2022年《材料科学基础》教学教案 .pdf
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1、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、材料科学的意义名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 1 页,共 29 页 - - - - - - - - - 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
2、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 晶体材料的组织名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 2 页,共 29 页 - - - - - - - - - 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
3、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晶面指数名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 3 页,共 29 页 - - - - - - - - - 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
4、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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - -
5、 - - - - - 第 4 页,共 29 页 - - - - - - - - - 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名师资料总结 - -
6、 -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 5 页,共 29 页 - - - - - - - - - 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kTuACNneeexp2. 过饱与点缺陷的产生高温淬火、辐
7、照、冷加工3. 点缺陷与材料行为扩散物理性能 : 电阻,密度减小体积增加名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 6 页,共 29 页 - - - - - - - - - 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
8、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. 位错的滑移名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 7 页,共 29 页 - - - - - - - - - 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
9、 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. 位错的应力场名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 8 页,共 29 页 - - - - - - - - - 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
10、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 , 层错能名师资料总结 - - -精品
11、资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 9 页,共 29 页 - - - - - - - - - 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
12、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、 温度及压力间名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 10 页,共 29 页 - - - - - - - - - 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
13、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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 11 页,共 29 页 - - - - - - - - - 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
14、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。名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - -
15、 - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 12 页,共 29 页 - - - - - - - - - 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
16、 -碳合金相图1. 铁-碳合金的组元与基本相1)纯铁2)渗碳体名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 13 页,共 29 页 - - - - - - - - - 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2Fe-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
17、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)氧的影响名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 14 页,共 29 页 - - - - - - - - - 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VTHdTdp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、
18、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名师资料总结 - - -精品资料欢迎下载 - - - - - - - - - - - - - - - - - - 名师精心整理 - - - - - - - 第 15 页,共 29 页 - - - - - - - - - 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
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