材料科學期末復習題剖析PPT學習教案

1、會計學1 材料科學期末復習題剖析材料科學期末復習題剖析PPT課件課件 第1頁/共57頁 68. 0 ) 4 3 ( 3 4 2 3 3 a a 第2頁/共57頁 Structurea0 vs. r Atoms per cell Coordination Number Packing factor Examples SC160.52 Polonium (Po),-Mn BCC280.68 Fe,Ti,W,Mo, Nb,Ta,K,Na, V,Zr,Cr FCC4120.74 Fe,Cu,Au,Pt, Ag,Pb,Ni HCP2120.74 Ti,Mg,Zn,Be, Co,Zr,Cd ra2 0 r

2、a 3 4 0 ra 2 4 0 00 0 633. 1 2 ac ra 第3頁/共57頁 74. 012CN 633. 1 3 8 2 3 3 2 ) 2 ( 2 22 a c a c a Example: Be, Mg, Zn, Cd, Zr, Hf Ti( low temperature) n CN12 0.74 632 2 1 12 6 1 第4頁/共57頁 di da diameter of interstitial atom diameter of atom in lattice point 第5頁/共57頁 add ai 1 aa i d a d d 第6頁/共57頁 15. 0

3、1 2 3 2 3 a d d ad a i a 41.01 2 2 2 2 a d d ad a i a 第7頁/共57頁 222 ) 2 () 2 () 2 ( HLdd ia 22 HLdd ai 1 22 a a i d HL d d 2 ia dd 第8頁/共57頁 ada 2 3 aL 2 a H 29. 0 a i d d 22. 0 a i d d aL 2 2 ada 2 2 2 a H For FCC 第9頁/共57頁 n CN intersticesdi/da oct.tete.oct.tete. BCC280.6866/2=3 1212/2=60.15 0.29 FCC

4、4120.7444/4=188/4=20.41 0.22 HCP6120.7466/6=1 1212/6=20.41 0.22 第10頁/共57頁 For a BCC cell, Atoms/cell = 2 a0 = 0.2866nm = 2.866108cm Atomic mass = 55.847g/mol Volume of unit cell = a03 = 23.5410 24cm3/cell Density 3 2324- cm/g882. 7 )10)(6.0210(23.54 )847.55)(2( )numbersAvogadro)(cellunitofvolume( )i

5、ronofmassatomic)(cell/atomsofnumber( 第11頁/共57頁 第12頁/共57頁 第13頁/共57頁 第14頁/共57頁 第15頁/共57頁 1 已知位錯環(huán)已知位錯環(huán)ABCD的柏氏矢量為的柏氏矢量為b,外應力為外應力為 和和 ，求：，求： （1）位錯環(huán)的各邊分別是什么位錯？）位錯環(huán)的各邊分別是什么位錯？ （2）設想在晶體中怎樣才能得到這個位錯？）設想在晶體中怎樣才能得到這個位錯？ （3）在足夠大的切應力）在足夠大的切應力 作用下，位錯環(huán)將如何運動？作用下，位錯環(huán)將如何運動？ （4）在足夠大的拉應力）在足夠大的拉應力 作用下，位錯環(huán)將如何運動？作用下，位錯環(huán)將如何

6、運動？ 第16頁/共57頁 第17頁/共57頁 第18頁/共57頁 第19頁/共57頁 第20頁/共57頁 第21頁/共57頁 第22頁/共57頁 第23頁/共57頁 第24頁/共57頁 晶體與非晶體的比較 內(nèi)能、密度、相變潛熱、結構比較 第一節(jié)概述 第25頁/共57頁 第二節(jié) 熔體的結構理論 1近程有序理論： 2核前群理論 3 聚合物理論 （1）硅酸鹽(Silicate)熔體的基本結構 （2） Na2O加入對硅酸鹽熔體結構影響 （3）聚合物理論的基本過程 （4）熔體結構與溫度、組成關系 第26頁/共57頁 第三節(jié) 熔體的性質 1粘度(Viscosity) （1）粘度的意義 （2）粘度的定義

7、（3）粘度的單位 （4粘度的測試方法 第27頁/共57頁 第28頁/共57頁 第29頁/共57頁 第30頁/共57頁 第四節(jié) 玻璃的通性 1各向同性（非等軸晶系具有各向異性） 2介穩(wěn)性(Metastable)（系統(tǒng)含內(nèi)能并不處于最低值） 3可逆與漸變性 4熔融態(tài)向玻璃轉變時，物理化學性質隨溫度/成分變化的連續(xù)性 具有以上四個特征的物質，不論其化學組成如何，都稱為玻璃（glass） 5 和玻璃相關的幾個概念 脆性溫度（Tg）: 軟化溫度（Tf）: 反常間距： 第31頁/共57頁 第32頁/共57頁 3形成玻璃的動力學(Kinetics)手段 3T圖的意義（時間溫度轉變，TTTTimeTemper

8、atureTransfermation） 1.臨界冷卻速度（dT/dt）cTn/n，Tn=TM-Tn，Tn和n分別是三T圖曲線頭部(Nose of Curve)之點的溫度和時間。特征值臨界冷卻速度越大，越難形成玻璃，而析晶容易。形成玻璃的臨界冷卻速率(Critical cooling rate)是隨熔體組成變化而變化，因為3T曲線上任何溫度下的時間僅僅隨著（V/V）1/4次方變化。 2.粘度在熔點附近高，易形成玻璃，析晶位壘高。 3.Tg和Tm也是一個特征值，大約為2/3。 4.粘度和熔點是生成下班的重要標志，冷卻速率是形成玻璃的重要條件。 第33頁/共57頁 4玻璃形成的結晶化學條件。 鍵強

9、 (1)單鍵能(Single-Bond Strength)： (2)網(wǎng)絡形成體(Network former)： (3)網(wǎng)絡變性體(Network modifier) (4)網(wǎng)絡中間體(Intermediates)：介于玻璃形成體和網(wǎng)絡變性兩者之間。 (5)鍵強愈強的氧化物熔融后負離子也愈牢固，因此鍵的破壞和重新組合也愈困難，成核位壘也愈高，故不易析晶而易形成玻璃。 鍵型 A. 離子鍵化合物(Ionic bonds) B金屬鍵(Metal bonds) C.純粹共價鍵(Covalent bonds)： D極性共價鍵：離子鍵向共價鍵過渡的混合鍵，混合鍵既有離子鍵易改變鍵角，易形成無對稱變形的趨勢

10、，又具有共價鍵的方向性和飽性，不易改變鍵長和鍵角，前者有利于造成玻璃的遠程無序，后者則造成的玻璃的近程有序，易形成玻璃。 E.金屬共價鍵：加入半徑小，電荷高或極化較大過渡元素，形成spd,spdf雜化，形成金屬和加入元素組成原子團，類似SiO4，形成近程有序，但金屬鍵的無方向性和無飽和性則使這些原子團之間可以自由連接，形成無對稱變形的趨勢從而產(chǎn)生金屬玻璃的無程序。 F形成玻璃的條件：電負性X=1.52.5，陽離子較強極化，單鍵強度335kJ/mol，成鍵時SP雜化，利于形成低配位負離子團。 第34頁/共57頁 第六節(jié) 玻璃結構的模型 1 晶子假說(Crystalline Models)(：硅酸

11、鹽玻璃是由無數(shù)“晶子”組成，晶子的化學性質取決于玻璃的化學組成。所謂“晶子”是不同于一般微晶，而是帶有晶格變形的有序區(qū)域在“晶子”中心質點排列較有規(guī)律，愈遠離中心，則變形程度愈大。“晶子”分散在無定形介質中，并從“晶子”部分到無定形部分的過渡是逐步完成的，兩者之間無明顯界線。主要體現(xiàn)了微不均勻性和近程有序性。 2 無規(guī)則網(wǎng)絡學說(Random Network Models)：凡是成為玻璃態(tài)的物質與相應的晶體結構一樣，也是一個三度空間網(wǎng)絡(three dimensional network)所構成，這樣網(wǎng)絡是離子多面體(Polyhedra)構筑起來。晶體結構網(wǎng)是由多面體無數(shù)次有規(guī)律的重復而構成，

12、而玻璃中結構多面體重復沒有規(guī)律。 第35頁/共57頁 第36頁/共57頁 2 硼酸鹽玻璃(Borate Glass) A 硼反?，F(xiàn)象 隨著R2O的加入硼配位數(shù)的改變，使硼酸鹽玻璃的各種物理性質與相同條件下的硅酸鹽玻璃相比，出現(xiàn)異?，F(xiàn)象。這種異?，F(xiàn)象是由硼配位數(shù)由三配位變?yōu)樗呐湮灰鸬姆Q為“硼反常”。所謂異常：加入堿金屬，隨著堿金屬增加，粘度上升，再加入堿金屬，粘度下降。 B 硼反?，F(xiàn)象的原因 在石英玻璃中引入R+，會破壞相鄰四面體的橋氧，形成兩個非橋氧，網(wǎng)絡分開，Y降低。在硼玻璃中加入R+，開始加R2O時，和硅酸鹽相反，非但不破壞橋氧，反而會加固網(wǎng)絡，Y不會小，而是增加，因而粘度升高，膨脹系數(shù)

13、等明顯降低。因為在硼玻璃中開始加入R2O時會增加硼配位數(shù)，使一部分硼變化成BO4，另一部分仍為三角體配位。當R2O進一步增加（Na2O為16.7%，Y=3.2）, 由于BO4帶負電，不能直接連接，而通常是由BO3或另一種偶而存在的多面體來相隔，一般認為R2O提供的氧不是用于形成BO4，而是以非橋氧形式出現(xiàn)于三角體之中，從而使結構網(wǎng)絡連接減弱，導致一系列變化。 第37頁/共57頁 第38頁/共57頁 第39頁/共57頁 第40頁/共57頁 第41頁/共57頁 第42頁/共57頁 第43頁/共57頁 第44頁/共57頁 第45頁/共57頁 第46頁/共57頁 1. 基本概念：相圖、自由度、組元數(shù)與

14、獨立組元數(shù)、吉 布斯向律、杠桿規(guī)則、初晶區(qū)規(guī)則、三角形規(guī)則、背 向線規(guī)則、切線規(guī)則； 2. 掌握相圖的表示方法，包括單元系統(tǒng)相圖、二元系統(tǒng) 相圖、三元系統(tǒng)相圖； 3. 對于單元系統(tǒng)相圖，要求掌握點、線、區(qū)間的性質， 會寫無變量點的平衡式子；對于二元系統(tǒng)相圖，要求 掌握點、線、區(qū)間的性質，會寫無變量點的平衡式子 ，掌握冷卻結晶過程的分析以及過程量的計算；對于 三元系統(tǒng)相圖，要求掌握點、線、區(qū)間的性質，會寫 無變量點的平衡式子，掌握冷卻結晶過程的分析以及 過程量的計算。 4. 專業(yè)相圖應用：SiO2、ZrO、Al2O3-SiO2、鐵碳合金相 圖。 知識要點 第47頁/共57頁 第48頁/共57頁

15、解：（1）熔點：TBTATC （2）B最陡，C次之，A最平坦； （3）如圖所示，在M點所在的溫度下開始析晶， 析晶過程如下： 第49頁/共57頁 2、如圖，考慮40B的合金。 1）平衡凝固時，畫出冷卻曲線與結晶過程示意圖； 2）計算平衡凝固時共晶組織所占比例 3）若合金在細長的熔舟中進行不平衡定向凝固，固液界面保持平直；液相中溶質原子可以充分混合，凝固中始終成分保持均勻；固相中的擴散可忽略不計。計算合金的平衡分配系數(shù)K0及凝固后金屬棒中共晶體所占的比例。 第50頁/共57頁 第51頁/共57頁 3.下圖是具有多晶轉變的某物質的相圖，其中 DEF 線是熔體的蒸發(fā)曲線。 KE 是晶型 I 的升華曲

16、線； GF 是晶型 II 的升華曲線； JG 是晶型的升華曲線，回答下列問題： (1) 在圖中標明各相的相區(qū)，并把圖中各無變點的平衡特征用式子表示出來。 (2) 系統(tǒng)中哪種晶型為穩(wěn)定相 ? 那種晶型為介穩(wěn)相 ? (3) 各晶型之間的轉變是單向轉變還是雙向轉變 ? 第52頁/共57頁 解：(1) KEC 為晶型的相區(qū)， EFBC 過冷液體的介穩(wěn)區(qū)， AGFB 晶型的介穩(wěn)區(qū)， JGA 晶型的介穩(wěn)區(qū)； (2)晶型為穩(wěn)定相，晶型、為介穩(wěn)相；因為晶 型、的蒸汽壓高于晶型的，即它們的自由能較高，有 自發(fā)轉變?yōu)樽杂赡茌^低的晶型的趨勢； 多晶轉變點的溫度高于兩種晶型的熔點； 、轉變可逆的，雙向的，多晶轉變點溫

17、度低于、的熔點。 第53頁/共57頁 4、 SiO2具有很高的熔點，硅酸鹽玻璃的熔制溫度也 很高?，F(xiàn)要選擇一種氧化物與SiO2在800的低溫下 形成均一的二元氧化物玻璃，請問，選何種氧化物？ 加入量是多少？ 解：根據(jù)Na2OSiO2系統(tǒng)相圖可知最低共熔點為 799。故選擇Na2O能與SiO2在800的低溫下形成均 一的二元氧化物玻璃。 第54頁/共57頁 5.固體硫有兩種晶型 ( 單斜硫、斜方硫 ) ，因 此硫系統(tǒng)可能有四個相，如果某人實驗得到這四 個相平衡共存，試判斷這個實驗有無問題。 解：有問題，根據(jù)相律，F(xiàn)=C-P+2=1-P+2=3-P，系 統(tǒng)平衡時，F(xiàn)=0 ，則P=3 ，硫系統(tǒng)只能是三相平 衡系統(tǒng)。 第55頁/共57頁 6.根據(jù)Al2O3SiO2 系統(tǒng)相圖說明： (1) 鋁硅質耐火材料，硅磚 ( 含 SiO298 ) 、粘土磚 ( 含 Al2O3 35 50 ) 、高鋁磚 ( 含 Al2O3 60 90 ) 、剛玉磚 ( 含 Al2O390 ) 內(nèi)，各有哪些主要的晶相 。 (2) 為了保持較高的耐火度，在生產(chǎn)硅磚時應注意什么 ? 解：(1) 硅磚(含 SiO2 98%) 主要晶相： SiO2 、 2Al203 2SiO 3 固溶體（莫來石） 粘土磚(含 Al203 35 50%) 主要晶相： SiO