《材料科学基础》教学教案要点Word格式.docx
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第二章材料中的晶体结构
2-1晶体学基础一、空间点阵和晶胞空间点阵,阵点晶格、晶胞坐标系
二、晶系和布拉菲点阵7个晶系14个布拉菲点阵表2-1
三、晶向指数和晶面指数1.晶向指数
确定方法,指数含义,负方向,晶向族2.晶面指数
确定方法,指数含义,负方向,晶向族3.六方晶系的晶向指数和晶面指数 确定方法,换算4.晶面间距密排面间距大5.晶带
相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合晶带定律:
hu+kv+lw=0
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●晶向指数和晶面指数确定练习,例题
2-2纯金属的晶体结构一、典型金属晶体结构体心立方bcc面心立方fcc密排六方hcp1.原子的堆垛方式
面心立方:
ABCABCABC——密排六方:
ABABAB——2.点阵常数3.晶胞中的原子数4.配位数和致密度
晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数晶体结构中原子体积占总体积的百分数5.晶体结构中的间隙
四面体间隙,八面体间隙二、多晶型性
?
-Fe,?
-Fe例:
碳在?
-Fe中比在?
-Fe中溶解度大
5
三、晶体结构中的原子半径1.温度与压力的影响2.结合键的影响3.配位数的影响
2-3离子晶体的结构一、离子晶体的主要特点 正、负离子
二、离子半径、配位数和离子的堆积1.离子半径2.配位数 表2-63.离子的堆积
三、离子晶体的结构规则
1.负离子配位多面体规则—鲍林第一规则 配位多面体是离子晶体的真正结构基元2.电价规则—鲍林第二规则
3.负离子多面体共用点、棱与面的规则—鲍林第三规则四、典型离子晶体的结构 6种
2-4共价晶体的结构
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一、共价晶体的主要特点 原子晶体
二、典型共价晶体的结构
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第三章晶体缺陷
点缺陷、线缺陷、面缺陷§
3-1点缺陷一、点缺陷的类型 空位、间隙原子
Schottky,Frenkel缺陷 晶个畸变二、点缺陷的产生1.平衡点缺陷及其浓度
neN?
C?
ue?
AexpkT2.过饱和点缺陷的产生 高温淬火、辐照、冷加工3.点缺陷与材料行为 扩散
物理性能:
电阻,密度减小体积增加 力学性能:
蠕变,强度,脆性
3-2位错的基本概念一、位错与塑性变形
实际屈服强度远低于刚性滑移模型得到的G/30.50年代中期证实位错的存在
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二、晶体中位错模型及位错易动性1.刃型位错 2.螺型位错3.混合型位错4.位错的易动性 图4-12三、柏氏矢量1.确定方法2.柏氏矢量的意义
原子畸变程度
已滑移区与未滑移区的边界滑移矢量位错线的性质3.柏氏矢量的表示方法 练习四、位错的运动1.位错的滑移
外加切应力方向、晶体滑移方向、位错线运动方向与柏氏矢量之间关系
图4-18、4-19、4-20,表4-12.位错的攀移 通过扩散实现
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割阶的产生 正应力影响3.作用在位错上的力 Fd=?
b Fd=?
b五、位错密度
=S/V?
=n/A六、位错的观察 图4-24,4-25
3-3位错的能量及交互作用一、位错的应变能 U=?
Gb2二、位错的线张力
图4-30?
=Gb/(2R)
三、位错的应力场及与其它缺陷的交互作用1.位错的应力场 螺位错:
纯剪切 刃位错:
正应力为主2.位错与点缺陷的交互作用
溶质原子形成的应力场与位错应力场可发生交互作用。
比溶剂原
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子大的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受张力一侧,比溶剂原子小的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受压力一侧,从而形成了包围着位错线的比较稳定分布的溶质原子“气团”,称Cottrell气团
位错要挣脱气团的束缚而运动,就会使体系能量升高;
若位错带着气团一起运动,在气团作用下运动受到阻滞,气团对位错的钉扎和阻滞作用使基体得以强化。
3.位错与其它位错的交互作用 同号相斥、异号相吸 刃位错位错墙四、位错的分解与合成1.位错反应的条件1)几何条件:
∑b前=∑b后2)能量条件:
∑b2前〉∑b2后2.实际晶体中位错的柏氏矢量 分位错、不全位错
3.面心立方晶体中全位错的分解及扩展位错 扩展位错 堆垛层错,层错能 扩展位错宽度
3-4晶体中的界面一、晶界的结构与晶界能
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1.小角度晶界的结构
位错组成,晶界上的位错密度随位向差增大而增加2.大角度晶界
2~3个原子厚度的薄层,无序、稀疏3.晶界能二、表面及表面能 密排面能量低三、表面吸附与晶界内吸附
吸附为自发现象,物理吸附、化学吸附
晶界内吸附:
少量杂质或合金元素在晶体内部的分布是不均匀的,
常偏聚于晶界。
四、润湿行为
五、界面能与显维组织的变化
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第四章材料的相结构及相图
组元:
组成材料最基本、独立的物质
合金:
两种或两种以上的金属、或金属与非金属形成的具有金属特性的物质。
相图:
描写在平衡条件下,系统状态或相的转变与成分、温度及压力
间关系的图解。
4-1材料的相结构 固溶体、中间相一、固溶体
置换固溶体、间隙固溶体有限固溶体、无限固溶体有序固溶体、无序固溶体1.置换固溶体1)尺寸因素2)晶体结构因素3)电负性因素4)电子浓度因素2.间隙固溶体
原子半径接近于溶剂原子某些间隙半径的溶质原子,进入溶剂晶格的间隙形成的固溶体叫间隙固溶体固溶强化
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二、中间相1.正常价化合物符合化合的原子价规律2.电子化合物
受电子浓度控制的化合物称。
一定的电子浓度对应一定的晶体结构,其成分可在一定范围内变动,故可视作以电子化合物为基的固溶体,说明其结构介于正常价化合物与固溶体之间。
3.尺寸因素化合物
间隙化合物:
过渡族金属与原子半径较小的C、H、O、B等非金属元素形成的一类化合物。
4-2二元相图及其类型一、相图的基本知识1.相律
2.二元相图的成分表示方法与相图的建立1)成分的表示方法质量分数2)相图的建立
热分析法,Cu-Ni合金3)杠杆定律二、一元系相图三、二元系相图
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1.匀晶相图及固溶体的结晶1)匀晶相图
2)固溶体的平衡结晶过程3)匀晶系的不平衡结晶
晶内偏析:
晶粒内部出现的成分不均匀现象
枝晶偏析:
在非平衡凝固条件下,若固溶体以树枝状结晶并长大,则枝干与枝间会出现成分差别。
2.共晶相图及其结晶1)相图分析2)共晶转变
共晶反应,共晶组织
3)共晶系合金的平衡结晶及组织4)不平衡结晶及其组织a.伪共晶
非平衡结晶条件下,成分在共晶点附近的合金也可能全部转变为共晶组织,这种非共晶成分的共晶组织,称为伪共晶组织。
b.不平衡共晶c.离异共晶3.包晶相图及其结晶4.其他类型的二元系相图四、相图与性能的关系
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4-3复杂相图分析一、分析方法二、举例 图5-44~5-46三、铁-碳合金相图
1.铁-碳合金的组元与基本相1)纯铁2)渗碳体3)铁碳合金相
铁素体、奥氏体、渗碳体、石墨2.Fe-Fe3C相图介绍
3.铁-碳合金的平衡结晶过程及组织铁-碳合金的分类晶固过程分析珠光体莱氏体室温莱氏体
相组成物、组织组成物
4.含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响1)对平衡组织的影响2)对力学性能的影响3)对可锻性的影响
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4)对流动性的影响
5.钢中的杂质元素及其对性能的影响1)硅、锰的影响2)硫的影响热脆3)磷的影响冷脆4)氧的影响5)氮的影响6)氢的影响
4-4相图的热力学基础一、吉布斯自能与成分的关系二、克劳修斯-克莱普隆方程
dpdT?
?
HT?
V三、相平衡条件1.化学位2.相图中的相平衡多相平衡条件一元系统的相平衡二元系统的相平衡共切线法则
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四、吉布斯自能曲线与相图
4-5三元系相图及其类型一、三元相图的表示方法1.等边三角形法
取等边三角形,以三个顶点表示三个纯组元;
三个边各定为100%,分别代表三个二元系的成分;
位于三角形内部的点代表三元系的成分。
此三角形为浓度三角形特殊意义的线
平行三角形某一边的直线
它们所含的、有这条边对应顶点所代表的组元量均相等通过三角形顶点的任一直线
它们所含的另两个顶点所代表的两组元含量之比是一定值。
2.等腰三角形法3.直角三角形法二、三元相图的建立三、三元匀晶相图1.相图分析
2.等温截面图 共轭曲线
直线法则:
三元系统两相平衡共存时,合金成分点与两平衡相的成分点必须位于一条直线上。
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证明:
设:
合金O,两相为α,β。
其成分点分别为o,a,b则其中B组元含量分别为Ao1,Aa1,Ab1,C组元含量分别为Ao2,Aa2,Ab2
若此时α相的重量分数为X,β相的重量分数为1-X应有:
Aa1·
X+Ab1·
=Ao1
Aa2·
X+Ab2·
=Ao2
得:
X=Ao1-Ab1
X=Ao2-Ab2
两式相除:
Aa1-Ab1Ao1-Ab1
Aa2-Ab2Ao2-Ab2
故o,a,b三点共线。
两点注意杠杆定律应用
3.匀晶相图的平衡结晶过程分析 蝴蝶形迹线4.变温截面图
四、具有两相共晶反应的三元系相图1.相图分析
2.三相平衡及三相平衡反应 共轭三角形
成分变温线、单变量线
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重心法则:
合金三相平衡时,合金的成分点位于这三相成分点
组成的三角形中,并位于该三角形的质量重心。
五、三元系中的相平衡分析 切平面
六、具有四相平衡反应的三元系相图 简单分析 投影图七、实例分析 图5-113
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多晶体材料靠晶界以及晶界两侧的晶粒间的位向差得到强化。
晶粒中的位错源放出的位错,在晶界处受阻并产生塞积,塞积产生的应力足以克服晶界和位向差造成的阻力时,位错才能通过晶界,该过程需增加外力,表明材料得以强化;
晶粒越细,塞积群应力场越弱,变形不易从一晶粒转移到另一晶粒,材料强度越高。
粗晶粒位错塞积数目多,产生的应力集中大,它虽然有容易使相邻晶粒位错源开动的一面,但假若相邻晶粒的取向特别不利于变形,或者其位错源受到钉扎。
应力集中不能被松弛而产生很大的拉应力,从而形成裂纹。
因此,粗晶粒容易萌生裂纹,断裂时显示的塑性也较低。
7-6纯金属的变形强化加工硬化机理一、位错的交割扭折、割阶割阶必是刃型的
螺位错上的割阶运动阻力更大二、位错的反应
梯杆位错、洛麦尔-柯垂尔锁三、位错的增值F-R源
2.双交滑移机制
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7-7合金的变形与强化一、单相合金的变形与强化 固溶强化
二、低碳钢的屈服和应变时效 屈服平台
柯氏气团理论:
溶质原子形成的应力场与位错应力场可发生交互作用。
比溶剂原子大的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受张力一侧,比溶剂原子小的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受压力一侧,从而形成了包围着位错线的比较稳定分布的溶质原子“气团”,称~。
位错要挣脱气团的束缚而运动,需要较大的力,这就形成了上屈服点;
儿一旦挣脱之后位错的运动就比较容易,因此有应力降落,出现下屈服点和水平平台。
位错增值理论:
位错大量增殖后,可动位错增多,流遍应力降低。
应变时效
三、第二相对合金变形的影响切过机制绕过机制弥散强化
7-8冷变形金属的组织与性能一、冷变形金属的力学性能加工硬化
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二、冷变形金属的组织纤维组织位错胞、晶粒破碎三、形变织构
金属变形量较大时,于晶粒的转动,各晶粒的取向趋于一致,即形成择优取向四、残余应力
7-9冷变形金属的回复阶段一、回复阶段性能与组织的变化二、回复动力学三、回复机制1.低温时点缺陷的迁移2.温度较高时位错运动销毁3.在较高温度时 位错墙、亚晶4.位错反应形成亚晶
7-10冷变形金属的再结晶性能完全恢复
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形核-长大过程一、再结晶的形核二、再结晶动力学三、影响再结晶的因素1)临界变形度
2)变形度对再结晶温度的影响3)再结晶后的晶粒大小4)微量杂质的影响5)第二相的影响6)原始晶粒的影响四、再结晶后的晶粒长大1.晶粒的正常长大2.二次再结晶
7-11非金属材料的变形一、陶瓷晶体的变形二、高分子材料的变形1.热塑性塑料的变形粘弹性
2.热固性塑料的变形
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