材料组成、结构与性能ppt课件.ppt
2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,1,第二章 材料的组成、结构与性能,2.1 材料的组成 2.1.1 材料组元的结合形式 2.1.2 材料的化学组成2.2 材料的结构 2.2.1 材料中的化学键合 2.2.2 晶体结构基础,学习要求,小结,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,2,学习要求,牢固地建立各种材料都具有不同的内部结构这一概念,明确认识内部微观结构有几个不同的层次,明确认识不同层次的结构对性能有不同的影响,了解晶面、晶棱、顶点、解理面的概念；晶体的宏观特性、晶面角守恒定律；熟悉密堆积和配位数,掌握空间点阵、平移周期；晶胞、 点阵常数；七个晶系、十四种类型；结合力的普遍特征,掌握晶体缺陷的类型、特征,掌握材料的组织、相的概念,掌握固体材料的结构。不同材料的基本结构特点及其基本性能,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,3,物质的状态,世界上的一切物质都是由元素组成的。以单元素、或多元素复合形式存在，构成各种固体、液体和气体。,作为物质体系的基本组成单元：离子、原子或分子等粒子，在组成具体物质时，彼此之间产生相互作用力，具势能。粒子本身也处在不停的运动中，因此具有动能。,粒子之间的相互作用，相互吸引，从而结合在一起。吸引力的大小与粒子间的距离有关。两粒子间的距离大于平衡距离时，距离越近，引力越大，结合力越大。,温度是离子键作用力的主要影响因素之一。温度越高，粒子运动越剧烈，则彼此分离的趋势加大。所以，物质的状态取决于粒子间的相互作用和它们的热运动。随温度和压力等外界条件的不同，物质处于不同的状态。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,4,本课程主要讨论对象固态物质,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,5,2.1.1 材料组元的结合形式,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 材料的组成,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,6,2.1.1.1 组元、相、和组织,组元,组成材料最基本、独立的物质称为材料的组元 （或称组分）。组元可以是纯元素，也可以是稳定的化合物。,相（Phase）,材料中具有同一化学成分并且结构相同的均匀部分叫做相。,相,单质,化合物,固溶体,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,7,材料的组织（Structure结构）,晶相、非晶相（玻璃）和气相（气孔）,分类（按尺度划分）：,多晶材料的微观结构一般包括：,材料性能的决定性因素,材料内部由各种相所形成的图案。是相的形态、大小、数量及其分布的图像。,只含一种相的组织为单相组织或单一组织；由多种相构成的组织为多相组织或复合组织。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,8,图2-54,（a) 为纯Al铸锭不同冷却条件的宏观组织（横截面） 单相组织,(b) 为钢的显微组织照片白色的为铁素体，即-Fe，黑色的为化合物 ，称之为渗碳体。珠光体形态多相组织,相和组织的比较,（c) 为合金钢的电子显微组织照片经过高温加热和水冷以后，得到马氏体组织，位错现象,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,9,改变机体的物理和化学性能（Si溶入Fe中，可提高磁导率、增大比电阻。含24Si的硅钢片是一种应用广泛的软磁材料）,2.1.1.2 固溶体（相）,溶质组元溶入溶剂组元的晶格中所形成的单相固体称为固溶体。（一种相）,按照溶质原子在溶剂晶格中的位置不同，固溶体可分为：,置换型固溶体（或称取代型固溶体）：A溶剂晶格原子被B溶质原子取代。,填隙型固溶体（或称间隙型固溶体）：A溶剂晶格间隙被B的原子填入。,固溶体形成对材料性能的影响：,提高材料的强度和硬度（固溶强化）,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,10,2.1.1.3 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）,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,11,2.1.1.4 复合体,由两种或两种以上的不同材料通过一定的方式复合而构成的新型材料称为复合体。（复合组织）,特点：, 各相之间存在明显的界面, 各相保持各相固有的特性, 复合体具备各相所不具备的优良特性,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,12,2.1.2 材料的化学组成,2.1.2.1 金属材料的化学组成 2.1.2.2 无机非金属材料的化学组成 2.1.2.3 高分子材料的化学组成,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,13,2.1.2.1 金属材料的化学组成,金属材料包括：纯金属和合金,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,14,由两种或两种以上的金属元素或金属元素与非金属元素构成的具有金属性质的物质。,金属合金,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,15,2.1.2.2 无机非金属材料的化学组成,无机非金属材料包括：,陶瓷、玻璃、水泥和耐火材料等,由金属元素和非金属元素的化合物配合料经一定工艺过程制得的。其化学组分几乎涉及到元素周期表上的所有元素。,传统陶瓷 以K2O-Al2O3-SiO2系统为代表；水 泥 以CaOAl2O3SiO2三元系统相图为基础；普通玻璃 以Na2OCaOSiO2三元系统相图为基础；耐火材料工艺中常用的有 SiO2Al2O3和MgOSiO2二元 体系相图。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,16,有机高分子材料（天然）：松香、淀粉、蛋白质和天然橡胶。有机高分子材料（合成）：塑料、合成纤维、合成橡胶、交粘剂、 涂料等。无机高分子材料：是指其分子组成中无碳元素，如硅酸盐材料、玻 璃、陶瓷（指它们当中的长分子链）等。,2.1.2.3 高分子材料的化学组成,高分子材料是以相对分子质量大于5000的高分子化合物（聚合物、高聚物、树脂）为主要组分的材料，分为有机高分子材料和无机高分子材料。有机高分子材料是由相对分子质量大于104的有机化合物组成。它有天然和合成之分。,有机化合物简称为碳氢化合物。以碳元素（C）为主，大多数是同氢元素（H）、氧元素（O）中的任一种或两种以上结合而成的。此外，也有同氮（N）、硫（S）、磷（P）、氯（Cl）、氟（F）、硅（Si）等结合构成。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,17,元素周期表及电负性,所有的材料都是由元素周期表上的元素所组成的。每种元素的原子都是由原子核及核外运动的电子所组成，电子在原子内部占据着不连续的能级。元素周期表揭示了每种元素的原子其电子在核外运动所采取的排列方式或状态的规律。因此，我们不仅在化学中用归纳和预测元素的化学行为，而且在材料科学中我们也将应用周期表来分析凝聚态材料的形成及性能。,2.2.1 材料中的化学键合,2.2 材料的结构,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,18,当自由原子凝聚而成固体时，邻近原子间将发生化学交互作用。有些原子易于失去电子，有些原子易于得到电子，为了科学地比较各种元素的原子得失电子的难易程度，引入了元素电负性的概念:,用它来表征一种元素的原子对外层电子的吸引能力，原子的电负性越大吸引电子的能力越强。,元素的电负性值：, 同一周期元素自左至右电负性逐步增加，, 同一族元素，自上而下价电子距原子核距离越来越远， 因此库仑作用减弱，电负性减小。, 过渡族元素的电负性比较接近。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,19,由于不同元素的原子得失电子的能力不同，所以不同原子组成凝聚态固体时，原子间相互作用使电子重新分布，在原子间形成了化学键，正是这些化学键使原子结合成固体。根据电子的分布、键形成的物理起源和所涉及的键力的性质，可将化学键分成五种类型。,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、 离子键、共价键、分子键和氢键,不同材料的本质区别？,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,20,（1）金属键和金属键晶体,元素周期表中，金属占了大约。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形成金属晶体时，外层的价电子脱离原来的原子，失去了价电子的原子形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，形成了近似均匀分布的电子气。,金属键：这种不属于哪一个原子的公有化电子与离子之 间的库仑相互作用称为金属键（图2-9）。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,21,金属键的特征：,无饱和性；,金属键晶体的特征：（如：Fe）,高导电； (2-10 ),无方向性（自由电子运动共有）；,原子排列都尽可能的紧密，原子配位数高、高密度；,金属键比较弱。,强度有高低、良好的塑性、良好的延展性；（图2-11）,熔点有高低、导热性好；,高反射率，不透明（外层电子易被可见光能量激发）,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,22,典型离子键通式： MX （二元离子晶体) M金属元素 X非金属元素,（2）离子键和离子晶体,如：NaCl,碱金属Na易于失去外层电子形成钠离子Na+,卤族元素Cl氯易接受钠原子所失去的电子形成氯离子Cl-。,离子键：正负离子间的静电库仑吸引作用。,离子晶体：在这种正负离子之间的静电库仑吸引作用下形成的晶体。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,23,离子键的特征：,具饱和性;,无方向性的、或方向性不明显;（但要求正负离子相间排列）,晶格呈最紧密堆积，配位数高、中等密度;,结合力很强。,离子晶体的特征：,硬度高；强度大；,熔点高、膨胀系数小；,导电性很差，但熔体为导体。电荷的迁移是以整个离子运动方式；,光学性能随各构成离子性质而不同，多为无色或浅色透明的。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,24,（3）共价键和共价键晶体,共价键: 当不是离子而是原子作为结合成分子的基元时，把 原子结合形成分子的键称为共价键（或原子键）。,或：一对为二个不同原子核所共有的自璇相反配对的电子结 构称为共价键，此时，电子为二个原子所“共有”。,共价键特征：,饱和性；,方向性；（三对P电子运动空间成“棒槌状”，具有方向性。）,低配位数、低密度；,共价键的结合相当强；如：每个硅原子通过四个共价键与4个邻近原子结。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,25,高熔点、高强度、高硬度；（35对，如金刚石晶体结构),共价键晶体的特征：,高熔点、除链状高分子类材料外，大多数是脆性；,光学性能良好，高折射率；,导电性差（绝缘体）。（外层电子都用于成键）,202.204.109.74/resource/data/0802/N/bjx2_08.swf,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,26,（4）氢键,氢原子虽属第一族元素，但与其他第一族元素不同，它的电离能特别大，达13.6 ev，难以形成离子键。 当氢原子与其他原子（如F、O、N等）结合时，电子更倾向于集中在非氢原子一端，使氢核暴露在外，并可以通过库仑相互作用与电负性较大的另一个原子结合。由于氢核体积很小，若再有第三个负离子再要与该氢核结合，就会受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,形成一强一弱的两个键，称为氢键。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,27,具有方向性；,氢键特征：,具有饱和性；,比范德华键强得多，比离子键、共价键小得多。,在高分子材料（尼龙）中特别重要；冰（有一定的形状）、磷酸二氢钾及某些蛋白质分子是靠氢键结合的。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,28,（5）范德华键和范德华键晶体,元素周期表中最右边的第VIII族元素，每个原子的外层电子形成稳定的封闭壳层结构，它们通常不参加化学反应，一般形成单原子气体。此时，要想将属于某个原子的电子以某种方式转移给其他原子将需要相当大的能量。但它们也能结合成固体，这是由于电子在核外不停地绕核运动，但在某一瞬间，电子必定处在某一固定位置上，电荷在空间的分布是不均匀的，会出现瞬间的正、负电中心不重合，产生瞬间的电偶极矩（偶极子），两个产生吸引作用的电偶极矩就形成了分子键或范德瓦尔斯键。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,29,分子键的特征：,无方向性，,无饱和性，,原子紧密堆积，配位数高、高原子密度；,键很弱。,分子键晶体的特征： （如：固态惰性气体）,疏松、质软；,绝缘体；,熔点低，高膨胀性；,透明。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,30,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,31,归纳上述内容，有以下三点特别提醒大家注意, 实际上的凝聚态材料的键合不是单一的，而是混合的,如：,周期表中IIVI族元素及IIIV族元素形成的化合物，其结合键就既有离子键的成份也有共价键的成份。,IIVI族化合物，离子键是主要的；,IIIV族化合物，共价键是主要的。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,32,元素碳既可结合成金刚石，也可结合成石墨。前者是典型的共价键，而石墨的键合情况就要复杂的多（图2-14）。石墨是一种层状晶体，在层面内的三个结合键是共价键，与层面垂直方向还应有一个电子,形成金属键，层面之间又是靠很弱的范德瓦尔斯力结合在一起。,由于键合情况的区别使得石墨与金刚石有完全不同的性能，石墨层片之间非常容易运动，沿层片方向，石墨是一种良导体。,例如：,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,33,定性判断形成凝聚态结合类型（电负性）,电负性相差很大时，如周期表中 IVII族元素组成的化合物，主要是离子键。,电负性相差小的原子之间成键，主要是共价键，也有一定的离子键成份，价电子不仅为两原子共享，而且应偏向于电负性大的原子一边。,同种原子之间成键，电负性相同，可以是共价键，也可能是金属键。, 材料的键合方式决定其性能。在熔点、硬度上反映明显。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,34,材料分类,从原子结合键类型分类金属材料金属键 共价键无机非金属材料 离子键 复合材料 共价键高分子材料 分子键 氢键,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,35,原子或分子 固体,（有一定的外形、一定的熔点）,介绍,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,36,介绍,我们都知道，冰糖、粗粒食盐的外形都有一些规则的几何形状，常常有许多的小平面，之所以会是这样与组成冰糖和食盐的分子有规则地排列有关。对于物质组成的规则排列，起初人们只是一种揣测，随着科学技术的发展，现代分析仪器已可以揭示出组成物质的原子、分子的排列情况，,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,37,1）逻辑推理(古代哲学家，432 BC.)2）宏观形貌观察、观测（by eye, 1669）3）数学理论计算4）科学测定（X-ray diffraction, electron diffraction,等）,人类对材料微观结构认识的发展过程,1、古代中国：“日取其半，万世不竭”“道生一，一生二，二生三，三生万物”（老子）；“以土与金、木、水、火杂以成百物”（国语正语）；“太极生两仪，两仪生四象，四象生八卦，八卦交而生万物” （易经）,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,38,2、Europe:Plato (428-348 B.C.) and Euclid (330-275? B.C.)5 regular polyhedrons stand for 5 original elements (fire, air, earth,water, ether) which were used for describing every thing in the world.,Fire - tetrahedron,Air - octahedron,Ether - dodecahedron,Earth - cube,Water - icosahedron,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,39,介 观,宏 观,晶体的结构与形状,晶体的结构,晶体的形状,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,40,Morphology of PbS crystal with NaCl structure,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,41,Morphology of Diamond,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,42,Snow flake,SOURCE:W. Bentley & W. Humpbreys, Snow Crystals, (McGraw-Hill Book Company, 1931), p.147.,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,43,STRUCTURE OF ICE (H2O),2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,44,宋（960-1279 A.D.）楼钥,谢林景思和韵黄昏门外六花飞，因倚胡床醉不知。,南朝陈（557-589 A.D.）徐陵，咏雪岂苦天庭瑞，轻雪带风斜。三农喜盈尺，六出舞崇花。,雪花 “六出”、“六花”,西汉（206 B.C.-24 A.D.）,韩诗外传：凡草木花五出，独雪花六出,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,45,1669, N. Steno, 晶面角守恒定律,材料科学的发展过程,1885, A. Bravais, 晶体空间点阵学说,1912, M. Laue*, 晶体的X射线衍射,1915, W. H. Bragg and W. L. Bragg*X射线晶体结构分析方法,* 1914s Nobel prize; *1915s, *1987s.,电子显微镜（SEM、TEM）,扫描探针显微术*（STM、AFM）,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,46,上图为扫描隧道显微镜所探测到的石墨层面的碳原子排列，具有典型的六角网状结构。,晶体宏观特征和微观结构的实验验证,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,47,晶体周期性,远在十七世纪，惠更斯（C.Hugens）就从天然矿物方解石的解理性和双折射性出发，推断其结构是一些椭球的堆集。,直到十九世纪，布喇菲(Bravais)提出了空间点阵学说。按此学说，理想晶体的内部结构是：,组成晶体的原子、分子或原子团等在三维空间中有规则地周期性重复排列，这种周期性排列是晶体构造最基本的特点，也是研究晶体各种物理性质的重要基础。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,48,2.2.2 晶体结构基础,2.2.2.1 晶体结构的基本特征,2.2.2.2 结构的不完整性,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,49,2.2.2.1 晶体结构的基本特征,晶体,晶体周期性,是指原子或原子团、离子或分子按一定规律呈周期性地重复排列构成的物质。,原子或分子在三维空间呈周期性的规则而有序地重复排列，即存在长程的几何有序是晶体结构的基本特征。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,50,基元：,组成晶体的原子、离子、分子或原子团统称为晶体的基本结构单元的简称。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,51,布喇菲点阵,由几何点沿空间三个不共面的方向各按一定距离无限重复地平移构成，每个方向的一定平移距离称为该点阵在该方向的周期，故周期性也可以称之为平移对称性。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,52,组成晶体的基元 空间点阵或 （基元的种类，排列方式）,晶体基元周期性排列的点的集合是“晶格”（或点阵）。,晶体的结构,晶体中基元,“格点”或“结点” “等同点”或“相当点”,布喇菲点阵,周围的环境和方位,几何点(处基元位置）,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,53,晶 胞: 空间格子的单位平行六面体。,点阵参数: 是描述晶胞尺寸和形状的参数，它 包括晶胞各边的长度a1、a2、a3和 各边之间的夹角、 。 （图2-22）,空间格子：表示晶体构造的规律性的几何图形。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,54,晶体的对称性: 是指晶体经过某种几何变换仍能恢复原状的特 性。,晶体的对称性、晶系,晶 向: 晶格中各格点列的方向代表了晶体基元列的方向称之 为晶向， 晶向指数。,对称要素（理想晶体）:平移面，螺旋轴（L2、L3、L4、L6） （图a图b),晶 面: 通过晶格中的任意一组格点的平面代表了晶体中的基 元平面称为晶面。（图）,布喇菲点阵只有14种，晶体学中所有晶体分属这七大晶系,非立方晶胞，如正方晶胞的晶面、晶向关系,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,55,ABA,ABCA,ATOMIC PACKING,体心立方结构,密排六方结构,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,56,Packing mode 1 (ABCABC),2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,57,Packing mode 2 (ABCABC),2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,58,Packing mode 3 (AaBbCcAaBbCc),2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,59,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,60,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,61,晶体,许多固体以多晶形式存在。多晶是许多单晶（不同取向）组成的聚集体。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,62,多晶材料重要的结构因素,晶粒（Grain):,是指无一定几何外形的多晶集合体，由许多彼此取向不同的单晶组成的聚集体称为“晶粒”。由许多晶粒组成的晶体结构称为“多晶体”。,晶粒大小,晶界（Grain Boundary ):,是指晶体内取向不同的两个晶粒之间的相邻边界。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,63,2.2.2.2 结构的不完整性,实际上，组成材料的晶体中的原子总是在平衡位置附近进行热振动。其原子或离子的排列不可能是完全规则的，即存在着晶体缺陷。即大多数晶体与理想晶体结构都有一定偏差存在。这种不完整性（晶体缺陷）依据其几何形状分为：点缺陷、线缺陷、面缺陷和体缺陷。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,64,点缺陷,在三维空间各方向上的尺寸都很小，所以也称为零维缺陷。包括空位，间隙原子，异类原子（固溶体）等。,空位与间隙原子,空位和间隙原子经常是同时出现和同时存在的两类点缺陷，如图,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,65,晶体中空位,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,66,原子作热振动，一定温度下原子热振动能量一定，呈统计分布，在瞬间一些能量大的原子克服周围原子对它的束缚，迁移至别处，形成空位。,空位形成引起点阵畸变，亦会割断键力，故空位形成需能量，空位形成能（EV）为形成一个空位所需能量。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,67,空位能够与相邻原子交换位置而运动的特点,影响：,晶体中原子的扩散与空位的存在与运动密切相关。空 位还可以造成材料性能的变化，最明显的是引起电阻的 增加，还使得晶体的密度下降，对材料的高温力学性能 也有影响.,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,68,当晶体内沿着某一条线附近的原子排列发生畸变，破坏了晶格周期性时就形成了线缺陷。线缺陷就是“位错”。,线缺陷,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,69,刃位错,刃位错,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,70,螺旋位错,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,71,位错线：质点滑移面和未滑移面的交界线称为位错线。,刃位错：滑移方向位错线方向由图2-47。,螺旋位错：滑移方向位错线方向图48。,位错宽度：位错不是一条几何的线，有一定宽度，这个宽 度被称为位错宽度。位错宽度不同，使其运动 的难易程度不同，位错宽度越大，越易运动。 （晶面、晶向，原子疏密程度；位错宽度；运动 情况),滑移面: 原子排列最紧密的平面被认为是滑移面。,滑移方向: 原子排列最密排方向被认为是滑移方向。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,72,1）刃型位错有一额外半原子面,刃位错特征,2）位错线不一定是直线，可以是折线或曲线，但 刃型位错线必与滑移矢量垂直，且滑移面是位 错线和滑移矢量所构成的唯一平面。,3）位错周围的点阵发生弹性畸变，既有正应变， 又有切应变位错是一管道,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,73,1）螺旋位错无额外半原子面，原子错排呈轴对称,螺旋位错特征,2）螺旋位错与滑移矢量平行，故一定是直线,3）包含螺旋位错的面必然包含滑移矢量，故螺旋位错可以 有无穷个滑移面，但实际上滑移通常是在原子密排面上进行，故有限,4）螺旋位错周围的点阵也发生了弹性畸变，但只有平行于位错线的切应变，无正应变（在垂直于位错线的平面投影上，看不出缺陷）,5）位错线的移动方向与晶块滑移方向互相垂直,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,74,影响,对材料的塑性变形情况有影响。如：共价键晶体材料,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,75,位错不是一条几何的线，而是有一定宽度的，在这个宽度范围内原子的规则排列都被破坏，这个宽度被称为位错宽度。位错宽度不同，使其运动的难易程度不同，位错宽度越大，越易运动。,不同晶面与晶向，原子排列的疏密程度不同，所以位于不同晶向、晶面的位错，其位错宽度也不一样，因而其运动情况也不同。位错只有沿着排列最紧密的面及原子密排方向运动才最容易，所以原子排列最紧密的平面被认为是滑移面，最密排方向被认为是滑移方向。,不同的晶体结构，滑移面和滑移方向不同，滑移面及其滑移方向的数目也不同。,位错宽度,晶体结构对材料的塑性变形情况有影响。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,76,晶体中偏离周期性排列的二维缺陷称为面缺陷。,面缺陷, 材料的表面是最显而易见的面缺陷（垂直于表面方向上，平移对称性被破坏了。）,影响：,表面的存在对材料的物理化学性能有重要的影响。常见的氧化、腐蚀、磨损等自然现象都与表面状态有关。,借助离子束、激光、等离子体等新技术手段，改变材料表面及近表面的组分、结构与性能，使其具有更好的功能。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,77,线不耐腐蚀，腐蚀剂的作用下 变成了沟槽。,纯铁的微观结构照片, 晶界是面缺陷,不同颜色小块不同块原子排列 不同，耐腐蚀性也不一样。,表明：,这块纯铁试样是由取向不同的许多晶粒组成的，晶粒之间是晶界，晶界具有二维尺度，可以认为是面缺陷。,晶界处原子排列不规则，导致不耐腐蚀。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,78,图2-51表示了晶界处原子的排列。表示了两种晶界：,影响,小角度晶界，晶界两侧晶粒的位相差很小（一般小于10o），小角度晶界基本上由位错组成 （图2-52）。,大角度晶界（大于10o）,一般多晶体各晶粒之间的晶界属于大角度晶界。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,79,晶界处特点, 原子的排列比较疏松，晶格畸变较大，界面能量较高。, 原子容易沿着晶界扩散，, 杂质原子容易在此处聚集，导致晶界成份与晶内不同，, 原子的无规则排列。,晶界具有与晶粒内部不同特性, 晶界处熔点低；, 耐腐蚀性较差；, 扩散系数较大；, 阻碍位错运动，强度、硬度较高；, 电阻率较高；, 发生相变时优先成核等。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,80,一种“缺陷”作为主体的材料纳米材料,由于这些超微粒的界面无序原子和内部的有序原子各占50%左右，因此这种材料有十分独特的性能.,如:,断裂应力纳米铁比一般铁材料高12倍；,硬度 纳米铜比普通铜高5倍；,气体通过的扩散速度 纳米材料比一般材料快几千倍；,熔点 纳米银粉低到100等等。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,81,体缺陷就是原子偏离周期排列的三维缺陷。一般指材料中的空洞、夹杂物等。,体缺陷,影响：, 与其几何尺寸大小有关；, 与其数量、分布有关；, 有害。,新一代材料的含义就是要求材料更纯、晶粒更细，意味着要尽量减少体缺陷，尽量增加面缺陷和线缺陷。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,82,2.2.3 材料的结构,典型晶体结构,2.2.3.1 金属材料的结构,2.2.3.2 无机非金属材料的结构,2.2.3.3 高分子材料的结构,2.2.3.4 多相复合材料的结构模式,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,83,球体紧密堆积原理,原子和离子都具有一定的有效半径。可看成是具有一定大小的球体。在金属晶体和离子晶体中，金属键和离子键是没有方向性和饱和性的。,立方紧密堆积,六方紧密堆积,从几何角度看，金属原子之间或离子之间的相互结合，在形式上可看成是球体间的相互堆积。晶体具有最小的内能性，原子和离子相互结合时，相互间引力和斥力处于平衡状态，这就相当要求球体间作紧密堆积。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,84,体心立方结构 （bcc）（图2-28）,1) 金属典型晶体结构,典型晶体,金属键无方向性，因此金属的晶体结构比较简单，每个格点只有一个原子，属于简单晶格。,面心立方结构（fcc）（图2-27）,密排六方结构（hcp）（图2-29）,金刚石型结构,金属的典型晶体结构,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,85,面心立方结构(face-centered cubic structure)常见金属有: Al、Ni、Cu、Pb、Ag、Au、Pt，等,体心立方结构(body-centered cubic structure)常见金属有： V、Cr、Fe、Nb、Mo、Ta、W等,密排六方结构(hexagonal close-packed structure)常见金属： Ti、Zr、Co、Mg、Zn等,金刚石型结构内部具有3个原子： Si、Ge等半金属。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,86,三种典型晶体结构的特征,不同的晶体结构，原子排列的紧密程度不同，结构特点见下表,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,87,利用晶体结构特征值确定金属晶体的理论密度,晶体结构已确定条件下：, 利用已知原子半径 r 即可求出晶格常数 a。, 借助于X射线衍射法确定结构并求出a。,根据原子半径r和晶格常数a的关系(见图），即可计算出晶体的密度。体心立方格子和面心立方格子结构的r与a的关系。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,88,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,89,计算金属的理论密度,可算出：,密 度,如:-Fe，体心立方结构，原子量=55.85g/mol，,晶胞体积,阿伏加德罗常数,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,90,间隙,由致密度的计算可知，晶体中是存在间隙的，无论是哪种类型的结构，间隙类型只有二种：,6个原子所组成的八面体间隙，4个原子所组成的四面体间隙，,图2-30为面心立方结构中的这二类间隙。,间隙半径：以间隙中所能容纳的最大圆球半径来表征间 隙的大小，称为间隙半径 。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,91,离子晶体的结构,离子晶体的基元是离子而不是原子了，晶格都不是简单晶格而是复杂晶格。这些离子化合物的晶体结构必须确保电中性，而又能使不同尺寸的离子有效地堆积在一起。,盐类，碱类（金属氢氧化物）及金属氧化物、碳化物、氮化物等都形成离子晶体。,离子晶体通常可以看成是由负离子堆积成骨架（负离子配位多面体），正离子按其自身的大小，居留于相应的空隙中，因此，配位多面体可认为是离子晶体的真正结构单元。,负离子配位多面体: 指的是离子晶体结构中，与某一个正离子成配位关系而且相邻的各个负离子中心线所构成的多面体。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,92,配位多面体,三角形配位下载四面体配位下载八面体配位下载立方体配为下载,配位多面体是指在晶结构中，与某一个阳离子（或原子）成配位关系而相邻结合的一个阴离子（或原），它们的中心连线所构成的 多面体。阳离子（或中心原子）位于配位多面体的中心，配位阴离子（或原子）的中心则处于配位多面体的角顶上。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,93,是指某一考查离子邻接的异号离子的数目。,正负离子的配位数则与正负离子的半径比有关,见表2- 5。,配位数,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,94,在元素周期表上可以查到离子半径值。配位数的不同，负离子配位多面体的形状不同，从离子晶体的构成中，可以发现除电负性影响凝聚态的结构外，其尺寸因素也起作用。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,95,二元离子晶体，按不等径钢球密堆积理论，可归纳位六种基本结构类型，典型结构如表2-6所示。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,96,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,97,共价晶体的结构,共价键的饱和性和方向性 ，使共价键晶体中原子的配位数要比离子型晶体和金属型晶体的配位数小。典型的共价晶体：金刚石（单质型）、ZnS（AB型）和 SiO2图2-32（型）即（AB2型）三种。,金刚石晶型共价晶体：与碳同一族的硅、锗、锡（灰 锡）。,AB型：立方ZnS型和六方ZnS （化学键中既有共价 键又有离子键。）,SiO2即硅石型：硅石也称为骨架状硅酸盐，其结构如 图2-32所示，其基本单元是硅氧四面 体(图2-33) 。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,98,当考虑材料的强度时，着重从结合键、原子排列、组织三个层次进行分析。,回顾,但除强度外，材料还有许多性质被人类利用，最常用的是导电性。,不同材料导电性能差异很大，有的是良导体如Cu、Al等，有的是绝缘体，还有半导体、超导体。,当原子组成固体时，由于原子间成键的不同，各原子的电子的再分布也不一样。现代成功描述材料中电子分布和运动的理论是能带理论。下面对这一理论的要点做简单介绍，以便大家从根本上认识材料的一些功能特性。,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,99,（补充）固体中的电子,单个原子的电子分布,晶体中的电子,导体、半导体和结缘体,2022/11/11,Zhangjie SMST CUGB,100,普通物理中，单个原子在原子核电场作用下，电子的运动轨道是平面的、以原子核为焦点之一的椭园。有二个量来描述其运动状态，这二个量一个是能量，一个是角动量，它们分别由主量子数n和角
