材料界面结构与特性(叶恒强等著)思维导图
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《工程材料》材料的结构与性能 ppt课件
原子排列情况相同而在空间位向不同 的晶向组成晶向族。
晶向族用尖括号表示, 即<uvw>。
如: <100> = [100] + [010] + [001]
ppt课件
26
在立方晶系中, 一个晶面指数与一 个晶向指数数值和符号相同时, 则该晶 面与该晶向互相垂直。
如：(111)⊥[111]。
晶面与晶向互相垂直
1. 金属晶体具有确定的熔点 纯金属缓慢加热到一定温度, 固态金属熔化 成为液态金属。熔化过程中温度不变。
熔化温度(T0)称为熔点。
非晶体材料在加 热时, 固态转变为 液态时, 温度变化。
晶体和非晶体的熔化曲线
ppt课件
32
2. 金属晶体具有各向异性
在晶体中, 不同晶面和晶向上原子排列的 方式和密度不同，它们之间的结合力的大小 也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能 不同。这种性质叫做晶体的各向异性。
晶胞
老师提示 不同元素组成的金属晶体因晶格形
式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、
化学和力学性能。金属的晶体结构可用X射线
结构分析技术进行测定。
ppt课件
5
一、三种常见的金属晶体结构
☆ 老师提示：重点内容
1. 体心立方晶格(胞) ( BCC 晶格)
8个原子处于立方体的角上，1个原子处于立 方体的中心, 角上8个原子与中心原子紧靠。
式中：ρ 为位错密度, 单位为m-2， ΣL 为位错线总长度, 单位为m, V为体积, 单位为m3。
ppt课件
41
位错对性能的影响： ●金属为理想晶体或含极少量位错时, 金属
的屈服强度σs 很高。
●当含有一定量的位错时, 强度降低。 ●退火金属中位错密度为 106～8 cm-2 ，强 度最低。
晶向族用尖括号表示, 即<uvw>。
如: <100> = [100] + [010] + [001]
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26
在立方晶系中, 一个晶面指数与一 个晶向指数数值和符号相同时, 则该晶 面与该晶向互相垂直。
如：(111)⊥[111]。
晶面与晶向互相垂直
1. 金属晶体具有确定的熔点 纯金属缓慢加热到一定温度, 固态金属熔化 成为液态金属。熔化过程中温度不变。
熔化温度(T0)称为熔点。
非晶体材料在加 热时, 固态转变为 液态时, 温度变化。
晶体和非晶体的熔化曲线
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32
2. 金属晶体具有各向异性
在晶体中, 不同晶面和晶向上原子排列的 方式和密度不同，它们之间的结合力的大小 也不相同，因而金属晶体不同方向上的性能 不同。这种性质叫做晶体的各向异性。
晶胞
老师提示 不同元素组成的金属晶体因晶格形
式及晶格常数的不同，表现出不同的物理、
化学和力学性能。金属的晶体结构可用X射线
结构分析技术进行测定。
ppt课件
5
一、三种常见的金属晶体结构
☆ 老师提示：重点内容
1. 体心立方晶格(胞) ( BCC 晶格)
8个原子处于立方体的角上，1个原子处于立 方体的中心, 角上8个原子与中心原子紧靠。
式中：ρ 为位错密度, 单位为m-2， ΣL 为位错线总长度, 单位为m, V为体积, 单位为m3。
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41
位错对性能的影响： ●金属为理想晶体或含极少量位错时, 金属
的屈服强度σs 很高。
●当含有一定量的位错时, 强度降低。 ●退火金属中位错密度为 106～8 cm-2 ，强 度最低。
晶体界面的基础知识
16
闪锌矿结构
在晶胞顶角和面心处的原子与体内原子分别属于不同的元素。 许多重要的半导体化合物都是闪锌矿结构。典型晶体：ZnS、 CdS、GaAs、-SiC
17
晶向、晶面
晶体具有方向性，沿晶格的不同方向晶体性质不同。 布拉伐格子的格点可以看成分列在一系列相互平行的直线系 ， 这些直线系称为晶列 。
第一章 晶体界面的基础知识
江苏大学 材料科学与工程学院
1
参考教材：
1. 固体材料界面基础，颜莹编著，东北大学出版社，2008年； 2.材料界面结构与特性，叶恒强编著，科学出版社，1999年； 3.材料科学基础，张联盟, 黄学辉, 宁晓岚编，武汉理工大学出
版，2008年； 4.固体物理学，黄昆原著，韩汝琦改编，高等教育出版社，
30
一、重位点阵理论
晶体界面一般定义为，两侧晶体同相，在晶体结构和晶格 常数都相等的两个晶体间产生的界面。选择特殊的方位关系 后，因为其晶格常数相等，它成为按一定原子排列周期性重 复的界面。
作为讲述晶体晶界的形式，提出了理论和模型的人在历史 上数不胜数，但重位点阵理论的构成是高水平的。提倡用假 设两侧晶体晶格延长线上相互重合的排他律为人们提供周期 规律晶界的许多信息，这是我们想让大家体会到的事实。
例如，假设两个晶体有旋转关系，在考虑三元小回转角的 时候，可推断从1L的原点近似的三个独立晶格的矢量容易原封 不动地与2L对应，但旋转角变大时，用该假设计算的 O 点阵变 小，不能反映实际发生的对应关系。
从前面的结论显示可知，必须取1L基本矢量对应于2L矢 量，其变换关系要取最接近的矢量。作为例子讨论[110]旋转轴 的两个体心立方晶格的(110)面上的晶格，计算用二元进行。
排列方式： ABABAB (六方密堆积)
闪锌矿结构
在晶胞顶角和面心处的原子与体内原子分别属于不同的元素。 许多重要的半导体化合物都是闪锌矿结构。典型晶体：ZnS、 CdS、GaAs、-SiC
17
晶向、晶面
晶体具有方向性，沿晶格的不同方向晶体性质不同。 布拉伐格子的格点可以看成分列在一系列相互平行的直线系 ， 这些直线系称为晶列 。
第一章 晶体界面的基础知识
江苏大学 材料科学与工程学院
1
参考教材：
1. 固体材料界面基础，颜莹编著，东北大学出版社，2008年； 2.材料界面结构与特性，叶恒强编著，科学出版社，1999年； 3.材料科学基础，张联盟, 黄学辉, 宁晓岚编，武汉理工大学出
版，2008年； 4.固体物理学，黄昆原著，韩汝琦改编，高等教育出版社，
30
一、重位点阵理论
晶体界面一般定义为，两侧晶体同相，在晶体结构和晶格 常数都相等的两个晶体间产生的界面。选择特殊的方位关系 后，因为其晶格常数相等，它成为按一定原子排列周期性重 复的界面。
作为讲述晶体晶界的形式，提出了理论和模型的人在历史 上数不胜数，但重位点阵理论的构成是高水平的。提倡用假 设两侧晶体晶格延长线上相互重合的排他律为人们提供周期 规律晶界的许多信息，这是我们想让大家体会到的事实。
例如，假设两个晶体有旋转关系，在考虑三元小回转角的 时候，可推断从1L的原点近似的三个独立晶格的矢量容易原封 不动地与2L对应，但旋转角变大时，用该假设计算的 O 点阵变 小，不能反映实际发生的对应关系。
从前面的结论显示可知，必须取1L基本矢量对应于2L矢 量，其变换关系要取最接近的矢量。作为例子讨论[110]旋转轴 的两个体心立方晶格的(110)面上的晶格，计算用二元进行。
排列方式： ABABAB (六方密堆积)
第讲 固液界面结构(共40张PPT)
对于非密排晶面，
值低，如面心立方的（001）面，
。
微观光滑界面——小晶面长大——宏观有结晶面特征
增大过冷度，按连续长大（粗糙界面），形 长大机制与晶体形貌的关系？
质疑：界面类型的微观实质？
成粒状或球状
第三十七页，共40页。
37
思考与练习
课本：，，，
第三十八页，共40页。
38
第4课时
练习提示
：几何关系 ：根据计算结果讨论 3.8 (光滑界面g=1）：对结果分析 ：体会晶体形貌的可变性。
第二十五页，共40页。
R
........R. 1Tk Tk 晶体长大时动力学过度冷
Tk 连续生长时晶体生长速度与动力学过冷度的关系
第二十六页，共40页。
2、台阶方式长大（侧面长大）
光滑界面在原子尺度界面是光滑的，单个原子与 晶面的结合较弱，容易脱离。只有依靠在界面上 出现台阶，然后从液相扩散来的原子沉积在台阶 边缘，依靠台阶向侧面长大。故又称“侧面长 大”。
面，在长大速度增大到一定时，却转变为非小晶面。
过冷度对不同物质存在不同的临界值， 越大的物质， 变为粗糙 面的临界过冷度也就越大。 合金的浓度有时也影响固-液界面的性质。
第二十一页，共40页。
第2课时
练习
参照图3-26、3-24，试画出两种界面结 构的原子堆积模型
P106第题：Bi和水凝固时体积膨胀，试 推测它们的固液界面是小晶面还是非小 晶面。
固-液界面的微观结构
粗糙界面：界面固相一侧的点阵位置只有约50%被固相原子所 占据，形成坑坑洼洼、凹凸不平的界面结构。 粗糙界面也称“非小晶面”或“非小平面”。
光滑界面：界面固相一侧的点阵位置几乎全部为固相原子所占满， 只留下少数空位或台阶，从而形成整体上平整光滑的界面结构。
材料表界面第六章
溶解度参数是确定高聚物与溶剂的溶解性和聚合物与聚合 物之间相容性的重要参数。
6.5 表面张力与内聚能密度
●对于小分子，Hildebrand和Scoff 提出了如下的表面张力和
内聚能密度间的关系式：
δ 16.8( / V
2
1/ 3 0.86
)
此式适用于非缔合小分子液体，从内聚能密度计算表面张力
拉开 液 结合
固，液
Wc 2 液
内聚能：表征物质分
●内聚能：表征物质分子间相互作用力强弱的一个物理量； 摩尔内聚能：消除1摩尔物质全部分子间作用力时，其内能的 增加，即 Ecoh为摩尔内聚能，∆H为汽化热（液体）或升华热（固体） 。R为气体常数，T为温度。 ●内聚能密度：单位体积的内聚能，记作（CED），即： ●内聚能密度的平方根称为溶解度参数δ，即：
高聚物的性能与分子量的关系：
X b X b Kb / M n
性能：如玻璃化转变温度、 热容、比热、热膨胀系数、 折射率、拉伸强度等。 Xb：聚合物的某种性能； Xb∞：分子量无穷大时的性能； Kb：常数； Mn：高聚物的数均分子量。 表面张力与分子量？
6.3 表面张力与相对分子质量的关系
以σ-M-2/3或σ1/4对M-1作图，并外推到高分子量区域，即可间接得到 固态高聚物的表面张力。-------- 第二种得到表面张力的方法
6.3 表面张力与相对分子质量的关系
Ke / M
1/ 4
2/ 3 n
1/ 4 正烷烃 Ks / M n
6.3 表面张力与相对分子质量的关系
无规共聚
两种或两种以上的单体毫无规律地共聚形成
共聚物。AbbbaaAAbbabbbAAAA
嵌段共聚
材料晶界与界面ppt课件
7
四、晶界及界面对材料各种性能的影响规律 （6学时）
对材料力学性能（强度、塑性、疲劳、断裂及蠕变等） 的影响规律
对材料物理性能（电导率、磁性能及超导性能等）的影 响规律
对材料化学性能（抗腐蚀性）的影响规律
8
五、几种典型材料中的晶界及界面及其与 性能的关系（4学时）
超级钢中超细晶粒及晶界与材料强度的关系
材料晶界及界面
材料系 刘 庆， qing.liu@ 电话：62772852(O), 62773302(H);
1
刘庆 简历
1999年03- 现在，清华大学，材料科学与工程系，教授，博士生导师。 1993年8月- 1999年3月, 丹麦 Ris 国家实验室，材料研究部, 高级研究员。 1991年5月-1993年8月， 博士后，北京科技大学，1992年10 ，副教授。 1987年7月-1991年4月， 助教，讲师, 哈尔滨工业大学。 1984年－1991年，哈尔滨工业大学，金属材料，工学硕士，工学博士。 1984年，重庆大学 冶金及材料工程系，工学学士。
A、塑性变形：位错界面、亚晶界及晶界的形成 B、再结晶形核、长大过程中晶界的作用
43
10％压下量
30％压下量
50％压下量
深冲用IF钢轧制变 形组织的TEM图像
70％压下量
44
RD ND
Copper-I Copper-II
SS-II Brass-I Brass-II Random cube 0-10
高温超导材料中的晶界及相界与材料超导性能的关系
大塑性变形材料中位错界面及其与材料加工硬化性的 关系
新型磁性材料中晶界及相界与材料磁性能的关系
9
课程教材及主要参考书：
1、材料界面结构与特性 叶恒强、朱静等 科学出版社 2、金属的晶界与强度 宋余九编 西安交大出版社 3、 固体材料界面研究的物理基础 闻立时著 科学出版社 4、复合材料基体与界面 赵玉庭等著 华东化工学院出版社 5、材料的表面与界面 李恒德等编 清华大学出版社
四、晶界及界面对材料各种性能的影响规律 （6学时）
对材料力学性能（强度、塑性、疲劳、断裂及蠕变等） 的影响规律
对材料物理性能（电导率、磁性能及超导性能等）的影 响规律
对材料化学性能（抗腐蚀性）的影响规律
8
五、几种典型材料中的晶界及界面及其与 性能的关系（4学时）
超级钢中超细晶粒及晶界与材料强度的关系
材料晶界及界面
材料系 刘 庆， qing.liu@ 电话：62772852(O), 62773302(H);
1
刘庆 简历
1999年03- 现在，清华大学，材料科学与工程系，教授，博士生导师。 1993年8月- 1999年3月, 丹麦 Ris 国家实验室，材料研究部, 高级研究员。 1991年5月-1993年8月， 博士后，北京科技大学，1992年10 ，副教授。 1987年7月-1991年4月， 助教，讲师, 哈尔滨工业大学。 1984年－1991年，哈尔滨工业大学，金属材料，工学硕士，工学博士。 1984年，重庆大学 冶金及材料工程系，工学学士。
A、塑性变形：位错界面、亚晶界及晶界的形成 B、再结晶形核、长大过程中晶界的作用
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10％压下量
30％压下量
50％压下量
深冲用IF钢轧制变 形组织的TEM图像
70％压下量
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RD ND
Copper-I Copper-II
SS-II Brass-I Brass-II Random cube 0-10
高温超导材料中的晶界及相界与材料超导性能的关系
大塑性变形材料中位错界面及其与材料加工硬化性的 关系
新型磁性材料中晶界及相界与材料磁性能的关系
9
课程教材及主要参考书：
1、材料界面结构与特性 叶恒强、朱静等 科学出版社 2、金属的晶界与强度 宋余九编 西安交大出版社 3、 固体材料界面研究的物理基础 闻立时著 科学出版社 4、复合材料基体与界面 赵玉庭等著 华东化工学院出版社 5、材料的表面与界面 李恒德等编 清华大学出版社
材料表界面_第十章ppt课件
整理版课件
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二、聚合物基复合材料
2. 环氧树脂
常用的脂肪胺固化剂
• H2NCH2CH2NHCH2CH2NH2 二乙烯三胺
• H2NCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NH2 三乙烯四胺
• H2NCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NHCH2CH2NH2 四乙烯五胺
• H2N(CH2CH2NH)nCH2CH2NH2 多乙烯多胺
界面对复合材料的性能起着至关重要的作用。复合材料的性 能不是组成材料性能的简单加和，而产生了 1＋1>2 的作用， 称为协同效应。
断裂能大幅提高的原因？
玻璃纤维的断裂能约为10 J／m2， 聚酯的断裂能约为 100 J／m2， 而复合后的玻璃纤维增强塑料的断裂能达105J／m2
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6
一、复合材料概述
整理版课件
8
一、复合材料概述
复合材料的界面：
图10-3复合材料界面模型
1 纤维本体区 2 纤维表面区 3 界面吸附层 4 基体表面区 5 基体本体区
界面相内的化学组分，分子排列，热性
能，力学性能呈现连续的梯度性变化。
界面相很薄，是亚微观的，却有极其复杂的结构。在两相复合过程中，会出现 热应力（导热系数，膨胀系数的不同），界面化学效应（官能团之间的作用或 反应）和界面结晶效应（成核诱发结晶，横晶），这些效应引起的界面微观结 构和性能特征，对复合材料的宏观性能产生直接的影响。
整理版课件
17
二、聚合物基复合材料
聚合物基复合材料的一般特性： ⑥界面结合性差，层间剪切强度低
由于复合材料是由性能遽然不同的两种材料构成，因而界面的相容性和结 合力差，使得复合材料的层间剪切强度、横向强度都不够理想。因此，常常要 对复合材料进行界面改性来提高复合材料的性能。
材料科学基础第一章材料结构的基本知识ppt课件
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14
3、金属键 • 通过正离子与自由电子之间相互吸引力使原子结
合的结合键。 • 价电子脱离原子成为“电子气”，正离子整齐地
排列在 “电子气”的海洋中． • 金属具有高的密度，良好的塑性，导电，导热，
固态溶解
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15
二、二次键 1、范德瓦耳斯键 • 具有稳定电子结构的原子或分子通过电偶极矩相
Cu ： …3p63d104s1
K：…3p64s1
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7
5、电负性呈周期性变化：同周期自左至右逐渐增强， 同族自上而下逐渐减弱
整理版课件
8
第二节 原子的结合键
• 一次键 • 二次键 • 混合键 • 结合键的本质及原子间距 • 结合键与性能
整理版课件
9
按结合力强弱分：
• 一次键：通过电子的转移或共享使原子结合的结 合键．包括离子键、共价键、金属键，结合力较 强．
晶体： 有确定熔点 单晶体各向异性 多晶体各向同性
非晶体： 无确定熔点 各向同性
整理版课件
30
二、 原子排列的研究方法
• X射线或电子束 • 衍射原理 布拉格定律：
2dsinn
根据衍射分布图，可 分析晶体中原子排列 的特征（排列方式、 原子面间距等）
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31
第四节 晶体材料的组织
1、结晶过程及多晶组织
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39
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20
由表可见，A、B原子间的电负性差越大，所 形成的 AB 化合物中离子键结合的比例越高
整理版课件
21
2、一次键与二次键混合 例如： • 石墨: 片层中为共价键,片层间
5第六章 复合材料的性能及表界面PPT课件
★ 对于韧性基体材料，最好具有较高的热膨胀系数。 这是因为热膨胀系数较高的相，从较高的加工温度 冷却时将受到张应力；
★ 对于脆性材料的增强相，一般都是抗压强度大于 抗拉强度，处于压缩状态比较有利。
★ 而对于像钛这类高屈服强度的基体，一般却要求 避免高的残余热应力，因此热膨胀系数不应相差 太大。
结构设计则最后确定产品结构的形状和尺寸。
上述三个设计层次互为前提、互相影响、互相依赖。
因此，复合材料及其结构的设计打破了材料研 究和结构研究的传统界限。设计人员必须把材料性 能和结构性能统一考虑，换言之，材料设计和结构 设计必须同时进行，并将它们统一在同一个设计方 案中。
复合材料是由多相材料复合而成，它的共同的 特点主要有三个：
二、复合材料组分的相容性
1、物理相容性： （1）基体应具有足够的韧性和强度，能够将外部载荷
均匀地传递到增强剂上，而不会有明显的不连续 现象。 （2）由于裂纹或位错移动，在基体上产生的局部应力 不应在增强剂上形成高的局部应力。
（3）基体与增强相热膨胀系数的差异对复合材料的界
面结合及各类性能产生重要的影响。
复合材料中界面层的厚度通常在亚微米以下，但 界面层的总面积在复合材料中很大，且复合材料的界 面特征对复合材料的性能、破坏行为及应用效能有很 大影响。
所以，人们以极大的注意力开展对复合材料界面 的研究--------表面和界面工程（surface and interface engineering）。
碳纤维复合材料、有机纤维复合材料具有比玻璃 纤维复合材料更低的密度和更高的强度，因此具有更 高的比强度。
(2)可设计性好
复合材料可以根据不同的用途要求，灵活地进 行产品设计，具有很好的可设计性。
对于结构件来说，可以根据受力情况合理布置 增强材料，达到节约材料、减轻质量的目的。