材料科学基础复习ppt课件

1、材料科学基础材料科学基础复习内容复习内容2019.6期末考试形式期末考试形式材料科学基础材料科学基础2021-2019第第二学期二学期类型类型1、概念题（、概念题（30-40分）分）2、简答题（、简答题（10分）分）3、填空题（、填空题（10分）分）4、计算题（、计算题（20分）分）5、分析论述题（、分析论述题（20分）分）第一章第一章 原子结构与键合原子结构与键合概念：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。平衡距离平衡距离r0 Equilibrium spacing

2、；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 （Bonding Forces and Energy）REE EArRrArNNdrFdrFdrF材材 料料 中中 的的 键键范德瓦尔键二次键）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结结 合合 键键 的的 特特 性性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

3、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，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

4、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、陶瓷和高分子金属材料：金属键金属材料：金属键陶瓷材料：共价键陶瓷材料：共价键 / 离子键离子键高分子材料：共价键高分子材料：共价键 / 分子键分子键 / 氢键氢键 第二章固体结构第二章固体结构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、电子浓定律、配位数、致密度、间隙固溶体、置换固

5、溶体、电子浓度、电子化合物、间隙相、间隙化合物、超结构。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。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三种典型金属结构的晶体学特点三种典型金属结构的晶体学特点结构特征结构特征晶体结构类型晶体结构

6、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0.740.680.74a42a43 4321,222caa14种布拉菲点阵种布拉菲点阵与与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,=

7、 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简单三斜简单三斜立方晶系常见晶向立方晶系常见晶向 由于由于3 3个坐标轴存在正、个坐标轴存在正、负值，因此在晶向指数中负值，因此在晶向指数中也可存在负值。也可存在负值。如：如：111,111 , 111 晶向族：晶向族：111立方晶系常见晶面立方晶系常见晶面晶面族：晶面族：100 六角晶系中的晶向、晶面六角晶系中的晶向、晶面（a晶向晶向（b晶面晶面02110011 0001)0101() 1110()00

8、01( 留意：三指数系统与四指数系统转换关系留意：三指数系统与四指数系统转换关系晶晶 带带 定定 律律 所有平行或相交于同一直线的晶面构成晶带，此直线所有平行或相交于同一直线的晶面构成晶带，此直线称为晶带轴，属于此晶带的晶面称为晶带面。称为晶带轴，属于此晶带的晶面称为晶带面。晶带轴晶带轴u v w与该晶带的晶面与该晶带的晶面h k l之间存在以下关系：之间存在以下关系：hu + kv + lw = 0u v w（h k l）晶带轴晶带轴晶带面晶带面晶带晶带线性与平面原子密度线性与平面原子密度线原子密度：在特定的晶向上，线矢量通过原子中心，线原子密度：在特定的晶向上，线矢量通过原子中心，2个原子

9、中心间的线段长度为个原子中心间的线段长度为l，此线段中包含的原子部分，此线段中包含的原子部分的尺寸为的尺寸为c， c / l为线原子密度为线原子密度LD）。）。面原子密度：在特定的晶面上，晶面通过原子中心，由几面原子密度：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个原子中心构成的平面的面积Ap，此平面中包含的原子，此平面中包含的原子部分的面积部分的面积Ac， Ac / Ap为面原子密度为面原子密度PD）。）。密度计算密度计算AvogardroNVAnAcmolatoms/10023.623x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

10、中的原子数密度密度r rNVnAAc r r 晶体结构可以视为原子密排面在空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。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32种点群、种点群、 230种空间群种空间群点群：是指一个晶体中所有点对称元素的集合。点群点群：是指一个晶体中所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。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种对称点群的原因：种对称点

11、群的原因：(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，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；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。则，使组合的对称元素之间能够自洽。空间群：用以描述晶体中原子组合的所有可能方式，空间群：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：晶体结构中种空间群：晶体结构中32个点群和个点群和14种布拉菲点阵的组种布拉菲点阵的组合得到。合得到。X-射线衍射与射线衍射与

12、Bragg定律定律X-射线与周期性排列原子发生衍射的必要条件：射线与周期性排列原子发生衍射的必要条件：相同密勒指数相同密勒指数 (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射射线波长线波长，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（ diffracti

13、on angle ）合合 金金 相相 结结 构构合金合金Alloy）：两种或两种以上金属元素，或金属元素）：两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。金属特性的物质。组元组元Component）：组成合金最基本的独立的物质，通）：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，也可以是稳定的化合物。组常组元就是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。组元间由于物理的或化学的相互作用，可形成各种相。元间由于物理的或化学的相互作用，可形成各种相。相相Phase）：是合金中具有同一聚集状

14、态、相同晶体结）：是合金中具有同一聚集状态、相同晶体结构、成分和性能均一，并以界面相界相互分开的组成构、成分和性能均一，并以界面相界相互分开的组成部分。部分。合金中的相结构：可分为固溶体和中间相两大类。合金中的相结构：可分为固溶体和中间相两大类。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 中间相金属间化合物）中间相金属间化合物） :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/rM0.59时，形成复杂晶体结构时

15、，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/ae/a100)100(/BxxAaeA，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（%）固固 溶溶 体体定义：溶质原子完全溶于固态溶剂中，并能保持溶剂元素的定义：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：根据溶质原子在溶剂中的位置，可分为置换式固溶体种类：根据溶质原子在溶剂中的位置，可分为置换式SubstitutiveSub

16、stitutive固溶体与间隙式固溶体与间隙式InterstitialInterstitial固溶体。固溶体。间隙固溶体间隙固溶体 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时，溶质原子可能进入溶剂晶格间隙中形成间隙固溶体中形成间隙固溶体 通常原子半径小于通常原子半径小于0.1nm的非金属元素，如的非金属元素，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，引起由于溶质原子大小比晶格间隙的尺寸大，引起溶剂点阵畸变，故间隙固溶体都是有限固溶体溶剂点阵畸变，故间隙固溶体都是有限固溶

17、体面心立方晶格中的间隙面心立方晶格中的间隙位于晶胞中心，由六个原子所组成位于晶胞中心，由六个原子所组成的八面体中心共的八面体中心共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，由四处，由四个原子所组成的四面体中心共个原子所组成的四面体中心共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体心立方晶格中的间隙体心立方晶格中的间隙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八面体中心共子所组成的八面体中心共6个）个）rB/rA = 0.15由

18、四个原子所组成的四面由四个原子所组成的四面体中心体中心 （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：体心立方结构的四面体和八面体间隙不对称注：体心立方结构的四面体和八面体间隙不对称( (其棱边长度不全其棱边长度不全相等相等) )，这会对间隙原子的固溶及其产生的畸变有明显的影响。，这会对间隙原子的固溶及其产生的畸变有明显的影响。置换固溶体置换固溶体 溶解度的影响因素溶解度的影响因素 晶体结构：晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条晶体结构：晶体结构相同是组元间形成无限固溶体的必要条件。组元的晶体

19、结构类型不同，其溶解度只能是有限的。件。组元的晶体结构类型不同，其溶解度只能是有限的。 原子尺寸：组元的原子半径差原子尺寸：组元的原子半径差r15%时，有利于形成溶解时，有利于形成溶解度较大的固溶体；当度较大的固溶体；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）：组元间电负性相近，可能具有化学亲和力电负性因素）：组元间电负性相近，可能具有大的溶解度；电负性差大，则化学亲和力大，易形成化合物，大的溶解度；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。而不利于形成固溶体，固溶体的溶解度愈小。 原子价因素：溶质的原子价电子

20、浓度影响固溶体的溶解原子价因素：溶质的原子价电子浓度影响固溶体的溶解度，最大溶解度时，电子浓度度，最大溶解度时，电子浓度 e/a 接近接近1.4。中间相金属间化合物）中间相金属间化合物） 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，便可能形成新相，其成分处于过其溶解度时，便可能形成新相，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，故称为中间相。最大溶解度之间，故称为中间相。 中间相可以是化合物，也可以是以化合物为基的固溶体第二类固溶中间相可以是化合物，也可以是以化合物为基的固溶体第二类固溶体

21、或二次固溶体）。它的晶体结构不同于其任一组元，结合键中通常体或二次固溶体）。它的晶体结构不同于其任一组元，结合键中通常是金属键和其它典型键如离子键、共价键和分子键相混合。因此是金属键和其它典型键如离子键、共价键和分子键相混合。因此中间相具有一定的金属特性，又称为金属间化合物。中间相具有一定的金属特性，又称为金属间化合物。 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正常价化合物正常价化合物 正常价化合物是指符合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。它原子价规律的

22、金属间化合物。它们具有严格的化合比，成分固定们具有严格的化合比，成分固定不变。不变。 它的结构与相应分子式的离子它的结构与相应分子式的离子化合物晶体结构相同，如分子式化合物晶体结构相同，如分子式具有具有AB型的正常价化合物其晶体型的正常价化合物其晶体结构为结构为NaCl型。型。 正常价化合物常见于陶瓷材料，正常价化合物常见于陶瓷材料，多为离子化合物。多为离子化合物。例如：例如：Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Ge、Mg2Si 等等等等电子化合物休姆电子化合物休姆-罗塞里相）罗塞里相）Hume-Rothery phase 电子化合物是指按照一定价电子浓度的比值组成一定电子化合物是指按照一定价电子浓

23、度的比值组成一定晶格类型的化合物，即电子浓度决定晶体结构。晶格类型的化合物，即电子浓度决定晶体结构。 电子化合物不符合化学价规律，原子间以金属键为主，电子化合物不符合化学价规律，原子间以金属键为主，具有明显的金属特性。具有明显的金属特性。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 密排六方晶格（密排六方晶格（ 相）；相）；21/13 复杂立方（复杂立方（ 相）；相）； 电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。色金属中的重要强化相。间间 隙隙 相相q 当非金属原子半径当非

24、金属原子半径rX与金属原子半径与金属原子半径rM的比值的比值rX/rM0.59时，时，将形成具有复杂晶体结构的金属间化合物，其中非金属原将形成具有复杂晶体结构的金属间化合物，其中非金属原子也位于晶格的间隙处，故称之为间隙化合物。子也位于晶格的间隙处，故称之为间隙化合物。例如例如Fe3C是铁碳合金中的重要组成相，称为渗碳体，具是铁碳合金中的重要组成相，称为渗碳体，具有复杂的正交晶格。有复杂的正交晶格。Fe3C中的中的Fe原子可以部分地被其它金原子可以部分地被其它金属原子属原子Mn、Cr、Mo、W所置换，构成所置换，构成(Fe、Mn)3C等，等，称为合金渗碳体。称为合金渗碳体。 间隙化合物中原子间

25、结合键为共价键和金属键。间隙化间隙化合物中原子间结合键为共价键和金属键。间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔点、硬的强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔点、硬度、以及化学稳定性都要低一些。度、以及化学稳定性都要低一些。第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷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、弗兰克量、位错密度、位错的滑移及攀移、弗兰克- -瑞德源、汤普森瑞德源、汤普森

26、四面体、位错反应、扩展位错、表面能、界面能、重整位置四面体、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。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。缺缺 陷陷 种种 类类 Imperfections, Defects 点缺陷点缺陷Point defects）：最简单的晶体缺陷，在结点上或邻）：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。在空间三维方向上近的微观区域内偏离晶体结构的正常排列。在空

27、间三维方向上的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称零维缺陷。的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称零维缺陷。 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）：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。主要为位错。它两个方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。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，）：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。其它一个方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。 包

28、括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等。包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等。点缺陷的形成条件点缺陷的形成条件 原子热运动原子热运动点缺陷的平衡浓度：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个空位，形成一个空位所需能量为量为Ev，振动熵为，振动熵为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温度时温度时的空位平衡浓度的空位平衡浓度C：类似的，间隙原子平衡浓度类似的，间隙原子平衡浓度C：普通，晶体中间隙原子的形成能比空位的形成能大普通，晶体中间隙原子的形成能比空位的形成能大3-4倍，间隙倍，间隙原子的量与空位相比可以忽略。原子的量

29、与空位相比可以忽略。热平衡缺陷热平衡缺陷thermalequilibriumdefects）：由于热起伏促：由于热起伏促使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷。使原子脱离点阵位置而形成的点缺陷。kTEAkTEkSNnCvvfexpexpexp kTEAkTEkSNnCvvfexpexpexp刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错位错的运动位错的运动位错运动是位错的重要性质之一，它与晶体的力学性能，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是： 滑移滑移 slip slip 攀移攀移 climbclimb

30、位错的滑移守恒运动）：在外加切应力作用下，位错中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小于一个原子间距而逐步实现位错滑移的特点位错滑移的特点刃型位错：滑移的切应力方向与位错线垂直；刃型位错：滑移的切应力方向与位错线垂直； 螺型位错：滑移的切应力方向与位错线平行。螺型位错：滑移的切应力方向与位错线平行。 2) 2) 刃型位错：滑移方向与位错运动方向一致；刃型位错：滑移方向与位错运动方向一致； 螺型位错：滑移方向与位错运动方向垂直。螺型位错：滑移方向与位错运动方向

31、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。移到与之相交的另一滑移面上继续滑移，这称为交滑移。/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/运动位错的交割：运动位错的交割：扭折：位错交割形成的曲折线段在位错的扭折：位错交割形成的曲折线段在位错的滑移面上。滑移面上。割阶：该曲折线段垂直于位错的滑移面。割阶：该曲折线段垂直于位错的滑移面。位错反应：位错线之间可以合并或分解位错反应：位错线之间可以合并或分解几何

32、条件：反应前后诸位错的柏氏矢量之和相几何条件：反应前后诸位错的柏氏矢量之和相等，等，b b1 + b2能量条件：反应后位错的总能量小于反应前位能量条件：反应后位错的总能量小于反应前位错的能量错的能量 b 2 b1 2 + b2 2位错的应变能位错的应变能位错的能量：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能量的增加 位错中心畸变能位错中心畸变能Ec (大约为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 )单位长度刃型位错的应变能单位长度刃型位错的应变

33、能: : 02ln)1 (4rRGbEee单位长度螺型位错的应变能单位长度螺型位错的应变能: : 02ln4rRGbEse简化的单位长度位错的总应变能：简化的单位长度位错的总应变能：E = Gb2 约为约为0.5 - 1 单位长度混合位错的应变能单位长度混合位错的应变能: : 02ln4rRKGbEmeG 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 柏氏矢量柏氏矢量 泊松比泊松比 作用在位错的力作用在位错的力 在外切应力在外切应力 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

34、= b Fd 的方向总是与位错线相垂直，并指向滑移面的未滑移部分的方向总是与位错线相垂直，并指向滑移面的未滑移部分 作用在位错上的力只是一种组态力，它不代表位错附近原子实际所受作用在位错上的力只是一种组态力，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，其方向与外切应力方向不一定一致力，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 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，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，则各段位错所受的力大小相同则各段位错所受的力大小相同 FdFd 位错的线张力位错的线张力 线张力线张力T可以理解为使位

35、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， 那么：那么： bds = 2Tsin(d/2)， 由于由于ds = rd，当，当d 很小时，很小时，sind/2）（d/2） 因此：因此： b = T/r Gb2/2r 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位错间的交互作用力位错间的交互作用力1 1两平行螺位错的交互作用两平行螺位错的交互作用rbGbbf2

36、21212两平行刃位错的交互作用两平行刃位错的交互作用 沿沿x方向的切应力分量滑移）：方向的切应力分量滑移）： 沿沿y方向的正应力分量攀移）：方向的正应力分量攀移）：22222212)()()1 (2yxyxxbGbbfyxx22222212)()3()1 (2yxyxybGbbfxxy 在同一滑移面上的位错，同性相斥、异在同一滑移面上的位错，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，小角度晶界的在不同滑移面上的位错，小角度晶界的形成。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柏氏矢量相互垂直）相互作用柏氏矢量相互垂直） 混合位错

37、，先分解、再叠加混合位错，先分解、再叠加 位错的生成和增殖位错的生成和增殖位错的密度位错的密度 Density of dislocationsDensity of dislocations： 位错密度是单位体积晶体中所含的位错线的总长度：位错密度是单位体积晶体中所含的位错线的总长度： = L/V= L/V1/cm21/cm2） 普通，位错密度也定义为单位面积所见到的位错数目普通，位错密度也定义为单位面积所见到的位错数目 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= 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-

38、2= 1010 1012 cm-2 超纯金属单晶体：超纯金属单晶体： 103 cm-2103 cm-2面面 缺缺 陷陷 Interfacial Defects 表面及界面表面及界面 Surface、Interface、Boundary 界面：通常包含几个原子层厚的区域，其原子排界面：通常包含几个原子层厚的区域，其原子排列及化学成分不同于晶体内部，可视为二维结构列及化学成分不同于晶体内部，可视为二维结构分布，也称为晶体的面缺陷。界面对晶体的物理、分布，也称为晶体的面缺陷。界面对晶体的物理、化学和力学等性能产生重要的影响化学和力学等性能产生重要的影响 外表面：指固体材料与气体或液体的分界面。它外表

39、面：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、微电子等密与摩擦、吸附、腐蚀、催化、光学、微电子等密切相关切相关 内界面：分为晶粒界面、亚晶界、孪晶界、相界内界面：分为晶粒界面、亚晶界、孪晶界、相界面等面等晶界分类晶界分类(根据相邻晶粒位相差根据相邻晶粒位相差)小角度晶界小角度晶界Low-anglegrainboundary：相邻晶粒的位相差小于相邻晶粒的位相差小于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-anglegrainboundary：相邻晶粒的位相差大于相邻晶粒的位相差大于10晶界能晶界能晶界上原子畸变引起的系统自由能的升高，单位

40、：晶界上原子畸变引起的系统自由能的升高，单位：J/m2v 小角度晶界能量主要小角度晶界能量主要来自位错能量，与位相差来自位错能量，与位相差 有关：有关：v = 0(A-ln) v 大角度晶界能量基本大角度晶界能量基本为定值，与晶粒之间位相为定值，与晶粒之间位相差差无关无关 ：v 0.25 1.0 J/m2 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，能的螺型位错受阻时，能否通过交滑移转移到否通过交滑移转移到 面中的某个面上继续运动？为什么？面中的某个面上继续运动？为什么？相关知识：相关知识：1012ab )111(),111(),1

41、11 (abfedc位错线位错线交滑移：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阻交滑移：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阻时，可转移到与之相交的另一个滑移面上继续滑移。时，可转移到与之相交的另一个滑移面上继续滑移。晶带：所有平行或相交于同一直线的晶面构成晶带，此直线称为晶带轴，晶带：所有平行或相交于同一直线的晶面构成晶带，此直线称为晶带轴，属于此晶带的晶面称为晶带面。属于此晶带的晶面称为晶带面。晶带轴晶带轴u v wu v w与该晶带的晶与该晶带的晶面面h k lh k l之间存在以下关之间存在以下关系：系：hu + kv +lw = 0hu + kv +

42、lw = 0称为晶带定律称为晶带定律1012ab ) 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第四章第四章 凝固与扩散凝固与扩散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、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、粗糙界面；扩散通量、稳态扩散、非稳形核率、光滑界面、粗糙界面；扩散通量、稳态扩散、非稳态扩散、

43、扩散系数、扩散激活能、菲克第一定律、菲克第二态扩散、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、互扩散定律、柯肯达尔效应、互扩散(化学扩散）、自扩散、上坡扩化学扩散）、自扩散、上坡扩散、反应扩散。散、反应扩散。2、分析、判别、计算、分析、判别、计算 液态金属在正、负温度梯度下的生长过程，控制凝固后晶粒液态金属在正、负温度梯度下的生长过程，控制凝固后晶粒大小方法；大小方法； 扩散相关物理量计算；扩散相关物理量计算； 分析影响扩散的因素，解释一些现象；分析影响扩散的因素，解释一些现象； 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

44、需要的时间 t 与扩散距离与扩散距离 x 的平方成正比，即的平方成正比，即t x2 ”; 以及以及“同一个扩散同一个扩散系统，扩散系数系统，扩散系数 D 与扩散时间与扩散时间 t 的乘积为一常数，即的乘积为一常数，即 Dt = 常常数数 ”解决实际问题。解决实际问题。 结构起伏结构起伏 Structural undulation：液态金属中存在着原子排：液态金属中存在着原子排列规则有序的小区域原子团），这些大小不一的原子列规则有序的小区域原子团），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

45、原子重新聚集），此起彼伏，这里消失，一会儿在那里出现原子重新聚集），此起彼伏，这种现象称为结构起伏。这种现象称为结构起伏。 能量起伏能量起伏 Energy undulation：造成结构起伏的原因是液态：造成结构起伏的原因是液态金属中存在着能量起伏，能量低的地方有序原子团才能形成，金属中存在着能量起伏，能量低的地方有序原子团才能形成，遇到能量高峰又散开成无序状态。遇到能量高峰又散开成无序状态。 结构起伏与能量起伏是对应的结构起伏与能量起伏是对应的结晶过程结晶过程 晶核形成形核）：晶核形成形核）： 在过冷的金属液体中，在过冷的金属液体中，尺寸较大的晶胚不再被熔化尺寸较大的晶胚不再被熔化掉，能够稳

46、定保留下来的晶掉，能够稳定保留下来的晶胚就成了开始结晶的核心；胚就成了开始结晶的核心； 晶核长大：晶核长大： 然后晶核不断长大。随然后晶核不断长大。随着结晶过程的进行，固相逐着结晶过程的进行，固相逐渐增多，液相逐渐减少，直渐增多，液相逐渐减少，直至全部转变为固相至全部转变为固相 结构起伏、能量起伏驱动力驱动力 Driving force：固、液两相的自由能之差：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：之差为： “ - ” 表示由液态转变为固态自由能降

47、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，即没有驱动力，结晶不能进行，即没有驱动力，结晶不能进行 结晶的热力学条件：结晶必须有一定的过冷度热过冷）结晶的热力学条件：结晶必须有一定的过冷度热过冷）mmVTTLG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形形 核核 Nucleation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 nuclea

48、tion： 指在均匀单一的液相中形成固相结晶核心的指在均匀单一的液相中形成固相结晶核心的过程过程 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，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促进结晶晶核的形成均匀形核的自由能变化均匀形核的自由能变化 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：系统自由能变化： 转变为固态的那部分体积，引起自由能下降；转变为固态的那部分体积，引起自由能下降； 晶胚与液相之间增加的界面，造成自由能表面能增大晶胚与液相之

49、间增加的界面，造成自由能表面能增大23434VGG 设单位体积自由能的下降为设单位体积自由能的下降为Gv (Gv 0，x = 0， r r = r rs x = ，r r = r r0则浓度则浓度r r(x,t)可表示为求解过程见讲义）：可表示为求解过程见讲义）：)2()(),(0Dtxerftxssrrrrt x2Dt = 常数常数 扩散的热力学分析扩散的热力学分析下坡扩散：菲克第一定律描述了物质从高浓度向低浓度扩下坡扩散：菲克第一定律描述了物质从高浓度向低浓度扩散的现象，扩散的结果导致浓度梯度的减小，使成份趋于散的现象，扩散的结果导致浓度梯度的减小，使成份趋于均匀均匀上坡扩散逆向扩散）：物

50、质也可能从低浓度区向高浓度上坡扩散逆向扩散）：物质也可能从低浓度区向高浓度区扩散，扩散的结果提高了浓度梯度区扩散，扩散的结果提高了浓度梯度扩散的驱动力：并不是浓度梯度，而扩散前后自由能之差扩散的驱动力：并不是浓度梯度，而扩散前后自由能之差化学势梯度）化学势梯度） 固态扩散的分类固态扩散的分类 化学扩散、互扩散化学扩散、互扩散 interdiffusion：依赖于浓度梯度的扩：依赖于浓度梯度的扩散散 包括：原子扩散、反应扩散、上坡扩散、下坡包括：原子扩散、反应扩散、上坡扩散、下坡扩散扩散 自扩散自扩散 self-diffusion：仅由热振动而产生扩散，不依赖：仅由热振动而产生扩散，不依赖于浓度

51、梯度的扩散于浓度梯度的扩散 互扩散、自扩散的区别：在于扩散前后是否有浓度互扩散、自扩散的区别：在于扩散前后是否有浓度的变化，有浓度变化则为互扩散化学扩散），无浓的变化，有浓度变化则为互扩散化学扩散），无浓度变化则为自扩散度变化则为自扩散扩散机制扩散机制 Diffusion mechanisms 扩散原子理论扩散原子理论扩散机制，就是扩散原子在晶体点阵中迁移的具体方式扩散机制，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

52、 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，那么、金属液体在熔点温度保温，那么a 需要很长时间才能结晶；需要很长时间才能结晶； b 到熔点温度就会结晶；到熔点温度就会结晶； c 永不结晶。永不结晶。答案：（答案：（c在熔点保温，就是没有过冷。在熔点保温，就是没有过冷。2、下述哪些现象结晶时出现？、下述哪些现象结晶时出现？ a 在低于熔点的温度下结晶

53、才能进行；在低于熔点的温度下结晶才能进行；b 结晶时有热量放出；结晶时有热量放出； c 液态金属冷却到熔点时就开始结晶。液态金属冷却到熔点时就开始结晶。答案：（答案：（a,b）3、形成临界晶核时需要的形核功由什么提供？、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；由外界加热提供； b由能量起伏提供；由能量起伏提供； c由体积自由能提供。由体积自由能提供。答案：（答案：（b根据形核功的概念可知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）。、临界晶核有可能继续长大，也有可能消失熔化）。 a 是是 b 否否答案：答案：(a) 因为临界晶核形成时能量增大到最高，此时

54、无论晶核继续长大，还是减小，都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。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、在相同过冷度的条件下，（下述说法哪些正确？）（多项选择）、在相同过冷度的条件下，（下述说法哪些正确？）（多项选择） a 非均匀形核比均匀形核的形核率高；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；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；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

55、。非均匀形核比均匀形核的临界晶核体积小。答案：（答案：（a，b，c，d）6 非均匀形核时，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？）（多项选择）角越小，形核越容易。这是因为下述说法哪些正确？）（多项选择） a 临界晶核的体积和表面积越小；临界晶核的体积和表面积越小； b 形核需要的过冷度越小；形核需要的过冷度越小； c 需要的形核功越小。需要的形核功越小。答案：（答案：（a，b，c） 7、在负的温度梯度下，晶体生长以平面状前推进。(单项选择) 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。因为前方具有更大的过冷度8、形核率越高、晶体

56、生长速率越小，最后得到的晶粒越细小。(单项选择)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

57、。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：（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。15、扩散系

58、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造成的晶格畸变越大，扩散则越容易。（单项选择）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

59、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）第五章第五章 形变与再结晶形变与再结晶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、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、临界分屈服强度、抗拉强度、塑性、滑移、孪

60、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、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。二次再结晶、弓出形核。2 2、计算、分析、判别、计算、分析、判别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。晶体的塑性变形晶体的塑性变形 单晶体单晶体变形的微观过程变形的微观过程 弹性变形外力克服单晶原子间的键合力，使原弹性变形外力克服单晶原子间的键合力，使原子偏离其平衡位置，试样开始伸长子偏离其平衡位置，试样开始伸长 晶