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《材料科学基础》教学教学导案

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《材料科学基础》教学教案

导论

一、材料科学的重要地位

生产力发展水平，时代发展的标志

二、各种材料概况

金属材料

陶瓷材料

高分子材料

电子材料、光电子材料和超导材料

三、材料性能与内部结构的关系

原子结构、结合键、原子的排列方式、显微组织

四、材料的制备与加工工艺对性能的影响

五、材料科学的意义

第一章材料结构的基本知识

§1-1原子结构

一、原子的电子排列

泡利不相容原理

最低能量原理

二、元素周期表及性能的周期性变化

§1-2原子结合键

一、一次键

1．离子键

2．共价键

3．金属键

二、二次键

1．范德瓦尔斯键

2．氢键

三、混合键

四、结合键的本质及原子间距

双原子模型

五、结合键与性能

§1-3原子排列方式

一、晶体与非晶体

二、原子排列的研究方法

§1-4晶体材料的组织

一、组织的显示与观察

二、单相组织

等轴晶、柱状晶

三、多相组织

§1-5材料的稳态结构与亚稳态结构

稳态结构

亚稳态结构

阿累尼乌斯方程

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（结点）

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

●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hcp

1．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

α-Fe,γ-Fe,δ-Fe

例：

碳在γ-Fe中比在α-Fe中溶解度大

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2-6

3．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

一、共价晶体的主要特点

原子晶体

二、典型共价晶体的结构

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

2．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

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4-1

2．位错的攀移

通过扩散实现

割阶的产生

正应力影响

3．作用在位错上的力

Fd=τbFd=σb

五、位错密度

ρ=S/V

ρ=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=αGb2

二、位错的线张力

图4-30

τ=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

1．小角度晶界的结构

由位错组成，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

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

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

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

§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

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、吉布斯自由能与成分的关系

二、克劳修斯-克莱普隆方程

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

四、吉布斯自由能曲线与相图

§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

（1）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

（2）通过三角形顶点的任一直线

它们所含的由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（水平截面）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。

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·（1－X）＝Ao1

Aa2·X＋Ab2·（1－X）＝Ao2

得：

X（Aa1－Ab1）＝Ao1－Ab1

X（Aa2－Ab2）＝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

重心法则：

合金三相平衡时，合金的成分点位于由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

第五章材料的凝固

§5-1晶体材料熔液凝固的基本规律

一、液态的结构

成分起伏、结构起伏、能量起伏

二、凝固的热力学条件

等压条件下，自由能曲线随温度的变化率等于熵的负值，故可得图6-1所示结果。

液相（L）与固相（S）的自由能曲线交点对应的温度为T0，即为金属的熔点。

当温度T

因此，金属结晶的热力学条件就是T

三、过冷现象

过冷

冷却曲线

四、结晶的一般过程

形核-长大

形核率、长大速率

伪各向同性

§5-2晶核的形成

一、均匀形核

图6-5

rk=

Ak=

=

Skσ

体积自由能的降低,只能补偿2/3的表面自由能,另1/3需外界供给。

液态金属结构存在成分、结构和能量起伏。

依靠能量起伏,液相原子的热运动来实现均质形核。

二、形核率

图6-6

临界过冷度

三、非均匀形核

分析讨论

§5-3晶核的成长

一、液-固界面的微观结构

动态过冷度

光滑界面、粗糙界面

二、熔体中晶体的生长形态

1．粗糙界面

由于界面上有50％的结晶空位，液相原子进入这些空位使晶体均匀连续地生长，垂直长大。

所需动态过冷度小，长大速度快

正温度梯度下：

平面

负温度梯度下：

枝晶生长

2．光滑界面

生长依赖在界面上出现台阶，有3种方式：

二维晶核，螺型位错，孪晶面。

后2种可连续生长。

正温度梯度下：

台阶生长

负温度梯度下：

多面体

3．晶体长大线速度

§5-4固溶体的凝固

一、固溶体的平衡凝固

二、稳态凝固

有效分配系数

溶质的分布，图6-18

三、成分过冷及其对晶体长大形状的影响

1．成分过冷的产生

图-6-20

由于液固界面前沿液相中的成分差别所引起的过冷

2．出现成分过冷的临界条件

3．成分过冷对晶体成长形状的影响

图6-21

§5-5共晶合金的凝固

一、共晶体的形成

交替生长

二、共晶体的形态

1．粗糙-粗糙界面

2．粗糙-平滑界面共晶

3．第三组元对共晶组织的影响

变质处理

4．共晶合金中的初生晶形态

§5-6凝固组织及其控制

一、晶粒尺寸的控制

1．增加过冷度

2．变质处理

3．振动

二、铸锭组织及其控制

1．三个晶区

表层细晶区

柱状晶区

中心等轴晶区

2．各晶区尺寸的控制

三、铸锭的缺陷

1．微观偏析

2．宏观偏析

3．夹杂和气孔

4．缩孔和疏松

四、焊缝金属的结晶组织

§5-7凝固技术的应用介绍

一、单晶的制备

二、定向凝固

三、材料非晶态

第六章材料中的原子扩散

扩散是固体中物质传输的唯一方式

§6-1扩散现象及扩散方程

一、扩散现象

自扩散、互扩散、扩散激活能

二、菲克第一定律

在稳态扩散的条件下，单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质的通量J与浓度梯度（dC/dx）成正比。

J=-D（dC/dx）

三、菲克第二定律

设扩散流量为J，扩散系数为D，体积浓度为C，图阴影部分体积的横截面积为A，则：

物质流入速率＝J1A

物质流出速率＝J2A＝J1A＋

物质积存速率＝J1A－J2A＝－

积存速率又可写为

（2分）

故

＝－

，即

＝－

将扩散第一定律：

J＝－D

代入，得：

＝

四、扩散方程的应用

1．扩散系数不随浓度变化的恒稳态扩散

2．扩散系数与浓度无关的非稳态扩散

初始条件、边界条件

五、柯肯达尔效应

置换固溶体中，由于两组元以不同的速率相对扩散而引起的标记面漂移现象

§6-2扩散微观机制

一、扩散的微观机制概述

1．空位机制

2．间隙机制

3．自间隙机制

二、原子跃迁的距离

随机行走理论

三、扩散系数

四、扩散激活能

1．间隙扩散激活能

2．空位扩散激活能

§6-3扩散驱动力

上坡扩散：

扩散物质由浓度低处向浓度高处进行的扩散。

扩散驱动力：

化学位梯度

§6-4反应扩散

反应扩散：

发生化学反应产生新相的扩散过程

§6-5影响扩散的因素

一、温度的影响

温度高，扩散系数D大

二、原子键力和晶体结构的影响

晶体结构：

原子排列紧密,结合力强D小,D面心立方、密排六方

同素异构,固溶体对扩散元素溶解度大小,晶体各向异性均有影响。

三、固溶体类型与浓度的影响

浓度：

高则D大

四、晶体缺陷的影响

晶界扩散、位错扩散

五、第三组元的影响

第七章材料的变形

§7-1金属变形概述

拉伸曲线

加工硬化

§7-2金属的弹性变形

双原子模型

E对组织不敏感

§7-3滑移与孪晶变形

一、滑移观察

滑移带、滑移线

二、滑移机制

位错宽度

派-纳力

讨论

三、滑移面与滑移方向

滑移系

四、孪晶变形

另一作用：

当滑移变形困难时，它能改变晶体位向帮助滑移

§7-4单晶体的塑性变形

一、施密特定律

图8-10

取向因子（施密特因子）、硬取向、软取向

二、单滑移、多滑移和交滑移

单个滑移系动作称单滑移，多个称多滑移

螺位错在原滑移面上运动受阻，可转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移称交滑移。

交滑移后的位错再次转回到和原滑移面平行的面上继续滑移，称双交滑移。

图8-13

§7-5多晶体的塑性变形

一、晶界和晶体位向对塑性变形的影响

阻碍作用

变形的传递

1．变形的协调

二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响

Hall-petch关系

位错理论解释细晶强化：

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（变形强化）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

§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

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，由于晶粒的转动，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

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