《材料科学基础复习》ppt课件

1、复习内容复习内容2021.6期末考试方式期末考试方式2021-2021第二第二学期学期类型类型1、概念题、概念题30-40分分2、简答题、简答题10分分3、填空题、填空题10分分4、计算题、计算题20分分5、分析论述题、分析论述题20分分第一章第一章 原子构造与键合原子构造与键合概念：概念：1 1、原子间键合类型及本质。、原子间键合类型及本质。2 2、金属、高分子、陶瓷资料中的键类型、典型物质称号。、金属、高分子、陶瓷资料中的键类型、典型物质称号。平衡间隔平衡间隔r0 Equilibrium spacing；当当 FA+ FR = 0 时的原子间距时的原子间距当当r = r0 时，时，E0称为

2、结合能称为结合能Bonding energy，将将2个原子无限分别所需能量。个原子无限分别所需能量。通常通常r0 0.3nm (3)1.2.1 键合力与能量键合力与能量 Bonding Forces and EnergyREE EArRrArNNdrFdrFdrF材材 料料 中中 的的 键键范德瓦尔键二次键范德瓦尔键二次键共价键共价键金属键金属键半导体半导体聚合物聚合物离子键离子键陶瓷和玻璃陶瓷和玻璃金属金属结结 合合 键键 的的 特特 性性离子键离子键共价键共价键金属键金属键构造特点构造特点无方向性或方向性不明无方向性或方向性不明显，配位数大显，配位数大方向性明显，配位数小，方向性明显，配位

3、数小，密度小密度小无方向性，无饱和性，无方向性，无饱和性，配位数极大，密度大配位数极大，密度大力学特点力学特点强度高，膨胀系数小，强度高，膨胀系数小，劈裂性良好，硬度大劈裂性良好，硬度大强度高，硬度大强度高，硬度大有各种强度，有塑性有各种强度，有塑性热学特点热学特点熔点高，膨胀系数小，熔点高，膨胀系数小，熔体中有离子存在熔体中有离子存在熔点高，膨胀系数小，熔点高，膨胀系数小，熔体中有的含有分子熔体中有的含有分子有各种熔点高，导热性有各种熔点高，导热性好，液态的温度范围宽好，液态的温度范围宽电学特点电学特点绝缘体，熔体为导体绝缘体，熔体为导体 绝缘体，熔体为非导体绝缘体，熔体为非导体导电体导电体

4、根据原子间键和的不同，将资料分为金属、陶瓷和高分子根据原子间键和的不同，将资料分为金属、陶瓷和高分子金属资料：金属键金属资料：金属键陶瓷资料：共价键陶瓷资料：共价键 / 离子键离子键高分子资料：共价键高分子资料：共价键 / 分子键分子键 / 氢键氢键 第二章固体构造第二章固体构造1 1、概念：、概念：空间点阵、晶体构造、晶胞、晶向族、晶面族、晶带及晶带空间点阵、晶体构造、晶胞、晶向族、晶面族、晶带及晶带定律、配位数、致密度、间隙固溶体、置换固溶体、电子浓定律、配位数、致密度、间隙固溶体、置换固溶体、电子浓度、电子化合物、间隙相、间隙化合物、超构造。度、电子化合物、间隙相、间隙化合物、超构造。2

5、 2、计算、计算晶向、晶面指数的标定，原子的线、面密度，致密度。晶向、晶面指数的标定，原子的线、面密度，致密度。体心立方体心立方堆垛因子致密度堆垛因子致密度0.68配位数：配位数：8面心立方面心立方堆垛因子致密度堆垛因子致密度0.74配位数：配位数：12密排六方密排六方堆垛因子致密度堆垛因子致密度0.74配位数：配位数：12晶体构造晶体构造 = 空间点阵空间点阵 + 基元基元刚球模型刚球模型三种典型金属构造的晶体学特点三种典型金属构造的晶体学特点构造特征构造特征晶体构造类型晶体构造类型面心立方面心立方(A1)体心立方体心立方(A2)密排六方密排六方(A3)点阵常数点阵常数aaa, c (c/a

6、 =1.633)原子半径原子半径R晶胞内原子数晶胞内原子数426配位数配位数128 12致密度致密度0.740.680.74a42a43 4321,222caa14种布拉菲点阵种布拉菲点阵与与7个晶系个晶系7个晶系个晶系棱边长度及夹角关系棱边长度及夹角关系14种布拉菲点阵种布拉菲点阵立方立方a=b=c,=90简单立方简单立方体心立方体心立方面心立方面心立方四方四方a=bc,=90简单四方简单四方体心四方体心四方菱方菱方a=b=c,=90简单菱方简单菱方六方六方a1=a2=a3c,= 90,=120简单六方简单六方正交正交abc,=90简单正交简单正交底心正交底心正交体心正交体心正交面心正交面心

7、正交单斜单斜abc,=90简单单斜简单单斜底心单斜底心单斜三斜三斜abc,90简单三斜简单三斜立方晶系常见晶向立方晶系常见晶向 由于由于3 3个坐标轴存在正、个坐标轴存在正、负值，因此在晶向指数中负值，因此在晶向指数中也可存在负值。也可存在负值。如：如：111,111 , 111 晶向族：晶向族：111立方晶系常见晶面立方晶系常见晶面晶面族：晶面族：100 六角晶系中的晶向、晶面六角晶系中的晶向、晶面a晶向晶向b晶面晶面02110011 0001)0101() 1110()0001( 留意：三指数系统与四指数系统转换关系留意：三指数系统与四指数系统转换关系晶晶 带带 定定 律律 一切平行或相交

8、于同不断线的晶面构成晶带，此直线一切平行或相交于同不断线的晶面构成晶带，此直线称为晶带轴，属于此晶带的晶面称为晶带面。称为晶带轴，属于此晶带的晶面称为晶带面。晶带轴晶带轴u v w与该晶带的晶面与该晶带的晶面h k l之间存在以下关系：之间存在以下关系：hu + kv + lw = 0u v wh k l晶带轴晶带轴晶带面晶带面晶带晶带线性与平面原子密度线性与平面原子密度线原子密度：在特定的晶向上，线矢量经过原子中心，线原子密度：在特定的晶向上，线矢量经过原子中心，2个原子中心间的线段长度为个原子中心间的线段长度为l，此线段中包含的原子部分，此线段中包含的原子部分的尺寸为的尺寸为c， c /

9、l为线原子密度为线原子密度LD。面原子密度：在特定的晶面上，晶面经过原子中心，由几面原子密度：在特定的晶面上，晶面经过原子中心，由几个原子中心构成的平面的面积个原子中心构成的平面的面积Ap，此平面中包含的原子，此平面中包含的原子部分的面积部分的面积Ac， Ac / Ap为面原子密度为面原子密度PD。密度计算密度计算AvogardroNVAnAcmolatoms/10023.623x常数，常数，阿伏加多罗阿伏加多罗晶胞体积晶胞体积原子分量原子分量晶胞中的原子数晶胞中的原子数密度密度r rNVnAAc r r 晶体构造可以视为原子密排面在空晶体构造可以视为原子密排面在空间一层一层平行堆垛的结果。间

10、一层一层平行堆垛的结果。密排密排面面数数量量密排密排方向方向数数量量体心立方体心立方11064面心立方面心立方11146密排六方密排六方六方六方底面底面1底面对底面对角线角线3密排面密排面 密排方向密排方向32种点群、种点群、 230种空间群种空间群点群：是指一个晶体中一切点对称元素的集合。点群点群：是指一个晶体中一切点对称元素的集合。点群在宏观上表现为晶体外形的对称。在宏观上表现为晶体外形的对称。 晶体外形中只能有晶体外形中只能有32种对称点群的缘由：种对称点群的缘由：(1)点对称与平移对称两者共存于晶体构造中，它们相互协调，点对称与平移对称两者共存于晶体构造中，它们相互协调，彼此制约；彼此

11、制约；(2) 点对称元素组合时必需经过一个公共点，必需遵照一定的规点对称元素组合时必需经过一个公共点，必需遵照一定的规那么，使组合的对称元素之间可以自洽。那么，使组合的对称元素之间可以自洽。空间群：用以描画晶体中原子组合的一切能够方式，空间群：用以描画晶体中原子组合的一切能够方式， 是确定晶体构造的根据。是确定晶体构造的根据。230种空间群：晶体构造中种空间群：晶体构造中32个点群和个点群和14种布拉菲点阵的组种布拉菲点阵的组合得到。合得到。X-射线衍射与射线衍射与Bragg定律定律X-射线与周期性陈列原子发生衍射的必要条件：射线与周期性陈列原子发生衍射的必要条件：一样密勒指数一样密勒指数 (

12、hkl) 的的AA，BB面，面，晶面间距晶面间距dhkl；2列列1，2单色单色X射射线波长线波长 ，以，以角入射，散射波为角入射，散射波为(1，2)，途径差为衍射条件：，途径差为衍射条件： n = SQ + QT = dhklsin + dhkl sin =2 dhklsin 布拉格定律布拉格定律 Bragg Lawn 为反射级数为反射级数the order of reflection，为整数，为整数1、2、3 2 衍射角衍射角 diffraction angle 合合 金金 相相 结结 构构合金合金Alloy：两种或两种以上金属元素，或金属元素：两种或两种以上金属元素，或金属元素与非金属元素

13、，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有与非金属元素，经熔炼、烧结或其它方法组合而成并具有金属特性的物质。金属特性的物质。组元组元Component：组成合金最根本的独立的物质，通：组成合金最根本的独立的物质，通常组元就是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。组常组元就是组成合金的元素，也可以是稳定的化合物。组元间由于物理的或化学的相互作用，可构成各种相。元间由于物理的或化学的相互作用，可构成各种相。相相Phase：是合金中具有同一聚集形状、一样晶体构：是合金中具有同一聚集形状、一样晶体构造、成分和性能均一，并以界面相界相互分开的组成造、成分和性能均一，并以界面相界相互分开的组成部分。部分。合金

14、中的相构造：可分为固溶体和中间相两大类。合金中的相构造：可分为固溶体和中间相两大类。合金中的相构造：合金中的相构造： 固溶体固溶体:置换式固溶体置换式固溶体间隙式固溶体间隙式固溶体 中间相金属间化合物中间相金属间化合物 :正常价化合物正常价化合物_符合化合物原子价规律符合化合物原子价规律电子化合物电子化合物(休姆休姆-罗塞里相罗塞里相)_电子浓度决议晶体构造电子浓度决议晶体构造间隙相间隙相_rX/rM0.59时，构成复杂晶体构造时，构成复杂晶体构造, Fe3C电子浓度电子浓度: : 合金中价电子数目与原子数目的比值，即合金中价电子数目与原子数目的比值，即e/ae/a100)100(/BxxAa

15、eA，B分别为溶剂、溶质的原子价，分别为溶剂、溶质的原子价，x为溶质的原子分数为溶质的原子分数%固固 溶溶 体体定义：溶质原子完全溶于固态溶剂中，并能坚持溶剂元素的定义：溶质原子完全溶于固态溶剂中，并能坚持溶剂元素的晶格类型晶格类型, ,这种类型的合金相称为固溶体。这种类型的合金相称为固溶体。固溶体种类：根据溶质原子在溶剂中的位置，可分为置换式固溶体种类：根据溶质原子在溶剂中的位置，可分为置换式SubstitutiveSubstitutive固溶体与间隙式固溶体与间隙式InterstitialInterstitial固溶体。固溶体。间隙固溶体间隙固溶体 当溶质原子半径小，与溶剂原子半径差当溶质

16、原子半径小，与溶剂原子半径差r41% 时，溶质原子能够进入溶剂晶格间隙时，溶质原子能够进入溶剂晶格间隙中构成间隙固溶体中构成间隙固溶体 通常原子半径小于通常原子半径小于0.1nm的非金属元素，如的非金属元素，如H、C、N、O等容易成为溶质间隙原子等容易成为溶质间隙原子 由于溶质原子大小比晶格间隙的尺寸大，引起由于溶质原子大小比晶格间隙的尺寸大，引起溶剂点阵畸变，故间隙固溶体都是有限固溶体溶剂点阵畸变，故间隙固溶体都是有限固溶体面心立方晶格中的间隙面心立方晶格中的间隙位于晶胞中心，由六个原子所组成位于晶胞中心，由六个原子所组成的八面体中心共的八面体中心共4个个rB/rA = 0.414位于晶胞体

17、对角线上靠结点位于晶胞体对角线上靠结点1/4处，由四处，由四个原子所组成的四面体中心共个原子所组成的四面体中心共8个个rB/rA = 0.225设原子半径为设原子半径为rA, 间隙中能包容的最大圆球半径为间隙中能包容的最大圆球半径为rB体心立方晶格中的间隙体心立方晶格中的间隙位于晶胞六面体的面中心，由六个原位于晶胞六面体的面中心，由六个原子所组成的八面体中心共子所组成的八面体中心共6个个rB/rA = 0.15由四个原子所组成的四面由四个原子所组成的四面体中心体中心 共共12个个rB/rA = 0.29 设原子半径为设原子半径为rA, 间隙中能包容的最大圆球半径为间隙中能包容的最大圆球半径为r

18、B注：体心立方构造的四面体和八面体间隙不对称注：体心立方构造的四面体和八面体间隙不对称( (其棱边长度不全其棱边长度不全相等相等) )，这会对间隙原子的固溶及其产生的畸变有明显的影响。，这会对间隙原子的固溶及其产生的畸变有明显的影响。置换固溶体置换固溶体 溶解度的影响要素溶解度的影响要素 晶体构造：晶体构造一样是组元间构成无限固溶体的必要条晶体构造：晶体构造一样是组元间构成无限固溶体的必要条件。组元的晶体构造类型不同，其溶解度只能是有限的。件。组元的晶体构造类型不同，其溶解度只能是有限的。 原子尺寸：组元的原子半径差原子尺寸：组元的原子半径差r15%时，有利于构成溶解时，有利于构成溶解度较大的

19、固溶体；当度较大的固溶体；当r 15%时，时， r 越大那么溶解度越小。越大那么溶解度越小。 化学亲和力电负性要素：组元间电负性相近，能够具有化学亲和力电负性要素：组元间电负性相近，能够具有大的溶解度；电负性差大，那么化学亲和力大，易构成化合物，大的溶解度；电负性差大，那么化学亲和力大，易构成化合物，而不利于构成固溶体，固溶体的溶解度愈小。而不利于构成固溶体，固溶体的溶解度愈小。 原子价要素：溶质的原子价电子浓度影响固溶体的溶解原子价要素：溶质的原子价电子浓度影响固溶体的溶解度，最大溶解度时，电子浓度度，最大溶解度时，电子浓度 e/a 接近接近1.4。中间相金属间化合物中间相金属间化合物 两组

20、元两组元A和和B组成合金时，除了可构成固溶体之外，假设溶质含量超组成合金时，除了可构成固溶体之外，假设溶质含量超越其溶解度时，便能够构成新相，其成分处于越其溶解度时，便能够构成新相，其成分处于A在在B中、和中、和B在在A中的中的最大溶解度之间，故称为中间相。最大溶解度之间，故称为中间相。 中间相可以是化合物，也可以是以化合物为基的固溶体第二类固溶中间相可以是化合物，也可以是以化合物为基的固溶体第二类固溶体或二次固溶体。它的晶体构造不同于其任一组元，结合键中通常体或二次固溶体。它的晶体构造不同于其任一组元，结合键中通常是金属键和其它典型键如离子键、共价键和分子键相混合。因此是金属键和其它典型键如

21、离子键、共价键和分子键相混合。因此中间相具有一定的金属特性，又称为金属间化合物。中间相具有一定的金属特性，又称为金属间化合物。 金属间化合物种类很多，主要包括三种：金属间化合物种类很多，主要包括三种： 正常价化合物正常价化合物 电子化合物电子化合物 间隙相和间隙化合物间隙相和间隙化合物正常价化合物正常价化合物 正常价化合物是指符合化合物正常价化合物是指符合化合物原子价规律的金属间化合物。它原子价规律的金属间化合物。它们具有严厉的化合比，成分固定们具有严厉的化合比，成分固定不变。不变。 它的构造与相应分子式的离子它的构造与相应分子式的离子化合物晶体构造一样，如分子式化合物晶体构造一样，如分子式具

22、有具有AB型的正常价化合物其晶体型的正常价化合物其晶体构造为构造为NaCl型。型。 正常价化合物常见于陶瓷资料，正常价化合物常见于陶瓷资料，多为离子化合物。多为离子化合物。例如：例如：Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Ge、Mg2Si 等等等等电子化合物休姆电子化合物休姆-罗塞里相罗塞里相Hume-Rothery phase 电子化合物是指按照一定价电子浓度的比值组成一定电子化合物是指按照一定价电子浓度的比值组成一定晶格类型的化合物，即电子浓度决议晶体构造。晶格类型的化合物，即电子浓度决议晶体构造。 电子化合物不符合化学价规律，原子间以金属键为主，电子化合物不符合化学价规律，原子间以金属键为主，具

23、有明显的金属特性。具有明显的金属特性。如：价电子浓度如：价电子浓度e/a： 3/2 体心立方体心立方 相；相； 7/4 密排六方晶格密排六方晶格 相；相；21/13 复杂立方复杂立方 相；相； 电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有电子化合物的熔点和硬度都很高，而塑性较差，是有色金属中的重要强化相。色金属中的重要强化相。间间 隙隙 相相 当非金属原子半径当非金属原子半径rX与金属原子半径与金属原子半径rM的比值的比值rX/rM0.59时，时，将构成具有复杂晶体构造的金属间化合物，其中非金属原将构成具有复杂晶体构造的金属间化合物，其中非金属原子也位于晶格的间隙处，故称之为间隙化合物。子也

24、位于晶格的间隙处，故称之为间隙化合物。例如例如Fe3C是铁碳合金中的重要组成相，称为渗碳体，具是铁碳合金中的重要组成相，称为渗碳体，具有复杂的正交晶格。有复杂的正交晶格。Fe3C中的中的Fe原子可以部分地被其它金原子可以部分地被其它金属原子属原子Mn、Cr、Mo、W所置换，构成所置换，构成(Fe、Mn)3C等，等，称为合金渗碳体。称为合金渗碳体。 间隙化合物中原子间结合键为共价键和金属键。间隙化间隙化合物中原子间结合键为共价键和金属键。间隙化合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要合物也具有很高的熔点和硬度，脆性较大，也是钢中重要的强化相之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔点、硬的强

25、化相之一。但与间隙相相比，间隙化合物的熔点、硬度、以及化学稳定性都要低一些。度、以及化学稳定性都要低一些。第三章第三章 晶体缺陷晶体缺陷1 1、概念、概念肖脱基空位、弗仑克尔空位、刃型位错、螺型位错、柏氏矢肖脱基空位、弗仑克尔空位、刃型位错、螺型位错、柏氏矢量、位错密度、位错的滑移及攀移、弗兰克量、位错密度、位错的滑移及攀移、弗兰克- -瑞德源、汤普森瑞德源、汤普森四面体、位错反响、扩展位错、外表能、界面能、重整位置四面体、位错反响、扩展位错、外表能、界面能、重整位置点阵、失配度、对称倾侧晶界、非共格晶界。点阵、失配度、对称倾侧晶界、非共格晶界。2 2、计算、计算点缺陷浓度，位错密度。点缺陷浓

26、度，位错密度。3 3、分析判别、分析判别位错反响条件，位错受力分析。位错反响条件，位错受力分析。缺缺 陷陷 种种 类类 Imperfections, Defects 点缺陷点缺陷Point defects：最简单的晶体缺陷，在结点上或临：最简单的晶体缺陷，在结点上或临近的微观区域内偏离晶体构造的正常陈列。在空间三维方向上近的微观区域内偏离晶体构造的正常陈列。在空间三维方向上的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称零维缺陷。的尺寸都很小，约为一个、几个原子间距，又称零维缺陷。 包括空位、间隙原子、杂质、溶质原子等。包括空位、间隙原子、杂质、溶质原子等。线缺陷线缺陷Linear defects：

27、在一个方向上的缺陷扩展很大，其：在一个方向上的缺陷扩展很大，其它两个方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。主要为位错。它两个方向上尺寸很小，也称为一维缺陷。主要为位错。面缺陷面缺陷Interfacial defects：在两个方向上的缺陷扩展很大，：在两个方向上的缺陷扩展很大，其它一个方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。其它一个方向上尺寸很小，也称为二维缺陷。 包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等。包括晶界、相界、孪晶界、堆垛层错等。点缺陷的构成条件点缺陷的构成条件 原子热运动原子热运动点缺陷的平衡浓度：点缺陷的平衡浓度：设由设由N个原子组成的晶体中含有个原子组成的晶体中含有n个空位，构成一个空位所需能个

28、空位，构成一个空位所需能量为量为Ev，振动熵为，振动熵为Sf，k为波尔兹曼常数，那么空位在为波尔兹曼常数，那么空位在T温度温度时的空位平衡浓度时的空位平衡浓度C：类似的，间隙原子平衡浓度类似的，间隙原子平衡浓度C：普通，晶体中间隙原子的构成能比空位的构成能大普通，晶体中间隙原子的构成能比空位的构成能大3-4倍，间隙倍，间隙原子的量与空位相比可以忽略。原子的量与空位相比可以忽略。热平衡缺陷热平衡缺陷thermalequilibriumdefects：由于热起伏促：由于热起伏促使原子脱离点阵位置而构成的点缺陷。使原子脱离点阵位置而构成的点缺陷。kTEAkTEkSNnCvvfexpexpexp kT

29、EAkTEkSNnCvvfexpexpexp刃型位错刃型位错螺型位错螺型位错位错的运动位错的运动位错运动是位错的重要性质之一，它与晶体的力学性能，位错运动是位错的重要性质之一，它与晶体的力学性能，如强度、塑性、断裂等亲密相关如强度、塑性、断裂等亲密相关位错的运动方式主要是：位错的运动方式主要是： 滑移滑移 slip slip 攀移攀移 climbclimb位错的滑移守恒运动：在外加切应力作用下，位错中位错的滑移守恒运动：在外加切应力作用下，位错中心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断作少量位移心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不断作少量位移小于一个原子间距而逐渐实现小于一个原子间距而逐渐实

30、现位错滑移的特点位错滑移的特点刃型位错：滑移的切应力方向与位错线垂直；刃型位错：滑移的切应力方向与位错线垂直； 螺型位错：滑移的切应力方向与位错线平行。螺型位错：滑移的切应力方向与位错线平行。 2) 2) 刃型位错：滑移方向与位错运动方向一致；刃型位错：滑移方向与位错运动方向一致； 螺型位错：滑移方向与位错运动方向垂直。螺型位错：滑移方向与位错运动方向垂直。 3) 3) 螺型位错：假设在原滑移面上运动受阻时，有能够转螺型位错：假设在原滑移面上运动受阻时，有能够转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移，这称为交滑移。移到与之相交的另一滑移面上继续滑移，这称为交滑移。/位错滑移的切应力位错滑移的切应力

31、位错滑移方向位错滑移方向柏氏矢量柏氏矢量位错线方向位错线方向位错运动方向位错运动方向/运动位错的交割：运动位错的交割：扭折：位错交割构成的曲折线段在位错的扭折：位错交割构成的曲折线段在位错的滑移面上。滑移面上。割阶：该曲折线段垂直于位错的滑移面。割阶：该曲折线段垂直于位错的滑移面。位错反响：位错线之间可以合并或分解位错反响：位错线之间可以合并或分解几何条件：反响前后诸位错的柏氏矢量之和相几何条件：反响前后诸位错的柏氏矢量之和相等，等，b b1 + b2能量条件：反响后位错的总能量小于反响前位能量条件：反响后位错的总能量小于反响前位错的能量错的能量 b 2 b1 2 + b2 2位错的应变能位错

32、的应变能位错的能量：位错周围点阵畸变引起的弹性应力场，导致晶体位错的能量：位错周围点阵畸变引起的弹性应力场，导致晶体能量的添加能量的添加 位错中心畸变能位错中心畸变能Ec (大约为总应变能的大约为总应变能的1/10-1/15) 位错应力场引起的弹性应变能位错应力场引起的弹性应变能Ee (主要部分主要部分 )单位长度刃型位错的应变能单位长度刃型位错的应变能: : 02ln)1 (4rRGbEee单位长度螺型位错的应变能单位长度螺型位错的应变能: : 02ln4rRGbEse简化的单位长度位错的总应变能：简化的单位长度位错的总应变能：E = Gb2 约为约为0.5 - 1 单位长度混合位错的应变能

33、单位长度混合位错的应变能: : 02ln4rRKGbEmeG 切变模量切变模量K 角度要素角度要素 几何系数几何系数b 柏氏矢量柏氏矢量 泊松比泊松比 作用在位错的力作用在位错的力 在外切应力在外切应力 的作用下，位错的挪动可以了解为有一个垂直于位错的作用下，位错的挪动可以了解为有一个垂直于位错线的力线的力 Fd 作用于位错线上。作用于位错线上。Fd = b Fd 的方向总是与位错线相垂直，并指向滑移面的未滑移部分的方向总是与位错线相垂直，并指向滑移面的未滑移部分 作用在位错上的力只是一种组态力，它不代表位错附近原子实践所受作用在位错上的力只是一种组态力，它不代表位错附近原子实践所受力，也区别

34、于作用在晶体上的力，其方向与外切应力方向不一定一致力，也区别于作用在晶体上的力，其方向与外切应力方向不一定一致 一根位错具有独一的柏氏矢量，只需作用在晶体上的切应力是均匀的，一根位错具有独一的柏氏矢量，只需作用在晶体上的切应力是均匀的，那么各段位错所受的力大小一样那么各段位错所受的力大小一样 FdFd 位错的线张力位错的线张力 线张力线张力T可以了解为使位错添加单位长度所需的能量，可以了解为使位错添加单位长度所需的能量， 故：故： T = kGb2， k 约为约为0.5-1 假设位错长度为假设位错长度为ds，单位长度位错线所受的力为，单位长度位错线所受的力为 b， 那么：那么： bds = 2

35、Tsin(d/2)， 由于由于ds = rd，当，当d 很小时，很小时，sind/2d/2 因此：因此： b = T/r Gb2/2r 两端固定的位错在切应力两端固定的位错在切应力 作用下作用下 与位错线弯曲度与位错线弯曲度 r 的关系的关系 = Gb/2r位错间的交互作用力位错间的交互作用力1 1两平行螺位错的交互作用两平行螺位错的交互作用rbGbbf221212两平行刃位错的交互作用两平行刃位错的交互作用 沿沿x方向的切应力分量滑移：方向的切应力分量滑移： 沿沿y方向的正应力分量攀移：方向的正应力分量攀移：22222212)()()1 (2yxyxxbGbbfyxx22222212)()3

36、()1 (2yxyxybGbbfxxy 在同一滑移面上的位错，同性相斥、异在同一滑移面上的位错，同性相斥、异性相吸见右图性相吸见右图 在不同滑移面上的位错，小角度晶界的在不同滑移面上的位错，小角度晶界的构成。构成。 相互平行的螺位错和刃位错之间不发生相互平行的螺位错和刃位错之间不发生相互作用柏氏矢量相互垂直相互作用柏氏矢量相互垂直 混合位错，先分解、再叠加混合位错，先分解、再叠加 位错的生成和增殖位错的生成和增殖位错的密度位错的密度 Density of dislocations Density of dislocations： 位错密度是单位体积晶体中所含的位错线的总长度：位错密度是单位体积

37、晶体中所含的位错线的总长度： = L/V = L/V1/cm21/cm2 普通，位错密度也定义为单位面积所见到的位错数目普通，位错密度也定义为单位面积所见到的位错数目 充分退火的多晶体金属中，充分退火的多晶体金属中，= 106 108 cm-2= 106 108 cm-2 猛烈冷变形的金属中：猛烈冷变形的金属中：= 1010 1012 cm-2= 1010 1012 cm-2 超纯金属单晶体：超纯金属单晶体： 103 cm-2 103 cm-2面面 缺缺 陷陷 Interfacial Defects 外表及界面外表及界面 Surface、Interface、Boundary 界面：通常包含几个

38、原子层厚的区域，其原子陈界面：通常包含几个原子层厚的区域，其原子陈列及化学成分不同于晶体内部，可视为二维构造列及化学成分不同于晶体内部，可视为二维构造分布，也称为晶体的面缺陷。界面对晶体的物理、分布，也称为晶体的面缺陷。界面对晶体的物理、化学和力学等性能产生重要的影响化学和力学等性能产生重要的影响 外外表：指固体资料与气体或液体的分界面。它外外表：指固体资料与气体或液体的分界面。它与摩擦、吸附、腐蚀、催化、光学、微电子等亲与摩擦、吸附、腐蚀、催化、光学、微电子等亲密相关密相关 内界面：分为晶粒界面、亚晶界、孪晶界、相界内界面：分为晶粒界面、亚晶界、孪晶界、相界面等面等晶界分类晶界分类(根据相邻

39、晶粒位相差根据相邻晶粒位相差)小角度晶界小角度晶界Low-anglegrainboundary：相邻晶粒的位相差小于相邻晶粒的位相差小于10，亚晶界普通为亚晶界普通为2左右。左右。大角度晶界大角度晶界High-anglegrainboundary：相邻晶粒的位相差大于相邻晶粒的位相差大于10晶界能晶界能晶界上原子畸变引起的系统自在能的升高，单位：晶界上原子畸变引起的系统自在能的升高，单位：J/m2 小角度晶界能量主要小角度晶界能量主要来自位错能量，与位相差来自位错能量，与位相差 有关：有关： = 0(A-ln) 大角度晶界能量根本大角度晶界能量根本为定值，与晶粒之间位相为定值，与晶粒之间位相差

40、差无关无关 ： 0.25 1.0 J/m2 作业题答案：作业题答案：试分析在试分析在111面上运动的柏氏矢量为面上运动的柏氏矢量为 的螺型位错受阻时，能的螺型位错受阻时，能否经过交滑移转移到否经过交滑移转移到 面中的某个面上继续运动？为什么？面中的某个面上继续运动？为什么？相关知识：相关知识：1012ab )111(),111(),111 (abfedc位错线位错线交滑移：由于螺型位错可有多个滑移面，螺型位错在原滑移面上运动受阻交滑移：由于螺型位错可有多个滑移面，螺型位错在原滑移面上运动受阻时，可转移到与之相交的另一个滑移面上继续滑移。时，可转移到与之相交的另一个滑移面上继续滑移。晶带：一切平

41、行或相交于同不断线的晶面构成晶带，此直线称为晶带轴，晶带：一切平行或相交于同不断线的晶面构成晶带，此直线称为晶带轴，属于此晶带的晶面称为晶带面。属于此晶带的晶面称为晶带面。晶带轴晶带轴u v wu v w与该晶带的晶与该晶带的晶面面h k lh k l之间存在以下关之间存在以下关系：系：hu + kv +lw = 0hu + kv +lw = 0称为晶带定律称为晶带定律1012ab ) 111 ()111()111(晶带轴伯氏矢量：晶带轴伯氏矢量：在在 中属于以上晶带的晶带面：中属于以上晶带的晶带面：101)111()111(),111(),111 (101第四章第四章 凝固与分散凝固与分散1

42、、概念、概念凝固、结晶、过冷、过冷度、构造起伏、能量起伏、均匀形凝固、结晶、过冷、过冷度、构造起伏、能量起伏、均匀形核、非均匀形核、临界晶核半径、临界形核功及物理意义、核、非均匀形核、临界晶核半径、临界形核功及物理意义、形核率、光滑界面、粗糙界面；分散通量、稳态分散、非稳形核率、光滑界面、粗糙界面；分散通量、稳态分散、非稳态分散、分散系数、分散激活能、菲克第一定律、菲克第二态分散、分散系数、分散激活能、菲克第一定律、菲克第二定律、柯肯达尔效应、互分散定律、柯肯达尔效应、互分散(化学分散、自分散、上坡分化学分散、自分散、上坡分散、反响分散。散、反响分散。2、分析、判别、计算、分析、判别、计算 液

43、态金属在正、负温度梯度下的生长过程，控制凝固后晶粒液态金属在正、负温度梯度下的生长过程，控制凝固后晶粒大小方法；大小方法； 分散相关物理量计算；分散相关物理量计算； 分析影响分散的要素，解释一些景象；分析影响分散的要素，解释一些景象； 利用一些结论。如利用一些结论。如“钢铁资料渗碳处置时，分散需求的时间钢铁资料渗碳处置时，分散需求的时间 t 与分散间隔与分散间隔 x 的平方成正比，即的平方成正比，即t x2 ; 以及以及“同一个分散同一个分散系统，分散系数系统，分散系数 D 与分散时间与分散时间 t 的乘积为一常数，即的乘积为一常数，即 Dt = 常常数数 处理实践问题。处理实践问题。 构造起

44、伏构造起伏 Structural undulation：液态金属中存在着原子陈：液态金属中存在着原子陈列规那么有序的小区域原子团，这些大小不一的原列规那么有序的小区域原子团，这些大小不一的原子集团是与固态构造类似的；这些原子集团不稳定，一会儿子集团是与固态构造类似的；这些原子集团不稳定，一会儿在这里消逝，一会儿在那里出现原子重新聚集，此起彼在这里消逝，一会儿在那里出现原子重新聚集，此起彼伏，这种景象称为构造起伏。伏，这种景象称为构造起伏。 能量起伏能量起伏 Energy undulation：呵斥构造起伏的缘由是液态：呵斥构造起伏的缘由是液态金属中存在着能量起伏，能量低的地方有序原子团才干构成

45、，金属中存在着能量起伏，能量低的地方有序原子团才干构成，遇到能量顶峰又散开成无序形状。遇到能量顶峰又散开成无序形状。 构造起伏与能量起伏是对应的构造起伏与能量起伏是对应的结晶过程结晶过程 晶核构成形核：晶核构成形核： 在过冷的金属液体中，在过冷的金属液体中，尺寸较大的晶胚不再被熔化尺寸较大的晶胚不再被熔化掉，可以稳定保管下来的晶掉，可以稳定保管下来的晶胚就成了开场结晶的中心；胚就成了开场结晶的中心； 晶核长大：晶核长大： 然后晶核不断长大。随然后晶核不断长大。随着结晶过程的进展，固相逐着结晶过程的进展，固相逐渐增多，液相逐渐减少，直渐增多，液相逐渐减少，直至全部转变为固相至全部转变为固相 构造

46、起伏、能量起伏驱动力驱动力 Driving force：固、液两相的自在能之差：固、液两相的自在能之差G = GS - GL就是结晶的驱动力就是结晶的驱动力 在恒温、恒压的条件下，单位体积的液体与固体的自在能在恒温、恒压的条件下，单位体积的液体与固体的自在能之差为：之差为： “ - 表示由液态转变为固态自在能降低；表示由液态转变为固态自在能降低；Lm 熔化潜热熔化潜热;T = Tm - T 过冷度过冷度 Undercooling 过冷度过冷度T 越大，结晶的驱动力也就越大；越大，结晶的驱动力也就越大； T = 0，Gv = 0，即没有驱动力，结晶不能进展，即没有驱动力，结晶不能进展 结晶的热力

47、学条件：结晶必需有一定的过冷度热过冷结晶的热力学条件：结晶必需有一定的过冷度热过冷mmVTTLG自在能随温度变化表示图自在能随温度变化表示图驱动力驱动力过冷度过冷度形形 核核 Nucleation金属结晶时，形核方式有两种：金属结晶时，形核方式有两种： 均匀形核均匀形核 Homogeneous nucleation： 指在均匀单一的液相中构成固相结晶中心的指在均匀单一的液相中构成固相结晶中心的过程过程 非均匀形核非均匀形核 Heterogeneous nucleation： 由于外界要素，如杂质颗粒、铸型内壁等，由于外界要素，如杂质颗粒、铸型内壁等，促进结晶晶核的构成促进结晶晶核的构成均匀形核

48、的自在能变化均匀形核的自在能变化 在过冷的条件下，金属液体中晶胚的构成和增大，将引起在过冷的条件下，金属液体中晶胚的构成和增大，将引起系统自在能变化：系统自在能变化： 转变为固态的那部分体积，引起自在能下降；转变为固态的那部分体积，引起自在能下降； 晶胚与液相之间添加的界面，呵斥自在能外表能增大晶胚与液相之间添加的界面，呵斥自在能外表能增大23434VGG 设单位体积自在能的下降为设单位体积自在能的下降为Gv (Gv 0，x = 0， r r = r rs x = ，r r = r r0那么浓度那么浓度r r(x,t)可表示为求解过程见讲义：可表示为求解过程见讲义：)2()(),(0Dtxer

49、ftxssrrrrt x2Dt = 常数常数 分散的热力学分析分散的热力学分析下坡分散：菲克第一定律描画了物质从高浓度向低浓度分下坡分散：菲克第一定律描画了物质从高浓度向低浓度分散的景象，分散的结果导致浓度梯度的减小，使成份趋于散的景象，分散的结果导致浓度梯度的减小，使成份趋于均匀均匀上坡分散逆向分散：物质也能够从低浓度区向高浓度上坡分散逆向分散：物质也能够从低浓度区向高浓度区分散，分散的结果提高了浓度梯度区分散，分散的结果提高了浓度梯度分散的驱动力：并不是浓度梯度，而分散前后自在能之差分散的驱动力：并不是浓度梯度，而分散前后自在能之差化学势梯度化学势梯度 固态分散的分类固态分散的分类 化学分

50、散、互分散化学分散、互分散 interdiffusion：依赖于浓度梯度的分：依赖于浓度梯度的分散散 包括：原子分散、反响分散、上坡分散、下坡包括：原子分散、反响分散、上坡分散、下坡分散分散 自分散自分散 self-diffusion：仅由热振动而产生分散，不依赖：仅由热振动而产生分散，不依赖于浓度梯度的分散于浓度梯度的分散 互分散、自分散的区别：在于分散前后能否有浓度互分散、自分散的区别：在于分散前后能否有浓度的变化，有浓度变化那么为互分散化学分散，无的变化，有浓度变化那么为互分散化学分散，无浓度变化那么为自分散浓度变化那么为自分散分散机制分散机制 Diffusion mechanisms

51、分散原子实际分散原子实际分散机制，就是分散原子在晶体点阵中迁移的详细方式分散机制，就是分散原子在晶体点阵中迁移的详细方式 包括：包括： 1、交换分散、交换分散exchange diffusion 2、间隙分散、间隙分散interstitial diffusion 3、空位分散、空位分散vacancy diffusion 4、晶界及外表分散、晶界及外表分散grain boundary or surface diffusion 5、位错分散、位错分散dislocation diffusion第四章第四章 凝固与分散凝固与分散 思索题及答案思索题及答案1、金属液体在熔点温度保温，那么、金属液体在熔点

52、温度保温，那么a 需求很长时间才干结晶；需求很长时间才干结晶； b 到熔点温度就会结晶；到熔点温度就会结晶； c 永不结晶。永不结晶。答案：答案：c在熔点保温，就是没有过冷。在熔点保温，就是没有过冷。2、下述哪些景象结晶时出现？、下述哪些景象结晶时出现？ a 在低于熔点的温度下结晶才干进展；在低于熔点的温度下结晶才干进展；b 结晶时有热量放出；结晶时有热量放出； c 液态金属冷却到熔点时就开场结晶。液态金属冷却到熔点时就开场结晶。答案：答案：a,b3、构成临界晶核时需求的形核功由什么提供？、构成临界晶核时需求的形核功由什么提供？ a由外界加热提供；由外界加热提供； b由能量起伏提供；由能量起伏

53、提供； c由体积自在能提供。由体积自在能提供。答案：答案：b根据形核功的概念可知根据形核功的概念可知4、临界晶核有能够继续长大，也有能够消逝熔化。、临界晶核有能够继续长大，也有能够消逝熔化。 a 是是 b 否否答案：答案：(a) 由于临界晶核构成时能量增大到最高，此时无论晶核继续长大，还是减小，都由于临界晶核构成时能量增大到最高，此时无论晶核继续长大，还是减小，都可以使能量降低，所以都是自发过程。故这两种能够都存在。可以使能量降低，所以都是自发过程。故这两种能够都存在。5、在一样过冷度的条件下，下述说法哪些正确？多项选择、在一样过冷度的条件下，下述说法哪些正确？多项选择 a 非均匀形核比均匀形

54、核的形核率高；非均匀形核比均匀形核的形核率高； b 均匀形核与非均匀形核具有一样的临界晶核半径；均匀形核与非均匀形核具有一样的临界晶核半径； c 非均匀形核比均匀形核的形核功小；非均匀形核比均匀形核的形核功小； d 非均匀形核比均匀形核的临界晶核体积小。非均匀形核比均匀形核的临界晶核体积小。答案：答案：a，b，c，d6 非均匀形核时，非均匀形核时，角越小，形核越容易。这是由于下述说法哪些正确？多项选择角越小，形核越容易。这是由于下述说法哪些正确？多项选择 a 临界晶核的体积和外表积越小；临界晶核的体积和外表积越小； b 形核需求的过冷度越小；形核需求的过冷度越小； c 需求的形核功越小。需求的

55、形核功越小。答案：答案：a，b，c 7、在负的温度梯度下，晶体生长以平面状前推进。(单项选择) a 是 b 否 c 不能确定答案：b在负温度梯度下，液-固界面呈树枝状向液相一方推进。由于前方具有更大的过冷度8、形核率越高、晶体生长速率越小，最后得到的晶粒越细小。(单项选择)a 是 b 否 c 不能确定答案：a一个晶核长成一个晶粒，所以形核率越高，单位体积晶体中的晶粒数量越多，单个晶粒就越小；晶体生长越慢，一个晶粒可以长大的程度就越小，同时，新的晶核也会不断出现，因此晶粒数越多，晶粒越细小。9、快速凝固技术能获得的新资料有：非晶态合金，超细晶态金属或合金。a 是 b 否 答案：a非晶态合金，超细

56、晶态金属或合金的制取需求快速冷却。10、单向凝固要求不仅具有正温度梯度，而且温度梯度要很大。a 是 b 否答案：a正温度梯度，而且温度梯度要很大，这是保证液-固界面以平面形状向前推进的必要条件，也是实现单向凝固的技术关键。11、制取单晶体的技术关键是保证液体结晶时只需一个晶核。 a 是 b 否答案：a12、对于浓度不均匀的固溶体中的分散，溶质原子的分散属于互分散，溶剂基体原子的分散那么属于自分散。a 是 b 否答案：b由于不均匀的固溶体中的分散伴有浓度变化，无论是溶剂还是溶质原子的分散都属于互分散。13、在稳态分散过程中，分散组元的浓度C只随间隔x变化，而不随时间t变化。a 是 b 否答案：a

57、这就是稳态分散的定义。14、在非稳态分散过程中，分散组元的浓度C也是只随间隔x变化，而不随时间t变化。a 是 b 否答案：b在非稳态分散过程中，分散组元的浓度C不只是随间隔x变化，而且也随时间t变化。15、分散系数D是描画分散速度的重要物理量，D值越大那么分散越慢。a 是 b 否答案：b分散系数D值越大，分散越快。16、知Mg(镁)在Al(铝)中的分散常数D0 = 1.210-4 m2/s，分散激活能Q =131000 J/mol, 500时分散系数D = 1.810-13 m2/s，问400时Mg在Al中的分散系数D是多少？ a 8.110-15 m2/s b 1.810-13 m2/s c

58、 2.810-11 m2/s答案：a17、怎样了解分散原子对基体呵斥的晶格畸变越大，分散那么越容易。单项选择a 分散原子具有更低的能量，需求的分散激活能变大，分散系数变小，所以分散容易；b 分散原子具有更高的能量，需求的分散激活能变小，分散系数变大，所以分散容易；c 基体原子具有更高的能量，呵斥的势垒变小，分散系数变小，所以分散容易。答案：b18、 在一样的温度下，碳在-Fe中的分散比在-Fe中的分散更容易，速度更快。这主要是由于, a 碳原子在-Fe中固溶呵斥的晶格畸变卦大; b 其它合金元素的影响所致；c 温度对分散系数的影响所致。答案：a第五章第五章 形变与再结晶形变与再结晶1 1、概念

59、、概念应力、应变、应力应变曲线、滞弹性、弹性模量、泊松比、应力、应变、应力应变曲线、滞弹性、弹性模量、泊松比、屈服强度、抗拉强度、塑性、滑移、孪生、滑移带、临界分屈服强度、抗拉强度、塑性、滑移、孪生、滑移带、临界分切应力、加工硬化、柯氏气团、形变织构、剩余应力、金属切应力、加工硬化、柯氏气团、形变织构、剩余应力、金属强化机制、断裂脆性、延性、回复、再结晶、多边化、强化机制、断裂脆性、延性、回复、再结晶、多边化、二次再结晶、弓出形核。二次再结晶、弓出形核。2 2、计算、分析、判别、计算、分析、判别形变相关物理量计算、相关机理分析判别。形变相关物理量计算、相关机理分析判别。晶体的塑性变形晶体的塑性

60、变形 单晶体单晶体变形的微观过程变形的微观过程 弹性变形外力抑制单晶原子间的键合力，使原弹性变形外力抑制单晶原子间的键合力，使原子偏离其平衡位置，试样开场伸长子偏离其平衡位置，试样开场伸长 晶面滑移当外力大于屈服极限后，沿单晶的某晶面滑移当外力大于屈服极限后，沿单晶的某一特定晶面原子的产生相对滑移。随应力的添加，一特定晶面原子的产生相对滑移。随应力的添加，发生滑移的晶面添加，塑性变形量加大。发生滑移的晶面添加，塑性变形量加大。单晶体的塑性变形，主要经过滑移，还有孪生、扭折等单晶体的塑性变形，主要经过滑移，还有孪生、扭折等滑移系滑移系 = = 滑移面滑移面 + + 滑移方向滑移方向coscosA