[大连理工大学]材料科学基础课件1第一章.pdf

材料科学基础 考研辅导 第1章 晶体结构 第2章 晶体缺陷 第3章 固体中的扩散 第4章 材料的变形和再结晶 第5章 金属凝固 第6章 二元相图 第7章 三元相图 固态相变原理 注重基本概念和基本理论 突出重点 适当练习 只将讲金属部分 不讲陶瓷和高分子材料部分 要求 课前预习 带着问题来听课 主要内容 1 2晶体结构 1 晶体学的几个概念 空间点阵 指几何点在三维空间作周期性的 规则排列所形成的三维阵列 是人为的对晶体结构的抽象 Chapter 1 The structure of crystalline solids 晶胞 构成晶格的最基本单元 阵点或结点 构成空间点阵的每一个点 晶格 将阵点用一系列相互平行的 直线连接起来所形成的空间格架 常用于表示空间点阵的几何规律 2 晶胞 Chapter 1 The structure of crystalline solids 晶胞结构描述 点阵常数 晶格常数 三个棱边的长度 a b c 夹角 Chapter 1 The structure of crystalline solids 选取晶胞原则 1 能充分反映整个空间点阵的对称性 2 尽可能多的直角 3 所选取的晶胞体积最小 可根据晶胞的类型对晶体进行分类 3 晶系和布拉菲点阵 棱边长度 a b c 轴之间夹角 根据晶胞棱边长度之间的关系和晶轴之间夹角对空间点阵分类 所有晶体可归为7个晶系 14种点阵 7个晶系 14种点阵 4 晶向指数和晶面指数 用于表示不同晶面和晶向的一种符号 1 晶向 空间点阵中一个方向 代表晶格中原子列的方向 晶向指数标定 Chapter 1 The structure of crystalline solids o A 1 1 1 P C B 建立坐标系 待定晶向上选取一点 最方便的点 确定其坐标值 化整最小整数并加方括号 uvw 举例 OB PA 110 OA 111 一个晶向指数代表相互平行 方向 一致的所有晶向 若晶体中两晶向相互平行但方向相反 则晶向指数中的数字相同 符号相反 晶体中原子排列情况相同但空间位向 不同的一组晶向称为晶向族 如立方晶系中 Chapter 1 The structure of crystalline solids 100 001 010 010 001 100 100 2 晶面 通过空间点阵中的任意一组阵点的原子平面 确定晶面指数 Chapter 1 The structure of crystalline solids 建立坐标系 求待定晶面在三个轴的截距 取三个截距值的倒数 化整并加园括号 hkl 晶面指数 晶面法线的晶向指数 练习 平行晶面的晶面指数相同 一个晶面指数代表一组相互平行 的晶面 数字相同 正负号相反的是同一晶面 晶体中原子排列情况相同而只是空间位向不 同的各组晶面称为晶面族 hkl 如立方晶系中 111 111 111 111 111 111 111 晶面指数 晶面法线的晶向指数 晶向指数与晶面指数的关系 在立方晶系中 具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直 h k l h k l uvw 晶向与 hkl 晶面平行时 hu kv lw 0 3 六方晶系的晶向指数和晶面指数 三轴系a1a2c 四轴系a1a2a3c Chapter 1 The structure of crystalline solids 四轴晶面指数 hkil 特点 同一平面上的h k i三个坐标数中 有一个是不独立的 i h k 确定六方晶系晶面指数步骤 晶面指数与三轴坐标系相同 取晶面在四个坐标轴上的截距即可 hkil 六方晶系晶向指数特点 用 uvtw 表示晶向 t u v 确定六方晶系晶向指数步骤 1 晶格常数三等分法 2 先确定三轴坐标系的晶向指数 UVW 然后换算成四轴坐标系的晶向指数 uvtw u 2U V 3 v 2V U 3 t u v w W 4 晶面间距 inter planer spacing 相邻两个平行晶面之间的距离 222 1 clbkah d hkl 222 lkh a d hkl 在立方晶系中 在简单正交晶系中 晶面间距越大 晶面上原子排列越密集 1coscoscos coscoscos 222 222 2 c l b k a h d l c k b h a d hkl hkl 上述方法针对简单晶胞 对于复杂晶胞 要做修正 上述方法针对简单晶胞 对于复杂晶胞要做修正 111 3 3da 100 2da 5 晶带 相交于某一晶向直线的所有晶面的组合称为晶带 该直线称为晶带轴 晶带用晶带轴的晶向指数表示 uvw 晶带轴 uvw 与该晶带中任一晶面 hkl 之间有 hu kv lw 0 晶带定律 凡满足上式的晶面都属于以 uvw 为晶带轴的晶带 1 3纯金属的晶体结构 1 典型的晶体结构 面心立方结构face centered cubic fcc Chapter 1 The structure of crystalline solids 点阵常数 晶胞中的原子数 4 配位数 12 晶体结构中任一原子周围 最近邻且等距离的原子数 致密度 74 22 3 4 4 3 3 r r V nv K 面心立方结构 FCC Chapter 1 The structure of crystalline solids 顶角原子 1 8 x 8 1 面心位置原子 1 2 x 6 3 原子半径 原子间最短距离之半 ar 4 2 a 体心立方结构 the body centered cubic crystal structure BCC A2 Chapter 1 The structure of crystalline solids 点阵常数 ar34 ra 3 34 晶胞中的原子数 2 顶角原子1 8 x 8 1 体心位置原子1 配位数 8 致密度 68 3 4 3 4 2 3 3 r r V nv K 体心立方结构 BCC Chapter 1 The structure of crystalline solids 密排六方结构 the hexagonal close packed crystal structure HCP A3 Chapter 1 The structure of crystalline solids 点阵常数 a b c r a 2 c 1 633a 理想状况 晶胞中的原子数 6 顶角原子1 6 x 12 2 底心位置原子1 2 x 2 1 中间层原子3 配位数 12 致密度K 74 密排六方结构 HCP 原子堆垛方式 atom packed structure 三组晶体结构中各有一组原子密排面和原子密排方向 晶体结构可以视为原子密排面在空间一层层平行堆垛的结果 Chapter 1 The structure of crystalline solids FCC 111 BCC 110 HCP 0001 FCC与HCP的密排堆垛结构 Chapter 1 The structure of crystalline solids FCC ABCABC HCP ABABAB 八面体间隙 octahedral interstices 位于六个原子组成的八面体中间的间隙 面心立方结构 FCC 的间隙 晶体结构中的间隙 interstices in crystal structure Chapter 1 The structure of crystalline solids 1 12 4 个 22 0 414 244 BA a rraa 位置 棱边中心 8 x 1 8个 rB rA 0 225 四面体间隙 位于四个原子组成的四面体中间的间隙 体心立方结构 BCC 的间隙 Chapter 1 The structure of crystalline solids 6 x 1 2 12 x 1 4 6 个 24 x 1 2 12个 rB rA 0 291扁八面体rB rA 0 154 12 x 1 3 8 12个 6 x 1 6个 密排六方结构 HCP 的间隙 多晶型性和同素异构 polymorphism and allotropy 多晶型性 同种金属在不同温度和压力下具有不同的晶体结构 这种转变称为同素异构转变 转变的产物为同素异构体 Example Fe Mn Ti Sn Chapter 1 The structure of crystalline solids Fe 1 4合金相结构 合金相 固溶体 中间相 合金 alloy 两种或两种以上的金属或金属与非金属 经熔炼或其它方法制成的具有金属特性的物质 组元 component 组成合金的基本的独立的物质 组元可以是纯金属 非金属元素 或化合物 相 phase 合金中具有同一聚集状态 同一晶体结构 和性质并以界面相互隔开的均匀组成部分 单相合金 由一种相组成的合金 多相合金 由几种不同的相组成的合金 1 4 1 固溶体 以某一组元为溶剂 在其晶体点阵中溶入其它组元原子 溶质原子 所形成的与溶剂有相同的晶体结构的均匀混合的固相 置换固溶体 在固溶体中 溶质原子占据 溶剂点阵的阵点 所形成的 固溶体就称为置换固溶体 间隙固溶体 溶质原子分布于溶剂晶格 间隙而形成的固溶体 固溶体的晶体结构与溶 剂 基体 金属相同 影响置换固溶体溶解度的因素 晶体结构 相同可形成无限固溶体 不同则只能形成有限固溶体 原子尺寸因素 原子半径差小于15 可形成溶解度较大的固溶体 原子半径差大于15 时 半径差越大 溶解度越低 原因 点阵畸变随原子半径差增大而增加 化学亲和力 电负性因素 溶剂和溶质之间的化学亲和力越大 越容易形成化合物 电负性相近的元素间可能有较大的固溶度 原子价因素 或电子浓度因素 电子浓度 electron concentration 合金中各组成元素的价电子数总和与原子总数的比值 e a V A 1 x VB x x为溶质B的原子分数 过渡族金属的价电子数规定为零 试验规律表明 溶质的原子价越高 溶解度越低 溶解度对应电子浓度1 4 超过极限电子浓度 1 4 固溶体不稳定 可能形成新相 即电子浓度因素决定溶解度 利用e a 1 4 计算的溶解度 Cu Zn 10 Cu Ga 13 Cu Ge 20 Cu As 40 利用e a 1 4 计算的溶解度 e a VA 1 x VBx Cu Zn 10 Cu Ga 13 Cu Ge 20 Cu As 40 间隙固溶体 interstitial solid solution 溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体 原子半径小 且与溶剂原子半径差大于41 一般为原子半径小于0 1nm的一些非金属元素 H B C N O 0 046 0 097 0 077 0 071 0 061nm Chapter 1 The structure of crystalline solids 间隙固溶体为有限固溶体 产生较大的晶格畸变 有较大的强化效果 间隙固溶体的溶解度不仅与溶质大小有关 也与溶剂晶体结构中间隙的形状和大小有关 C在 Fe的溶解度为 0 0218 C在 Fe的溶解度为 2 11 rB rA 0 154 0 633 rB rA 0 414 1 4 2 中间相 intermediate phase 两种组元组成合金时 形成的晶体结构与两组元均不相同的新相 金属间化合物 intermetallic compound 中间相大都具有有金属的性质 不一定符合化学价规律 CuZn Fe3C等 1 正常价化合物 normal valency compounds 金属与电负性较强的 A A A族的一些元素按原子价规律 所形成的化合物 如 Mg2Pb AlN Mg2Si 正常价化合物的晶体结构通常对应于同类分子式的离子化合物 如NaCl型 ZnS型 CaF2型等 组元间电负性大 趋于离子键或共价键结合 如Mg2Si 熔点高 稳定 组元间电负性小 趋于金属键结合 如Mg2Pb 熔点低 有金属特性 2 电子化合物 electron compound Hume Rothery phase 特征 形成的化合物不符合正常化学价规律 电子浓度是决定晶体结构的主要因素 Chapter 1 The structure of crystalline solids 电子化合物 三种化合物分别为体心立方 复杂立方和密排六方结构 一定的电子浓度对应于一定的晶体结构 电子化合物主要以金属键结合 具有明显的金属特性 电子化合物的成分可在一定范围内变化 可视为以化合物为基的固溶体 电子浓度 化合物中价电子数 与原子数之比 3 尺寸因素化合物 size factor compound 这类化合物的形成受组元的相对尺寸控制 间隙相与间隙化合物 原子半径较小的非金属元素C H N B 与金属元素 以过渡族金属为主 形成的化合物 Chapter 1 The structure of crystalline solids 间隙相 interstitial phase 当非金属 X 和金属 M 原子半径的比值 rX rM小于0 59时形成的具有简单晶体结构的相 间隙原子占据金属晶体结构的四面体间隙 rX rM小于0 414 或八面体间隙 rX rM大于0 414 形成新的晶体结构 一般具有高熔点 高硬度 间隙化合物 interstitial compound 当非金属 X 和金属 M 原子半径 的比值rX rM大于0 59时形成的具有复杂晶体结构的相 有M3C型 如F