材料科学的基本理论框架

1、第五章第五章 材料科学的基本理论框架材料科学的基本理论框架Framework of principal theories in Materials Science第一节第一节 材料电子结构和材料内部原子间相互作用材料电子结构和材料内部原子间相互作用第二节第二节 材料的原子排列特征材料的原子排列特征第三节第三节 材料中的结构缺陷材料中的结构缺陷第四节第四节 材料中的原子扩散材料中的原子扩散第五节第五节 材料的相图与相变材料的相图与相变第六节第六节 材料的强化与韧化材料的强化与韧化u材料材料不是力学意义上的连续介质，而是具有丰富多彩的不是力学意义上的连续介质，而是具有丰富多彩的不同层次结构的物质不

2、同层次结构的物质。各个层次上的结构都影响着材料。各个层次上的结构都影响着材料的行为与性能。的行为与性能。u不同结构层次上材料的不同结构层次上材料的特征与行为特征与行为，组成材料科学的基，组成材料科学的基本理论。本理论。u介绍其主要理论框架介绍其主要理论框架： 材料的电子结构和材料内部的原子间相互作用；材料的电子结构和材料内部的原子间相互作用； 材料的原子排列特征；材料的原子排列特征； 材料的结构缺陷；材料的结构缺陷； 材料中的原子扩散；材料中的原子扩散； 材料的相图与相变；材料的相图与相变； 材料的强化与韧化等。材料的强化与韧化等。 第一节第一节 材料电子结构和材料内部的原子间材料电子结构和材

3、料内部的原子间相互作用相互作用一、原子结构和微观粒子的量子化描述一、原子结构和微观粒子的量子化描述1原子运动状态的特征原子运动状态的特征 物质物质（材料）是由一种或多种元素的原子结合而成，带负电的（材料）是由一种或多种元素的原子结合而成，带负电的电子通过静电吸引被束缚在原子核周围。对材料构成和物质起电子通过静电吸引被束缚在原子核周围。对材料构成和物质起重要作用的是重要作用的是外层价电子外层价电子。 粒子粒子的运动规律与宏观物体是很不相同的的运动规律与宏观物体是很不相同的 ，微观粒子具有波微观粒子具有波粒二象性粒二象性。一方面具有尺寸大小、动量、能量或位置的改变，。一方面具有尺寸大小、动量、能量

4、或位置的改变，（粒子性粒子性）；另一方面微观粒子在运动中又象波一样在空间各）；另一方面微观粒子在运动中又象波一样在空间各处按一定的几率分布，它们可以产生衍射效应，其轨道具有不处按一定的几率分布，它们可以产生衍射效应，其轨道具有不确定性（确定性（波动性波动性）。）。电子组态、周期表及材料应用电子组态、周期表及材料应用周期表周期表(元素性质周期性的变化的图示元素性质周期性的变化的图示)，是按元素的电子组态，是按元素的电子组态建立起来的。建立起来的。元素的电子结构由若干元素的电子结构由若干壳层壳层构成，构成，外层电子数（外层电子数（s、p能级）是能级）是最重要的。最重要的。应用应用：同族（外层电子数

5、一样）元素：同族（外层电子数一样）元素 的合金化的效应相似，的合金化的效应相似，可相互替代。可相互替代。 硫（硫（BB族族）提高钢的切削加工性，同族的硒、碲可用于同一提高钢的切削加工性，同族的硒、碲可用于同一目的的不锈钢和非铁合金；目的的不锈钢和非铁合金； 钨（钨（AA族族）提高钢的高温抗软化性，同族的钼及铬（效果稍提高钢的高温抗软化性，同族的钼及铬（效果稍差）可替代之。差）可替代之。由于周期表与电子结构的关联和其科学性，常用于材料发展、由于周期表与电子结构的关联和其科学性，常用于材料发展、研究中。研究中。二、原子间相互作用二、原子间相互作用 靠相互吸引作用（构成靠相互吸引作用（构成结合健结合

6、健 ），原子结合成分子或凝聚态），原子结合成分子或凝聚态物质（物质（液体或固态液体或固态）。）。 较远距离时，引力占优势；近距离时斥力占优势，存在一个较远距离时，引力占优势；近距离时斥力占优势，存在一个平衡距离。从而原子结合成分子，或多原子（或分子之间）平衡距离。从而原子结合成分子，或多原子（或分子之间）结合成材料。结合成材料。三、工程材料的键性三、工程材料的键性原子间结合键类型与性质原子间结合键类型与性质 键型：键型： 一次键（强键）一次键（强键）：离子键、共价键、金属键；：离子键、共价键、金属键； 二次键（弱键）二次键（弱键）：范德瓦尔斯键、氢键；：范德瓦尔斯键、氢键； 各类键特征各类键特

7、征 表表5-1范德瓦尔键范德瓦尔键 形成：形成：一个分子一个分子的正电荷部位与的正电荷部位与另一分子的负电另一分子的负电荷部位间以微弱荷部位间以微弱静电引力相引而静电引力相引而结合在一起称为结合在一起称为分子键分子键。 特性：特性：分子晶体分子晶体因其结合键能很因其结合键能很低，所以其熔点低，所以其熔点很低，硬度也低。很低，硬度也低。但其绝缘性良好。但其绝缘性良好。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 方向性不明显，配位数大方向性不明显，配位数大 方向性明显，方向性明显，配位数小，密度小配位数小，密度小 无方向性，配位无方向性，配位数大，密度大数大，密度大 力学性能力学性

8、能 强强度高，劈裂性良好，硬度大度高，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，有有各种强度，有塑性塑性 热力性质热力性质 熔点高，膨胀系数小，熔体熔点高，膨胀系数小，熔体中有离子存在中有离子存在 熔点高，膨胀系熔点高，膨胀系数小，熔体中有的数小，熔体中有的含有分子含有分子 有各种熔点，有各种熔点，导热性好，液态的导热性好，液态的温度范围宽温度范围宽 电学性质电学性质 绝缘体，熔体为导体绝缘体，熔体为导体 绝缘体，熔体为绝缘体，熔体为非导体非导体 导电体（自由电子）导电体（自由电子） 光学性质光学性质 与各构成离子的性质相同，与各构成离子的性质相同，对红外线的吸收强，多是无

9、色或对红外线的吸收强，多是无色或浅色透明的浅色透明的 折射率大，同气折射率大，同气体的吸收光谱很不体的吸收光谱很不同同 不透明，有金属不透明，有金属光泽光泽 金属原子间的键合特点金属原子间的键合特点2.工程材料的键性工程材料的键性n 金属材料：金属材料：主要为金属键（主要为金属键（Na、Cu、Ag等），也有共价键（灰等），也有共价键（灰锡锡 ）和离子键（）和离子键（Mg3Sb2）；过渡金属为不饱和共价键（故结合）；过渡金属为不饱和共价键（故结合力强、熔点高、弹性模量大，而导电性远不如简单力强、熔点高、弹性模量大，而导电性远不如简单 金属）。具有较好强韧性。金属）。具有较好强韧性。n 陶瓷材料陶

10、瓷材料：离子键和共价键（如金刚石、硅、碳化硅），多以：离子键和共价键（如金刚石、硅、碳化硅），多以离子键为主；故硬而脆，导电性差。离子键为主；故硬而脆，导电性差。n 高分子材料：高分子材料：共价键和分子键，大分子链内为强结合的共价键共价键和分子键，大分子链内为强结合的共价键（如碳与氢、碳与碳），大分子链间为弱结合的分子链。故而（如碳与氢、碳与碳），大分子链间为弱结合的分子链。故而 熔点低、强度低、刚性差。熔点低、强度低、刚性差。n 复合材料：复合材料：多种物质的多种键的组合；可具有特殊性能。多种物质的多种键的组合；可具有特殊性能。四四.材料的导电性和超导性材料的导电性和超导性 导电现象：导电现

11、象： 金属金属外层价电子结合时构成未填满的能带，电场下可自由流动外层价电子结合时构成未填满的能带，电场下可自由流动（导电）；（导电）； 非金属非金属外层为空能带，内层为满带，两带之间大的能量间隔外层为空能带，内层为满带，两带之间大的能量间隔（能隙），外场不能激发，故为绝缘体（能隙），外场不能激发，故为绝缘体 ；半导体具有小能隙；半导体具有小能隙（1ev），稍高温度能被热激发而导电。），稍高温度能被热激发而导电。 超导电性：超导电性：低温下电阻为零和排斥磁力线（完全抗磁性）的特低温下电阻为零和排斥磁力线（完全抗磁性）的特 殊现象。殊现象。 超导体：超导体：在一定温度下具有零电阻、超导电现象的材料

12、。在一定温度下具有零电阻、超导电现象的材料。 原因：原因：电子构成电子构成“库柏对库柏对”（再构成整体，见第十四章）（再构成整体，见第十四章） 超导应用：超导应用：超导输电、磁悬浮列车、超导发电机、超导储能、超导输电、磁悬浮列车、超导发电机、超导储能、磁力体发电机、超导计算机（运算速度快磁力体发电机、超导计算机（运算速度快10多倍，多倍，2050年实用年实用化）以及推动航天飞机（加速到接近光速，做星际旅行）化）以及推动航天飞机（加速到接近光速，做星际旅行）第二节材料的原子排列特征第二节材料的原子排列特征 原子排列对固体材料的微观结构和行为起着重要的作用原子排列对固体材料的微观结构和行为起着重要

13、的作用 金属、陶瓷、聚合物金属、陶瓷、聚合物的原子排列很不同的原子排列很不同性能亦很不同。性能亦很不同。一、聚集态与原子排列一、聚集态与原子排列原子排列的秩序原子排列的秩序：无序、短程有序和长程有序。：无序、短程有序和长程有序。 图图5-1晶体与非晶体（固体材料）晶体与非晶体（固体材料）非晶体非晶体：仅短程有序，亦称无定形、玻璃态，如普通玻璃，部：仅短程有序，亦称无定形、玻璃态，如普通玻璃，部分高聚物材料。分高聚物材料。晶体：晶体：长程有序材料，如金属、半导体、大部分陶瓷及某些高长程有序材料，如金属、半导体、大部分陶瓷及某些高聚物（如等规聚丙烯、尼龙），雪花；可以有规则外形（如六聚物（如等规聚

14、丙烯、尼龙），雪花；可以有规则外形（如六角形的雪花，大颗粒结晶状食盐），也可以没有规则的外形，角形的雪花，大颗粒结晶状食盐），也可以没有规则的外形，但内部原子仍规则排列（如盐末、沙粒、鹅卵石、金属或非晶但内部原子仍规则排列（如盐末、沙粒、鹅卵石、金属或非晶态合金）。态合金）。 同一成分的物质在不同条件下可形成晶体或非晶体，同一成分的物质在不同条件下可形成晶体或非晶体，如如 SiOSiO2 2 水晶（晶体）或石英（玻璃）；金属（晶体）或非晶态合金。水晶（晶体）或石英（玻璃）；金属（晶体）或非晶态合金。材料的结构 物质由原子组成。原子物质由原子组成。原子的结合方式和排列方式的结合方式和排列方式决定

15、了物质的性能。决定了物质的性能。 原子、离子、分子之间原子、离子、分子之间的结合力称为的结合力称为结合键结合键。它们的具体组合状态称它们的具体组合状态称为为结构结构。C6012元素单质化合物材料12 元素及其性质元素及其性质12一、晶体结构的基本概念一、晶体结构的基本概念 1、晶体与非晶体、晶体与非晶体 晶体晶体是指原子呈规则排列的固体。是指原子呈规则排列的固体。常态下金属主常态下金属主要以晶体形式存在。要以晶体形式存在。晶体具有各向异性。晶体具有各向异性。 非晶体非晶体是指原子呈无序排列的固体。是指原子呈无序排列的固体。在一定条件在一定条件下晶体和非晶体可互相转化。下晶体和非晶体可互相转化。

16、金属的结构金属的结构晶态晶态非晶态非晶态SiO2的结构的结构材料的原子排列材料的原子排列非晶态非晶态原子排列短程有序或无序原子排列短程有序或无序非晶体的特点是非晶体的特点是：结结构无序；构无序；物理性质表物理性质表现为各向同性；现为各向同性；没有没有固定的熔点；固定的熔点；热导率热导率（导热系数）和膨胀性（导热系数）和膨胀性小；小； 晶格：晶格：用假想的直线将原子中心连接起来所形成用假想的直线将原子中心连接起来所形成。的的三维空间格架三维空间格架。直线的直线的交点交点（原子中心）称原子中心）称结点结点。由结点形成的空间点的阵列称由结点形成的空间点的阵列称空间点阵空间点阵 晶格：晶格：用假想的直

17、线将原子中心连接起来所形成用假想的直线将原子中心连接起来所形成。的三维空间的三维空间格架。格架。直线直线的交点（原的交点（原子中心）称子中心）称结点结点。由结由结点形成的空点形成的空间点的阵列间点的阵列称称空间点阵空间点阵二二. 工程材料中的原子排列工程材料中的原子排列n晶体结构：晶体结构：晶体中原子重复周期性排列的具体方式（花样、类晶体中原子重复周期性排列的具体方式（花样、类型）。型）。1.金属材料的典型晶体结构金属材料的典型晶体结构 图图5-2n重复排列的最小单元即重复排列的最小单元即晶胞晶胞，晶胞在三维空间的重复堆砌就构，晶胞在三维空间的重复堆砌就构成了晶体。成了晶体。n用用原子半径原子

18、半径、配位数配位数（最临近原子数）、堆积因子（最临近原子数）、堆积因子（致密度致密度）描述原子尺度及原子排列的描述原子尺度及原子排列的紧密程度紧密程度。n用用晶向指数、晶面指数晶向指数、晶面指数反映其晶体性和原子排列的非均衡性反映其晶体性和原子排列的非均衡性（各向异性各向异性）n三种典型而简单的晶体结构类型：图三种典型而简单的晶体结构类型：图5-3 面心立方：面心立方：Cu、Al、Ni、Au等等 配位数配位数 12 致密度致密度 0.74 体心立方：体心立方：Fe、Cr、Mo等等 配位数配位数 8 致密度致密度 0.68 密排六方：密排六方：Zn、Mg等等 配位数配位数 12 致密度致密度 0

19、.74返回返回17演示bccfcchcp二二. 工程材料中的原子排列工程材料中的原子排列n晶体结构：晶体结构：晶体中原子重复周期性排列的具体方式（花样、类晶体中原子重复周期性排列的具体方式（花样、类型）。型）。1.金属材料的典型晶体结构金属材料的典型晶体结构 图图5-2n重复排列的最小单元即重复排列的最小单元即晶胞晶胞，晶胞在三维空间的重复堆砌就构，晶胞在三维空间的重复堆砌就构成了晶体。成了晶体。n用用原子半径原子半径、配位数配位数（最临近原子数）、堆积因子（最临近原子数）、堆积因子（致密度致密度）描述原子尺度及原子排列的描述原子尺度及原子排列的紧密程度紧密程度。n用用晶向指数、晶面指数晶向指

20、数、晶面指数反映其晶体性和原子排列的非均衡性反映其晶体性和原子排列的非均衡性（各向异性各向异性）n三种典型而简单的晶体结构类型：图三种典型而简单的晶体结构类型：图5-3 面心立方：面心立方：Cu、Al、Ni、Au等等 配位数配位数 12 致密度致密度 0.74 体心立方：体心立方：Fe、Cr、Mo等等 配位数配位数 8 致密度致密度 0.68 密排六方：密排六方：Zn、Mg等等 配位数配位数 12 致密度致密度 0.74Chapter2 Structure of Materials20(1) bcc（1）（体心立方）（体心立方）bcc body-centered cubic structure

21、碱金属、碱金属、-Fe 、难熔金属难熔金属（V，Nb，Ta，Cr，Mo，W）等等 体心立方晶格体心立方晶格常见金属：常见金属： -Fe、Cr、W、Mo、V、Nb等等晶格常数：晶格常数：a(a=b=c)Chapter2 Structure of Materials(2) fcc（2）(面心立方）面心立方）fcc face-centered cubic structureAl，Ni，Pb，Pd，Pt，贵金属贵金属以及以及奥氏体不锈钢等奥氏体不锈钢等, ,塑性好，无冷脆性塑性好，无冷脆性 Chapter2 Structure of Materials23(3) hcp（3）密排六方密排六方hcp h

22、exagonal close-packed structure-Ti，-Co，-Zr，Zn，Mg 等等 陶瓷材料陶瓷材料n由于键性的影响（共价键的方向性、离子键的正、负离子配由于键性的影响（共价键的方向性、离子键的正、负离子配位），陶瓷的晶体结构远比金属复杂，构成位），陶瓷的晶体结构远比金属复杂，构成离子晶体离子晶体（如（如MgO、Al 2O3等等 ）或）或共价晶体共价晶体（如（如Si3N4、SiC 等）。等）。n陶瓷化合物（离子晶体）陶瓷化合物（离子晶体）中非金属原子大、构成中非金属原子大、构成骨架骨架，金属金属原子小，嵌藏在非金属原子的间隙之中原子小，嵌藏在非金属原子的间隙之中，组成，组成

23、四面体四面体或或八面八面体体（图（图5-4 ）。）。n配位四、八面体在空间按一定规则排列（连接），构成各种配位四、八面体在空间按一定规则排列（连接），构成各种较复杂结构如较复杂结构如金刚石型结构金刚石型结构、氯化钠（氯化钠（岩盐型）等。岩盐型）等。 图图5-5 图图5-6 n硅硅-氧四面体氧四面体（SiO2）的随机排列（可加入各种添加剂，以改）的随机排列（可加入各种添加剂，以改善流动性、折射系数、色散等），就构成了各种工业玻璃善流动性、折射系数、色散等），就构成了各种工业玻璃（非晶态），表（非晶态），表5-2 硅酸盐结构硅酸盐结构 Silicate Structure 基本结构单元：基本结构单

24、元：硅氧四面体硅氧四面体SiO4 四面体连接方式：四面体连接方式：共顶连接共顶连接Chapter2 Structure of Materials25非桥氧非桥氧nonbridging oxygen桥氧桥氧bridging oxygen26Chapter2 Structure of Materials26Silicate structure硅酸盐结构类型硅酸盐结构类型岛状岛状 链状链状 层状层状 网架状网架状 27Chapter2 Structure of Materials27硅酸盐结构示意图3.有机聚合物的原子排列有机聚合物的原子排列 高聚物的大分子链多为扭曲的高聚物的大分子链多为扭曲的线性

25、状线性状，可为，可为线型线型、支链型支链型（带侧链）和（带侧链）和体型（交联），体型（交联），图图5-7 多条链的聚集态结构，一定条件下可以规则排列，多条链的聚集态结构，一定条件下可以规则排列，形成形成 晶区晶区（80%80%），否则就），否则就是非晶态是非晶态，晶区可提高，晶区可提高高聚物强度、刚度。高聚物强度、刚度。结晶性结晶性 结晶结晶指聚合物大分子既是近程有序，又是远程有指聚合物大分子既是近程有序，又是远程有 序地排列现象。序地排列现象。 塑塑料料结晶型塑料结晶型塑料非结晶型塑料（无定型塑料）非结晶型塑料（无定型塑料）第三节第三节 材料中的结构缺陷材料中的结构缺陷 实际晶体的原子排列并

26、不完整（规则）无缺（金无足赤），包含实际晶体的原子排列并不完整（规则）无缺（金无足赤），包含各种各种缺陷缺陷（局部范围内与理想结构的偏离局部范围内与理想结构的偏离）。）。 按其尺度（在空间延伸的线度、范围）分按其尺度（在空间延伸的线度、范围）分点、线、面点、线、面缺陷以及热缺陷以及热无序。无序。一一.热振动导致的无序热振动导致的无序 材料中原子只有材料中原子只有0K(绝对温度绝对温度0度度)时才能基本静止（尚有微小的时才能基本静止（尚有微小的零点振动），随温度的升高，热运动明显，原子围绕平衡位置往零点振动），随温度的升高，热运动明显，原子围绕平衡位置往复运动（热运动），频率为复运动（热运动），

27、频率为1012/s。 瞬时原子位置图像：瞬时原子位置图像：原子并非规则排列，产生微小的位移，偏离原子并非规则排列，产生微小的位移，偏离其理想（即平衡）位置，称其理想（即平衡）位置，称热无序热无序。 热振动热振动引起系列热现象、热性质、热容、热传导、热膨胀、红外引起系列热现象、热性质、热容、热传导、热膨胀、红外吸收以及温度升高电阻加大和电介质击穿等。吸收以及温度升高电阻加大和电介质击穿等。二二.点缺陷（空位、间隙原子和杂质原子）点缺陷（空位、间隙原子和杂质原子）l 点缺陷：点缺陷：三维尺寸很小（三维尺寸很小（0.1nm量级），图量级），图5-8 。l 空位空位由于热运动，部分高能量原子脱离原来晶

28、格位置，造成由于热运动，部分高能量原子脱离原来晶格位置，造成空缺。凝固过程、塑性变形以及高能粒子辐射也促进空位的空缺。凝固过程、塑性变形以及高能粒子辐射也促进空位的形成。形成。l 间隙原子间隙原子是外来小原子（如铁中是外来小原子（如铁中 H、C、N和和O ）占据了晶格）占据了晶格间隙位置；较大原子（可以是杂质原子，也可以是有意加入间隙位置；较大原子（可以是杂质原子，也可以是有意加入的合金化原子）与晶格原子换位，占据结点位置。的合金化原子）与晶格原子换位，占据结点位置。l 点缺陷点缺陷浓度很低，但影响材料强度和导电等物性，提供原子浓度很低，但影响材料强度和导电等物性，提供原子扩散的方式（空位扩散

29、、间隙扩散）。扩散的方式（空位扩散、间隙扩散）。l 应用应用：半导体材料锗（四价）中掺杂五价砷（或三价的镓），：半导体材料锗（四价）中掺杂五价砷（或三价的镓），造成杂质导电或空穴导电，极大改变半导体的导电特征造成杂质导电或空穴导电，极大改变半导体的导电特征。 点缺陷点缺陷 空间三维尺寸都空间三维尺寸都很小的缺陷。很小的缺陷。l空位空位l间隙原子间隙原子l置换原子置换原子点缺陷种类点缺陷种类 空位空位（vacancy）正常结点没正常结点没有被原子或离子所占据，成为空有被原子或离子所占据，成为空结点。结点。 间隙原子间隙原子（interstitial atom）原子进入晶格中正常结点之间的原子进入

30、晶格中正常结点之间的间隙位置。间隙位置。 置换式杂质原子置换式杂质原子（substitutional impurity atom）外来原子进入外来原子进入晶格，取代原来晶格中的原子而晶格，取代原来晶格中的原子而进入正常结点的位置进入正常结点的位置 间隙式杂质原子间隙式杂质原子（interstitial impurity atom）外来原子进入外来原子进入点阵中的间隙位置，成为杂质原点阵中的间隙位置，成为杂质原子。子。 Chapter2 Structure of Materials33热缺陷热缺陷杂质缺陷杂质缺陷三三 、线缺陷（位错）、线缺陷（位错）位错：位错：在空间一个方向延伸的原子排列不规则

31、性，在空间一个方向延伸的原子排列不规则性，结晶和塑性变形时很容易产生位错。结晶和塑性变形时很容易产生位错。类型：类型： 刃型位错、螺型位错。刃型位错、螺型位错。图图5-9 图图5-10无论何种位错，沿位错线产生一定程度的点阵畸变。无论何种位错，沿位错线产生一定程度的点阵畸变。位错对晶体力学性质影响很大位错对晶体力学性质影响很大，外力下位错运动就，外力下位错运动就造成材料塑性变形；给位错运动设置障碍就提高材造成材料塑性变形；给位错运动设置障碍就提高材料强度。料强度。(动画动画)位错通过对材料的相变、扩散、再结晶、蠕变和断位错通过对材料的相变、扩散、再结晶、蠕变和断裂等起重要作用。裂等起重要作用。

32、TEM观察的观察的晶体中的位错晶体中的位错36Chapter2 Structure of Materials36含有刃型位错的晶体结构模型含有刃型位错的晶体结构模型 刃型位错：刃型位错：当一个完整晶体某晶面以上的某处多出当一个完整晶体某晶面以上的某处多出半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多半个原子面，该晶面象刀刃一样切入晶体，这个多余原子面的边缘就是余原子面的边缘就是刃型位错刃型位错。 半原子面在滑移面以上的称半原子面在滑移面以上的称正位错正位错，用，用“ ”表示表示。 半原子面在滑移面以下的称半原子面在滑移面以下的称负位错负位错，用，用“ ”表示表示。正刃型位错正刃型位错（左）和（左

33、）和负刃型位错负刃型位错（右）（右）Chapter2 Structure of Materials3839Chapter2 Structure of Materials39螺旋位错示意图螺旋位错示意图40刃位错的滑移刃位错的滑移螺位错的滑移螺位错的滑移混合位错的滑移混合位错的滑移Chapter2 Structure of Materials40电子显微镜下的位错透射电镜下钛合金中的位错线透射电镜下钛合金中的位错线(黑线黑线)四、四、 面缺陷面缺陷(各种界面各种界面) 面缺陷：面缺陷：在空间两个方向延伸的原子排列不规则性，在空间两个方向延伸的原子排列不规则性，实际材料普遍存在，尤其多晶体。实际材

34、料普遍存在，尤其多晶体。 类型：类型：各种界面，如多晶体的晶粒边界（各种界面，如多晶体的晶粒边界（晶界晶界）、）、不同相的界面（相界）等，图不同相的界面（相界）等，图5-11 面缺陷处于较高能量状态面缺陷处于较高能量状态，对材料行为、性质影响，对材料行为、性质影响极大。极大。 细化材料晶粒细化材料晶粒将提高其强韧化；促进相变与扩散；将提高其强韧化；促进相变与扩散；细晶粒是透明陶瓷获得高度透光性的重要条件。细晶粒是透明陶瓷获得高度透光性的重要条件。43Chapter2 Structure of Materials432.4.1.3 Planar defect晶核晶核晶体生长晶体生长长成的晶体长成

35、的晶体显微图样显微图样Planar Defect（面缺陷的形成）（面缺陷的形成）面缺陷面缺陷面缺陷面缺陷铅锭宏观组织铅锭宏观组织第四节第四节 材料中的原子扩散材料中的原子扩散一一.扩散现象扩散现象p 扩散：扩散：原子（离子、分子）因热运动而发生的迁移（物质的原子（离子、分子）因热运动而发生的迁移（物质的传输过程）。传输过程）。p 由于由于对流、混合对流、混合等的帮助，液体尤其气体中的扩散非常快，等的帮助，液体尤其气体中的扩散非常快，如烹调时味道的传播、墨水在水中扩散以及熟知的糖水、盐如烹调时味道的传播、墨水在水中扩散以及熟知的糖水、盐水等。水等。p 固体中由于较强的原子键以及原子规则排列的约束

36、作用，原固体中由于较强的原子键以及原子规则排列的约束作用，原子的扩散要比气体中慢子的扩散要比气体中慢数百几十亿倍数百几十亿倍。p 固体中原子的确可以扩散迁移，尤其存在浓度差，会发生促固体中原子的确可以扩散迁移，尤其存在浓度差，会发生促均匀化的定向迁移。均匀化的定向迁移。 例：例：两块磨光铜块、锌块紧密接触，两块磨光铜块、锌块紧密接触，220 12 12小时后形成小时后形成0.3mm0.3mm厚互扩散层。厚互扩散层。p 材料的许多行为与加工处理均以材料的许多行为与加工处理均以原子扩散为依据，原子扩散为依据，如如凝固、凝固、相变、氧化、烧结、热处理相变、氧化、烧结、热处理；晶体管和太阳能电池晶体管

37、和太阳能电池的制造。的制造。 二二. 扩散方式（机制）扩散方式（机制） 空位机制：空位机制：原子与空位互换位置，反向移动。原子与空位互换位置，反向移动。 间隙机制：间隙机制：间隙原子在晶格间隙之间跳动迁移间隙原子在晶格间隙之间跳动迁移。三三. 扩散的工程应用扩散的工程应用例例1：半导体掺杂。：半导体掺杂。镓在镓在1100扩散扩散3 3小时，在纯小时，在纯 硅片上硅片上3.17um 3.17um 深度处达深度处达1022原子原子/m3。 例例2：汽车变速齿轮：汽车变速齿轮等零件（要求外硬、耐磨、等零件（要求外硬、耐磨、 内韧、耐冲击）的内韧、耐冲击）的渗碳渗碳。例例3 ：扩散焊：扩散焊。钛合金甚

38、至异种材料（包括陶。钛合金甚至异种材料（包括陶 瓷）的连接。瓷）的连接。第五节材料的相图与相变第五节材料的相图与相变一物质和材料的状态：千姿百态一物质和材料的状态：千姿百态 宇宙万物千姿百态、变化多端；古代神话宇宙万物千姿百态、变化多端；古代神话“呼风唤雨呼风唤雨”、“撒豆成撒豆成冰冰”以及以及“点石成金点石成金”之传说之传说 ，均涉及到物质（材料）的变化。，均涉及到物质（材料）的变化。 没有炼金术士对没有炼金术士对“炼金术炼金术”的狂热与实践，就没有冶金学和现代材的狂热与实践，就没有冶金学和现代材料制备。料制备。 材料科学观点：材料科学观点：任一物质，不同条件下（、和外场等），呈任一物质，不

39、同条件下（、和外场等），呈现不同物态（称现不同物态（称“相相”），条件改变，便发生物态变化），条件改变，便发生物态变化-（“相变相变”） 材料可以以几种物态即几种相存在，材料可以以几种物态即几种相存在，材料内每个均匀的部分便称材料内每个均匀的部分便称为一个为一个“相相”。如冰浮在水面上，为三相共存；花岗石为石英、长如冰浮在水面上，为三相共存；花岗石为石英、长石、云母三个相构成。石、云母三个相构成。 通常讲，通常讲，物质有三态物质有三态（另外还有等离子态）（另外还有等离子态）。固体材料内部同样。固体材料内部同样可有多个相存在，只要它们的结构类型不同。可有多个相存在，只要它们的结构类型不同。合金合

40、金两种或两种以上金属元素，或金属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金属特或其它方法组合而成并具有金属特性的物质性的物质组元组元 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。常组元就是组成合金的元素。 相相 是合金中具有同一聚集状态、相同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，并以晶体结构，成分和性能均一，并以界面相互分开的组成部分界面相互分开的组成部分 合金相结构合金相结构固溶体固溶体中间相中间相(金属化合物金属化合物)间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶

41、体相相 合金相结构合金相结构固溶体固溶体合金相结构合金相结构合金的组元通过溶解形成一种合金的组元通过溶解形成一种成分及性能均匀的、且结构与成分及性能均匀的、且结构与组元之一相同的固相，称为组元之一相同的固相，称为固固溶体溶体。与固溶体结构相同的组元为与固溶体结构相同的组元为溶溶剂剂，另一组元为，另一组元为溶质溶质。间隙固溶体间隙固溶体置换固溶体置换固溶体金属化合物金属化合物 合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同合金中其晶体结构与组成元素的晶体结构均不相同的固相称的固相称金属化合物金属化合物。金属化合物。金属化合物具有较高的熔点具有较高的熔点、硬度、硬度和和脆性脆性，并可用分子式表示其组

42、成。，并可用分子式表示其组成。铁碳合金中的铁碳合金中的Fe3Cl当合金中出现金属化当合金中出现金属化合物时，可提高其强合物时，可提高其强度、硬度和耐磨性，度、硬度和耐磨性，但降低塑性。但降低塑性。l金属化合物也是合金金属化合物也是合金的重要组成相。的重要组成相。二、材料状态的汇总图示：二、材料状态的汇总图示：相图相图 相图相图（状态图、平衡图状态图、平衡图），描述材料处于平衡状态下的），描述材料处于平衡状态下的成分成分、相相和和外界条件外界条件的关系。的关系。 水（水（H2O ）的相图）的相图 图图5-12 材料相图的材料相图的坐标为坐标为温度、成分温度、成分（固定压力为大气压），基本（固定压

43、力为大气压），基本的相图类型为的相图类型为匀晶相图匀晶相图（Cu-Ni、Au-Ag、Fe-Ni等等 ）、）、共晶相共晶相图、共析相图、包晶相图图、共析相图、包晶相图等，图等，图5-13 ， 复杂相图是它们的组合。复杂相图是它们的组合。 工程上十分重要的工程上十分重要的铁铁-碳碳相图相图 图图5-14 LCAE+Fe3C 共晶反应，共晶反应， 生成生成莱氏体莱氏体（白口铸铁），（白口铸铁）， 硬而脆。硬而脆。 ASFP+Fe3C 共析反应共析反应 ， 生成生成珠光体珠光体（钢材主要组成），（钢材主要组成）， 较强韧。较强韧。 工程铁工程铁-碳合金分类（从左碳合金分类（从左右右）：工业纯铁、钢、铸

44、铁。）：工业纯铁、钢、铸铁。二元合金相图的建立二元合金相图的建立相图的测绘方法相图的测绘方法相图的应用（如对钢铁、金属材料）：相图的应用（如对钢铁、金属材料）：确定铸造合金熔化温度、浇注温度；确定铸造合金熔化温度、浇注温度；确定锻造合理加热温度和始锻、终锻温度（锻造必确定锻造合理加热温度和始锻、终锻温度（锻造必须在须在相区相区）决定合金热处理的可能性和制定合理的热处理工艺决定合金热处理的可能性和制定合理的热处理工艺等（退火、正火、淬火、回火等）。等（退火、正火、淬火、回火等）。三三.材料状态的转变：材料状态的转变：相变相变1.相变现象与相变过程相变现象与相变过程 相变：相变：一定条件下材料从某

45、一相转变为另一相的过程，如物质一定条件下材料从某一相转变为另一相的过程，如物质的三态的转变。的三态的转变。 固态下同样可能有多相：冰有固态下同样可能有多相：冰有7种、硫种、硫9种结晶态（相）、铁有种结晶态（相）、铁有-Fe、-Fe、-Fe 三种相态。三种相态。 固态下转变类型：固态下转变类型： 同素异构转变同素异构转变（一种晶相（一种晶相另一种晶相，如另一种晶相，如-Fe Fe ）；过饱）；过饱和固溶体分解（由一固相析出另一固相）；和固溶体分解（由一固相析出另一固相）； 共析转变共析转变（一固相（一固相另二固相），如钢中奥氏体另二固相），如钢中奥氏体珠光体珠光体（F+Fe3C）等。）等。 相变

46、条件：相变条件：一要一要过冷（热）过冷（热），即稍低于或稍高于其平衡温度，即稍低于或稍高于其平衡温度，如要结冰必须低于如要结冰必须低于0；二要有；二要有晶核晶核（小晶核）存在。（小晶核）存在。 纯金属的结晶纯金属的结晶凝固凝固结晶结晶平衡结晶温度或理论结晶温度平衡结晶温度或理论结晶温度金属由液态转变为金属由液态转变为固态的过程。固态的过程。结晶是指从原结晶是指从原子不规则排子不规则排列的列的液态转变液态转变为原子规则排为原子规则排列的晶体状态列的晶体状态的过程。的过程。 物质由液态转变为固物质由液态转变为固态的过程称为态的过程称为凝固。凝固。 物质由液态转变为晶物质由液态转变为晶态的过程称为态

47、的过程称为结晶结晶。 物质由一个相转变为物质由一个相转变为另一个相的过程称为另一个相的过程称为相变相变。因而结晶过程因而结晶过程是相变过程。是相变过程。玻璃制品玻璃制品水晶水晶 金属结晶的现象金属结晶的现象冷却曲线冷却曲线结晶潜热结晶潜热结晶温度结晶温度结晶过程宏观现象结晶过程宏观现象-冷却曲线冷却曲线过冷过冷结晶潜热结晶潜热 过冷过冷与与过冷度过冷度 纯金属都有一个纯金属都有一个理论结晶温度理论结晶温度T0(熔点熔点或或平衡结晶平衡结晶温度温度)。在该温度下。在该温度下, 液体和晶体处于液体和晶体处于动平衡状态动平衡状态。 结晶只有在结晶只有在T0以下的实际以下的实际 结晶温度下才能进行。结

48、晶温度下才能进行。雾凇雾凇金属结晶微观过程金属结晶微观过程形核形核长大长大形成多晶体形成多晶体两个过程重叠交织两个过程重叠交织树枝状结晶树枝状结晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶金属的树枝晶冰的树枝晶冰的树枝晶n 典故典故1：过冷现象由温度计发明者、法国吹玻璃瓶工人法伦：过冷现象由温度计发明者、法国吹玻璃瓶工人法伦海特（海特（Fahrenheit）发现：洗干净的玻璃瓶装满水在寒冬置）发现：洗干净的玻璃瓶装满水在寒冬置室外一夜，仍是清水（周围房子已冰垂屋檐）；但当他打开室外一夜，仍是清水（周围房子已冰垂屋檐）；但当他打开瓶塞（想弄清楚原因）时，刹时瓶中水全部结成冰针。

49、瓶塞（想弄清楚原因）时，刹时瓶中水全部结成冰针。n 典故典故：一英国人甚至把过冷的水杨酸苯酯液体放置放置十：一英国人甚至把过冷的水杨酸苯酯液体放置放置十八年之久而未结晶。但遗憾的是八年之久而未结晶。但遗憾的是 ，当他将这一珍品出示给学，当他将这一珍品出示给学生时，在讲台上仅一点轻微振动，便全部结成晶体。生时，在讲台上仅一点轻微振动，便全部结成晶体。 相变过程相变过程：形核和长大形核和长大，一般为，一般为非自发形核非自发形核（如人工降雨，（如人工降雨，冬天窗花自边缘产生）。冬天窗花自边缘产生）。典故之原因典故之原因：清纯水里缺少结晶中心，开盖后尘埃等异物：清纯水里缺少结晶中心，开盖后尘埃等异物进

50、入，起进入，起籽晶籽晶作用。作用。典故之原因典故之原因：过冷液体极不稳定，稍一振动，失去原有平：过冷液体极不稳定，稍一振动，失去原有平衡，发生相变。衡，发生相变。相变效应种种。相变效应种种。 相变前后的结构不同、性能可不大一样。如相变前后的结构不同、性能可不大一样。如高温高压下高温高压下，可由，可由石石墨墨（层状结构）制备（层状结构）制备金刚石金刚石（六方的金刚石型结构）。（六方的金刚石型结构）。 金刚石：金刚石：最硬，切削工具；绝缘体。最硬，切削工具；绝缘体。 石墨：石墨：特软，润滑材料；可导电。特软，润滑材料；可导电。 相变效应传奇：相变效应传奇： 例例：几十年前，某国一军用列车上急需锡锭

51、经过严寒原野后，：几十年前，某国一军用列车上急需锡锭经过严寒原野后，白色的金属锡白色的金属锡无用的粉末；某军需仓库军大衣的无用的粉末；某军需仓库军大衣的锡制锡制纽扣在纽扣在 一个寒冬全部变成灰色粉末，即发生一个寒冬全部变成灰色粉末，即发生“锡锡瘟瘟 ”或或“锡疫锡疫”。 例：例：1912年南极探险队的液体燃料全部从燃料箱的焊锡处年南极探险队的液体燃料全部从燃料箱的焊锡处 渗漏，最终全队覆灭。渗漏，最终全队覆灭。 材料科学解释材料科学解释：一是一是锡在低温下结构转变时，具有较大体积变化锡在低温下结构转变时，具有较大体积变化（金属白锡（金属白锡为为7.3gcm-3，而灰锡仅，而灰锡仅5.8gcm-

52、3，产生很大转变应，产生很大转变应力；力；二是二是低温下的灰锡极脆（其共价键本质），故在转变应力下低温下的灰锡极脆（其共价键本质），故在转变应力下被破碎为粉末。被破碎为粉末。 同素异构转变同素异构转变 构转变构转变。同素异构转变属于同素异构转变属于相变之一相变之一固态相变固态相变。 铁的同素异构转变铁的同素异构转变 铁在固态冷却过程中有两次铁在固态冷却过程中有两次晶体结构变化，其变化为：晶体结构变化，其变化为：1394912 -Fe -Fe -Fel物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称物质在固态下晶体结构随温度变化的现象称同素异同素异纯铁的同素异构转变纯铁的同素异构转变铁-碳相图动画 相变之

53、应用：相变之应用：例例：铁和金属的同素异构转变是金属材料：铁和金属的同素异构转变是金属材料热处理热处理 的主要基础。的主要基础。例例：钢厂出厂钢材多为：钢厂出厂钢材多为退火状态退火状态，高塑性和较低，高塑性和较低 强度强度便于加工、成型，成品之前需淬火、回便于加工、成型，成品之前需淬火、回 火处理（快冷获硬的马氏体）火处理（快冷获硬的马氏体）重要零件。重要零件。例例：加热到：加热到9501050 的奥氏体（塑性好）的奥氏体（塑性好） 可大变形（热锻）。可大变形（热锻）。 加热到熔点以上（固加热到熔点以上（固液相变）液相变） 再冷却成再冷却成 型型铸造铸造或或熔化焊熔化焊。第六节材料的强化与韧化

54、第六节材料的强化与韧化一一.材料的强度、塑性与韧性材料的强度、塑性与韧性 强度：强度：材料抵抗变形和断裂的能力。如材料抵抗变形和断裂的能力。如屈服强度屈服强度s、抗拉强度、抗拉强度b、疲劳强度、疲劳强度-1等。等。 超高强度钢、芳纶纤维等属高强度材料；超高强度钢、芳纶纤维等属高强度材料； 普通塑料、混凝土属低强度材料。普通塑料、混凝土属低强度材料。 塑性：塑性：材料断裂前发生塑性变形的能力，如材料断裂前发生塑性变形的能力，如延伸率（延伸率（% %）、断断面收缩率面收缩率(%)。 陶瓷玻璃、石头及普通灰铸铁属脆性材料（陶瓷玻璃、石头及普通灰铸铁属脆性材料（ 5% 5% 5%）。）。 脆性：脆性：

55、材料断裂时所需要的能量的度量。如材料断裂时所需要的能量的度量。如A Ak k、K KICIC等，可用应等，可用应力力- -应变曲线下的面积来衡量。应变曲线下的面积来衡量。 韧性韧性可视为可视为强度与塑性的综合强度与塑性的综合，高强度下高塑性（或具有一定，高强度下高塑性（或具有一定塑性）或高塑性下具有一定强度的材料，才是韧性好的材料。塑性）或高塑性下具有一定强度的材料，才是韧性好的材料。二二. .结构材料的强化结构材料的强化 结构材料的主要功能：承担力和负荷、传递运动等，力学性结构材料的主要功能：承担力和负荷、传递运动等，力学性能是其最主要的性能要求。能是其最主要的性能要求。 最大限度挖掘其强度

56、、塑性和韧性的潜力最大限度挖掘其强度、塑性和韧性的潜力即即强韧化强韧化。1.1.金属材料的强韧化途径金属材料的强韧化途径金属材料的强化途径金属材料的强化途径 冷变形强化（加工硬化）冷变形强化（加工硬化）：随变形程度增加材料强度升高的：随变形程度增加材料强度升高的现象。反复弯一根铁丝，越来越硬、越费劲即可理解。现象。反复弯一根铁丝，越来越硬、越费劲即可理解。 铁强烈变形强度可达铁强烈变形强度可达3000MPa3000MPa；不锈钢冷轧或爆炸成型，；不锈钢冷轧或爆炸成型，b b、s s可提高可提高1 1倍。倍。 工程实例：工程实例：钢板冷轧、钢丝冷拔；表面滚压、喷丸（提高工钢板冷轧、钢丝冷拔；表面

57、滚压、喷丸（提高工件疲劳强度）。件疲劳强度）。 固溶强化：固溶强化：合金元素溶于金属基体使强度、硬度升高的现象。合金元素溶于金属基体使强度、硬度升高的现象。合金合金的强度（如铜中加锌）高于的强度（如铜中加锌）高于纯金属纯金属即是事实。即是事实。 间隙固溶间隙固溶的效应最为显著，如铁中加碳便成了工程上强硬的的效应最为显著，如铁中加碳便成了工程上强硬的钢材（钢材（ -Fe 中每加中每加1%at1%at的的C C、N,N,强度提高强度提高450MPa450MPa） 细晶强化：细晶强化：晶粒越细（晶界越多）、强度越高的现象，且晶粒越细（晶界越多）、强度越高的现象，且不降低（甚至提高）材料的韧性。工程上

58、早已广泛采用不降低（甚至提高）材料的韧性。工程上早已广泛采用（通过种种措施）。（通过种种措施）。 第二相粒子强化：第二相粒子强化：靠基体中加入细小弥散粒子而强化。效靠基体中加入细小弥散粒子而强化。效果显著，但降低果显著，但降低 材料的塑、韧性。材料的塑、韧性。方法：方法：过饱和固溶体析出或粉末冶金（人为加入）方法。过饱和固溶体析出或粉末冶金（人为加入）方法。 复合强化复合强化与与马氏体强化：马氏体强化：四种强化方法共同作用，效果更四种强化方法共同作用，效果更好。好。例例：低碳低合金钢的控制轧制（第二相、细晶等）；：低碳低合金钢的控制轧制（第二相、细晶等）；钢的淬火（马氏体）强化（固溶、位错等缺

59、陷增多、钢的淬火（马氏体）强化（固溶、位错等缺陷增多、 沉淀细小碳化物粒子等）。沉淀细小碳化物粒子等）。例例：钢铁的强化效果（表：钢铁的强化效果（表5-3 ）（）金属材料的韧化途径（）金属材料的韧化途径 细化晶粒细化晶粒：细晶粒材料变形时，不会应力集中，能经受较大变：细晶粒材料变形时，不会应力集中，能经受较大变形，故不仅强度高且韧性好（非常可贵）。形，故不仅强度高且韧性好（非常可贵）。 细化措施：细化措施：铸铁、有色金属合金的铸铁、有色金属合金的孕育孕育或或变质处理变质处理（晶核数量（晶核数量多等）；加入强烈阻碍晶粒长大的质点；凝固时多等）；加入强烈阻碍晶粒长大的质点；凝固时增大过冷度增大过冷

60、度，以及以及振动、搅拌振动、搅拌等方法。等方法。 调整化学成分调整化学成分：降低钢中：降低钢中碳、氮碳、氮（他们使强度升高的同时，严（他们使强度升高的同时，严重损害其韧性）和重损害其韧性）和硫、磷、氢、氧硫、磷、氢、氧等有害杂质的含量；钢中加等有害杂质的含量；钢中加Ni或少量或少量Mn 可提高韧性。可提高韧性。 形变热处理形变热处理：加热加热+变形变形+淬、回火淬、回火，即塑性变形与相变强化相，即塑性变形与相变强化相结合。可显著提高材料强度，且不损害韧性（十分难得）。结合。可显著提高材料强度，且不损害韧性（十分难得）。 低碳马氏体强化低碳马氏体强化：降碳、以置换型元素（：降碳、以置换型元素（N