第6章 固体材料热力学状态.ppt

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1、第六章固体材料热力学状态6.1材料系统中自由能与相平衡6.2材料系统影响自由能的因素6.3材料系统多项平衡的自由能曲线与材料相图6.4金属和陶瓷的一元相图与二元相图6.5金属与陶瓷材料中的相组成6.6单相与多相组织形貌及对材料性能的影响16.1材料系统中自由能与相平衡6.1.1原子排列的秩序假如忽略材料中的缺陷，那么原子的排列就有三种类型即无序、短程有序和长程有序。在氩气等单原子惰性气体中，其原子排列是无序的。假如材料中原子的某种特殊排列只延伸至原子的最邻近区域，则材料具有短程有序。如水蒸气中的氢原子和氧

2、原子具有短程有序性。大多数聚合物具有类似的短程有序的原子排列，情况与非晶玻璃非常相似。在金属、许多陶瓷材料以及某些聚合物材料中，原子表现为长程有序。2材料中原子排列的秩序图（a）情性气体原子的无规则排列，无序；（b）和（c）表示有些材料，包括水蒸气和玻璃，只在短距离内有序；（d）金属和许多其他固体材料的原子有序性遍及整个材料。3晶体液晶液体有序性处在晶体和液体之间的液晶态分子堆砌示意图46.1.2晶体与非晶体根据固体材料中原子排列规则与否（聚集状态），可将材料分为晶体和非晶体两大类。若材料中仅存在短程有序

3、排列，则称之为非晶体或无定形材料。原子具有长程有序排列的材料称之为晶体。具有一定的凝固点。非晶体没有一定的凝固点。只存在一个软化温度范围。晶体具有各向异性，非晶体呈各向同性。5根据晶体各节点上的微粒点种类的差异，可把晶体分为五种基本类型。如果晶格质点是阴、阳离子，就叫做离子晶体；如果是原子，就叫做原子晶体；如果是分子就叫做分子晶体。至于金属晶体，是由金属键和金属离子、原子而成。此外，有少数晶体比较特殊，叫做混合型晶体。6溶液冷凝成晶态或非晶态时固体的体积变化结晶高聚物的温度—形变曲线1—分子量较小、2—分

4、子量较大3—轻度结晶高聚物7(a)水晶(b)石英玻璃二氧化硅的两种状态8聚合物的分子链排列(a)非晶态排列；(b)分子链排成结晶；(c)分子链折叠成层状结晶；(d)分子链呈螺旋型结晶；（e）PE经高锰酸刻蚀后在断面上表现出来的晶区边界96.2.1晶体结构的构成与硬球模型当两种或两种以上的原子结合在一起形成一种晶体材料时，晶体结构将由几个因素决定。原子的键合性质，原子的相对大小、原子的化合价、最密堆积方式。把金属离子想象成为不可压缩的硬球，那么就可以将金属或离子晶体的晶体结构看成相等尺寸硬球或大小尺寸不等硬

5、球的堆积，这就是原子硬球模型。6.2材料系统影响自由能的因素106.2.2晶体的空间描述1、空间点阵阵点：将构成晶体的实际质点（原子、离子、分子）抽象成纯粹的几何点称为阵点。空间点阵（简称为点阵）：阵点在空间呈周期性规则排列，并具有等同的周围环境的模型。原子在空间中分布的规律性就是空间点阵。112、晶胞晶胞是能保持整个点阵全部特征的点阵单元。相同晶胞的叠加就构成了整个点阵。总共只有14种类型的晶胞，即布拉维空间点阵，它们又分属于7种晶系(见表)。点阵参数是描述晶胞尺寸和形状的参数，它包括晶胞的各棱边的长度

6、和夹角。晶体内长程有序排列的重复距离称为点阵常数，它表示晶胞的大小。12晶体、晶格和晶胞示意图13空间点阵按晶系的分类14空间点阵的14种形式1、简单三斜2、简单单斜3、底心单斜4、简单正交5、体心正交6、底心正交7、面心正交8、简单六方9、简单斜方10、简单立方11、体心正方12、简单正方13、体心立方14、面心立方15属于同一种空间点阵的几种晶体结构形式16常见金属的晶胞类型具有面心立方结构的有:γ-Fe、Al、β-Co、Ni、Cu、Ag、Au、Pt，等；具有体心立方结构的有：β-Ti、V、Cr、α-

7、Fe、β-Zr、Nb、Mo、Ta、W等具有密排六方结构的有：α-Ti、α-Zr、Co、Mg、Zn等。17金属的三种典型晶体结构（1）面心立方18（2）体心立方A2或bcc19（3）密排六方，属于简单六方点阵20（4）简单六方21每个晶胞所含阵点数N的计算每个晶胞所含阵点数N可用下式计算：式中Ni、Nf、Nr分别为位于晶胞内部、胞面和角顶上的格点数，m为晶胞类型参数，对于立方晶系m=8，六方晶系m=6。22Fcc面心立方，角原子：1/8，面心原子：1/223bcc体心立方，角原子：1/8，体心原子：124H

8、cp密排六方，角原子:1/6，体心原子:3，面心原子:1/2253、原子半径、配位数及堆积因子(致密度)(1)原子半径26面心立方：最密排方向即对角线方向，原子半径：27体心立方：最密排方向为体对角线方向，原子半径28密排六方a.c/a=1.633（理想情况）底面上原子间距和上下层间距相等，原子半径b.c/a≠1.633底面上原子间距和上下层间距不相等，原子半径29（2）配位数与特定原子相接触的原子数，即最邻近的原子数。简单立