材料科学与基础范文

材料科学与基础范文材料科学与基础范文 第一章1晶体按一定规律呈周期性排列的固体 格子 有固定熔点 各向异性 2晶体结构 空间点阵 晶格 结构基元 原子或原子 集团 3晶胞反映晶体周期性和对称性的最小单元4布拉菲点阵依据 晶胞参数把晶体划分为7类 7个晶系共14种点阵 5晶面指数 hkl 截距的倒数比 晶面族 h k l 晶向指数 uvw 坐标轴的比 晶向族 u v w进行组合排列 注 hkl 晶向是 hkl 晶面的法向 即 hkl hkl uvw 晶向平行于晶面 hkl 时必满足hu kv lw 06晶面间距d a h k l 晶面指数低的晶面间距大方若体心立 方h k l 奇数 面心立方hkl不全为奇数或不全为偶数时 间距除以 27晶面夹角晶向夹角8晶带定理hu kv lw 0 晶带轴 uvw 晶带所 在面 hkl 9点阵常数 a 晶胞的边长 体心立方r 3 4a 面心 立方r 2 4a致密度K晶胞中原子所占的体积分数配位数最近邻并且 等距的原子数f晶胞中有4个原子 原子紧密排列面 111 密排方向 K 0 74 配位数为12b晶胞中有2个原子 原子紧密排列面 110 密排方向 K 0 68 配位数为8hcp晶胞中有6个原子 原子紧密排列面 0001 密排方向 K 0 74 配位数1210面心立方堆积ABC ABC 六方密堆积ABAB 八面体间隙f 4正r 0 146a hcp 6正r 0 146a b 6扁r 0 067a 四面体间隙f 8r 0 0794a hcp 12r 0 0794a b 12r 0 126a 应用用间隙的内容解释 Fe溶碳能力大于 Fe的原因 虽b致密度小于f 但间隙分散 每个间隙相对体积小 因此b可能掺入杂质和溶质原子的数量小于f Fe是f结构 Fe是b结构 11晶体缺陷原子排列偏离完整性的区域A点缺陷 内能 升高 熵值增大 原子热振动使部分原子获得足够高的能量能 够克服约束 迁移到新的位置 形成空位 弗伦克尔缺陷和肖基特 缺陷 间隙原子 置换原子 空位平衡浓度C n N Aexp E KT n 平衡空位数N 点阵总数 C与T呈指数关系 T大C大 空位 形成能E大C小 B线缺陷原子面整体滑移 产生位错 位错与空位 不同 位错是不稳定的 位错刃型位错 垂直 上压小下张大 螺型位错 平行 左逆右顺 混合位错 刃 螺 伯式矢量b a n uvw a n u v w 位错密度单位体积内位错线的总长度 L V n A L晶体长度 n位错线数 A晶体截面积 位错的形式滑移 原子 在位错面位移导致永久变形 攀移 热缺陷即高温位错线在滑移面 方向的运动导致空位或间隙原子的变化 位错的滑移特点刃型位错 滑移方向与外力及伯式矢量平行 正负位错滑移方向相反 螺型位 错滑移方向与外力及伯式矢量垂直 左右螺型位错滑移方向相反 晶体的滑移方向与外力及位错的伯式矢量相一致 与位错的滑移方 向不同位错的攀移的实质是多余半原子面的伸缩 螺型位错无攀移 是非守恒运动 温度正应力 位错的应力场螺型位错只有切应 力 与r成反比与G b成正比与 无关切应力轴对称刃型位错滑移面 只有切应力 与r成反比与G b成正比位错的应变能E aGb 且R E 晶体中最易形成螺型位错 位错有伸直趋势位错的受力线张力表 示单位长度位错线所需能量 在数值上等于位错应变能T KGb 位 错受力弯曲时 单位长度位错线弯曲所需外力f T R KGb R 外力 场受力单位长度位错线上的力F b 位错越弯曲所需 Gb 2R越大 位错相互作用力同向斥力反向引力 该力绝对值与b矢量模正比与 距离反比位错的生成途径液态金属凝固 过饱和空位转化 局部应 力集中位错的增殖机制F R源 弗兰克 瑞德源 两端固定 只有 max才起增殖 作用 位错交割与 其他该滑移面上的位错交割 并留下一个和自身b相同的一段位错 同时使位错发生弯折 形成割阶 刃型位错割阶硬化效应不因张力 消失 或扭折 弯结 实际b全位错 滑移后晶体原子排列不变 和 不全位错 面心立方存在肖克莱和弗兰克 堆垛层错是一种低能量 层错位错反应满足几何条件 守恒性 能量条件 反应后 短程有序转变为长程有序 微观 原子尺度 不均匀 宏观均匀 分类熔质原子位置置换固熔体 固熔度分无限和有限 和原子排 列的有序性 无序和有序 间隙固熔体 有限固熔体 基体类型一 次固熔体 即端际固熔体 以纯金属为基体 和二次固熔体 以金属化 合物a置换固熔体H R三大经验定律熔质熔剂原子相对半径差比超过14 15 则固熔体极 为有限 熔质熔剂的电化学性质要相近 两个给定元素的相互固熔 度与各自的原子有关影响置换固熔体固熔度因素原子尺寸 主要因 素 电负性因素 化学亲和力 电子浓度 原子价 晶体结 构 相同 熔解度大 影响置换固熔体固熔度因素原子尺寸 主要 因素 电负性因素 化学亲和力 电子浓度 原子价 晶体 结构 相同 熔解度大 形成无限固熔体必要条件晶格类型相同 原子半径差晶胚 能量起伏 6形核形核驱动力 体积自由能 结晶阻力 表面自由能 均 匀在均匀母相中完全依靠过冷液体中的相起伏和能量起伏实现的形 核 困难 非均匀依附在液体中的外来固体表面形成晶核 容易 7 临界形核半径为的晶胚 为临界晶核半径 与过冷度成反比 临界 形核功A过冷度 临界形核功 形成临界晶核时所需能量起伏 晶胚成核率 临界过冷度与交点 T 晶胚长大8形核率N单位时间 单位体积内形成的晶核数目影响因素晶胚出现的几率 具有临界 晶核尺寸并能克服临界晶核形成功 T 几率增大 液相原子克 服能垒Q扩散至晶胚表面的几率 扩散激活能 总的形核率10有效过 冷度 Tp 0 2Tm11非均匀形核所需过冷度远小于均匀形核 形核率 通过最大值之后有下降 原因可供形核的杂质基底面积减少至消失 杂质 润湿角 凹易形核 形核剂 12晶体的长大实质向液相 推进 宏观 迁移至晶体表面原子数量 脱离晶体原子数量长大条件 动态过冷度 合适晶核表面结构长大方式粗糙界面 垂直长大方式 和平滑界面 横向长大方式 a二维晶核台阶生长机制需形核功大 不易形核 侧向生长容易 生长不连续 速度慢 b晶体缺陷台阶 生长机制利用缺陷不需形核功 侧向连续生长 光滑界面 T大于粗糙 界面 长大形态取决于界面结构类型和界面前沿温度分布平面状长大 形态 平直推进 正温度梯度 粗糙界面 正温度梯度 平滑界面锯 齿状树枝状长大形态 负温度梯度 粗糙界面 负温度梯度 光滑界 面 带小平面 树枝状具有特定方向性 枝臂间距邻近两根二次轴 中心线的距离13聚合物凝固的特点结晶不完全 不完善性 结晶速 度慢15凝固理论应用铸态晶粒的控制晶粒度取决于形核率和长大速 率 标准晶粒度分八级 a细化晶粒的措施提高过冷度 降低浇注的 温度 采用金属膜 孕育 变质 处理 加入形核剂 附加振动 b单晶体的制备由一个晶粒构成的晶体 一个晶核 材料必须纯净 结晶速度极慢方法尖端形核法 提拉法 主要 籽晶 C定向凝固技 术关键是单向散热柱状晶d急冷凝固技术非晶态金属 玻璃金属 冷 却速度极快 冷却条件 晶化温度Tc Tc结晶 任何使Tg提高的因 素都能促进非晶化 方法熔体拖拉法 平面铸造法第四章相图1相律 f C P n热力学平衡条件下 系统的组元数 相数和自由度数之间的关系 物种数S组成一个热力学体系的纯化学物质的种类数目称为体系的物 种数 常用符号为S 组元数C一个平衡体系中各相的组成所需的最少数目的独立物质种类 数叫独立组分数组元数就是在一定条件下 体系内可以任意改变其 数量的物质种类数解释为什么纯金属温度恒定下结晶 二元合金在 一温度范围内结晶 2二元相图热分析法 测定合金的冷却 或加热 曲线 A匀晶相图匀晶转变由液相直接结晶出单相固溶体的过程两 点纯组元熔点两线液相线 固相线三区L L 平衡凝固 无限 缓慢冷却时的凝固方式 固溶体结晶特点a结晶出的固相与原液相成分不同 b在形核时不但要求溶液中有能量起伏 还要有浓度起伏 c在一定温度范围内结晶 凝固速率较慢在每一温度下 平衡凝固实 质包括三个过程 液相内的扩散过程 固相的继续长大 固相内的扩散过程 不平衡凝固 原因冷速快 固相不能均匀化 不平衡结晶特点 1 相成分按平均成分线变化 2 结晶温度范围增大微观偏析 3 成分偏析晶内偏析一个晶粒内部化学成分不均匀现象枝晶偏析树 枝晶的枝干和枝间化学成分不均匀的现象 消除均匀化退火 宏观 偏析固溶体沿一定方向结晶过程中 在一个区域范围内 由于结晶 先后不同而出现的成分差异 溶质平衡分配系数 k0 一定温度下 液 固两平衡相中溶质浓度之 比值 k0 cs cL正常凝固过程不考虑固相内部的原子扩散 仅考虑液相中 的溶质混合现象 a液相中溶质完全混合 缓慢结晶b液相内溶质原子部分混合较快结晶 Ke Cs 宏观偏析有所减小稳态凝固过程溶质原子从界面固体一侧向边界 层内流入的速率 与从边界层向液体中流去的速率相等时的凝固 初始过渡区凝固开始直到溶质富集区稳定建立为止时的长度 1000 1 kL z c kCs10 1 eke sLzck c有效分配系数ke Cs i CL c液相内的溶质仅通过扩散混合快速结 晶只在凝固后期会有少量偏析 总结缓慢结晶时 固熔体偏