山大材料科学基础考研第二章.ppt

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1、材料科学基础,2010.9,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,2,第二章 固体中的相结构,主要内容固溶体金属间化合物陶瓷晶体相玻璃相分子相,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,3,第二章 固体中的相结构,组元：组成材料最基本、独立的物质。组元可以是纯元素(金属或非金属)也可以是化合物；材料可以是单组元的，也可由多组元组成。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隔开的均匀 组成部分。分类：固溶体、中间相(金属间化合物)。,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,4,2.1 固溶体什么是固熔体?,固溶体:固态下一种组元(溶质)溶解在另 一种组元(溶剂)中形成

2、的新相.固溶度:溶质原子在溶剂中的最大含量(极 限溶解度,摩尔分数).特点:固溶体具有溶剂组元的点阵类型,晶格常数稍有变化.晶格与固溶体相同的组元为溶剂;其他组元为溶质.,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,5,2.1 固溶体什么是固熔体?,固溶体的分类:,按溶质原子位置不同,可分为:置换固溶体、间隙固溶体,置换固溶体 间隙固溶体,按固溶度不同,可分为:有限固溶体、无限固溶体,按溶质原子分布不同,可分为:无序固溶体、有序固溶体,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,6,2.1 固溶体置换固溶体,置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位 置的固溶体。有限置换固溶体无限置换固溶体,摩尔分数

3、x大于50%的组元为溶剂,小于50%的组元为溶质.,无限置换固溶体中两组元素原子置换示意图,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,7,2.1 固溶体置换固溶体,置换固溶体的溶解度(表2-1):,部分合金元素在铁中的溶解度(质量分数),2023/9/25,第二章 固体中的相结构,8,2.1 固溶体置换固溶体,原子尺寸因素 原子尺寸差越小，越易形成置换固溶体，且溶解度越大。r=(rA-rB)/rA,当r15%时，有利于大量互溶。,影响置换固溶体溶解度的因素:,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,9,2.1 固溶体置换固溶体,晶体结构因素结构相同，溶解度大，有可能形成无限固溶体;电负性

4、因素电负性:从其他原子夺取电子而成为负离子的能力;电负性差越小，越易形成固溶体，溶解度越大;电子浓度因素电子浓度:合金中两组元价电子总数(e)与其原子总数之比;电子浓度e/a越大，溶解度越小。e/a有一极限值，超过该值后固溶体不稳定,形成新相.极限值与溶剂晶体结构有关,一价面心立方金属为1.36，一价体心立方金属为1.48.,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,10,2.1 固溶体间隙固溶体,组成：原子半径较小(小于0.1nm)的非金属元 素溶入金属晶体的间隙。影响因素：原子半径和溶剂结构。溶解度：一般都很小,只能形成有限固溶体.如:C在-Fe中的最大溶解度2.11%;在-Fe中的最大

5、溶解度仅为0.0218%.,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。,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,11,2.1 固溶体有序固溶体,分布状态取决于同类原子和异类原子间结合力的相对大小:偏聚:同类原子间结合能大于异类原子间结合能;有序:同类原子间结合能小于异类原子间结合能.,完全无序:基本不存在微观不均匀,偏聚:A-A原子间结合能大于A-B原子间结合能,部分有序:有序分布在短距离小范围内存在短程有序,完全有序:全部达到有序分布状态长程有序,原子达到一定原子分数,有序固溶体:溶质原子呈完全有序分布的固溶体.,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,12,2.1 固

6、溶体有序固溶体,有序化:,有序固溶体有确定的化学成分Cu-Au合金:,有序化温度:有序化临界转变温度.,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,13,2.1 固溶体固溶体的性能,点阵常数改变产生固溶强化现象:固溶体的强度和硬度高于纯组元,塑性则较低.固溶强化:由于溶质原子的溶入而引起的强化效应.特点及规律:间隙固溶体的强化效果高于置换固溶体，前者产生柯氏气团,后者主要靠有序强化.溶质和溶剂原子尺寸相差越大,固溶强化越显著;固溶度越小,固溶强化效果越强.物理、化学性能改变,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,14,2.2 金属间化合物,金属间化合物:由金属与金属或金属与类金属元素之间

7、形成的化合物,也称为中间相.分类：正常价化合物符合原子价规则的化合物.电子化合物(电子相)电子浓度起主要作用,不 符合原子价规则.间隙化合物尺寸因素起主要作用.主要影响因素:电负性、电子浓度、原子尺寸,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,15,2.2 金属间化合物正常价化合物,形成:金属元素+A,A,VIIA族元素构成,电负性差起主要作用,对AmBn有:mec=n(8-eA).键型：随电负性差的减小，分别形成离子键、共价键、金属键;电负性差越大,稳定性越高.组成：AB或A2B(AB2)两种.,ZnS,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,16,2.2 金属间化合物电子化合物,形成

8、：B或过渡族金属元素与B,A,A族 金属元素构成,电子浓度起主要作用,不 符合原子价规则.键型：金属键(金属金属).组成：电子浓度对应晶体结构，可用化学式表 示.,可形成以化合物为基的固溶体.有明显的金属特性.,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,17,2.2金属间化合物间隙化合物,形成：过渡族元素+原子半径很小的非金属元 素,尺寸因素起主要作用。结构：由非金属原子半径/过渡族金属原子半径(RX/RM)确定;简单间隙化合物(间隙相)：(RX/RM)0.59且(R30%),主要是铁、钴、铬、锰的化合物，结构复杂，如Fe3C。组成：可用化学式表示，可形成固溶体，复杂 间隙化合物的金属元素可

9、被置换。键型：共价键和金属键。,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,18,2.2金属间化合物特性,力学性能：高强度、高硬度、低塑性可广泛用作强化相:正常价化合物及电子化合物有色金属的强化相;简单间隙化合物合金钢及硬质合金中重要强化相;复杂间隙化合物合金钢及高温合金中的强化相.物化性能：具有电学、磁学、声学、催化性质以及电子发射性质、化学稳定性、热稳定性和高温强度等已经或正在用于半导体材料、形状记忆材料、储氢材料、耐热材料等.,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,19,2.3 陶瓷晶体相陶瓷简介,按用途可分为：结构陶瓷(利用其力学性能)：强度(叶片、活塞)韧性(切削刀具)硬度(研

10、磨材料)。功能陶瓷(利用其物理性能)：精细功能陶瓷(导电、气敏、湿敏、生物、超导陶瓷等);功能转换陶瓷(压电、光电、热电、磁光、声光陶瓷等)。按结构可分为：氧化物陶瓷、硅酸盐陶瓷,现代陶瓷的分类,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,20,2.3 陶瓷晶体相陶瓷简介,陶瓷晶体的共同特点：以离子键为主，或含有一定量的共价键；有确定成分，可以用准确的分子式表示；具有典型的非金属性质。,陶瓷的基本相：晶体相(主晶相)决定陶瓷的力学及理化性能。,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,21,2.3 陶瓷晶体相氧化物结构,氧化物陶瓷是典型的离子化合物；,分类：AB型NaCl结构;AB2型CaF

11、2结构;A2B3型Al2O3结构;ABO3型CaTiO3结构;AB2O4型MgAl2O4结构。,并非一定含有氧元素,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,22,2.3 陶瓷晶体相氧化物结构,AB型化合物的结构,阴离子按立方最紧密方式堆积，阳离子填充于全部的八面体空隙中，阴、阳离子的配位数都为6。,NaCl晶体晶格,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,23,2.3 陶瓷晶体相氧化物结构,立方晶系，阳离子位于立方面心的节点位置上，阴离子则位于立方体内8个小立方体的中心;阳离子的配位数位8，而阴离子的的配位数为4。,AB2型化合物的结构,萤石(CaF2)结构,晶胞结构,2023/9/2

12、5,第二章 固体中的相结构,24,2.3 陶瓷晶体相氧化物结构,Al2O3的晶体结构,A2B3型化合物的结构,密排面堆积,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,25,2.3 陶瓷晶体相氧化物结构,六方晶系.阴离子按六方紧密堆积排列，而阳离子填充于2/3的八面体空隙，因此阳离子的分布必须有一定的规律，其原则就是在同一层和层与层之间，阳离子之间的距离应保持最远，这是符合于鲍林规则的.,密堆积结构在(0001)面投影,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,26,2.3 陶瓷晶体相硅酸盐陶瓷,硅酸盐陶瓷的结构特点基本结构单元：SiO4四面体;结合键与结构：主要是离子键结合，含一定比例的共价

13、键,硅位于氧四面体的间隙;每个氧最多被两个多面体共有,氧在两个四面体之间充当桥梁作用，称为氧桥。,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,27,2.3 陶瓷晶体相硅酸盐陶瓷,SiO4的四面体排列,双重的四面体单元(Si2O7)6-,硅酸盐的基本结构单元,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,28,2.3 陶瓷晶体相硅酸盐陶瓷,硅酸盐陶瓷的结构分类,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,29,2.3 陶瓷晶体相硅酸盐陶瓷,链状硅酸盐：Si-O团共顶连接成一维结构，又含单链和双链两类。,链状硅氧四面体,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,30,2.3 陶瓷晶体相硅酸盐陶瓷,

14、单链结构类型,1节链 2节链 3节链 4节链 5节链 7节链,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,31,2.3 陶瓷晶体相硅酸盐陶瓷,层状硅酸盐:Si-O团底面共顶连接成二维结构。,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,32,2.3 陶瓷晶体相硅酸盐陶瓷,骨架状硅酸盐:Si-O团共顶连接成三维网络结构.,方石英的晶体结构,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,33,2.4 玻璃相,玻璃:从液态凝固下来的、结构与液态连 续的非晶态固体。形成条件：内部黏度;外部冷却速度.结构:长程无序,短程有序多面体连续无规网络模型;多面体无规密堆模型;无规则线团模型.,2023/9/25,第

15、二章 固体中的相结构,34,2.4 玻璃相,性能特点:各向同性;无固定熔点;高强度、高耐蚀性、高导磁率。,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,35,2.5 分子相大分子及其构成,基本概念分子相：固体中分子的聚集状态高分子 材料高分子化合物：由一种或多种化合物聚合 而成的相对分子质量很大 的化合物,又称聚合物或高 聚物.,高分子化合物,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,36,2.5 分子相大分子及其构成,高分子化合物的分类按相对分子质量：分为低分子聚合物(5000).按组成物质：分为有机聚合物和无机聚合物.按性能与用途：塑料、橡胶、纤维、胶黏剂等;按生成反应类型：加聚物、缩聚物

16、;按物质的热行为：热塑性聚合物和热固性聚合物.,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,37,2.5 分子相大分子及其构成,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,38,2.5 分子相大分子及其构成,聚合度n：大分子链中链节的重复次数;相对分子质量:M=mn 多采用平均分子相对质量,化学组成(以氯乙烯聚合成聚氯乙烯为例),单体：组成高分子化合物的低分子化合物;链节：组成大分子的结构单元:,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,39,2.5 分子相大分子及其构成,加聚反应概念：由一种或多种单体相互加成而连接成聚 合物的反应(其产物为聚合物).组成：与单体相同,反应过程中没有副产物。

17、分类:均加聚反应：由一种单体参与的加聚反应,生 成均聚物。共加聚反应：由两种或两种以上单体参与的 加聚反应，生成共聚物。,高分子的合成,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,40,2.5 分子相大分子及其构成,高分子聚乙烯的形成,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,41,2.5 分子相大分子及其构成,缩聚反应概念：由一种或多种单体相互混合而连接成聚合物，同时析出某种低分子化合物的反应。分类：均缩聚反应：由一种单体参加的缩聚反应,生成均缩聚物。共缩聚反应：由两种或两种以上单体参加的 缩聚反应,生成共缩聚物。,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,42,2.5 分子相大分子及其

18、构成,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,43,2.5 分子相大分子及其构成,高分子化合物的性能特点:易呈非晶态。弹性模量和强度低。容易老化。密度小。化学稳定性好。性能及使用稳定性与聚合度有关.,抗拉强度与聚合度的关系,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,44,2.5 分子相高聚物的结构,杂链高分子两种或两种以上原子构成：,高分子链结构(链内结构，分子内结构),化学组成高聚物结构的基础碳链高分子碳原子以共价键联结而成：,元素有机高分子无机元素(硅、钛、铝、硼等）加有机元素(氧等)构成：,C C C C C,C C O C C,或N、S,O Si O Si O,见表2-11,20

19、23/9/25,第二章 固体中的相结构,45,2.5 分子相高聚物的结构,键接方式取决于单体及合成反应的性质均聚物中单体的键接方式：头-尾连接,头-头相连,尾-尾相连,无轨连接.共聚物中单体的连接方式:无规共聚,交替共聚,嵌段共聚,接枝共聚.,结构单元的键接方式和构型,二元共聚物单体的连接方式,无规共聚,交替共聚,嵌段共聚,接枝共聚,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,46,2.5 分子相高聚物的结构,大分子链的构型:化学键链接结构单元构成 的空间排列主链+取代基按取代基的位置与排列规律有：全同立构：取代基R全部处于主链一侧；间同立构：取代基R相间分布在主链两侧；无规立构：取代基R在主

20、链两侧不规则分 布。,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,47,2.5 分子相高聚物的结构,线型整个分子为细长线条状；分子链间无化学键相连易加工，良好的弹性和塑性,高分子链的结构形态,大分子链的几何形状：,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,48,2.5 分子相高聚物的结构,支化型分子呈枝状，有分叉；不易规整排列，分子间力较弱；对性能不利，且结构越复杂影响越大。体型大分子链之间通过支链或化学键连接成交联结构，形成空间网状结构；结构稳定，较好的耐热性、难熔性、尺寸稳定性和力学性能；但塑性低、脆性大，不能塑性加工。,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,49,2.5 分子相高

21、聚物的结构,大分子链的构象高弹性的原因:分子链长,易弯曲;分子链的键可自由旋转.单键内旋:每一个单键围绕其相邻单键按一定角度旋转.,10928,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,50,2.5 分子相高聚物的结构,大分子链的构象:因单键内旋引起原子在空间占据不同位置所构成的分子链的各种形象.大分子链的柔顺性:由构象变化获得不同卷曲程度的特性主链全由单键组成时,柔顺性最好;按内旋难易:Si-O C-O C-C;侧基影响:极性越大,柔顺性越低;体积越大,柔顺性越低;对称性高,柔顺性好.,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,51,2.5 分子相高聚物的结构,无定形结构,高分子的聚集态结构(链间结构、分子间结构),2023/9/25,第二章 固体中的相结构,52,2.5 分子相高聚物的结构,结晶型结构,折迭链结构模型,2023/9/25,第二章 固体中的相结构,53,本章结束,