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第二章物质的结构基础,材料的结构：材料的内部结构有不同的层次,宏观组织结构、显微组织结构、原子或分子排列结构、原子中的电子结构,原子中的电子结构,1.电子具有波粒二象性电子的状态用波函数进行描述原子中一个电子的空间位置和能量,用四个量子数表示,2.多电子的原子中，核外电子的排布规律,原子之间相互作用和结合,原子的电子结构决定了原子键合本身。原子间结合键的分类及特点,化学键合,小结：,物理键合,范德华力，氢键,影响分子间作用力的因素,氢键的作用,多原子体系中电子的相互作用,分子中电子的运动状态称为分子轨道；分子轨道可由原子轨道线性组合而成；分子中电子在整个分子范围内运动。,分子轨道理论,晶体结构,晶体学基础：晶体的概念，晶体特性空间点阵：晶系与布拉菲点阵晶面、晶向指数；晶面指数的确定及晶面族典型纯金属的晶体结构：三种典型的金属晶体结构，fcc、bcc、hcp，以及各自的晶体学特征,晶胞中原子数、原子半径、配位数与致密度，晶面间距,固溶体,固溶体的概念、特征、分类,空位与位错,晶体中的缺陷，晶体缺陷的分类；晶体缺陷的形成点缺陷：点缺陷的种类、形成、点缺陷的平衡浓度，点缺陷对材料性能的影响位错：位错的基本类型及特征柏氏矢量确定方法位错的运动,二元合金相图,匀晶相图、共晶相图及相关概念,二元匀晶平衡图两组元在液态和固态均无限互溶所构成的合金平衡图二元共晶平衡图两组元在液态时无限互溶，在固态时有限互熔且有共晶转变产生的平衡图,原子中一个电子的空间位置和能量可用哪四个量子数来决定？尽管HF的相对分子质量较低，请解释为什么HF的沸点要比HCl高？3.标出面心立方晶胞中(111)面上各点的坐标，并判断110是否位于(111)面上？4.标出具有下列密勒指数的晶面和晶向：立方晶系(421)，（123），2115.计算面心立方晶体的（100）,(110)，（111）晶面的面间距，指出面间距最大的面。,6.,7.,8.,在铅的（100）平面上，1mm2有多少原子？已知铅为fcc面心立方结构，其原子半径R=0.175*10-6mm,Ni的晶体结构为面心立方结构，其原子半径为r=0.1243nm，试求Ni的晶格常数和密度。,9.,主量子数n、轨道角动量量子数l，磁量子数m，自旋角动量量子数2.由于HF分子间结合力是氢键，而HCl分子间结合力是范德华力，氢键的键能高于范德华力的键能，因此HF沸点要比HCl高。,解答：,3.,0,0,1,1,0,0,0,1,0,在下图画出晶面（123）（421）,211,-y,取倒数，1/4,1/2,1；找截距，作图,.,.,.,（123）,取倒数，1,1/2,1/3；找截距，作图,.,晶向指数的确定1以晶胞为基础建立坐标系2过原点作一有向直线OP，使其平行于待标定的晶向AB。3选取OP上离原点最近的结点坐标(x,y,z)。4将坐标比化为简单整数比：x:y:z=u:v:w，把所得最小整数组(没有公倍数)加上方括号即为AB晶向的晶向指数uvw。若其中某数为负，则将负号标于该数上方(如uvw)。,指数相同的晶向和晶面必然垂直（u=h，v=k，w=l）。如111(111)2.当一晶向uvw位于或平行某一晶面（hkl）时，则必然满足：hu+kv+lw=0,两点规律,5.,立方晶系,简单晶胞,0.35a,0.577a,晶面间距计算：立方晶系简单立方：面心立方：体心立方：当h+k+l=奇数时,当（hkl）不全为奇数或偶数时，,6.,因此，对应此谱线的密勒指数是：,立方晶胞的110晶面族,7.,nm,g/cm3,8.在铅的（100）平面上，1mm2有多少原子？已知铅为fcc面心立方结构，其原子半径R=0.175*10-6mm,解：（100）平面上一个晶胞中的原子数是,原子半径与点阵常熟的关系为：,1,（100）平面的面积是：,a2,a2=0.2449*10-12mm2,故1mm2面积的原子个数是：1/0.2449*10-12=4.08*1012,下图所示为铅锡（Pb-Sn）相图,室温平衡组织：,（3）,33,二元相图,共晶反应：合金在冷却到某一温度时，由一定成分的液相同时结晶出成分不同、结构不同的两个固相，这就是共晶反应（L）。反应产物是两个固相的混合物，称为共晶组织或共晶体。,共晶相图：两组元在液态无限互溶，在固态有限互溶，冷却时发生共晶反应。共晶系合金有：Pb-Sn、Al-Si等,共晶转变-从一个均匀的液相中可以同时结晶出两个成分截然不同的固相,几个概念,共晶转变特征,成分在共晶线范围的合金都要经历共晶转变。,共晶转变在恒温下进行。,转变结果是从一种液相中结晶出两个不同的固相。,存在一个确定的共晶点。在该点凝固温度最低。,36,一、共晶相图分析,4.溶解度线-cf线由cg线由,183,（一）点,(二)线,a点：纯Pb的熔点（328C）；b点：纯Sn的熔点（232C）；,d点：共晶点,1.液相线-adb线2.固相线-acdeb线,3.二元共晶线-cde线，即d点成分的液相在共晶温度(Td)同时结晶出(c+e)二元共晶组织。,二元共晶反应:,(+),L,恒温,37,共晶相图分析,三个单相区L、三个双相区L、L、+一个三相共存线（区）L+,（三）相及相区,LPb与Sn形成的液溶体；,Pb(Sn),Sn(Pb）,、均为有限置换固溶体。,相区：,38,二、典型合金的平衡结晶过程,1、合金1,室温组织：a+b,组成相：a、b,两相相对含量：,39,2、合金,183,(1)TTd温度时，发生二元共晶反应生成二元共晶组织（），反应式为：,L,(+),(2)当TTd温度时，成分沿cf线变化，由成分沿eg线变化由（，为二次相）,(3)室温组织：（）+.但由于二次相不易观察故忽略不计，故室温组织为（）,共晶体,100%,共晶转变结束时两相和的相对重量为:,W,=,=,W,=,100%,=,在冷却到室温时,两相的相对重量变为,共晶合金平衡结晶过程及室温平衡组织,共晶合金平衡结晶过程,L,L(),(),概括起来，共晶合金平衡结晶过程为：,共晶温度以上：,共晶温度：,共晶温度以下：,室温组织：,液态L61.9,共晶转变L61.9(1997.5),二次结晶，,（+）共晶由于和常与共晶和相连，显微镜下很难分辨，室温组织为：（+）共晶,共晶合金室温平衡组织特征,共晶组织的基本特征是两相均匀并交替分布，根据合金组元的不同，共晶组织的形态各异，有层片状、棒状、球状、针状等。,（Pb-Sn）共晶组织（层片状）,（Al-Si）共晶组织（针状）,47,3.合金,亚共晶和过共晶合金平衡结晶过程及室温组织,亚共晶合金：以Pb-Sn相图为例，成分在M、E之间的Pb-Sn合金。,过共晶合金:成分在E、N之间的Pb-Sn合金。,亚共晶合金平衡结晶过程分析,L,L,L(),亚共晶组织（50%Sn的Pb-Sn合金）,51,室温组织中相组成物的相对重量为:,合金结晶特点,1当T在T1T2之间时，由L初，随T，L，。,2当TTd温度时，剩余液相发生共晶反应生成二元共晶组织（+）.至液相消失。此时组织为初（）,3当TTd温度时，成分（初晶和共晶）沿cf线变化，由，（共晶）成分沿eg线变化由。,室温组织：初(),W,=,100%,W=,100%,室温相组成：,52,合金3室温组织组成物相对重量计算,室温组织中组织组成物的相对重量为:,W初,=,100%,100%,W（）,=,L,L,a,a,W,=,W初,=,100%,W,=,100%,53,4.过共晶合金（合金）,室温组织：初+(+）+,Sn,Pb,WSn(%),L,B,A,M,N,G,F,L+,L+,+,E,T/,过共晶合金平衡结晶过程分析,L,L,L(),概括起来，过共晶合金平衡结晶过程为：,t1温度以上：,t1t2温度：,t2温度时发生共晶反应：,室温组织：,t2温度以下：,液态L70,液相中析出，L,L61.9(1997.5),初,初+（+）共晶,过共晶平衡组织（70%Sn的Pb-Sn合金）,57,共晶相图组织组成图,二元包晶相图分析,什么叫包晶转变？,合金在冷却到某一温度时，已结晶出的一定成分的固相和它周围尚未结晶的一定成分的液相发生反应，结晶出另外一种固相，这就是包晶反应。即：L,1、基本概念,许多合金系都具有包晶转变，例如Pt-Ag、Sn-Ag、Cd-Hg、Cu-Zn、Cu-Sn等。Pt-Ag合金相图是一种比较简单的包晶相图，下面以此为例进行分析。,Pt,Ag%,T/C,L,+,L+,L+,C,P,D,E,F,A,Ag,1186,10.5,42.4,66.3,1772,961.9,包晶反应：LP+CD,液相线,固相线,固溶线,固溶线,包晶点,包晶线,Pt-Ag合金相图,2.相图分析,3.包晶合金的平衡结晶过程与室温组织,1,包晶合金的平衡结晶过程,L,L,L,概括起来，包晶合金平衡结晶过程为：,液相线到包晶温度之间：液态L,包晶温度（1186）：包晶转变L66.310.542.4,包晶温度以下：,室温组织：+,包晶温度以上：液态L42.4,62,合金2结晶,63,其它相图,共析相图,gd,ac,+,be,g,恒温,性能与成分的关系,当合金形成单相固溶体时，合金的性能与组元及溶质元素的溶入量有关。对于一定的溶质和溶剂，溶质的溶入量越多，合金的强度、硬度越高（即产生了固溶强化），同时电阻增大，电导率越低。,当合金通过包晶、共晶或共析转变形成两相混合物特别是两相机械混合物，合金的性能往往是两组成相性能的平均值，即性能与成分呈线性关系。,单相固溶体压力加工性能优于两相混合物组成的合金；固溶体的切削性能不够好，两相混合物的合金则切削性能较好，适合高速切削。,关于复杂晶胞晶面间距的修正,面心立方结构：（110）面（需要修正：为简单立方结构中该面面间距的1/2）,面心立方结构：（111）（不需要修正）（100）面(需要修正：为简单立方结构中该面面间距的1/2),修正规则是：,2020/5/13,体心立方结构：蓝色为（100）面（需要修正：为简单立方结构中该面面间距的1/2）红色为（111）面（需要修正：为简单立方结构中该面面间距的1/2）绿色为（110）面(不需要修正),A,B,C,D,E,F,A,B,C,G,H,I,F,G,H,I,修正规则是：h+k+l=奇数时，有附加面面间距为简单立方结构中该面面间距的1/2,关于复杂晶胞晶面间距的修正,
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