体相材料结构和性质理论计算30页PPT

一、纯金属特点
1、优良的导电、导热性能； 2、高的化学稳定性； 3、美观的金属光泽； 4、但强度、硬度较低； 5、制取困难；价格高；资源有限
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二、合金的基本概念
1、定义
是由两种或两种以上金属元素， 或金属元素与非金属元素，经熔 炼、烧结等方法组合而成并具有 金属特性的物质。
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钢：Fe-C合金；
黄铜：Cu-Zn合金； 黄铜 防锈铝：Al-Mg合金。
2、合金的特点 Al-Cu两相合金 强度高、硬度高；性能可大幅 度调节；价格较低、应用广。
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3、相
是合金中具有晶体结构相同、 成分相同和性能相同，并以界 面相互分开的组成部分。
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纯铁：由α-Fe（铁素体相） 单相构成，为单相合金；
3、作用：为合金的强化相。
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（二）金属间化合物
1、定义
合金结晶时，当其溶质浓度大 于溶解度时，将析出结构不同于任 何组元的新相，该相具有一定的金 属特征，称为金属间化合物。
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3、分类：
正常价化合物、电子化合物 、 间隙相和间隙化合物 。
1）正常价化合物
P（珠光体）= F + Fe3C Fe3C形状：片状和球状。
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❖ 当Fe3C为片状 时，构成P片状
❖ HB≈200 ❖ δ=15% ❖ Ψ=30%
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珠光体
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当Fe3C为球状 时，构成P球状
HBS≈163 δ=20% Ψ=40%
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第一节
材料的相结构
表5-4 钢中常见的间隙化合物
表5-5 钢中常见间隙化合物的硬度及熔点
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第一节
材料的相结构
图5-7 MgCu结构
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第一节
材料的相结构
图5-8 拉弗斯相中B原子分布和四面体堆垛方式
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第二节
二元相图及其类型
一、相图的基本知识 1.相律 2.二元相图的成分表示方法与相图的建立
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第一节
材料的相结构
图5-5 铜金合金电阻率与成分的关系
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第一节
材料的相结构

图5-6 Ni-Mn合金的饱和磁矩
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第一节
二、中间相 1.正常价化合物 2.电子化合物
材料的相结构
表5-2 铜合金中常见的电子化合物
3.尺寸因素化合物
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第一节
材料的相结构
表5-3 简单结构的间隙化合物成分范围
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第三节
复杂相图分析
图5-35 Cu-Sn相图
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第三节
复杂相图分析
图5-36
Mg２SiO４-SiO2系相图
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第三节
复杂相图分析
图5-37 ZrＯ２-SiＯ２系相图
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第三节
复杂相图分析
三、铁-碳合金相图
图5-38 铁-碳相图
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第三节
复杂相图分析
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第三节
复杂相图分析
一、分析方法 1)相图中若有稳定中间相，可依此把相图分为几个部分， 根据需要选取某一部分进行分析。 2)许多相图往往只标注单相区，为了便于分析相图，应 根据“相区接触法则”填写各空白相区，也可用组织 组成物填写相图。 3)利用典型成分分析合金的结晶过程及组织转变，并利 用杠杆定律分析各相相对量随温度的变化情况。 二、复杂相图分析举例 1. Cu-Sn合金系相图(图5-44) 2. Mg２SiO４-SiO2系相图

材料科学基础材料的相结构固溶体中间相置换固溶体间隙固溶体正常价化合物电子化合物尺寸因素化合物间隙化合物置换固溶体间隙固溶体有限固溶体无限固溶体无序固溶体有序固溶体间隙相间隙化合物理解重点理解重点影响置换固溶体溶解度的因素陶瓷与金属固溶体的差别中间相和固溶体的区间隙固溶体间隙相间隙化合物的区别典型材料的相结构的辨别材料科学基础陶瓷与金属固溶体的差别形成弗兰克尔空位的可能性较小形成肖脱基空位时移出的正负离子总电价为零
一般认为热力学上平衡状态的无序固溶体溶质原子 分布在宏观上是均匀的,在微观上是不均匀的。
在一定条件下,溶质原子和溶剂原子在整个晶体中按 一定的顺序排列起来,形成有序固溶体。有序固溶体 中溶质原子和溶剂原子之比是固定的,可以用化学分 子式来表示,因此把有序固溶体结构称为超点阵。
例如：在Cu－Al合金中,Cu：Al原子比是1：1或3：1 时从液态缓冷条件下可形成有序的超点阵结构,用 CuAl或Cu3Al来表示。
HRTEM for Ni precipitate in 8YSZ/Ni Nanocomposites
size of precipitated Ni nanoparticle ~ 20 nm
pore Ni
10 nm
Ni nanoparticle and accompanied nano-pore in 8YSZ/0.6 vol%Ni Nanocomposite
中间相分类：正常价化合物、电子化合物（电子 相）、间隙化合物
材料科学基础
1. 材料的相结构
材料的 相结构
固溶体
置换固溶体 间隙固溶体 正常价化合物
中间相
电子化合物 尺寸因素化合物
间隙化合物 拉弗斯相
2.1 正常价化合物
材料科学基础

高分子化合物由低分子化合物通过聚合反应获 得。组成高分子化合物的低分子化合物称作单体。
二、高分子化合物的组成
简单的低分子化合物叫单体。由一种或几种简单的低分子 化合物通过共价键重复连接而成的链称为分子链。大分子链 中的重复结构单元叫链节。链节的重复次数即链节数叫聚合 度。例如：聚氯乙烯分子是由n个氯乙烯分子打开双键，彼此 连接起来形成的大分子链。可用下式表示：
(1) 热塑性塑料：加热时软化并熔融，可塑造成形，冷却 后即成型并保持既得形状，而且该过程可反复进行。这类塑料 有聚乙烯、聚丙烯、聚苯乙烯、聚酰胺(尼龙)、聚甲醛、聚碳 酸脂、聚苯醚、聚砜等。这类塑料加工成形简便，具有较高的 机械性能，但耐热性和刚性比较差。
(2) 热固性塑料: 初加热时软化，可塑造成形，但固化后 再加热将不再软化,也不溶于溶剂。这类塑料有酚醛、环氧、氨 基、不饱和聚酯、呋喃和聚硅醚树脂等。它们具有耐热性高， 受压不易变形等优点，但机械性能不好。
不同键接方式对性能 影响很大，头尾键接 强度最高。
三、大分子链的形态
⑴伸直链（又称线型链） 由许多链节组成的长链，通常 是卷曲成线团状。这类结构高聚物的特点是弹性、塑性好， 硬度低，是热塑性材料的典型结构。
⑵带支链 支化型分子链，在主链上带有支链。这类结构 高聚物的性能和加工都接近线型分子链高聚物。
一、高聚物的三态
线型非晶态高聚物在不同温度下表现出三种物理状态： 玻璃态、高弹态和粘流态。在恒定应力下的变形-温度பைடு நூலகம் 线如图所示。Tb为脆化温度，Tg为玻璃化温度，Tf 为粘流 温度，Td为化学分解温度。
玻璃化温度Tg是高聚 物保持玻璃态的最高温度， 可认为是大分子链段开始 运动的最低温度。
一、高聚物的三态
（6）氯纶 难燃、保暖、耐晒、耐磨、弹性好，但是染色性 差，热收缩大，限制了它的应用。

b.c.c 1.48
h.c.p 1.75
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例：
• 不同原子价的合金元素在f.c.c铜中的最大极限溶解度？ • Cu: f.c.c; 极限电子浓度 1.36; 原子价 1;
合金元素 Zn Ga Ge As
价电子数 2 3 4 5
理论值％ 实际值％
36
38
18
20
12
12
9
7
★ 价电子数相近的元素具有较大的溶解度。
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结论
• 结构相近
• 原子半径相近 • 电负性相近
溶解度大 （物以类聚）
• 原子价相近
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二、间隙式固溶体
原子半径较小的H、O、N、 C、B溶入金属中，占有间隙位 置，形成间隙固溶体。
原子/间隙 H O N C B f.c.c间隙 b.c.c间隙
陶瓷
晶体相 玻璃相 气相
高分子
晶相 非晶相
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2.1 固溶体
• 凡溶质原子处于固态溶剂晶格中所形成的合金相，称 为固溶体。
• 固溶体分类：
位置
置换式固溶体 间隙固溶体
溶解度
无限固溶体 有限固溶体
排列秩序
无序固溶体 有序固溶体
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一、置换式固溶体
• 溶质原子取代溶剂原子的某 些正常位置所形成的固溶体。
21/12 h.c.p ε相 CuZn3
Cu3Sn Cu3Si Ag5Al3 AgZn3 AgCd3 AuZn3

Materials studio的安装及任务提交
授权文件的安装
启动网关：注意关闭防火墙
授权文件的安装
授权文件的安装
作业怎么提交？
在4楼5楼的微机都能连上服务器
□ 服务器的地址是：192.168.9.1和192.168.9.2
♦ 节点：双志强处理器，12核心。
自己机器的设置，
□ 添加192.168.9.***的ip地址 □ (网络—>属性—>ip地址)
Coupled displacement / unit of a 0
如何研究振动稳定性：声子带的计算
振动稳定性பைடு நூலகம்
BaTiO3
SrTiO3
电子结构分析
能带结构（结合例子）
□ 如何做分析：数据导入导出 □ 成键分析 □ 载流子有效质量计算：
态密度分析（能带图的积分）
□ 成键分析
布居分析 电子结构分析必须和具体的性质联系起来 才有意义。
需要校正 ：
□ 自旋极化及Hubbard U的设置 □ 其它方法校正（HSE等） □ 注意：Hubbard U校正只是针对过渡金属
U值对电压的影响
U值对带隙的影响
稳定性：力学稳定性
在受力的条件下，材料会失稳，导致结构相 变
计算结果
机理及解释
机理及解释
如何计算 力学性能 ？？
稳定性：振动稳定性
能量：很重要 （哪里找？）
□ 热力学稳定性 □
反应的焓变可以根据实验数据算，也可以根据总能 计算。
注意事项，H和G与总能的关系 G = E + PV – TS 对于分子的校正
需要零点能、平动和转动的能量，TΔS （JANAF） 理想气体定律：PV = nRT = 2.48 kJ/mol

第三章材料的相结构及相图第一节材料的相结构1.1置换固溶体当溶质原子溶入溶剂中形成固溶体时，溶质原子占据溶剂点阵的阵点，或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子，这种固溶体就称为置换固溶体。

金属元素彼此之间一般都能形成置换固溶体，但溶解度视不同元素而异，有些能无限溶解，有的只能有限溶解。

影响溶解度的因素很多，主要取决于以下几个因素：（1）晶体结构晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件。

只有当组元A和B的结构类型相同时，B原子才有可能连续不断地置换A原子，如图3-1所示。

(2) 原子尺寸因素(3) 化学亲和力 (电负性因素)(4)原子价合金中的电子浓度可按下式计算：(3-1)式中 A--分别为溶剂；B--溶质的原子价；x--为溶质的原子数分数(％)。

图3-2 元素的电负性(虚线表示铁的电负性数值)1.1.2间隙固溶体溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。

在间隙固溶体中，由于溶质原子一般都比晶格间隙的尺寸大，所以当它们溶人后，都会引起溶剂点阵畸变，点阵常数变大，畸变能升高。

因此，间隙固溶体都是有限固溶体，而且溶解度很小。

1.1.3固溶体的微观不均匀性为了了解固溶体的微观不均匀性，可引用短程序参数。

短程序参数α定义为1.1.4固溶体的性质（1）点阵常数改变（2）产生固溶强化（3）物理和化学性能的变化1.2 中间相1.2.1正常价化合物1.2.2电子化合物1.2.3原子尺寸因素有关的化合物（1）间隙相和间隙化合物(2) 拓扑密堆相1.2.4超结构(有序固溶体)金属间化合物由于原子键合和晶体结构的多样性，使得这种化合物具有许多特殊的物理、化学性能，已日益受到人们的重视，不少金属间化合物特别是超结构已作为新的功能材料和耐热材料正在被开发应用。

第二节二元系相图2.1 固溶体的类型置换固溶体示意图间隙固溶体示意图缺位固溶体示意图2.2 杠杆规则杠杆规则示意图2.3 二元系相图的热力学性质2.3.1由吉布斯自由能曲线作公切线的方法绘制相图液态和固态的吉布斯自由能曲线规定纯液态NiO作为NiO的标准态，纯固态MgO 作为MgO的标准态，则形成1mol固态理想溶液时，体系的吉布斯自由能为1mol液态理想溶液时，体系的吉布斯自由能为把各个温度下不同的xNiO、xMgO值代入上列两式中，就可得到各个温度下液相和固相的吉布斯自由能曲线。

相图上为一条垂直线。
Mg2Si
Mg—Si相图
(2)电子化合物
由ⅠB族或过渡金属元素与ⅡB，ⅢB，ⅣB族元素
形成的金属化合物。
不遵守化合价规律，晶格类型随化合物电子浓度而
变化。
电子浓度为3/2时： 呈体心立方结构（b相）；
电子浓度为21/13时：呈复杂立方结构（g相）；
电子浓度为21/12时。呈密排六方结构（e相）；
体。
III. 电负性差因素
IV. 两元素间电负性差越小，越易形成固溶体，且形
成的固溶体的溶解度越大；随两元素间电负性差
增大，固溶度减小。


1）电负性差值ΔX<0.4~0.5时，有利于形成固溶体
2）ΔX>0.4~0.5，倾向于形成稳定的化合物
IV. 电子浓度因素
V. 电子浓度的定义是合金中各组成元素的价电子数总
子的价电子数恰好使负离子具有稳定的电子层
结构。
金属元素与周期表中的ⅣA，ⅤA，ⅥA元素
形成正常价化合物。
有较高的硬度，脆性很大。
例如：Mg2Si、Mg2Sn、Mg2Pb、MgS、MnS等
(1)正常价化合物
正常价化合物的分子式只有AB，A2B或AB2两种。
常见类型：
NaCl型
CaF2型
Cu原子形成四面体(16个)。
每个镁原子有4个近邻镁原子和12个近邻铜原子；
每个铜原子有6个近邻的铜原子和6个近邻的镁原子
。
Cu
Mg
II. 拉弗斯（Laves）相
②MgZn2型：六方晶系。
Mg原子形成硫锌矿结构；Zn原子形成四面体。
每个Mg原子有4个近邻Mg原子和12个近邻Zn原
子。
每个Zn原子有6个近邻Zn原子和6个近邻Mg原子

的膨胀与收缩导致晶体能量升高，这种升高的能量称为晶 格畸变能。溶质原子引起的点阵畸变能越大，固溶体的溶 解度就越小。
(2) 晶体结构因素 组元间晶体结构相同时，固溶度较大，而且有可能形成
无限固溶体。组元间晶体结构不同，便只能形成有限固溶 体。
(3) 电负性差因素 两元素间电负性差越小，则越易形成固溶 体，而且所形成的固溶体的溶解度也就越大；溶质与溶剂 的电负性差很大时，往往形成比较稳定的金属化合物。
空位时必须是电价总和为零的正、负离子同时移
弗兰克尔空位
出晶体，在晶体中形成正、负离子的空位对。
2) 为了保持电中性，离子间数量不等的置换会在晶体 内部形成点缺陷。
如：2Ca2+→Zr4+ ，形成氧离子空缺。 3) 陶瓷化合物中存在变价离子，当其电价改变时，也
会在晶体中产生空位。
如：方铁矿中，部分Fe2+被氧化为Fe3+时， 2FeO+O → Fe2O3中，产生阳离子空缺。 生阴同离理子，空T缺iO。2中，部分Ti4+被还原为Ti3+时，产
溶剂——摩尔分数大于50％，
溶质——小于50％的组元
3. 按溶质与溶剂原子相对分布分类：
无序固溶体——溶质原子统计式地或概率地分布在溶 剂的晶格中。
有序固溶体——溶质原子在溶剂晶格的结点位或溶剂 晶格的间隙中，有规律的排列。
1．置换固溶体
影响置换固溶体溶解度的因素：
(1) 尺寸因素 溶质原子溶入溶剂晶格引起晶格的点阵畸变。 溶质点阵
第一节 材料的相结构
相——合金中具有同一聚集状态、同一晶 体结构和性质并以界面相互隔开的均匀组 成部分。材料的性能与各组成相的性质、 形态、数量直接有关。
根据相的结构特点分类： 固溶体 中间相

化学建：由电子运动使原子聚集的结合力，是固体 中的主要结合键。
类型： 金属键属键和金属键晶体
元素周期表中，金属占了大约２／３。由于金属 原子的价电子的第一电离能较非金属元素小得多，价电 子脱离原子核的束缚不需很多能量。
当金属原子聚集起来构成金属晶体时，外层的价电 子脱离原来的原子，失去了价电子的原子构成离子占据 晶体的阵点，并不停地振动，而脱离了原子的价电子为 整个晶体所公有，在离子之间运动，构成了近似均匀分 布的电子气。
该 氢核结合，就会遭到已与氢结合的两个负离子的排斥作 用,故氢原子只和二个电负性较强的原子结合,构成一强 一弱的两个键，称为氢键。
氢键特征： 具有方向性； 具有饱和性；
比范德华键强得多，比离子键、共价键小得多。
在高分子资料〔尼龙〕中特别重要；冰〔有一定的外 形〕、磷酸二氢钾及某些蛋白质分子是靠氢键结合的。
2.1.1 资料组元的结合方式
2.1.1.1 组元、相、和组织 2.1.1.2 固溶体 2.1.1.3 聚集体 2.1.1.4 复合体
2.1.1.1 组元、相、和组织
组元
组成资料最根本、独立的物质称为资料的组 元 〔或称组分〕。组元可以是纯元素，也可以是 稳定的化合物。
相〔Phase〕
磁导率、增大比电阻。含2％－4％Si的硅钢片是一种运 用广泛的软磁资料〕
2.1.1.3 聚集体〔组织〕
由无数的原子或晶粒聚集而成的固体称为——聚 集体。〔单相组织或多相组织〕
2.1.1.4 复合体
由两种或两种以上的不同资料经过一定的方式 复合而构成的新型资料称为—复合体。〔复合 组织〕
特点： ① 各相之间存在明显的界面 ② 各相坚持各相固有的特性 ③ 复合体具备各相所不具备的优良特性
离子键的特征：

下晶体和非晶体可互相转化。
金属的结构
晶态
非晶态
SiO2的结构
2、晶格与晶胞 ⑴ 晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成
的三维空间 格架。直线 的交点（原 子中心）称 结点。由结 点形成的空 间点的阵列 称空间点阵
⑵ 晶胞：能代表晶格原子排列规律的最小几何单元。
⑶ 晶格常数：晶
立方
胞个边的尺寸 a、
加工硬化态 (1011-1012/cm2)
透射电镜下钛合金中的位错线(黑线)
高分辨率电镜下的刃位错 （白点为原子）
电子显微镜下的位错观察
③ 面缺陷—晶界与亚晶界 晶界是不同位向晶粒的过度部位，宽度为5~10个原
子间距，位向差一般为20~40°。
亚晶粒是组成晶粒的尺寸很 小，位向差也很小(10’ ~2 )的 小晶块。
⑵ 面 心 立 方 晶 格
面心立方晶格
面心立方晶格的参数
面心立方晶格
晶格常数：a
原子半径：r 2 a
4 原子个数：4 配位数： 12 致密度：0.74 常见金属： -Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au等
⑶ 密排六方晶格
ห้องสมุดไป่ตู้
密排六方晶格的参数
密排六方晶格
晶格常数：底面边长 a 和高 c，
金属键示意图
具有良好的导热性、导电性、延展性及金属光泽。
常见纯金属的晶格类型有体心立方(bcc)、面心 立方(fcc)和密排六方(hcp)晶格。
⑴ 体 心 立 方 晶 格
体心立方晶格
体心立方晶格的参数
体心立方晶格
晶格常数：a(a=b=c)
原子半径：r 3 a 4
原子个数：2 配位数： 8 致密度：0.68 常见金属：-Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等