材料科学基础-刘欢

1、工程材料金属材料陶瓷材料黑色金属有色金属钢铸铁轻金属Al,Mg,Ti及其合金重金属Ni,Mo,及其合金普通陶瓷特殊陶瓷金属陶瓷高分子材料工程塑料 橡胶合成纤维复合材料树脂基复合材料金属基复合材料原子堆垛模型晶格晶胞晶系晶系特征对称元素特征对称元素晶胞特点晶胞特点空间点阵型式空间点阵型式立方晶系4个按立方体对角线取向的3重旋转轴a=b=ca=b=c=90=90简单立方 立方体心 立方面心 六方晶系6重对称轴a=bca=bc=90=90,=,=120120简单六方 正方晶系4重对称轴a=bca=bc=90=90简单正方 体心正方 菱方晶系3重对称轴a=b=ca=b=c=90=90简单六方 正交晶系

2、2个互相垂直的对称面或3个互相垂直的2重对称轴abcabc=90=90简单正交 底心正交 体心正交 面心正交 单斜晶系2重对称轴或对称面abcabc=90=90 简单单斜 底心单斜 三斜晶系无abcabcabc90abc90 简单单斜 七个晶系及有关特征七个晶系及有关特征 如果取a1、a2、和c为晶轴，按上述三轴定向的方法确定面指数，六个柱面的面指数为：（100）、（010）、（1(-)10）、（1(-)00）、（01(-)0）、（11(-)0）。但是，这种方法所确定的晶面指数不能显示出六次对称及等同面的特征。因此，对六方晶系往往采用四轴定因此，对六方晶系往往采用四轴定向方法，称为密勒向方法，

3、称为密勒- -布拉菲指数布拉菲指数。 选取四个坐标轴，其中a1、a2、a3在同一水平面上，之间的夹角为120，c轴与这个平面垂直。这样求出的晶面指数由四个数字组成，用（hkil）表示。其中前三个数字存在如下关系： h+k=-i 用四轴定向方法求出的六个柱面的晶面指数为：（101(-)0）、（011(-)0）、（1(-)100）、（1(-)010）、（01(-)10）、（11(-)00）。WwVUvutUVvVUu3131323132立方晶系中，指数相同的晶向和晶面必然垂直即hu+kv+lw=0立方晶系立方晶系 六方晶系六方晶系 22222)3(41clakhkhdhkl222lkhadhkl2

4、22)()()(1clbkahdhkl正交晶系体心立方晶胞面心立方晶胞密排六方晶胞一条位错线不能终止于晶体内部，而只能结束晶体表面否则形成位错环刃型位错柏氏矢量螺型位错柏氏矢量刃型位错滑移螺型位错滑移刃型位错：刃型位错：螺型位错：螺型位错：012ln1rrGbW012lnrrGbW 46数量（a）面心立方结构； （b）密排六方结构图 密排面的堆垛顺序 （a）抽出型； （b）插入型图 面心立方结构的堆垛层错 ?bb出出现现几几率率结构起伏大小结构起伏大小(2) 非均匀形核非均匀形核 临界形核功临界形核功 计算时利用球冠体积、表面积表达式，结合平衡关系计算时利用球冠体积、表面积表达式，结合平衡关系

5、 lw=sw+slcos 计算能量变化和临界形核功。计算能量变化和临界形核功。Gk非非/Gk=(2-3cos+cos3)/4 a =0时，时，Gk非非0，杂质本身即为晶核；，杂质本身即为晶核； b 1800时时, Gk非非Gk, 杂质促进形核；杂质促进形核； c=180时，时，Gk非非Gk， 杂质不起作用。杂质不起作用。（2 ）非均匀形核）非均匀形核 影响非均匀形核的因素影响非均匀形核的因素 a 过冷度：（过冷度：（N-T曲线有一下降过程）。曲线有一下降过程）。 b 外来物质表面结构：外来物质表面结构：越小越有利。点阵匹配原理：结构相似，越小越有利。点阵匹配原理：结构相似， 点阵常数相近。点阵

6、常数相近。 c 外来物质表面形貌：表面下凹有利。外来物质表面形貌：表面下凹有利。1 晶核长大的条件晶核长大的条件 （1）动态过冷）动态过冷 动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。动态过冷度：晶核长大所需的界面过冷度。 （是材料凝固的必要条件）（是材料凝固的必要条件） （2）足够的温度）足够的温度 （3）合适的晶核表面结构）合适的晶核表面结构2 液固界面微结构与晶体长大机制液固界面微结构与晶体长大机制 粗糙界面（微观粗糙、宏观平整金属或合金材料的界面）：垂粗糙界面（微观粗糙、宏观平整金属或合金材料的界面）：垂直长大。直长大。 光滑界面（微观光滑、宏观粗糙无机化合物或亚金属材料的界光滑界面（微观光

7、滑、宏观粗糙无机化合物或亚金属材料的界面）：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。面）：横向长大：二维晶核长大、依靠缺陷长大。3 液体中温度梯度与晶体的长大形态液体中温度梯度与晶体的长大形态 （1）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高）正温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越高） 粗糙界面：平面状。粗糙界面：平面状。 光滑界面：台阶状（小平面状）。光滑界面：台阶状（小平面状）。 （2）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低）负温度梯度（液体中距液固界面越远，温度越低） 粗糙界面：树枝状。粗糙界面：树枝状。 光滑界面：树枝状多面体光滑界面：树枝状多面体台阶状。台阶状。特点：结晶不完全性

8、、不完善性、结晶速度慢特点：结晶不完全性、不完善性、结晶速度慢（1 1） 与低分子结晶的相似性与低分子结晶的相似性 结晶速度和晶粒尺寸受过冷度的影响结晶速度和晶粒尺寸受过冷度的影响 随过冷度增加，形核率增加，晶粒尺寸减小。随过冷度增加，形核率增加，晶粒尺寸减小。 结晶过程：形核与长大结晶过程：形核与长大 均匀形核：高分子链靠热运动组成有序排列形成晶核。均匀形核：高分子链靠热运动组成有序排列形成晶核。 非均匀形核：以残余结晶高分子、分散颗粒、容器壁非均匀形核：以残余结晶高分子、分散颗粒、容器壁 为中心形核。为中心形核。 3 非均匀形核所需过冷度小。非均匀形核所需过冷度小。（2 2）与低分子结晶的

9、差异性）与低分子结晶的差异性 结晶的不完全性。一般结晶的不完全性。一般50%，最高约，最高约95%。 链的对称性。对称性越高，越容易结晶。链的对称性。对称性越高，越容易结晶。链的规整性。规则的构型，有利于结晶，有利于共聚结晶。链的规整性。规则的构型，有利于结晶，有利于共聚结晶。链的柔顺性。柔顺性越好，结晶能力越强。链的柔顺性。柔顺性越好，结晶能力越强。共聚效应。共聚效应。1 材料铸态晶粒度的控制材料铸态晶粒度的控制Zv=0.9(N/G)3/4 （1）提高过冷度。降低浇铸温度，提高散热导热能力，）提高过冷度。降低浇铸温度，提高散热导热能力， 适用于小件。适用于小件。 （2）化学变质处理。促进异质

10、形核，阻碍晶粒长大。）化学变质处理。促进异质形核，阻碍晶粒长大。 （3）振动和搅拌。输入能量提高形核率；破碎枝晶增加核心。）振动和搅拌。输入能量提高形核率；破碎枝晶增加核心。2 单晶体的制备单晶体的制备 （1）基本原理：保证一个晶核形成并长大。）基本原理：保证一个晶核形成并长大。 （2）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。）制备方法：尖端形核法和垂直提拉法。3 定向凝固技术定向凝固技术 （1）原理：单一方向散热获得柱状晶。）原理：单一方向散热获得柱状晶。 （2）制备方法。）制备方法。4 急冷凝固技术急冷凝固技术 （1）非晶金属与合金）非晶金属与合金 （2）微晶合金。）微晶合金。 （3）准晶合金。

11、）准晶合金。 （3 3）相图分析）相图分析 两点：纯组元的熔点；两点：纯组元的熔点； 两线：两线：L, SL, S相线；相线； 三区：三区：L, , L+L, , L+。(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used here

12、in under license.(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning

13、, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license.(c)2003 Brooks/Cole, a division of Thomson Learning, Inc. Thomson Learning is a trademark used herein under license. 包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个包晶转变：由一个特定成分的固相和液相生成另一个特点成分固相的转变。特点成分固相的转变。 包晶相图：具有包晶转变特征的相图。包晶相图：具有包晶转变特征的相图。1 1 相图分析相图分析 点、线、

14、区。点、线、区。 2 2 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织（1 1）包晶合金的结晶）包晶合金的结晶结晶过程：包晶线以下，结晶过程：包晶线以下，L, L, 对对过饱和界面生成过饱和界面生成三相间存在浓度梯度扩散三相间存在浓度梯度扩散长大全部转变为长大全部转变为。室温组织：室温组织：或或。2 2 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织（1 1）包晶合金的结晶）包晶合金的结晶结晶过程结晶过程：包晶线以下，：包晶线以下，L, L, 对对过饱和界面生成过饱和界面生成三相间存在浓度梯度扩散三相间存在浓度梯度扩散长大全部转变为长大全部转变为。室温组织室温组织：或或。 2 2 平衡结晶过程及其组织平

15、衡结晶过程及其组织 （2 2）成分在）成分在d-pd-p之间合金的结晶之间合金的结晶( (图图5-34b)5-34b) 结晶过程：结晶过程：剩余剩余( (量的计算量的计算) )； 室温组织：室温组织：。2 2 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 3 3 不平衡结晶及其组织不平衡结晶及其组织 异常异常相导致包晶偏析包晶转变要经相导致包晶偏析包晶转变要经扩散。包晶偏析：因包扩散。包晶偏析：因包晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。晶转变不能充分进行而导致的成分不均匀现象。 异常异常相由不平衡包晶转变引起。成分在靠近固相、包晶线以外相由不平衡包晶转变引起。成分在靠近固相、包晶线以外端点附近

16、。端点附近。 4 4 包晶转变的应用包晶转变的应用 （1 1）组织设计。如轴承合金需要的软基体上分布硬质点）组织设计。如轴承合金需要的软基体上分布硬质点 的组织。的组织。 （2 2）晶粒细化。如在铝合金中添加少量的钛（）晶粒细化。如在铝合金中添加少量的钛（TiAlTiAl3 3) ) 一、一、 二元相图中的几何规律二元相图中的几何规律 相邻相区的相数差相邻相区的相数差1 1（点接触除外）相区接触法则；（点接触除外）相区接触法则； 三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相的成分点；三相区的形状是一条水平线，其上三点是平衡相的成分点； 若两个三相区中有若两个三相区中有2 2个相同的相，则两水平线

17、之间必是由这两相组个相同的相，则两水平线之间必是由这两相组成的两相区；成的两相区； 单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区。单相区边界线的延长线应进入相邻的两相区。 二、二、 相图分析步骤相图分析步骤 以稳定的化合物分割相图；以稳定的化合物分割相图； 确定各点、线、区的意义；确定各点、线、区的意义； 分析具体合金的结晶过程及其组织变化。分析具体合金的结晶过程及其组织变化。注：虚线、点划线的意义尚未准确确定的数据、磁学转注：虚线、点划线的意义尚未准确确定的数据、磁学转 变线、有序无序转变线。变线、有序无序转变线。 三、相图与合金性能的关系三、相图与合金性能的关系 根据相图判断材料的力学和物理性能

18、根据相图判断材料的力学和物理性能 三、相图与合金性能的关系三、相图与合金性能的关系根据相图判断材料的工艺性能根据相图判断材料的工艺性能 铸造性能：根据液固相线之间的距离铸造性能：根据液固相线之间的距离X X X X越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差别大）；越大，成分偏析越严重（因为液固相成分差别大）； X X越大，流动性越差（因为枝晶发达）；越大，流动性越差（因为枝晶发达）； X X越大，热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大）。越大，热裂倾向越大（因为液固两相共存的温区大）。 三、三、 相图与合金性能的关系相图与合金性能的关系 塑性加工性能：选择具有单相固溶体区的合金。塑性加工性能：选择

19、具有单相固溶体区的合金。 热处理性能：选择具有固态相变或固溶度变化的合金。热处理性能：选择具有固态相变或固溶度变化的合金。1 1 组元和相组元和相 （1 1）组元：）组元： 铁石墨相图：铁石墨相图：Fe,C;Fe,C; 铁渗碳体相图：铁渗碳体相图：Fe-FeFe-Fe3 3C C。 （2 2）相：）相：L, , A(), L, , A(), F(), Fe F(), Fe3 3C(K)C(K)。 （其定义）（其定义） 2 2 相图分析相图分析 点：点：1414个。个。 线：两条磁性转变线；三条等温转变线；其余三条线：线：两条磁性转变线；三条等温转变线；其余三条线： GS,ES,PQGS,ES,

20、PQ。 区：区：5 5个单相区，个单相区，7 7个两相区，个两相区，3 3个三相区。个三相区。 相图标注：相组成物标注的相图相图标注：相组成物标注的相图; ; 组织组成物标注的相图。组织组成物标注的相图。 2 2 相图分析相图分析 点：点：1414个。个。 2 2 相图分析相图分析 线：两条磁性转变线；三条线：两条磁性转变线；三条等温等温转变线；其余三条线：转变线；其余三条线： GS, ES, PQGS, ES, PQ。 区：区：5 5个单相区，个单相区，7 7个两相区，个两相区，3 3个三相区。个三相区。 相图标注：相组成物标注的相图。相图标注：相组成物标注的相图。 组织组成物标注的相图。组

21、织组成物标注的相图。 3 3 合金分类合金分类 工业纯钛（工业纯钛（C%0.0218%C%0.0218%） 碳钢（碳钢（0.0218C%2.11%0.0218C%2.11%C%2.11%） 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 （1 1）典型合金（）典型合金（7 7种）的平衡结晶过程、组织变化、室种）的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及其相对量计算。温组织及其相对量计算。 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 （1 1）典型合金（）典型合金（7 7种）的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及其种）的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及其相对量计算。相对量计算。 工业纯铁结晶过

22、程（工业纯铁结晶过程（ +Fe+Fe3 3C C，三次渗碳体最大量计算）三次渗碳体最大量计算） 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 （1 1）典型合金（）典型合金（7 7种）的平衡结晶过程、种）的平衡结晶过程、组织变化、室温组织及其相对量计算。组织变化、室温组织及其相对量计算。 共析钢结晶过程共析钢结晶过程 P P（ +Fe+Fe3 3C C） 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 亚共析钢结晶过程亚共析钢结晶过程 （ +P+P）( (Fe3C?)?) 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 亚共析钢结晶过程亚共析钢结晶过程 （ +P+P） 4 4 平衡结晶

23、过程及其组织平衡结晶过程及其组织 过共析钢结晶过程（过共析钢结晶过程（P+FeP+Fe3 3C C，二次渗碳体最大量计算），二次渗碳体最大量计算） 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 共晶白口铁结晶过程共晶白口铁结晶过程 LdLd（P+ FeP+ Fe3 3C C+ Fe+ Fe3 3C C共晶共晶） （L Ld d-L-Ld d 转变）转变） Ld（ + Fe3C共晶）共晶） 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 亚共晶白口铁结晶过程亚共晶白口铁结晶过程 （ P+ FeP+ Fe3 3C C+ L+ Ld d ） 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 过

24、共晶白口铁结晶过程过共晶白口铁结晶过程 （ FeFe3 3C C+ L+ Ld d ） 4 4 平衡结晶过程及其组织平衡结晶过程及其组织 （2 2）重要问题）重要问题 FeFe3 3C C, Fe, Fe3 3C C, Fe, Fe3 3C C 的意义的意义 及其最大含量计算。及其最大含量计算。 L Ld d-L-Ld d 转变。转变。 二次杠杆的应用。二次杠杆的应用。 5 5 含碳量对平衡组织和性能的影响含碳量对平衡组织和性能的影响（1 1）对平衡组织的影响（随）对平衡组织的影响（随C%C%提高）提高） 组织：组织：FeFe3 3C C L Ld d FeFe3 3C C； 相：相：减少，减

25、少，FeFe3 3C C增多；增多； FeFe3 3C C形态：形态：FeFe3 3C C（薄网状、点状）（薄网状、点状） 共析共析FeFe3 3C C（层片状）（层片状） FeFe3 3C C（网状）（网状） 共晶共晶FeFe3 3C C（基体）（基体） FeFe3 3C C（粗大片状）。（粗大片状）。 5 5 含碳量对平衡组织和性能的影响含碳量对平衡组织和性能的影响 （2 2）对力学性能的影响）对力学性能的影响 随随C%提高提高, 强度、硬度升高，强度、硬度升高， 塑韧性下降。塑韧性下降。 5 5 含碳量对平衡组织和性能的影响含碳量对平衡组织和性能的影响 （3 3）对工艺性能的影响）对工艺

26、性能的影响 适合锻造：适合锻造：C%2.11%C%2.11%，可得到单相组织。，可得到单相组织。 适合铸造：适合铸造：C%C%4.3%4.3%，流动性好。，流动性好。 适合冷塑变：适合冷塑变：C%0.25%C%0.25%，变形阻力小。，变形阻力小。 适合热处理：适合热处理：0.0218-2.110.0218-2.11，有固态相变。，有固态相变。 1 1 固溶体的自由能固溶体的自由能成分曲线成分曲线 2 2 化学位与相平衡条件化学位与相平衡条件 （1 1）化学位：偏摩尔吉布斯自由能。用）化学位：偏摩尔吉布斯自由能。用 表示表示。 化学位的确定：在自由能化学位的确定：在自由能成分曲线上，过成分点的

27、切线与两纵成分曲线上，过成分点的切线与两纵 轴的交点。轴的交点。 （2 2）相平衡的条件：两组元在各相中的化学位分别相等。）相平衡的条件：两组元在各相中的化学位分别相等。 A A = = A A= = 在自由能在自由能成分曲线上，表现为各曲线间有公切线。成分曲线上，表现为各曲线间有公切线。3 3 二元系自由能曲线与相图的关系二元系自由能曲线与相图的关系 1 1 铸锭组织铸锭组织（1 1）铸锭三区）铸锭三区 表层细晶区表层细晶区( (强过冷强过冷, ,非均匀形核非均匀形核) ) 柱状晶区柱状晶区( (纯金属纯金属: :过冷度减小过冷度减小, ,形核困难形核困难, ,沿散热方向生长沿散热方向生长;

28、 ; 合金合金: :成分过冷成分过冷, ,一次轴发达一次轴发达, ,沿散热方向生长沿散热方向生长. ). ) 中心等轴晶区中心等轴晶区( (均匀散热、液相区成均匀散热、液相区成 分过冷、熔体对流导分过冷、熔体对流导 致细晶漂移或枝晶破致细晶漂移或枝晶破 碎。）碎。） 1 1 铸锭组织铸锭组织（2 2）组织控制）组织控制 受浇铸温度、冷却速度、化学成分、变质处理、机械振动与搅拌等因受浇铸温度、冷却速度、化学成分、变质处理、机械振动与搅拌等因素影响。素影响。 2 2 铸锭缺陷铸锭缺陷 （1 1）微观偏析）微观偏析 （2 2）宏观偏析）宏观偏析: :整个铸锭范围内的成分不均匀现象整个铸锭范围内的成分

29、不均匀现象. . 正偏析正偏析: k: k0 01 单晶体扩散系数单晶体扩散系数 示踪原子跃迁结果与相关系数示意图示踪原子跃迁结果与相关系数示意图结构类型 配位数 相关系数 金刚石 简单立方结构 体心立方结构 面心立方结构 六方密堆积结构 4 6 8 12 12 0.5 0.06531 0.7272 0.7815 fx=fy=0.7812 fz=0.7815 第四节第四节 影响扩散系数的因素影响扩散系数的因素)exp(0RTQDD扩散介质结构的影响扩散介质结构的影响扩散相与扩散介质的性质差异扩散相与扩散介质的性质差异结构缺陷的影响结构缺陷的影响温度与杂质的影响温度与杂质的影响(a)共格界面共格界面 (b)半共格界面半共格界面 (c)非共格非共格界面界面TTT0GGGGVt/0CTTT0GGV当当TT0时，时，Gv0,且与且与T成正比，成正比，Gv即为即为驱动力驱动力233r4r34r34EVGGG设新相呈球形，半径设新相呈球形，半径r r，由于新相，由于新相的形成的形成而引起的自由焓变化为：而引起的自由焓变化为：GV及及GE分别为形成单位体积分别为形成单位体积新相时降低的自由焓及增加的弹性新相时降低的