材料科学基础第2章3ppt课件

1、 多晶型性指某些金属在不同温度和压力下具有不同的晶体结构。 多晶型性转变指金属在外部条件 (如 T 和 P) 改变时，其内部从一种晶体结构向另一种晶体结构的转变,又称同素异构同素异性转变例如纯铁:)()()(9121394bccFefccFebccFe 各向异性：由于在不同方向上的原子排列的紧密程各向异性：由于在不同方向上的原子排列的紧密程度不同使晶体在不同方向上的物理、化学和力学性度不同使晶体在不同方向上的物理、化学和力学性能不同。而一般整个晶体不显示各向异性，称为伪能不同。而一般整个晶体不显示各向异性，称为伪等向性。等向性。晶粒：组成晶体的结晶颗粒。晶粒：组成晶体的结晶颗粒。多晶体：凡由两

2、颗以上晶粒组成的晶体一般金属都多晶体：凡由两颗以上晶粒组成的晶体一般金属都是多晶体。是多晶体。 1.合金(alloy)-两种或两种以上的金属或金属与非金属经冶炼、烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质。组元-组成合金的基本单元。(如一元、二元、三元合金)。组元可以是金属和非金属,也可以是化合物 2. 组织(structure)-材料中的直观形貌,可以用肉眼观察到,也可以借助于放大镜、显微镜观察到的微观形貌。分为: 宏观组织:肉眼或是30倍放大镜所呈现的形貌；显微组织:显微镜观察而呈现的形貌。 3.相(phase)-合金中具有同一聚集状态,同一化学成分、同一晶体结构和性质并以界面相互隔开的均

3、匀组成部分。由不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合体。 如单相、两相、多相合金。金属及合金的组织一般应用显微镜才能看到，所以常称显微组织。置换固溶体一般在金属元素之间形成，但要有一定条件。置换固溶体一般在金属元素之间形成，但要有一定条件。 (1) (1)晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件。否则只能形成有晶体结构相同是形成无限固溶体的必要条件。否则只能形成有限固溶体。限固溶体。 (2) (2)原子尺寸在其它条件相近时原子尺寸在其它条件相近时, ,r15% r0.850.85固溶体中固溶体中溶解度较大溶解度较大, ,否则较小。否则较小。 如如: :铁基合金中，铁基合金中，r8%r8%才能形

4、成无限固溶体。才能形成无限固溶体。 铜基合金中，铜基合金中，r10%r41% r41% 或或 r r质质/r/r剂剂0.59r剂，a增大；r质r剂，a减小。间隙固溶体：a始终随溶质原子溶入而增大。(2)固溶强化：溶质原子溶入,使其硬度和强度升高。(3)物理化学性能改变。中间相是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相中间相是合金组元间发生相互作用而形成的一种新相, ,它它可以是化合物可以是化合物, ,也可以是以化合物为基的固溶体也可以是以化合物为基的固溶体( (二次固二次固溶体溶体),),一般可以用化学分子式来表示一般可以用化学分子式来表示, ,但不一定符合化合但不一定符合化合价规律。价规律。中

5、间相中原子的结合方式为金属键与其它结合键相混合中间相中原子的结合方式为金属键与其它结合键相混合的方式。它们都具有金属特性。的方式。它们都具有金属特性。中间相如：钢中中间相如：钢中Fe3CFe3C、铝铜合金中、铝铜合金中CuAlCuAl、黄铜中、黄铜中CuZnCuZn、半导体中半导体中GaAsGaAs、形状记忆合金中、形状记忆合金中NiTiNiTi和和CuZnCuZn、核反应堆、核反应堆材料中材料中Zr3AlZr3Al、储氢能源材料中、储氢能源材料中LaNi5LaNi5等。等。中间相分类：正常价化合物、电子化合物、原子尺寸有中间相分类：正常价化合物、电子化合物、原子尺寸有关化的化合物关化的化合物

6、( (间隙相、间隙化合物、间隙相、间隙化合物、TCPTCP相相) )、超结构。、超结构。 正常价化合物正常价化合物valence compoundvalence compound是一些金属与是一些金属与电负性较强的电负性较强的AA、AA、AA族的一些元素按照化学上的族的一些元素按照化学上的原子价规律所形成的化合物。其特点是符合化合物规律。原子价规律所形成的化合物。其特点是符合化合物规律。具有严格的化合比、成分固定不变，成分可用化学式表具有严格的化合比、成分固定不变，成分可用化学式表示示, ,一般为一般为ABAB型、型、AB2AB2型或型或A2BA2B型、型、A3B2A3B2型。型。 正常价化合

7、物的晶体结构通常对应于同类分子式的正常价化合物的晶体结构通常对应于同类分子式的离子化合物结构。例如离子化合物结构。例如:A2B:A2B型型 Mg2Pb Mg2Sn Mg2Ge Mg2Pb Mg2Sn Mg2Ge Mg2Si ABMg2Si AB型型 MgS MnS FeS MgS MnS FeS 正常价化合物在常温时有很高的硬度和脆性。在工正常价化合物在常温时有很高的硬度和脆性。在工业合金中业合金中, ,能起到提高材料强度和硬度的作用能起到提高材料强度和硬度的作用, ,称为强化称为强化相。如相。如AlAlMgMgSiSi合金中合金中Mg2SiMg2Si；但有时也是有害相；但有时也是有害相, ,

8、如如钢中钢中FeSFeS会引起钢的脆性。会引起钢的脆性。 电子价化合物电子价化合物electron compoundelectron compound是由是由BB族族CuCu、AuAu、AgAg或过或过 渡族金属渡族金属FeFe、CoCo、NiNi与与BB、AA、AA族元素形成的金属化合物。电子价化合物的特点是不遵循族元素形成的金属化合物。电子价化合物的特点是不遵循原子价规律、电子浓度是决定其晶体结构的主要因素。电原子价规律、电子浓度是决定其晶体结构的主要因素。电子浓度相同子浓度相同, ,相的晶体结构类型相同。相的晶体结构类型相同。 电子浓度电子浓度 = = （化合物元素价电子总数（化合物元素

9、价电子总数 / / 化合物原化合物原子数）子数） 注注: :计算时过渡族元素时价电子数视为计算时过渡族元素时价电子数视为0 0。 电子浓度、相、结构对应关系如下：电子浓度、相、结构对应关系如下： C C电子电子=7/4=7/4即即21/1221/12） 密排六方结构密排六方结构 C C电子电子=21/13 =21/13 复杂立方结构复杂立方结构 C C电子电子=3/2=3/2即即21/1421/14） 体心立方结构体心立方结构 Mn Mn 复杂立方或密排六方结构复杂立方或密排六方结构 电子价化合物具有金属特性电子价化合物具有金属特性, ,具有高熔点、高硬度但塑具有高熔点、高硬度但塑性低性低,

10、,与固溶体适当搭配使合金得到强化与固溶体适当搭配使合金得到强化, ,作为非作为非FeFe合金中合金中重要组成相。重要组成相。 超结构super structure/lattice类型： 有序化条件：异类原子之间的相互吸引大于同类原子间 有序化影响因素： （参考教材（参考教材P50 P51P50 P51）v4.4.配位数配位数CN(coordination number) CN(coordination number) ：与某一离子邻接：与某一离子邻接的异号离子的数目。取决于正负离子的半径比的异号离子的数目。取决于正负离子的半径比R+/RR+/R，常见的是常见的是4 4、6 6、8 8， 不同配

11、位数时，离子半径间关系为：不同配位数时，离子半径间关系为：v 0.97 CN=8CN=61.1CN=4 0.97 CN=8CN=61.1CN=4 v5.5.负离子配位多面体：离子晶体中与某一正离子成配位负离子配位多面体：离子晶体中与某一正离子成配位关系而邻接的各负离子中心线所构成的多面体。关系而邻接的各负离子中心线所构成的多面体。v6.6.离子晶体的特点：离子键、硬度高、强度大、熔点高、离子晶体的特点：离子键、硬度高、强度大、熔点高、等。典型的离子晶体是无色透明的。等。典型的离子晶体是无色透明的。1. 1. 负离子配位多面体规则负离子配位多面体规则 这一规则符合最小这一规则符合最小内能原理内能

12、原理2. 2. 电价规则电价规则3. 3. 负离子多面体共用顶、棱、面的规则负离子多面体共用顶、棱、面的规则 共用点、共用点、棱、面棱、面, ,会降低结构稳定性会降低结构稳定性4. 4. 不同种类正离子多面体间连接规则不同种类正离子多面体间连接规则 电价高、电价高、配位数低的正离子配位多面体之间有尽量互不结配位数低的正离子配位多面体之间有尽量互不结合的趋势合的趋势. .5. 5. 节约规则节约规则 同种正离子和同种负离子的结合方同种正离子和同种负离子的结合方式应最大限度地趋于一致式应最大限度地趋于一致. .1.1. ABAB型型 (1) CsCl (1) CsCl型型 (2) NaCl (2)

13、 NaCl型型 (3) (3) 立方立方ZNS(ZNS(闪铝矿闪铝矿) )型：型： (4) (4) 六方六方ZNS(ZNS(纤锌矿纤锌矿) )型：型：2. AB22. AB2型型(1) CaF2(1) CaF2(萤石型萤石型) ) (2) TiO2( (2) TiO2(金红石金红石) )型型 (3) (3)SiO2(SiO2(方晶石方晶石. .方石英方石英) )型型3. A2B33. A2B3型型 Al2O3 Al2O34. ABO34. ABO3型型(1) CaTiO3(1) CaTiO3(钙钛矿、灰钛矿钙钛矿、灰钛矿) )型型 (2) CaCO3( (2) CaCO3(方解石方解石) )型

14、、三方晶系型、三方晶系5. AB2O45. AB2O4型型 尖晶石尖晶石(MgAl2O4)(MgAl2O4)v1. 1. 氧化镁氧化镁MgOMgO与氯化钠与氯化钠NaClNaCl具有相同结具有相同结构。已知构。已知MgMg离子半径，氧的离子半径。求离子半径，氧的离子半径。求(1) (1) MgOMgO的晶格常数；的晶格常数；(2) MgO(2) MgO的密度？的密度？ （Ar(Mg)=24.31Ar(Mg)=24.31，Ar(O)=16.00Ar(O)=16.00）v2. 2. 共价键结合的原子其最大的共价键结合的原子其最大的CNCN是由此原子所是由此原子所具有的价电子数决定；而离子键结合的原

15、子其最具有的价电子数决定；而离子键结合的原子其最大配位数则受其离子半径比的限制。试证明当大配位数则受其离子半径比的限制。试证明当CN=6CN=6时，其最小的半径比为时，其最小的半径比为0.410.41。v3. 3. 假设高压时，可将假设高压时，可将NaClNaCl强迫变成强迫变成CsClCsCl型结构，型结构，试问体积改变的百分比为多少？（已知试问体积改变的百分比为多少？（已知CN=6CN=6时，）时，）硅酸盐的结构组成：硅氧骨干一硅和氧按不同比例组成的负离子团、硅氧骨干以外的正离子和负离子。硅酸盐晶体的结构特点：(1)构成的基本结构单元是由Si和O组成的SiO44-四面体。(2)每个O最多只

16、能为两个SiO44-四面体所(3)SiO4四面体中未饱和的O和金属正离子结合后，可以独立地在结构中存在，也可以通过SiO44-共用四面体顶点连接成单链、双链或成层状、网状等复杂结构,但不能共棱和共面。同一类硅酸盐中,SiO44-四面体连接方式只有一种。(4)SiO44-中SiOSi结合键不是一条直线,呈145夹角。按按SiO44-的不同结合的不同结合,将硅酸盐分为：将硅酸盐分为：1.孤岛状硅酸盐孤岛状硅酸盐 SiO44-以孤立状存在。以孤立状存在。2.组群状硅酸盐组群状硅酸盐 由由SiO44-通过共用氧通过共用氧(桥氧桥氧)相生成相生成2、3、4或者说或者说个硅氧组群。个硅氧组群。3.链状硅酸

17、盐链状硅酸盐 由由SiO44-通过桥氧的连接在一维方向伸长成单链或通过桥氧的连接在一维方向伸长成单链或双链、链与链间为正离子链结。双链、链与链间为正离子链结。4.层状硅酸盐层状硅酸盐 由由SiO44-四面体某个面在平面内以共用顶点的方式四面体某个面在平面内以共用顶点的方式连接成六角对称的二维结构连接成六角对称的二维结构,多为二节单层。当活性氧与其它负离子多为二节单层。当活性氧与其它负离子一起与金属正离子组成八面体层一起与金属正离子组成八面体层,就与四面体构成双层结构。就与四面体构成双层结构。5.骨架状硅酸盐骨架状硅酸盐 由由SiO44-四面体连成无限六元环状四面体连成无限六元环状,层中未饱合和层中未饱合和交替指向上或向下交替指向上或向下,把这样的层叠置起来使两个为一个公共氧所代替。把这样的层叠置起来使两个为一个公共氧所代替。聚合物聚集态结构是在分子间力作用下大分子相互聚合物聚集态结构是在分子间力作用下大分子相互敛聚在一起形成的组织结构。聚集态结构分为晶敛聚在一起形成的组织结构。聚集态结构分为晶态结构和非晶态结构态结构和非晶态结构聚合物聚集态特点：聚合物聚集态特点： (1) (1)聚合物