《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、光电子材料和超导材料三、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 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12 原子结合键一、一次键1离子键2共价键13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13 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

2、晶体材料的组织一、组织的显示与观察二、单相组织等轴晶、柱状晶三、多相组织15 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21 晶体学基础2一、空间点阵和晶胞空间点阵，阵点（结点）晶格、晶胞坐标系二、晶系和布拉菲点阵7 个晶系14 个布拉菲点阵表 21三、晶向指数和晶面指数1晶向指数确定方法，指数含义，负方向，晶向族2晶面指数确定方法，指数含义,负方向，晶向族3六方晶系的晶向指数和晶面指数确定方法,换算4晶面间距密排面间距大5晶带相交和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 晶向指数和晶面指数确定练习,例题22 纯金属的晶体结构3

3、一、典型金属晶体结构体心立方 bcc面心立方 fcc密排六方 hcp1原子的堆垛方式面心立方：ABCABCABC密排六方：ABABAB2点阵常数3晶胞中的原子数4配位数和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42-3 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、配位数和离子的堆积1离子半径2配位数表 2-63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

4、则-鲍林第一规则配位多面体是离子晶体的真正结构基元2电价规则鲍林第二规则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24 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31 点缺陷5一、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2过饱和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,密度减小体积增加力学性能:蠕变,强度,脆性32 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

5、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 4126三、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 4-12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/V7=n/A六、位错的观察图 424,4253-3 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 430=Gb/（2R）三、

6、位错的应力场及与其它缺陷的交互作用1位错的应力场螺位错：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，气团对位错的钉扎和阻滞作用使基体得以强化。3位错与其它位错的交互作用8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 b前=b

7、 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，层错能扩展位错宽度34 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9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

8、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104）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体，说明其结构介于正常价化合物与

9、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.42 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11热分析法，CuNi 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。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

10、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123包晶相图及其结晶4其他类型的二元系相图四、相图与性能的关系43 复杂相图分析一、分析方法二、举例图 5-44546三、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3）铁碳合金相铁素体、奥氏体、渗碳体、石墨2FeFe3C 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和性能的影响131）对平衡组织的影响2）对力学性能的影响3）对可

11、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5）氮的影响6）氢的影响44 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14共切线法则四、吉布斯自由能曲线与相图45 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它们所含的、有这条

12、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。15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 1X应有：Aa1XAb1（1X)Ao1Aa2XAb2（1X）Ao2得：X（Aa1Ab1）Ao1Ab1X（

13、Aa2Ab2）Ao2Ab2两式相除:Aa1Ab1Ao1Ab1Aa2Ab2Ao2Ab2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16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

14、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17形核长大形核率、长大速率伪各向同性52 晶核的形成一、均匀形核图 6-5rk=Ak=Sk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。液态金属结构存在成分、结构和能量起伏.依靠能量起伏，液相原子的热运动来实现均质形

15、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18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3晶体长大线速度54 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

16、分过冷的产生图-620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 6-211955 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56 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202宏观偏析3夹杂和气孔4缩孔和疏松四、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

17、原子扩散扩散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J1A21物质流出速率J2AJ1A物质积存速率J1A J2A积存速率又可写为(2 分）故,即将扩散第一定律：JD 代入，得：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初始条件、边界条件五、柯肯达

18、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62 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221间隙扩散激活能2空位扩散激活能63 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64 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、温度的影响温度高，扩散系数 D 大二、原子键力和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。

19、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71 金属变形概述23拉伸曲线加工硬化7-2 金属的弹性变形双原子模型E 对组织不敏感7-3 滑移与孪晶变形一、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74 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、多滑移和交滑移单个滑移系动作称单滑移，多个称多滑移24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.

20、交滑移后的位错再次转回到和原滑移面平行的面上继续滑移,称双交滑移。图 8137-5 多晶体的塑性变形一、晶界和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 Hallpetch 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和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

21、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。2576 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、割阶割阶必是刃型的螺位错上的割阶运动阻力更大二、位错的反应梯杆位错、洛麦尔-柯垂尔锁三、位错的增值FR 源2双交滑移机制77 合金的变形与强化一、单相合金的变形与强化固溶强化二、低碳钢的屈服和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

22、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26和水平平台。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27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710 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711 非金属材料的变形28一、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29