材料科学基础复习PPT学习教案

1、会计学1 材料科学基础复习材料科学基础复习PPT课件课件 概念：概念： 1 1、原子间键合类型及本质。、原子间键合类型及本质。 2 2、金属、高分子、陶瓷材料中的键类型、典型物质名称。、金属、高分子、陶瓷材料中的键类型、典型物质名称。 第1页/共106页 平衡距离平衡距离r0 Equilibrium spacing； ； 当当 FA+ FR = 0 时的原子间距时的原子间距 当当r = r0 时，时， E0称为结合能（称为结合能（Bonding energy ），将，将2个原子无限分离所需能量个原子无限分离所需能量 。 通常通常r0 0.3nm (3) 1.2.1 键合力与能量键合力与能量 （

2、Bonding Forces and Energy） R EE E A r R r A r NN drFdrFdrF 第2页/共106页 范德瓦尔键（二次键）范德瓦尔键（二次键） 共价键共价键 金属键金属键 半导体半导体 聚合物聚合物 离子键离子键陶瓷和玻璃陶瓷和玻璃 金属金属 第3页/共106页 离子键离子键共价键共价键金属键金属键 结构特点结构特点 无方向性或方向性不明无方向性或方向性不明 显，配位数大显，配位数大 方向性明显，配位数小，方向性明显，配位数小， 密度小密度小 无方向性，无饱和性，无方向性，无饱和性， 配位数极大，密度大配位数极大，密度大 力学特点力学特点 强度高，膨胀系数小

3、，强度高，膨胀系数小， 劈裂性良好，硬度大劈裂性良好，硬度大 强度高，硬度大强度高，硬度大有各种强度，有塑性有各种强度，有塑性 热学特点热学特点 熔点高，膨胀系数小，熔点高，膨胀系数小， 熔体中有离子存在熔体中有离子存在 熔点高，膨胀系数小，熔点高，膨胀系数小， 熔体中有的含有分子熔体中有的含有分子 有各种熔点高，导热性有各种熔点高，导热性 好，液态的温度范围宽好，液态的温度范围宽 电学特点电学特点绝缘体，熔体为导体绝缘体，熔体为导体 绝缘体，熔体为非导体绝缘体，熔体为非导体导电体导电体 根据原子间键和的不同，将材料分为金属、陶瓷和高分子根据原子间键和的不同，将材料分为金属、陶瓷和高分子 第4

4、页/共106页 1 1、概念：、概念： 空间点阵、晶体结构、晶胞、晶向族、晶面族、晶带及晶带定律、配位数、致密度、间隙固溶体、置换固溶体、电子浓度、电子化合物、间隙相、间隙化合物、超结构。空间点阵、晶体结构、晶胞、晶向族、晶面族、晶带及晶带定律、配位数、致密度、间隙固溶体、置换固溶体、电子浓度、电子化合物、间隙相、间隙化合物、超结构。 2 2、计算、计算 晶向、晶面指数的标定，原子的线、面密度，致密度。晶向、晶面指数的标定，原子的线、面密度，致密度。 第5页/共106页 体心立方体心立方 堆垛因子（致密度）堆垛因子（致密度） 0.68 配位数：配位数：8 面心立方面心立方 堆垛因子（致密度）堆

5、垛因子（致密度） 0.74 配位数：配位数：12 密排六方密排六方 堆垛因子（致密度）堆垛因子（致密度） 0.74 配位数：配位数：12 晶体结构晶体结构 = 空间点阵空间点阵 + 基元基元 刚球模型刚球模型 第6页/共106页 结构特征结构特征 晶体结构类型晶体结构类型 面心立方面心立方(A1)体心立方体心立方(A2)密排六方密排六方(A3) 点阵常数点阵常数aaa, c (c/a =1.633) 原子半径原子半径R 晶胞内原子数晶胞内原子数426 配位数配位数128 12 致密度致密度0.740.680.74 a 4 2 a 4 3 432 1 , 2 22 caa 第7页/共106页 1

6、4种布拉菲点种布拉菲点 阵阵 与与 7个晶系个晶系 7个晶系个晶系棱边长度及夹角关系棱边长度及夹角关系14种布拉菲点阵种布拉菲点阵 立方立方a=b=c,=90 简单立方简单立方 体心立方体心立方 面心立方面心立方 四方四方a=bc,=90 简单四方简单四方 体心四方体心四方 菱方菱方a=b=c,=90简单菱方简单菱方 六方六方a1=a2=a3c,= 90,=120简单六方简单六方 正交正交abc,=90 简单正交简单正交 底心底心正交正交 体心体心正交正交 面心面心正交正交 单斜单斜abc,=90 简单单斜简单单斜 底心底心单斜单斜 三斜三斜abc,90简单三斜简单三斜 第8页/共106页 由

7、于由于3 3个坐标轴存在个坐标轴存在正正 、负值、负值，因此在晶向指，因此在晶向指 数中也可存在负值。数中也可存在负值。 如：如：111,111 , 111 第9页/共106页 晶向族：晶向族：111 第10页/共106页 第11页/共106页 晶面族：晶面族：100 第12页/共106页 （a）晶向）晶向 （b）晶面）晶面 0211 0011 0001 )0101( ) 1110( )0001( 注意注意：三指数系统与：三指数系统与四指四指数系统转换关系数系统转换关系 第13页/共106页 所有平行或相交于同一直线的晶面构成所有平行或相交于同一直线的晶面构成晶带晶带，此直线称为，此直线称为晶

8、带轴晶带轴，属于此晶带的晶面称为，属于此晶带的晶面称为晶带面晶带面。 晶带轴晶带轴u v w与该晶带的与该晶带的晶面（晶面（h k l）之间存在以下关系：之间存在以下关系： hu + kv + lw = 0 u v w （h k l） 晶带轴晶带轴 晶带面晶带面 晶带晶带 第14页/共106页 线线原子密度原子密度：在特定的晶向上，线矢量通过原子中心，在特定的晶向上，线矢量通过原子中心，2个原子中心间的个原子中心间的线段长度为线段长度为l，此线段中包含的，此线段中包含的原子部分的尺寸为原子部分的尺寸为c， c / l为线为线原子密度原子密度（LD）。）。 面面原子密度原子密度：在特定的晶面上，

9、晶面通过原子中心，由几个原子中心构成的平面的在特定的晶面上，晶面通过原子中心，由几个原子中心构成的平面的面积面积Ap，此平面中包含的，此平面中包含的原子部分的面积原子部分的面积Ac， Ac / Ap为面为面原子密度原子密度（PD）。）。 第15页/共106页 AvogardroN V A n A c molatoms/ 10023.6 23 x 常数，常数，阿伏加多罗阿伏加多罗 晶胞体积晶胞体积 原子重量原子重量 晶胞中的原子数晶胞中的原子数 密度密度 r r NV nA Ac r r 第16页/共106页 晶体结构可以视为原子密排面在晶体结构可以视为原子密排面在 空间一层一层平行堆垛的结果。

10、空间一层一层平行堆垛的结果。 密排密排 面面 数数 量量 密排密排 方向方向 数数 量量 体心立方体心立方11064 面心立方面心立方11146 密排六方密排六方 六方六方 底面底面 1 底面对底面对 角线角线 3 密排面密排面 密排方向密排方向 第17页/共106页 点群：点群：是指一个晶体中所是指一个晶体中所有点对称元素的集合有点对称元素的集合。点群在宏观上表现为晶体外形的对称。点群在宏观上表现为晶体外形的对称。 晶体外形中只能有晶体外形中只能有32种对称点群种对称点群的原因：的原因： (1)点对称与平移对称两者共存于晶体结构中，它们相互协调，彼此制约；点对称与平移对称两者共存于晶体结构中

11、，它们相互协调，彼此制约； (2) 点对称元素组合时必须通过一个公共点，必须遵循一定的规则，使组合点对称元素组合时必须通过一个公共点，必须遵循一定的规则，使组合 的对称元素之间能够自洽。的对称元素之间能够自洽。 空间群：空间群：用以描述晶体中原子组合的所有可能方式，用以描述晶体中原子组合的所有可能方式， 是确定晶体结构的依据。是确定晶体结构的依据。 230种空间群：种空间群：晶体结构中晶体结构中3232个点群个点群和和1414种布拉菲点阵种布拉菲点阵的组合得到。的组合得到。 第18页/共106页 X-射线与周期性排列原子发生衍射的射线与周期性排列原子发生衍射的必要条件必要条件： 相同密勒指数相

12、同密勒指数 (hkl) 的的AA，BB面面 ，晶面间距，晶面间距dhkl；2列（列（1，2）单色）单色X 射线波长射线波长 ，以，以 角入射，散射波为角入射，散射波为 (1，2)，路径差为（衍射条件）：，路径差为（衍射条件）： n = SQ + QT = dhklsin + dhkl sin =2 dhklsin （布拉格定律（布拉格定律 Bragg Law） n 为反射级数（为反射级数（the order of reflection），为整数（），为整数（1、2、3 ） 2 衍射角（衍射角（ diffraction angle ） 第19页/共106页 合合 金金 相相 结结 构构 合金（合

13、金（Alloy）：）：两种或两种以上两种或两种以上金属元素金属元素，或，或金属元素与非金属元素金属元素与非金属元素，经熔炼、烧，经熔炼、烧 结或其它方法组合而成并结或其它方法组合而成并具有金属特性具有金属特性的物质。的物质。 组元（组元（Component）：）：组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的组成合金最基本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素元素，也，也 可以是可以是稳定的化合物稳定的化合物。组元间由于物理的或化学的相互作用，可形。组元间由于物理的或化学的相互作用，可形 成各种相。成各种相。 相（相（Phase）：）：是合金中具有是合金中具有同一聚集状态同一聚集状态、相

14、同晶体结构相同晶体结构、成分和性能均一成分和性能均一，并，并 以以界面（相界）界面（相界）相互分开的组成部分。相互分开的组成部分。 合金中的相结构：合金中的相结构：可分为可分为固溶体固溶体和和中间相中间相两大类。两大类。 第20页/共106页 合金中的相结构：合金中的相结构： 固溶体固溶体:置换式固溶体置换式固溶体 间隙式固溶体间隙式固溶体 中间相中间相（金属间化合物金属间化合物） : 正常价化合物正常价化合物_ _符合化合物原子价规律符合化合物原子价规律 电子化合物电子化合物( (休姆休姆- -罗塞里相罗塞里相) )_ _电子浓度决定晶体结构电子浓度决定晶体结构 间隙相间隙相_ _rX/rM

15、0.59时，形成复杂晶体结构时，形成复杂晶体结构, Fe3C 电子浓度电子浓度: : 合金中价电子数目与原子数目的比值，即合金中价电子数目与原子数目的比值，即e/a 100 )100( / BxxA ae A，B分别为溶剂、溶质的原子价，分别为溶剂、溶质的原子价，x为溶质的原子分数（为溶质的原子分数（%） 第21页/共106页 定义：定义：溶质原子完全溶于固态溶剂中，并能保持溶质原子完全溶于固态溶剂中，并能保持溶剂元素的晶格类型溶剂元素的晶格类型, ,这种类型的合金相称为固溶体。这种类型的合金相称为固溶体。 固溶体种类：固溶体种类：根据溶质原子在溶剂中的位置，可分为根据溶质原子在溶剂中的位置，

16、可分为置换式置换式（Substitutive）固溶体与固溶体与间隙式间隙式（Interstitial）固溶体。固溶体。 第22页/共106页 当溶质原子半径小，与溶剂原子半径差当溶质原子半径小，与溶剂原子半径差 r41% 时，溶质原子可能进入溶剂晶格间隙中时，溶质原子可能进入溶剂晶格间隙中 形成间隙固溶体形成间隙固溶体 通常原子半径小于通常原子半径小于0.1nm的的非金属元素非金属元素，如，如H 、C、N、O等容易成为溶质间隙原子等容易成为溶质间隙原子 由于溶质原子大小比晶格间隙的尺寸大，引由于溶质原子大小比晶格间隙的尺寸大，引 起溶剂起溶剂点阵畸变点阵畸变，故间隙固溶体都是，故间隙固溶体都是

17、有限固溶有限固溶 体体 第23页/共106页 位于晶胞中心，由六个原子所组位于晶胞中心，由六个原子所组 成的成的八面体中心八面体中心（共（共4个）个） rB/rA = 0.414 位于晶胞体对角线上靠结点位于晶胞体对角线上靠结点1/4处，由处，由 四个原子所组成的四个原子所组成的四面体中心四面体中心（共（共8个个 ） rB/rA = 0.225 设原子半径为设原子半径为rA, 间隙中能容纳的最大圆球半径为间隙中能容纳的最大圆球半径为rB 第24页/共106页 位于晶胞六面体的面中心，由六个原位于晶胞六面体的面中心，由六个原 子所组成的子所组成的八面体中心八面体中心（共（共6个）个） rB/rA

18、 = 0.15 由四个原子所组成的由四个原子所组成的四面四面 体中心体中心 （共（共12个）个） rB/rA = 0.29 设原子半径为设原子半径为rA, 间隙中能容纳的最大圆球半径为间隙中能容纳的最大圆球半径为rB 注：注：体心立方结构的四面体和八面体间隙体心立方结构的四面体和八面体间隙不对称不对称( (其棱边长度不全其棱边长度不全 相等相等) )，这会对间隙原子的，这会对间隙原子的固溶固溶及其产生的及其产生的畸变畸变有明显的影响。有明显的影响。 第25页/共106页 晶体结构：晶体结构：晶体结构相同是组元间形成晶体结构相同是组元间形成无限固溶体无限固溶体的必要条件。组元的的必要条件。组元的

19、晶体结构类型不同晶体结构类型不同，其溶解度只能是有限的。，其溶解度只能是有限的。 原子尺寸：原子尺寸：组元的原子半径差组元的原子半径差 r15%时时，有利于形成溶解度较大的固溶体；当，有利于形成溶解度较大的固溶体；当 r 15%时时， r 越大则溶解度越小。越大则溶解度越小。 化学亲和力（电负性因素）：化学亲和力（电负性因素）：组元间组元间电负性相近电负性相近，可能具有大的溶解度；，可能具有大的溶解度；电负性差大电负性差大，则化学亲和力大，易形成化合物，而不利于形成固溶体，固溶体的溶解度愈小。，则化学亲和力大，易形成化合物，而不利于形成固溶体，固溶体的溶解度愈小。 原子价因素：原子价因素：溶质

20、的溶质的原子价（电子浓度）原子价（电子浓度）影响固溶体的溶解度，影响固溶体的溶解度，最大溶解度最大溶解度时，时，电子浓度电子浓度 e/a 接近接近1.4。 第26页/共106页 两组元两组元A和和B组成合金时，除了可形成固溶体之外，如果溶质含量超组成合金时，除了可形成固溶体之外，如果溶质含量超 过其溶解度时，便可能形成过其溶解度时，便可能形成新相新相，其成分处于，其成分处于A在在B中、和中、和B在在A中的中的 最大溶解度之间，故称为最大溶解度之间，故称为中间相中间相。 中间相可以是中间相可以是化合物化合物，也可以是以，也可以是以化合物为基的固溶体化合物为基的固溶体（第二类固第二类固 溶体溶体或

21、或二次固溶体二次固溶体）。它的晶体结构不同于其任一组元，结合键中通）。它的晶体结构不同于其任一组元，结合键中通 常是常是金属键金属键和和其它典型键（如离子键、共价键和分子键）其它典型键（如离子键、共价键和分子键）相混合。因相混合。因 此中间相具有一定的此中间相具有一定的金属特性金属特性，又称为，又称为金属间化合物金属间化合物。 金属间化合物种类很多，主要包括三种：金属间化合物种类很多，主要包括三种： 正常价化合物正常价化合物 电子化合物电子化合物 间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物 第27页/共106页 正常价化合物正常价化合物是指符合化合物原子价规律的金属间化合物。它们具有是指符合化合物原

22、子价规律的金属间化合物。它们具有严格的化合比严格的化合比，成分固定不变成分固定不变。 它的结构与相应分子式的它的结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同离子化合物晶体结构相同，如分子式具有，如分子式具有AB型的正常价化合物其晶体结构为型的正常价化合物其晶体结构为NaCl型。型。 正常价化合物常见于正常价化合物常见于陶瓷材料陶瓷材料，多为离子化合物。，多为离子化合物。 例如：例如： Mg2Pb、Mg2Sn、 Mg2Ge、Mg2Si 等等等等 第28页/共106页 电子化合物电子化合物是指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的化合物，即是指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的化合物，即电

23、子浓度决定晶体结构电子浓度决定晶体结构。 电子化合物电子化合物不符合化学价规律不符合化学价规律，原子间以金属键为主，具有明显的，原子间以金属键为主，具有明显的金属特性金属特性。 如：价电子浓度（如：价电子浓度（e/a）：）： 3/2 体心立方（体心立方（ 相）相）； 7/4 密排密排 六方晶格（六方晶格（ 相）；相）；21/13 复杂立方（复杂立方（ 相）；相）； 电子化合物的电子化合物的熔点和硬度都很高熔点和硬度都很高，而，而塑性较差塑性较差，是有色金属中的重要，是有色金属中的重要强化相强化相。 第29页/共106页 当非金属原子半径（当非金属原子半径（rX）与金属原子半径（）与金属原子半径

24、（rM）的比值）的比值rX/rM0.59时时，将形成具有，将形成具有复杂晶体结构复杂晶体结构的的金属间化合物金属间化合物，其中非金属原子也位于晶格的间隙处，故称之为，其中非金属原子也位于晶格的间隙处，故称之为间隙化合物间隙化合物。 例如例如Fe3C是铁碳合金中的重要组成相，称为是铁碳合金中的重要组成相，称为渗碳体渗碳体，具有复杂的，具有复杂的正交正交 晶格晶格。Fe3C中的中的Fe原子可以部分地被其它金属原子（原子可以部分地被其它金属原子（Mn、Cr、Mo、 W）所置换，形成）所置换，形成(Fe、Mn)3C等，称为等，称为合金渗碳体合金渗碳体。 间隙化合物中原子间结合键为间隙化合物中原子间结合

25、键为共价键共价键和和金属键金属键。间隙化合物也具有。间隙化合物也具有很高的熔点和硬度很高的熔点和硬度，脆性较大脆性较大，也是钢中重要的，也是钢中重要的强化相强化相之一。但之一。但与间隙相相比与间隙相相比，间隙化合物的熔点、硬度、以及化学稳定性都要低一些。，间隙化合物的熔点、硬度、以及化学稳定性都要低一些。 第31页/共106页 1 1、概念、概念 肖脱基空位、弗仑克尔空位、刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移及攀移、弗兰克肖脱基空位、弗仑克尔空位、刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移及攀移、弗兰克- -瑞德源、汤普森四面体、位错反应、扩展位错、表面能、界面能、重整位

26、置点阵、失配度、对称倾侧晶界、非共格晶界。瑞德源、汤普森四面体、位错反应、扩展位错、表面能、界面能、重整位置点阵、失配度、对称倾侧晶界、非共格晶界。 2 2、计算、计算 点缺陷浓度，位错密度。点缺陷浓度，位错密度。 3 3、分析判断、分析判断 位错反应条件，位错受力分析。位错反应条件，位错受力分析。 第32页/共106页 点缺陷（点缺陷（Point defects）：）：最简单的晶体缺陷，在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列。在空间三维方向上的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称最简单的晶体缺陷，在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列。在空间三维方向上的尺寸都很小，约

27、为一个、几个原子间距，又称零维缺陷零维缺陷。 包括空位、间隙原子、杂质、溶质原子等。包括空位、间隙原子、杂质、溶质原子等。 线缺陷（线缺陷（Linear defects）：）：在一个方向上的缺陷扩展很大，其它两个方向上尺寸很小，也称为在一个方向上的缺陷扩展很大，其它两个方向上尺寸很小，也称为一维缺陷一维缺陷。主要为位错主要为位错。 面缺陷（面缺陷（Interfacial defects）：）：在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个方向上尺寸很小，也称为在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个方向上尺寸很小，也称为二维缺陷二维缺陷。 包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等。包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错

28、等。 第33页/共106页 点缺陷的平衡浓度：点缺陷的平衡浓度： 设由设由N个原子组成的晶体中含有个原子组成的晶体中含有n个空位，形成一个空位所需能量为个空位，形成一个空位所需能量为Ev，振，振 动熵为动熵为Sf，k为波尔兹曼常数，则空位在为波尔兹曼常数，则空位在T温度时的温度时的空位平衡浓度空位平衡浓度C： 类似的，类似的，间隙原子平衡浓度间隙原子平衡浓度C ： 一般，晶体中一般，晶体中间隙原子间隙原子的形成能比的形成能比空位空位的形成能的形成能大大3-4倍倍，间隙原子的量，间隙原子的量 与空位相比可以忽略。与空位相比可以忽略。 热平衡缺陷（热平衡缺陷（thermal equilibrium

29、 defectsthermal equilibrium defects） ：由于热起伏促使原子脱由于热起伏促使原子脱 离点阵位置而形成的点缺陷。离点阵位置而形成的点缺陷。 kT E A kT E k S N n C vv f expexpexp kT E A kT E k S N n C vv f exp exp exp 第34页/共106页 刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错 第35页/共106页 位错运动是位错的重要性质之一，它与晶体的力学性能，如强度、塑性、断裂等密切相关位错运动是位错的重要性质之一，它与晶体的力学性能，如强度、塑性、断裂等密切相关 位错的运动方式主要是：位错的运动方式主要

30、是： 滑移滑移 slip 攀移攀移 climb 位错的滑移（守恒运动）：位错的滑移（守恒运动）：在外加切应力作用下，位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现在外加切应力作用下，位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断作少量位移（小于一个原子间距）而逐步实现 第36页/共106页 1)1)刃型位错：滑移的刃型位错：滑移的切应力方向切应力方向与与位错线位错线垂直；垂直； 螺型位错：滑移的螺型位错：滑移的切应力方向切应力方向与与位错线位错线平行。平行。 2) 2) 刃型位错：刃型位错：滑移方向滑移方向与与位错运动方向位错运动方向一致；一致； 螺型位

31、错：螺型位错：滑移方向滑移方向与与位错运动方向位错运动方向垂直。垂直。 3) 3) 螺型位错：如果在原滑移面上运动受阻时，有可能转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移，这称为螺型位错：如果在原滑移面上运动受阻时，有可能转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移，这称为交滑移交滑移。 / / / 位错滑移的切应力位错滑移的切应力 位错滑移方向位错滑移方向 柏氏矢量柏氏矢量 位错线方向位错线方向 位错运动方向位错运动方向 / / / 第37页/共106页 运动位错的交割：运动位错的交割： 扭折：扭折：位错交割形成的曲折线段在位错的滑移面上。位错交割形成的曲折线段在位错的滑移面上。 割阶：割阶：该曲折线段垂

32、直于位错的滑移面。该曲折线段垂直于位错的滑移面。 位错反应：位错反应：位错线之间可以合并或分解位错线之间可以合并或分解 几何条件：几何条件：反应前后诸位错的柏氏矢量之和相等，反应前后诸位错的柏氏矢量之和相等， b bb b1 1 + b + b2 2 能量条件：能量条件：反应后位错的总能量小于反应前位错的能量反应后位错的总能量小于反应前位错的能量 bb2 2 b b1 12 2 +b +b2 22 2 第38页/共106页 位错的能量：位错的能量：位错周围点阵畸变引起的弹性应力场，导致晶体能量的增加位错周围点阵畸变引起的弹性应力场，导致晶体能量的增加 位错中心畸变能位错中心畸变能Ec (大约为

33、总应变能的大约为总应变能的1/10-1/15) 位错应力场引起的弹性应变能位错应力场引起的弹性应变能Ee (主要部分主要部分 ) 单位长度单位长度刃型位错刃型位错的应变能的应变能: : 0 2 ln )1 (4r RGb E e e 单位长度单位长度螺型位错螺型位错的应变能的应变能: : 0 2 ln 4r RGb E s e 简化的单位长度位错的简化的单位长度位错的总应变能总应变能：E = Gb2 约为约为0.5 - 1 单位长度单位长度混合位错混合位错的应变能的应变能: : 0 2 ln 4r R K Gb E m e G 切变模量切变模量 K 角度因素角度因素 几何系数几何系数 b 柏氏

34、矢量柏氏矢量 泊松比泊松比 第39页/共106页 在在外切应力外切应力 的作用下，位错的移动可以理解为有一个垂直于位错的作用下，位错的移动可以理解为有一个垂直于位错 线的力线的力 Fd 作用于位错线上。作用于位错线上。Fd = b Fd 的方向总是与的方向总是与位错线相垂直位错线相垂直，并指向滑移面的未滑移部分，并指向滑移面的未滑移部分 作用在位错上的力只是作用在位错上的力只是一种组态力一种组态力，它不代表位错附近原子实际所受，它不代表位错附近原子实际所受 力，也区别于作用在晶体上的力，其方向力，也区别于作用在晶体上的力，其方向与外切应力方向不一定一致与外切应力方向不一定一致 一根位错具有唯一

35、的柏氏矢量，只要作用在晶体上的切应力是均匀的一根位错具有唯一的柏氏矢量，只要作用在晶体上的切应力是均匀的 ，则各段，则各段位错所受的力大小相同位错所受的力大小相同 Fd Fd 第40页/共106页 线张力线张力T可以理解为使位错增加单位长度所需的能量，可以理解为使位错增加单位长度所需的能量， 故：故： T = kGb2， k 约为约为0.5-1 若位错长度为若位错长度为ds，单位长度位错线所受的力为，单位长度位错线所受的力为 b， 则：则： bds = 2Tsin(d/2)， 由于由于ds = rd，当，当d 很小时，很小时，sin（d/2）（d/2） 因此：因此： b = T/r Gb2/2

36、r 两端固定的位错在切应力两端固定的位错在切应力 作用下作用下 与位错线弯曲度与位错线弯曲度 r 的关系的关系 = Gb/2r 第41页/共106页 1 1）两平行）两平行螺位错螺位错的交互作用的交互作用 r bGb bf 2 21 21 2）两平行）两平行刃位错刃位错的交互作用的交互作用 沿沿x方向方向的切应力分量（滑移）的切应力分量（滑移）： 沿沿y方向方向的正应力分量（攀移）的正应力分量（攀移）： 222 22 21 2 )( )( )1 (2yx yxxbGb bf yxx 222 22 21 2 )( )3( )1 (2yx yxybGb bf xxy 在同一滑移面上的位错，在同一滑

37、移面上的位错，同性相斥、异同性相斥、异 性相吸（见右图）性相吸（见右图） 在不同滑移面上的位错，在不同滑移面上的位错，小角度晶界小角度晶界的的 形成。形成。 相互平行的螺位错和刃位错之间不发生相互平行的螺位错和刃位错之间不发生 相互作用相互作用（柏氏矢量相互垂直）（柏氏矢量相互垂直） 混合位错，先分解、再叠加混合位错，先分解、再叠加 第42页/共106页 位错的密度位错的密度 Density of dislocations： 位错密度是位错密度是单位体积单位体积晶体中所含的位错线的晶体中所含的位错线的总长度总长度： = L/V（1/cm2） 一般，位错密度也定义为一般，位错密度也定义为单位面积

38、单位面积所见到的所见到的位错数目位错数目 充分退火的多晶体金属中，充分退火的多晶体金属中，= 106 108 cm-2 剧烈冷变形的金属中：剧烈冷变形的金属中：= 1010 1012 cm-2 超纯金属单晶体：超纯金属单晶体： 103 cm-2 第43页/共106页 界面：界面：通常包含通常包含几个原子层厚几个原子层厚的区域，其原子排列及化学成分的区域，其原子排列及化学成分不同于晶体内部不同于晶体内部，可视为二维结构分布，也称为晶体的，可视为二维结构分布，也称为晶体的面缺陷面缺陷。界面对晶体的物理、化学和力学等性能产生重要的影响界面对晶体的物理、化学和力学等性能产生重要的影响 外表面：外表面：

39、指固体材料与气体或液体的分界面。它与摩擦、吸附、腐蚀、催化指固体材料与气体或液体的分界面。它与摩擦、吸附、腐蚀、催化 、光学、微电子等密切相关、光学、微电子等密切相关 内界面：内界面：分为晶粒界面、亚晶界、孪晶界、相界面等分为晶粒界面、亚晶界、孪晶界、相界面等 第44页/共106页 小角度晶界小角度晶界 Low-angle grain boundary： 相邻晶粒的位相邻晶粒的位相差小于相差小于10，亚晶界一般为，亚晶界一般为2左右。左右。 大角度晶界大角度晶界 High-angle grain boundary： 相邻晶粒的位相差相邻晶粒的位相差大于大于10 第45页/共106页 晶界上原子

40、畸变引起的系统自由能的升高，单位：晶界上原子畸变引起的系统自由能的升高，单位：J/m2 小角度晶界小角度晶界能量主要能量主要 来自来自位错能量位错能量，与位相，与位相 差差 有关：有关： = 0(A-ln) 大角度晶界能量基本大角度晶界能量基本 为定值，与晶粒之间位为定值，与晶粒之间位 相差相差无关无关 ： 0.25 1.0 J/m2 第46页/共106页 作业题答案：作业题答案： 试分析在（试分析在（111）面上运动的柏氏矢量为）面上运动的柏氏矢量为 的螺型位错受阻时，的螺型位错受阻时， 能否通过交滑移转移到能否通过交滑移转移到 面中的某个面上继续运动？为什面中的某个面上继续运动？为什 么？

41、么？ 相关知识：相关知识： 101 2 a b )111(),111(),111 ( a b f e d c 位错线位错线 交滑移：交滑移：由于螺型位错可有多个滑移面，螺型位错在原滑移面上运动受由于螺型位错可有多个滑移面，螺型位错在原滑移面上运动受 阻时，可转移到与之相交的另一个滑移面上继续滑移。阻时，可转移到与之相交的另一个滑移面上继续滑移。 晶带：晶带：所有平行或相交于同一直线的晶面构成所有平行或相交于同一直线的晶面构成晶带晶带，此直线称为，此直线称为晶带轴晶带轴 ，属于此晶带的晶面称为，属于此晶带的晶面称为晶带面晶带面。 晶带轴晶带轴 u v wu v w 与该晶带的与该晶带的晶晶 面（

42、面（h k l）之间存在以下关系之间存在以下关系 ： hu + kv +lw = 0 称为晶带定律称为晶带定律 第47页/共106页 101 2 a b ) 111 ( )111( )111( 晶带轴（伯氏矢量）：晶带轴（伯氏矢量）： 在在 中属于以上晶带的晶带面：中属于以上晶带的晶带面： 101 )111( )111(),111(),111 ( 101 第48页/共106页 1、概念、概念 凝固、结晶、过冷、过冷度、结构起伏、能量起伏、均匀形核、非均匀凝固、结晶、过冷、过冷度、结构起伏、能量起伏、均匀形核、非均匀 形核、临界晶核半径、临界形核功及物理意义、形核率、光滑界面、粗形核、临界晶核半

43、径、临界形核功及物理意义、形核率、光滑界面、粗 糙界面；扩散通量、稳态扩散、非稳态扩散、扩散系数、扩散激活能、糙界面；扩散通量、稳态扩散、非稳态扩散、扩散系数、扩散激活能、 菲克第一定律、菲克第二定律、柯肯达尔效应、互扩散菲克第一定律、菲克第二定律、柯肯达尔效应、互扩散(化学扩散）、自化学扩散）、自 扩散、上坡扩散、反应扩散。扩散、上坡扩散、反应扩散。 2、分析、判断、计算、分析、判断、计算 l 液态金属在正、液态金属在正、负温度梯度下的生长过程，控制凝固后晶粒大小方法负温度梯度下的生长过程，控制凝固后晶粒大小方法 ； l 扩散相关物理量计算；扩散相关物理量计算； l 分析影响扩散的因素，解释

44、一些现象；分析影响扩散的因素，解释一些现象； l 利用一些结论。如利用一些结论。如“钢铁材料渗碳处理时，扩散需要的时间钢铁材料渗碳处理时，扩散需要的时间 t t 与扩散距与扩散距 离离 x x 的平方成正比，即的平方成正比，即t xt x2 2 ”; ”; 以及以及“同一个扩散系统，扩散系数同一个扩散系统，扩散系数 D D 与扩散时间与扩散时间 t t 的乘积为一常数，即的乘积为一常数，即 Dt = Dt = 常数常数 ” ”解决实际问题。解决实际问题。 第49页/共106页 结构起伏结构起伏 Structural undulation：液态金属中存在着原子排列规则（有序）的小区域（液态金属中

45、存在着原子排列规则（有序）的小区域（原子团原子团），这些大小不一的原子集团是与固态结构类似的；这些原子集团不稳定，一会儿在这里消失，一会儿在那里出现（原子重新聚集），），这些大小不一的原子集团是与固态结构类似的；这些原子集团不稳定，一会儿在这里消失，一会儿在那里出现（原子重新聚集），此起彼伏此起彼伏，这种现象称为，这种现象称为结构起伏结构起伏。 能量起伏能量起伏 Energy undulation：造成结构起伏的原因是液态金属中存在着能量起伏，造成结构起伏的原因是液态金属中存在着能量起伏，能量低能量低的地方有序原子团才能形成，遇到的地方有序原子团才能形成，遇到能量高峰能量高峰又散开成无序状态。

46、又散开成无序状态。 结构起伏结构起伏与与能量起伏能量起伏是对应的是对应的 第50页/共106页 晶核形成（形核）：晶核形成（形核）： 在过冷的金属液体中，尺寸较大的晶胚不再被熔化掉，能够稳定保留下来的在过冷的金属液体中，尺寸较大的晶胚不再被熔化掉，能够稳定保留下来的晶胚晶胚就成了开始结晶的就成了开始结晶的核心核心； 晶核长大：晶核长大： 然后然后晶核晶核不断长大。随着不断长大。随着结晶结晶过程的进行，固相逐渐增多，液相逐渐减少，直至全部转变为过程的进行，固相逐渐增多，液相逐渐减少，直至全部转变为固相固相 结构起伏、能量起伏 第51页/共106页 驱动力驱动力 Driving force：固、液

47、两相的自由能之差固、液两相的自由能之差G = GS - GL就是结晶的驱动力就是结晶的驱动力 在恒温、恒压的条件下，单位体积的液体与固体的自由能之差为：在恒温、恒压的条件下，单位体积的液体与固体的自由能之差为： “ - ” 表示由液态转变为固态自由能降低；表示由液态转变为固态自由能降低； Lm 熔化潜热熔化潜热; T = Tm - T 过冷度过冷度 Undercooling 过冷度过冷度T 越大，结晶的驱动力也就越大；越大，结晶的驱动力也就越大； T = 0，Gv = 0，即没有驱，即没有驱 动力，结晶不能进行动力，结晶不能进行 结晶的热力学条件结晶的热力学条件：结晶必须有一定的过冷度结晶必须

48、有一定的过冷度（热过冷）（热过冷） m m V T TL G 自由能随温度变化示意图自由能随温度变化示意图 驱动力驱动力 过冷度过冷度 第52页/共106页 金属结晶时，形核方式有两种：金属结晶时，形核方式有两种： 均匀形核均匀形核 Homogeneous nucleation： 指在均匀单一的液相中形成固相结晶核心的过程指在均匀单一的液相中形成固相结晶核心的过程 非均匀形核非均匀形核 Heterogeneous nucleation： 由于外界因素，如杂质颗粒、铸型内壁等，促进结晶晶核的形成由于外界因素，如杂质颗粒、铸型内壁等，促进结晶晶核的形成 第53页/共106页 在过冷的条件下，金属液

49、体中晶胚的形成和增大，将引起系统自由能变化：在过冷的条件下，金属液体中晶胚的形成和增大，将引起系统自由能变化： 转变为转变为固态固态的那部分体积，引起的那部分体积，引起自由能下降自由能下降； 晶胚与液相之间增加的晶胚与液相之间增加的界面界面，造成，造成自由能（表面能）增大自由能（表面能）增大 23 4 3 4 V GG 设单位体积设单位体积自由能的下降为自由能的下降为Gv (Gv 0，x = 0， r r = r rs x = ，r r = r r0 则浓度则浓度r r(x,t)可表示为可表示为（求解过程见讲义）（求解过程见讲义）： ) 2 ()(),( 0 Dt x erftx ss rrr

50、r t x2 Dt = 常数常数 第73页/共106页 下坡扩散：下坡扩散：菲克第一定律描述了物质菲克第一定律描述了物质从高浓度向低浓度扩散从高浓度向低浓度扩散的现象，扩散的结的现象，扩散的结 果导致浓度梯度的减小，使成份趋于均匀果导致浓度梯度的减小，使成份趋于均匀 上坡扩散（逆向扩散）：上坡扩散（逆向扩散）：物质也可能物质也可能从低浓度区向高浓度区扩散从低浓度区向高浓度区扩散，扩散的结果提高了浓度，扩散的结果提高了浓度 梯度梯度 扩散的驱动力：扩散的驱动力：并不是浓度梯度，而扩散前后并不是浓度梯度，而扩散前后自由能之差自由能之差（化学势梯度化学势梯度） 第74页/共106页 化学扩散、互扩散

51、化学扩散、互扩散 interdiffusion：依赖于依赖于浓度梯度浓度梯度的扩散的扩散 包括：原子扩散、反应扩散、上坡扩散、下坡扩散包括：原子扩散、反应扩散、上坡扩散、下坡扩散 自扩散自扩散 self-diffusion：仅由仅由热振动热振动而产生扩散，不依赖于浓度梯度的扩散而产生扩散，不依赖于浓度梯度的扩散 互扩散、自扩散的区别：互扩散、自扩散的区别：在于扩散前后在于扩散前后是否有浓度的变化是否有浓度的变化，有浓度变化则为互扩散（化学扩散），无浓度变化则为自扩散，有浓度变化则为互扩散（化学扩散），无浓度变化则为自扩散 第75页/共106页 扩散机制，扩散机制，就是扩散原子在晶体点阵中迁移的

52、具体方式就是扩散原子在晶体点阵中迁移的具体方式 包括：包括： 1、交换扩散（、交换扩散（exchange diffusion） 2、间隙扩散（、间隙扩散（interstitial diffusion） 3、空位扩散（、空位扩散（vacancy diffusion） 4、晶界及表面扩散（、晶界及表面扩散（grain boundary or surface diffusion） 5、位错扩散（、位错扩散（dislocation diffusion） 第76页/共106页 第四章第四章 凝固与扩散凝固与扩散 （思考题及答案）（思考题及答案） 1、金属液体在熔点温度保温，则 a 需要很长时间才能结晶；

53、 b 到熔点温度就会结晶； c 永不结晶。 答案：（c）在熔点保温，就是没有过冷。 2、下述哪些现象结晶时出现？ a 在低于熔点的温度下结晶才能进行； b 结晶时有热量放出； c 液态金属冷却到熔点时就开始结晶。 答案：（a,b） 3、形成临界晶核时需要的形核功由什么提供？ a由外界加热提供； b由能量起伏提供； c由体积自由能提供。 答案：（b）根据形核功的概念可知 4、临界晶核有可能继续长大，也有可能消失（熔化）。 a 是 b 否 答案：(a) 因为临界晶核形成时能量增大到最高，此时无论晶核继续长大，还是减小 ，都可以使能量降低，所以都是自发过程。故这两种可能都存在。 5、在相同过冷度的条

54、件下，（下述说法哪些正确？）（多选） a 非均匀形核比均匀形核的形核率高； b 均匀形核与非均匀形核具有相同的临界晶核半径； c 非均匀形核比均匀形核的形核功小； d 非均匀形核比均匀形核的临界晶核体积小。 答案：（a，b，c，d） 6 非均匀形核时，角越小，形核越容易。这是因为（下述说法哪些正确？）（多选） a 临界晶核的体积和表面积越小； b 形核需要的过冷度越小； c 需要的形核功越小。 答案：（a，b，c） 第77页/共106页 7、在负的温度梯度下，晶体生长以平面状前推进。(单选) a 是 b 否 c 不能确定 答案：（b）在负温度梯度下，液-固界面呈树枝状向液相一方推进。因为前方具

55、有更大 的过冷度 8、形核率越高、晶体生长速率越小，最后得到的晶粒越细小。(单选) a 是 b 否 c 不能确定 答案：（a）一个晶核长成一个晶粒，所以形核率越高，单位体积晶体中的晶粒数量越多 ，单个晶粒就越小；晶体生长越慢，一个晶粒能够长大的程度就越小，同时，新的晶核也会不断出现， 因此晶粒数越多，晶粒越细小。 9、快速凝固技术能获得的新材料有：非晶态合金，超细晶态金属或合金。a 是 b 否 答案：（a）非晶态合金，超细晶态金属或合金的制取需要快速冷却。 10、单向凝固要求不仅具有正温度梯度，而且温度梯度要很大。 a 是 b 否 答案：（a）正温度梯度，而且温度梯度要很大，这是保证液-固界面

56、以平面状态向前推 进的必要条件，也是实现单向凝固的技术关键。 11、制取单晶体的技术关键是保证液体结晶时只有一个晶核。 a 是 b 否 答案：（a） 12、对于浓度不均匀的固溶体中的扩散，溶质原子的扩散属于互扩散，溶剂（基体）原子的扩散则属于 自扩散。 a 是 b 否 答案：（b）由于不均匀的固溶体中的扩散伴有浓度变化，无论是溶剂还是溶质原子的扩 散都属于互扩散。 13、在稳态扩散过程中，扩散组元的浓度C只随距离x变化，而不随时间t变化。 a 是 b 否 答案：（a）这就是稳态扩散的定义。 14、在非稳态扩散过程中，扩散组元的浓度C也是只随距离x变化，而不随时间t变化。 a 是 b 否 答案：

57、（b）在非稳态扩散过程中，扩散组元的浓度C不只是随距离x变化，而且也随时 间t变化。 第78页/共106页 15、扩散系数D是描述扩散速度的重要物理量，D值越大则扩散越慢。 a 是 b 否 答案：（b）扩散系数扩散系数D值越大，扩散越快。 16、已知Mg(镁)在Al(铝)中的扩散常数D0 = 1.210-4 m2/s，扩散激活能Q =131000 J/mol, 500时扩 散系数D = 1.810-13 m2/s，问400时Mg在Al中的扩散系数D是多少？ a 8.110-15 m2/s b 1.810-13 m2/s c 2.810-11 m2/s 答案：（a） 17、怎样理解扩散原子对基体

58、造成的晶格畸变越大，扩散则越容易。（单选） a 扩散原子具有更低的能量，需要的扩散激活能变大，扩散系数变小，所以扩散容易； b 扩散原子具有更高的能量，需要的扩散激活能变小，扩散系数变大，所以扩散容易； c 基体原子具有更高的能量，造成的势垒变小，扩散系数变小，所以扩散容易。 答案：（b） 18、 在相同的温度下，碳在-Fe中的扩散比在-Fe中的扩散更容易，速度更快。这主要是因为, a 碳原子在-Fe中固溶造成的晶格畸变更大; b 其它合金元素的影响所致； c 温度对扩散系数的影响所致。 答案：（a） 第79页/共106页 1 1、概念、概念 应力、应变、应力应变曲线、滞弹性、弹性模量、泊松比

59、、屈服强度、抗拉强度、塑性、滑移、孪生、滑移带、临界分切应力、加工硬化、柯氏气团、形变织构、残余应力、金属强化机制、断裂（脆性、延性）、回复、再结晶、多边化、二次再结晶、弓出形核。应力、应变、应力应变曲线、滞弹性、弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度、塑性、滑移、孪生、滑移带、临界分切应力、加工硬化、柯氏气团、形变织构、残余应力、金属强化机制、断裂（脆性、延性）、回复、再结晶、多边化、二次再结晶、弓出形核。 2 2、计算、分析、判断、计算、分析、判断 形变相关物理量计算、相关机理分析判断。形变相关物理量计算、相关机理分析判断。 第80页/共106页 变形的微观过程变形的微观过程 弹性变形弹性变

60、形外力克服单晶外力克服单晶原子间的键合力原子间的键合力，使原子偏离其平衡位置，试样开始伸长，使原子偏离其平衡位置，试样开始伸长 晶面滑移晶面滑移当外力大于屈服极限后，沿单晶的当外力大于屈服极限后，沿单晶的某一特定晶面原子某一特定晶面原子的产生相对滑移。随应力的增加，发生滑移的晶面增加，塑性变形量加大。的产生相对滑移。随应力的增加，发生滑移的晶面增加，塑性变形量加大。 单晶体的塑性变形，主要通过单晶体的塑性变形，主要通过滑移滑移，还有，还有孪生孪生、扭折扭折等等 第81页/共106页 滑移系滑移系 = = 滑移面滑移面 + + 滑移方向滑移方向 coscos A F 宏观起始宏观起始 屈服强度屈