材料科学基础-课件 清华skja_23
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材料科学基础第七章23ppt课件
.
6
XX
锭模凝固模型
.
7
1. 正常凝固及平衡分配系数k0
正常凝固方程：
S 0k01Lxk01
正偏析：溶质浓度由锭表面向中心逐渐增 加的不均匀分布。它是宏观偏析的一种。
这种偏析通过扩散退火也难以消除。
.
8
2. 区域熔炼
❖ 如果合金通过由试样一端向另一端局部熔化，经 过区域熔炼的固溶体合金，其溶质浓度随距离的 变化与正常凝固有所不同的，其变化符合区域熔 炼方程：
平面生长模型
胞状生长模型
.
树枝状生长模型
16
平 界胞 面状 生生 长长
树枝状生长
不同成分过冷程度的. 三个区域
17
.
18
过冷度影响因素
成分过冷对晶体生长形态的影响
.
19
7.4.2 共晶凝固理论
1.共晶组织分类及形成机制
典型共晶组织
(1)金属—金属型：层片状或棒状共晶。
影响形状的因素：
① 共晶中两组成相的相对量（体积分数）。
7.4 二元合金的 凝固理论
.
1
❖ 液态合金凝固过程除遵循金属结晶的一般规律外， 由于二元合金中第二组元的加入溶质原子要在溶、 固中发生重新分布，这对合金的凝固方式和晶体 的生长形态产生很大的影响，会引起微观偏析或 宏观偏析。
❖ 微观偏析是指一个晶粒内部的成分不均匀现象。
❖ 宏观偏析是指沿一定方向结晶过程中，在一个区 域范围内，由于结晶先后不同而出现的成分差异。
另一类反映合金性质的参数液相线斜率m、
平衡分配系数k0和溶质浓度W0 。
➢ 液相线斜率m大、平衡分配系数k0小和合金
溶质浓度W0大，都容易产生成分过冷。
第一章 材料科学基础 绪论PPT课件
❖ 功能材料是具有优良的电学、磁学、光学、 热学、声学、力学、化学和生物学功能及 其相互转化的功能，被用于非结构目的的 高技术材料。
1.4.3 材料按服役的领域来分类
根据材料服役的技术领域可分为建筑 材料、信息材料、航空航天材料、能源材 料、生物医用材料等。
❖ 火箭发动机的燃烧室与喷嘴， 需要承受2000℃的高温而不 氧化，它是用石墨表面喷涂 一层二硅化钼材料制成。石 墨已被大量用作核能工业的 “减速剂”。雷达中大型电 子管外壳，既要耐高温，又 要有优良的超高频和绝缘性 能，它是用氧化铝高频陶瓷 制成。核反应堆外部的防护 层是用一种含钡的特种水泥 筑成的。
是为高温技术服务的基础材料。尽管各国对其定义不同， 但基本含义是相同的，即耐火材料是用作高温窑炉等热 工设备的结构材料，以及用作工业高温容器和部件的材 料，并能承受相应的物理化学变化及机械作用。
大部分耐火材料是以天然矿石（如耐火粘土、硅石、菱镁 矿、白云母等）为原料制造的。
按矿物组成分为氧化硅质、硅酸铝质、镁质、白云石质、 橄榄石质、尖晶石质、含碳质、含锆质耐火材料及特殊 耐火材料；
等系统的材 料科学知识
写在最后
经常不断地学习,你就什么都知道。你知道得越多,你就越有力量 Study Constantly, And You Will Know Everything. The More
You Know, The More Powerful You Will Be
谢谢大家
荣幸这一路，与你同行
1.4.4 材料按结晶状态分类
单晶材料 多晶材料 非晶态材料 准晶材料
单晶材料是由一个比较完整的晶粒构成的 材料，如单晶纤维、单晶硅；
多晶材料是由许多晶粒组成的材料，其性 能与晶粒大小、晶界的性质有密切的关系。
材料科学基础(清华大学)-
For atomic systems:
EN EA ER
Ⅱ.Primary interatomic bonds
1. Ionic bonding Ionic bonding is always found in compounds that are
composed of both metallic and nonmetallic elements, elements that are situated at the horizontal extremities of the periodic table.
qd
dipole moment
q magnitude of electric charge d separation distance between the charge centers
1. Van der waals interactions
London forces If the interactions are between two dipoles that are induced
Ⅲ.Secondary bonding （Van Der waals bonding)
The driving force for secondary bonding is the attraction of the electric dipoles contained in atoms or molecules.
e ＝electron charge
a ＝interionic separation distance
ε0＝permittivity of free space＝8.85×10-12C2/(N·m2)
Interionic Energies
EN EA ER
Ⅱ.Primary interatomic bonds
1. Ionic bonding Ionic bonding is always found in compounds that are
composed of both metallic and nonmetallic elements, elements that are situated at the horizontal extremities of the periodic table.
qd
dipole moment
q magnitude of electric charge d separation distance between the charge centers
1. Van der waals interactions
London forces If the interactions are between two dipoles that are induced
Ⅲ.Secondary bonding （Van Der waals bonding)
The driving force for secondary bonding is the attraction of the electric dipoles contained in atoms or molecules.
e ＝electron charge
a ＝interionic separation distance
ε0＝permittivity of free space＝8.85×10-12C2/(N·m2)
Interionic Energies
《材料科学基础》PPT课件
编辑版ppt
9
w（Cu）为35%的Sn-Cu合金冷却到415℃时发生L+ε→η的包晶转变，如图 7.35（a）所示，剩余的液相冷却227℃又发生共晶转变，所以最终的平 衡组织为η+（η+Sn）。而实际的非平衡组织（见图7.35（b））却保留相 当数量的初生相ε（灰色），包围它的是η相（白色），而外面则是黑色 的共晶组织。
Pt等。
编辑版ppt
3
图7.30所示的PT-AG相图是具 有包晶转变相图中的典型代 表
图中ACB是液相线，AD，PB是固相线，DE是Ag在Pt为基的α固溶体的 溶解度曲线，PF是Pt在Ag为基的β固溶体的溶解度曲线。水平线DPC是包晶转变 线，成分在DC范围内的合金在该温度都将发生包晶转变：
LC+αD βP 包晶反应是恒温转变，图中P点称为包晶点
室温平衡组织 为:β+αⅡ
合金Ⅱ缓慢冷至包晶转变前的结晶过程与上述包晶成分合金相同，由于合金Ⅱ中的液相 的相对量大于包晶转变所需的相对量，所以包晶转变后，剩余的液相在继续冷却过程中， 将按匀晶转变的方式继续结晶出β相，其相对成分沿CB液相线变化，而β相的成分沿PB线 变化，直至t3温度全部凝固结束，β相成分为原合金成分。在t3至t4温度之间，单相β无 任何变化。在t4温度以下，随着温度下降，将从β相中不断析出αⅡ。
第七章 二元系相图及其合金的凝固
制作人:李凌锋 080207022
编辑版ppt
1
7.3.3包晶相图及其合金凝固
1.包晶相图 2.包晶合金的凝固及其平衡组织 3.包晶合金的非平衡凝固 7.3.4溶混间隙相图与调幅分解
编辑版ppt
2
ONE.包晶相图
包晶转变定义：
组成包晶相图的两组元，在液态可无限互溶， 而在固态只能部分互溶。在二元相图中， 包晶转变就是已结晶的固相与剩余液相反 应形成另一固相的恒温转变。具有包晶转 变的二元合金有Fe-C，Cu-Zn，Ag-Sn，Ag-
材料科学基础说课PPT课件
2020/1/2
14
材料要素
• 材料科学与工程所探讨的是材料的制备、结构、性能与功
效之间的相互关系。
Composition 成分/结构
表征
合成/ Synthesis/ 加工
2020/1/2
图3材料四要素（英国科学家）
性能 效能
15
图4 材料要素（中国）
2020/1/2
16
材料科学的形成历史
2020/1/2
• 材料科学导论,冯端、师昌绪、刘治国 主编,化学工业出版社,2006.01
2020/1/2
21
• 1936年Mott与Jones的专著“金属与合金性质的理论”(The Theory of Properties of Metals and Alloys)问世，表明了应用 量子力学对理解金属材料物性所取得的突破。
• 20世纪60年代初，美国许多大学建立了跨学科的材料研究 中心，不同类型的材料在同一实验室平行地被研究，促进 了不同材料学科的相互借鉴和融汇贯通。美国高校开始出 现以“材料科学与工程”系取代原先的冶金系的变更，将 专业范围由金属扩大到陶瓷，然后到高分子材料。
2020/1/2
25
• 1949年创刊的“金属物理学进展”(Progress in Metal Physics)于1961年更名为“材料科学的进展”(Progress in Materials Science)，明确地指出，材料科学是在实 用和理论上相当重要的领域，而金属物理学仅是其重要的 组成部分，而非其全部。这是材料科学名称的首次提出。
26
• 金属、半导体和陶瓷之间的共同点较多：以晶态为主，辅 以非晶态的玻璃。而以高分子为主的有机材料的发展途径 和研究工具和无机材料有较大差异。
材料科学基础ppt课件
11
• 这类聚合物是由缩聚反应或开环聚合而成的， 因主链带极性，易水解，醇解或酸解
• 优点：耐热性好，强度高 • 缺点：易水解
• 这类聚合物主要用作工程塑料
12
元素高分子
➢主链中不含碳原子，而是由Si 、B 、As等元素和O元 素组成，但在侧链上含有有机取代基团。这类高分 子兼具无机和有机高分子特性，如有机硅高分子。
• 支化高分子的形式：星形(Star)、 梳形 (Comb)、无规(Random)
23
网状(交联)大分子
• 缩聚反应中有三个或三个以上官能 度的单体存在时，高分子链之间通 过支链联结成一个三维空间网形大 分子时即成交联结构
• 交联与支化有本质区别 支化(可溶，可熔，有软化点) 交联(不溶，不熔，可膨胀)
2
•
3-1 材料组成和结构的基本内容
Principal Contents of Materials Composition and Structures
• 材料的组成： 构成材料的基本单元的成分及数目
• 材料的结构： 材料的组成单元(即原子或分子)之间相互吸引 和相互排斥作用达到平衡时在空间的几何排列。
(2)
结构单元 的键接方式 ( 几何构型 Geometric
Configuration) (链节)
16
加聚
缩聚
• 由以上知：
• 由于高分子是链状结构，所以把简单重复(结构)单元称为“链节”(chains) • 简单重复(结构)单元的个数称为聚合度DP(Degree of Polymerization1
28
无 规 共 聚 ( random)
• 两种高分子无规则地平行联结
ABAABABBAAABABBAAA
• 这类聚合物是由缩聚反应或开环聚合而成的， 因主链带极性，易水解，醇解或酸解
• 优点：耐热性好，强度高 • 缺点：易水解
• 这类聚合物主要用作工程塑料
12
元素高分子
➢主链中不含碳原子，而是由Si 、B 、As等元素和O元 素组成，但在侧链上含有有机取代基团。这类高分 子兼具无机和有机高分子特性，如有机硅高分子。
• 支化高分子的形式：星形(Star)、 梳形 (Comb)、无规(Random)
23
网状(交联)大分子
• 缩聚反应中有三个或三个以上官能 度的单体存在时，高分子链之间通 过支链联结成一个三维空间网形大 分子时即成交联结构
• 交联与支化有本质区别 支化(可溶，可熔，有软化点) 交联(不溶，不熔，可膨胀)
2
•
3-1 材料组成和结构的基本内容
Principal Contents of Materials Composition and Structures
• 材料的组成： 构成材料的基本单元的成分及数目
• 材料的结构： 材料的组成单元(即原子或分子)之间相互吸引 和相互排斥作用达到平衡时在空间的几何排列。
(2)
结构单元 的键接方式 ( 几何构型 Geometric
Configuration) (链节)
16
加聚
缩聚
• 由以上知：
• 由于高分子是链状结构，所以把简单重复(结构)单元称为“链节”(chains) • 简单重复(结构)单元的个数称为聚合度DP(Degree of Polymerization1
28
无 规 共 聚 ( random)
• 两种高分子无规则地平行联结
ABAABABBAAABABBAAA
材料科学基础 ppt课件
当这对矛盾达到统一时，系统就达到平衡。 因为系统都具有最小自由能的倾向，由此确定的 点缺陷浓度即为该温度下的平衡浓度。
（5）结合键与性能
材料结合键的类型及键能大小对某些性能 有重要影响，主要表现在以下两个方面：
1.物理性能： （1）熔点的高低代表了材料稳定性的程度。物 质加热时，当热振动能足以破坏相邻原子间的稳 定结合时，便会发生熔化，所以熔点与键能值有 较好的对应关系：共价键、离子键化合物的熔点 较高，其中纯共价键金刚石具有最高熔点，金属 的熔点相对较低，但过渡族金属有较高的熔点， 特别是难熔金属W、Mo、Ta等熔点都很高。而具 有二次键结合的材料的熔点一般很低，如聚合物
2.根据排列次序建立了元素周期表，各个周 期中的元素的性质呈现相同的周期变化规 律，元素在周期表上的位置不仅决定了单 个原子的行为，也决定了材料中原子的结 合方式以及材料的化学性能和物理性能。
第二节 原子结合键
一.原子结合键 1.存在状态：凝聚态（液态和固态） 分类 2.一次键：结合力较强，包括离子键、共 价键和金属键。 3.二次键：结合力较弱，包括范德瓦耳斯 键和氢键。
二. 一次键
1.离子键
（1）通过电子转移形成稳定结构，存在于大 多数盐类、碱类和金属氧化物，如NaCI、MgO 、CuO、Mg2Si、CrO2。
（2） 基本特点是以离子为基本结合单位。
(3）一般离子晶体中正负离子静电引力较强 ，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。 另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电 子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当
电子云
原子核
电子云
原子核 a）理论电子云的分布
b）原子偶极矩的产生
4.氢键
氢键是一种特殊的分子间作用力，本质上与
范德瓦耳斯键一样，它是由氢原子同时与两个电
（5）结合键与性能
材料结合键的类型及键能大小对某些性能 有重要影响，主要表现在以下两个方面：
1.物理性能： （1）熔点的高低代表了材料稳定性的程度。物 质加热时，当热振动能足以破坏相邻原子间的稳 定结合时，便会发生熔化，所以熔点与键能值有 较好的对应关系：共价键、离子键化合物的熔点 较高，其中纯共价键金刚石具有最高熔点，金属 的熔点相对较低，但过渡族金属有较高的熔点， 特别是难熔金属W、Mo、Ta等熔点都很高。而具 有二次键结合的材料的熔点一般很低，如聚合物
2.根据排列次序建立了元素周期表，各个周 期中的元素的性质呈现相同的周期变化规 律，元素在周期表上的位置不仅决定了单 个原子的行为，也决定了材料中原子的结 合方式以及材料的化学性能和物理性能。
第二节 原子结合键
一.原子结合键 1.存在状态：凝聚态（液态和固态） 分类 2.一次键：结合力较强，包括离子键、共 价键和金属键。 3.二次键：结合力较弱，包括范德瓦耳斯 键和氢键。
二. 一次键
1.离子键
（1）通过电子转移形成稳定结构，存在于大 多数盐类、碱类和金属氧化物，如NaCI、MgO 、CuO、Mg2Si、CrO2。
（2） 基本特点是以离子为基本结合单位。
(3）一般离子晶体中正负离子静电引力较强 ，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。 另外，在离子晶体中很难产生自由运动的电 子，因此，它们都是良好的电绝缘体。但当
电子云
原子核
电子云
原子核 a）理论电子云的分布
b）原子偶极矩的产生
4.氢键
氢键是一种特殊的分子间作用力，本质上与
范德瓦耳斯键一样，它是由氢原子同时与两个电
材料科学基础知识培训(ppt 97页)
• 电子仪表内不同元件之间需要用材料连接起来，以实现每个元 件的功能，试考虑选择何种材料恰当？
① 选择飞机机翼材料时应考虑哪些主要的性能？
材料选择
• 使用性：材料在使用过程中，能够安全可靠地工作所 必需具备的性能，包括材料的力学性能、物理性能、 化学性能。
• 工艺性能：材料在不同的制造工艺条件下所表现出的 承受加工的能力。
* 晶体的空间点阵类型
直线点阵 平面点阵 空间点阵
1. 一维点阵
A－NaCl中沿y轴Na+和Cl-排列的情况 B－Na+的直线排列 C－抽象为直线点阵
R ma
周期性结构 点阵
周期性结构 点阵
周期性结构 点阵
结点——仅有几何意义， 并不真正代表任何质点。
2. 二维点阵
(a)－NaCl中xy平面Na+和Cl-排列的情况 (b)－Na+或Cl-的平面排列 (c)－抽象为平面点阵
铁氧体磁性；铁磁性；顺磁性；抗磁性；磁导率
声吸收；声反射；声透射；吸声系数；降噪系数
化学稳定性；腐蚀；氧化；催化性能；纯度
四大材料的成形工艺方法
材料
常见成形方法
金属
铸造、焊接、锻造、冲压等
高分子 挤出、注射、模压、热成形等
陶瓷
压制-烧结、浇注-烧结、挤出-烧结等
复合材料 手糊成形、压制成形、挤出等
材料科学与工程基础
目
烧固相扩相晶晶引
结态变散平体体言
反
衡结结
录
应
与构构
相缺
图陷
1 引言
材料科学——研究材料的组分、结构与性能之间相互关系
和变化规律的一门应用基础科学。
材料工艺
① 选择飞机机翼材料时应考虑哪些主要的性能？
材料选择
• 使用性：材料在使用过程中，能够安全可靠地工作所 必需具备的性能，包括材料的力学性能、物理性能、 化学性能。
• 工艺性能：材料在不同的制造工艺条件下所表现出的 承受加工的能力。
* 晶体的空间点阵类型
直线点阵 平面点阵 空间点阵
1. 一维点阵
A－NaCl中沿y轴Na+和Cl-排列的情况 B－Na+的直线排列 C－抽象为直线点阵
R ma
周期性结构 点阵
周期性结构 点阵
周期性结构 点阵
结点——仅有几何意义， 并不真正代表任何质点。
2. 二维点阵
(a)－NaCl中xy平面Na+和Cl-排列的情况 (b)－Na+或Cl-的平面排列 (c)－抽象为平面点阵
铁氧体磁性；铁磁性；顺磁性；抗磁性；磁导率
声吸收；声反射；声透射；吸声系数；降噪系数
化学稳定性；腐蚀；氧化；催化性能；纯度
四大材料的成形工艺方法
材料
常见成形方法
金属
铸造、焊接、锻造、冲压等
高分子 挤出、注射、模压、热成形等
陶瓷
压制-烧结、浇注-烧结、挤出-烧结等
复合材料 手糊成形、压制成形、挤出等
材料科学与工程基础
目
烧固相扩相晶晶引
结态变散平体体言
反
衡结结
录
应
与构构
相缺
图陷
1 引言
材料科学——研究材料的组分、结构与性能之间相互关系
和变化规律的一门应用基础科学。
材料工艺
清华材料科学基础课件(英文)skja_23
2012-8-30
材料科学基础
B
C
b2
C D A
A b 1
b2
D B
C
b2
b1
D B
b1
A
Ⅱ.Examples:
1. 2. 3. 4. ⊥-⊥ ⊥-⊥ ⊥-$ $-$ Burgers vector ⊥ forming jog Burgers vector ∥ forming kink forming one jog, one kink, or two jogs forming two jogs
2012-8-30
材料科学基础
Examples and Discussions
2012-8-30
材料科学基础
Exercise
2012-8-30
材料科学基础
Thank you !
23
2012-8-30 材料科学基础
材料科学基础
Fundamental of Materials
Lesson twenty-three
2012-8-30 材料科学基础
§5.14 Pile up of Dislocation
Ⅰ.Model Ⅱ.Back stress exerted by obstacle on leading dislocation.
材料科学基础
2012-8-30
Ⅲ.Consequence
1. No change in dislocation shape ＝> no effect
on further slip. 2. Formation of jog.
① Which could slip along with the remaining segments,
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nbdx B bdx B n
dx : virtual displacement
Ⅲ.Distribution of the dislocation
j i n
Gb j
1
j 1 2
(1 ) xi x j
bi bi 0
i (2,3, , n)
B
C
b2
C D A
A b 1
b2
D B
b1
C
b2
b1
D B
A
Ⅱ.Examples:
1. 2. 3. 4. ⊥-⊥ ⊥-⊥ ⊥-$ $-$ Burgers vector ⊥ forming jog Burgers vector ∥ forming kink forming one jog, one kink, or two jogs forming two jogs
Examples and Discussions
Exercise
Thank you !
23
§5.15 Intersection of Dislocations
Ⅰ.Rule:
When two dislocation moving on intersecting slip planes meet together, their shape will in general change. This shape change can be determined by the macroscopic deformation of the crystal.
To leading dislocation :
n
Gb j
1
j 2 2
(1 ) ( x j )
b1 b1 B b1 0
Ⅳ.Consequence
① Cut through obstacle
② Bypass
③ Crack
by slip by climbing by cross slip
材料科学基础
Fundamental of Materials
Prof: Tian Min Bo
Tel: 62795426 ，62772851 E-mail: tmb@ Department of Material Science and Engineering Tsinghua University. Beijing 100084
Lesson twenty-three
§5.14 Pile up of Dislocation
Ⅰ.Model Ⅱ.Back stress exerted by obstacle on leading dislocation.
(It is supposed to be a short-range-force.)
Ⅲ.Consequence
1. No change in dislocation shape ＝> no effect
on further slip. 2. Formation of jog.
① Which could slip along with the remaining segments,
c. Mediums jog (<100Å) forming dislocation dipole.
② Which must climb along with the remaining segments.
The consequence is
a. leaving point defects b. hardening
but on different S.P. the consequence depends on the height of jog.
a. Short jog (1~2Å) is effect in slip. b. Long jog (>100Å) forming L-shaped dislocation sources.
dx : virtual displacement
Ⅲ.Distribution of the dislocation
j i n
Gb j
1
j 1 2
(1 ) xi x j
bi bi 0
i (2,3, , n)
B
C
b2
C D A
A b 1
b2
D B
b1
C
b2
b1
D B
A
Ⅱ.Examples:
1. 2. 3. 4. ⊥-⊥ ⊥-⊥ ⊥-$ $-$ Burgers vector ⊥ forming jog Burgers vector ∥ forming kink forming one jog, one kink, or two jogs forming two jogs
Examples and Discussions
Exercise
Thank you !
23
§5.15 Intersection of Dislocations
Ⅰ.Rule:
When two dislocation moving on intersecting slip planes meet together, their shape will in general change. This shape change can be determined by the macroscopic deformation of the crystal.
To leading dislocation :
n
Gb j
1
j 2 2
(1 ) ( x j )
b1 b1 B b1 0
Ⅳ.Consequence
① Cut through obstacle
② Bypass
③ Crack
by slip by climbing by cross slip
材料科学基础
Fundamental of Materials
Prof: Tian Min Bo
Tel: 62795426 ，62772851 E-mail: tmb@ Department of Material Science and Engineering Tsinghua University. Beijing 100084
Lesson twenty-three
§5.14 Pile up of Dislocation
Ⅰ.Model Ⅱ.Back stress exerted by obstacle on leading dislocation.
(It is supposed to be a short-range-force.)
Ⅲ.Consequence
1. No change in dislocation shape ＝> no effect
on further slip. 2. Formation of jog.
① Which could slip along with the remaining segments,
c. Mediums jog (<100Å) forming dislocation dipole.
② Which must climb along with the remaining segments.
The consequence is
a. leaving point defects b. hardening
but on different S.P. the consequence depends on the height of jog.
a. Short jog (1~2Å) is effect in slip. b. Long jog (>100Å) forming L-shaped dislocation sources.