组元相互溶解后所形成的新的物质两组元相互溶解后所形成的新的物质 既不是既不是A组元的结构，也不是组元的结构，也不是B组元的结构，而组元的结构，而 是自身的一种独立的结构。是自身的一种独立的
37、结构。 例如：例如： Fe和和C所形成的化合物所形成的化合物Fe3C，就是一，就是一 种典型的金属间化合物。种典型的金属间化合物。 金属化合物是合金组元间发生相互作用而形成的一金属化合物是合金组元间发生相互作用而形成的一 种新相，又称为中间相，其晶格类型和性能均不同于任种新相，又称为中间相，其晶格类型和性能均不同于任 一组元，一般可以用分子式大致表示其组成。在该化合一组元，一般可以用分子式大致表示其组成。在该化合 物中，除了离子键、共价键外，金属键也参与作用，因物中，除了离子键、共价键外，金属键也参与作用，因 而它具有一定的金属性质，所以称之为金属化合物。碳而它具有一定的金属性质，所以称之为金
38、属化合物。碳 钢中的钢中的Fe3C、黄铜中的、黄铜中的CuZn、铝合金中的、铝合金中的CuAl2等都是等都是 金属化合物。金属化合物。 合金金属化合物合金金属化合物 合金中的固溶体合金中的固溶体 固溶体的分类固溶体的分类 根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固溶根据溶质原子在溶剂晶体结构中的位置，固溶 体可分为：体可分为： 1. 置换固溶体（代位固溶体）置换固溶体（代位固溶体） 2. 间隙固溶体间隙固溶体 置换固溶体置换固溶体 特点特点 置换固溶体：置换固溶体：A组元的原子取代了组元的原子取代了B组元的原子。组元的原子。 当当A、 B两个组元的原子直径相差不大时，两个两个组元的原子直径相差不大
39、时，两个 组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则组元可以以任何比例溶解，形成无限固溶体，反之则 为有限固溶体。为有限固溶体。 在在置换固溶体置换固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的中，溶质原子位于溶剂晶体结构的 晶格格点上。晶格格点上。 置换固溶体置换固溶体 置换固溶体置换固溶体 置换固溶体置换固溶体 （a）随机置换固溶体）随机置换固溶体 （b）有序置换固溶体）有序置换固溶体 特点特点 间隙固溶体间隙固溶体 间隙固溶体：间隙固溶体：A组元溶入组元溶入B组元的间隙中。只能形组元的间隙中。只能形 成有限固溶体。成有限固溶体。 例如：例如：C溶入溶入-Fe或或-Fe 所形成的铁素体、奥氏体所
40、形成的铁素体、奥氏体 。 在在间隙固溶体间隙固溶体中，溶质原子位于溶剂晶体结构的中，溶质原子位于溶剂晶体结构的 晶格间隙。溶质原子在固溶体中的分布可以是随机的，晶格间隙。溶质原子在固溶体中的分布可以是随机的， 即呈统计分布；也可以是部分有序或完全有序，在完即呈统计分布；也可以是部分有序或完全有序，在完 全有序固溶体中，异类原子趋于相邻，这种结构亦称全有序固溶体中，异类原子趋于相邻，这种结构亦称 为超点阵或超结构。为超点阵或超结构。 间隙固溶体间隙固溶体 间隙固溶体间隙固溶体 间隙固溶体间隙固溶体 随机间隙固溶体随机间隙固溶体 固溶体中的溶质丛聚固溶体中的溶质丛聚 固溶体的电学、热学、磁学等物理
41、性质固溶体的电学、热学、磁学等物理性质 也随成分而连续变化，但一般都不是线性也随成分而连续变化，但一般都不是线性 关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组 元，而塑性则较低。元，而塑性则较低。 合金中的固溶体合金中的固溶体 合金中的固溶体合金中的固溶体 实际应用：铂、铑单独做热电偶材料使用，实际应用：铂、铑单独做热电偶材料使用， 熔点为熔点为1450，而将铂铑合金做其中的一根，而将铂铑合金做其中的一根 热电偶，铂做另一根热电偶，熔点为热电偶，铂做另一根热电偶，熔点为1700， 若两根热电偶都用铂铑合金而只是铂铑比例若两根热电偶都用铂铑合金而只是铂铑比例 不同，熔
42、点达不同，熔点达2000以上。以上。 金属间化合物金属间化合物 特点特点 金属间化合物可分为三类，金属间化合物可分为三类， 即由负电性决定的即由负电性决定的原子价化合物原子价化合物（简称价化合物）（简称价化合物） 、由电子浓度决定的、由电子浓度决定的电子化合物电子化合物（亦称为电子相）（亦称为电子相） 以及由原子尺寸决定的以及由原子尺寸决定的尺寸因素化合物尺寸因素化合物。 除了这三类由单一元素决定的典型金属间化合物外，除了这三类由单一元素决定的典型金属间化合物外， 还有许多金属间化合物，还有许多金属间化合物， 其结构由两个或多个因素决定，称之为复杂化合物。其结构由两个或多个因素决定，称之为复杂
43、化合物。 Now What Do You See? Vacancy Interstitial 晶体结构缺陷晶体结构缺陷 缺陷的含义缺陷的含义：通常把晶体点阵结构中周期性势：通常把晶体点阵结构中周期性势 场的畸变称为晶体的场的畸变称为晶体的结构缺陷结构缺陷。 理想晶体理想晶体：质点严格按照空间点阵排列。：质点严格按照空间点阵排列。 实际晶体实际晶体：存在着各种各样的结构的不完整性。：存在着各种各样的结构的不完整性。 由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的由于缺陷的存在，才使晶体表现出各种各样的 性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有性质，使材料加工、使用过程中的各种性能得以有 效控制和改
44、变，使材料性能的改善和复合材料的制效控制和改变，使材料性能的改善和复合材料的制 备得以实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律，备得以实现。因此，了解缺陷的形成及其运动规律， 对材料工艺过程的控制，对材料性能的改善，对于对材料工艺过程的控制，对材料性能的改善，对于 新型材料的设计、研究与开发具有重要意义。新型材料的设计、研究与开发具有重要意义。 研究缺陷的意义研究缺陷的意义 缺陷的类型缺陷的类型 热缺陷热缺陷 杂质缺陷杂质缺陷 非化学计量缺陷非化学计量缺陷 缺陷的成因缺陷的成因 晶体结构缺陷晶体结构缺陷 点缺陷（零维缺陷）点缺陷（零维缺陷） Point Defect 缺陷尺寸处于原子大小的数量级
45、上，即三维方向上缺陷尺寸处于原子大小的数量级上，即三维方向上 缺陷的尺寸都很小。缺陷的尺寸都很小。 包括：包括：空位（空位（vacancy） 间隙质点（间隙质点（interstitial particle） 错位原子或离子错位原子或离子 外来原子或离子外来原子或离子（杂质质点（杂质质点）（foreign particle） 双空位等复合体双空位等复合体 点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温点缺陷与材料的电学性质、光学性质、材料的高温 动力学过程等有关。动力学过程等有关。 空位空位: -结构中存在空位原子。 Vacancy distortion of planes 间隙质点间隙质点: -
46、原子间存在特殊原子。 发生概率高 self- interstitialdistortion of planes 发生概率低 点缺陷（零维缺陷）点缺陷（零维缺陷） Point Defect 点缺陷（零维缺陷）点缺陷（零维缺陷） Point Defect OR 替位合金 （Substitutional alloy） (如： Cu in Ni) 间隙合金 （Interstitial alloy） (如： C in Fe) 线缺陷线缺陷 指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、指在一维方向上偏离理想晶体中的周期性、 规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维规则性排列所产生的缺陷，即缺陷尺寸在一维 方向较
47、长，另外二维方向上很短。如各种方向较长，另外二维方向上很短。如各种位错位错 （dislocation），），如如图图所示。所示。 线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性线缺陷的产生及运动与材料的韧性、脆性 密切相关。密切相关。 面缺陷面缺陷 面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上面缺陷又称为二维缺陷，是指在二维方向上 偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的偏离理想晶体中的周期性、规则性排列而产生的 缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维缺陷，即缺陷尺寸在二维方向上延伸，在第三维 方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结方向上很小。如晶界、表面、堆积层错、镶嵌结 构等。构等。 面缺陷的取
48、向及分布与材料的断裂韧性有关。面缺陷的取向及分布与材料的断裂韧性有关。 面缺陷的种类：面缺陷的种类：1. 刃型位错；刃型位错；2.螺型位错螺型位错 面缺陷晶界面缺陷晶界 n 晶界晶界: 晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于相邻晶晶界是两相邻晶粒间的过渡界面。由于相邻晶 粒间彼此位向各不相同，故晶界处的原子排列与晶内粒间彼此位向各不相同，故晶界处的原子排列与晶内 不同，它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合不同，它们因同时受到相邻两侧晶粒不同位向的综合 影响，而做无规则排列或近似于两者取向的折衷位置影响，而做无规则排列或近似于两者取向的折衷位置 的排列，这就形成了晶体中的重要的面缺陷。的排列，这
49、就形成了晶体中的重要的面缺陷。 n 亚晶界亚晶界: 实验表明，在实际金属的一个晶粒内部晶实验表明，在实际金属的一个晶粒内部晶 格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小格位向也并非一致，而是存在一些位向略有差异的小 晶块（位向差一般不超过晶块（位向差一般不超过2)。这些小晶块称为亚结。这些小晶块称为亚结 构。亚结构之间的界面称为亚晶界。构。亚结构之间的界面称为亚晶界。 面缺陷晶界面缺陷晶界 晶界示意图 亚晶界示意图 面缺陷晶界面缺陷晶界 晶体在大于屈服值的切应力晶体在大于屈服值的切应力 作用下，以作用下，以ABCD面为滑移面面为滑移面 发生滑移。发生滑移。EF是晶体已滑移部分和未滑移部分的
50、交线，是晶体已滑移部分和未滑移部分的交线， 犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。犹如砍入晶体的一把刀的刀刃，即刃位错（或棱位错）。 几何特征：位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位几何特征：位错线与原子滑移方向相垂直；滑移面上部位 错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距；错线周围原子受压应力作用，原子间距小于正常晶格间距； 滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于滑移面下部位错线周围原子受张应力作用，原子间距大于 正常晶格间距。正常晶格间距。 分类：正刃位错，分类：正刃位错， “ ” ；负刃位错，；负刃位错， “T” 。符号中水。符号中水 平线代表滑移面，
