无机非金属材料科学基础 作业 第5章
5.5在玻璃性质随温度变化的曲线上有两个特征温度Tg和Tf，试说明这两个特征温度的含义及其相对应的黏度。
答：（1）脆性温度Tg。
它是玻璃出现脆性的最高温度，由于这个温度下可以消除玻璃制品因不均匀冷却而产生的内应力，所以也称为退火温度上限。
在Tg时相应的玻璃黏度约为10的11次幂~10的12次幂Pa-S。
（2）软化温度Tf。
它是玻璃开始出现液体状态典型性质的温度，指玻璃在自重的作用下开始出现变形的温度。
无论玻璃组成如何，在Tf时相应的玻璃黏度约为10的8次幂Pa-S。
Tf也是玻璃可拉成丝的最低温度。
5.6
5.7
5.8网络变性体（如Na2O）加到石英玻璃中，使氧硅比增加。
实验观察到当O/Si≈2.5~3.0时，即达到形成玻璃的极限，O/Si＞3时，则不能形成玻璃，为什么？
答：
5.9 试计算下列玻璃的结构参数：Na2O-SiO2，Na20-CaO-Al2O3-2SiO2，Na2O-1/3Al2O3-2SiO2。
5.10玻璃的组成为13Na2O-13CaO-74SiO2（质量分数，计算结构参数和非桥氧的质量分数。
5.11有一组二元硅酸盐熔体，其R值变化为：2、2.5、3、3.5、4.写出熔体一系列性质的变化规律：游离碱含量的变化；氧硅摩尔比的变化；低聚物数量；熔体黏度；形成玻璃的能力；析晶能力。
答：
5.12
答：
5.16 什么是硼反常现象？为什么会产生这些现象？答：。
大学材料科学基础 第五章材料的相结构和相图(1)
弗兰克尔空位
肖脱基空位
2) 为了保持电中性，离子间数量不等的置换会 在晶体内部形成点缺陷。 如：2Ca2+→Zr4+ ，形成氧离子空缺。 3) 陶瓷化合物中存在变价离子，当其电价改变 时，也会在晶体中产生空位。 如：方铁矿中，部分Fe2+被氧化为Fe3+时， 2FeO+O → Fe2O3中，产生阳离子空缺。 同理，TiO2中，部分Ti4+被还原为Ti3+时，产 生阴离子空缺。 这种由于维持电中性而出现的空位，可以 当作电子空穴。欠缺或多出的电子具有一定的 自由活动性，因而降低了化合物的电阻。这种 现象在材料的电性能方面有重要意义。
3．陶瓷材料中的固溶方式
陶瓷材料——一般不具备金属特性，属无机非金属。 无机非金属化合物可以置换或间隙固溶的方式溶入其 它元素而形成固溶体，甚至无限固溶体，但是一般形 成有限固溶体。 如：Mg[CO3] → (Mg,Fe)[CO3] →(Fe,Mg)[CO3] →Fe[CO3] 菱镁矿 含铁菱镁矿 含镁菱铁矿 菱铁矿 不改变原来的晶格类型，晶格常数略有改变。
(3) 多为金属间或金属与类金属间的化合物， 以金属键为主，具有金属性，所以也称金属 间化合物。 (4) 晶体结构复杂。 (5) 在材料中是少数相，分布在固溶体基体 上，起到改善材料性能、强化基体的作用。 中间相可分为以下几类： 正常价化合物；电子化合物；间隙相；间隙 化合物；拓扑密堆相。
1. 正常价化合物 • 通常是由金属元素与周期表中第Ⅳ、Ⅴ、 Ⅵ族元素形成，它们具有严格的化合比， 成分固定不变，符合化合价规律，常具有 AB、AB2、A2B3分子式。 • 它的结构与相应分子式的离子化合物晶体 结构相同，如分子式具有AB型的正常价化 合物其晶体结构为NaCl型。正常价化合物 常见于陶瓷材料，多为离子化合物。如 Mg2Si、Mg2Pb、MgS、AuAl2等。 • 在合金材料中，起弥散强化的作用。
材料科学基础第5章部分答案
第5章 习题答案4． 单滑移是指只有一个滑移系进行滑移。
滑移线呈一系列彼此平行的直线。
这是因为单滑移仅有一组多滑移是指有两组或两组以上的不同滑移系同时或交替地进行滑移。
它们的滑移线或者平行，或者相交成一定角度。
这是因为一定的晶体结构中具有一定的滑移系，而这些滑移系的滑移面之间及滑移方向之间都交滑移是指两个或两个以上的滑移面沿共同的滑移方向同时或交替地滑移。
它们的滑移线通常为折线或波纹状。
只是螺位错在不同的滑移面上反复“扩展”的结果。
6吕德斯带会使低碳薄钢板在冲压成型时使工件表面粗糙不平。
其解决办法，可根据应变时效原理，将钢板在冲压之前先进行一道微量冷轧(如1％～2％的压下量)工序，使屈服点消除，随后进行冲压成型，也可向钢中加入少量Ti ，A1及C ，N 等形成化合物，以消除屈服点。
7．加工硬化是由于位错塞积、缠结及其相互作用，阻止了位错的进一步运动，流变应力ρασGb d =。
细晶强化是由于晶界上的原子排列不规则，且杂质和缺陷多，能量较高，阻碍位错的通过，210-+=Kds σσ；且晶粒细小时，变形均匀，应力集中小，裂纹不易萌生和传播。
固熔强化是由于位错与熔质原子交互作用，即柯氏气团阻碍位错运动。
弥散强化是由于位错绕过、切过第二相粒子，需要增加额外的能量(如表面能或错排能)；同时，粒子周围的弹性应力场与位错产生交互作用，阻碍位错运动。
15．这是由于陶瓷粉末烧结时存在难以避免的显微空隙。
在冷却或热循环时由热应力产生了显微裂纹，由于腐蚀所造成的表面裂纹，使得陶瓷晶体与金属不同，具有先天性微裂纹。
在裂纹尖端，会产生严重的应力集中，按照弹性力学估算，裂纹尖端的最大应力已达到理论断裂强度或理论屈服强度(因为陶瓷晶体中可动位错很少，而位错运动又很困难，故一旦达到屈服强度就断裂了)。
反过来，也可以计算当裂纹尖端的最大应力等于理论屈服强度时，晶体断裂的名义应力，它和实际得出的抗拉强度极为接近。
陶瓷的压缩强度一般为抗拉强度的15倍左右。
材料科学基础A习题答案第5章
材料科学基础A习题答案第5章材料科学基础A习题第五章材料的变形与再结晶1某⾦属轴类零件在使⽤过程中发⽣了过量的弹性变形，为减⼩该零件的弹性变形，拟采取以下措施：（1）增加该零件的轴径。
（2）通过热处理提⾼其屈服强度。
（3）⽤弹性模量更⼤的⾦属制作该零件。
问哪⼀种措施可解决该问题，为什么？答：增加该零件的轴径，或⽤弹性模量更⼤的⾦属制作该零件。
产⽣过量的弹性变形是因为该⾦属轴的刚度太低，增加该零件的轴径可减⼩其承受的应⼒，故可减⼩其弹性变形；⽤弹性模量更⼤的⾦属制作该零件可增加其抵抗弹性变形的能⼒，也可减⼩其弹性变形。
2、有铜、铝、铁三种⾦属，现⽆法通过实验或查阅资料直接获知他们的弹性模量，但关于这⼏种⾦属的其他各种数据可以查阅到。
请通过查阅这⼏种⾦属的其他数据确定铜、铝、铁三种⾦属弹性模量⼤⼩的顺序（从⼤到⼩排列），并说明其理由。
答：⾦属的弹性模量主要取决于其原⼦间作⽤⼒，⽽熔点⾼低反映了原⼦间作⽤⼒的⼤⼩，因⽽可通过查阅这些⾦属的熔点⾼低来间接确定其弹性模量的⼤⼩。
据熔点⾼低顺序，此⼏种⾦属的弹性模量从⼤到⼩依次为铁、铜、铝。
3、下图为两种合⾦A B各⾃的交变加载-卸载应⼒应变曲线（分别为实线和虚线），试问那⼀种合⾦作为减振材料更为合适，为什么？答：B合⾦作为减振材料更为合适。
因为其应变滞后于应⼒的变化更为明显，交变加载-卸载应⼒应变回线包含的⾯积更⼤，即其对振动能的衰减更⼤。
4、对⽐晶体发⽣塑性变形时可以发⽣交滑移和不可以发⽣交滑移，哪⼀种情形下更易塑性变形，为什么？答：发⽣交滑移时更易塑性变形。
因为发⽣交滑移可使位错绕过障碍继续滑移，故更易塑性变形。
5、当⼀种单晶体分别以单滑移和多系滑移发⽣塑性变形时，其应⼒应变曲线如下图，问A、B中哪⼀条曲线为多系滑移变形曲线，为什么？答：A曲线为多系滑移变形曲线。
这是因为多滑移可导致不同滑移⾯上的位错相遇，通过位错反应形成不动位错，或产⽣交割形成阻碍位错运动的割阶，从⽽阻碍位错滑移，因此其应⼒应变曲线的加⼯硬化率较单滑移⾼。
第五章 表面与界面 (1)
Hale Waihona Puke 表面粗糙度：(1)使表面力场变得不均匀，其活性及其它表面性质也随之 发生变化。
(2)直接影响固体表面积，内、外表面积比值以及相 关的属性。
(3)与两种材料间的封接和结合界面间的啮合和结合强度有 关。
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表面裂纹
因晶体缺陷或外力而产生。表面裂纹在材料中起 着应力倍增器的作用，使位于裂纹尖端的实际应力远 大于所施加的应力。格里菲斯关于微裂纹的公式：
粘土胶粒带电与水化等一系列由表面效应而引起的胶体化学 性质如泥浆的流动性和触变性、泥团的可塑性等。
2
无机材料科学基础（四）
§5.1 固体表面 §5.1 Surface of Solid
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主要内容：
固体表面的特征、结构和固体的表面能
定义 ：
表面－－把一个相和它本身蒸汽或真空接 触的分界面。 界面－－把一相与另一相(结构不同)接触 的分界面。
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3、浸渍润湿
固
定义： 固体侵入液体中的过程。 S—V界面为S—L界面代替。
液体
一种固体侵渍到液体中的自由 能变为：
－ΔG＝ γLV cosθ＝ γSV － γSL 若γSV > γSL ,则θ<90o ,浸渍润湿过程将自 发进行，此时ΔG<0
固
若γSV < γSL ,则θ>90o ,要将固体浸入液体 之中必须做功， 此时 ΔG>0
n=cosθn/cosθ
n：表面粗糙度系数； θn：对粗糙表面的表现接触角；
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因为， n 值总是大于 1 的，所以的相对关系 如图4-10所示的余弦曲 线变化即： θ＜900 θ＜θn
θ＝900 θ＝θn
θ＞900 θ＞θn
材料科学基础第5章 材料的相结构与相图 ppt课件[1]
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一、纯金属特点
1、优良的导电、导热性能； 2、高的化学稳定性； 3、美观的金属光泽； 4、但强度、硬度较低； 5、制取困难；价格高；资源有限
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二、合金的基本概念
1、定义
是由两种或两种以上金属元素， 或金属元素与非金属元素，经熔 炼、烧结等方法组合而成并具有 金属特性的物质。
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钢：Fe-C合金；
黄铜：Cu-Zn合金； 黄铜 防锈铝：Al-Mg合金。
2、合金的特点 Al-Cu两相合金 强度高、硬度高；性能可大幅 度调节；价格较低、应用广。
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3、相
是合金中具有晶体结构相同、 成分相同和性能相同，并以界 面相互分开的组成部分。
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纯铁：由α-Fe（铁素体相） 单相构成，为单相合金；
3、作用：为合金的强化相。
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（二）金属间化合物
1、定义
合金结晶时，当其溶质浓度大 于溶解度时，将析出结构不同于任 何组元的新相，该相具有一定的金 属特征，称为金属间化合物。
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3、分类：
正常价化合物、电子化合物 、 间隙相和间隙化合物 。
1）正常价化合物
P（珠光体）= F + Fe3C Fe3C形状：片状和球状。
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❖ 当Fe3C为片状 时，构成P片状
❖ HB≈200 ❖ δ=15% ❖ Ψ=30%
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珠光体
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当Fe3C为球状 时，构成P球状
HBS≈163 δ=20% Ψ=40%
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无机非金属材料科学基础习题
1.1 名词解释：等同点、结点、空间点阵、晶体、对称、对称型、晶系、晶类、布拉菲格子、晶胞、晶胞参数、晶体定向、晶面指数、晶向指数、晶带轴定律1.2 略述从一个晶体结构中抽取点阵的意义和方法？空间点阵与晶体结构有何对应关系？1.3 什么叫对称性？晶体的对称性有何特点，为什么？1.4 晶体中有哪些对称要素，用国际符号表示。
1.5 试找出正四面体、正八面体和立方体中的所有对称元素，并确定其所属点群、晶系。
1.6 根据什么将14种布拉维点阵分成七个晶系？各晶系特点如何？为什么14种布拉维点阵中有正交底心而无四方底心和立方底心点阵型式？以图说明。
说明七个晶系的对称特点及晶体几何常数的关系。
1.7 什么叫单位平行六面体（或单位）？在三维点阵中选取单位平行六面体应遵循哪些原则？为什么？1.8 a≠b≠c, α=β=γ=90℃的晶体属于什么晶系？a≠b≠c, α≠β≠γ≠90°的晶体属什么晶系？能否据此确定这二种晶体的布拉维点阵？1.9 一个四方晶系晶体的晶面，其上的截距分别为3a、4 a，6c，求该晶面的晶面指数。
1.10 四方晶系晶体a＝b，c＝1/2a。
一晶面在X、Y、Z轴上的截距分别为2a, 3b和6c。
给出该晶面的密勒指数。
1.11 某一晶面在x、y、z三个坐标轴上的截距分别为1a，∞b,3c，求该晶面符号。
1.12 在正交简单点阵、底心点阵、体心点阵、面心点阵中分别标出（110）、（011）、（101）三组晶面，并指出每个晶面上的结点数。
1.13 在立方晶系中画出下列晶面：a）（001）；b）（110）；c）（111）。
在所画的晶面上分别标明下列晶向：a）[210]；b）[111]；c）[101]。
1.14 试说明在等轴晶系中，（111）、（111）、（222）、（110）与（111）面之间的几何关系。
1.15 在立方晶系晶胞中画出下列晶面指数和晶向指数：（001）与[210]，(111)与[112]，(110)与[111]，（322）与[236]，(257)与[111]，(123)与[121]，(102)，(112)，(213)，[110]，[111]，[120]，[ 321]。
无机材料科学基础 第5章 热力学应用
第五章热力学应用§5-1 热力学应用计算方法一、经典法已知在标准条件下反应物与生成物从元素出发的生成热△H0298。
生成自由能△G0298及反应物与产物的热容温度关系式Cp=a+bT+cT-2中各系数时，计算任何温度下反应自由能变化可据吉布斯—赤赤姆霍兹关系式进行[α（△G0R/T）/Αt]P=-△H0R/T2（5-5）据基尔霍夫公式：△H0R=△H012298+∫T298△cpo/T （5-6）和考虑反应热容变化关系：△cp=△a+△bT+△c/T2（5-7）可积分求得：△H0R=△H0+△aT+½△bT2+△c/T （5-8a）△H0为积分常数：△H0=△H012298+298△a－2982△b/2+△c/298 （5-8b）将（5-6）式代入（5-5）式并积分，便得任何温度下反应自由能变化△G0298的一般公式：△G0298=△H0－△aTLnT－½△Bt2－½△cT-1－Yt （5-9a）y=（△G0R·298－△H0）/298+△aLn（298）+298△b/2+△c/2×2982（5-9b）经典法计算反应△G0298一般步骤：1、由有关数据手册，索取原始热力学基本数据：反应物和生成物的△H0298、△G0298（S0298）以及热容关系式中的各项温度系数：a、b、c。
2、计算标况下（298K）反应热△H0R·298，反应自由能变化△G0R·298, G0R·298或反应熵变△S0R·298以及反应热容变化△Cp中各温度系数△a、△b、△c。
3、将△H0R`298、△a、△b以及△c分别代入式（5-8b）各项，计算积分常数△H0。
4、△G0R`298、△a、△b以及△c分别代入式（5-9b）各项，计算积分常数y。
5、将△H0、y、△a、△b以及△c代入（5-9a）式得△G0R～T函数关系式。
《无机非金属材料科学基础》第5章 熔体和非晶态固体
目录
• 第一节 • 第二节 • 第三节 • 第四节 • 第五节 • 第六节
熔体的结构 玻璃的通性 玻璃的结构 非晶态固体的形成 常见玻璃类型与实例 玻璃的性质
5.1 熔体的结构
• 对熔体结构的一般认识：
1. 晶体与液体的体积密度相近。
当晶体熔化为液体时体积变化较小，一般不超过10％ (相当于质点间平均距离增加3％左右)；而当液体气化时， 体积要增大数百倍至数千倍(例如水增大1240倍)。
V、Q
过冷液体
a
b
玻璃
e
c
快
f
冷慢 h
冷
d
晶
体
Tg1 Tg2 TM
T
物质体积与内能 随温度变化示意图
玻璃性质随温度的变化
5.3 玻璃的结构
玻璃的性质不但与化学组成有关，与它 的结构一也密切相关，研究玻璃的结构有助 于进一步了解玻璃的性质和特点。玻璃结构 是指玻璃中质点在空间的几何配置、有序程 度及它们彼此间的结合状态。由于玻璃结构 的复杂性，至今尚未提出一个统一和完善的 玻璃结构理论。目前最主要的、广为接受的 玻璃结构学说是微晶学说和无规则网络学说。
第二，微晶的化学成分还没有得到合理的确定。
• 网络学说：
优点：强调了玻璃中离子与多面体相互间排列的均匀 性、连续性及无序性等方面结构特征。这可以说明玻 璃的各向同性、内部性质的均匀性与随成分改变时玻 璃性质变化的连续性等基本特性。如玻璃的各向同性 可以看着是由于形成网络的多面体（如硅氧四面体） 的取向不规则性导致的。而玻璃之所以没有固定的熔 点是由于多面体的取向不同，结构中的键角大小不一， 因此加热时弱键先断裂然后强键才断裂，结构被连续 破坏。宏观上表现出玻璃的逐渐软化，物理化学性质 表现出渐变性。
无机非金属材料科学基础05
5.3 固相反应动力学
材料科学与工程学院
无机非金属材料科学基础
1 2
一般动力学方程 化学动力学范围
3
扩散动力学范围
5.3.1
一般动力学方程
材料科学与工程学院
无机非金属材料科学基础
1. 固相反应动力学的任务
固相反应
定性研究
定量研究
反应的程度 反应所需时间 反应的机理
反应量和时间 的关系
材料科学与工程学院
x c c x
kt
材料科学与工程学院
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对于多数为非均相反应的固相反应，反应颗粒间的接触面
积在描述固相反应速度的时候需要被考虑进去！
由于反应时多为颗粒状样品， 特建立如右图的反应模型！
V KF C n
材料科学与工程学院
无机非金属材料科学基础
引入反应进程量
材料科学与工程学院
无机非金属材料科学基础
⑶.按照反应的性质划分
加成反应 AS+BS=ABS
分解反应 AS=BS+Cg 氧化反应 AS+BG=ABS 还原反应 ABS+CG=AS+BCS 置换反应 AS+BCS=ABS+CS
相变
5.2 固相反应机理
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无机非金属材料科学基础
1. 固相反应的过程 2. 固相反应的中间产物 3. 固相热分解反应 4. 简单固固反应
n
如果t时间内，X部分反应物被消耗掉，那么：
V d(c - x) dt K
(c x )
n
对此式积分：
材料科学与工程学院
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无机材料科学基础第五章固溶体
将外来组元引入晶体结构，占据主晶相质点位置一部分或间隙位置一部分，仍保持一个晶相，这种晶体称为固溶体(即溶质溶解在溶剂中形成固溶体），也称为固体溶液。
固溶体的分类
置换型固溶体
间隙型固溶体
形成固溶体后对晶体性质的影响
固溶体的研究方法
第五章 固溶体
A
根据外来组元在主晶相中所处位置 ，可分为置换固溶体和间隙固溶体。
在金属氧化物中，主要发生在金属离子位置上的置换，如：MgO-CaO，MgO-CoO，PbZrO3-PbTiO3，Al2O3-Cr2O3等。
C3S的固溶体C54S16MA2.相当于18个Si中有两个被置换。
间隙式固溶体，亦称填隙式固溶体，其溶质原子位于点阵的间隙中。
01
金属和非金属元素H、B、C、N等形成的固溶体都是间隙式的。如：在Fe-C系的α固溶体中，碳原子就位于铁原子的BCC点阵的八面体间隙中。
3、固溶强化
实际应用：铂、铑单独做热电偶材料使用，熔点为1450℃，而将铂铑合金做其中的一根热电偶，铂做另一根热电偶，熔点为1700℃，若两根热电偶都用铂铑合金而只是铂铑比例不同，熔点达2000℃以上。
4、形成固溶体后对材料物理性质的影响 固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随成分而连续变化，但一般都不是线性关系。固溶体的强度与硬度往往高于各组元，而塑性则较低。
主要是氧化镁杂质的存在，阻碍了晶界的移动速度，使气体容易消除，从而得到透明氧化铝陶瓷。
另外，氧化铝掺杂其他一些氧化物可制的相应颜色的各类宝石制品。
详见P79页。
透明Al2O3 陶瓷
”
A
B
C
固溶体类型的大略估计
固溶体类型的实验判别
固溶体组成的确定
五、固溶体的研究方法