1、2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础课件下载v材料科学与工程学系主页v本科生教育v教学课件2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础主要内容主要内容v原子、离子和分子原子、离子和分子v金属键、离子键和共价键金属键、离子键和共价键v晶体结构：晶胞，晶面指数，晶向指数晶体结构：晶胞，晶面指数，晶向指数v晶体缺陷：点缺陷，线缺陷，面缺陷晶体缺陷：点缺陷，线缺陷，面缺陷v合金的基本相：固溶体和中间相合金的基本相：固溶体和中间相2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础尺度表征尺度表征Examples2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础材料的尺度材料的尺度2022-8
2、-4材料科学与人类文明-材料结构基础材料的尺度材料的尺度2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础材料的尺度材料的尺度2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础材料的结构层次材料的结构层次宏观结构Macroscopic Structure微观结构微观结构Microscopic Structure原子尺度原子尺度Atomic Level亚原子尺度亚原子尺度Subatomic Level2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础Chap2-1原子组成、化学键原子组成、化学键2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础原子的构成原
3、子的构成物质由原子构成！物质由原子构成！原子原子(atom)=质子质子(proton)+中子中子(nucleus)+电子电子(electron)带电量带电量质子：质子：+1.6 10-19 库仑；库仑；电电子子：-1.6 10-19 库仑；库仑；中子：中子：0质量质量质子：质子：1.67 10-27 Kg；中子：中子：1.67 10-27 Kg；电电子子：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）数量级，其中，原子核的半
4、径不超过10-14 m2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础原子结构模型原子结构模型Rutherfords model 无法解释电子不向原子中心坍塌的原因质子和中子组成原子核，电子绕原子核作高速运动质子和中子组成原子核，电子绕原子核作高速运动The solar system 2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础核外电子的运动核外电子的运动Bohrs model,1913 电子在原子核外作绕核（循轨）运动和自旋运动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在多电子
5、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于价电子注意不同轨道的形状！Heisenbergs Uncertainty PrincipleWave function:the probability of finding an electron with special energy in the space surrounding the nucleus2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础核外电子轨道核外电子轨道To specify an
6、electron state,one need:nprincipal quantum number lorbital quantum numbermmagnetic quantum numbersspin quantum number2022-8-4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核外电子轨道能级排序2022-8-4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：mnEEh2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础原子结构举例原子结构举例H：1s1He：1s2Li：1s22s1Na：1s22s22p63s1核外电子的排列元素周期表2022-8-4材
7、料科学与人类文明-材料结构基础元素周期表元素周期表2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础电负性电负性表征原子获得电子的能力表征原子获得电子的能力电负性增加电负性降低2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础化学键化学键材料的性能是由以下因素决定的：材料的性能是由以下因素决定的：内因内因1.成分成分材料是由哪些物质（原子）构成的？材料是由哪些物质（原子）构成的？2.化学键化学键构成材料的原子如何结合在一起？构成材料的原子如何结合在一起？3.晶体结构晶体结构构成材料的原子是如何排列的？构成材料的原子是如何排列的？外因外因温度、压力温度、压力和化学键关系密切的材料性能：密度、导电性、
8、导热性、热膨胀、硬度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 2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础原子间作用力原子间作用力两个原子之间存在的相互作用力，包括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。原子核、核外电子之间的排斥力。在某一间距在某一间距a0处，吸引力和排斥力达到处，吸引力和排斥力达到平衡，势能最低，原子最稳定。平衡，势能最低，原子最稳定。2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础化学键种类化学键种类由于核外电子结构，特别是价电子结构的不同，原子由于核外电
9、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、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。共价键、金属键、范德华力和氢键。2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础离子键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、绝缘组成的离子晶体硬度高、强度高、脆性大、绝缘举例：NaCl、Al2O3、CaF22022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础共价键共价键 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
10、性大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、Si3N42ClClCl2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础共价键的方向性共价键的方向性2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础金属键金属键1.原子失去价电子形成正离子；原子失去价电子形成正离子；2.正离子在三维空间规则排列形成晶格；正离子在三维空间规则排列形成晶格；3.价电子为全体原子共有（自由电子），在晶格间自由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；运动，形成电子气；4.正离子和电子气之间产生静电吸引使离子结合起来。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
11、点：无方向性、价电子可以在晶体中自由运动金属键特点：无方向性、价电子可以在晶体中自由运动2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础金属金属金属由金属键结合，具有下列特征：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）；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；不透明，呈现金属光泽；电阻随温度升高而增大。电阻随温度升高而增大。2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础氢键氢键H与与O、N、F等电负性高的原子等电负性高的原子A（A=O、N、F等）组成共价键分子
12、时，共有电等）组成共价键分子时，共有电子对（电荷中心）偏向原子子对（电荷中心）偏向原子A。此时，。此时，H原子一侧带正电，原子一侧带正电，A原子一侧带负电。一原子一侧带负电。一个分子的个分子的H原子可以和另一个分子的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。氢键存在于键，即氢键。氢键存在于H2O、HF、NH3和许多高分子化合物中。和许多高分子化合物中。COHOCOHOHH氢键二甲酸分子2022-8-4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为什么冰的密度低于水冰中水分子的排列冰中水分子的排列2022-8-4材料科
13、学与人类文明-材料结构基础分子键分子键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。由分子键形成的物质熔点低、硬度低、绝缘。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。偶极子。小偶极子之间的相互作用力称范德华力。2022-8-4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结合强度比较化学键化学键离子键离子键共价键共价键金属键金属键氢键氢键范德华范德华力力结合能（kJ/mol）600
14、150010080070850105010502022-8-4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各种材料中可能存在的化学键材料种类材料种类 离子键离子键共价键共价键金属键金属键范德华力范德华力金属金属存在存在存在存在高分子高分子存在存在存在存在陶瓷陶瓷存在存在存在存在2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础化学键与材料熔点化学键与材料熔点*Increasing covalent bonding化学键化学键材料材料结合能结合能(kJ/mol)熔点（熔点（C）离子键NaCl640801MgO10002800共价键Si4501410C(金刚石)7133550金属键*H
15、g68-39Al324660Fe4061538W8493410范德华力Ar7.7-189Cl2231-1012022-8-4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化学键与材料热膨胀系数材料材料铝铝铜铜铁铁砖砖头头窗玻窗玻璃璃水水泥泥聚乙聚乙烯烯橡皮橡皮线膨胀系数（*10-6/C）2216129913110-180812022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础Chap2-2晶体结构晶体结构2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础晶体和非晶体晶体和非晶体晶体：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
16、向异性。排列，有规则外形，有一定熔点，各向异性。举例：食盐、蔗糖非晶体：原子不规则排列，无规则外形，无一定非晶体：原子不规则排列，无规则外形，无一定熔点，各向同性。熔点，各向同性。举例：萘雪花六种形貌实际晶体SEM照片2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础 介介 观观 宏宏 观观 晶体的结构与形状晶体的结构与形状晶体的结构晶体的形状2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础Morphology of PbS crystal with NaCl structure2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础ABAABCAATOMIC PACKING2022-8-4材料科学与人
17、类文明-材料结构基础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（面心立方（Face-centered cubic,FCC）体心立方（体心立方（Body-centered cubic,BCC）密排六方（密排六方（Hexagonal close-packed,HCP）金属晶体结构金属晶体结构2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础FCC结构结构举例：
18、Al、Cu、-Fe、Ag、Au2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础FCC结构结构晶胞原子数：61/2+81/8=4晶胞常数：2/4Ra 74.0)2/4()34(4)34(43333RRaR原子填充率（晶胞中被原子填充的体积百分率）APF：2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础BCC结构结构举例：Cr、Mo、W、V2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础BCC结构结构晶胞原子数：1+81/8=2晶胞常数：3/4Ra 68.0)3/4()34(2)34(23333RRaR原子填充率：2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础HCP结构结构举例：Cd、Ti、Be
19、、Mg、Zn、Zr2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础HCP结构结构晶胞原子数：3+121/6+2 1/2=6晶胞常数：Raac2,633.13/8/74.02633.1)2(436)34(6436)34(62323RRRcaR原子填充率：2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础晶体结构晶体结构晶胞原子数晶胞原子数原子填充率原子填充率BCC20.68FCC40.74HCP60.742022-8-4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，其密度假设固体为完整的晶体，其密度 可近似认为是晶胞的密度：可近似认为是晶胞的密度：AccAcNVnAVNAnVnM)/(n晶
20、胞原子数晶胞原子数M一个原子的质量一个原子的质量Vc晶胞体积晶胞体积A元素的原子量元素的原子量NA阿佛加德罗常数，阿佛加德罗常数，NA=6.022 1023。材料密度估算材料密度估算2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础例题例题纯铁在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。2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础Answer考虑4个Fe原子2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础同素异构体同素异构体
21、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，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有四种有四种同素异构体：石墨、金刚石、富勒烯、纳米管。同素异构体：石墨、金刚石、富勒烯、纳米管。2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础为了能明确的、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2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础求法：定原点 建坐标 化最小整数 加 求坐标例：oxyzX 轴坐标 1Y 轴坐标 1Z 轴坐标 11 1 1 1112022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础xyzo求法
22、：定原点 建坐标 化最小整数 加 求坐标例：111X 轴坐标 0Y 轴坐标 0Z 轴坐标 10 0 1 0012022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础 求法：定原点 建坐标 化最小整数 加 求坐标例：111X 轴坐标 1Y 轴坐标 -1Z 轴坐标 11-1 10013.实际上表示所有相互平行、方向一致的晶向u v w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2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础100绘出100、晶向绘出231、晶向2312312312022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础绘出100、晶向231231绘出231、晶向技巧：技巧：当晶
23、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1002022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础求法：定原点 求截距 化最小整数 加（）取倒数例：X 轴坐标 1Y 轴坐标 1Z 轴坐标 11 1 1()1 1 12022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础2.实际上表示所有相互平行的晶面（h k l)求法：定原点 求截距 化最小整数 加（）特点：1.直接表示任意晶面 取倒数例：X 轴坐标 1Z 轴坐标 1 1()1 1 0Y 轴坐标 12022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础绘出 晶面取倒数化简2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础001 010 10011
24、0112(001)(010)(100)(110)(112)2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础001 010 100110112(001)(010)(100)(110)(112)2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础2.一个晶向指数代表一系列相互平行、方向相同的晶向晶向族：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3.一个晶向族代表一系列性质地位相同的晶向例：111=100=2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础2.一个晶面指数代表一系列相互平行的晶面晶面族：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3.一个晶面族代表一系列性
25、质地位相同的晶面例：(110)=110(111)=111 2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础指数数字相同的晶向与晶面相互垂直 仅仅 对于立方晶系而言对于立方晶系而言例：110 与(110)100 与(100)111 与(111)2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础a1a2a3c o 2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础v晶面间距越大，则该晶面上原子排列越密集v晶面间距越小，则该晶面上原子排列越稀疏2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础不同晶面原子排列密度不同不同晶面原子排列密度不同。FCC、BCC、
26、HCP的原子最密排面分别为(111)、(110)、(001)。不同晶向原子排列密度不同不同晶向原子排列密度不同。FCC、BCC、HCP的原子最密排方向分别为(111)110、(110)111、(001)001。因此，一些力学性能也不同因此，一些力学性能也不同。应用举例应用举例2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础二氧化钛纳米棒二氧化钛纳米棒2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础应用举例应用举例天然断面天然断面CaF2PbS2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础X-射线衍射射线衍射衍射条件衍射条件布拉格定律：布拉格定律：2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基
27、础X射线衍射射线衍射（110）（200）（211）衍射角2衍射线强度入射线试样2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础Chap2-3晶体缺陷晶体缺陷2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础晶体缺陷晶体缺陷实际晶体并不是完整的，含有许多缺陷。这些缺陷可分为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点缺陷、线缺线缺陷陷及及面缺陷面缺陷。“Crystals are like people,it is the defects in them which tend to make them interesting!”Colin Humphreys2022-8-4材料科学与人
28、类文明-材料结构基础缺陷与材料性能缺陷与材料性能缺陷对材料的性能有很重要的影响缺陷对材料的性能有很重要的影响!2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础点缺陷点缺陷产生原因：热运动；射线辐射；快速淬火产生原因：热运动；射线辐射；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。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。空位置换原子自间隙原子杂质间隙原子2022-8-4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平衡空位浓度热运动产生的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：可以用下式计算：)/exp(TkQNNBvsvN
29、s完整晶格中的格点数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）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，玻尔兹曼常数，1.38 10-23 J/atom-KT温度，单位温度，单位K。2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础例题例题估算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：7.4107 vacancies/cm3Cu为面心立方晶体结构2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础线缺陷线缺陷位错位错产生原因：点缺陷坍塌；应力作用下的塑性变形产生
30、原因：点缺陷坍塌；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。位错越多，其运动越困难，材料的强度、硬度越高，脆性越大。刃型位错螺型位错位错是只在位错是只在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。维尺度上尺寸很大的缺陷，由晶体中原子平面的错动引起。2022-8-4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 2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础螺型位错 位错2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础位错混合位错 2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础位错线的实验
31、观察位错线的实验观察透射电镜照片透射电镜照片2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础位错密度位错密度晶体中位错的量可以用位错线的长度来表征。晶体中位错的量可以用位错线的长度来表征。位错密度位错密度指单位体积中位错线的总长度指单位体积中位错线的总长度。退火金属中位错密度约。退火金属中位错密度约为为1010 m/m3，即每立方厘米中位错线的总长度约为，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。这个数据尽管看起来很大，实际上仍有99.999%的的金属原子在正常的晶格格点位置上。金属原子在正常的晶格格点位置上。2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基
32、础面缺陷面缺陷晶界晶粒之间的界面光学显微镜照片面缺陷包括晶界、亚晶界、相界面、表面等面缺陷包括晶界、亚晶界、相界面、表面等应用：纳米材料、晶粒细化应用：纳米材料、晶粒细化2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础体缺陷体缺陷体缺陷是三维缺陷，包括：缺陷是三维缺陷，包括：孔洞孔洞(Pores)影响材料的力学、光学、热学性能；影响材料的力学、光学、热学性能；裂纹裂纹(Cracks)影响材料的力学性能；影响材料的力学性能；夹杂夹杂(Inclusions)影响材料的力学、光学、电学性能。影响材料的力学、光学、电学性能。材料制备过程中材料制备过程中尽量避免出现体尽量避免出现体缺陷！缺陷！2022-
33、8-4材料科学与人类文明-材料结构基础Chap2-4合金基本相合金基本相2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础合金的基本相合金的基本相几个概念几个概念合金合金(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。的具有金属特性的材料。组元组元(Constituent)组成合金的最基本的独立的物质。可以是金属元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。素、非金属元素或稳定的化合物。相相(Phase)成分、结构相同，性能均一，并有界面与其它部分隔开成分、结构相同，性能均一，并有界面
34、与其它部分隔开的独立均匀的组成部分。合金中的基本相有的独立均匀的组成部分。合金中的基本相有固溶体固溶体和和中间相中间相两种。两种。组织组织(Microstructure)合金结构的微观形貌。可以是单相的，也可合金结构的微观形貌。可以是单相的，也可以是多相的。以是多相的。2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础举例举例Al-Si二元合金二元合金组元：组元：Al、Si相：相：Al(Si)、Si组织：组织：Al(Si)、Si45号钢号钢Fe-C二元合金二元合金组元：组元：Fe、C相：相：Fe(C)、Fe3C组织：铁素体（组织：铁素体（F）、珠光体（）、珠光体（P）2022-8-4材料科学与人
35、类文明-材料结构基础固溶体固溶体溶液溶液固溶体固溶体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。基础元素称为中所形成的相。基础元素称为溶剂溶剂，溶入元素称为，溶入元素称为溶质溶质。2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础固溶体的分类固溶体的分类置换固溶体置换固溶体：溶质原子取代晶格中溶剂原子原子的位置。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。形成无限固溶体的前提：溶质和溶剂金属的晶格型式相同。间隙固溶体间隙固
36、溶体：尺寸较小的溶质原子进入尺寸较小的溶质原子进入晶格空隙晶格空隙。固溶体的特点固溶体的特点（1）晶格型式同溶剂；（）晶格型式同溶剂；（2）性能和溶剂接近。）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，塑性韧性变化不大溶剂元素高，塑性韧性变化不大固溶强化固溶强化按溶质位置置换固溶体间隙固溶体按溶解度有限固溶体无限固溶体按排列方式有序固溶体无序固溶体2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础晶格中的间隙晶格中的间隙面心立方中的八面体间隙面心立方中的八面体间隙能容纳的最大球半径能容纳的最大球半径=0.
37、414R体心立方中的八面体间隙体心立方中的八面体间隙能容纳的最大球半径能容纳的最大球半径=0.154R2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础BCC铁中的铁中的C2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础中间相中间相v 组成化合物的合金元素按一定比例结合；组成化合物的合金元素按一定比例结合；v 晶格型式不同于各组成元素的晶格；晶格型式不同于各组成元素的晶格；v 结合方式：金属键和其它键（离子键、共价键、分子键）相混合；结合方式：金属键和其它键（离子键、共价键、分子键）相混合；v 化学分子式不符合化合价规律（因为结合含金属键形式）；化
38、学分子式不符合化合价规律（因为结合含金属键形式）；v 具有金属的性质，但性能和组成元素原有性能差别较大。具有金属的性质，但性能和组成元素原有性能差别较大。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，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，也称为也称为金属间化合物金属间化合物。其特点有：其特点有：2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础中间相的分类中间相的分类正常价化合物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
39、比较符合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。如化合价规律。如Mg2Sn、AuAl2、AlN、SiC、CaTe等。硬度高、脆性大。等。硬度高、脆性大。电子化合物电子化合物满足一定电子浓度值满足一定电子浓度值c时可以稳定存在的化合物。不符合化时可以稳定存在的化合物。不符合化合价规律。合价规律。c=e/a,e为价电子总数，为价电子总数，a为原子总数。为原子总数。c为为21/14，21/13，21/12时形成电子时形成电子化合物，分别标为化合物，分别标为、相。相。间隙化合物间隙化合物过渡族金属元素与小原子尺寸的非金属元素（过渡族金属元素与小原子尺寸的非金属元素（C、N、B）形成
40、的化合物。如形成的化合物。如Fe3C。2022-8-4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常见材料的组织结构2022-8-4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金属材料结构金属材料结构3层次：层次：q晶体结构：晶体结构：FCC、BCC、HCPq相结构：固溶体、中间相相结构：固溶体、中间相q组织结构：共晶组织、共析组织、非金属夹杂物等组织结构：共晶组织、共析组织、非金属夹杂物等2022-8-4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在金相显微镜下观察，可
41、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织(简称组织简称组织)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相、细片状Fe3C相相间组成1.2%C 珠光体+二次渗碳体 2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础亚共析、共析、过共析钢亚共析、共析、过共析钢Fe-0.45 CF+PFe-0.8 CPFe-1.0 CP+Cm00.772.11 wt
42、%C亚共析过共析共析2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础亚共晶、共晶、过共晶白口铁亚共晶、共晶、过共晶白口铁共晶2.114.306.67 wt%C亚共晶过共晶2022-8-4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
43、球状珠光体 2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础金属材料组织金属材料组织-性能关系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
44、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。2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础贝氏体组织贝氏体贝氏体B550 C Ms之间的转变产物。之间的转变产物。为为F和和Fe3C的两相混合组织。的两相混合组织。上上B羽毛状，硬脆的渗碳体呈细短条状分布在铁素体晶束的晶界上，容易发羽毛状，硬脆的渗碳体呈细短条状分布在铁素体晶束的晶界上，容易发生脆性断裂，强度、韧性低，无实用价值。生脆性断裂，强度、韧性低，无实用价值。下下B黑色针状，渗碳体细小弥散分布在铁素体基体上，有良好的强度韧性配黑色针状，渗碳体细小弥散分布在铁素体基体上，有良好的强度韧性配合，力学性能优
45、良。合，力学性能优良。B相变由于相变温度低，只有相变由于相变温度低，只有C原子扩散，原子扩散，Fe原子基本不扩散，是半扩散型相变。原子基本不扩散，是半扩散型相变。2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础马氏体组织马氏体组织低碳马氏体高碳马氏体马氏体（马氏体（M）温度低于温度低于Ms时的过冷奥氏体转变产物。时的过冷奥氏体转变产物。是是C原子在原子在-Fe中的过饱和固溶体。中的过饱和固溶体。低碳马氏体低碳马氏体含碳量小于含碳量小于0.25%时，马氏体呈板条状，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，有一板条内有大量位错，又称位错马氏体。硬度高，有一定韧性。定韧性。高碳
46、马氏体高碳马氏体含碳量大于含碳量大于1.0%时，马氏体呈片状，内时，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。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：马氏体相变特点：非扩散型相变，速度快；非扩散型相变，速度快；马氏体转变温度马氏体转变温度Ms随含碳量增高而降低；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相变不彻底，存在残余奥氏体。转变量随温度降低而增大。增大。Ms越低，残余奥氏体量越多；越低，残余奥氏体量越多；体积膨胀，产生很大的内应力。体积膨胀，产生很大的内应力。2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础陶瓷材料的分类陶
47、瓷材料的分类定义：定义：传统上，陶瓷材料是指硅酸盐类材料传统上，陶瓷材料是指硅酸盐类材料，如陶器和瓷器，如陶器和瓷器，也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦等；也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦等；现今意义上，现今意义上，陶瓷材料是指各种无机非金属材料的通称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）分类：通常分为玻璃、玻璃陶瓷和工程陶瓷（也叫烧结陶瓷）2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础陶瓷材料陶瓷材料玻璃玻璃工业玻璃（光学玻璃、电工玻璃、仪表玻璃）工业玻璃（光学玻璃、电工玻璃、仪表玻璃）建筑玻璃、日用玻璃（建筑玻璃、日用玻璃（无固定熔点，
48、受热软化的非晶态固体材料）无固定熔点，受热软化的非晶态固体材料）工程陶瓷工程陶瓷玻璃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耐热耐蚀微晶玻璃、光学玻璃陶瓷、无线电透明微晶玻璃普通陶瓷日用陶瓷、建筑卫生陶瓷、电器绝缘陶瓷普通陶瓷日用陶瓷、建筑卫生陶瓷、电器绝缘陶瓷 化工陶瓷、多孔陶瓷化工陶瓷、多孔陶瓷特种陶瓷电容器陶瓷、压电陶瓷、瓷性陶瓷、高温陶瓷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）、耐热陶瓷金属陶瓷结构陶瓷、工具陶瓷（硬质合金）、耐热陶瓷陶瓷的分类陶瓷的分类2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础无机非金属材料的结
49、构无机非金属材料的结构金刚石型结构：金刚石型结构：C、Si、Ge硅酸盐结构：硅酸盐结构：滑石滑石3MgO4SiO2 H2O、高岭石、高岭石 Al2O32SiO2 2H2O 玻璃结构：玻璃结构：SiO2 氧化物、非氧化物晶体结构：氧化物、非氧化物晶体结构：MgO、TiO2、Al2O3、ZnO2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础硅酸盐结构硅酸盐结构由硅氧四面体由硅氧四面体SiO4（基本结构单元）组成（基本结构单元）组成 链状：链状：SiO4共有一个氧，连接成链状，如石棉纤维共有一个氧，连接成链状，如石棉纤维 层状：层状：SiO4连接成片状，这些片叠合在一起形成层状，如滑石、黏土、云母连
50、接成片状，这些片叠合在一起形成层状，如滑石、黏土、云母 网状：以三维方向相互结合形成网状结构，如石英网状：以三维方向相互结合形成网状结构，如石英基本结构单元基本结构单元Si-O：混合键（离子键+共价键）2022-8-4材料科学与人类文明-材料结构基础玻璃结构玻璃结构玻璃：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。等。玻璃结构理论：玻璃结构理论：q无规则网络学说无规则网络学说玻璃由离子多面体（三角体玻璃由离子多面体（三角体MO或四面体或四面体MO）构成。它们之间通过公共氧（氧桥）搭桥作三维无规则连续
