材料科学基础之相结构.pptx

• 材料的结构包括不同晶体结构和非晶体，以及显微镜下的微观 结构，哪些主要因素能够影响和改变结构？只有了解了这些才
能实现控制结构的目的。
• 材料的性能包括物理性能、化学性能、力学性能。
• 其内部结构包括 四个层次：①原 子结构；②结合 键；③原子的排 列方式；④显微 组织
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（二）材料科学与材料工程的关系
• 材料科学的形成：“材料”早存在，“材料科学”提出于20世 纪60年代，1957年苏联卫星上天，美国震动很大，在大学相 继建立十余个材料科学研究中心，自此开始，“材料科学”一 词广泛应用。
• 一般来讲，科学是研究“为什么”的学问，而工程是解决“怎 么做”的学问。材料科学的基础理论，为材料工程指明方向，
为更好地选择、使用材料，发挥现有材料的潜力、发展新材料 提供理论基础。
• 材料科学和材料工程之间的区别主要在于着眼点的不同或者说
各自强调的中心不同，它们之间并没有一条明确的界线，因此，
后来人们常常将二者放在一起，采用一个复合名词－材料科学
2021/3/1与0 工程（MSE，Material Science and Engineering）
功能材料：电子材料、光电子材料、超导材料
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（四）材料的应用
• 让我们回顾几项有影响的事例，以便加深理解材料的发展在人类社会发 展中起了举足轻重的作用。
• 计算机与材料
1、计算机经历：电子管→晶体管→集成电路时代
2、个人电脑移动存储器的比较
材料科学的发展是计算机飞速发展的基础
种类
《材料科学基础》
《Foundations of Materials Science》
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材料科学基础相结 构
-
1
引言
2 相结构的基本概念
3相结构的分类4源自相结构的应用5结论
1 引言
01
材料科学是研究 材料组成、结构、 性能及其应用的 一门科学
引言
02
相结构是材料科 学中的重要概念， 对于材料的性能 和用途有着决定 性的影响
03
本文将介绍材料 科学基础相结构 的基本概念、分 类及应用
2 相结构的基本概念
01
02
相结构的基本概念
相结构是指材料中不同相的组 成、分布及相互关系。这些不 同相可能是晶体、非晶体、液 体或气体等。在材料中，这些 相通常是由化学元素、化合物 或混合物组成的 相结构的确定对于材料性能的 研究至关重要。例如，材料的 强度、韧性、导电性、导热性 等性能都与其相结构密切相关。 因此，了解材料的相结构是研 究材料科学的基础
无机非金属材料：无机非金属材 料的硬度、耐磨性和电学性能等 与其相结构有关。通过调整材料 的成分和烧结工艺，可以制备出 具有优异性能的无机非金属材料 ，如陶瓷、玻璃等
PART-01
相结构的应用
3. 高分子材料
高分子材料的力学性能、化学反应活性等与其相结构有 关。通过控制高分子材料的合成和加工工艺，可以制备 出具有不同性能的高分子材料，如塑料、橡胶等
4. 复合材料
复合材料的性能取决于其组成相的结构和性质。通过选 择不同的增强体和基体材料，以及优化复合材料的制备 工艺，可以制备出具有优异性能的复合材料，如碳纤维 增强树脂基复合材料、陶瓷颗粒增强金属基复合材料等
5 结论
结论
1
结论
2
3
相结构是材料科学中的重要概念，对于材料的性能和 用途有着决定性的影响

THANKS
感谢观看
稳定性
材料在化学环境中保持其组成和结构的能力。
腐蚀性
材料与化学物质反应的能力，一些材料容易受到腐蚀。
活性
材料参与化学反应的能力和程度。
耐候性
材料在各种气候条件下的稳定性，如耐紫外线、耐风雨等。
材料的力学性质
弹性模量
描述材料抵抗弹性变形的能力。
硬度
材料表面抵抗被压入或划痕的能力。
韧性
材料吸收能量并抵抗断裂的能力。
材料科学的发展历程
总结词
概述材料科学的发展历程，包括重要的里程碑和代表 性人物。
详细描述
材料科学的发展历程可以追溯到古代，如中国的陶瓷和 青铜器制作，古埃及的石材加工等。然而，材料科学作 为一门独立的学科是在20世纪中期才开始形成的。在 这个时期，一些重要的里程碑包括开发出高温超导材料 、纳米材料和光电子材料等新型材料，这些材料的出现 极大地推动了科技的发展。同时，一些杰出的科学家如 诺贝尔奖得主也在这个领域做出了卓越的贡献。随着科 技的不断进步，材料科学的发展前景将更加广阔。
。
绿色材料与可持续发展
绿色材料
采用环保的生产方式，开发具有环保性能的新型材料，如可降解 塑料、绿色建材等。
节能减排
通过采用新型材料和技术，降低能源消耗和减少污染物排放，实现 节能减排的目标。
可持续发展
推动材料科学的发展，实现经济、社会和环境的协调发展，促进可 持续发展。
非晶体结构与性质
非晶体的结构特征
非晶体中的原子或分子的排列是无序的，不遵循长程有序的晶体 结构。
非晶体的物理和化学性质
非晶体的物理和化学性质与晶体不同，如玻璃态物质具有较好的化 学稳定性和机械强度。

电负性差ΔX<0.4时，易于形成固溶体。 如，Cu(1.9)-Ni(1.9)，可无限互溶。
SCHOOL OF CHEMISTRY AND MATERIAL SCIENCE OF GUIZHOU NORMAL UNIVERSITY
贵州师范大学
化学与材料科学学院
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第一节 材料的相结构
THE PHASE STRUCTURE OF MATERIALS
固溶体
中间相
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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。
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3）电负性差因素
电负性：衡量原子吸引电子能力的参数，电负性越强，吸引 电子的能力越强。
电负性差ΔX>0.4时，易于形成较稳定的金属间化合物；
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4）电子浓度因素
电子浓度：合金中各组成元素的价电子数总和与原子总数 的比值，记为e/a。
C电 合金中价电子数之和 原子数之和
例：合金含有摩尔分数为x、原子价为VB的溶质原子，溶剂 的原子价为VA，则合金的电子浓度为：
e V A 1 x V B x a

相和相平衡
Байду номын сангаас四、自由度与相律
1、自由度：平衡系统中独立可变的因素
自由度数：独立可变的强度变量的最大数目
(强度变量与广度变量的区别）
2、相律：自然规律
在平衡系统中由于受平衡条件的制约，系统内
存在的相数有一定限制。 组元数 相数P≥1
吉布斯相律：不可为负数
f=c-p+n
外界影 响因素
通常外界影响因素只考虑T、P，所以f=c-p+2
• 掌握匀晶，包晶，共晶相图的特点，进而了解二元合金的一些平衡凝固，固 相转变的规律。
• 重点难点： • 二元系相图的建立，杠杆定律 • 包晶相图，共晶相图，共晶合金 • 相图分析，各种液固，固相转变的判断
材料的性能决定于内部的组织结构，而组织结构
又由基本的相所组成。
相：均匀而具有物理特性的部分，并和体系的其他 部分有明显界面。
晶型转变过程都是在恒温下进行，并伴随有体 积、密度的变化。 2、SiO2系统相图 α-石英与β-石英相变相当慢， β-石英常因冷却过快而被保留 到室温，在常压下，低于573℃
单元系相图
β-石英很稳定，所以自然界或低温时最常见的是 β-石英。晶型转变时，体积效应特别显著。 Al2O3、ZrO2也具有多晶型转变。 3、聚合物相图 （1）状态由分子间作用力决定，分子间约束力弱
共晶相图，平衡凝固，共晶合金，包晶相图，形成化合物的相图，含有双液 共存区的相图，熔晶相图等 ，二元相图的几何规律 ，单相，双相及三相共 存区，相图特征 ，二元系相图的分析，分析的方法与步骤，分析举例。
• 教学目的： • 学习相平衡与相图的基本知识，了解相图在材料科学学习中的重要性，学会
相图的使用。

❖ 材料发展动力： ▪ 社会需求（市场拉动） ▪ 技术发展（技术推动） ▪ 科学发展（对物质的了 解，是创新的源泉）
• 硅时代（1950年）
• 20新20/材12/1料9 时代（1990年材、料科特学征与工是程多学院种材材料学料教研并室存）
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材料科学与工程学院材料学教研室
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材料的历史：300,000 BC—3,500 BC
川徐家岭楚墓出土。龙首、虎颈、虎身、虎尾、
编钟：春秋中期，1978年河南淅川出土， 龟足，张口吐舌，牙齿犀利。龙首上附六条蛇
最大钟通高120.4厘米，舞修52.3厘米，
形龙。脊背上有有一方座，座上有一神兽也为
铣间59.7厘米。该钟一组26件，形制相同， 龙首，口衔一条龙，龙 首。通身饰动物纹和
大2小02依0/1次2/递19减。
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材料科学与工程学院材料学教研室
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提到“材料”，同学们会想到什么？列举一下现 代生活中用到了哪些材料？给材料下个定义。
请同学们能不能根据材料的发展来划分历史？如 果能，是怎样划分的？ 材料科学与材料工程有什么区别？
请问同学们材料是怎样分类的？
如何认识材料的科学问题？ （链接）
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•
由于材料的重要性，历史学家常常根据人类使用的材料来划分
人类社会发展的历史阶段。从古代到现在人类使用材料的历史共经
历了七个时代，其中的有些时代持续了几个世纪，各时代的开始时
间：
• 旧、新石器时代（公元前10万年） • 陶器时代 • 青铜器时代（公元前3000年） • 铁器时代（公元前1000年） • 水泥时代（公元0年） • 钢时代（1800年）
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在化学工业中的应用
化工过程控制
相图可以用来预测不同成分和温 度下的相态和物性，为化工过程 的控制提供依据，确保生产过程
的稳定性和安全性。
化学反应研究
相图可以用来研究化学反应过程中 物质的状态和性质变化，有助于深 入理解化学反应机理和反应条件的 选择。
分离技术应用
相图可以用来指导分离技术的选择 和应用，例如利用相图的溶解度曲 线进行萃取分离或结晶分离。
04
相图的应用
在材料科学中的应用
合金设计
相图是合金设计的基础，通过相 图可以确定合金的成分范围以及 各相的组成和性质，从而优化合 金的性能。
热处理工艺制定
利用相图可以确定合金在不同温 度下的相变过程，从而制定合理 的热处理工艺，优化材料的显微 组织和力学性能。
新材料研发
相图为新材料研发提供了理论指 导，通过研究不同成分和温度下 的相变规律，可以发现具有优异 性能的新型材料。
实验法是绘制相图最直接和可靠的方 法，但需要耗费大量的时间和资源。
实验法通常需要使用精密的实验仪器 和设备，如热分析仪、X射线衍射仪、 扫描电子显微镜等，以获得精确的数 据。
计算法
计算法是根据物质的分子或原 子模型，通过计算机模拟计算 物质之间的相平衡关系。
计算法可以快速地预测物质的 相平衡关系，但需要建立准确 的分子或原子模型，且对计算 资源的要求较高。
在冶金工业中的应用
钢铁冶金
01
钢铁冶金过程中涉及大量的相变和相分离，相图是指导钢铁冶
金工艺的重要工具，有助于优化炼钢和连铸连轧工艺。
有色金属冶金
02
在有色金属冶金中，相图可以用来确定合金的成分和温度范围，
优化熔炼、浇注和凝固工艺，提高产品的质量和性能。

sh o w n .
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2.3.1 固溶体
固溶体(solid solution) ： 固溶体的最大特点是保持溶剂的晶体结构。
1. 固溶体分类
(1)按溶质原子在点阵中所占位置分为：
置换固溶体(substitutional solid solution)：溶质原子置换了 溶剂点阵中部分溶剂原子。
间隙固溶体(interstitial solid solution) ：溶质原子分布于 溶剂晶格间隙中。
有序固溶体：溶质原子按一定比例和有规律分 布在溶剂晶格的点阵或间隙里。 (4)按基体类型分类：
一次固溶体：以纯金属为基形成的固溶体。 二次固溶体：以化合物为基形成的固溶体。
固溶体的两种类型（置换和间隙）
有序固溶体－短程
有序固溶体－长程
有序固溶体－偏聚
2. 置换固溶体
置换固溶体一般在金属元素之间形成，但要有一定条件。 (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 限固溶体。 (2)原子尺寸在其它条件相近时,△r<15% 或r质/r剂>0.85固溶体 中溶解度较大,否则较小。 如:铁基合金中，△r<8%才能形成无限固溶体。 铜基合金中，△r<10%才能形成无限固溶体。 (3)电负差越大,两者间亲和力大,易形成中间相。否则易形成固溶 体。 (4)电子浓度值大易形成化合物；电子浓度小易形成固溶体。
置换固溶体示意图
置换固溶体大小溶质原子引起的点阵畸变
3. 间隙固溶体
间隙固溶体的的溶质原子是一些原子半径小于0.1nm 的非金属元素（如C、N、O、、H、B）。
其形成条件是 △r>41% 或 r质/r剂<0.59
间隙固溶体只能是有限固溶体,一般溶解度较小。如： 碳原子在α－Fe（最大Wt=0.0218%）和γ－Fe（最大 Wt=2.11%）溶体示意图1

组织是指用金相观察方法观察材料内部时看到的涉及晶体或晶粒大小、方向、形状排 列状况等组成关系的组成物。不同的组织具有不同的力学性能和物理性能。
第一章 材料结构的基本知识
一、原子的电子排列
第一节 原子结构
原子
原子核
中子 质子
核外电子
原子的结构示意图
原子的运动轨道是有四个量子数所确定的，它们分别为主量子数、次量子数、磁 量子数以及自旋量子数。四个量子数中最重要的是主量子数n(n=1、2、3、4·····），
正方晶系： d h k 1 / l h [ /a ) ( 2 ( k /b ) 2 ( l/c ) 2 ] 1 /2
六方晶系：
d h k 1 / l4 / [ 3 ( h 2 h k k 2 ) /a 2 ( l/c ) 2 ] 1 /2
第二节 纯金属的晶体结构
一. 典型金属的晶体结构
金属晶体中的结合键是金属键，由于金属键没有方向性和饱和性，使大多数金属晶 体都具有排列紧密、对称性高的简单晶体结构。最常见的典型金属通常具有面心立方（A1 或fcc）、体心立方（A2或bcc）和蜜排六方（A3或hcp）三种晶体结构。
四. 晶面间距
1. 晶面间距：相邻两平行晶面间的距离。
2. 计算公式
对于各晶系的简单点阵，晶面间距与晶面指数 (hkl) 和点阵常数(a,b,c)之间有如下
关系：
立方晶系：
dhk la/h ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ2k2l2]1/2
四方晶系：
d h k1 l/h [2 (k 2 )/a 2 ( l/c )2 ] 1 /2
二.材料性能与内部结构的关系
材料的不同性能都是由其内部结构决定的。从材料的内部结构来看，可分为四个 层次：原子结构、结合键、原子的排列方式（晶体和非晶体）以及显微组织。

垂直截面中正三角形
38
38
7.8.5 两相平衡、三相平衡和 四相平衡的类型和一般规律 （2）三相包晶型平衡（由两个相反应生成一个相） 包晶转变 L ＋ → 包析转变 →＋ 合晶转变 L1＋L2→
垂直截面中倒三角形
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39
7.8.5 两相平衡、三相平衡和 四相平衡的类型和一般规律
三相平衡图形特点：
24
24
7.8.4 三元共晶相图 应用：
可确定合金在该温度下的相组成； 可运用杠杆定律和重心法则确定合金中各相 的成分及其含量。
25
25
7.8.4三元共晶相图
2.垂直截面与投影图 b1 O点合金室温相组成物： A＋B＋C
c1 （1）投影图
a1
wA
oa1 Aa1
100%
wB
ob1 Bb1
三元合金R在某温度处于++三相平衡状 态，则该合金成分点必定处在这三相成分点 组成的三角形的重心。
13
13
W Rd w % 100 % W R ad
Re w % 100% WR e B% Rf w % 100% W R f
A
B
W
C% f
杠杆定律：
WP / WQ RQ / RP
。
10
10
7.8.2 三元系平衡相的定量法则
合金R在某温度处于+两相平衡，则R的成 分必定落在连接两个成分点的直线上。 杠杆定律：
W / W Rβ / Rα
。
W % R / 100%
，
W % R / 100%
11
O
XA+XB+XC=100％
A