《材料化学导论》课程授课教案（讲稿）第5讲 2.5晶体材料的物理性能

第5讲82.5晶体材料的物理性能材料化学导论课程教案82.5晶体材料的物理性能【目的要求】通过本讲课程的学习，掌握晶体材料的物理性能，了解合金的概念，结构与性能，掌握固溶体的分类和特征。本讲课的教学采用启发式和互动式教学方式，讲解基本理论，分解难点，掌握好理论深度，强调基础理论的应用，注意启发学生，加强学生对基础理论知识灵活应用能力的培养；并引导学生学以致用的理念，让学生充分感受到学有所用，提高学生的学习兴趣。【重】点】晶体材料的物理性能，固溶体的结构与性能【难点】影响固溶体形成的因素【本讲课程的引入】本讲课程讲授内容涉晶体和非晶体性能差异和金属晶体的结构，注意内容的连贯性。本讲对合金的结构和性能进行了系统阐述，【本讲课程的内容】由于组成晶体的原子、离子或分子在空间有一定规律的周期性重复的排列，这种周期性的排列规律特征赋予了晶体材料一些共同的基本特性。（1）均匀性晶体是由晶胞严密并置堆积而成的，晶体中的原子、离子或分子周期性排布，由于周期极小，在宏观上分辨不出这种微观的不连续性，故晶体材料各个部位所体现出来的性能是相同的，即材料总体体现出来的性能是均匀的。如晶体的化学组成、密度、硬度等性质在晶体中各部分都是相同的。（2）各向异性晶体由于具有按照一定几何规律排列的内部结构，空间不同方向上原子排列的特征不同，因而在一般情况下，单晶体的许多宏观物理量（如弹性模量，电阻率，热膨胀系数、折射率等）的大小是随测试方向的不同而改变，即晶体材料在不同方向上呈现不同的物理性质，这种现象称为各向异性。（3）固定的熔点从液态转变为晶体和非晶体时，两者表现行为是不同的。对于晶体，从液态冷却凝固（或固态加热熔化）时具有确定的熔点，并发生体积突变。而从液态转变为非晶态固体是一个渐变的过程，既无确定的熔点，又无体积的突变。（4）对称性晶体材料在制备或加工过程中，晶体生长自发形成晶面，晶面相交成为晶棱，而晶棱相交叉会聚成晶体的顶点，这使得堆积的晶体总体也呈现多面体外形。PDF檔案使用"pdfFactory"試用版本建立www.pdffactory.com

§2.5 晶体材料的物理性能 材料化学导论课程教案 第 5 讲 §2.5 晶体材料的物理性能 【目的要求】通过本讲课程的学习，掌握晶体材料的物理性能，了解合金的概念，结构与性 能，掌握固溶体的分类和特征。本讲课的教学采用启发式和互动式教学方式，讲解基本理论， 分解难点，掌握好理论深度，强调基础理论的应用，注意启发学生，加强学生对基础理论知 识灵活应用能力的培养；并引导学生学以致用的理念，让学生充分感受到学有所用，提高学 生的学习兴趣。 【重 点】 晶体材料的物理性能, 固溶体的结构与性能 【难 点】 影响固溶体形成的因素 【本讲课程的引入】 本讲课程讲授内容涉晶体和非晶体性能差异和金属晶体的结构，注意内 容的连贯性。本讲对合金的结构和性能进行了系统阐述。 【本讲课程的内容】 由于组成晶体的原子、离子或分子在空间有一定规律的周期性重复的排列，这种周期性 的排列规律特征赋予了晶体材料一些共同的基本特性。 （1）均匀性 晶体是由晶胞严密并置堆积而成的，晶体中的原子、离子或分子周期性排布，由于周期 极小，在宏观上分辨不出这种微观的不连续性，故晶体材料各个部位所体现出来的性能是相 同的，即材料总体体现出来的性能是均匀的。如晶体的化学组成、密度、硬度等性质在晶体 中各部分都是相同的。 （2）各向异性 晶体由于具有按照一定几何规律排列的内部结构，空间不同方向上原子排列的特征不同， 因而在一般情况下，单晶体的许多宏观物理量（如弹性模量，电阻率，热膨胀系数、折射率 等）的大小是随测试方向的不同而改变，即晶体材料在不同方向上呈现不同的物理性质，这 种现象称为各向异性。 （3）固定的熔点 从液态转变为晶体和非晶体时，两者表现行为是不同的。对于晶体，从液态冷却凝固（或 固态加热熔化）时具有确定的熔点，并发生体积突变。而从液态转变为非晶态固体是一个渐 变的过程，既无确定的熔点，又无体积的突变。 （4）对称性 晶体材料在制备或加工过程中，晶体生长自发形成晶面，晶面相交成为晶棱，而晶棱相 交叉会聚成晶体的顶点，这使得堆积的晶体总体也呈现多面体外形。 PDF 檔案使用 "pdfFactory" 試用版本建立 www.pdffactory.com

第5讲82.5晶体材料的物理性能材料化学导论课程教案（5）衍射效应文射线的波长与晶体结构的周期性大小相近，所以晶体是理想的光栅，它能便波长相当的X射线、电子流或中子流产生衍射效应。非晶态物质没有周期性结构，不能使X射线产生衍射，只有散射效应。2.6合金的结构与性能由于纯金属力学性能较低，而且制备困难，价格高，所以除了要求导电性高的电器材料外，工业上很少使用纯金属，多半是使用合金。2.6.1合金的概念所谓合金，就是由两种或两种以上金属元素或由金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。组元间通过物理和化学的相互作用，可形成各种相。所谓“相”是指任一给定的物质系统中，具有同一化学成分、同一原子聚集状态和性质的均匀连续组成部分，不同相之间由界面分开。可以将合金的相结构分为固溶体和金属化合物（中间相）两大类。2.6.2固溶体概念：一种元素进入到另一种元素的晶格结构中的结晶固相或含有外来杂质原子的晶体。固溶体中组元含量多的称为溶剂，含量少的称为溶质。固溶体的晶体结构保持溶剂的晶格类型。表1固溶体与化合物、混合物的比较结构名称相素化学组成混合物多相组成可变各组分保持自身的结构单相化合物符合定组成定律具有本身固有的晶体结构单相（因为外来杂质以原子固溶体组成可变保持主晶相的晶体结构或离子存在于晶格当中（一）、固溶体的类型可以从不同的角度对固溶体进行分类。1.按照形成固溶体的方式划分（即按照溶质原子在溶剂点阵中所占据位置不同划分）（1）置换型固溶体由溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格某些结点（即阵点）位置所组成的固溶体称为置换型固溶体。如图(a)所示。如合金钢中的Mn、Cr、Ni、Si、Mo等各种元素都能PDF檔案使用"pdfFactory"試用版本建立www.pdffactory.com

§2.5 晶体材料的物理性能 材料化学导论课程教案 第 5 讲 （5）衍射效应 X 射线的波长与晶体结构的周期性大小相近，所以晶体是理想的光栅，它能使波长相当 的 X 射线、电子流或中子流产生衍射效应。非晶态物质没有周期性结构，不能使 X 射线产生 衍射，只有散射效应。 2.6 合金的结构与性能 由于纯金属力学性能较低，而且制备困难，价格高，所以除了要求导电性高的电器材料 外，工业上很少使用纯金属，多半是使用合金。 2.6.1 合金的概念 所谓合金，就是由两种或两种以上金属元素或由金属与非金属元素组成的具有金属特性 的物质。 组元间通过物理和化学的相互作用，可形成各种相。所谓“相”是指任一给定的物质系 统中，具有同一化学成分、同一原子聚集状态和性质的均匀连续组成部分，不同相之间由界 面分开。 可以将合金的相结构分为固溶体和金属化合物（中间相）两大类。 2.6.2 固溶体 概念：一种元素进入到另一种元素的晶格结构中的结晶固相或含有外来杂质原子的晶体。 固溶体中组元含量多的称为溶剂，含量少的称为溶质。固溶体的晶体结构保持溶剂的晶 格类型。 表 1 固溶体与化合物、混合物的比较 名称 化学组成 相 素 结 构 混合物 组成可变 多相 各组分保持自身的结构 化合物 符合定组成定律 单相 具有本身固有的晶体结构 固溶体 组成可变 单相（因为外来杂质以原子 或离子存在于晶格当中） 保持主晶相的晶体结构 （一）、固溶体的类型 可以从不同的角度对固溶体进行分类。 1. 按照形成固溶体的方式划分（即按照溶质原子在溶剂点阵中所占据位置不同划分） （1）置换型固溶体 由溶质原子代替一部分溶剂原子而占据着溶剂晶格某些结点（即阵点）位置所组成的固 溶体称为置换型固溶体。如图(a)所示。如合金钢中的 Mn、Cr、Ni、Si、Mo 等各种元素都能 PDF 檔案使用 "pdfFactory" 試用版本建立 www.pdffactory.com

第5讲82.5晶体材料的物理性能材料化学导论课程教案与Fe形成置换型固溶体。a）置换型固溶体（b）间隙型固溶体（2）间隙型固溶体由溶质原子进入溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体称为间隙型固溶体。如图（b）所示。过渡族金属元素（如Fe，Co，Mn，Cr，Ni，Mo）与H，B，C，N等原子半径较小的非金属元素结合在一起，就能形成间隙型固溶体。2.按照溶解度大小划分（1）无限固溶体（连续固溶体或完全互溶固溶体）概念：一种物质（溶质）可以无限的固溶于另一种物质（溶剂）当中，形成的固溶体称为无限固溶体。（2）有限固溶体概念：在一定条件下，一种物质（溶质）在另一种晶态物质中（溶剂）的溶解度是有限的，形成的固溶体称为有限固溶体。注：无限固溶体全部是置换型固溶体：间隙型固溶体只能是有限固溶体；有些固溶体同时兼有置换和间隙型两种溶解方式。3.按溶质原子与溶剂原子的相对分布情况划分（按照组员原子在点阵中排列是否有序）（1）无序固溶体如果溶质原子统计的或概率的分布在溶剂的晶格中，它占据溶剂晶格的结点位置或间中，没有秩序或规律性，这种固溶体称为无序固溶体。（2）有序固溶体固溶体中的溶质原子按一适当的比例并依一定顺序和一定方向围绕在溶剂原子周围，形成有规律的排列，这种固溶体称为有序固溶体。一般按照溶质原子在溶剂点阵中所占据的位置不同来分类的(二)、影响固溶体形成的因素1.影响置换型固溶体形成的因素（1）尺寸因素PDF案使用“pdfFactory"試用版本建立wwW.pdffactory.com

§2.5 晶体材料的物理性能 材料化学导论课程教案 第 5 讲 与 Fe 形成置换型固溶体。 a）置换型固溶体 （b） 间隙型固溶体 （2）间隙型固溶体 由溶质原子进入溶剂晶格的间隙中所形成的固溶体称为间隙型固溶体。如图（b）所示。 过渡族金属元素（如 Fe，Co，Mn，Cr，Ni，Mo）与 H，B，C，N 等原子半径较小的非金属 元素结合在一起，就能形成间隙型固溶体。 2. 按照溶解度大小划分 （1）无限固溶体（连续固溶体或完全互溶固溶体） 概念：一种物质（溶质）可以无限的固溶于另一种物质（溶剂）当中，形成的固溶体称 为无限固溶体。 （2）有限固溶体 概念：在一定条件下，一种物质（溶质）在另一种晶态物质中（溶剂）的溶解度是有限 的，形成的固溶体称为有限固溶体。 注：无限固溶体全部是置换型固溶体；间隙型固溶体只能是有限固溶体；有些固溶体同 时兼有置换和间隙型两种溶解方式。 3. 按溶质原子与溶剂原子的相对分布情况划分（按照组员原子在点阵中排列是否有序） （1）无序固溶体 如果溶质原子统计的或概率的分布在溶剂的晶格中，它占据溶剂晶格的结点位置或间隙 中，没有秩序或规律性，这种固溶体称为无序固溶体。 （2）有序固溶体 固溶体中的溶质原子按一适当的比例并依一定顺序和一定方向围绕在溶剂原子周围，形 成有规律的排列，这种固溶体称为有序固溶体。 一般按照溶质原子在溶剂点阵中所占据的位置不同来分类的. (二)、影响固溶体形成的因素 1．影响置换型固溶体形成的因素 （1）尺寸因素 PDF 檔案使用 "pdfFactory" 試用版本建立 www.pdffactory.com

第5讲82.5晶体材料的物理性能材料化学导论课程教案由于溶质和溶剂原子的尺寸不可能完全相同，当溶质原子溶入溶剂晶格后会引起晶格的点阵畸变。单位畸变能的大小与溶质原子溶入的数量以及溶质原子的相对尺寸差别有关。这种差别可用溶剂原子半径r及溶质原子半径r之差与溶剂原子半径的比值来描述，即：Ar='s-"n.rA△r越大，一个溶质原子引起的点阵畸变能也越大，溶质原子能溶入溶剂中的数量便越小，固溶体的溶解度就越小：相反，当公产较小时，可获得较大固溶度的固溶体，如果其它条件有利甚至还可以形成无限固溶体。Hume-Rothery提出了有利于大量固溶的原子尺寸条件为两个组员的原子半径差不超过15%。.（2）晶体结构因素组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且有可能形成无限固溶体。若组元间晶体结构不同，便只能形成有限固溶体。晶体结构类型相同是能够形成无限固溶体的必要条件。（3）电负性（化学亲和力）电负性相近，有利于固溶体的生成，电负性差别大，倾向于生成化合物。（4）电子浓度一定晶格排列对应着某一电子浓度。两组元的价电子差别越大，溶解度则越小。（5）其它因素如温度，压力，凝固时的冷却速度、机械合金化对固溶度也有很大影响。Hume-Rothery规则，形成无限固溶体必须满足的条件：晶体结构因素：两个组分晶体的晶体结构类型要完全相同心自*尺寸因素：原子半径相差小于15%。电子浓度因素：原子价相同。电负性：电负性相近2.影响间隙固溶体形成的因素（1）杂质质点尺寸：杂质质点越小，越易形成固溶体；（2）基质晶体结构：基质晶体中空隙越大，结构越疏松，越易形成固溶体；注：无限固溶体全部是置换型固溶体；间隙型固溶体只能是有限固溶体；有些固溶体同时兼有置换和间隙型两种溶解方式。（三）、固溶体的结构特点PDF檔案使用"pdfFactory"試用版本建立wwW.pdffactory.com

§2.5 晶体材料的物理性能 材料化学导论课程教案 第 5 讲 由于溶质和溶剂原子的尺寸不可能完全相同，当溶质原子溶入溶剂晶格后会引起晶格的 点阵畸变。单位畸变能的大小与溶质原子溶入的数量以及溶质原子的相对尺寸差别有关。这 种差别可用溶剂原子半径 A r 及溶质原子半径 B r 之差与溶剂原子半径的比值来描述，即： A A B r r r r - D = 。 Dr 越大，一个溶质原子引起的点阵畸变能也越大，溶质原子能溶入溶剂中的数量便越小， 固溶体的溶解度就越小；相反，当 Dr 较小时，可获得较大固溶度的固溶体，如果其它条件有 利甚至还可以形成无限固溶体。 Hume-Rothery 提出了有利于大量固溶的原子尺寸条件为两个组员的原子半径差不超过 15%。 （2）晶体结构因素 组元间晶体结构相同时，固溶度一般都较大，而且有可能形成无限固溶体。若组元间晶 体结构不同，便只能形成有限固溶体。晶体结构类型相同是能够形成无限固溶体的必要条件。 （3）电负性(化学亲和力) 电负性相近，有利于固溶体的生成，电负性差别大，倾向于生成化合物。 （4）电子浓度 一定晶格排列对应着某一电子浓度。两组元的价电子差别越大，溶解度则越小。 （5）其它因素 如温度，压力，凝固时的冷却速度、机械合金化对固溶度也有很大影响。 Hume-Rothery 规则，形成无限固溶体必须满足的条件： v 晶体结构因素：两个组分晶体的晶体结构类型要完全相同 v 尺寸因素：原子半径相差小于 15%。 v 电子浓度因素：原子价相同。 v 电负性：电负性相近 2.影响间隙固溶体形成的因素 （1） 杂质质点尺寸：杂质质点越小，越易形成固溶体； （2） 基质晶体结构：基质晶体中空隙越大，结构越疏松，越易形成固溶体； 注：无限固溶体全部是置换型固溶体；间隙型固溶体只能是有限固溶体；有些固溶体同 时兼有置换和间隙型两种溶解方式。 （三）、固溶体的结构特点 PDF 檔案使用 "pdfFactory" 試用版本建立 www.pdffactory.com

第5讲S2.5晶体材料的物理性能材料化学导论课程教案（1）晶格畸变和点阵常数的变化由于溶质原子与溶剂原子存在尺寸差别，使周围溶剂原子排列的规则性在一定范围内受到干扰，产生点阵畸变。点阵畸变导致固溶体的能量增加，能量增加值称为畸变能，畸变能引起结构状态的不稳定性。同时由于溶剂和溶质原子大小不同，使点阵产生局部畸变，从而导致点阵常数的改变。（2）溶质原子分布的微观不均匀性和长程有序在置换固溶体中，如果同类原子之间的相互作用力强于异类之间的作用力，则一般溶质原子呈偏聚状态；反之，则溶质原子皇现短程有序，只有当溶质的浓度很低或处于高温下，溶质原子才可能接近于无序分布。有序固溶体和无序固溶体之间可以相互转变。当有序固溶体加热到某一临界温度时，将转变为无序固溶体；而在缓慢冷却到这一个临界温度时，又可以转变为有序固溶体。这一转变过程称为有序化，这个临界转变温度称为有序化温度。固溶体合金发生有序化转变时，对合金性能会产生影响，通常有序化转变使合金硬度和强度提高，塑性降低，电阻降低，有序化转变还对某些磁性合金的磁性和弹性性质有影响。（四）、固溶体的性能1.力学性能由于溶质元素的溶入使固溶体硬度、强度增加的现象称为固溶强化，且间隙固溶的强化效果比置换固溶更显著。固溶强化产生的原因是由于溶质原子的溶入引起溶剂晶格畸变，增大了位错运动的阻力所致，阻力增大，位错滑移困难临界剪应力增加，屈服强度增大，塑性减小。结果使金属材料硬度、强度增加。2.物理与化学性能固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随合金含量变化而变化。一般情况下，合金含量增加，电阻率提高，导电率下降，但固溶体的电阻率随温度的升高变化不大。【本讲课程的小结】本讲课主要讨论了（1）晶体材料的物理性能：（2）合金的结构与性能。【本讲课程的作业】试述影响置换型固溶体固溶度的因素。【本讲课程的思考题】（1）固溶体与混合物、化合物有何异同？（2）固溶体有那几种类型？PDF檔案使用"pdfFactory"試用版本建立wwW.pdffactory.com

§2.5 晶体材料的物理性能 材料化学导论课程教案 第 5 讲 （1） 晶格畸变和点阵常数的变化 由于溶质原子与溶剂原子存在尺寸差别，使周围溶剂原子排列的规则性在一定范围内受 到干扰，产生点阵畸变。点阵畸变导致固溶体的能量增加，能量增加值称为畸变能，畸变能 引起结构状态的不稳定性。同时由于溶剂和溶质原子大小不同，使点阵产生局部畸变，从而 导致点阵常数的改变。 （2） 溶质原子分布的微观不均匀性和长程有序 在置换固溶体中，如果同类原子之间的相互作用力强于异类之间的作用力，则一般溶质 原子呈偏聚状态；反之，则溶质原子呈现短程有序，只有当溶质的浓度很低或处于高温下， 溶质原子才可能接近于无序分布。 有序固溶体和无序固溶体之间可以相互转变。当有序固溶体加热到某一临界温度时，将 转变为无序固溶体；而在缓慢冷却到这一个临界温度时，又可以转变为有序固溶体。这一转 变过程称为有序化，这个临界转变温度称为有序化温度。 固溶体合金发生有序化转变时，对合金性能会产生影响，通常有序化转变使合金硬度和 强度提高，塑性降低，电阻降低，有序化转变还对某些磁性合金的磁性和弹性性质有影响。 （四）、固溶体的性能 1. 力学性能 由于溶质元素的溶入使固溶体硬度、强度增加的现象称为固溶强化，且间隙固溶的强化 效果比置换固溶更显著。 固溶强化产生的原因是由于溶质原子的溶入引起溶剂晶格畸变，增大了位错运动的阻力 所致，阻力增大，位错滑移困难临界剪应力增加，屈服强度增大，塑性减小。结果使金属材 料硬度、强度增加。 2. 物理与化学性能 固溶体的电学、热学、磁学等物理性质也随合金含量变化而变化。一般情况下，合金含 量增加，电阻率提高，导电率下降，但固溶体的电阻率随温度的升高变化不大。 【本讲课程的小结】 本讲课主要讨论了（1）晶体材料的物理性能；（2）合金的结构与性能。 【本讲课程的作业】试述影响置换型固溶体固溶度的因素。 【本讲课程的思考题】（1） 固溶体与混合物、化合物有何异同？（2）固溶体有那几种类型？ PDF 檔案使用 "pdfFactory" 試用版本建立 www.pdffactory.com