Transcript 第二章 材料结构基础 - 浙江大学材料科学与工程学系

材料科学与人类文明
材料结构基础
材料科学与工程学系
王秀丽
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本科生教育
教学课件
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
主要内容

原子、离子和分子

金属键、离子键和共价键

晶体结构：晶胞，晶面指数，晶向指数

晶体缺陷：点缺陷，线缺陷，面缺陷

合金的基本相：固溶体和中间相
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
尺度表征
Examples
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
材料的尺度
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
材料的尺度
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
材料的尺度
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
材料的结构层次
宏观结构
Macroscopic Structure
微观结构
Microscopic Structure
2020/4/25
原子尺度
Atomic Level
材料科学与人类文明--材料结构基础
亚原子尺度
Subatomic Level
Chap2-1
原子组成、化学键
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
原子的构成
物质由原子构成！
原子(atom)=质子(proton)+中子(nucleus)+电子(electron)
带电量——质子：+ 1.610-19 库仑；电子： - 1.610-19 库仑；中子：0
质量——质子：1.6710-27 Kg；中子： 1.6710-27 Kg；电子： 9.1110-31 Kg
原子的质量集中在原子核，核外电子的质量可以忽略不计
原子的半径约为10-10 m（0.1 nm）数量级，其中，原子核的半径不超过10-14 m
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
原子结构模型
质子和中子组成原子核，电子绕原子核作高速运动
The solar system
Rutherford's model
无法解释电子不向原子中心坍塌的原因
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
核外电子的运动
电子在原子核外作绕核（循轨）运动和自旋运动
其运动轨道的能级分立不连续
在多电子的原子中，电子的分布遵循泡利不相容原理和能量最低原理
最外层的电子所处的能级最高，最不稳定，称为价电子。化学键主要取决
于价电子
注意不同轨道的形状！
Heisenberg’s Uncertainty Principle
Wave function: the probability of finding an
electron with special energy in the space
surrounding the nucleus
Bohr's model, 1913
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
核外电子轨道
To specify an electron state, one need:
n—principal quantum number
l—orbital quantum number
m—magnetic quantum number
s—spin quantum number
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
核外电子轨道能级排序
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
玻尔原子模型的证据举例
发射光子能量：
h  En  Em
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
原子结构举例
H：1s1
He：1s2
Li：1s22s1
Na：1s22s22p63s1
核外电子的排列
元素周期表
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
元素周期表
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
电负性
表征原子获得电子的能力
电负性增加
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
电负性降低
化学键
材料的性能是由以下因素决定的：
内因
1.
成分——材料是由哪些物质（原子）构成的？
2.
化学键——构成材料的原子如何结合在一起？
3.
晶体结构——构成材料的原子是如何排列的？
外因
温度、压力
和化学键关系密切的材料性能：密度、导电性、导热性、热膨胀、硬度
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
原子间作用力
两个原子之间存在的相互作用力，包括
原子核与核外电子之间的吸引力，以及
原子核、核外电子之间的排斥力。
在某一间距a0处，吸引力和排斥力达到
平衡，势能最低，原子最稳定。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
化学键种类
由于核外电子结构，特别是价电子结构的不同，原子
之间的结合方式（化学键）也不同。可以分为离子键、
共价键、金属键、范德华力和氢键。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
离子键
•
价电子被电负性大的元素原子吸引，正负离子平衡形成离子键
•
特点：结合力大，无方向性
•
组成的离子晶体硬度高、强度高、脆性大、绝缘
•
举例：NaCl、Al2O3、CaF2
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
共价键
Cl  Cl  Cl2
• 共用价电子对；
• 特点：结合力大、饱和性、方向性
• 由它组成的共价键晶体熔点高、强度高、脆性大
• 举例：金刚石、BN 、 SiC 、 Si3N4
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
共价键的方向性
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
金属键
1.
原子失去价电子形成正离子；
2.
正离子在三维空间规则排列形成晶格；
3.
价电子为全体原子共有（自由电子），在晶格间自由
运动，形成电子气；
4.
正离子和电子气之间产生静电吸引使离子结合起来。
金属键特点：无方向性、价电子可以在晶体中自由运动
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
金属
金属由金属键结合，具有下列特征：
• 良好的导电、导热性；
• 良好的塑性变形能力（因为金属键没有方向性，原子间没有选择性）；
• 不透明，呈现金属光泽；
• 电阻随温度升高而增大。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
氢键
H与O、N、F等电负性高的原子A（A=O、N、F等）组成共价键分子时，共有电
子对（电荷中心）偏向原子A。此时，H原子一侧带正电，A原子一侧带负电。一
个分子的H原子可以和另一个分子的A原子通过正负电荷相互作用而形成一种附加
键，即氢键。氢键存在于H2O、HF、NH3和许多高分子化合物中。
氢键
O
H O
H C
C H
O
H O
二甲酸分子
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
为什么冰的密度低于水
冰中水分子的排列
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
分子键
在某一瞬间，一个原子的正负电荷中心可能不重合，从而形成小的
偶极子。小偶极子之间的相互作用力称范德华力。
•
结合过程没有电子得失、共有或公有化，价电
子分布几乎不变。
•
范得瓦耳斯力其实是分子偶极之间作用力。
•
由分子键形成的物质熔点低、硬度低、绝缘。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
化学键结合强度比较
化学键
离子键
结合能
600~1500
（kJ/mol）
2020/4/25
共价键
金属键
氢键
范德华力
100~800
70~850
10~50
10~50
材料科学与人类文明--材料结构基础
各种材料中可能存在的化学键
材料种类
共价键
金属
存在
高分子
存在
陶瓷
2020/4/25
离子键
存在
金属键
范德华力
存在
存在
材料科学与人类文明--材料结构基础
存在
化学键与材料熔点
化学键
离子键
共价键
金属键*
范德华力
氢键
2020/4/25
* Increasing covalent bonding
材料
结合能(kJ/mol)
熔点（ºC）
NaCl
640
801
MgO
1000
2800
Si
450
1410
C(金刚石)
713
>3550
Hg
68
-39
Al
324
660
Fe
406
1538
W
849
3410
Ar
7.7
-189
Cl2
231
-101
NH3
35
-78
H2O
51
0
材料科学与人类文明--材料结构基础
化学键与材料热膨胀系数
材料
铝
铜
铁
砖头
窗玻璃
水泥
聚乙烯
橡皮
线膨胀系数
（*10-6/ºC）
22
16
12
9
9
13
110180
81
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
Chap2-2
晶体结构
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
晶体和非晶体
晶体：固体材料中原子在三维空间呈周期性规则
排列，有规则外形，有一定熔点，各向异性。
举例：食盐、蔗糖
非晶体：原子不规则排列，无规则外形，无一定
熔点，各向同性。
举例：萘
雪
花
六
种
形
貌
实
际
晶
体
SEM
照
片
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
晶体的结构与形状
晶体的结构
晶体的形状
介 观
2020/4/25
宏 观
材料科学与人类文明--材料结构基础
Morphology of PbS crystal
with NaCl structure
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
ATOMIC PACKING
ABCA
ABA
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
金属晶体结构
大多数固态金属內部的原子都在三微空间整齐规律地排列（晶体）。
因此其原子位置可以画成三微空间立体格子形式，称为晶格 (crystal
lattice)； 构成晶格的最小立体格子单位称晶胞(unit cell)。
金属的主要晶体结格有三种：
面心立方（Face-centered cubic, FCC）
体心立方（Body-centered cubic, BCC）
密排六方（Hexagonal close-packed, HCP）
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
FCC结构
举例：Al、Cu、-Fe、Ag、Au
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
FCC结构
晶胞原子数：
6×1/2 +8×1/8 =4
晶胞常数：
a  4R / 2
原子填充率（晶胞中被原子填充的体积百分率）APF：
4
4
4  ( R 3 ) 4  ( R 3 )
3
3

 0.74
3
3
a
(4 R / 2 )
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
BCC结构
举例：Cr、Mo、W、V
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
BCC结构
晶胞原子数：
1+8×1/8 =2
晶胞常数：
a  4R / 3
原子填充率：
4
4
2  ( R 3 ) 2  ( R 3 )
3
3

 0.68
3
3
a
(4 R / 3 )
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
HCP结构
举例：Cd、Ti、Be、Mg、Zn、Zr
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
HCP结构
晶胞原子数：
3+12×1/6+2 ×1/2 =6
晶胞常数：
c / a  8 / 3  1.633, a  2 R
原子填充率：
4
4
6  ( R 3 )
6  ( R 3 )
3
3

 0.74
3 2
3
6
a c 6
(2 R) 2 1.633  2 R
4
4
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
2020/4/25
晶体结构
晶胞原子数
原子填充率
BCC
2
0.68
FCC
4
0.74
HCP
6
0.74
材料科学与人类文明--材料结构基础
材料密度估算
假设固体为完整的晶体，其密度可近似认为是晶胞的密度：
nM n( A / N A )
nA



Vc
Vc
Vc N A
n——晶胞原子数
M——一个原子的质量
Vc——晶胞体积
A——元素的原子量
NA——阿佛加德罗常数，NA=6.0221023。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
例题
纯铁在910 C以上为FCC结构（-Fe，a=0.129 nm），910 C以下
为BCC结构（-Fe，a=0.126 nm）。估算：
1）两种结构纯铁的理论密度；
2）纯铁从910 C以上冷却到910 C以下后的体积变化。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
Answer
考虑4个Fe原子
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
同素异构体
一种元素的固体的不同晶体结构形态称为同素异构体。例如，C有四种
同素异构体：石墨、金刚石、富勒烯、纳米管。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
晶向指数与晶面指数
 为了能明确的、定量的表示晶格中任意两原子间
连线的方向或任意一个原子面。
 用米勒指数（Miller indices）来统一标定
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
1)
晶向指
数 定原点 — 建坐标
求法：
— 求坐标 — 化最小整数 — 加[ ]
例： z
X 轴坐标 —— 1
Y 轴坐标 —— 1
[111]
Z 轴坐标 —— 1
o
y
x
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
[ 1 1 1]
1)
晶向指
数 定原点 — 建坐标
求法：
— 求坐标 — 化最小整数 — 加[ ]
例： z
X 轴坐标 —— 0
[001]
Y 轴坐标 —— 0
[111]
o
Z 轴坐标 —— 1
y
x
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
[ 0 0 1]
1)
晶向指
求法：定原点 — 建坐标
数
— 求坐标 — 化最小整数 — 加[ ]
特点： 1. 直接表示任意两点连线的方向
2. 只表示方向，不表示长短
3. 实际上表示所有相互平行、方向一致的晶向[u v w]
例：
X 轴坐标 —— 1
[001]
[111]
[1 1 1]
Y 轴坐标 —— -1
1 -1 1
Z 轴坐标 —— 1
[ 1 1 1]
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
[ 1 10]
绘出[100]、[ 1 10] 晶向
绘出[231]、[321] 晶向
[100]
[231]
[231]
[231]
1
3
2
3
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
2
1
[ 1 ]
3
3
[ 1 10]
绘出[100]、[ 1 10] 晶向
绘出[231]、[321] 晶向
[100]
[231]
[321]
技巧：
1
3
[231]
[321]
1
3

2020/4/25
2
3
2
3
2
1
[ 1 ]
3
3
2 1
[1 ]
3 3
当晶向指数中有大于1的数时，
外延晶胞，直接求点
将指数化为分数
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2)
晶面指数
求法：定原点— 求截距 — 取倒数 — 化最小整数 — 加（）
例：
X 轴坐标 —— 1
2020/4/25
Y 轴坐标 —— 1
111
Z 轴坐标 —— 1
( 1 1 1)
材料科学与人类文明--材料结构基础
2)
晶面指数
求法：定原点— 求截距 — 取倒数 — 化最小整数 — 加（）
特点： 1. 直接表示任意晶面
例：
2. 实际上表示所有相互平行的晶面（ h k l )
X 轴坐标 —— 1
2020/4/25
Y 轴坐标 —— 1
11∞
Z 轴坐标 —— ∞
( 1 1 0)
材料科学与人类文明--材料结构基础
绘出 ( 3 3 4 ) 和 ( 1 1 2 ) 晶面
取倒数
( 334)
1 1 1
()
3 3 4
(1 1 2 )
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
化简
1
( 1 -1 )
2
3
( -1 1 )
4
课堂练习：
请绘出下列晶向：
[001] [010] [100]
[110] [1 1 0] [10 1 ]
[112]
请绘出下列晶面：
(001) (010) (100)
(110) (1 1 0) (10 1 )
(112)
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
课堂练习：
请绘出下列晶向：
[001] [010] [100]
[110] [1 1 0] [10 1 ]
[112]
请绘出下列晶面：
(001) (010) (100)
(110) (1 1 0) (10 1 )
(112)
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
3)
晶向族与晶面
族晶向族： —— 加 < >
1. 立方晶系，数字相同，仅正负号、数字排序不同的属同一晶向族
2. 一个晶向指数代表一系列相互平行、方向相同的晶向
3. 一个晶向族代表一系列性质地位相同的晶向
例：
[111] [ 1 11] [1 1 1] [11 1 ]
= < 111 >
[ 1 1 1] [ 1 1 1 ] [1 1 1 ] [ 1 1 1 ]
[100] [010] [001]
[ 1 00] [0 1 0] [00 1 ]
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
= < 100 >
晶面族： —— 加 ｛ ｝
1. 立方晶系，数字相同，仅正负号、数字排序不同的属同一晶面族
2. 一个晶面指数代表一系列相互平行的晶面
3. 一个晶面族代表一系列性质地位相同的晶面
(111) ( 1 11) (1 1 1) (11 1 )
例：
= { 111 }
( 1 1 1) ( 1 1 1 ) (1 1 1 ) ( 1 1 1 )
(110) (101) (011) ( 1 10) ( 1 01) (0 1 1)
( 1 1 0) ( 1 0 1 ) (0 1 1 ) (1 1 0) (10 1 ) (01 1 )
= { 110 }
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
4)
晶向指数与晶面指数的关系
指数数字相同的晶向与晶面相互垂直
例：
[110] 与 (110)
2020/4/25
——
言
仅 对于立方晶系而
[100] 与 (100)
材料科学与人类文明--材料结构基础
[111] 与 (111)
六方晶系的晶向指数与晶面指数
采用a1、a2、a3和c四轴坐标系
—— 只有两个独立
a1、a2、a3轴共面，夹角120°
c
晶向：[ u v t w ]
－（u + v）＝ t 或 u＋v＋t＝0
晶向：[ u v t w ]
－（u + v）＝ t 或 u＋v＋t＝0
a3
o
a2
(hkil)
a1
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
(hkl)
(0001)
(1 1 00)
(10 1 0)
[ 1 2 1 0]
[2 1 1 0]
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
[1120]


晶面间距越大， 则该晶面上原子排列越
密集
晶面间距越小， 则该晶面上原子排列越
稀疏
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
应用举例
不同晶面原子排列密度不同。FCC、BCC、HCP的原子最密排面分别为
(111)、(110)、(001)。
不同晶向原子排列密度不同。FCC、BCC、HCP的原子最密排方向分别
为(111) [110]、(110) [111]、(001) [001]。因此，一些力学性能也不同。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
二氧化钛纳米棒
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
应用举例——天然断面
CaF2
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
PbS
X-射线衍射
衍射条件——布拉格定律：
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
X射线衍射
试样
入射线
（110）
衍
射
线
强
度
（211）
（200）
衍射角2
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
Chap2-3
晶体缺陷
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
晶体缺陷
“Crystals are like people, it is the defects in them which tend to
make them interesting!” —— Colin Humphreys
实际晶体并不是完整的，含有许多缺陷。这些缺陷可分为点缺陷、线缺
陷及面缺陷。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
缺陷与材料性能
缺陷对材料的性能有很重要的影响 !
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
点缺陷
空位
置换原子
自间隙原子
杂质间隙原子
产生原因：①热运动；②射线辐射；③快速淬火
点缺陷使周围晶格发生畸变，提高晶体内能，降低导电率，提高强度。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
热运动平衡空位浓度
热运动产生的平衡空位浓度Nv可以用下式计算：
N v  N s exp( Qv / k BT )
Ns——完整晶格中的格点数
Qv——空位形成能（表征在完整晶格中形成空位的难易程度）
kB——玻尔兹曼常数，1.3810-23 J/atom-K
T——温度，单位K。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
例题
估算300 K时Cu中的平衡空位浓度（已知Qv=0.9 ev/atom，=8.4 g/cm3，
原子量A=63.5 g/mol）。
答案：7.4107 vacancies/cm3
Cu为面心立方晶体结构
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
线缺陷——位错
位错是只在1维尺度上尺寸很大的缺陷，由晶体中原子平面的错动引起。
刃型位错
螺型位错
产生原因：①点缺陷坍塌；②应力作用下的塑性变形
位错越多，其运动越困难，材料的强度、硬度越高，脆性越大。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
位错
含有刃型位错的晶体结构
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
位错
螺型位错
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
位错
混合位错
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
位错线的实验观察
透射电镜照片
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
位错密度
晶体中位错的量可以用位错线的长度来表征。位错密度
指单位体积中位错线的总长度。退火金属中位错密度约
为1010 m/m3，即每立方厘米中位错线的总长度约为10
Km。这个数据尽管看起来很大，实际上仍有99.999%的
金属原子在正常的晶格格点位置上。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
面缺陷
应用：纳米材料、晶粒细化
光学显微镜照片
晶界——晶粒之间的界面
面缺陷包括晶界、亚晶界、相界面、表面等
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
体缺陷
材料制备过程中
尽量避免出现体
缺陷！！
体缺陷是三维缺陷，包括：
孔洞(Pores)——影响材料的力学、光学、热学性能；
裂纹(Cracks)——影响材料的力学性能；
夹杂(Inclusions)——影响材料的力学、光学、电学性能。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
Chap2-4
合金基本相
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
合金的基本相
几个概念
合金(Alloy)——以一种金属元素为基础，加入其它金属或非金属而组
成的具有金属特性的材料。
组元(Constituent)——组成合金的最基本的独立的物质。可以是金属元
素、非金属元素或稳定的化合物。
相(Phase)——成分、结构相同，性能均一，并有界面与其它部分隔开
的独立均匀的组成部分。合金中的基本相有固溶体和中间相两种。
组织(Microstructure)——合金结构的微观形貌。可以是单相的，也可
以是多相的。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
举例
Al-Si二元合金
组元：Al、Si
相：Al(Si)、Si
组织：Al(Si)、Si
2020/4/25
45号钢
Fe-C二元合金
组元：Fe、C
相：Fe(C)、Fe3C
组织：铁素体（F）、珠光体（P）
材料科学与人类文明--材料结构基础
固溶体
溶液
固溶体
固溶体——以一种金属元素为基础，其它合金元素（金属或非金属）的原子溶入基础元素的晶格
中所形成的相。基础元素称为溶剂，溶入元素称为溶质。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
固溶体的分类
按溶质位置
置换固溶体 间隙固溶体
按溶解度
有限固溶体 无限固溶体
按排列方式
有序固溶体 无序固溶体
置换固溶体：溶质原子取代晶格中溶剂原子原子的位置。
形成无限固溶体的前提：溶质和溶剂金属的晶格型式相同。
间隙固溶体：尺寸较小的溶质原子进入晶格空隙。
固溶体的特点（1）晶格型式同溶剂；（2）性能和溶剂接近。
固溶体中溶质原子使溶剂晶格发生畸变，因此其强度、硬度比
溶剂元素高，塑性韧性变化不大——固溶强化
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
晶格中的间隙
面心立方中的八面体间隙
体心立方中的八面体间隙
能容纳的最大球半径=0.414R
能容纳的最大球半径=0.154R
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
BCC铁中的C
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
中间相
合金组元之间发生化学反应，形成晶体结构不同于任一组元的新相。由
于它们在二元相图上的位置总是位于中间，故通常把这些相称为中间相，
也称为金属间化合物。其特点有：
 组成化合物的合金元素按一定比例结合；
 晶格型式不同于各组成元素的晶格；
 结合方式：金属键和其它键（离子键、共价键、分子键）相混合；
 化学分子式不符合化合价规律（因为结合含金属键形式）；
 具有金属的性质，但性能和组成元素原有性能差别较大。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
中间相的分类
正常价化合物——由负电性差别较大的组元组成，组元的原子数比较符合
化合价规律。如Mg2Sn、AuAl2、AlN、SiC、CaTe等。硬度高、脆性大。
电子化合物——满足一定电子浓度值c时可以稳定存在的化合物。不符合化
合价规律。
c=e/a, e为价电子总数，a为原子总数。c为21/14，21/13，21/12时形成电子
化合物，分别标为、、相。
间隙化合物——过渡族金属元素与小原子尺寸的非金属元素（C、N、B）
形成的化合物。如Fe3C。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
Chap2-5
常见材料的组织结构
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
金属材料结构
金属材料结构3层次：

晶体结构：FCC、BCC、HCP

相结构：固溶体、中间相

组织结构：共晶组织、共析组织、非金属夹杂物等
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
金属材料的组织
在金相显微镜下观察，可以看到金属材料内部的微观形貌。这种微观形貌称做显微组
织(简称组织)
组织由数量、形态、大小和分布方式不同的各种相组成
金属材料的组织可以由单相组成，也可以由多相组成
0.01%C
铁素体
2020/4/25
0.45%C
铁素体+珠光体
0.77%C
珠光体
1.2%C
铁碳合金的室温平衡
珠光体+二次渗碳体
组织
由粗片状α相、细片状
Fe3C相相间组成
材料科学与人类文明--材料结构基础
亚共析、共析、过共析钢
Fe-0.45 C
F+P
Fe-0.8 C
P
0
2.11 wt%C
0.77
亚共析
过共析
共析
2020/4/25
Fe-1.0 C
P + Cm
材料科学与人类文明--材料结构基础
亚共晶、共晶、过共晶白口铁
2.11
亚共晶
共晶
2020/4/25
6.67 wt%C
4.30
过共晶
材料科学与人类文明--材料结构基础
金属材料的组织
金属材料的组织取决于它的化学成分和工艺过程
不同碳含量的铁碳合金在平衡结晶后获得的室温组织不一样
金属材料的化学成分一定时，工艺过程则是其组织的最重要的影响因素
纯铁经冷拔后，其组织由原来的等轴形状的铁素体晶粒变成拉长了的铁素体晶粒
C含量为0.77%的铁碳合金经球化退火后，得到的组织为球状珠光体。这种组织与室
温平衡组织片状珠光体的形态完全不一样
片状珠光体
2020/4/25
球状珠光体
材料科学与人类文明--材料结构基础
金属材料组织-性能关系
灰口铸铁的基体都是铁素体，但石墨的形态不同，使抗拉强度相差很大
冲击韧性与抗拉强度顺序相反
铁素体和片状石墨
抗拉强度150 MPa
铁素体和团絮状石墨
抗拉强度350 MPa
铁素体和球状石墨
抗拉强度420 MPa
纯铁经冷拔后，晶粒被拉长变形，内部位错密度等缺陷增多，强度与硬度均提高得多
冷变形对纯铁的物理、化学性能也有较大的影响，如导电性、耐蚀性降低。碳含量为
0.77%的铁碳合金，室温平衡组织中含有片状的Fe3C相, 其硬度高达800 HB。切削加工时，
车刀要不断切断Fe3C，因此刀具的磨损很厉害。但球化退火后，Fe3C相变为分散的颗粒
状, 切削时对刀具的磨损较小，使切削性能得到提高。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
贝氏体组织
贝氏体B——550 C ~Ms之间的转变产物。为F和Fe3C的两相混合组织。
上B——羽毛状，硬脆的渗碳体呈细短条状分布在铁素体晶束的晶界上，容易发
生脆性断裂，强度、韧性低，无实用价值。
下B——黑色针状，渗碳体细小弥散分布在铁素体基体上，有良好的强度韧性配
合，力学性能优良。
B相变由于相变温度低，只有C原子扩散，Fe原子基本不扩散，是半扩散型相变。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
马氏体组织
马氏体（M）——温度低于Ms时的过冷奥氏体转变产物。
是C原子在-Fe中的过饱和固溶体。
低碳马氏体——含碳量小于0.25%时，马氏体呈板条状，
板条内有大量位错，又称位错马氏体。硬度高，有一
定韧性。
高碳马氏体——含碳量大于1.0%时，马氏体呈片状，内
有大量孪晶亚结构，又称孪晶马氏体。硬度高、脆。
低碳马氏体
马氏体相变特点：
 非扩散型相变，速度快；
 马氏体转变温度Ms随含碳量增高而降低；
 相变不彻底，存在残余奥氏体。转变量随温度降低而
增大。Ms越低，残余奥氏体量越多；
 体积膨胀，产生很大的内应力。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
高碳马氏体
陶瓷材料的分类
定义：传统上，陶瓷材料是指硅酸盐类材料，如陶器和瓷器，
也包括玻璃、搪瓷、耐火材料、砖瓦等；
现今意义上，陶瓷材料是指各种无机非金属材料的通称。
分类：通常分为玻璃、玻璃陶瓷和工程陶瓷（也叫烧结陶瓷）
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
陶瓷的分类
玻璃－工业玻璃（光学玻璃、电工玻璃、仪表玻璃）
建筑玻璃、日用玻璃（无固定熔点，受热软化的非晶态固体材料）
普通陶瓷－日用陶瓷、建筑卫生陶瓷、电器绝缘陶瓷
化工陶瓷、多孔陶瓷
陶瓷材料 工程陶瓷
特种陶瓷－电容器陶瓷、压电陶瓷、瓷性陶瓷、高温陶瓷
金属陶瓷－结构陶瓷、工具陶瓷（硬质合金）、耐热陶瓷
玻璃陶瓷－耐热耐蚀微晶玻璃、光学玻璃陶瓷、无线电透明微晶玻璃
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
无机非金属材料的结构

金刚石型结构：C、Si、Ge

硅酸盐结构：滑石3MgO•4SiO2 •H2O 、高岭石 Al2O3•2SiO2
•2H2O

玻璃结构：SiO2

氧化物、非氧化物晶体结构：MgO、TiO2、 Al2O3 、ZnO
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
硅酸盐结构
Si-O：混合键（离子键+共价键）
基本结构单元
由硅氧四面体SiO4（基本结构单元）组成
• 链状： SiO4共有一个氧，连接成链状，如石棉纤维
• 层状： SiO4连接成片状，这些片叠合在一起形成层状，如滑石、黏土、云母
• 网状：以三维方向相互结合形成网状结构，如石英
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
玻璃结构
玻璃：由熔融体过冷而成的非晶结构透明固体材料，其主要成分为
SiO2、Na2O、CaO等。
玻璃结构理论：
无规则网络学说——玻璃由离子多面体（三角体MO或四面体MO）
构成。它们之间通过公共氧（氧桥）搭桥作三维无规则连续排列，形
成空间网络结构。
晶子学说——玻璃由晶子构成。晶子是与该玻璃成分一致的晶态化
合物，但尺度远小于一般的晶粒。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
石英玻璃、硅酸盐玻璃、微晶玻璃
微晶玻璃
玻璃基体上弥散分布
细小的结晶体。
石英玻璃
[SiO4]四面体之间通过角
顶连接形成三维空间网
络，但排列无序。
2020/4/25
纳硅酸盐玻璃
SiO2中加入碱金属或碱
土金属，破坏[SiO4]四面
体组成的网络。
材料科学与人类文明--材料结构基础
提高强度！
氧化物、非氧化物晶体结构
主要取决于两个因素：
1.
阴阳离子电荷，决定了化学式；
2.
阴阳离子的半径，决定了阳离子周围的最近邻阴离子数（CN）。
只有阳离子和周围阴离子全部接触的结构才是稳定的！
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
离子半径和CN关系
离子半径和空间几何形
态之间的关系可以通过
简单计算获得，结果如
左图。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
氧化物、非氧化物晶体结构举例1
NaCl结构：
Na+半径：0.102 nm
Cl-半径：0.181 nm
rc/ra=0.56
CN=6
具有NaCl结构的化合物：
NaCl、MgO、FeO、LiF
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
氧化物、非氧化物晶体结构举例2
CsCl结构：
Cs+半径：0.170 nm
Cl-半径：0.181 nm
rc/ra=0.94
CN=8
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
氧化物、非氧化物晶体结构举例3
立方ZnS结构：
CN=4
具有ZnS结构的化合物：
ZnS、ZnTe、SiC、MnS
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
氧化物、非氧化物晶体结构举例4
CaF2结构：
Ca2+半径：0.100 nm
F-半径：0.133 nm
rc/ra=0.75
CN=8
具有CaF2结构的化合物：
PtSn2、PtIn2、AuAl2
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
普通陶瓷的显微组织

普通陶瓷材料是由晶相、玻璃相和气
玻璃相
相构成的多晶多相集合体。

化学组成一定时，其性能取决于：
1.
晶相：种类、数量、分布，晶粒大小、
晶相
形态，结晶特征、取向
2.
玻璃相：存在与分布
3.
气相（气孔）：尺寸、数量、分布。
气孔
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
晶相
陶瓷的基本组成部分，其性质决定着陶
瓷的性能。
陶瓷中一般有多种晶相。含量多、对性
能起主要作用的称主晶相，其余的称次
晶相、第三晶相等。
陶瓷中的晶体相主要有硅酸盐、氧化物、
非氧化物三种。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
玻璃相
非晶低熔点固体，多为无规则网络的硅酸盐结构
作用：
1.
填充气孔和空隙；
2.
将分散的晶相粘结起来，降低烧结温度；
3.
抑制晶粒长大；
4.
降低陶瓷材料的高温使用性能。
晶体结构
非晶体结构
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
气相
存在于晶体内部或晶体与玻璃相之间。
一般陶瓷中占5-10%，特种陶瓷中低于5%。气孔是裂纹的根源，使陶
瓷强度降低、脆性增大。因此，一般材料要求有较低的气孔率。
轻质隔热耐火材料、隔音吸振材料要求有一定的气孔率。
多孔铝（泡沫铝）
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
普通陶瓷
原料：
粘土(高岭石 Al2O3·2SiO2·2H2O)、石英(SiO2)和
长石(正长石 K2O·Al2O3·6SiO2)
特点：
坚硬而脆性较大，绝缘性和耐蚀性极好；制造工艺简单、成本低廉，
各种陶瓷中用量最大。
分类：
日用陶瓷和工业陶瓷。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
（1）普通日用陶瓷
－日用器皿和瓷器
国内外常用的日用瓷
我国的传统日用瓷
综合性能好的新型高质瓷
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
（2）普通工业陶瓷
分类：炻器和精陶。炻器是陶器和瓷器之间的一种瓷。
工业陶瓷按用途分类:
建筑卫生瓷：用于装饰板、卫生间装置及器具等，通常尺寸较大，要求
强度和热稳定性好；
化学化工瓷：用于化工、制药、食品等工业及实验室中的管道设备、耐
蚀容器及实验器皿等，通常要求耐各种化学介质腐蚀的能力要强；
电工瓷：主要指电器绝缘用瓷，也叫高压陶瓷，要求机械性能高、介电
性能和热稳定性好。
改善性能的方法：
加入MgO、ZnO、BaO、Cr2O3等，提高机械强度和耐碱抗力；加入Al2O3、
ZrO2等提高强度和热稳定性；加入滑石或镁砂降低热膨胀系数；加入
SiC提高导热性和强度。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
广义的陶器可分为四类:土器,炻器,陶器和瓷器。
土器：坯质粗松,多孔,色泽不洁,成陶火度最低,有吸水性.音粗而韵
短,如砖瓦钵
炻器：坯质致密坚硬,取天然泥色,成陶火度在1010－1020℃,无吸水
性,音粗而韵长,如紫砂陶
陶器：坯质也较细,上釉,成陶火度高,有吸水性,音粗而韵短
瓷器：坯质致密透明,上釉,成陶火度最高,无汲水性,音清而韵长
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
特种陶瓷
特种陶瓷 也叫现代陶瓷、精细陶瓷或高性能陶瓷
分类：特种结构陶瓷和特种功能陶瓷
如压电陶瓷、磁性陶瓷、电容器陶瓷、高温陶瓷等
工程上最重要的是高温陶瓷，包括氧化物陶瓷、硼化物陶瓷、氮化
物陶瓷和碳化物陶瓷
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
高分子材料结构
 高分子材料概述
 高分子材料合成
 高分子材料结构
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
高分子材料概述
天然高分子材料：蛋白质、核酸、淀粉、纤维素
高分子材料
合成高分子材料：塑料、橡胶、胶粘剂、合成纤维
 高分子材料主要由高分子化合物组成
 高分子化合物通常由一种或几种低分
子化合物（单体）聚合而成，又称高
聚物。
天然高分子材料——蚕丝
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
常见单体——碳水化合物
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
常见单体
醇
甲醇
醚
乙醚
酸
乙酸
醛
甲醛
芳香烃
2020/4/25
苯酚
材料科学与人类文明--材料结构基础
常见单体
聚乙烯
碳链高分子中以
不同的基团取代
聚氯乙烯
H，可以获得不
同性能的高分子
聚丙烯
聚甲基丙烯酸甲酯（有机玻璃）
2020/4/25
聚苯乙烯
材料科学与人类文明--材料结构基础
高分子化合物的合成
聚氯乙烯的聚合反应：
高聚物的重复结构单元称链节，链节数目称聚合度。
高分子的分子量为链节分子量与聚合度的乘积。
聚合反应的两种形式：
 加聚反应——反应过程无副产物，单体一般为含双键的有机化合物。
 缩聚反应——反应过程产生低分子化合物，单体一般为环状化合物或
含官能团的化合物。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
高分子链的分类
碳链高分子——大分子主链全部由碳原子构成
杂链高分子——大分子主链除碳原子外，还含有O、S、N、P等
元素有机高分子——大分子主链没有碳原子，主要由Si、O、N、Al、B、P、
Ti等原子构成，且侧链为有机取代基
元素无机高分子——大分子主链没有碳原子，且侧链无有机取代基
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
高分子材料的结构
高分子链的结构
高分子材料的聚集态结构
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
高分子链的空间构型
高分子链的空间构型——高分子链中原子或原子团在空间的排列方式，即链结构。
空间构型包括：立体异构、几何异构
分子链的侧基为H原子时，只有一种链结构。如聚乙烯分子链：
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
立体异构
分子链的侧基有其它原子或原子团时，化学成分相同而取代基沿分子主链战占据位
置不同，因而具有不同链结构的现象。
全同立构
间同立构
全同立构和间同立构易结晶，硬度、
密度、软化温度、熔点较高；无规
立构不易结晶，易软化，性能较差。
2020/4/25
无规立构
材料科学与人类文明--材料结构基础
几何异构
2020/4/25
顺式结构（Cis- structure）
反式结构（Trans- structure）
天然橡胶
天然橡胶
材料科学与人类文明--材料结构基础
大分子链的构象及柔性
聚合物大分子链在不停地运动，这种运动是由单键内旋转引起的。
这种由于单链内旋转所产生的大分子链的空间形象称为大分子链的
构象。正是这种极高频率的单键内旋转随时改变着大分子链的构象，
使线型大分子链在空间很容易呈卷曲状或线团状。在拉力作用下，
呈卷曲状或线团状的线型大分子链可以伸展拉直，外力去除后，又
缩回到原来的卷曲状和线团状。这种能拉伸、回缩的性能称为分子
链的柔性，这是聚合物具有弹性的原因。
 柔性分子链聚合物的强度、硬度和熔点
较低，但弹性和韧性较好
 刚性分子链聚合物相反。
柔性影响因素：构成单键的元素、分子链的侧基或支链、链节数、温度
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
高分子链的形态
线型和支化型分子链构成的
聚合物统称线型聚合物，具
有高弹性和热塑性，又称热
塑性聚合物。如涤纶、尼龙、
生胶等。
交联型和网络型高分子链构
成的聚合物称为体型聚合物，
具有较高的强度和热固性，
又称热固性聚合物。如酚醛
塑料、环氧树脂、硫化橡胶
等。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
高分子材料的聚集态
高分子材料的聚集状态有三种：
晶态(分子链在空间规则排列)、
部分晶态(分子链在空间部分规则排列)
非晶态(分子链在空间无规则排列，亦称玻璃态)
通常线型聚合物在一定条件下可以形成晶态或部分晶态，而体型聚
合物为非晶态(或玻璃态)。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
完全晶态的聚合物实际生产很难获得。大多数聚合物是
部分晶态或完全非晶态。
晶态聚合物：熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性和
抗熔性等性能好。（分子链规则排列而紧密，分子间吸
引力大，分子链运动困难）
非晶态聚合物：弹性、延伸率和韧性好。（分子链无规
则排列，分子链活动能力大）
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
聚集态对高分子性能的影响
聚集态
分子链特点
性能特点
晶态
规则排列，分子间
吸力大，运动困难
熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性好
非晶态
无规则排列，运动
容易
弹性、延伸率和韧性好
部分晶态 介于以上两者之间
2020/4/25
性能介于以上两者之间。随结晶度增加，
熔点、相对密度、强度、刚度、耐热性提
高，弹性、延伸率和韧性降低。
材料科学与人类文明--材料结构基础
共聚高分子（类似于金属的合金化）
共聚高分子链类型
共聚高分子举例：ABS塑料、丁苯橡胶等。
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础
2020/4/25
材料科学与人类文明--材料结构基础