2023年《材料科学基础》教学精品讲义.pdf

材料科学基础教学教案 材料科学基础教学教案 导论 一、材料科学的重要地位 生产力发展水平,时代发展的标志 二、各种材料概况 金属材料 陶瓷材料 高分子材料 电子材料、光电子材料与超导材料 三、材料性能与内部结构的关系 原子结构、结合键、原子的排列方式、显微组织 四、材料的制备与加工工艺对性能的影响 五、材料科学的意义材料科学基础教学教案 第一章 材料结构的基本知识 1-1 原子结构 一、原子的电子排列 泡利不相容原理 最低能量原理 二、元素周期表及性能的周期性变化 1-2 原子结合键 一、一次键 1 离 子键 2 共 价键 3 金 属键 二、二次键 1 范 德瓦尔斯键 2 氢 键 三、混合键 四、结合键的本质及原子间距 双原子模型 五、结合键与性能 1-3 原子排列方式 一、晶体与非晶体 二、原子排列的研究方法 1-4 晶体材料的组织 材料科学基础教学教案 一、组织的显示与观察 二、单相组织 等轴晶、柱状晶 三、多相组织 1-5 材料的稳态结构与亚稳态结构 稳态结构 亚稳态结构 阿累尼乌斯方程 第二章 材料中的晶体结构 2-1 晶体学基础 一、空间点阵与晶胞 空间点阵,阵点(结点)晶格、晶胞 坐标系 二、晶系与布拉菲点阵 7 个晶系 14 个布拉菲点阵 表 2-1 三、晶向指数与晶面指数 1 晶 向指数 确定方法,指数含义,负方向,晶向族 2 晶 面指数 材料科学基础教学教案 确定方法,指数含义,负方向,晶向族 3 六 方晶系的晶向指数与晶面指数 确定方法,换算 4 晶 面间距 密排面间距大 5 晶 带 相交与平行于某一晶向直线的所有晶面的组合 晶带定律:hu+kv+lw=0 晶向指数与晶面指数确定练习,例题 2-2 纯金属的晶体结构 一、典型金属晶体结构 体心立方 bcc 面心立方 fcc 密排六方 hcp 1.原子的堆垛方式 面心立方:ABCABCABC 密排六方:ABABAB 2.点阵常数 3.晶胞中的原子数 4.配位数与致密度 晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数 晶体结构中原子体积占总体积的百分数 材料科学基础教学教案 5.晶体结构中的间隙 四面体间隙,八面体间隙 二、多晶型性-Fe,-Fe,-Fe 例:碳在-Fe 中比在-Fe 中溶解度大 三、晶体结构中的原子半径 1.温度与压力的影响 2.结合键的影响 3.配位数的影响 2-3 离子晶体的结构 一、离子晶体的主要特点 正、负离子 二、离子半径、配位数与离子的堆积 1.离子半径 2.配位数 表 2-6 3.离子的堆积 三、离子晶体的结构规则 1.负离子配位多面体规则鲍林第一规则 配位多面体就是离子晶体的真正结构基元 2.电价规则鲍林第二规则 材料科学基础教学教案 3.负离子多面体共用点、棱与面的规则鲍林第三规则 四、典型离子晶体的结构 6 种 2-4 共价晶体的结构 一、共价晶体的主要特点 原子晶体 二、典型共价晶体的结构 第三章 晶体缺陷 点缺陷、线缺陷、面缺陷 3-1 点缺陷 一、点缺陷的类型 空位、间隙原子 Schottky,Frenkel 缺陷 晶个畸变 二、点缺陷的产生 1.平衡点缺陷及其浓度 kTuA CNnee exp 2.过饱与点缺陷的产生 高温淬火、辐照、冷加工 3.点缺陷与材料行为 扩散 物理性能:电阻,密度减小体积增加 材料科学基础教学教案 力学性能:蠕变,强度,脆性 3-2 位错的基本概念 一、位错与塑性变形 实际屈服强度远低于刚性滑移模型得到的 G/30、50 年代中期证实位错的存在 二、晶体中位错模型及位错易动性 1.刃型位错 2.螺型位错 3.混合型位错 4.位错的易动性 图 4-12 三、柏氏矢量 1.确定方法 2.柏氏矢量的意义 原子畸变程度 已滑移区与未滑移区的边界 滑移矢量 位错线的性质 3.柏氏矢量的表示方法 练习 四、位错的运动 1.位错的滑移 材料科学基础教学教案 外加切应力方向、晶体滑移方向、位错线运动方向与柏氏矢量之间关系 图 4-18、4-19、4-20,表 4-1 2.位错的攀移 通过扩散实现 割阶的产生 正应力影响 3.作用在位错上的力 Fd=b Fd=b 五、位错密度=S/V=n/A 六、位错的观察 图 4-24,4-25 3-3 位错的能量及交互作用 一、位错的应变能 U=Gb2 二、位错的线张力 图 4-30=Gb/(2R)三、位错的应力场及与其它缺陷的交互作用 1.位错的应力场 材料科学基础教学教案 螺位错:纯剪切 刃位错:正应力为主 2.位错与点缺陷的交互作用 溶质原子形成的应力场与位错应力场可发生交互作用。比溶剂原子大的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受张力一侧,比溶剂原子小的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受压力一侧,从而形成了包围着位错线的比较稳定分布的溶质原子“气团”,称 Cottrell 气团 位错要挣脱气团的束缚而运动,就会使体系能量升高;若位错带着气团一起运动,在气团作用下运动受到阻滞,气团对位错的钉扎与阻滞作用使基体得以强化。3.位错与其它位错的交互作用 同号相斥、异号相吸 刃位错位错墙 四、位错的分解与合成 1.位错反应的条件 1)几何条件:b前=b后 2)能量条件:b2前 b2后 2.实际晶体中位错的柏氏矢量 分位错、不全位错 3.面心立方晶体中全位错的分解及扩展位错 扩展位错 堆垛层错,层错能 材料科学基础教学教案 扩展位错宽度 3-4 晶体中的界面 一、晶界的结构与晶界能 1 小 角度晶界的结构 由位错组成,晶界上的位错密度随位向差增大而增加 2 大 角度晶界 23 个原子厚度的薄层,无序、稀疏 3 晶 界能 二、表面及表面能 密排面能量低 三、表面吸附与晶界内吸附 吸附为自发现象,物理吸附、化学吸附 晶界内吸附:少量杂质或合金元素在晶体内部的分布就是不均匀的,常偏聚于晶界。四、润湿行为 五、界面能与显维组织的变化 第四章 材料的相结构及相图 组元:组成材料最基本、独立的物质 合金:两种或两种以上的金属、或金属与非金属形成的具有金属特性的物质。相图:描写在平衡条件下,系统状态或相的转变与成分、温度及压力间材料科学基础教学教案 关系的图解。4-1 材料的相结构 固溶体、中间相 一、固溶体 置换固溶体、间隙固溶体 有限固溶体、无限固溶体 有序固溶体、无序固溶体 1.置换固溶体 1）尺 寸因素 2）晶 体结构因素 3）电 负性因素 4）电 子浓度因素 2.间隙固溶体 原子半径接近于溶剂原子某些间隙半径的溶质原子,进入溶剂晶格的间隙形成的固溶体叫间隙固溶体 固溶强化 二、中间相 1 正 常价化合物 符合化合的原子价规律 2.电子化合物 受电子浓度控制的化合物称。一定的电子浓度对应一定的晶体结构,其成分可在一定范围内变动,故可视作以电子化合物为基的固溶材料科学基础教学教案 体,说明其结构介于正常价化合物与固溶体之间。3.尺寸因素化合物 间隙化合物:过渡族金属与原子半径较小的 C、H、O、B 等非金属元素形成的一类化合物。4-2 二元相图及其类型 一、相图的基本知识 1.相律 2.二元相图的成分表示方法与相图的建立 1）成 分的表示方法 质量分数 2）相 图的建立 热分析法,Cu-Ni 合金 3）杠 杆定律 二、一元系相图 三、二元系相图 1.匀晶相图及固溶体的结晶 1）匀 晶相图 2）固 溶体的平衡结晶过程 3）匀 晶系的不平衡结晶 晶内偏析:晶粒内部出现的成分不均匀现象 枝晶偏析:在非平衡凝固条件下,若固溶体以树枝状结晶并长大,则枝干与枝间会出现成分差别。材料科学基础教学教案 2.共晶相图及其结晶 1）相 图分析 2）共 晶转变 共晶反应,共晶组织 3）共 晶系合金的平衡结晶及组织 4）不 平衡结晶及其组织 a.伪共晶 非平衡结晶条件下,成分在共晶点附近的合金也可能全部转变为共晶组织,这种非共晶成分的共晶组织,称为伪共晶组织。b.不平衡共晶 c.离异共晶 3.包晶相图及其结晶 4.其她类型的二元系相图 四、相图与性能的关系 4-3 复杂相图分析 一、分析方法 二、举例 图 5-445-46 三、铁-碳合金相图 1.铁-碳合金的组元与基本相 1）纯 铁 2）渗 碳体 材料科学基础教学教案 3）铁 碳合金相 铁素体、奥氏体、渗碳体、石墨 2 Fe-Fe3C 相图介绍 3 铁-碳合金的平衡结晶过程及组织 铁-碳合金的分类 晶固过程分析 珠光体 莱氏体 室温莱氏体 相组成物、组织组成物 4.含碳量对铁碳合金平衡组织与性能的影响 1）对 平衡组织的影响 2）对 力学性能的影响 3）对 可锻性的影响 4）对 流动性的影响 5.钢中的杂质元素及其对性能的影响 1）硅、锰的影响 2）硫 的影响 热脆 3）磷 的影响 冷脆 4）氧 的影响 材料科学基础教学教案 5）氮 的影响 6）氢 的影响 4-4 相图的热力学基础 一、吉布斯自由能与成分的关系 二、克劳修斯-克莱普隆方程 V THdTdp 三、相平衡条件 1.化学位 2.相图中的相平衡 多相平衡条件 一元系统的相平衡 二元系统的相平衡 共切线法则 四、吉布斯自由能曲线与相图 4-5 三元系相图及其类型 一、三元相图的表示方法 1.等边三角形法 取等边三角形,以三个顶点表示三个纯组元;三个边各定为 100%,分别代表三个二元系的成分;位于三角形内部的点代表三元系的成分。此三角形为浓度三角形 特殊意义的线(1)平行三角形某一边的直线 材料科学基础教学教案 它们所含的、有这条边对应顶点所代表的组元量均相等(2)通过三角形顶点的任一直线 它们所含的由另两个顶点所代表的两组元含量之比就是一定值。2.等腰三角形法 3.直角三角形法 二、三元相图的建立 三、三元匀晶相图 1.相图分析 2.等温截面(水平截面)图 共轭曲线 直线法则:三元系统两相平衡共存时,合金成分点与两平衡相的成分点必须位于一条直线上。证明:设:合金 O,两相为,。其成分点分别为 o,a,b 则 其 中 B 组 元 含 量 分 别 为 Ao1,Aa1,Ab1,C 组 元 含 量 分 别 为Ao2,Aa2,Ab2 若此时相的重量分数为 X,相的重量分数为 1 X 应有:Aa1X Ab1(1 X)Ao1 Aa2X Ab2(1 X)Ao2 得:X(Aa1 Ab1)Ao1 Ab1 X(Aa2 Ab2)Ao2 Ab2 两式相除:Aa1 Ab1 Ao1 Ab1 材料科学基础教学教案 Aa2 Ab2 Ao2 Ab2 故 o,a,b 三点共线。两点注意 杠杆定律应用 3.匀晶相图的平衡结晶过程分析 蝴蝶形迹线 4.变温截面图 四、具有两相共晶反应的三元系相图 1.相图分析 2.三相平衡及三相平衡反应 共轭三角形 成分变温线、单变量线 重心法则:合金三相平衡时,合金的成分点位于由这三相成分点组成的三角形中,并位于该三角形的质量重心。五、三元系中的相平衡分析 切平面 六、具有四相平衡反应的三元系相图 简单分析 投影图 七、实例分析 图 5-113 第五章 材料的凝固 材料科学基础教学教案 5-1 晶体材料熔液凝固的基本规律 一、液态的结构 成分起伏、结构起伏、能量起伏 二、凝固的热力学条件 等压条件下,自由能曲线随温度的变化率等于熵的负值,故可得图 6-1 所示结果。液相(L)与固相(S)的自由能曲线交点对应的温度为T0,即为金属的熔点。当温度 T T0时液态金属结晶,温度越低,液固两相的自由能差值越大,结晶的驱动力也越大。因此,金属结晶的热力学条件就就是 T T0,即结晶必须在过冷条件下才能自发地进行 三、过冷现象 过冷 冷却曲线 四、结晶的一般过程 形核-长大 形核率、长大速率 伪各向同性 5-2 晶核的形成 一、均匀形核 图 6-5 rk=2 Gv Ak=432423 2()()GvGvGv=13Sk 体积自由能的降低,只能补偿 2/3 的表面自由能,另 1/3需外界供给。材料科学基础教学教案 液态金属结构存在成分、结构与能量起伏。依靠能量起伏,液相原子的热运动来实现均质形核。二、形核率 图 6-6 临界过冷度 三、非均匀形核 分析讨论 5-3 晶核的成长 一、液-固界面的微观结构 动态过冷度 光滑界面、粗糙界面 二、熔体中晶体的生长形态 1.粗糙界面 由于界面上有 50的结晶空位,液相原子进入这些空位使晶体均匀连续地生长,垂直长大。所需动态过冷度小,长大速度快 正温度梯度下:平面 负温度梯度下:枝晶生长 2.光滑界面 生长依赖在界面上出现台阶,有 3 种方式:二维晶核,螺型位错,孪晶面。后 2 种可连续生长。正温度梯度下:台阶生长 负温度梯度下:多面体 材料科学基础教学教案 3.晶体长大线速度 5-4 固溶体的凝固 一、固溶体的平衡凝固 二、稳态凝固 有效分配系数 溶质的分布,图 6-18 三、成分过冷及其对晶体长大形状的影响 1.成分过冷的产生 图-6-20 由于液固界面前沿液相中的成分差别所引起的过冷 2.出现成分过冷的临界条件 3.成分过冷对晶体成长形状的影响 图 6-21 5-5 共晶合金的凝固 一、共晶体的形成 交替生长 二、共晶体的形态 1 粗 糙-粗糙界面 2 粗 糙-平滑界面共晶 3 第 三组元对共晶组织的影响 变质处理 4 共 晶合金中的初生晶形态 材料科学基础教学教案 5-6 凝固组织及其控制 一、晶粒尺寸的控制 1 增 加过冷度 2 变 质处理 3 振 动 二、铸锭组织及其控制 1.三个晶区 表层细晶区 柱状晶区 中心等轴晶区 2.各晶区尺寸的控制 三、铸锭的缺陷 1 微 观偏析 2 宏 观偏析 3 夹 杂与气孔 4 缩 孔与疏松 四、焊缝金属的结晶组织 5-7 凝固技术的应用介绍 一、单晶的制备 二、定向凝固 三、材料非晶态 第六章 材料中的原子扩散 材料科学基础教学教案 扩散就是固体中物质传输的唯一方式 6-1 扩散现象及扩散方程 一、扩散现象 自扩散、互扩散、扩散激活能 二、菲克第一定律 在稳态扩散的条件下,单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质的通量 J 与浓度梯度(dC/dx)成正比。J=-D(dC/dx)三、菲克第二定律 设扩散流量为 J,扩散系数为 D,体积浓度为 C,图阴影部分体积的横截面积为 A,则:物质流入速率 J1A 物质流出速率 J2A J1A dxxJA）（物质积存速率 J1A J2A AdxxJ 积存速率又可写为AdxtC(2 分)故AdxtCAdxxJ,即tCxJ 将扩散第一定律:J DdxdC代入,得:tC)(xCDx 四、扩散方程的应用 1 扩 散系数不随浓度变化的恒稳态扩散 2 扩 散系数与浓度无关的非稳态扩散 材料科学基础教学教案 初始条件、边界条件 五、柯肯达尔效应 置换固溶体中,由于两组元以不同的速率相对扩散而引起的标记面漂移现象 6-2 扩散微观机制 一、扩散的微观机制概述 1 空 位机制 2 间 隙机制 3 自 间隙机制 二、原子跃迁的距离 随机行走理论 三、扩散系数 四、扩散激活能 1 间 隙扩散激活能 2 空 位扩散激活能 6-3 扩散驱动力 上坡扩散:扩散物质由浓度低处向浓度高处进行的扩散。扩散驱动力:化学位梯度 6-4 反应扩散 反应扩散:发生化学反应产生新相的扩散过程 6-5 影响扩散的因素 一、温度的影响 材料科学基础教学教案 温度高,扩散系数 D大 二、原子键力与晶体结构的影响 晶体结构:原子排列紧密,结合力强 D 小,D 面心立方、密排六方D体心立方 同素异构,固溶体对扩散元素溶解度大小,晶体各向异性均有影响。三、固溶体类型与浓度的影响 浓度:高则 D大 四、晶体缺陷的影响 晶界扩散、位错扩散 五、第三组元的影响 第七章 材料的变形 7-1 金属变形概述 拉伸曲线 加工硬化 7-2 金属的弹性变形 双原子模型 00rS 00rSE E 对组织不敏感 7-3 滑移与孪晶变形 材料科学基础教学教案 一、滑移观察 滑移带、滑移线 二、滑移机制 位错宽度 派-纳力 讨论 三、滑移面与滑移方向 滑移系 四、孪晶变形 另一作用:当滑移变形困难时,它能改变晶体位向帮助滑移 7-4 单晶体的塑性变形 一、施密特定律 图 8-10 取向因子(施密特因子)、硬取向、软取向 二、单滑移、多滑移与交滑移 单个滑移系动作称单滑移,多个称多滑移 螺位错在原滑移面上运动受阻,可转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移称交滑移。交滑移后的位错再次转回到与原滑移面平行的面上继续滑移,称双交滑移。图 8-13 7-5 多晶体的塑性变形 材料科学基础教学教案 一、晶界与晶体位向对塑性变形的影响 阻碍作用 变形的传递 1.变形的协调 二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响 Hall-petch 关系 位错理论解释细晶强化:多晶体材料靠晶界以及晶界两侧的晶粒间的位向差得到强化。晶粒中的位错源放出的位错,在晶界处受阻并产生塞积,塞积产生的应力足以克服晶界与位向差造成的阻力时,位错才能通过晶界,该过程需增加外力,表明材料得以强化;晶粒越细,塞积群应力场越弱,变形不易从一晶粒转移到另一晶粒,材料强度越高。粗晶粒位错塞积数目多,产生的应力集中大,它虽然有容易使相邻晶粒位错源开动的一面,但假若相邻晶粒的取向特别不利于变形,或者其位错源受到钉扎。应力集中不能被松弛而产生很大的拉应力,从而形成裂纹。因此,粗晶粒容易萌生裂纹,断裂时显示的塑性也较低。7-6 纯金属的变形强化 加工硬化(变形强化)机理 一、位错的交割 扭折、割阶 割阶必就是刃型的 螺位错上的割阶运动阻力更大 材料科学基础教学教案 二、位错的反应 梯杆位错、洛麦尔-柯垂尔锁 三、位错的增值 F-R源 2.双交滑移机制 7-7 合金的变形与强化 一、单相合金的变形与强化 固溶强化 二、低碳钢的屈服与应变时效 屈服平台 柯氏气团理论:溶质原子形成的应力场与位错应力场可发生交互作用。比溶剂原子大的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受张力一侧,比溶剂原子小的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受压力一侧,从而形成了包围着位错线的比较稳定分布的溶质原子“气团”,称。位错要挣脱气团的束缚而运动,需要较大的力,这就形成了上屈服点;儿一旦挣脱之后位错的运动就比较容易,因此有应力降落,出现下屈服点与水平平台。位错增值理论:位错大量增殖后,可动位错增多,流遍应力降低。应变时效 三、第二相对合金变形的影响 切过机制 绕过机制 材料科学基础教学教案 弥散强化 7-8 冷变形金属的组织与性能 一、冷变形金属的力学性能 加工硬化 二、冷变形金属的组织 纤维组织 位错胞、晶粒破碎 三、形变织构 金属变形量较大时,由于晶粒的转动,各晶粒的取向趋于一致,即形成择优取向 四、残余应力 7-9 冷变形金属的回复阶段 一、回复阶段性能与组织的变化 二、回复动力学 三、回复机制 1.低温时 点缺陷的迁移 2.温度较高时 位错运动销毁 3.在较高温度时 位错墙、亚晶 4.位错反应形成亚晶 材料科学基础教学教案 7-10 冷变形金属的再结晶 性能完全恢复 形核-长大过程 一、再结晶的形核 二、再结晶动力学 三、影响再结晶的因素 1）临 界变形度 2）变 形度对再结晶温度的影响 3）再 结晶后的晶粒大小 4）微 量杂质的影响 5）第 二相的影响 6）原 始晶粒的影响 四、再结晶后的晶粒长大 1.晶粒的正常长大 2.二次再结晶 7-11 非金属材料的变形 一、陶瓷晶体的变形 二、高分子材料的变形 1 热 塑性塑料的变形 粘弹性 2 热 固性塑料的变形