第02周：教学内容：稀土元素的结构特点：详述稀土元素在周期表中位置及电子层结构特点、价态；
稀土元素的材料性能与物理化学性质
1.简述稀土元素的材料性能；
2.详述稀土元素的物理与化学性质；
教学要求：熟悉并重点掌握稀土元素在周期表中位置及电子层结构特点、价态；
稀土元素的物理与化学性质。
第2章稀土元素的结构特征与材料性能
§1 稀土元素的结构特点
一.稀土元素在元素周期表中的位置
稀土元素在元素周期表中的第六周期的ⅢB族中。镧和铈→镥(Lu)的15个镧系元素在同一格内。显然,从镧—→镥这15个元素的性质极为相似。由于第五周期ⅢB族中的钇原子半径接近于镧并且在镧系元素离子半径递减顺序中间，使得钇和镧系元素的化学性质相似。由于稀土元素在周期表中的这种特殊位置，使得镧系元素的电子能级和离子半径呈现出微小连续变化而具有许多特性。
二.基态原子的电子排布
当原子处在基态时,核外电子排布必须遵循下述三个原则：
1.泡里(Pauli)不相容原理：即一个原子轨道最多只能排2个电子,而且这两个电子的自旋方向必须相反。
2.能量最低原理：在不违背泡里(Pauli)不相容原理的条件下,电子优先占据能态较低的原子轨道,使整个原子体系的能量处于最低。
3.洪特(Hund)规则：在能级高低相等的轨道上,电子尽可能分占不同的轨道。作为洪特(Hund)规则的特例,能级高低相等的轨道上全空、半空半满和全满的状态是比较稳定的。
ⅠA~ⅡA ⅢA ~ⅦA ⅢB ~ⅦB 錒系Ac 周期
ⅠB~ⅡB 镧系Ln
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7s 7p 7
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6s 6p 6d 6
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5s 5p 5d 5f 5
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4s 4p 4d 4f 4
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3s 3p 3d 3
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2s 2p 2
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1s 1
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图2~1原子核外电子填充次序图
根据上述原则,基态原子的电子在原子轨道中填充排布的顺序是：
1S2；2S2；2P6,3S2；3P6,4S2；3d10,4P6,5S2；4d10,5P6,6S2；4f14,5d10,6P6,7S2；5f14,6d10,7P6…。
例如：原子序数Z=26的铁(Fe)原子就可以简便地写出：
Fe26：1S2；2S2；2P6,3S2；3P6,4S2；3d6或[Ar] 4S2；3d 6。而Fe n+可写出：
Fe2+26：1S2；2S2；2P6,3S2；3P6,3d6；Fe3+26：1S2；2S2；2P6,3S2；3P6,3d5
三.稀土元素的电子层结构特点与价态
1.稀土原子和离子的电子组态：
钇(Y)原子的电子组态：
Y39：1S22S22P63S23P63d104S24P64d15S2；
镧(Ln)系原子的电子组态：
Ln57~71：1S22S22P63S23P63d104S24P64d104f 0?145S25P65d 0?16S2。
或者写成：[Xe]4f n5d m6S2。[Xe]是氙的电子组态,n=0~14,m=0和1。
15种镧系元素原子的结构特点是：原子最外层电子已填充到6S2；次外层的5S25P6也填满；而5d层是全空或者只有一个电子。处于内层的4f(倒数第三层)轨道上的电子数是从0—→14，16种稀土元素的原子最外两层电子结构相似。都是：(n?1)S2,(n?1)P6,(n?1)d0?1,(nS)2。
对镧系元素,因5d和4f轨道能级的能量相近,5d轨道全空或只有1个电子。
由洪特规则的特例可知：等价轨道在全满、半满或者全空时,其状态是稳定的。因此,对于57号镧元素的价电子层结构不是4f 16S2,而是4f05d16S2；64号钆元素的价电子层结构不是4f86S2,而是4f 75d16S2；对71号镥元素的4f轨道已填满,余下一个电子应填充到5d轨道上去。
因此,镥元素的价电子层结构是4f145d16S2。而58号铈元素则是个例外。它的价电子层结构不是4f 26S2,而是4f 15d16S2。
因此,镧系元素中,除镧、铈、钆、镥四个元素在5d轨道上各有一个电子外，其它的镧系元素的外层和次外层的电子层结构都相同。而进入4f层的电子由于受到6S2、5S25P6的屏蔽作用,使4f电子对镧系元素的化学性质影响不大,4f轨道与5d轨道的能量相近。
对基态价电子层结构无论是4f n5d16S2,还是4f n+15d06S2,对镧系元素的化学性质影响较小。稀土元素的最外层和次外层电子层结构基本相同是稀土元素的物理化学性质相似的原因之一。
2.稀土元素的价态
稀土元素的原子半径较大,容易失去外层2个6S电子和次外层5d轨道上一个电子或者4f 层上一个电子而成为三价稀土(RE3+)离子。这是稀土元素的特征氧化态。三价稀土(RE3+)离子的基态电子组态是：[Xe]4f n(n=0~14)。
由元素的光谱学的洪特规则可知：原子或离子的电子层结构中,当同一亚层处于全空、半空或全满状态时较稳定的。所以,在4f亚层中处于[4f]的镧(La3+)离子、[4f]的钆(Gd3+)离子和[4f]的镥(Lu3+)离子是比较稳定的。
因此,在它们左侧的铈(Ce3+)离子、镨(Pr3+)离子和铽(Tb3+)离子要比稳定状态时多一个或二个电子,它们可以氧化成化合价为4价的稀土离子(RE4+)；在它们右侧的钐(Sm3+)、铕(Eu3+)和镱(Yb3+)要比稳定状态时少一个或二个电子,它们可还原成化合价为二价的稀土离子。
如果把镧系元素这些不正常价态按原子序数排列后,就可以明显看出：以钆(Gd)元素为界线,可以将镧(Ln)系元素分成两组。
在每组靠近前面的元素,例如：铈(Ce)和铽(Tb)元素能够生成4价的稀土离子(RE4+)；靠近末端的元素如：铕(Eu)和镱(Yb)元素能够生成二价的稀土离子(RE2+)。不正常的价态呈现周期性变化。如下图所示：
RE4+
RE3+●—●—●—●—●—●—●—●—●—●—●—●—●—●—●
RE2+La Ce Pr Nd Pm Sm Eu Gd Tb Dy Ho Er Tm Yb Lu
图2~2 镧（Ln）系元素氧化态变化状态图解
三价稀土离子的变价实质上是获得或失去电子的过程。其变价的难易程度和电负性、电荷迁移能量和标准还原电极电位有关。从标准还原电极电位来看，形成4价稀土离子和二价稀土离子的倾向按下列顺序递减：
RE4+：Ce4+/Ce3+＞Tb4+/Tb3+＞Pr4+/Pr3+＞Nd4+/Nd3+＞Dy4+/Dy3+；
RE2+：Eu3+/Eu2+＞Yb3+/ Yb2+＞Sm3+/Sm2+＞Tm3+/Tm2+。
近十几年来，对于稀土元素的反常价态的研究又有一些新的发现：
(1)随着新的氧化—还原方法的发现和应用,具有反常价态的稀土元素的数量有所扩充。
例如：使用高温氟化法制备获得的Ce4+、Pr4+、Tb4+、Dy4+的化合物。CeF4、Na7Pr6F31、Ca3PrF9、M2PrF6,(M=Na、K、Rb、Cs等IA族元素）；在Na2O2中氧化Tb4O7得到NaTbO3。在二价稀土(RE2+)离子化合物中应用汞阴极电极电解法可以制得除Sm、Eu、Yb外的二价稀土(RE2+)离子化合物。共有La2+、Ce2+、Nd2+、Pm2+、Y2+、Er2+、Lu2+等7个。
(2)对二价稀土(RE2+)离子激光器的研究而采用γ辐射,中子或X射线照射的方法,可以使所有的稀土元素在碱土金属卤化物单晶(CaF2、SrF2)中的离子还原成二价稀土(RE2+)离子。
原因是当X射线照射到含有三价稀土(RE3+)离子的CaF2晶体,可以在晶体中引起电离,所产生的电子被三价稀土(RE3+)离子吸收后而还原成二价稀土(RE2+)离子。
(3)所有的镧(Ln)系元素可以生成1:1的硫属化合物RES、RESe、RETe。表面上稀土元素都是二价。但是,实际上除Eu、Yb、Sm及TmTe中的Tm确是二价外,其余的稀土元素实际上是三价稀土(RE3+)离子。
例如：硫化镧(LaS)是三价镧(La3+)离子与S2－和一个在5d6S能带中的传导电子组成的晶体。具有金属的导电性能。由于三价稀土(RE3+)离子的半径小于二价稀土(RE2+)离子的半径,所以晶格常数较小。但硫化钐(SmS)却是由二价钐(Sm2+)离子和硫(S2－)离子构成的离子晶体,具有半导体性能,晶格常数大于硫化镧(LaS)。
§2 稀土元素的材料性能和物理化学性质
一.稀土金属晶体的结构
晶体的构型、硬度、密度和熔点决定于构成晶体的原子半径与离子半径。常温常压下,稀土金属有四种晶体结构：
1.六方体心结构：钇(Y)、钆(Gd)等多数重稀土金属就属于这种结构。
2.立方面心结构：铈(Ce)、镱(Yb)属于这种结构。
3.六方结构：镧(La)、镨(Pr)、钕(Nd)、钷(Pm)属于这种结构。
4.斜方结构：钐(Sm)等属于这种结构。
当温度、压力发生变化时,大多数的稀土金属的晶型随着发生转变。稀土元素的原子半径从镧到镥之间是在(La)187.9pm~173.5pm(Lu),而铁(Fe)的原子半径是117.0pm；稀土离子半径从La3+到Lu3+是在106.0pm~85.0pm。而Fe3+、Co2+、Mn2+、Al3+等金属离子半径分别为(Fe3+)60.0pm、(Co2+)72.0pm、(Mn2+)80.0pm、(Al3+)50.0pm。
由形成固溶体的离子尺寸因素可以推知：|(r a－r b)/r a|＝0~30%。它们的离子半径比值大多数在30%的附近。所以,稀土金属在过渡金属中的固溶度是极低的。基本上是不形成固溶体。但是,它能够形成一系列的金属间化合物。在稀土~铁(RE~Fe)相图中的富铁一端形成2:17型、1:2型等金属间化合物；在稀土~钴(RE~Co)和稀土~镍(RE~Ni)的相图中形成1:5型金属间化合物。这些金属间化合物具有特殊的物理性能,经过一定的工艺处理可以制的稀土永磁材料。
例如：钐钴(SmCo5)永磁材料；镧镍(LaNi5)贮氢材料；磁致(SmFe2)、(TbCoFe2)伸缩材料等功能材料。利用稀土元素原子半径大的特点，在冶金过程中加入适量的稀土元素，使金属材料的塑性、耐磨性和抗腐蚀性能得到提高。
二.稀土元素的物理性能
稀土金属除镨(Pr)、钕(Nd)为淡黄色外,其余均是有光泽的银白色金属。容易氧化而呈现暗灰色。稀土金属具有良好的延展性,可拉丝,可碾压成薄板。
1.稀土元素的熔点、沸点和升华热：
稀土金属的熔点很高。一般来说,是随原子序数的增加而升高。但是，铕(Eu)和镱(Yb)的熔点却反常偏低,沸点和升华热与原子序数的关系也不规则。镧、铥(Tm)不和汞(Hg)生成汞齐；钇很难与汞(Hg)生成汞齐；其余的稀土金属能和汞(Hg)生成汞齐。
2.稀土元素的电学性质：
稀土金属的电阻率都较高。除镱(Yb)以外,其余的电阻率在50~130μΩ/cm左右。比铝(Al)、铜(Cu)的电阻率要高1~2个数量级,并且有正温度系数的性能。其中镧在热力学温度附近(4.6K)时有超导现象存在。
3.稀土元素的光谱特性
⑴稀土元素具有未充满的4f壳层和4f电子被5S25P6电子屏蔽的特性。使得稀土元素具有极其复杂的类线性光谱。f轨道的轨道量子数l＝3；磁量子数m l有±3、±2、±1和0一共7个子轨道。
根据泡里不相容原理，镧系三价稀土(RE3+)离子的4f轨道中一共可以容纳：
n＝2×(2l+1)＝14个电子。l＝0,1,2,3。
当4f电子依次填入不同的m l值的子轨道中时,组成不同的镧系离子基态的总轨道量子数L；总自旋量子数S；总角动量量子数J和基态光谱项L。总自旋量子数S随原子序数的变化是属于转折性变化。总轨道量子数L和总角动量量子数J随原子序数的变化是属于周期性变化。
总轨道量子数L和4f 中的电子数n表现为下述非线性关系：
当0≤n＜7时：L＝－1/2n(n－7)；
当8≤n＜14时：L＝－1/2(n－7)(n－14)。
J＝L±S是离子的总内量子数。
对于从三价镧离子——→三价铕离子(La3+—→Eu3+)的前7个稀土(RE3+)离子,J＝L－S；对于从三价钆离子—→镥离子(Gd3+—→Lu3+)的后8个稀土(RE3+)离子,J＝L＋S。根据各个稀土离子的L值的不同,可以用相应的符号来表示。
既：L＝0 1 2 3 4 5 6分别用符号表示为：
S P D F G H I
符号：2S+1L J的左上角数字表示光谱项的多重性,右下角的数字表示内量子数J。
例如：三价钬(Ho3+)离子,4f层有10个电子,则总轨道量子数L＝6,用英文字母Ｉ表示。而总自旋量子数：S＝|1/2|×4＝2,则：2S＋1＝5，J＝L＋S＝6＋2＝8。
所以三价钬(Ho3+)离子的基态光谱项用5I8表示。
光谱学研究表明：在Ln系离子的能级图中,钆以前的轻Ln元素的光谱项的J值是从小到大向上顺序排列，钆以后的重Ln元素的J值是从大到小向上反序排列。
⑵除镧和镥离子4f亚层为全空或全满以外,其它稀土元素的4f电子可以在7个4f轨道中任意分配布置,产生各种光谱项和能级,能级数量极大。但是,各个能级之间的跃迁受到光谱选律的限制。实际能观察到的光谱谱线不会多到无法估计。稀土元素的电子能级和谱线比一般化学元素要更加多种多样。稀土元素可以吸收或发射从紫外光线、可见光到红外光线区的各种波长的电磁辐射。
⑶三价稀土(RE3+)离子的电子能级多样性的另一个特征是：有些激发态的平均寿命长达10－2~10－6秒。比一般原子或离子的激发态平均寿命10－8~10－10秒要长得多。这种长寿命的激发态就叫亚稳态。
⑷稀土元素化合物的吸收光谱和自由离子的吸收光谱一样都是线状光谱。三价稀土(RE3+)离子的吸收光谱、反射光谱和荧光光谱都是4f亚层电子在f~f组内或f~d组态之间的跃迁。许多稀土化合物广泛应用于激光和发光材料、陶瓷和玻璃等工业领域。它们的发光机理在后续内容中作介绍。
4.稀土元素的磁学性质：
物质的磁性是来自于物质内部的电子和核的电性质。核的磁效应约比电子的磁效应小1000倍,因此在讨论中忽略不计。但是,不能说核的磁效应没有化学意义。原子、离子或分子的电子磁效应来自于电子的轨道运动和自旋运动。它们的磁性是轨道磁性和自旋磁性的某种组合。而轨道磁性由轨道角动量决定,自旋磁性由自旋角动量产生的。所以,原子或离子的磁性决定于它们的总轨道角动量L、总自旋角动量S和由它们组合的整个原子或离子的总角动量J。它们的磁矩可以由下列公式来表征：
μeff＝g√J(J+1)μB；g是兰德尔(Lande)因子。其值为：
g＝1＋｛［J(J+1)+S(S+1)－L(L+1)]/[2J(J+1)］｝
μB是玻耳磁子(Bohr)，用B·M表示；μB＝1.0 B·M
1μB＝[eh/4πmc]≈9.274×10－21erg/G＝9.274×10－21A·m2/mol
在某些原子或离子中,当电子的轨道~自旋偶合基本上可以忽略时,原子或离子的有效磁矩可以用：μL+S＝√L(L+1)+4S(S+1)μB表示。
对于一些d区过渡元素原子或离子的有效磁矩更符合纯自旋磁矩：
μs＝√4S(S+1)μB。但是,由于稀土元素的原子或离子的轨道~自旋较大。因此,常温下,所有的原子或离子实际上是处于多重态的基态上,因而它们的有效磁矩要求由公式：μeff＝g√J(J+1)μB来计算。
除三价钐(Sm3+)离子和铕(Eu3+)离子以外,其它的稀土元素的实验测定数据与由公式：μeff＝g √J(J+1)μB的计算结果基本上是一致的。
例：计算镨离子Pr3+(4f 2)的3H4和铒离子Er3+(4f 11)的4I15/2理论磁矩。
解：对于Pr3+(4f 2)，其基支光谱项为3H4。则：J=4，S=1，L=5。
∴g＝1+｛[J(J+1)+S(S+1)－L(L+1)]/[2J(J+1)]｝
＝1+｛[4×(4+1)+1×(1+1)－5×(5+1)/[2×4×(4+1)]]＝4/5
μeff =g√J(J+1)＝0.8×√4×(4+1)＝3.58(μB)
对于Er3+(4f 11),其基支光谱项为4I15/2。则：J=15/2，S=3/2，L=6。
∴g＝1+{[J(J+1)+S(S+1)－L(L+1)]/2J(J+1)}
＝1+{[15/2×(15/2+1)+3/2×(3/2+1)-6×(6+1)]/[2×15/2(15/2+1)]}＝6/5
μeff＝g√J(J+1)＝1.2×√15/2×(15/2+1)＝9.58(μB)
三价钐(Sm3+)和铕(Eu3+)离子的实验磁矩值大于它们的基态理论磁矩值。其原因如下：
⑴体系的离子在不同能态上的分布是服从玻尔兹曼分布规律。当离子的基态能量与低激发态能量相差不大时,体系中的离子虽然大部分都处于基态,但也有部分离子处于低激发态,因而是由离子在基态的J值来计算磁矩而与实验测定数据有偏差。当离子的基态能量与低激发态能量相差较大时,可以粗略地认为体系的离子基本上处于基态。
根据基态的J值计算得到的理论磁矩值与实验测定值基本相符。钐(Sm3+)和铕(Eu3+)离子的基态6H5/2和7F0与低激发态8H7/2和7F1，2，3的能量差值较小。即使在常温下,体系的离子也可能部分的处于8H7/2和7F1，2，3的低激发态上,所以实验测定值与单纯基态J值计算的磁矩理论值就明显不一致。
⑵上述磁矩计算公式仅适用于相邻J能级间距＞KT时,可以忽略J能级间的相互作用。离子在磁场作用下,J能态能级的变化仅产生一级塞曼(Zeemanm)效应。对于J能级间距较大的某些离子忽略J能级间作用时是服从上述磁矩计算公式,其理论值与实验测定值是基本相符。但是,三价钐(Sm3+)和铕(Eu3+)离子的基态J能级与最低激发态能级间距较小,由于J能级间的相互作用,它们的磁矩不服从上述磁矩计算公式。这就造成三价钐(Sm3+)和铕(Eu3+)离子磁矩的基态理论值与实验测定值有较大的误差。
物质的磁行为大致分为顺磁性、抗磁性、铁磁性和反铁磁性等四类。
三价稀土(RE3+)离子的电子结构决定了它们的磁性有如下特点：
⑴除镧、镥、钇外，其它的三价稀土(RE3+)离子都含有成单电子,它们都有顺磁性。大多数三价稀土(RE3+)离子的磁矩比d~过渡元素离子的磁矩大。
⑵三价稀土(RE3+)离子不同于d~过渡元素离子,它们的磁矩决定于基态J值的大小,在镧系元素中,磁矩随基态J的变化而变化。
在磁矩与原子序数的关系中出现两个峰,峰的位置在镨、钕(Nd)和镝(Dy)、钬(Ho)处。
⑶化合物中三价稀土(RE3+)离子的磁矩受环境影响较小,基本上和三价稀土(RE3+)离子的理论磁矩值接近。这是由于三价稀土(RE3+)离子的成单电子处于离子的内层4f壳层中,受到5S25P6壳层对环境的屏蔽,因此，受环境的影响小，使得化合物磁矩与三价稀土(RE3+)离子的理论磁矩值基本一致。
表2~1稀土元素3价离子基态电子配布及磁性能
元4f 4f轨道的磁量子数总角总自总内磁矩/A·m2基态
素电 3 2 1 0 –1 –2 –3 量子旋量量子理论值实测值光谱项
离子数子数数
子数L S J
J=L-S
La3+0 0 0 0 0 0.49 1S0
Ce3+ 1 ↑ 3 1/2 5/2 2.54 2.51 2F5/2
Pr3+ 2 ↑↑ 5 1 4 3.58 3.56 3H4
Nd3+ 3 ↑↑↑ 6 3/2 9/2 3.62 3.0 4I9/2
Pm3+ 4 ↑↑↑↑ 6 2 4 3.68 5I4
Sm3+ 5 ↑↑↑↑↑ 5 5/2 5/2 0.84 1.74 6H5/2
Eu3+ 6 ↑↑↑↑↑↑ 3 3 0 0 7.12 7F0
J=L+S
Gd3+7 ↑↑↑↑↑↑↑ 0 7/2 7/2 7.94 7.98 8S7/2
Tb3+8 ↑↓↑↑↑↑↑↑ 3 3 6 9.72 9.77 7F6
Dy3+ 9 ↑↓↑↓↑↑↑↑↑ 5 5/2 15/2 10.6 10.67 6H15/2
Ho3+ 10↑↓↑↓↑↓↑↑↑↑ 6 2 8 10.6 10.8 5I8
Er3+ 11 ↑↓↑↑↑↓↑↓↑↑↑ 6 3/2 15/2 9.6 9.8 4I15/2
Tm3+ 12 ↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↑ 5 1 6 7.6 7.6 3H6
Yb3+ 13 ↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑ 3 1/2 7/2 4.54 4.5 2F7/2
Lu3+ 14 ↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓↑↓ 0 0 0 0 0.21 1S0
Y 3+0 0 0 0 1.34 1S0
Sc3+0 0 0 0 1.67 1S0
二.稀土元素的化学性质
1.稀土元素的活泼性
稀土元素是典型的金属元素。其化学活泼性弱于碱金属和碱土金属。但是比其它的金属元素都活泼,17种稀土元素中,其金属活泼性的排列次序是：
Sc＜Y＜La和La＞Ce＞Pr＞Nd＞*Pm＞Sm＞Eu＞Gd＞Tb＞Dy＞Ho＞Er＞Tm＞Yb＞Lu 镧元素最活泼。稀土元素在空气中的稳定性随原子序数的增加而渐渐趋于稳定。因此,稀土金属必须保存在煤油中,一旦接触潮湿的空气就易氧化而变质(色)。
稀土金属是强还原剂。其氧化物的生成热高于氧化铝(Al2O3)的生成热。混合稀土金属能将铁(Fe)、钴(Co)、镍(Ni)、铬(Cr)、钒(V)、铌(Nb)、钽(Ta)、钛(Ti)、锆(Zr)、硅(Si)等元素的氧化物还原成金属。在黑色冶金中是良好的脱硫脱氧添加剂。稀土金属能够分解水。冷水中反应较慢,热水中反应快,放出氢气(H2g)：
RE＋H2O—→H2(g)↑＋RE(OH)2↓；RE(OH)2—→RE2O3↓＋H2O
稀土金属溶解于稀强酸。如：盐酸、硝酸、硫酸,生成相应的盐。但难溶于浓硫酸。微溶于氢氟酸、磷酸(H3PO4),并形成难溶盐覆盖在金属的表面而阻止化学反应继续进行。
2.稀土金属的氧化~还原性
当稀土元素的4f层电子在全空、半空和全满时是稳定的。因此,其稳定性是：Ce4+＞Pr4+；Eu3+＞Sm3+。三价稀土离子的氧化~还原性与溶液中的酸度(pH值)有关,并受介质中的阴离子的影响。(与化学平衡有关)
3.稀土元素的酸碱性
镧系元素的碱性是随原子序数的增加而渐趋减弱。
其中镧元素的碱性最强。轻稀土的氢氧化物的碱性稍弱于碱土金属氢氧化物。因此,乙酸等有机酸可以溶解轻稀土氧化物,但不能溶解重稀土氧化物。而铵盐能够溶解稀土氧化物。
RE2O3＋6NH4Cl——→2RECl3＋6NH3＋3H2O
从镧—→镥,由于离子半径逐渐变小而导致碱性逐渐减弱。四价的氢氧化稀土[RE(OH)4]的碱性强于三价的氢氧化稀土[RE(OH)3],但碱性最强的是二价的氢氧化稀土[RE(OH)2]。
§3稀土元素的材料学性能
一.稀土金属的力学性能
稀土金属的力学性能受晶体结构、晶粒大小及取向、杂质含量、生产工艺等因素的影响。这类性能包括硬度、强度和塑性。
1.稀土金属的硬度
稀土金属的硬度测定是测定稀土金属力学性能最经济而简便的方法,它能够迅速得出稀土金属组织及其加工变形能力的信息。稀土金属的硬度不大，铕和镱的硬度值最低,和碱土金属钙、锶相近。镧、铈、钕属于比较软的金属,与锡相似。钪、钇、铒、镥的硬度值最大,其余金属的稀土金属的硬度值为HB35~55。稀土金属的硬度值,随其纯度的不同而变化。纯度越高的金属硬度值越低，硬度值往往是纯度的标志。一般情况下，经过冷加工之后,稀土金属的硬度都会增加。
2.稀土金属的强度与塑性
稀土金属的拉伸强度σb和屈服强度σ0.2差别很大,轻稀土金属的强度较低，重稀土金属(除镱外)的强度高,几乎是轻稀土金属的2倍。温度对稀土金属的强度与塑性有着重要的影响,总的趋势是随着温度的升高,塑性增加,强度下降。不同的金属在不同的温区时,当温度升高时,可能会出现塑性下降或强度上升的现象,这主要是由于晶体变形方式的改变而引起应变时效的结果。某些金属的多晶转变也会引起力学性能随温度变化规律的改变。
稀土金属具有延展性，而以铈为最好,例如：铈可以拉成金属丝,又可压成薄板。
二.稀土金属的工艺学性能
1.稀土金属的铸造性
铸造性是指金属能否用铸造方法制成优良铸件的性能,它包括流动性、冷却时收缩性和偏析倾向等。熔融稀土金属流动性比较好,铸造比较方便。
2.稀土金属的锻压性
锻压性是指金属能否用锻压方法制成优良铸件或轧件的性能，稀土金属锭可通过不同的加工方法制成板材、棒材,但在室温下进行压力加工稀土金属发生很大的冷作硬化,消除它的办法是进行退火。稀土金属具有良好的热加工性金属可以焊接。但它们容易氧化,故影响其焊接性。
4.切削加工性
切削加工性是金属材料是否易被刀具切削的性能。在对稀土金属进行切削加工时，主要困难是在于它的发火性，产生的小切屑有产生燃烧的危险。所以要低速切削，用油冷却工作；最大限度增大切屑尺寸，切屑及时收集装入油内。
§4 稀土元素特征的材料学应用
稀土元素特殊的电子层结构、物理特性、化学特性及材料学特性的材料学应用可划分为几个大的范畴。
(1)稀土元素具有相似且异常活泼的化学性质，极易同氧、氢、硫、氮等作用生成相应的稳定化合物，稀土金属可用作还原剂，在冶金工业中作脱氧剂和脱硫剂；稀土金属(铈等)的燃点低，并在燃烧时放出大量的热，利用这一特性可制造打火石和军用发火合金材料。
(2)稀土元素易与过渡金属元素形成金属间化合物，例如钐钴合金和钕铁硼合金等是优良的永磁材料；LaNis合金和La2Mgl5Ni2合金在空温和0.2-0.3MPa下能吸收大量的氢气，而且吸氢和放氢是可逆的，是很好的储氢材料。
(3)稀土元素大多都具有内层未充满的4f电子轨道及4f电子与其它层电子能级变化的性质，使高纯单一稀土元素和化合物可以作为优良的荧光材料、激光材料、电光源材料、彩色玻璃、陶瓷釉料以及磁性材料等。其中，磁性材料是利用未成对的4f电子的自旋排列；发光材料是利用4f轨道间的能级跃迁；而在玻璃的着色与脱色以及陶瓷釉料中的稀土元素则是利用其4f电子对光的吸收性质。
(4)利用某些稀土金属(如铈、铕、镱等)具有变价的性质，其氧化还原性质可用作脱色剂、防辐射材料、稀土提取分离以及材料制备技术领域。
(5)由于镧系收缩，从La3+到Lu3+的碱性逐渐减弱，Y3+的碱性介于H o3+和Er3+之间，Ce3+的碱性最小。这种性质影响稀土离子水解的难易程度等。镧系收缩也影响着稀土元素的还原电位和电离能数值，从La3+到Lu3+还原性逐渐增强。因此，可利用混合稀土金属中镧和铈等比钐更易氧化这一性质，采用混合稀土金属(La、Ce等)来制备金属钐。
(6)有些稀土元素具有中子俘获截面大的性质，如钐、铕、钇、镝和铒可用于原子反应堆的控制材料、可燃毒物的减速剂；而像铈和钇的中子俘获截面小的稀土元素可用于反应堆燃料的稀释剂。钇的热中子俘获截面接近于铌，仅有 1.2b，所以是原子能反应堆中很有前途的结构材料。钇还可作为合金添加剂，用以改善反应堆结构材料的力学性能。所以很多稀土金属也是重要的核工业材料。
思考题：
1.叙述基态原子核外电子排布三原则,并写出基态原子核外电子在原子轨道中的填充次序通式?
2.什么是原子或离子的电子组态? 试写出Ln系原子和Ln系离子的电子组态通式?
3.试说明Ln系元素中的57,58,64,71号元素的价电子层结构的特殊性?
4.为何说稀土元素的最外层和次外层的电子结构基本相同是它们的物理与化学性质相似的原因之一?
5.试计算Ce3+、Nd3+、,Sm3+、Tb3+、Dy3+、Tm3+、Yb3+的理论磁矩？
6.试叙述稀土元素的光谱特性?
7.试说明基态光谱符号2S+1L J中的L、S、J的意义？并计算出Pm3+、Gd3+、Er3+、Pr3+基态光谱项，用2S+1L J 表示之。
8.试说明RE3+离子的磁性特点?
《材料结构与性能》习题 第一章 1、一 25cm长的圆杆，直径 2.5mm，承受的轴向拉力4500N。如直径拉细成 2.4mm，问： 1)设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，求拉伸后的长度； 2)在此拉力下的真应力和真应变； 3)在此拉力下的名义应力和名义应变。 比较以上计算结果并讨论之。 2、举一晶系，存在S14。 3、求图 1.27 所示一均一材料试样上的 A 点处的应力场和应变场。 4、一陶瓷含体积百分比为95%的 Al 2O（3 E=380GPa）和 5%的玻璃相（ E=84GPa），计算上限及下限弹性模量。如该陶瓷含有5%的气孔，估算其上限及下限弹性模量。 5、画两个曲线图，分别表示出应力弛豫与时间的关系和应变弛豫和时间的 关系。并注出： t=0,t= ∞以及 t= τε（或τσ）时的纵坐标。 6、一 Al 2O3晶体圆柱（图1.28 ），直径 3mm，受轴向拉力 F ，如临界抗剪强度τ c=130MPa，求沿图中所示之一固定滑移系统时，所需之必要的拉力值。同时 计算在滑移面上的法向应力。
第二章 1、求融熔石英的结合强度，设估计的表面能为 1.75J/m 2；Si-O 的平衡原子间距为 1.6 ×10-8 cm；弹性模量值从60 到 75GPa。 2、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73GPa；γ =1.56J/m 2；理论强度。如材料中存在最大长度为的内裂，且此内裂垂直于作用力的方向，计算由此而导致的强度折减系数。 3、证明材料断裂韧性的单边切口、三点弯曲梁法的计算公式： 与 是一回事。
4、一陶瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图 2.41所示。如果 E=380GPa，μ =0.24 ，求 KⅠc值，设极限载荷达50 ㎏。计算此材料的断裂表面能。 5、一钢板受有长向拉应力350 MPa，如在材料中有一垂直于拉应力方向的 中心穿透缺陷，长 8mm（=2c）。此钢材的屈服强度为 1400MPa，计算塑性区尺 寸 r 0及其与裂缝半长 c 的比值。讨论用此试件来求 KⅠc值的可能性。 6、一陶瓷零件上有以垂直于拉应力的边裂，如边裂长度为：①2mm；②0.049mm；③ 2μ m，分别求上述三种情况下的临界应力。设此材料的断裂韧性为 2 1.62 MPa〃m。讨论诸结果。 7、画出作用力与预期寿命之间的关系曲线。材料系ZTA陶瓷零件，温度在 2 ，慢裂纹扩展指数-40 ，Y 取π 。设保 900℃， KⅠc为 10MPa〃m N=40，常数 A=10 证实验应力取作用力的两倍。 8、按照本章图 2.28 所示透明氧化铝陶瓷的强度与气孔率的关系图，求出经验公式。 9、弯曲强度数据为： 782，784，866，884，884，890，915，922，922，927，942， 944，1012 以及 1023MPa。求两参数韦伯模量数和求三参数韦伯模量数。 第三章 1、计算室温（ 298K）及高温（ 1273K）时莫来石瓷的摩尔热容值，并请和安杜龙—伯蒂规律计算的结果比较。 2、请证明固体材料的热膨胀系数不因内含均匀分散的气孔而改变。
一、名词解释（分） 原子半径，电负性，相变增韧、气团 原子半径：按照量子力学地观点，电子在核外运动没有固定地轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定地半径.根据原子间作用力地不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径.通常把统和双原子分子中相邻两原子地核间距地一半，即共价键键长地一半，称作该原子地共价半径（）；金属单质晶体中相邻原子核间距地一半称为金属半径（）；范德瓦尔斯半径（）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引地两相邻原子核间距地一半，如稀有气体.资料个人收集整理，勿做商业用途 电负性：等人精确理论定义电负性为化学势地负值，是体系外势场不变地条件下电子地总能量对总电子数地变化率.资料个人收集整理，勿做商业用途 相变增韧：相变增韧是由含地陶瓷通过应力诱发四方相（相）向单斜相（相）转变而引起地韧性增加.当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成地较大应力场将会诱发其周围亚稳向稳定转变，这种转变为马氏体转变，将产生近地体积膨胀和地剪切应变，对裂纹周围地基体产生压应力，阻碍裂纹扩展.而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性.资料个人收集整理，勿做商业用途 气团：晶体中地扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用地结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内地溶质原子浓度与在基体中地浓度存在差别.这种不均匀分布地溶质原子具有阻碍位错运动地作用，也成为气团.资料个人收集整理，勿做商业用途 二、简述位错与溶质原子间有哪些交互作用.（分） 答：从交互做作用地性质来说，可分为弹性交互作用、静电交互作用和化学交互作用三类.弹性交互作用：位错与溶质原子地交互作用主要来源于溶质原子与基体原子间由于体积不同引起地弹性畸变与位错间地弹性交互作用.形成气团，甚至气团对晶体起到强化作用.弹性交互作用地另一种情况是溶质原子核基体地弹性模量不同而产生地交互作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 化学交互作用：基体晶体中地扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用地结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内地溶质原子浓度与在基体中地浓度存在差别，具有阻碍位错运动地作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 静电交互作用：晶体中地位错使其周围原子偏离平衡位置，晶格体积发生弹性畸变，晶格畸变将导致自由电子地费米能改变，对于刃型位错来讲，滑移面上下部分晶格畸变量相反，导致滑移面两侧部分地费米能不相等，导致位错周围电子需重新分布，以抵消这种不平衡，从而形成电偶极，位错线如同一条电偶极线，在它周围存在附加电场，可与溶质原子发生静电交互作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 三、简述点缺陷地特点和种类，与合金地性能有什么关系（分） 答：点缺陷对晶体结构地干扰作用仅波及几个原子间距范围地缺陷.它地尺寸在所有方向上均很小.其中最基本地点缺陷是点阵空位和间隙原子.此外，还有杂质原子、离子晶体中地非化学计量缺陷和半导体材料中地电子缺陷等.资料个人收集整理，勿做商业用途 在较低温度下，点缺陷密度越大，对合金电阻率影响越大.另外，点缺陷与合金力学性能之间地关系主要表现为间隙原子地固溶强化作用.资料个人收集整理，勿做商业用途 四、简述板条马氏体组织地组织形态、组织构成与强度与韧性地关系.（分） 答：板条马氏体地组织形态主要出现在低碳钢中，由许多成条排列地马氏体板条组成，大致平行地马氏体条组成地领域为板条束.每个晶粒内一般有个板条束，束地尺寸约为μ.一个马氏体板条束又由若干个板条组成，这些板条具有相同地惯习面，位向差很小，而板条束之间
1、What is the definition for Materials Properties （MP ）?How do we classify materials properties?And please list some classification for MP.(材料特性（MP ）的定义是什么？我们如何分类材料特性，请列出一些MP 的分类。) 答：MP ：Materials ’Response to External Stimulus. 材料性能：材料在给定的外界条件下的行为。 怎样分类：根据材料对外界刺激做出的响应的类型进行分类。 分类：复杂性能（使用性能，工艺性能，复合性能） 化学性能（抗渗入性，耐腐蚀性等） 力学性能（刚度强度韧性等） 物理性能（热学光学磁学电学性能） 2. What is the core relationship between materials science and engineering? In order to obtain desired materials properties, what should we consider first to do with the materials? （材料科学与工程的核心是什么关系？为了获得所需的材料性能，我们应该首先考虑的材料的什么？） 答：材料科学与工程学的核心关系是性能（课件上面那个三角形的图） 为了提高对于材料性能的期望，我们首先要研究材料的结构与性能的关系，即研究材料学。 3. What is the most determinant for Materials mechanical properties? Why?（材料力学性能的决定因素是什么？为什么呢？） 答：材料的力学性能主要指材料在力的作用下抵抗变形和开裂的性能，影响材料力学性能的最重要的因素是材料的结构。这些结构包括：subatomic-atomic-molecular-nano-micro-macro.由于材料的结构决定了材料的屈服强度，塑性韧性，刚度等性质，所以材料的结构对材料的力学性能影响最大。 4. what is strength of materials? Please try to identify the difference yield strength ,tensile strength ,fatigue strength and theoretical fracture strength? （材料的强度是什么？请尝试找出屈服强度，拉伸强度，疲劳强度和理论断裂强度的差异？）(中文ppt) 材料在载荷作用下抵抗变形和破坏的能力就是材料的强度。 屈服强度代表材料开始产生明显塑性变形的抗力 疲劳强度是材料在承受大小和方向同时间做周期性变化的交变应力时，往往在远小于强度极限甚至小于屈服极限的应力作用下就发生断裂。 理论断裂强度是无缺陷材料的理论预测值， 其中E 为杨氏模量，为解理面的表面能，a 为材料内部原子间的距离 5.Please describe yielding phenomena for materials, and its practical/engineering meaning. As long as there are no yielding phenomena for some materials, how do we determine the yield strength? （请描述为材料的屈服现象(书上p16)，其实际/工程意义。有一些材料没有屈服现象，我们如何确定的屈服强度？） 屈服现象是材料开始产生明显塑性变形的标志，对应图中bd 段， 2 1)(a E c s γσ≈
工程材料的分类及性能 字体: 小中大 | 打印发表于: 2006-11-09 15:38 作者: xlktiancai 来源: 中国机械资讯网 材料的分类 材料的种类繁多，用途广泛。工程方面使用的材料有机械工程材料、土建工程材料、电工材料、电子材料等。在工程材料领域中，用于机械结构和机械零件并且主要要求机械性能的工程材料，又可分为以下四大类： 金属材料具有许多优良的使用性能（如机械性能、物理性能、化学性能等）和加工工艺性能（如铸造性能、锻造性能、焊接性能、热处理性能、机械加工性能等）。特别可贵的是，金属材料可通过不同成分配制，不同工艺方法来改变其内部组织结构，从而改善性能。加之其矿藏丰富，因而在机械制造业中，金属材料仍然是应用最广泛、用量最多的材料。在机械设备中约占所用材料的百分之九十以上，其中又以钢铁材料占绝大多数。 随着科学技术的发展，非金属材料也得到迅速的发展。非金属材料除在某些机械性能上尚不如金属外，它具有金属所不具备的许多性能和特点，如耐腐蚀、绝缘、消声、质轻、加工成型容易、生产率高、成本低等。所以在工业中的应用日益广泛。作为高分子材料的主体——工程塑料（如聚乙烯、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、ABS塑料、环氧塑料等）已逐渐替代一些金属零件，应用于机械工业领域中。古老的陶瓷材料也突破了传统的应用范围，成为高温结构材料和功能材料的重要组成部分。 金属材料和非金属材料在性能上各有其优缺点。近年来，金属基复合材料、树脂基复合材料和陶瓷基复合材料的出现，为集中各类材料的优异性能于一体开辟了新的途径，在机械工程中的应用将日益广泛。
9-1.gif 我也来说两句查看全部回复 最新回复 xlktiancai (2006-11-09 15:39:31) 材料的性能一、力学性能材料受力后就会产生变形，材料力学性能 是指材料在受力时的行为。描述材料变形行为的指标是应力ζ和应变ε，ζ是单位面积上的作用力，ε是单位长度的变形。描述材料力学性能的 主要指标是强度、延性和韧性。其中，强度是使材料破坏的应力大小的度 量；延性是材料在破坏前永久应变的数值；而韧性却是材料在破坏时所吸 收的能量的数值。设计师们对这些力学性能制订了各种各样的规范。例 如，对一种钢管，人们要求它有较高的强度，但也希望它有较高的延性，以增加韧性，由于在强度和延性二者之间往往是矛盾的，工程师们要做出 最佳设计常常需要在二者中权衡比较。同时，还有各种各样的方法确定材 料的强度和延性。当钢棒弯曲时就算破坏，还是必须发生断裂才算破坏？ 答案当然取决于工程设计的需要。但是这种差别表明至少应有两种强度判 据：一种是开始屈服，另一种是材料所能承受的最大载荷，这说明仅仅描 述材料强度的指标至少就有两个以上。一般来说，描述材料力学性能的指 标有以下几项： 1．弹性和刚度图1-6是材料的应力—应变图（ζ—ε 图）。（a）无塑性变形的脆性材料（例如铸铁）；（b）有明显屈服 点的延性材料（例如低碳钢）；（c）没有明显屈服点的延性材料（例如纯铝）。在图中的ζ—ε曲线上，OA段为弹性阶段，在此阶段，如卸去 载荷，试样伸长量消失，试样恢复原状。材料的这种不产生永久残余变形 的能力称为弹性。A点对应的应力值称为弹性极限，记为ζe。材料在弹 性范围内，应力与应变成正比，其比值E=ζ/ε（MN/m2）称为弹性模量。
《材料结构与性能》 习题
《材料结构与性能》习题 第一章 1、一25cm长的圆杆，直径2.5mm，承受的轴向拉力4500N。如直径拉细成2.4mm，问： 1)设拉伸变形后，圆杆的体积维持不变，求拉伸后的长度； 2)在此拉力下的真应力和真应变； 3)在此拉力下的名义应力和名义应变。 比较以上计算结果并讨论之。 2、举一晶系，存在S14。 3、求图1.27所示一均一材料试样上的A点处的应力场和应变场。 4、一陶瓷含体积百分比为95%的Al2O3（E=380GPa）和5%的玻璃相（E=84GPa），计算上限及下限弹性模量。如该陶瓷含有5%的气孔，估算其上限及下限弹性模量。 5、画两个曲线图，分别表示出应力弛豫与时间的关系和应变弛豫和时间的关系。并注出：t=0,t=∞以及t=τε（或τσ）时的纵坐标。
6、一Al2O3晶体圆柱（图1.28），直径3mm，受轴向拉力F ，如临界抗剪强度τc=130MPa，求沿图中所示之一固定滑移系统时，所需之必要的拉力值。同时计算在滑移面上的法向应力。 第二章
1、求融熔石英的结合强度，设估计的表面能为1.75J/m2；Si-O的平衡原子间距为1.6×10-8cm；弹性模量值从60到75GPa。 2、融熔石英玻璃的性能参数为：E=73GPa；γ=1.56J/m2；理论强度。如材料中存在最大长度为的内裂，且此内裂垂直于作用力的方向，计算由此而导致的强度折减系数。 3、证明材料断裂韧性的单边切口、三点弯曲梁法的计算公式： 与 是一回事。 4、一陶瓷三点弯曲试件，在受拉面上于跨度中间有一竖向切口如图2.41所示。如果E=380GPa，μ=0.24，求KⅠc值，设极限载荷达50㎏。计算此材料的断裂表面能。 5、一钢板受有长向拉应力350 MPa，如在材料中有一垂直于拉应力方向的中心穿透缺陷，长8mm（=2c）。此钢材的屈服强度为1400MPa，计算塑性区尺寸r0及其与裂缝半长c的比值。讨论用此试件来求KⅠc值的可能性。
材料结构与性能（珍藏版） 一、何为金属键？金属的性能与金属键有何关系？ 二、试说明金属结晶时，为什么会产生过冷？ 三、结合相关工艺或技术说明快速凝固的组织结构特点。 四、画出铁碳合金相图，并指出有几个基本的相和组织？说明它们的结构和 性能特点。 五、说明珠光体和马氏体的形成条件、组织形态特征和性能特点。 六、试分析材料导热机理。金属、陶瓷和玻璃导热机制有何区别？将铬、 银、Ni-Cr合金、石英、铁等物质按热导率大小排序，并说明理由。 七、从结构上解释，为什么含碱土金属的玻璃适用于介电绝缘？ 八、列举一些典型的非线性光学材料，并说明其优缺点。 九、什么是超疏水、超亲水？超疏水薄膜对结构与表面能有什么要求？ 十、导致铁磁性和亚铁磁性物质的离子结构有什么特征？ 答案自测 特别重要的名词解释 原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径 （r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。
电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。 相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。 Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。
《材料结构与性能》试题 一、名词解释（20分） 原子半径，电负性，相变增韧、Suzuki气团 原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径（r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。 电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。 相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。 Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。 二、简述位错与溶质原子间有哪些交互作用。（15分） 答：从交互做作用的性质来说，可分为弹性交互作用、静电交互作用和化学交互作用三类。 弹性交互作用：位错与溶质原子的交互作用主要来源于溶质原子与基体原子间由于体积不同引起的弹性畸变与位错间的弹性交互作用。形成Cottrell气团，甚至Snoek气团对晶体起到强化作用。弹性交互作用的另一种情况是溶质原子核基体的弹性模量不同而产生的交互作用。 化学交互作用：基体晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别，具有阻碍位错运动的作用。 静电交互作用：晶体中的位错使其周围原子偏离平衡位置，晶格体积发生弹性畸变，晶格畸变将导致自由电子的费米能改变，对于刃型位错来讲，滑移面上下部分晶格畸变量相反，导致滑移面两侧部分的费米能不相等，导致位错周围电子需重新分布，以抵消这种不平衡，从而形成电偶极，位错线如同一条电偶极线，在它周围存在附加电场，可与溶质原子发生静电交互作用。 三、简述点缺陷的特点和种类，与合金的性能有什么关系（15分） 答：点缺陷对晶体结构的干扰作用仅波及几个原子间距范围的缺陷。它的尺寸在所有方向上均很小。其中最基本的点缺陷是点阵空位和间隙原子。此外，还有杂质原子、离子晶体中的非化学计量缺陷和半导体材料中的电子缺陷等。 在较低温度下，点缺陷密度越大，对合金电阻率影响越大。另外，点缺陷与合金力学性能之间的关系主要表现为间隙原子的固溶强化作用。
《材料结构与性能》课程论文 刚玉-尖晶石浇注料微结构参数控制及其强度、热震稳定性和抗渣性能研究 学生姓名：周文英 学生学号：201502703043 撰写日期：2015年11月
摘要 本文通过使用环境对耐火材料的要求，耐火材料与结构参数的分析，耐火材 料结构控制措施进展分析等方面总结了耐火材料的使用现状，并提出了下一步耐 火材料的改进措施。分别是：在基质中加入一定量的硅微粉，改变液相的粘度， 提高抗渣性；控制铝镁浇注料基质的粒径分布，使大颗粒含量一定保证其高温强度；使用球形轻骨料代替原来的致密骨料，提高气孔率，降低体积密度，提高能 源利用率，降低能耗。 关键词：铝镁浇注料；高温强度；抗渣性；热震稳定性 Abstract Requirements of the apply for fire resistance, analysis of refractory materials and structure parameters, current application and the promotion about the refractory are introduced in this paper. It included that: add some sillicon power into matrix in order to improve the viscosity of the liquid for abtaining better slag resistance; control the distribution of the particle in the matrix to ensure the high temperature strength; use spherical light aggregate instead of the original density aggregate to improve porosity and the rate of energy. Keywords:Alumina-Magnesia castable; high temperature strength; slag resistance; themal shock resistance.
《材料科学基础》课后习题答案 第一章材料结构的基本知识 4. 简述一次键和二次键区别 答：根据结合力的强弱可把结合键分成一次键和二次键两大类。其中一次键的结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。一次键的三种结合方式都是依靠外壳层电子转移或共享以形成稳定的电子壳层，从而使原子间相互结合起来。二次键的结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。二次键是一种在原子和分子之间，由诱导或永久电偶相互作用而产生的一种副键。 6. 为什么金属键结合的固体材料的密度比离子键或共价键固体为高？ 答：材料的密度与结合键类型有关。一般金属键结合的固体材料的高密度有两个原因：（1）金属元素有较高的相对原子质量；（2）金属键的结合方式没有方向性，因此金属原子总是趋于密集排列。相反，对于离子键或共价键结合的材料，原子排列不可能很致密。共价键结合时，相邻原子的个数要受到共价键数目的限制；离子键结合时，则要满足正、负离子间电荷平衡的要求，它们的相邻原子数都不如金属多，因此离子键或共价键结合的材料密度较低。 9. 什么是单相组织？什么是两相组织？以它们为例说明显微组织的含义以及显微组织对性能的影响。 答：单相组织，顾名思义是具有单一相的组织。即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。两相组织是指具有两相的组织。单相组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。晶粒尺寸对材料性能有重要的影响，细化晶粒可以明显地提高材料的强度，改善材料的塑性和韧性。单相组织中，根据各方向生长条件的不同，会生成等轴晶和柱状晶。等轴晶的材料各方向上性能接近，而柱状晶则在各个方向上表现出性能的差异。对于两相组织，如果两个相的晶粒尺度相当，两者均匀地交替分布，此时合金的力学性能取决于两个相或者两种相或两种组织组成物的相对量及各自的性能。如果两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散地分布于另一相晶粒的基体内。如果弥散相的硬度明显高于基体相，则将显著提高材料的强度，同时降低材料的塑韧性。 10. 说明结构转变的热力学条件与动力学条件的意义，说明稳态结构和亚稳态结构之间的关系。 答：同一种材料在不同条件下可以得到不同的结构，其中能量最低的结构称为稳态结构或平衡太结构，而能量相对较高的结构则称为亚稳态结构。所谓的热力学条件是指结构形成时必须沿着能量降低的方向进行，或者说结构转变必须存在一个推动力，过程才能自发进行。热力学条件只预言了过程的可能性，至于过程是否真正实现，还需要考虑动力学条件，即反应速度。动力学条件的实质是考虑阻力。材料最终得到什么结构取决于何者起支配作用。如果热力学推动力起支配作用，则阻力并不大，材料最终得到稳态结构。从原则上讲，亚稳态结构有可能向稳态结构转变，以达到能量的最低状态，但这一转变必须在原子有足够活动能力的前提下才能够实现，而常温下的这种转变很难进行，因此亚稳态结构仍可以保持相对稳定。 第二章材料中的晶体结构 1. 回答下列问题： （1）在立方晶系的晶胞内画出具有下列密勒指数的晶面和晶向： 32）与[236] （001）与[210]，（111）与[112]，（110）与[111]，（132）与[123]，（2 （2）在立方晶系的一个晶胞中画出（111）和（112）晶面，并写出两晶面交线的晶向指数。 解：（1）
1、简述构成复合材料的元素及其作用 复合材料由两种以上组分以及他们之间的界面组成。即构成复合材料的元素包括基体相、增强相、界面相。 基体相作用：具有支撑和保护增强相的作用。在复合材料受外加载荷时，基体相一剪切变形的方式起向增强相分配和传递载荷的作用，提高塑性变 形能力。 增强和作用：能够强化基体和的材料称为增强体，增强体在复合材料中是分散相, 在复合材料承受外加载荷时增强相主要起到承载载荷的作用。 界面相作用：界面相是使基体相和增强相彼此相连的过渡层。界面相具有一定厚度，在化学成分和力学性质上与基体相和增强相有明显区别。在复 合材料受外加载荷时能够起到传递载荷的作用。 2、简述复合材料的基本特点 (1)复合材料的性能具有可设计性 材料性能的可设计性是指通过改变材料的组分、结构、工艺方法和工艺参数来调节材料的性能。显然，复合材料中包含了诸多影响最终性能、可调节的因素，赋予了复合材料的性能可设计性以极大的自由度。 ⑵ 材料与构件制造的一致性 制造复合材料与制造构件往往是同步的，即复合材料与复合材料构架同时成型，在采用某种方法把增强体掺入基体成型复合材料的同时?，通常也就形成了复合材料的构件。 (3)叠加效应 叠加效应指的是依靠增强体与基体性能的登加，使复合材料获得一?种新的、独特而又优于个单元组分的性能，以实现预期的性能指标。 (4)复合材料的不足 复合材料的增强体和基体可供选择地范围有限；制备工艺复杂，性能存在波动、离散性；复合材料制品成本较高。
3、说明增强体在结构复合材料中的作用能够强化基体的材料称为增强体。增强体在复合材料中是分散相。复合材料中的增强体，按几何形状可分为颗 粒状、纤维状、薄片状和由纤维编制的三维立体结构。喑属性可分为有机增强体 和无机增强体。复合材料中最主要的增强体是纤维状的。对于结构复合材料，纤 维的主要作用是承载，纤维承受载荷的比例远大于基体；对于多功能复合材料， 纤维的主要作用是吸波、隐身、防热、耐磨、耐腐蚀和抗震等其中一种或多种， 同时为材料提供基本的结构性能；对于结构陶瓷复合材料，纤维的主要作用是增 加韧性。 4、说明纤维增强复合材料为何有最小纤维含量和最大纤维含量 在复合材料中，纤维体积含量是一个很重要的参数。纤维强度高，基体韧性好，若加入少量纤维，不仅起不到强化作用反而弱化，因为纤维在基体内相当于裂纹。所以存在最小纤维含量，即临界纤维含量。若纤维含量小于临界纤维量，则在受外载荷作用时，纤维首先断裂，同时基体会承受载荷，产生较大变形，是否断裂取决于基体强度。纤维量增加，强度下降。当纤维量大于临界纤维量时，纤维主要承受载荷。纤维量增加强度增加。总之，含量过低，不能充分发挥复合材料中增强材料的作用；含量过高，由于纤维和基体间不能形成一定厚度的界面过渡层, 无法承担基体对纤维的力传递，也不利于复合材料抗拉强度的提高。 5、如何设才计复合材料 材料设计是指根据对?材料性能的要求而进行的材料获得方法与工程途径的规划。复合材料设计是通过改变原材料体系、比例、配置和复合工艺类型及参数，来改变复合材料的性能，特别是是器有各向异性，从而适应在不同位置、不同方位和不同环境条件下的使用要求。复合材料的可设计性赋予了结构设计者更大的自由度，从而有可能设计出能够充分发掘与应用材料潜力的优化结构。复合材料制品的设计与研制步骤可以归纳如下： 1）通过论证明确对于材料的使用性能要求，确定设计目标 2）选择材料体系（增强体、基体） 3）确定组分比例、几何形态及增强体的配置 4）确定制备工艺方法及工艺参数
1、离子键及其形成的离子晶体陶瓷材料的特征。 答：当一个原子放出最外层的一个或几个电子成为正离子，而另一个原子接受这些电子而成为负离子，结果正负离子由于库仑力的作用而相互靠近。靠近到一定程度时两闭合壳层的电子云因发生重叠而产生斥力。这种斥力与吸引力达到平衡的时候就形成了离子键。此时原子的电中性得到维持，每一个原子都达到稳定的满壳层的电子结构，其总能量达到最低，系统处于最稳定状态。因此，离子键是由正负离子间的库仑引力构成。由离子键构成的晶体称为离子晶体。离子晶体一般由电离能较小的金属原子和电子亲和力较大的非金属原子构成。离子晶体的结构与特性由离子尺寸、离子间堆积方式、配位数及离子的极化等因素有关。 离子键、离子晶体及由具有离子键结构的陶瓷的特性有： A、离子晶体具有较高的配位数，在离子尺寸因素合适的条件下可形成最密排的结构； B、离子键没有方向性 C、离子键结合强度随电荷的增加而增大，且熔点升高，离子键型陶瓷高强度、高硬度、高熔点； D、离子晶体中很难产生自由运动的电子，低温下的电导率低，绝缘性能优良； E、在熔融状态或液态，阳离子、阴离子在电场的作用下可以运动，故高温下具有良好的离子导电性。 F、吸收红外波、透过可见波长的光，即可制得透明陶瓷。 2、共价键及其形成的陶瓷材料具有的特征。 答：当两个或多个原子共享其公有电子，各自达到稳定的、满壳层的状态时就形成共价键。由于共价电子的共享，原子形成共价键的数目就受到了电子结构的限制，因此共价键具有饱和性。由于共价键的方向性，使共价晶体不密堆排列。这对陶瓷的性能有很大影响，特别是密度和热膨胀性，典型的共价键陶瓷的热膨胀系数相当低，由于个别原子的热膨胀量被结构中的自由空间消化掉了。 共价键及共价晶体具有以下特点： A、共价键具有高的方向性和饱和性； B、共价键为非密排结构； C、典型的共价键晶体具有高强度、高硬度、高熔点的特性。 D、具有较低的热膨胀系数； E、共价键由具有相似电负性的原子所形成。 3、层状结构材料的各向异性。 答：层状结构中范德华力起着重要的作用，陶瓷的层状结构间有较强的若键存在使得层与层之间连接在一起。蒙脱石和石墨的结构层内键合类型不同于层间键合类型，因此材料显示出较高的各向异性。所有的这些层状结构的层与层之间很容易滑移，粘土矿物中的这种层状结构使它在有水的情况下容易发生塑性变形。 4、影响陶瓷材料密度的因素。 答：密度是指单位体积的质量，陶瓷材料的密度有四种表示方式，分别是：结晶学密度、理论密度、体积密度、相对密度。前三种在制作过程中没有形成气孔，在结构内的原子间只有间隙。陶瓷材料的密度主要取决于元素的尺寸，元素的质量和结构堆积的紧密程度。相对原子质量大的元素构成的陶瓷材料显示出较高的密度，如碳化钨、氧化铪等。金属键合和离子键合陶瓷中的原子形成紧密堆积，会使其密度比共价键键合陶瓷（较开放的结构）的密度更奥一些，如锆石英。 5、硬度所反映的材料的能力；静载荷压入法测定硬度的原理。
1 钢分类的方法有哪几种？钢中常用合金元素有哪些是强碳化物形成元素？中强碳化物形成元素? 钢的分类方法有5种：1）按化学成分，有碳素钢（低碳钢，中碳钢，高碳钢），合金钢；2）按质量，有普通钢，优质钢，高级优质钢；3）按用途，有结构钢，工具钢，特殊钢；4）按炼钢方法，有转炉钢，平炉钢，电炉钢；5）按浇筑前脱氧程度，有镇静钢，沸腾钢，半镇静钢。 强碳化合物形成元素：Hf,Zr,Ti,Ta,Nb,V 中强碳化合物形成元素：W,Mo 2 合金钢的主要优点是什么？常用以提高钢淬透性的元素有哪些？强烈阻碍奥氏体晶粒长大的元素有哪些？提高回火稳定性的元素有哪些？ 合金钢主要优点：优异的力学性能和其他性能，既有高的强度，又有足够韧性和塑性。 提高钢淬透性的元素：B,Mn,Cr,Mo,Si,Ni 强烈阻碍奥氏体晶粒长大的元素：Hf,Zr,Ti,Ta,Nb,V 提高回火稳定性的元素：V,Nb,Cr,Mo,W 3 解释下列现象：（1）大多数合金钢的热处理温度比相同含碳量的碳素钢高；（2）大多数合金钢比相同含碳量的碳素钢具有较高的回火稳定性；（3）含碳量为0.4%、含铬量为12%的铬钢属于过共析钢，而含碳量为1.5%、含铬量为12%的铬钢属于莱氏体钢；（4）高速钢在热断货热轧后经空冷获得马氏体钢。 1) 热处理目的是让碳及合金元素充分溶解，合金元素扩散速度慢，另外合金元素形成的碳化物溶解需要更高温度和时间。 2) 由于合金钢中含有较多的碳化物形成元素如，Cr、W、Mo、Ti、V等，它们与碳有较强的亲和力，使碳化物由马氏体向奥氏体溶解时，合金元素扩散困难，加之合金碳化物的稳定性高，使碳化物的溶解比较困难，合金钢在加热时需要较高的温度和较长的时间。因此，合金钢具有较高的回火稳定性。 3) 按照金相组织来看，含碳量为0.4%、含铬量为12%的铬钢平衡态是渗碳体加珠光体，含碳量为1.5%、含铬量为12%的铬钢平衡态出现莱氏体。 4）由于高速钢的合金元素含量高，C曲线右移，一般合金元素越高临界冷却速度越小，淬透性越好，当空冷的冷却速度大于临界冷却速度时，空冷即可获得马氏体。 4 有资料表明，南京长江大桥采用16Mn钢比普通碳素钢节约钢材15％，简要解释原因。低合金高强度钢是在碳素工程钢基础上加入少量合金元素（Mn,Si,Ti,Nb,V,Al等）形成的，以此获得较好的塑性，韧性，焊接性能，性能的提高使得在相同的工程条件要求下大大降低了钢材的使用量。16Mn属于低合金高强度结构钢，这类钢适应大型工程结构，减轻结构重量，提高使用的可靠性及节约钢材，因此与碳素钢相比可以节省15%材料。 5 试比较45钢与40Cr钢的应用范围，以此说明合金元素Cr在调质钢中的作用。 45钢属优质碳素结构钢，大量的模具生产会用到，做模具钢使用。 40Cr钢经调质后用于制造承受中等负荷及中等速度工作的机械零件，如汽车的转向节；经淬火及中温回火后用于制造承受高负荷、冲击及中等速度工作的零件，如齿轮；经淬火及低温回火后用于制造承受重负荷、低冲击及具有耐磨性、截面上实体厚度在25mm以下的零件，如蜗杆；经调质并高频表面淬火后用于制造具有高的表面硬度及耐磨性而无很大冲击的零件，如套筒；此外，这种钢又适于制造进行碳氮共渗处理的各种传动零件，如直径较大和低温韧性好的齿轮和轴。 Cr能增加钢的淬透性，提高钢的强度和回火稳定性，具有优良的机械性能。 6 说明渗碳钢、调质钢、弹簧钢、轴承钢的化学成分、最终热处理及组织、性能特点。 渗碳钢：一般都是低碳钢，碳的质量分数一般在0.12%-0.25%范围，主要合金元素有Ni,Cr,Mn
《材料结构与性能》试题2011级硕士研究生适用 一、名词解释（20分） 原子半径，电负性，相变增韧、Suzuki气团 原子半径：按照量子力学的观点，电子在核外运动没有固定的轨道，只是概率分布不同，因此对原子来说不存在固定的半径。根据原子间作用力的不同，原子半径一般可分为三种：共价半径、金属半径和范德瓦尔斯半径。通常把统和双原子分子中相邻两原子的核间距的一半，即共价键键长的一半，称作该原子的共价半径（r c）；金属单质晶体中相邻原子核间距的一半称为金属半径（r M）；范德瓦尔斯半径（r V）是晶体中靠范德瓦尔斯力吸引的两相邻原子核间距的一半，如稀有气体。 电负性：Parr等人精确理论定义电负性为化学势的负值，是体系外势场不变的条件下电子的总能量对总电子数的变化率。 相变增韧：相变增韧是由含ZrO2的陶瓷通过应力诱发四方相（t相）向单斜相（m相）转变而引起的韧性增加。当裂纹受到外力作用而扩展时，裂纹尖端形成的较大应力场将会诱发其周围亚稳t-ZrO2向稳定m-ZrO2转变，这种转变为马氏体转变，将产生近4%的体积膨胀和1%-7%的剪切应变，对裂纹周围的基体产生压应力，阻碍裂纹扩展。而且相变过程中也消耗能量，抑制裂纹扩展，提高材料断裂韧性。 Suzuki气团：晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别。这种不均匀分布的溶质原子具有阻碍位错运动的作用，也成为Suzuki气团。 二、简述位错与溶质原子间有哪些交互作用。（15分） 答：从交互做作用的性质来说，可分为弹性交互作用、静电交互作用和化学交互作用三类。 弹性交互作用：位错与溶质原子的交互作用主要来源于溶质原子与基体原子间由于体积不同引起的弹性畸变与位错间的弹性交互作用。形成Cottrell气团，甚至Snoek气团对晶体起到强化作用。弹性交互作用的另一种情况是溶质原子核基体的弹性模量不同而产生的交互作用。 化学交互作用：基体晶体中的扩展位错为保持热平衡，其层错区与溶质原子间将产生相互作用，该作用被成为化学交互作用，作用的结果使溶质原子富集于层错区内，造成层错区内的溶质原子浓度与在基体中的浓度存在差别，具有阻碍位错运动的作用。 静电交互作用：晶体中的位错使其周围原子偏离平衡位置，晶格体积发生弹性畸变，晶格畸变将导致自由电子的费米能改变，对于刃型位错来讲，滑移面上下部分晶格畸变量相反，导致滑移面两侧部分的费米能不相等，导致位错周围电子需重新分布，以抵消这种不平衡，从而形成电偶极，位错线如同一条电偶极线，在它周围存在附加电场，可与溶质原子发生静电交互作用。 三、简述点缺陷的特点和种类，与合金的性能有什么关系（15分） 答：点缺陷对晶体结构的干扰作用仅波及几个原子间距范围的缺陷。它的尺寸在所有方向上均很小。其中最基本的点缺陷是点阵空位和间隙原子。此外，还有杂质原子、离子晶体中的非化学计量缺陷和半导体材料中的电子缺陷等。 在较低温度下，点缺陷密度越大，对合金电阻率影响越大。另外，点缺陷与合金力学性能之间的关系主要表现为间隙原子的固溶强化作用。
1.材料的结构层次有哪些，分别在什么尺度，用什么仪器进行分析？ 现在,人们通过大量的科学研究和工程实践,已经充分认识到物质结构的尺度和层次是有决定性意义的。 在不同的尺度下,主要的,或者说起决定性的问题现象和机理都有很大的差异,因此需要我们用不同的思路和方法去研究解决这些问题。更值得注意的是空间尺度与时间尺度还紧密相关,不同空间尺度下事件发生及进行的时间尺度也很不相同。一般地讲,空间尺度越大的,则描述事件的时间尺度也应越长。不同的学科关注不同尺度的时空中发生的事件。现代科学则按人眼能否直接观察到,且是否涉及分子、原子、电子等的内部结构或机制,而将世界粗略地划分为宏观(Macro-scopic)世界和微观(Microscopic)世界。之后,又有人将可以用光学显微镜观察到的尺度范围单独分出,特别地称作/显微结构(世界)。随着近年来材料科学的迅速发展,材料科学家中有人将微观世界作了更细致地划分。而研究基本粒子的物理学家可能还会把尺度向更小的方向收缩,并给出另外的命名。对于宏观世界,根据尺度的不同,或许还可以细分为/宇宙尺度/太阳系尺度/地球尺度和/工程及人体尺度等。人类的研究尺度已小至基本粒子,大至全宇宙。但到目前为止,关于/世界的认识还在不断深化,因而对其划分也就还处于变动之中。即使是按以上的层次划分,其各界之间的边界也比较模糊,有许多现象会在几个尺度层次中发生。 在材料科学与工程领域中,对于材料结构层次的划分尚不统一,可以列举出许多种划分方法,例如:有的材料设计科学家按研究对象的空间尺度划分为三个 层次: (1)工程设计层次:尺度对应于宏观材料,涉及大块材料的加工和使用性能的设计研究。 (2)连续模型尺度:典型尺度在1Lm量级,这时材料被看作连续介质,不考虑其中单个原子、分子的行为。 (3)微观设计层次:空间尺度在1nm量级,是原子、分子层次的设计。 国外有的计算材料学家,按空间和时间尺度划分四个层次〔1〕,即 (1)宏观 这是人类日常活动的主要范围,即人通过自身的体力,或借助于器械、机械等所能通达的时空。人的衣食住行,生产、生活无不在此尺度范围内进行。其空间尺度大致在0.1mm(目力能辨力最小尺寸)至数万公里人力跋涉之最远距离),时间尺度则大致在0.01秒(短跑时人所能分辨的速度最小差异)至100年(人的寿命差不多都在百年以内)。现今风行的人体工程学就是以人体尺度1m上下为主要参照的。 (2)介观 介观的由来是说它介于/宏观与/微观之间。其尺度主要在毫米量级。用普通光学显微镜就可以观察。在材料学中其代表物是晶粒,也就是说需要注意微结构了,如织构,成分偏析,晶界效应,孔中的吸附、逾渗、催化等问题都已开始显现。现在,介观尺度范围的研究成果在材料工程领域,如耐火材料工业、冶金工业等行业中有许多直接而成功的应用。 (3)微观 其尺度主要在微米量级,也就是前面所说/显微结构(世界)0。多年以来借助于光学显微镜、电子显微镜、X)衍射分析、电子探针等技术对于晶态、非晶态材料在这一尺度范围的行为表现有较多的研究,许多方法已成为材料学的常规手段。在材料学中,这一尺度的代表物有晶须、雏晶、分相时产生的液滴等。 (4)纳观 其尺度范围在纳米至微米量级,即10-6~10-9m,大致相当于几十个至几百个原子集合体的尺寸。在这一尺度范围已经显现出量子性,已经不再能将研究对象作为/连续体0,不能再简单地