理工《材料科学基础》课件第一章

1、1,第一章 工程材料中的原子排列,结合力:在固态下，当原子（离子或分子）聚集为晶体时，原子（离子或分子）之间产生较强的相互作用力，也称为结合键。 化学键：由于电子运动使原子产生聚集的结合力。 固体中的结合键可以分为离子键、共价键和金属键3种化学键，以及分子键、氢键等物理键。,第一节 原子键合,2,一 固体中的原子结合键 1.金属键 金属晶体：导电性、 导热性、延展性好， 熔点较高,3,2. 共价键 共价键的特点：具有明显的饱和性和强烈的方向性。结合力很大 性能：共价晶体具有强度高、硬度大、脆性大、熔点高等性质，结构也比较稳定。,4,3. 离子键 离子晶体的硬度高、强度大、热膨胀系数小，但脆性大

2、。,4. 分子键（范德瓦尔斯力） 分子晶体：熔点低，硬度低。如高分子材料,5,5.氢键 （离子结合）X-H-Y（氢键结合），有方向性，如O-HO,氢键是一种较强的 、有方向性的范德瓦尔斯键。结合力比离子键、共价键小。 6. 混合键。如复合材料 7.结合力比较 化学键物理键（氢键分子键）,6,二 工程材料的分类 工程材料： 主要用于制作结构、机件和工具等的固体材料 主要用于制作结构、机件和工具等的固体材料称为工程材料，它可以分为金属材料、陶瓷材料、高分子材料和复合材料四大类。 在这四类工程材料中，金属材料应用面最广、用量最大、承载能力最高。,7,工程材料,金属材料,无机非金属金属材料,高分子材料

3、,复合材料,黑色金属材料，有色金属材料,普通陶瓷，特殊陶瓷，金属陶瓷,树脂基复合材料 金属基复合材料,塑料 橡胶 合成纤维,8,一、晶体学基础 1.晶体 晶体 原子（分子）在三维空间按一定规律作周期性排列的固体。自然界中绝大多数固体都是晶体。 晶体与非晶体的区别 晶体具有确定的熔点， 晶体具有各向异性，而非晶体具有各向同性。,第二节 原子的规则排列,9,晶体和非晶体在一定的情况下可以转 晶体从液态快速冷却下来就可以得到非晶态；非晶体缓慢冷却下来可以得到晶体。,2 空间点阵与晶体结构 1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。 特征：原子的理想排列； 阵点空间点阵中的点。它是纯粹

4、的几何点，各点周围环境相同。,10,晶格描述晶体中原子排列规律的空间格架。 原子堆垛模型空间点阵晶格晶胞 晶胞空间点阵中反映晶格特征的最小的几何单元。,11,通常是在晶格中取一个最小的平行六面体作为晶胞。 晶胞参数： 点阵常数晶胞大小 晶轴夹角晶胞形状,12,晶胞选取原则： a 能够充分反映空间点阵的对称性； b 相等的棱和角的数目最多； c 具有尽可能多的直角； d 体积最小。,13,结构晶胞：构成了晶体结构中有代表性的部分的晶胞。 特点:空间重复堆垛，就得到晶体结构。,14,3.布拉菲点阵 晶系：七种晶系，14种点阵（法国晶体学家A.Bravais于1848年用数学方法证明空间点阵只能有1

5、4种）,简单三斜 简单单斜 底心单斜,15,简单正交 体心正交 底心正交,16,面心正交 简单六方 简单菱方,17,简单四方 体心四方 简单立方,18,4 晶向指数与晶面指数 晶向：空间点阵中各阵点列的方向。（穿过两个结点的任意直线） 晶面：通过空间点阵中任意一组阵点的平面。 国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。称为晶面指数和晶向指数。,19,1) 晶向指数 按以下几个步骤确定： 1) 以晶胞的某一阵点为原点，三条棱边为坐标轴（x,y,z），并以晶胞棱边的长度作为轴的单位长度（a,b,c）.（建坐标） 2) 过原点作一有向直线OP，使其平行于待标定的晶向AB。（平移线） 3) 在直线OP上选取离

6、原点最近一个结点的坐标（x,y,z）.（求投影）,20,原子排列相同但空间位向不同的所有晶向称为晶向族，以表示。,4) 将坐标的比化为简单整数比，如 x：y：z=u：v：w。加上方括号，uvw即为AB晶向的晶向指数。（化整数）,21,2)晶面指数 确定步骤如下： 1) 建立以晶轴为轴的坐标系（x,y,z），令坐标原点不在待定晶面上，各轴上的坐标单位为晶胞边长a，b和c。（建坐标）,22,2) 找出待定晶面在三坐标轴上的截距x,y,z。(求截矩） 3) 取截距的倒数。(求倒数） 4) 将这些倒数化成3个互质的整数h,k,l（化整数） 5）晶面指数可写成（hkl)(加括号）,23,注意： 1)每一

7、个晶面指数(或晶向指数)泛指晶格中一系列与之相平行的一组晶面（或晶向）。 2)立方晶系中，凡是指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。 3)原子排列情况相同但空间位向不同的晶面（或晶向）统称为一个晶面（或晶向）族。,24,3）六方晶系中的晶向、晶面指数 但是，用三指数表示六方晶系的晶面和晶向有一个很大的缺点，即晶体学上等价的晶面和晶向不具有类似的指数。 六方晶体晶面指数：用（hkil）4个数字表示。 特点：在三维空间中独立的坐标轴不会超过3个，故h，k，i中必定有一个不是独立的。存在下列关系：i=-(h+k)。,25,26,六方晶体晶向指数：用uvtw4个数字表示。 特点：u，v，t之间也有关系：t

8、=-(u+v)。比较可靠的标注指数方法是解析法，即用三轴坐标系先求出待标晶向的3个指数U，V，W，再用下列三轴与四轴坐标系晶向指数的关系 u=1/3(2U-V) v=(2V-U) t=-(u+v) w=W,27,5.晶面间距 晶面间距:一组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的距离。 晶面间距越大, 晶面的原子密度越大。 原子线密度最大的晶向（密排晶向）其晶面间距最大。,28,29,二、晶体结构及其几何特征 1.金属中常见晶体结构 大多数金属具有比较简单的高对称性晶体结构。 最常见的只有3种，即体心立方（bcc）、面心立方（fcc）及密排六方（hcp）。,30,晶格常数 a=b=c,=90。 原子

9、半径 晶胞所含原子数 2个原子。,1）体心立方晶格（bcc晶格） 原子排列特征,31,晶体中原子排列的紧密程度，通常有两种表示：配位数CNCoordination Number。致密度k。k值越大，晶体排列得越紧密。 配位数 8。 致密度 68%。 具有体心立方晶格的金属：-Fe、-Ti、Cr、W、Mo、V、Nb等30余种金属。,32,2）面心立方晶格（fcc晶格） 原子排列特征 具有面心立方晶格的金属：-Fe、Ni、Al、Cu、Ag等,33,晶格常数 a=b=c,=90。 原子半径 晶胞所含原子数 4个原子。 配位数 12。 致密度 74%。,34,35,3）密排六方晶格（hcp） 原子排列

10、特征 晶格常数,36,原子半径 晶胞所含原子数 6个原子。 配位数 12。 致密度 74%。 具有密排六方晶格的金属：Mg、Cd、Zn、Be、-Ti等。,37,4)晶体结构中的间隙,38,结构间隙 正四面体正八面体 四面体扁八面体 四面体正八面体 （个数） 8 4 12 6 12 6 （rB/rA） 0.225 0.414 0.29 0.15 0.225 0.414 间隙半径（rB）：间隙中所能容纳的最大圆球半径。,39,5）晶体中原子的堆垛方式,40,41,6）晶体结构的多晶型性 多晶型性:有些金属（如Fe，Mn，Ti，Co，Sn，Zr等）固态下在不同温度或不同范围内具有不同的晶体结构的性质

11、。,同素异构转变：多晶型的金属在温度或压力变化时，由一种结构转变为另一种结构的过程称为多晶型性转变，也称为同素异构转变。,42,2.陶瓷的晶体结构 特点：晶体结构复杂，原子排列不紧密，配位数较低等。 分类： 离子键结合的陶瓷，如MgO，CaO，ZrO2，Al2O3等金属氧化物； 共价键结合的陶瓷，如SiC，Si3N4及纯SiO2等。,43,1）离子键晶体陶瓷的结构,44,2）共价晶体的结构 特点： 饱和性; 方向性 金刚石型：每个单胞中共8个原子 配位数：4（远少于面心立方的12） 结构属于非密堆结构。,45,SiO2型：面心立方点阵，1个硅原子被4个氧原子所包围，每个氧原子则介于两个硅原子之

12、间，起着连接两个四面体的作用。单胞共有24个原子。,SiC型：类似于金刚石型,46,第三节 原子的不规则排列,原子的不规则排列产生晶体缺陷（在晶体中所占比例低）。 晶体缺陷：晶体中原子偏离其平衡位置而出现不完整性的区域。 晶体缺陷是以一定的形态存在，按一定的规律产生、发展、运动和交互作用，对晶体的性能和物理化学变化有重要的影响。,47,根据晶体缺陷的几何特征，可将他们分为三类： 点缺陷 如空位、间隙原子等 线缺陷 如各种类型的位错 面缺陷 如晶界、相界等,48,一、点缺陷 形成条件：能量起伏 1.点缺陷的类型 1）空位： 肖脱基空位 弗兰克尔空位 2）间隙原子 3）置换原子。 2.晶格畸变,4

13、9,2 点缺陷的平衡浓度 1）点缺陷是热力学平衡的缺陷在一定温度下，晶体中总是存在着一定数量的点缺陷（空位），这时体系的能量最低具有平衡点缺陷的晶体比理想晶体在热力学上更为稳定。 2）点缺陷的平衡浓度,50,3 点缺陷对晶体性能的影响 点缺陷主要影响晶体的物理性质，主要表现为引起电阻增加，过饱和点缺陷（即超过平衡浓度）还会提高金属的屈服强度。,51,晶格畸变：由于原子间的作用力的平衡被破坏，使原子离开其平衡位置的现象。,52,二、线缺陷（位错） 位错:晶体中一部分晶体相对另一部分晶体发生了一列或若干列原子有规律的错排现象。,1 位错的基本类型 (1)刃型位错 edge dislocation,

14、53,位错宽度：晶格畸变程度大于正常原子间距1/4的区域称为位错宽度，约为35个原子间距。,刃型位错的正、负只是相对而言的，无本质区别。 刃型位错特征：位错线滑移方向,本质上位错是一条具有一定宽度的细长的晶格畸变管道。,54,2）螺型位错 screw dislocation 模型：滑移面/位错线。（位错线/晶体滑移方向，位错线位错运动方向，晶体滑移方向位错运动方向。） 分类：左螺型位错,右螺型位错。,左螺型位错和右螺型位错有着本质的区别。 无论位置如何摆放也不会改变其类型。 螺型位错特征：滑移方向/位错线,55,位错蚀坑,左螺位错,56,3）混合位错 模型：滑移面/位错线。 滑移方向既不平行也

15、不垂直于滑移方向 典型的混合型位错： 位错环,57,(100)硅片表面的位错,58,(111)硅片表面的位错,59,位错的透射电子显微镜照片,60,2.柏氏矢量 1939年柏格斯（J.M.Burgers）提出了一个可以揭示位错本质并能描述位错行为的矢量，以后被称为柏氏矢量，并以b表示。,1) 柏氏矢量的确定,61,2）柏氏矢量的表示方法 柏氏矢量的方向可用晶向指数表示；柏氏矢量的大小称为位错强度，可用其模表示。柏氏矢量的模表示了该晶向上原子间的距离。 全位错或单位位错:|b|=晶向原子的间距; 不全位错: |b|晶向原子的间距。,62,3) 柏氏矢量的特性 (1)b是位错周围晶体弹性变形（弹性

16、位移）的叠加。b越大，弹性性能越高。 (2)确定位错的类型，当bL，刃型位错; bL，螺型位错 (3)柏氏矢量的守恒性(唯一性),63,3 位错密度 单位体积中位错线总长度来表示，即 式中，为位错密度（m-2）；L为位错线的总长度（m）；V为体积（m3） 一般经过充分退火的金属中位错密度为10101012m-2；而经剧烈冷变形的金属中位错密度可高达10151016m-2以上。,64,单晶体生长形貌与螺位错,65,4 作用在位错上的力及位错的运动 1）作用在位错上的力 为了描述位错的运动，我们假定在位错上作用了一个力F(假想力)，此力驱使位错运动。 F必垂直于位错线。假想力F和外加切应力的关系：

17、F Lb 作用于单位长度位错线上的力则为 F/(f)= b,66,由于同一位错线上各点的b相同，只要切应力均匀地作用在晶体上，则位错线上各处F力的大小也相同。 必须说明：F力的方向永远垂直于位错线，并且指向滑移面上的未滑移区。刃型位错：力F/ ； 螺型位错：力F；,67,F并不是的分力， 是位错附件原子实际受到的力，F只是作用在位错这种特殊组态上的假想力 （位错运动都是在切应力作用下产生的）,2）位错的运动 位错的运动方式有两种，即滑移和攀移 。 位错的滑移 滑移是指位错线沿滑移面的移动，任何类型的位错均可进行滑移。,68,刃型位错的滑移方向： L ， b 刃型位错的滑移面：位错线和b组成的平

18、面（二者垂直），唯一 螺型位错的滑移方向： b，L 螺型位错的滑移面：位错线和b组成的平面（二者垂直)，不唯一。,69,混合型位错的移动方向：与位错线垂直，而与柏氏矢量b既不平行，也不垂直，而成任意角度。 混合型位错的滑移面： 位错线和b组成的平面，唯一； 位错线不是空间曲线 滑移的特征：位错线沿滑移面扫过整个晶体时，在晶体表面沿柏氏矢量方向产生宽度为一个柏氏矢量b的台阶,70,位错的攀移 攀移：在满足某些条件时还可以在垂直于滑移面的方向上运动。 条件：正应力。,71,攀移是在正应力作用下产生的,位错攀移时伴随着物质的迁移，这需要扩散才能实现。位错攀移在低温下较难进行。,72,实例： 通过薄膜

19、透射电镜观察淬火金属的热回复过程时发现，原来淬火时由空位聚集成片并形成位错环逐步缩小，最终消失。这种位错环由刃位错所组成，其伯氏矢量垂直于位错环所在平面，只能在垂直于位错环的柱面上滑移，称为棱柱位错环。这种位错环在环所在的平面上只能攀移。因此环半径的收缩可以肯定是位错的攀移过程。,73,3）位错（周围）的应力场,简化采用弹性连续介质模型来进行计算。 假设： 晶体是完全弹性体，服从虎克定律； 把晶体看成是各向同性的； 近似地认为晶体内部由连续介质组成，晶体中没有空隙，因此晶体中的应力、应变、位移等量是连续的，可用连续函数表示。,74,螺型位错的应力场 螺型位错的应力场模型 位错线即为圆筒的中心轴

20、线，位错的中心区就相当于圆筒的空心部分，而圆筒实心部分的应力分布就反映了螺型位错周围的应力分布,75,柱坐标下的切应变 ：,柱坐标下切应力 ：,直角坐标下的应力分量,76,只有切应力分量，正应力分量全为零，这表明螺位错不引起晶体的膨胀和收缩。 螺型位错所产生的切应力分量只与r有关（成反比），而与、z无关。只要r一定，z 就为常数。 因此，螺型位错的应力场是轴对称的，即与位错等距离的各处，其切应力值相等，并随着与位错距离的增大，应力值减小。,77,刃型位错的应力场,78,位错的应变能 晶体中位错的存在引起点阵畸变，导致能量增高位错的应变能，或称为位错的能量。 通常所说的位错能量就是指位错的弹性能

21、 圆柱坐标系中单位体积内的应变能表示为,79,螺型位错的应变能 螺型位错，只有切应力分量和切应变分量 ，则单位体积中的应变能为,其中dV=2rdrL ； L位错线长度 ，带入则有 该式可以简化为：,位错中心区的半径为r0，位错应力场作用半径为R，则单位长度螺型位错的弹性应变能为：,80,刃型位错的应变能： 混合型位错的应变能,通过将其分解为螺型位错分量和刃型位错分量求解。设混合型位错柏氏矢量b与位错线成角，则单位长度混合型位错应变能为,该式表明：单位长度位错的能量与其柏氏矢量的模的平方成正比，即W=Gb2.约为0.51,81,4）位错之间的交互作用 两个平行螺型位错间的作用力,82,两个平行刃

22、型位错之间的作用力,83,5 位错的增殖、塞积与交割 1）位错的增殖,位错增殖的机制又多种，弗兰克和瑞德在1950年提出并已被实验所证实的Frank-Read源，简称F-R源。,84,2）位错的塞积 位错源产生的大量位错沿滑移面运动时，如果遇上障碍物（如固定位错、杂质粒子、晶界等），形成位错的塞积。,85,若位错塞积群是由n个柏氏矢量均为b的位错组成，那么这个塞积群（作为一个整体）的平衡条件为 ：nb= 0b。 则有0 = b。 塞积的作用： 位错的塞积群对于位错源产生反作用力，与 b平衡，位错增殖停止。 塞积堆位错运动的阻碍提高了材料的强度。,86,3）位错的交割,割阶（mn）是一段新的位错

23、，其柏氏矢量仍为b2。这种割阶的形成，增加了位错线的长度，需要消耗一定的能量，因此交割过程对位错运动来说实际上是一种阻碍。,87,8 实际晶体中的位错 1)常见晶体中的位错 常见金属晶体中的位错有全位错和不全位错。,位错适用的条件,结构条件,能量条件,柏氏矢量必须连接晶体中一个原子平衡位置到另一个平衡位置,柏氏矢量必须是位错处于最低能量,88,堆垛层错,面心立方结构中某个区域的111面堆垛顺序出现了差错,正常堆垛顺序：A B C A B C A 由于某种原因堆垛顺序变为： A B C B C A. 堆垛层错一种晶格缺陷，它破坏了晶体的周期完整性，引起能量升高。把产生单位面积层错所需要的能量称为层错能。层错能相对于晶界能比较小低。,89,不全位错：当层错只在某些界面的局部区域内发生、并不贯穿整个晶体时，层错区与完整晶体之间就存在着边界线。边界线处原子的最近邻关系被破坏，排列产生畸变，因而形成了不全位错。 特点：柏氏矢量b小于点阵矢量，故为不全位错,90,肖克莱（Shockley）不全位错,91,弗兰克（Frank）不全位错,在完整晶体的左半部抽去半层