材料科学基础A

1、会计学1材料科学基础材料科学基础A2021-12-722021-12-732021-12-74特点：无饱和性和方向性。2021-12-752021-12-762021-12-772021-12-78一、晶体与非晶体一、晶体与非晶体区别：内部原子排列方式不同。区别：内部原子排列方式不同。晶体：固定的熔点晶体：固定的熔点; ; 各向异性等各向异性等非晶体：非晶体：无固定的熔点无固定的熔点; ;各向同各向同性性性能不同性能不同晶体：规则排列晶体：规则排列非晶体：无规则散乱非晶体：无规则散乱2021-12-792021-12-710图图13 晶体及晶格示意图晶体及晶格示意图（a）晶体中原子排列）晶体中

2、原子排列 （b）晶格）晶格 （c）晶胞）晶胞 (a) (b) (c）zyxacb2021-12-711zyxacb2021-12-7122021-12-7132021-12-714图图1-4 三种晶体结构模型三种晶体结构模型2021-12-715(一一)体心立方晶格体心立方晶格(bcc) 图1-5 体心立方晶胞晶胞的特征参数晶胞的特征参数:a = b = c , = = = 90 ;晶胞中的原子数晶胞中的原子数: n= 8 181= 2个个原子的半径原子的半径: R = 3 a42021-12-7162021-12-717(二二)面心立方晶格面心立方晶格(fcc)晶胞中的原子数晶胞中的原子数:

3、 n=81/8+61/2= 4个个晶胞的特征参数晶胞的特征参数:a = b = c , = = = 90 ;原子的半径原子的半径: R = 2 a4图图1-6 面心立方晶胞面心立方晶胞2021-12-7182021-12-719(三三)密排六方晶格密排六方晶格(hcp)图18 密排六方晶胞晶胞中的原子数晶胞中的原子数: n=121/6+21/2+3 =6个个晶胞的特征参数晶胞的特征参数:原子的半径原子的半径: R = a / 2 a = b = c, = = 90, = 1202021-12-720图图1-92021-12-721表1-2 常见的金属晶体结构原子半径原子数配位数致密度实例面心立

4、方fcc体心立方bcc密排六方hcpr2a/4r3a/4ra/2426128120.740.680.74-Fe，Cu，Ni，Al，Ag-Fe，Cr，V，Nb，Mo，W Zn，Mg，Be，-Ti，-Co注：密排六方的轴比Ca= 1.633， 实际1.571.64之间382021-12-7222021-12-723图图1-131-2 金属的晶体结构2021-12-7242021-12-7252021-12-7262021-12-7272021-12-728表1-3 常见金属晶体结构中的间隙八面体八面体间隙数间隙数八面体间隙八面体间隙位置位置四面体间四面体间隙数隙数四面体间四面体间隙隙位置位置八面体

5、间八面体间隙半径隙半径四面体四面体间隙半间隙半径径fccbcchcp4正正6扁扁6正正131868正正12斜斜12正正824200.146a0.067a0.08a0.126a0.112a注：a-晶格常数2021-12-7292021-12-730图图1-182021-12-7312021-12-7322021-12-733图图1-192021-12-7342021-12-7352021-12-7362021-12-737图图1-201 2 1 21 0 1 12021-12-7382021-12-7392021-12-7402021-12-741单晶体与多晶体单晶体与多晶体单晶体：单晶体：晶体

6、中原子排列规律相同、晶格位向一致。晶体中原子排列规律相同、晶格位向一致。多晶体多晶体：由位向不同的晶粒组成由位向不同的晶粒组成 实际金属大多为多实际金属大多为多晶体材料。晶体材料。图图1-21 纯铁的显微组织纯铁的显微组织2021-12-742六六.多晶型性多晶型性 固态下某些金属，在不同温度（或压力）固态下某些金属，在不同温度（或压力）时，具有不同的晶体结构。金属的这种性质称时，具有不同的晶体结构。金属的这种性质称为为多晶型性或多晶型性或同素异构现象。同素异构现象。1394 C912 Cbccfccbcc - Fe - Fe - Fe 纯铁的同素异构转变反应式:2021-12-7431394

7、153410006008001200温度温度时间16001500500700900110013001400912 - Fe - Fe - Fe图1-22 纯铁的冷却曲线2021-12-744实际晶体中常存在各种偏离理想结构的区域，即晶体缺陷。晶体缺陷对晶体的性质起着重要作用。按晶体缺陷的几何特征可分类为：点缺陷线缺陷面缺陷1-3 金属的晶体缺陷2021-12-745特 征实 例点缺陷线缺陷面缺陷三个方向的尺寸都很小，相当于原子的尺寸在两个方向的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大在一个方向上的尺寸很小，另外两个方向上的尺寸相对很大空位、间隙原子、置换原子刃型位错、螺型位错晶体外表面、晶界、亚晶

8、界表1-4 晶体中的缺陷2021-12-746图图1-2312021-12-747 空位n空位是一种热平衡缺陷n原子热振动能量起伏能量足够高的原子离开平衡位置空位nT空位浓度n肖脱基空位：脱离平衡位置的原子迁移到晶体的表面所产生的空位n弗兰克尔空位：脱离平衡位置的原子迁移到晶格的间隙中所形成的空位n空位运动：脱离平衡位置的原子迁移到其他位置导致空位的运动1-3 金属的晶体缺陷图图1-24 空位和异类原子的运动空位和异类原子的运动 2021-12-748图图1-242021-12-749邻近原子偏离平衡位置邻近原子偏离平衡位置 晶格畸变晶格畸变 材料性能变化2021-12-750二.线缺陷 在两

9、个方向的尺寸很小，另一个方向上的尺寸相对很大。主要是各种类型的位错。 位错 晶体中某处有一列或若干列原子发生了有规律错排的现象。 最基本的位错有两种：2021-12-751刃型位错 螺型位错1-3 金属的晶体缺陷图图1-25 2021-12-752 1.刃型位错 晶体中由已滑移区与未滑移区的交界处原子严重错排而造成的晶体缺陷称为位错。EF线称为位错线，由于它像刀刃，所以称为刃型位错。 EF图图1-262021-12-753(1)刃型位错分类正刃型位错负刃型位错 滑移面上边滑移面上边压应力压应力“”正刃型位错正刃型位错 滑移面滑移面切应力切应力 滑移面下边滑移面下边拉应力拉应力 滑移面上边滑移面

10、上边拉应力拉应力“”负刃型位错负刃型位错 滑移面滑移面切应力切应力 滑移面下边滑移面下边压应力压应力位错线位错线晶格畸变区晶格畸变区弹性应力场弹性应力场晶格畸变程度大于其正常原子间距晶格畸变程度大于其正常原子间距1/4的区域称为的区域称为位错宽度位错宽度，约为，约为35个原子间距个原子间距图图1-27 正刃型位错和负刃型位错正刃型位错和负刃型位错 2021-12-754(2)刃型位错的特征：刃型位错的特征： n刃型位错有一额外半刃型位错有一额外半原子面；原子面； n位错线是一个具有一位错线是一个具有一定宽度的细长晶格畸定宽度的细长晶格畸变的管道，其中既有变的管道，其中既有正应变又有切应变；正应

11、变又有切应变； n位错线与晶体滑移的位错线与晶体滑移的方向相垂直，即位错方向相垂直，即位错线运动的方向垂直于线运动的方向垂直于位错线。位错线。2021-12-755 螺型位错模型图图1-282021-12-7561-3 金属的晶体缺陷图1-29 螺型位错2021-12-757图1-30 右螺型位错螺旋示意2021-12-7582021-12-7592021-12-760112233a)实际晶体的柏氏回路实际晶体的柏氏回路 b)完整晶体的相应回路完整晶体的相应回路图图1-31 刃型位错刃型位错柏氏矢量的确定柏氏矢量的确定图1-32 螺型位错柏氏矢量的确定左螺位错2021-12-761图1-332

12、021-12-7622021-12-763图图1-34 混合位错的原子模型混合位错的原子模型图 1-35 混合位错的产生2021-12-764图图1-36 晶体中位错网络示意图晶体中位错网络示意图图图1-37 实际晶体中位错网络实际晶体中位错网络2021-12-7651-3 金属的晶体缺陷2021-12-7662021-12-7672021-12-768图1-38图1-39刃型位错墙2021-12-769图1-40由相互交由相互交叉的螺位叉的螺位错组成错组成注注：大多数大多数小小角度晶界一般角度晶界一般是由刃型和螺是由刃型和螺型位错组合而型位错组合而成的成的2021-12-770图1-41 大

13、角度晶界示意图多晶体金属中的多晶体金属中的晶界大多属此类晶界大多属此类2021-12-771图图1-42 金金-镍合金中的亚晶镍合金中的亚晶(三)亚晶界 1-3 金属的晶体缺陷 同一晶粒内部原子排列位向差小于 1的亚结构之间的界面即为亚晶界。 亚晶界也是由位错墙组成或其他位错的排列结构，属小角度晶界 。2021-12-7722021-12-773图1-43 相界面结构示意图2021-12-774F晶界具有界面能界面能晶界稳定性。F晶界的熔点低于晶粒的内部 。1-3 金属的晶体缺陷2021-12-7752021-12-776(一一)体心立方晶格体心立方晶格(bcc) 图1-5 体心立方晶胞晶胞的

14、特征参数晶胞的特征参数:a = b = c , = = = 90 ;晶胞中的原子数晶胞中的原子数: n= 8 181= 2个个原子的半径原子的半径: R = 3 a42021-12-777(三三)密排六方晶格密排六方晶格(hcp)图18 密排六方晶胞晶胞中的原子数晶胞中的原子数: n=121/6+21/2+3 =6个个晶胞的特征参数晶胞的特征参数:原子的半径原子的半径: R = a / 2 a = b = c, = = 90, = 1202021-12-7782021-12-7792021-12-780实际晶体中常存在各种偏离理想结构的区域，即晶体缺陷。晶体缺陷对晶体的性质起着重要作用。按晶体缺陷的几何特征可分类为：点缺陷线缺陷面缺陷1-3 金属的晶体缺陷2021-12-781(2)刃型位错的特征：刃