2023年材料科学基础知识点

材料科学基础

第零章材料概论

该课程以金属材料、陶瓷材料、高分子材

料及复合材料为对象，从材料日勺电子、原

子尺度入手，简介了材料科学理论及纳观、

微观尺度组织、细观尺度断裂机制及宏观

性能。关键是简介材料的成分、微观构造、

制备工艺及性能之间欧I关系。

重要内容包括：材料欧I原子排列、晶体构

造与缺陷、相构造和相图、晶体及非晶体

时凝固、扩散与固态相变、塑性变形及强

韧化、材料概论、复合材料及界面，并简

要简介材料科学理论新发展及高性能材料

研究新成果。

材料是指：可以满足指定工作条件下使用规

定时，就有一定形态和物理化学性状的物

质。

按基本构成分为：金属、陶瓷、高分子、复

合材料

金属材料是由金属元素或以金属元素为主,

通过冶炼措施制成日勺一类晶体材料，如Fe、

Cu、Ni等。原子之间的I键合方式是金属键。

陶瓷材料是由非金属元素或金属元素与非

金属元素组成的、经烧结或合成而制成的

一类无机非金属材料。它可以是晶体、非

晶体或混合晶体。原子之间的键合方式是

离子键，共价键。

聚合物是用聚合工艺合成的、原子之间以

共价键连接的、由长分子链构成的高分子

材料。它重要是非晶体或晶体与非晶体的

混合物。原子时键合方式一般是共价键。

复合材料是由二种或二种以上不同样日勺

材料构成的、通过特殊加工工艺制成的一

类面向应用的新材料。其原子间的键合方式

是混合键。

材料选择：

密度

弹性模量:材料抵御变形的能力

强度:是指零件承受载荷后抵御发生破坏时

能力。

韧性：表征材料制止裂纹扩展的能力功能

成本

构造(Structure)

性质(Properties)

加工(Processing)

使用性能(Performance)

在四要素中，基本的是构造和性能的关系,

而“材料科学”这门课的重要任务就是研

究材料的构造、性能及两者之间的关系。

宏观构造一显微镜下的构造一晶体构造一

原子、电子构造

重点讨论材料中原子的排列方式（晶体构造）

和显微镜下的微观结构（显微组织）的关

系。以及有哪些重要原因可以影响和变化构

造，实现控制构造和性能区I目的I。

第一章材料构造的I基本知识

1.引言

材料的构成不同样，性质就不同样。

同种材料因制备措施不同样，其性能也不同

样。

这是与材料的内部构造有关：原子构造、原

子键合、原子排列、显微组织。

原子构造

主量子数n

角量子数I

磁量子数m

自旋量子数ms

泡利不相容原理

能量最低原则

洪特规则

半充斥全充斥全空

电子排布式：29Cu:ls22s22p63s23p64sl3dl0

电子层构造式

29Cu:ls22s22p63s23p63dl04sl

电负性（electronegativity）是衡量原子吸引电

子的I化学能力。原子半径减少一电离能

增长一电负性增长一

原子构造是材料的一级构造

决定原子间结合键口勺形式

影响元素的物理性质：如熔点、热膨胀系

数、原子半径等。

2.原子键合

1结合力强的结合键叫化学键（一次键）。

如离子键、共价键和金属键

2结合力弱的结合键叫物理键（二次键）。

如范德华键和氢键，或称为分子键

离子键：由正负离子之间的库伦吸引作用产

生日勺结合力。

没有方向性和饱和性

离子键的键能强，结合力大

材料性能上体现出硬度大、熔点高及热膨胀

系数小，变形较困难，故呈脆性。

共价键:相邻原子之间共用其外层电子,形成

稳定的电子满壳层构造所产生的结合力。

具有方向性和饱和性

不容许原子间相对位置的变化，故结合力大

材料性能上体现出硬度高、熔点高、强度大、

沸点高、挥发性低、但导电性差、塑性变形

差（脆性）。

杂化理论

卡宾坚硬强度是金刚石的140倍！

金属键：依托阳离子和自由电子间互相吸引

而结合在一起。

不具有方向性和饱和性

由于自由电子的存在，具有良好的导热、导

电性

正离子之间变化相对位置并不会破坏电子

与正离子之间的结合力，塑性变形好，强

度高。

自由电子很轻易被激发，因此它们可以吸取

在光电效应截止频率以上时光，并发射多

种可见光，因此大多数金属呈银白色，不

透光。

金属正离子被另一种金属的正离子取代时,

也不会破坏结合键，这种金属间的溶解（称

■■

回溶）能力也是金属的重要特性。

二次键

范德华力：分子偶极距所产生的静电吸力将

两个分子结合在一起的力。

由取向力、诱导力、色散力构成

取向力：极性分子间固有的偶极矩作用力

与极性和温度有关最大

诱导力：分子间固有偶极与诱导偶极间的作

用力，与极性和变形有关

色散力：分子间瞬时偶极所产生的作用力,

大小与分子变形（电子云形状）

及分子量有关（成正比）。最小

范德华力是由偶极吸引力所形成的物理键,

其键力远不不不大于化学键，故键合力弱,

熔点低,硬度低,材料稳定性差，易变性（分

子凝聚）

氢键：本质与范德华力同样，均依托分子间

时偶极吸引力结合在一起，性质相似，结合

力比范德华力大。

由氢原子同步两个电负性很大、原子半径很

小的原子（0、F、N）之间的结合所形成的

物理键。

具有饱和性和方向性

氢键在高分子材料中尤其重要（凝聚）

混合键：陶瓷中离子键和共价键混合十分正

常。根据化合物AB电负性的大小给出离子

键在化合物中的比例。

结合键本质：

吸引力：异类电荷之间的静电吸引

排斥力：同类电荷之间的互相吸引

原子间距r0是原子之间的平衡距离,斥力和

引力相等时的平衡成果。

结合键与材料性能

物理性能：1.熔点2.密度3.导电、导热性4.

透明性5.其他

力学性能：弹性模量

原子排列

1.晶态和非晶态

晶态材料是构成材料的原子沿三维空间呈

周期性反复排列。

非晶态材料是内部原子的排列呈无序状态,

尽管在微观尺度上有短程有序的排列。

原子排列是材料的三级构造，决定材料的形

态并影响材料的I物理与力学性能。

单晶体：晶体内各处结晶方位完全一致的晶

体。整个晶体内部原子都是周期性持续排列。

各向异性：在晶体中，由于各个晶面和晶向

上原子排列密度不同样，使原子间的互相作

用力也不相似。因此在同一单晶体内不同样

晶面和晶向上的性能也是不同样的。

多晶体：由具有不同样晶格位向的小单晶体

构成的组合体晶粒：晶格位向基本一致，并

有边界与邻辨别开的区域

晶界：晶粒之间界面（原子排列不规则的区

域）

晶态材料从液态凝固成固体时，熔点确定,

体积突变；非晶态材料熔点不确定，体积

无明显变化。

物相转变时，晶态材料的原子排列从无序到

有序，排列构造发生了转变。非晶态材料

的原子排列基本保持不变，固液态原子排

列在构造形态上无明显变化。

显微组织：是材料的四级构造，是随构成和

加工工艺方式而变化。它是影响材料力学性

能如强度、韧性、变形等重要的构造原因。

金属是多晶体材料，是由多晶粒所构成。显

微组织是指在显微镜下材料内部所具有的

形态特性，即金属中各相的晶粒的组合特性,

包括晶粒的成分、形状、大小、分布及相对

量等。

相：在材料中，凡化学成分相似、晶体构造

相似，并有界面与其他部分分开的，均匀构

成部分叫做相。

■,

臼相材料的组织可以由单相构成，也可以由

多相构成。

宏观组织：用眼睛能看清材料粗大欧I组织,

称为宏观组织（一般40倍如下），如宏观断

口形貌。

显微组织:般需要对试样打磨、磨光、抛

光、化学浸蚀，获得金相样品。然后在显微

镜下观测，可以看到金属材料内部的I微观形

貌。

单相组织：指具有单一相的组织。其特性是

所有晶粒的化学组织和晶体构造相似，但原

子排列可以不同样，即为多晶体,如纯的Fe、

Al等。

显微组织对材料的力学性能影响很大。

总之，材料有四种层次的构造，其特点是:

L原子构造（一级构造）决定原子的结合

方式，并决定其化学性质和物理性质。

2.原子键合（二级构造）决定结合力大小，

并影响其物理和力学性能。

3.原子排列（三级构造）决定材料的形态，

影响其物理和力学性能，并与加工工艺有关。

4.显微组织（四级构造）影响材料力学性能

如强度、塑性等，重要由加工工艺来决定。

第二章材料的晶体构造

晶体材料的基本特性是构成固体的原子或

原子团在三维空间中呈周期性的反复排列。

非晶体材料不呈周期性排列，尽管在局部范

围原子排列存在短程有序。

区别

晶体非晶体

外形宏观上均匀对称，几几何外形不

何外形规则，并且具规则，也不具

有自发地形成封闭时有自发地形

几何多面体能力。成封闭时几

何多面体能

力。

性能性能上各向异性，即无论是力学

力学性能如弹性模性能还是物

量、应力强度、以及理性能，基本

物理性能如电导率、上呈各向同

热导率等均与方向有

关。性。

熔点固定不固定

X射线可以不可以

衍射

晶体构造(crystalstructure)

质点（原子、离子、分子、原子团等）在三

维空间中作周期性反复排列的构造。

空间点阵(spacelattice)

需要用抽象的几何点来替代实际晶体构造

中的原子或原子团，这些点的总体就称为空

间点阵。把晶体构造抽象成空间点阵。

结点（latticepoint）：构成空间点阵时每一

种点叫结点或阵点。

晶格：在假想时空间点阵中，用许多互相平

行的直线把结点（几何点）连接起来形成空

间骨架，称为晶格。

晶胞：从晶格中取出最具代表性的六面体晶

胞。该晶胞沿空间反复堆积构成完整的空间

点阵。

晶胞选用条件(对称性)

反应出点阵的最高对称性

棱和角相等的数目应最多

棱边夹角存在直角时，直角数目应当最多

晶胞体积最小

简朴晶胞：仅在六面体的八个角有阵点

复杂晶胞：除每个角上有阵点外，还在体心、

面心或底心等位置上也有阵点。

晶胞和原胞的区别

晶胞的选用措施是在保证对称性的前提下

选用体积小的晶胞。

原胞选用措施只规定晶胞的体积小在固体

物理学中常采用原胞。

点阵参数(latticeparameter)

为了描述晶胞的形状和大小。

选用晶胞某一角点为坐标原点，三个棱边

为晶轴，即a,b,c,晶轴间的夹角为a、仇

丫这六个参数。

按照“每个阵点的周围环境相似”的规定,

即对称性、唯一性和反复性，所有晶体材料

可用7种晶系来描述，并且仅有14种空间

点阵，即14种布拉菲点阵。

根据3个棱边与否相等、3个夹角与否相等,

及夹角与否为直角的关系，分别称为立方、

四方、六方、正交、单斜、三斜、菱方

P：primitive简朴

立方晶系a=b=ca=p=y=NaCl,zinc

90°blende,

copper

metal

四方晶系a=b/=ca=0=y=White

90°tin,Sn02,T

i02,CaS04

正交晶系a/=b/=ca=^=y=Rhombic

90°sulfur,KNO

3,BaS04

单斜晶系a/=b/=ca=y=Monoclinic

90°,BWsulfur,

90°Na2S04•10

H20

三斜晶系a/=b/=caWB#K2Cr207,Cu

YW90。S04•5H20,

H3B03

六方晶系a=ba=B=Graphite,Z

90°,Y=nO,CdS

120°

菱方晶系a=b=ca=B=yWCalcite(Ca

90°C03),cinna

bar(HgS)

晶向指数：

空间点阵中，各阵点列的方向代表晶体中原

子列的方向，即晶向。晶向是指晶体中的原

子沿空间某一方向的排列。

晶向指数是指晶体中点阵方向的指数，一般

用密勒(Miller)晶向指数体现晶向指数。

晶向指数确实定：

1.以晶胞的点阵常数a,b,c分别为x,y,

z坐标轴上的长度单位，建立右旋坐标系，

定出该方向上两个点的I坐标。

2.从末点坐标减去始点坐标，得到沿该坐标

系各轴方向移动的点阵参数的数目。

3.去掉分数，将相减后的成果约成最小整数。

4.将三个坐标值用方括号括起[uvw],若

有负号则在数字上面加一横线，即为该族结

点直线的密勒晶向指数。

密勒指数注意问题：

1.一种晶向指数代表互相平行、方向一致的

所有晶向

2.正方向和负方向是不同样的

3.方向指数与其倍数是同向时

4.晶体中原子排列状况相似，但空间位向不

同样的一组晶向成为晶向族，用＜UVW＞体现。

5.立方晶系中的［111］、［111］、［111］、［111］、

［111］、［111］、［111］、［111］晶向，原子排

列方式相似，同属于＜"1＞晶向族。

立方晶系中的［100］、［010］、［001］、［100］、

［010］＞［001］晶向,原子排列方式相似，同

属于＜100＞晶向族。

非立方晶系，变化晶向指多次序,晶向的含

义会不同样，如正交晶系中的a,b,c互

不相等，因此，［100］、［010］＞［001］三个

晶向不是等同晶向，他们的原子排列方式

不同样。

晶面是指穿过晶体中的某一原子平面。不同

样的平面具有不同样的原子排列和取向。

晶面指数是指晶体中点阵平面的指数。它是

晶面与三个坐标轴的截距值所决定，密勒晶

面指数的简化符号为晶面做出标志。

密勒晶面指数确实定:

1.在待标晶面上建立右手坐标系,且坐标原

点不在晶面上;

2.找出待标晶面在三个坐标轴上的截距x、y、

zo若该晶面与坐标轴平行，其截距为正无

穷；若晶面在坐标轴方向的截距为负值，则

在对应指数的上方加一横线。

3.取截距的倒数：1/x,1/y,1/z；

将三个数值化为比值相似的最小整数：h：k：

l=l/x,1/y,1/z；

4.将h,k,1置于圆括号内，写成(h,k,

1),则(h,k,1)就是待标晶面的JMiller

晶面指数

注意问题：

1.晶面指数(hkl)不是指一种晶面，而是

代表一组互相平行欧I晶面；

2.平行晶面的晶面指数是相似的，或数字相

似但正负号相反；

3.晶体中具有等同条件（原子排列和晶面间

距完全相似），只是空间位向不同样的各组

晶面称为晶面族，用花括号｛hk1｝体现。

晶面族中所有晶面性质是相似的，如立方晶

系

{100}=(100)+(010)+(001)+(100)+(010)+(

001)

在立方晶系中，具有相似指数的晶向和晶面

必然互相垂直：口00］垂直于aoo）

六方晶系的晶向指数和晶面指数：

晶面间距：

晶面间距是指相邻两个平行晶面之间的垂

直距离，用d体现或用晶面指数品］体现。

低指数欧I晶面间距较大，原子在该面上的排

列愈密集，而高指数的晶面间距较小，原子

排列较疏松。

晶带：是空间点阵中，相交或平行于某一轴

向直线的所有晶面的组合。此直线叫晶带轴。

纯金属的晶体构造：

体心立方（BCC）

面心立方（FCC）

密排六方（HCP）

晶胞原子数：是指一种晶胞内包括的原子数。

简朴立方二1体心立方二2面心立方二4密排

六方二6

体心立方a=b=cr=43/4a

面心立方a=b=cr=^2/4a

密排六方r=1/2ac/a=1.633

配位数：指晶体构造中任一原子周围最邻近

的原子数。配位数愈大，原子排列就愈紧密。

简朴立方6体心立方8面心立方12

密排六方12

致密度：指晶体构造中原子体积占总体积的

百分数（K）。是晶胞中具有的所有原子的总

体积与该晶胞的体积之比。

K=nvA/

“单个原子的体积

V-晶胞的体积

n•晶胞中的原子数

体心立方0.68面心立方0.74密排六方0.74

注意问题

布拉菲点阵的结点分布反应了晶体中原子

或原子团的分布规律，但结点自身并不一定

代表原子，即点阵和晶体构造并不一定相似。

四面体间隙和八面体间隙

第三章晶体缺陷

弛豫：晶体表面几种原子层上的原子偏离理

想位置的现象。

重构：晶体表面层原子重新排布成不同样于

内部周期构造的现象。

实际晶体材料并不是理想的、无缺陷时，而

是有某些不规则现象或构造不完整区域，即

晶体缺陷。

不管哪种晶体缺陷，其浓度（或缺陷总体积

与晶体体积之比）都是十分低时。

但晶体缺陷对于材料性能如晶体生长、扩散、

相变、强度、塑性及变形等均有很大的影响。

点缺陷（pointdefect）

点缺陷是指在三维尺度上不超过几种原子

直径大小的某些微小的缺陷。

1.空位

2.间隙原子

3.异类原子（置换和间隙原子）

空位：晶体中没有原子的结点。

间隙原子：是原子脱离其平衡位置，挤进了

晶格间隙中，又称填隙原子。

肖脱基缺陷：仅形成空位而不形成等量时间

隙原子。

弗兰克尔缺陷：晶体中的原子挤入结点时间

隙，即形成间隙原子，并且本来的结点也空

缺，产生空位，这一对点缺陷称为。。。。。。。

一般晶体弗兰克尔缺陷比肖脱基缺陷少的

多。

空位与间隙的形成

离开平衡位置的原子有四个去处:

1.一是迁移到晶体表面或晶界的位置上，而

使晶体内部留下空位（Schottky缺陷）

2.二是挤出点阵的间隙位置，而在晶体中同

步形成数目相等的空位和间隙原子

（Frenkel缺陷）

3.跑到其他空位上使空位消失或移位（空位

迁移）。

4.空位和间隙原子相遇，两缺陷同步消失。

异类原子导致时点缺陷

置换式：两种原子半径相称

间隙式：异类小半径原子

特点：无论哪一类点缺陷，都会导致其附近

的晶格畸变。在缺陷周围产生弹性应力场,

体系内能升高。

由于离子平衡的电中性规定:

肖脱基缺陷：同步移去一种正离子和一种负

离子。

弗兰克尔缺陷：尺寸较小的离子挤入同号离

子的位置，形成间隙离子和空位对。

对于正负离子尺寸差异较大、构造配位数较

低的离子晶体，小离子进入相邻间隙的难度

并不大，因此弗兰克尔缺陷是常见点缺陷。

对于构造配位数高，排列紧密的晶体，则肖

脱基缺陷比较重要，而弗兰克尔缺陷比较难

形成。

点缺陷是由热振动引起的，是一种热力学的I

平衡缺陷。

首先导致点阵畸变，使晶体的内能升高，减

少了晶体的热力学稳定性；另首先由于增

大了原子排列的混乱程度，并变化了其周

53原子的振动频率，引起组态端和振动牖的I

变化，使晶体燧值增大，增长了晶体的热

力学稳定性。

这两个互相矛盾的原因使得晶体中的点缺

陷在一定的温度下有一定的平衡浓度。

本征点缺陷：没有外来杂质时，由构成晶体

的基体原子的排列错误而形成的点缺陷。

例如：由于温度升高引起的晶格原子的热振

动起伏产生的空位和间隙原子等是经典时

本征点缺陷，他们的数目依赖于温度，也称

热缺陷。

非本征点缺陷：由于杂质原子的引入而引起

的缺陷。

(1)空位和间隙原子的生成能越大，其出

现的几率越小；

(2)温度越高，产生空位和间隙原子数越

多

但在有些状况下，晶体中点缺陷浓度可高

于平衡浓度，称为过饱和点缺陷，或非平衡

点缺陷。获得过饱和点缺陷的措施有如下几

种：

1.高温淬火

2.冷加工

3.辐照

点缺陷对构造和性能的影响

构造：无论哪种点缺陷的存在，都会使其附

近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即

导致小区域的晶格畸变。

性能：

提高材料的电阻

加速原子的扩散迁移

密度、比容减小

力学性能：强度提高，塑性下降

蠕变：

形成其他晶体缺陷：

线缺陷(linedefect)

线缺陷是指晶体中二维尺度方向很小但在

第三维尺度方向上较大的一种缺陷。

位错(dislocation)是理想空间点阵中存在

的一种最经典的线缺陷。

刃型位错

滑移区

一般把多出的半原子面在滑移面上边的称

为正刃型位错，用记号“工”体现；而把

多出在下边啊称为负刃型位错，用记号“丁”

体现。

刃型位错位错线EF与滑移矢量垂直，滑移

面是位错线EF和滑移矢量所构成唯一平面。

位错在其他面上不能滑移

螺型位错

BC为已滑移区与未滑移区的交界处，即位

错线。

在BC线和aa，线间的原子失去正常相邻关

系，连接则成了一种螺旋途径，该途径所

包围的呈长管状原子排列紊乱区即成螺型

位错。

0.根据旋进方向的不同样，螺型位错有左、

右之分。右手法则：即以右手拇指代表

螺旋的前进方向，其余四指代表螺旋的旋

转方向。凡符合右手定则时称为右螺型

位错；符合左手定则时则称为左螺型位错。

1.无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。

2.螺位错线与滑移矢量平行，故一定是直线,

且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相

垂直。

3.纯螺位错滑移面不唯一的。凡包括螺型位

错线的平面都可为其滑移面，故有无穷个,

但滑移一般在原子密排面上，故也有限

4.螺位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有

平行于位错线的切应变。5.螺位错周围

点阵畸变，随离位错线距离的增长而急剧

减少，故它也是包括几种原子宽度时线缺陷。

6.螺位错形成后，所有本来与位错线相垂

直的晶面，都将由平面变成以位错线为中

心轴的螺旋面。

位错线不能在晶体内部中断。

位错线：只能或者连接晶体表面（包括晶界）,

或者连接于其他位错，或者形成封闭的位

错环。

伯氏矢量：体现位错区原子的畸变特性，包

括畸变的位置和畸变的程度o

用s体现

伯格斯回路确定：

先人为确定位错的方向（一般规定位错线垂

直纸面时，由纸面向外为正）。

按右手法则做柏氏回路，右手大拇指指位错

正方向，回路方向按右手螺旋方向确定。从

实际晶体中任一原子M出发，避开位错附

近的严重畸变区作一闭合回路MNOPQ（不

能通过位错时中心区），回路时每一步连结

相邻原子。

按同样措施在完整晶体中做同样回路，步数,

方向与上述回路一致,这时终点Q和起点M

不重叠，由终点Q到起点M引一矢量QM

即为伯氏矢量b。

柏氏矢量与起点时选择无关，也与途径无关。

刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直

螺型位错的柏氏矢量与位错线平行

柏氏矢量确实定取决于观测方向

柏氏矢量（b）的物理意义与特性

1.表征了位错周围点阵畸变总积累

2.表征了位错强度b时模称为。。

3.位错的许多性质如能量，应力场，位错

受力等，也体现出晶体滑移的大小和方向。

4.运用柏氏矢量b与位错线的关系，鉴定位

错类型。

类型柏氏矢量位错线运动方向晶体滑移切应力方滑移面个数

方向向

刃垂直于位垂直于位错线自身与b一致与b一致唯一

错线

螺平行于位垂直于位错线自身与b一致与b一致多种

错线

混合与位错线垂直于位错线自身与b一致与b一致

成一定角

度

5.刃型位错正、负号用右手法则鉴定：

1）即以右手拇指、食指和中指构成一直角

坐标；

2）以食指一指向位错线方向，中指一指向

柏氏矢量b方向,则拇指代表多出半原子

面方向。

3）多出半原子面在上称正刃型位错，反之

为负刃型位错。

柏氏矢量b守恒性:

柏氏矢量与回路起点选择、详细途径、大小

无关，或在柏氏回路任意扩大和移动，只

要不与原位错或其他位错相遇，畸变总累

积不变，其柏氏矢量是唯一的（守恒性）。

推论1：一根不分叉的任何形状的位错只有

一种柏氏矢量。

一种位错环只有一种柏氏矢量。

推论2：相交于一点时各位错，同步指向

结点或离开结点时，各位错时柏氏矢量b之

和等于Oo（几根位错相遇于一点，朝向节

点的各位错柏氏矢量b之和必等于离开

节点各位错柏氏矢量之和）oSbi=0

推论2也可说：几根位错线相交于一点，其

中任一位错的柏氏矢量等于其他各位错时

柏氏矢量之和。

推论3：从柏氏矢量特性可知，位错线不能

中断于晶体的I内部，而只能终止在晶体表面

或晶界上，即位错时持续性。

在晶体内部，它只能自成封闭时环或与其他

位错相遇于节点形成位错网络，或终止于晶

体表面。

而柏氏矢量必须在晶向指数的基础上把矢

量时模也体现出来，因此柏氏矢量的大小

和方向要用它在各个晶轴上的分量，即点阵

矢量a,b和c来体现。

对于立方晶系，a=b=c,因此柏氏矢量或滑

移矢量可用符号b=a/n[uvw]体现，n为

正整数。

环节：将某个滑移矢量在晶胞坐标XYZ轴

上的分量,依次填入口号内，再提取公

因数1/n作为系数，放在口号前，使口

号内的I数字为最小整数。

[uvw]为矢量方向与体现晶体的晶向符号

相似，不同之处是多了a/n因子。

柏氏矢量b的I模

b=a/n[uvw]

2

b=—slu+p2+/

n

同一晶体中，柏氏矢量愈大，表明该位错导

致点阵畸变愈严重，它所在处的能量也愈

高。能量较高的位错一般倾向于分解为两

个或多种能量较低的位错，并满足：b1

-b2+b3,bl2>b22+b32,以使系

统的自由能下降。

位错运动方式：滑移和攀移。

1）滑移：位错线沿着滑移面的移动。2）攀

移：位错线垂直于滑移面的移动。

刃位错的运动：可有滑移和攀移两种方式。

螺位错的运动：只作滑移、而不存在攀移

螺位错移动方向：与位错线、柏氏矢量b垂

直。

螺位错滑移面：由位错线与其柏氏矢量所构

成平面。

不管位错怎样移动，晶体滑移总是沿柏氏矢

量相对滑移，故晶体滑移方向就是位错的

柏氏矢量b方向，产生宽度为一种柏氏矢

量b的I台阶

攀移的实质：是多出半原子面的伸长或缩短。

是通过原子扩散实现肚I（滑移没有原子扩

散）。

常把多出半原子面向上移动称正攀移，向下

移动称负攀移。

当空位扩散到位错时刃部，使多出半原子面

缩短叫正攀移。当刃部的空位离开多出

半原子面，相称于原子扩散到位错的刃部,

使多出半原子面伸长，位错向下攀移称为负

攀移。

攀移与滑移区别

L攀移伴随物质的迁移，需要空位的扩散,

需要热激话，比滑移需更大能量。

2.低温攀移较困难，高温时易攀移

3.攀移一般会引起体积的变化

4.作用于攀移面的正应力有助于位错时攀移。

详细为：压应力将增进正攀移，拉应力可

增进负攀移。

5.晶体中过饱和空位也有助于攀移

位错与点缺陷的交互作用（刃位错）

a.位错与溶质原子（或间隙原子）的交互作用

尺寸大的原子使晶格原子受到压缩应力一

处在滑移面下方

尺寸小欧I原子使晶格原子受到拉伸应力一

处在滑移面上方

柯氏气团：溶质原子与位错交互作用后，在

位错周围偏聚的现象。对位错有钉扎作用。

b.位错与空位的交互作用

使位错在高温下发生攀移。

位错时分解与合成

由n个位错合成为一种新位错或由一种位错

分解为n个新位错的过程称为位错反应。

位错能否发生反应，取决于两个条件：

1）几何条件：按照柏氏矢量守恒性的规定,

反应前后位错在三维方向的分矢量之和必

须相等，即

b前4后

2）能量条件：位错反应必须是一种伴伴随能

量减少的过程。因此，反应后各位错的总

能量应不不不大于反应前各位错时总能量,

即

b前2>b后2

单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位

错；

全位错：柏氏矢量等于点阵矢量整数倍的位

错。

全位错滑移后晶体原子排列不变;

部分位错：柏氏矢量不不不大于单位点阵矢

量的位错;

不全位错：柏氏矢量不等于单位点阵矢量整

数倍的位错。

不全位错滑移后原子排列规律发生变化。

面缺陷：是指晶体中一维尺度很小而其他二

维尺度很大的缺陷。

晶体的面缺陷包括晶体的外表面和内界面,

其中内界面包括晶界、亚晶界、李晶界、

堆垛层错和相界等

体缺陷(bodydefect)

假如在任意方向上缺陷的尺寸可以与晶体

或晶粒的尺度相比时，这种缺陷称为体缺

陷。

例如：空洞、孔洞、气泡、杂质、亚构造、

沉淀相等

第四章材料的相构造及相图

组元：构成材料的最基本的、独立的物质。

可以是纯元素，也可以是化合物。

合金：两种或两种以上的金属与金属（Cu-Ni

合金）或金属与非金属（Fe-C合金）经一定

措施（熔炼、粉末冶金等）合成的具有金属

特性的物质。也就是说构成合金的元素必须

有一种是金属元素。

相：指合金中具有相似原子汇集状态、相似

化学成分、相似晶体构造及性质，并以界面

互相分开的均匀构成部分。

组织：有不同样形态、大小、数量和分布的

相构成的综合体。合金的组织一般应用显

微镜才能看到，因此常称显微组织。

材料相可提成两大类:固溶体和中间相。

黑色条纹:渗碳体

白色条纹：铁素体

,■

回溶体：以一种组元为溶剂，另一种组元为

溶质，组元间以不同样比例互相混合，混合

后形成的新固相的晶体构造与构成合金的

溶剂组元相似，晶格常数稍有变化（晶格畸

变），这种相就称为固溶体。

■■

体现措施：在合金系统中,般按次序（回

溶体的浓度或固溶体稳定存在的温度范围）

由低到高，用a,3,y,6,£9。等

体现不同样类型的固溶体。

重要特性:

1.溶质与溶剂都为固体

2.晶格仍保持溶剂组元的晶格

3.具有较明显的金属性质

置换固溶体:

溶质原子置换了溶剂晶格中欧I某些溶剂原

子而形成的固溶体。

间隙固溶体:

某些原子半径不不不大于O.lnm的非金属

元素如H、0、C、N、B等作为溶质原子时，

一般处在溶剂晶格的某些间隙位置形成的

固溶体。

溶质原子在溶剂中溶解能力(固溶度大

小)：有限、无限固溶体

溶质原子分布无序固溶体

有序固溶体

影响溶质原子溶解度的原因

一在定条件下，溶质元素在固溶体中的极

限浓度叫该元素在固溶体中的溶解度。休

谟-罗斯里规则(Hume-Rotheryrule)

L尺寸原因2.晶体构造原因3.电负性差原

因4.电子浓度原因5.温度

溶质与溶剂的晶格构造相似是形成无限固

溶体的必要条件。

电子浓度：在金属材料(合金)中，价电子数

目(e)与原子数目(a)之比称为电子浓度。

■■

回溶体的溶解度随温度的J影响较大，一般温

度越高,回溶体的溶解度越大。

形成固溶体的意义:

活化晶格，有助于进行化学反应。

克制多晶体转变，稳定晶型。

可以获得新型材料，如错钛酸铅和sialon等

材料都是固溶体。

有助于矿物晶体构造，用于污染修复。

中间相：合金组元间互相作用而生成的一种

新的物相

特性：其晶格与构成它时任一组元均不相似。

种类：

a正常价化合物

b电子化合物

c尺寸原因化合物间隙化合物，拉弗斯相

间隙化合物

由过渡族金属原子与原子半径不不不大于

O.lnm的非金属元素碳、氮、氢、氧、硼

所形成具有金属光泽和导电性的高熔点、

高硬度，但较脆欧I化合物。

与间隙固溶体的I晶格类型不同样!

拉弗斯相：当组元间原子尺寸之差处在间隙

化合物与电子化合物之间时，会形成拉弗

斯相。

相图就是用来体现热力学平衡状态下材料

相的状态、温度、压力、成分关系的综合图

形。

通过相图，可以懂得不同样成分的材料，在

不同样温度下存在哪些相、多种相的相对含

量、成分、及温度变化时也许发生的变化。

不能反应各相的构造、分布状态及详细形貌。

热力学平衡条件

研制、开发新材料，确认材料成分

运用相图制定材料生产和处理工艺

运用相图分析平衡态的组织和推断不平衡

态也许的组织变化

运用相图和性能关系预测材料性能

相律：描述组元数、相数和自由度关系的法

则。

吉布斯相律：f=C-P+2

C：系统组元数

P：平衡共存的相的数目

F:自由度的数目

相律的限制

相律只合用于热力学平衡状态。平衡状态下

各相的温度应相等（热量平衡）；各相的压

力应相等（机械平衡）；每一组元在各相中

区I化学位必须相似（化学平衡）。

相律只能体现体系中组元和相的数目，不能

指明组元或相欧I类型和含量。

相律不能预告反应动力学（速度）。自由度

欧I值不得不不不大于零。

二元相图

温度•成分图

坐标系中的点：表象点（M）,体现相应

成分合金在该点对应温度时的状态

相界线：相图中相似意义的各点连线相区:

由相界线所围成的区域

杠杆定律

设成分为X的合金的总重量为1,液相的I相

对重量为QL,其含Ni为XI,固相相对重

量为Qa,其含Ni为X2,贝I）：

「

QrXXOb

Q-XT1一

▼an1aO

杠杆定律只合用于处在平衡状态的两相区

1、计算系统中相的相对量

2、计算系统中组织构成物的相对量3、计

算系统中某一组织构成物中两相的相对量

匀晶相图：

・5

是指合金组元在液、回两相下均能无限互溶,

结晶时只析出单相固溶体组织的合金相图。

如Cu・Ni、Cu・Au等二元合金系。

匀晶转变:

由液相直接结晶成单相固溶体的结晶转变。

L—a

在极缓慢的冷却过程中，每个阶段都能达

到平衡的结晶过程。

特点：由液相成分凝固出与其成分不同样的

r■a■相。

晶内偏析：偏析程度与相图形状有亲密关系,

相线与液相线的水平距离及垂直距离愈

大，合金凝固时,液两相欧I成分变化愈

大，枝晶偏析就愈明显。Cu・Sn合金区|晶内

偏析比Cu・Zn合金严重。

影响：具有枝晶偏析的合金，韧性塑性

I,易发生晶内腐蚀，抗蚀性I,热加工

困难（温度〈固相线温度，枝晶熔化）。

消除：扩散退火（低于固相线温度）一消除

偏析

将铸件加热到低于固相线100℃-200℃,进

行长时间保温，使偏析元素充足扩散以抵

达均匀化目的。此种热处理工艺称为扩散

退火或均匀化退火。

区域熔炼是制备高纯物质的有效措施。

一般是将高频加热环套在需精炼的棒状材

料的一端，使之局部熔化，加热环再缓慢

向前推进，已熔部分重新凝固。由于杂质

在固相和液相中的分布不等，用这种措施

反复多次，杂质就会集中到一端，从而得到

高纯物质。

相区接触法则：相邻相区的相数差1。

共晶相图：两组元在液态下能完全互溶，固

态下有限互溶或完全不溶，并在冷却过程中

发生共晶转变时相图。

Bi-Cd>Pb-Sn>Ag-Au>Al-Si>Pb-Sbo

简朴共晶相图：两组元在液态下可以完全互

溶,在回态下彼此互不溶解的共晶相图O

般共晶相图

两组元在液态下可以完全互溶，在回态能有

限互溶的共晶相图

■■

回溶线，固溶度曲线：反应不同样温度时的

溶解度变化。

铁素体（Ferrite）：是碳溶于a・Fe中时间隙

回溶体,呈体心立方晶格，碳在a・Fe中溶

解度极小，在727c时抵达最大溶解度

0.0218%o铁素体的I显微构造为多边形晶粒。

性能：力学性能特点是塑性、韧性好，而强

度、硬度低。

高温铁素体（5）

奥氏体（Austenite）：是碳溶于Y・Fe中欧|间

隙固溶体,呈面心立方晶格。碳在Y・Fe中

的溶解度要比在a-Fe中大，在727℃时为

0.77%,在1148℃时溶解度最大，可达2.11%。

奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范

围为727~1394℃,显微组织为多边形晶粒。

渗碳体（中间相-尺寸原因化合物-间隙化合

物）：当铁碳合金中碳含量超过它在铁中溶

解度程度时，多出的碳重要和铁形成的一种

具有复杂晶格的金属化合物FesC。它的碳质

量分数Wc=6.69%o

莱氏体（组织）：Ld是铁碳合金冷却到1148°C

时共晶转变的产物，是介稳相。由奥氏体和

渗碳体构成的机械混合物。存在1148℃~727℃

之间的莱氏体称为高温莱氏体，用“Ld”体

现，存在于727c如下的莱氏体称为变态莱

氏体或低温莱氏体，用“Ld'”体现，组织

由渗碳体和珠光体构成。

性能：与渗碳体相似,硬度很高,塑性极差,

几乎为零。

珠光体：是奥氏体冷却时，在727c发生共

析转变的产物，由铁素体和渗碳体构成的机

械混合物，用符“P”体现。显微组织为

由铁素体片和渗碳体片交替排列的片状组

织。

性能：力学性能介于铁素体和渗碳体之间,

强度较高，硬度适中，塑性和韧性很好。

表4-1铁碳合金相图中的特性点

符号温度a说明

A15380纯铁的熔点

B14950.53包品转变时液态合金的成分

C11184.30共晶点

D12276.69渗碳体的熔点

E11482.11碳在y-Fe中的最大溶解度

F11486.69港碳体的成分

G9120。…一…。转变汨度出)

H14950.09碳在6-Fe中的最大溶解度

J14950.17包品点

K.7276.69渗碳体的成分

N13940>-Fe=AFe转变温度(4)

P7270.0218碳在a-Fe中的最大溶解度

S7270.77共析点(A)

600|

Qn0.0057|600匕时碳在a-Fe中的溶解度

重要固态转变线:

GS线：GS线又称A3线，冷却时，丫析出

a时开始线，或加热时。所有溶入丫的终

了线。

ES线：碳在丫中的固溶度曲线。常称A,cm

线。当温度低于此线，Y将析出Fe式、即

二次渗碳体Fe3Cn,从液相中经CD线析

出一次渗碳体

Fe3clo

■■

PQ线：碳在a中的回溶度曲线。碳在a中

欧I最大回溶度

727℃时3c为0.0218%,600℃时降为

0.008%,300℃时约为0.001%,a从727℃

冷却下来时，将析出渗碳体，称为三次渗碳

体Fe3Cni770℃线为a欧J磁性转变温

度.230℃水平线为渗碳体的磁性转变温度

工业纯铁：（0c<0,0218%

亚共析钢：0.0218%<oc<0.77%

过共析钢：0.77%<wc<2,11%

共析钢3c=0.77%

钢的共同点：在高温下都可以进入奥氏体

单相区，

所有的亚共析钢室温组织都是由铁素体和

珠光体构成，其差异仅是铁素体与珠光体

的相对量不同样，Wc越高，珠光体越多,

铁素体越少。

1.

铁分类钢白口铁

业

纯

组织与

铁亚共析钢过共析钢亚共品白口铁过共品白口铁

1111

0.0218%C0.77%C2.11%C4.3%C6.69%C

成分及组织特征

1

岛温固态组织为单相同溶体|组织中有共品莱氏体

形态和分布也发生了很大变化。（渗碳体分

布在P内——网状分布在丫晶界上——形

成莱氏体时，渗碳体则成了基体。）

含碳量对（普碳钢）力学性能的影响

硬度

Wc增长，硬度增长;

强度

W”l%时，Wc增长，强度提高，在晶界上

析出的二次渗碳体一般尚未形成持续网状。

Wc>l%时，Wc增长，强度减少；

塑性、韧性

Wc增长，塑性、韧性下降；

为了保证工业用钢具有足够的强度和塑性、

韧性，碳素钢的含碳量一般不超过1.4%o

铸造：铸造组织通过铸造措施热加工变形后

使本来的粗大枝晶和柱状晶粒变为晶粒较

细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭内

原有的偏析、疏松、气孔等压实和焊合，其

组织变得愈加紧密，提高了金属的塑性和

力学性能。

钢的可锻性首先与含碳量有关，低碳钢的可

锻性很好，伴随含碳量的增长。可锻性逐

渐变差。(C%<2.11%)一般要把钢材加热

■■

到始锻温度(回相线如下100-200℃,约

1150-1250℃)下，在奥氏体区进行铸造。

铁碳相图的应用

塑性、韧性高的材料，选用铁素体低碳钢

(Wc<0.25%)

强度、塑性和韧性等均好的材料，应选用组

织为铁素体和珠光体的中碳钢

(0.25%<Wc<0.6%)

硬度、耐磨性好的材料，应选用组织为珠光

体或珠光体和二次渗碳体的高碳钢

(1.3%>Wc>0.6%)

形状复杂时及其底座和箱体等零件，可选用

熔点低、流动性号的铸铁材料，成分为共

晶或靠近于共晶。

碳钢：是指碳的质量分数Wc<2.11%,并具

有少许硅、镒、磷、硫等杂质元素的铁碳

合金。

杂质元素的影响：Mn、Si、S、P、0、N、Ho

三元系：三个组元构成的合金系

F=C-P+1=4-P

独立变量：温度T

组元浓度XA、XB(XC=1-XA-XB)

浓度三角形

等边三角形

+

顺时针坐标

1.浓度△顶点代表纯组元A、B、C

2.△的边代表二元合金AB=BC=CA=100%=

边长

3.△内任一点都代表一种三元合金

1)过0作A角对边的平行线

2)求平行线与A坐标的截距得组元A时含

量

3）同理求组元B、C的含量

与某一边平行欧I直线

含对角组元浓度相等

过某一顶点作直线

如过B点作直线，任意两点E、F合金，A、

C组元，浓度之比相等

第六章材料的凝固与气相沉积

凝固：金属