材料科学基础-文档版.doc

第二章 原子结构与化学键 本章重点内容重要概念: 金属键 离子键 共价键 氢 键 强 键 弱 键 价电子 范得华键 强键: 化学键为强键,包括金属键,离子键,共价键.弱键: 物理键为弱键,称为范德华键.金属键： 在金属晶体中, 金属原子上的价电子, 在整个晶体内自由运动，金属晶体就是靠自由电子和金属离子形成的点阵之间的相互作用结合在一起的, 这种相互作用称为金属键特点：金属具有可塑性有较大的热导率不透明性, 有金属光泽, 导电性, 无饱和性和方向性离子键：在一定的条件下，活泼金属原子和活泼非金属原子相互接近时，前者将失去最外层电子而形成带正电荷的阳离子，后者将获得电子而形成带负电荷的阴离子，两者结合形成离子键特点：离子键的特点是没有方向性和饱和性离子晶体结合较强，因此破坏这种化学键需要较高的能量，离子型晶体的熔点，硬度，强度都很高，热膨胀系数很小，其性质主要取决于离子的性质，如离子的电荷，离子的半径，离子的电层结构及晶体结构共价键： 由共用电子对所引起的化学键叫共价键.特 点: 共价键有饱和性和方向性的特征,结合较强,熔点,强度和硬度都较高.范德华力： 范德华力是借助微弱的，瞬时的电偶极矩的感应作用将原来具有稳定的原子结构的原子或分子结合为一体的键合，它存在于中性原子和分子之间特点： 首先它是一种长程作用力，它括静电力，诱导力，和色散力它属于物理键，没有方向性和饱和性，比化学键的键能小个数量级，范德华力也能很大程度上改变材料的性质氢键： 氢键是一种特殊的分子间的作用力，它是由氢原子同时与两个电负性很大而原子半径较小的原子相结合而产生的，具有比一般次价键大的键力，又称为氢桥特 点： 具有饱和性和方向性，它可以存在分子内或分子间，它在高分子材料中特别重要 本 章 总 结本章重点是五个概念:金属键 离子键 共价键 氢 键 范德华键第三章 金属与陶瓷的结构本章重点内容一.计算题: 1.金属晶体结构及相关计算 1.1 标定晶面指数,晶向指数. 1.2 致密度计算(三种典型金属晶体结构计算) 1.3 金属的密度计算. 2. 重要概念 2.1 单晶 多晶 非晶 纳米晶 准晶 2.2 各向同性 各向异性 2.3 晶 胞 晶 格 晶 粒 2.4 布拉格定律 晶 系单 晶: For a crystalline solid, when the periodic and repeated arrangement of atoms is perfect or extends throughout the entirety of the specimen without interruption, the result is a single crystal. 对于晶体来说,如果晶体中的原子是按周期性重复排列并且对整个晶体来说并没有被打断过,换句话说就是由一个晶粒组成的晶体,这样的晶体称为单晶.多 晶: Most crystalline solids are composed of a collection of many small crystals or trains, such materials are termed polycrystalline. 大多数晶体都是由许多个晶粒组成的,这样的晶体我们称为多晶.非 晶: It has been mentioned that noncrystalline solids lack a systematic and regular arrangement of atoms over relatively large atomic distances. 非晶材料中的原子的是非规则排列的,无周期性.非晶态材料主要是在冷却过程中,利用先进的技术手段使得材料进入了玻璃态,这样形成的材料称为非晶材料,非晶材料是处于亚稳态的.纳料晶材料: 纳料晶材料即通常所说的纳料材料是指由至少在一个方向上尺寸为几个纳米的结构单元所构成的晶体材料.准晶态（准晶）: 晶体学分析认为，晶体中原子呈有序排列，且具有平移对称性，晶体点阵中各个阵点周围环境必然完全相同，故晶体结构只能有次旋转对称轴，而次和高于次的对称轴不能满足平移对称的条件，均不可能存在于晶体中，但近年来在科研过程中发现，在类似于晶态的固体中存在次对称轴，这们把这一类新的原子的聚集状态称为准晶态，此固体称为准晶 各向异性: The physical properties of single crystals of some substances depend on the crystallographic direction in which measurements are taken. For example, the elastic modulus, the electrical conductivity, and the index of refraction may have different values in the 100 and 111 directions. This directionality of properties is termed anisotropy. 对于一些单晶材料来说,其各项物理性能在不同的晶向上测得的数据是不同的,这种这种现象我们称为各向异性.各向同性: Substances in which measured properties are independent of the direction of measurement are isotropic. 如果材料的各项性能与测量的方向无关,由称为各向同性.晶 胞: 为了说明点阵的规律和特点,在点阵中取出一个具有代表性的单元(最小平行六面体)作为点阵的组成单元,称为晶胞. 空间格子: 为了便于描述空间点阵的图形,可用许多平行线将所有阵点连接起来,于是形成一个三维几何格架,称为空间格子.空间点阵: 阵点在三维空间中呈周期性规则排列并具有完全相同的周围环境,这种由它们在三维空间规则排列的阵列称为空间点阵.简称点阵.晶系与布拉格定律 : 7大晶系:三斜,单斜,正交，六方，菱方，四方，六方. 14种布拉格点阵（一般要求了解）.1.常见的三种金属晶体结构及晶体学特征？ 面心立方fcc 体心立方bcc 密排六方hcp2.常用来描述三种晶体结构特征的参数？(简答题必会)晶胞内原子的数目，点阵常数，原子半径，配位数，致密度，原子间隙（四面体间隙，八面体间隙）3.晶胞中的原子数目?(计算题) 面心立方结构: n=81/8+61/2=4 体心立方结构:n=81/8+1=2 密排六方结构:n=121/6+21/2+3=64.点阵常数与原子半径(计算题) 面心立方结构:点阵常数为a,原子半径R=根号2a/4 体心立方结构:点阵常数为a,原子半径R=根号3a/4 密排六立结构:点阵常数为ac.c/a=1.633.1.配位数与致密度?(计算题) 定义:所谓配位数就是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数;致密度是指晶体结构中原子体积占总体积的百分数. 计算:配位数N=? 致密度:K=nv/V2.晶面及晶向的标定.陶瓷晶体结构: 关于陶瓷结构中最为重要的是判断阳离子的配位数，因为在陶瓷中，阳离子的半径一般大于阴离子的半径判断规则如下：（）如果阴阳离子的半径比小于0.155，则较小的阴离子会结合两个阳离子形成线性结构阴离子的配位数为（）如果阴阳离子半径比在0.155至0.225之间，则阴离子的配位数为3，阴离子与阳离子形成平面正三角形结构（）如果阴阳离子半径比在0.225至0.414之间，则阴离子配位数为，阴离子位于四面体的中心（）如果阴阳离子半径比在0.414至0.732，则阴离子位于八面体的中心，周围由六个原子所包围（）如果阴阳离子半径比为在0.732至1.0之间则阴离子配位数为，阴离子位于体心立方的中央（）陶瓷材料最为常见的配位数为4,6,8.本 章 总 结单晶 多晶 非晶 纳米晶 准 晶 各向异性 各相同性 常见三种金属晶体及陶瓷结构计算 第四章 聚合物结构 本章重点内容名词概念: 1.均聚物 共聚物 聚合物 单 体 2.线型聚合物 支链聚合物 交联聚合物 热塑性聚合物 聚合物晶体 3.结晶度(计算) 聚合物 聚合物分子 The molecules in polymers are gigantic in comparison to the hydrocarbon molecules heretofore discussed; because of their size they are often referred to as macromolecules. 在当前所论述的聚合体的分子比碳氢化合物分子要大的,通常称为高分子. 同质异构 Hydrocarbon compounds with the same composition may have different atomic arrangements, a phenomenon termed isomerism. 具有相同成分的碳氢化合物但具有不同的原子排列顺序的现象称为同质异构.均聚物: 由相同链节组成的链状聚合物.共聚物: 由两种或多种不同链节组成分子链的聚合物.分子结构: 线型聚合物,支链聚合物和交联决聚合物.线型聚合物: 组成聚合物的单体是通过首尾相接的方式形成单一链条.支链聚合物: 合成聚合物的分子是由侧翼的支链连接在主链上形成的.交联决聚合物: 相邻的线性高分子链节之间通过支链连接成一个三维空间的网状交联结构.聚合物晶体: 聚合物中分子链排列呈周期和重复的原子排列,这样的聚合物称为聚合物晶体.结晶度: 其中 :全部为晶体时的密度; 具有部分晶体聚合物的密度; 完全为非晶时的密度.聚合物可以从完全的非晶到几乎全部的晶体(95%). 本 章 总 结 均聚物 共聚物 聚合物 线型聚合物 支链聚合物 交联聚合物 热塑性聚合物 聚合物晶体 结晶度第 五 章 固体中的缺陷 本章重点内容1.刃型位错,螺型位错的特点.2.柏氏矢量及其特征.3.晶 粒,晶 界,合 金,固溶体.4.短路扩散 反应扩散 上坡扩散.5.置换固溶体 间隙固溶体.6.晶界的特性.7.弗兰克-瑞德位错源增殖机制. 金属中的点缺陷点缺陷: 点缺陷是最简单的晶体缺陷,它是在结点上或邻近的微观区域内偏离晶体结构正常排列的一种缺陷.包括空位,间隙原子,杂质或溶质原子.其特征是在三维空间各个方向上尺寸都很小,故称为零维缺陷.线缺陷: 其特征是在两个方向上尺寸都很小,另外一个方向上延伸较长,也称为一维缺陷.包括各类位错. 面缺陷: 其特征是在一个方向上尺寸很小,另外两个方向上扩展很大,也称二维缺陷.包括表面,晶界,亚晶界等.点缺陷: 空 位 间隙原子空 位: 肖特基空位 弗仑克尔空位 当某一原子具有足够大的振动能而使振幅增大到一定限度时，就可能克服周围原子对它的制约作用，跳离其原来的位置使点阵中形成空结点，称为空位 当原子迁移到晶体表面或内表面的正常结点位置上，而使晶体内部留下空位，称为肖特基空位 当原子挤入点阵的间隙位置，而在晶体中形成数目相等的空位和间障原子，则称为弗仑克尔空位 典型位错: 刃型位错 螺型位错刃型位错的特征:a.刃型位错有一个半原子面b.刃型位错可解释为晶体中以滑移区和未滑移区的分界线c.滑移面必定是同时包含有位错线和滑移矢量的平面，在其它 面上不能滑移d.晶体中存在刃型位错之后，位错周围的点阵发生弹性畸变， 既有切应变又有正应变e.在位错线周围的过渡区每个原子具有较大的平均能量 螺型位错的特征: A.螺型位错无半原子面，原子错排是呈轴对称的B.螺型位错可分为右旋和左旋螺型位错C.螺型位错线与滑移矢量平行，因此一定是直线，而且位错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直D.螺型位错的滑移面不是唯一的凡是包含螺型位错线的滑移面都可以做为它的滑移面E.螺型位错线周围点阵也发生畸变，但是只有平行于位错线的切应变而无正应变，不会引起体积的膨胀和收缩F.螺型位错周围的点阵畸变随离位错线距离的增加而急剧减少，故它也是包含几个原子宽的线缺陷 柏氏矢量及其特征a.柏氏矢量是一个反映位错周围点阵畸变积累的物理量矢量的方向表示位错的性质和位错的取向而大小则表示畸变的程度，称为位错强度b.柏氏矢量的与回路起点及其具体途径无关，只要不和其它位错线相遇，不论回路怎样扩大，缩小或任意移动，由此回路确定的柏氏矢量是唯一的，这一点称为柏氏矢量的守恒性c.一根位错线有唯一的柏氏矢量位错线在晶体中运动或改变方向时，其柏氏矢量不变d.若一个柏氏矢量为b的位错可以分解为几个柏氏矢量的位错，则分解后各柏氏矢量之和等于原位错的柏氏矢量若有数个位错线交于一点，则指向结点的各位错线的柏氏矢量之和应等于离开结点的各位错线的柏氏矢量之和e.位错有连续性不能中断于晶体内部可以形成位错环或终止于晶界等晶 粒 晶 界 合 金 固溶体晶 粒: 组成多晶体的基本单位叫晶粒.晶 界: 晶体结构相同但位向不同的晶粒之间的界面称为晶粒间界，或简称晶界。每个晶粒内的原子排列总体上是规整的，但还存在许多位向差极小的亚结构，称为亚晶粒。亚晶粒之间的界面叫亚晶界。合 金: 合金是指由两种或两种以上的金属或金属与非金属经熔炼,烧结或其他方法组合而成并具有金属特性的物质.组成合金的基本的,独立的特质称为组元.置换固溶体 间隙固溶体置换固溶体: 当溶质原子溶入溶剂中形成固体溶体时,溶质原子占据溶剂点阵的阵点,或者说溶质原子置换了溶剂点阵的部分溶剂原子,这种固溶体就称为置换固溶体. 间隙固溶体: 溶质原子分布于溶剂晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体. 短路扩散 反应扩散 上坡扩散上坡扩散: 菲克第一定律描述的是物质的扩散一般是从高浓度区向低浓度区扩散,最终会使成分趋于均匀,而在实际的晶体的扩散也有的扩散过程是从低浓度区向高浓度区扩散的,这种扩散我们称为上坡扩散.短路扩散: 由于晶界,表面及位错处可视为晶体缺陷,缺陷产生的畸变使原子在这些地方的迁移较晶内容易,导致物质在这些地方的扩散速率比晶体内大的现象我们称为”短路”扩散.反应扩散: 当某种元素通过扩散，自金属表面向金属内渗透时，若该扩散元素的含量超过基体金属的溶解度，则随着扩散的进行会在金属表层形成中间相的现象称为反应扩散影响扩散的因素: 温度固溶体类型晶体结构晶体缺陷化学成分应力的作用相 界: 在多相组织中，具有不同晶体结构的两相之间的分界面称为相界。 相界的结构有三类，即共格界面, 半共格界面和非共格界面。 界面上的原子同时位于两相晶格的结点上，为两种晶格所共有的界面称为共格界面。 界面上的两相原子部分地保持着对应关系的界面称为半共格相界面。其特征是在相界面上每隔一定距离就存在一个刃型位错。 位错增殖的Frank-Read源1.晶界的特性(1)晶界处点阵畸变大，存在着晶界能(2)晶界处原子排列不规则，宏观表现为晶界强度和硬度高于 晶内(3)原子在晶界处的扩散速度比在晶内快，快乐晶界处原子偏 离平衡位置，具有较高的动能(4)固态相变时新相易于在晶界处优先形核(5)由于成分偏析和内吸附现象，晶界处易于富集杂质原子， 晶界的熔点较低，在加热过程中容易引起晶界熔化和氧 化，导致“过热” 现象的产生(6)晶界能量较高，原子处理不稳定的状态，由于杂质原子富 集，晶界的腐蚀速度较快 本章重点内容1.刃型位错,螺型位错的特点.2.短路扩散 反应扩散 上坡扩散. 第六章 扩 散 本章重点内容 自扩散 互扩散 稳态扩散 非稳态扩散 扩散 菲克第一定律 菲克第二定律 扩散激活能 渗 碳自扩散: Diffusion also occurs for pure metals, but all atoms exchanging positions are of the same type; this is termed self-diffusion. 在纯金属中,所有的原子都以热振动而产生的扩散称为自扩散. 互扩散: Copper atoms have migrated or diffused into the nickel, and that nickel has diffused into copper. This process, whereby atoms of one metal diffuse into another, is termed inter-diffusion, or impurity diffusion. 如在铜镍扩散过程中,铜原子向镍中扩散以及镍原子向铜中扩散的现象称为异(互)扩散.扩散: 通过材料中原子的移动实现的材料传输的现象称为扩散.稳态扩散: If the diffusion flux does not change with time, is termed steady-state diffusion. 扩散通量不随时间而变化的扩散称为稳态扩散. 非稳态扩散: Most practical diffusion situations are nonsteady-state ones, are termed nonsteady-state diffusion. 在大多数的实际情况下,扩散通量通常是随时间变化而变化的,这种扩散称为非稳态扩散.短路扩散 通常把在晶界,表面及位错等缺陷处的扩散称为”短路扩散”.扩散激活能 通常把原子扩散所需要的能量称为扩散激活能.D的大小与温度无关,只是与扩散机制和材料相关.菲克第一定律 J扩散通量,D为扩散系数,为浓度(物质量浓度)负号表示物质的扩散方向与质量浓度梯度方向相反,表示物质一般是从高浓度区向低浓度区迁移的.菲克第二定律 柯肯达尔效应 在柯肯达尔实验中,导致钼丝发生移动的原因并不是原子尺寸的差异,而是由于锌由黄铜中扩散出去的通量比铜原子扩散进入的通量大的原因,此种不等量的扩散导致钼丝移动的现象称为柯肯达尔效应.柯肯达尔效应的实质是在扩散过程中净的空位流的出现.扩散的原子理论 扩散的主要机制有四种,其中包括交换机制,间隙机制,空位机制和晶界扩散及表面扩散. 1.交换机制包括直接交换和环形交换两种,扩散的结果是等量扩散. 2.间隙机制所需要的扩散激活能较大也会引起较大的晶格畸变,主要包括”推填”和”挤列”. 3.空位机制中原子借助于空位进行扩散,空位使原子的扩散更为容易,所需要的扩散激活能更小,空位机制是使扩散出现不等量扩散的主要原因. 4.晶界扩散及表面扩散,由于晶界,表面及位错均可视为晶体中的缺陷,使得原子迁移比在完整晶体内容易,导致这些缺陷中的扩散速率大于完整晶体内的扩散速率.因此晶界,表面及位错处有利于原子的扩散. 本 章 总 结稳态扩散 非稳态扩散 自扩散 互扩散 短路扩散 扩散机制的基本论述.利用菲克定律解渗碳的题需要注意,在教科书133页. 第七章 力学性质 本章重点内容1.高分子材料的变形特点与金属材料的变形特点的比较.1.1金属材料的变形特点及其微观解释.1.2高分子材料的变形特点.2.几个重要概念.弹性变形 塑性变形 屈 服拉伸应力 真 应 力 真应变弹性变形: 材料的变形过程中如果应力与应变成比例则称为弹性变形. 塑性变形: 对于大多数金属材料来说,其弹性变形不足其应变的0.005,当变形超过这一数值,则应力与应变不再服从胡克定律,即发生永久的不可恢复的变形称为塑性变形.屈服: 为了获得材料的弹性变形的最大值,即材料塑性的变形开始称为屈服.屈服强度: 在材料的应力-应变曲线上,材料发生微量塑性变形的点所对应的应力称为屈服强度.拉伸应力: 材料的应力-应变曲线上的最大应力即为材料的拉伸强度.真应力: 真应力是载荷F与应变开始的瞬时横截面积A的比值.真应变: 如果无体积变化的情况下真应变与真应力的关系为: T=ln(1+)1.1金属材料的变形特点. 此一部分重点理解金属材料的应力应变曲线.及对金属材料在外力作用下发生变形的变形特点.包括弹性变形和塑性变形两个阶段.这里还要注意一下单晶体和多晶体的塑性变形特点.上海交大教材的164页下部图5.2中通过原子的结合能及结合力来给金属材料的变形以微观的解释.对这样的一个图应该有所了解.也成为考查的重点内容.1.2高分子材料的变形特点. 高分子材料的变形特点及其拉伸过程应力应变曲线在上海交大教的220页的上部及221页的中部.尤其图5.83. 本 章 总 结金属应力应变与高分子材料的应力应变特点的比较.金属材料应力应变的微观解释.第八章 变形和强化机制 本章重点内容1.多晶体材料的塑性变形特点.2.几种重要的强化机制及其特点.3.晶体结晶与再结晶的区别. 多晶体材料塑性变形的特点:1.由于多晶体材料中各个晶粒的取向各不相同,因此多晶体材料的塑性变形需要各个晶粒的多系滑移来保证相互之间的协调性.2.多晶体中存在的晶界对晶体材料的变形具有阻碍效应.多晶体材料的强度随晶粒的变小而增加.晶粒越小变形越困难.滑移带，滑移线与滑移系: 将抛光的单晶体棒试样经良好抛光后进行适当拉伸，使之产生一定的塑性变形，即可在金属棒表面见到一条条细线，通常称为滑移线，事实上它是一系列的台阶，用电镜观观察会发现它由许多更细的线组成，这些细线我们称为滑移线宏观所看到地滑移线事实上是滑移带塑性变形时位错只沿着一定的晶面和晶向运动，这些晶面和晶向分别称为“滑移面”和“滑移方向”一个滑移面和此面上的一个滑移方向合起来叫做一个滑移系面心立方中12个，体心立方中48个，密排六方中个孪生，孪晶，孪晶界和孪生方向在晶体的塑性变形过程中，发生切变时并不会使晶体的点阵类型发生变化，但它却使均匀切变区中的晶体取向发生变更，变为与未切变区晶体呈镜面对称的取向，这一变形过程称为孪生变形与未变形两部分晶体合称为孪晶均匀切变区与未切变区的分界面称为孪晶界发生均匀切变的那组晶面称为孪晶面孪生面的移动方向称为孪生方向回复,再结晶,晶粒长大回复:是指新的无畸变晶粒出现之前所产生的亚结构和性能变化的阶段.再结晶:再结晶是指出现无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒的过程，再结晶后金属的性能也发生了明显的变化并恢复到变形前的状况晶粒长大：晶粒长大是指再结晶结束之后晶粒的继续长大再结晶的特点:驱动力：再结晶的驱动力是变形金属经回复后未被释放的储存能形核：再结晶的形核主要有两种机制，晶界弓出形核机制和亚晶界形核机制a.对于变形程度较小的金属，其再结晶核心多以晶界弓出方式形核，即应变诱导晶界移动或称为凸出形核机制 b.亚晶形核机制又分为以下几种，亚晶合并机制和亚晶迁移机制，此机制一般是在大的变形度下发生的，依靠亚晶粒的粗化来发展为再结晶核心，亚晶粒本身是在剧烈应变的基体只通过多边化形成的，几乎无位错的低能量地区，它通过消耗周围的能量长大成为再结晶的有效核心，随着形变度过增加会产生更多的亚晶而有利于再结晶形核晶粒长大再结晶晶核形成之后，它就借界面的移动而向周围畸变区域长大，界面迁移的推动力是无畸变的新晶粒本身与周围畸变的母体之间的应变能差，晶界总是背离其曲率中心，向着畸变区域推进，直到全部形成无畸变的等轴晶粒为止，再结晶宣告完成从回复的动力学曲线看回复的特点没有孕育区在一定温度时，初期的回复速率很大，随后即逐渐变慢，直到趋近于零每一温度的回复程度有一极限值，退火温度愈高，这个极限值也愈高，而达到此一极限值所需时间则愈短预变形量愈大，起始的回复速率也愈快，晶粒尺寸减小也有利于回复过程的加快再结晶温度及其影响因素a.变形程度的影响变形程度越大，再结晶所需温度越低再结晶速度也越快b.原始晶粒尺寸的影响原始晶粒尺寸越细小，则变形的抗力越大，冷变形后储存的能量较高，再结晶温度则较低c.微量溶质原子的影响微量溶质元素不利于再结晶的进行，因此随量的增加会使再结晶过程难于进行，再结晶温度会提高d.第二相粒子的影响第二相粒子的存在可能促进再结晶的进行，也可能阻碍再结晶的进行，主要取决于其在基体的的分布和大小e.再结晶退火工艺参数的影响加热速度，加热温度与保温时间等退火工艺参数对变形金属的再结晶都有着不同程度的影响固溶强化作用的影响因素A.溶质原子的原子数分数越高,强化作用也越大,特别是当原子数分数很低时的强化效应更为显著.B.溶质原子与基体金属的原子尺寸相差越大则强化作用越大.C.间隙型溶质原子比置换原子具有较大的固溶强化效果.D.溶质原子与基体金属的价电子数相差越大固溶强化作用越显著,即固溶体的屈服强度随合金电子深度的增加而提高.第二相粒子的强化作用. 第二相粒子的强化作用是通过其对位错的运动的阻碍作用而表现出来的.第二相粒子可以分为”不可变形”和”可变形两类”.它们与位错的作用机制不用,强化的途径也不相同. A.不可变形粒子的强化作用.当运动位错与第二相粒子相遇时,当力足够大时,位错会绕过第二相粒子继续运动,继而在第二相粒子的周围留下位错环,由此会产生一反相应力,使得流变应力迅速提高,此机制称为奥罗万机制. B.可变粒子的强化作用.当第二相为可变形的粒子时,位错会切过粒子使之随本体一同变形,此种情况下强化作用取决于粒子本身的性质.详见教材174页.材料的加工硬化(应变强化). 金属材料冷加工变形后,强度显著提高,而塑性明显下降,即产生加工硬化现象. 根据单晶体应力-应变曲线,其塑性变形部分由三个阶段组成.177页图示. 第一阶段:易滑移阶段. 第二阶段:线性硬化阶段. 第三阶段:抛物线型硬化阶段.细晶强化: 在多晶体材料中,晶界的面积的增加有利于增加材料的力学性能,而晶界的面积的增加可以直接通减小晶粒的尺寸来体现,多晶体的屈服强度与晶粒的直径关系可用著名的霍尔佩奇公式来表示. 由于晶粒的细化不仅使材料具有较高的强度,硬度,而且也使它具有良好的塑性和韧性,即具有良好的综合力学性能.因此,通过晶粒细化的方法可以很好的提高材料的各项力学性能. 纯晶体的凝固理论结晶温度: 上交大教材227页图6.2.原子在固态中自由能与液态中自由能随温度变化的两条曲线的交点称为理论结晶温度点.也是熔点Tm.过冷度: 理论结晶温度与实际结晶温度的差值称为过冷度. T= Tm-T晶体凝固的热力学条件: 实际结晶温度低于理论结晶温度即存在过冷度. 晶体的凝固: 晶体的凝固包括形核与长大两个过程.晶体的形核方式: 均匀形核与非均匀形核.临界晶核: 当液相温度降到熔点以下时,在液相中出现的时聚时散的短程有序的原子集团称为晶胚.在晶胚的长大过程中,液态中原子转为晶态排列降低了体系的自由能.但是表面的增加又会引起表面自由能的增加.因此在晶胚长大过程中驱动力与阻力并存.但是当临界晶胚小于一定尺寸时,会自由熔掉,而大于一定的尺寸的时候则会继续长大形成晶粒.具有一定尺寸的晶胚称为临界晶核.过冷度对形核率的影响: 一方面过冷度的减小会减小形核功,有利于形核,增加形核率.另一方面,过冷度如果继续增大,但由于温度较低影响到原子的扩散,形核率又会随之而减小.均匀形核: 晶体在结晶过程中,在液相内部由于热过冷的存在,完合依靠液体内部的晶胚的形核过程称为均匀形核.非均匀形核: 依靠外来杂质或铸型内壁形核的过程称为非均匀形核.非均匀形核与均匀形核的区别 (1)非均匀形核的形核功要小于均匀形核的形核功. (2)非均匀形核所需要的过冷度较均匀形核小. (3)非均匀形核的临界晶核尺寸较均匀形核小.晶体的长大方式: 按固液相前沿的界面结构来确定:粗糙界面(小平面界面)和光滑界面(非小平面界面). 金属与一些低熔化熵的有机化合物其液固界面多为粗糙界面.大多数无机化合物及亚金属,半导体其液固界面为光滑界面. 粗糙界面一般为连续长大,界面为光滑界面,一般会以二维晶核的方式长大.二维晶核是指一定大小的单分子或单原子薄层.但二维晶核所需要的形核功较大,这种长大方式较为少见.光滑界面一存在螺形位错时一般会借助于螺形位错长大.晶体的生长形态: 晶体的生长形态主要受到温度梯度的影响.正温度梯度的情况下,固液界面一般保持平面生长形态,偶有突起,也会受到液相内高温的影响而熔掉.而负温度梯度的情况下,晶体的生长方式一般以树枝晶的方式生长.因为负的温度梯度有利于树枝晶的形成及快速长大. 本章重点内容 多晶体材料的塑性变形特点 强化特点: 固溶强化 应变强化 细晶强化 二相粒晶强化 再结晶与凝固过程结晶的异同.第 九 章 失 效 本章重点内容1.延性断裂,脆性断裂.2.穿晶断裂,沿晶断裂.3.延性-脆性转变.4.疲劳,蠕变,腐蚀疲劳.5.应力和温度对蠕变的影响(了解).6.疲劳裂纹的形成与扩展(了解).7.影响疲劳寿命的因素.延性断裂: 对于延性断裂而言,其断口存在一定的缩颈现象.其断裂过程存在以下几个阶段: 首先,缩颈开始之后,会在缩颈部位出现一定量的小孔洞 第二阶段,小的孔洞扩展,联合形成较大的孔. 第三阶段,裂纹沿聚结孔洞的轴向继续扩展 最 后,进入快速断裂阶段脆性断裂: 脆性断裂在发生断裂之前没有任何的预生的塑性变形发生,并且扩展速度较快.裂纹的扩展方向基本上与真实应力的方向垂直。穿晶断裂： 断裂过程中裂纹扩展是从晶粒中间穿过的称为穿晶断裂沿晶断裂：对于某些合金来说，裂纹扩展是沿晶界完成的称为沿晶断裂.延脆性转变: 摆锤冲击试验和埃左氏冲击试验主要是用来测定材料是否随温度的降低发生延-脆性转变的,如果发生,那么在这个温度区间将是材料的延-脆性转变区间.影响疲劳寿命的因素：.平均应力平均应力的增加导致疲劳寿命的降低.表面效应疲劳寿命对表面的状态及表面的形态非常敏感因为大多数导致疲劳失效的裂纹在表面萌生.设计因素构件的设计能够极大的影响材料的疲劳特点尤其是构件的几何形态.表面处理表面的机加工会导致表面出现许多的划痕，这些表面的印痕影响了材料的疲劳寿命，可以通过抛光的方法来降低其影响蠕变: Materials are often placed in service at elevated temperatures and exposed to static mechanical stresses, deformation under such circumstances is termed creep. 材料在静态作用力及指定温度的条件下,材料的变形随时间的塑性变形称为蠕变.疲劳: Fatigue is a form of failure that occurs in structures subjected to dynamic and fluctuating stresses. 疲劳是构件在动态或循环应力的作用下的一种失效形式. 本章总结1.延性断裂,脆性断裂.2.穿晶断裂,沿晶断裂.3.影响疲劳寿命的因素第十章 相 图 本章重点内容重点概念:1.相,相律,相图,组织,组元.2.共晶反应,共析反应,包晶反应,3.铁素体,渗碳体,珠光体,金属间化合物,中间固溶体,先共析渗碳体,先共析铁素体,端部固溶体,奥氏体.4.共晶相图,匀晶相图,包晶相图.5.亚共析合金,过共析合金.6.绘制铁碳相图.并对相图进行组织分析.7.利用杠杆定律进行铁碳相图的相关计算.组元,相,相律,组织,单元系相图组元: 组成一个体系的基本单元(单质或化合物)称为组元.相: 体系中具有相同物理或化学性质的,且与其它部分以界面分 开的均匀部分称为相.组织: 在合金中,组织是由许多的相以一定的比例以及分布方式构成.相律: 相律是指平衡状态下体系中所存在的相数与组元数及温度, 压力之间关系的规律.f=C-P+2(吉布斯相律)单元系相图: 通过几何图形描述由单一组元构成的体系在不同温度和压力 条件下所可能存在的相及多相的平衡.奥氏体: 奥氏体是钢中的一种高温情况下存在的相,其强度硬度均不高,因此钢的热压力加工一般在奥氏体存在的温度下进行.铁素体: 铁素体是碳在铁中形成的间隙固溶体.体心立方结构.在相图中的区域可以参看铁碳相图.在高温情况下存在的铁素体称为高温铁素体,是碳在铁中形成的固溶体.同样为体心立方结构.渗碳体: 渗碳体是一种复杂斜方结构的间隙化合物.含碳量6.69%,几乎无塑性,硬度较高.平衡相图: 相图中所示的相一般均为平衡状态(外界条件不变时,一般这种状态也不随时间变化),此相图称为平衡相图. 匀晶相图: 由液相结晶出单相固溶体的过程称为匀晶转变(匀晶反应).两组元在液态和固态均能无限互溶时形成的相图称为匀晶相图.共晶相图: 在共晶温度下液相通过共晶凝固同时结晶出两个固相的过程称为共晶转变(共晶反应),包括共晶转变的相图称为共晶相图.组成共晶相图的两组元,在液态可无限互溶,而固态只能部分互溶或完全不溶.包晶相图: 包晶转变(包晶反应)就是已结晶的固相与剩余液相反应形成另一固相的恒温转变.包括包晶转变的相图称为包晶相图.组成包晶相图的两组元,在液态可无限互溶,而在固态只能部分互溶. 离异共晶: 形成共晶组织的两相分离开来的共晶组织形态.形成条件,非平衡结晶.共晶体的数量很少.伪共晶: 在非平衡结晶的情况下,尽管合金成分偏离开相图中共晶成分点,依然能够形成完全的共晶组织形态称为伪共晶.共晶体: 共晶转变生成物为两个相的机械混合物.我们把它们称为共晶体.有共晶转变的合金称为共晶合金. 本章总结 铁碳相图的计算及相关概念.第十一章 相 变 本章重点内容1.过冷,过热,成分过冷,热过冷.2.人工时效(沉淀硬化处理),自然时效.3.连续冷却转变,等温转变.4.珠光体,贝氏体,马氏体5.铁碳合金固态相变特点(珠,贝,马转变特点).6.沉淀硬化机理. 热处理中钢在奥氏体化后通常有两种冷却方式:一种是连续冷却,另一种是等温冷却.连续冷却转变: 所谓钢的连续冷却转变是指在一定冷却温度下,过冷奥氏体在一个温度范围内所发生的转变.这种转变可变的外部因素就是过冷奥氏体的冷却速度,研究连续冷却转变实质上是研究冷却速度对过冷奥氏体分解及分解产物的影响.等温冷却转变: 钢在等温冷却的情况下,可以控制温度和时间这两个因素,分别研究温度和时间对过冷奥氏体转变的影响,从而有助于弄清过冷奥氏体的转变过程及转变产物的组织和性能,并能方便地测定过冷奥氏体等温转变曲线. 马氏体转变特点: 1.马氏体转变是在无扩散的情况下进行的.由于马氏体转变是在较大的过冷度条件下进行的,铁原子,碳原子及其它合金元素活动能力较低,因此点阵重构是由原子集体有规律的近程性的完成. 2.马氏体的转变过程中会在表面产生浮凸3.马氏体转变具有一定的位向关系和惯习面马氏体是在奥氏一定的结晶面上形成的，此面称为惯习面，它在相变过程中不变形，也不转动由于马氏体转变时新相和母相始终保持切变共格性，因此马氏体转变后新相和母相之间存在一定的结晶学位向关系主要在位向关系和西山位向关系4.降温转变及马氏体转变的高速特点马氏体转变是在一定的温度范围内进行的，马氏体转变动力学的主要形式有变温转变和等温转变两种降温形成的马氏体其转变速度极快5.马氏体转变具有可逆性6.合金元素无扩散贝氏体转变特点：钢在珠光体转变温度以下，马氏体转变温度以上的温度范围内过冷奥氏体发生的转变称为贝氏体转变（中温转变）贝氏体也是由铁素体与渗碳体组成的机械混合物贝氏体的组织形态主要是羽毛状和颗粒状贝氏体的性能主要取决于组织形态其各相的形态，分布都影响贝氏体的性能上贝氏体的形成温度较高，铁素体与碳化物分布具有明显的方向性，因此这种组织易产生脆断下贝氏体中铁素体针细小而均匀分布，帮位错密度很高，而且韧性也很好，具有良好的机械混合性能粒状贝氏体的抗拉强度和屈服强度随小岛所占的面积的增多而提高下贝氏体比回火高碳马氏体具有更高的韧性，较低的缺口敏感性和裂纹敏感性（）贝氏体转变是一个形核与长大过程（）贝氏体中铁素体是形成是按马氏体转变机构进行的（）贝氏体中碳化物的分布与形成温度有关（）贝氏体的组织形态具有多样性特点（）贝氏体转变是有扩散性，有共格的转变贝氏体的组织中存在许多的结构贝氏体转变具有不完全性合金