第1章材料科学的理论框架

1、n材料科学是研究各种材料的结构，制备加工工艺与性能之间关系的科学。n材料科学四要素可用一四面体表示第一章第一章 材料科学的基本理论框材料科学的基本理论框架架材料固有性能（性质） 制备合成与/加工工艺材料使用性能（效能）成分/组织结构材料科学四要素：材料科学四要素：第一章第一章 材料科学的基本理论框架材料科学的基本理论框架n材料的性能材料的性能n固态原子的结合键固态原子的结合键n材料的原子排列特征材料的原子排列特征n材料的结构缺陷材料的结构缺陷n材料的原子扩散材料的原子扩散n材料的相图与相变材料的相图与相变n材料的强化与韧化材料的强化与韧化材料的结构材料的结构特征特征材料的结构与结构层次n材料科

2、学的基本原则：结构决定性能材料科学的基本原则：结构决定性能n工程材料的结构层次（从宏观到微观）：n宏观组织结构n显微组织结构n原子（分子）排列结构相结构n原子间的结合力及原子中的电子结构1 材料的性能材料的性能物理性能化学性能强度硬度塑性韧性疲劳强度力学性能使用性能铸造性能锻造性能焊接性能热处理性能切削加工性能加工工艺性能金属材料的性能一、力学性能一、力学性能（一）、拉伸实验（一）、拉伸实验1、弹性、弹性金属材料受外力作用时产生变形，当外力去掉后能恢复其原来形状的性能，叫弹性弹性。评定指标：弹性极限e e=P/F0 （Mpa） / =E 弹性模量（Mpa）材料在受力时抵抗弹性变形的能力叫刚度刚

3、度。2、强度、强度材料受外力作用下抵抗塑性变形和断裂的能力叫强度强度。评定指标： 屈服强度屈服强度s、0.2 抗拉强度抗拉强度b3、塑性、塑性材料受外力作用下，在断裂前发生永久变形的能力，叫塑性塑性。评定指标： 延伸率延伸率、 断面收缩率断面收缩率（二）、硬度（二）、硬度材料抵抗更硬的物体压入其内的能力，叫硬度硬度。评定指标：布氏硬度（布氏硬度（HB)、 洛氏硬度洛氏硬度 (HRC)、 维氏硬度维氏硬度 (HV)。标记：如标记：如220HBS10/1000/15； 450HBW标记：如标记：如 60HRC； 81HRA； 35HRB等。等。标记：如标记：如 686HV等。等。（三）冲击韧性（三

4、）冲击韧性材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力，叫材料抵抗冲击载荷作用下断裂的能力，叫冲击韧性冲击韧性。评定指标：冲击韧性冲击韧性ak ， ak=Ak/F； 冲击功冲击功Ak（四）断裂韧性（四）断裂韧性低应力脆性断裂现象断裂韧性断裂韧性KIC有裂纹存在时材料抵抗脆性断裂的能力，是强度和韧性的综合体现。应力场强度因子： KI=Y a（五）疲劳强度（五）疲劳强度材料在无数次重复或交变载荷作用下而不致引起断裂的最大应力，叫疲劳极限疲劳极限。1、疲劳断裂的概念、疲劳断裂的概念2、疲劳极限、疲劳极限评定指标：评定指标：疲劳强度（极限）疲劳强度（极限）-1机械上的许多零件是在重复或非周期性的变动载荷作用下工作

5、的，这些零件发生断裂时的应力往往大大低于该材料的强度极限。这种断裂称为。二、物理性能和化学性能二、物理性能和化学性能n物理性能物理性能主要指密度、熔点、热膨胀性、主要指密度、熔点、热膨胀性、导热性、导电性和磁性等。导热性、导电性和磁性等。n化学性能化学性能主要指材料抵抗各种介质侵蚀主要指材料抵抗各种介质侵蚀的能力。如耐酸性、耐碱性、抗腐蚀性等。的能力。如耐酸性、耐碱性、抗腐蚀性等。三、工艺性能三、工艺性能n是指金属材料适应加工工艺要求的是指金属材料适应加工工艺要求的能力。是材料物理、化学性能和力学性能力。是材料物理、化学性能和力学性能在加工过程中的综合反映。能在加工过程中的综合反映。n按工艺方

6、法的不同，可分为：按工艺方法的不同，可分为：n铸造性能铸造性能n锻压性能锻压性能n焊接性能焊接性能n切削加工性能切削加工性能一、原子间的结合力一、原子间的结合力a0平衡距离E总原子间的结合能当原子间距f吸，间距趋大当原子间距 a0，f吸f斥，间距趋小当原子间距= a0，原子呈规则排列成为晶体。晶体中，使原子稳定结合在一起的力称为结合键结合键此时物质处于最低能量状态，此时物质处于最低能量状态，最稳定。最稳定。2 固态原子的结合键固态原子的结合键（一）、金属键（一）、金属键特性：特性：无饱和性和方向性；无饱和性和方向性； 具有良好的塑性；具有良好的塑性； 具有良好的导电性，导热性，正的电阻温度系数

7、；具有良好的导电性，导热性，正的电阻温度系数； 具有金属光泽。具有金属光泽。电子的公有电子的公有二、原子结合键的类型二、原子结合键的类型（二）、共价键（二）、共价键特性：特性：具有饱和性和方向性；具有饱和性和方向性； 结合力很大，故共价晶体的强度大，硬度高，脆性大。结合力很大，故共价晶体的强度大，硬度高，脆性大。电子的共有电子的共有（三）、离子键（三）、离子键特性：特性：没有饱和性和方向性；没有饱和性和方向性； 结合力很大，故离子晶体强度大，硬度高，但脆性大；结合力很大，故离子晶体强度大，硬度高，但脆性大； 离子晶体是良好的绝缘体。离子晶体是良好的绝缘体。电子的得失电子的得失（四）、范德瓦尔键

8、（四）、范德瓦尔键（分子键）实际上是分子偶极之间的作用力。实际上是分子偶极之间的作用力。特性：特性：结合力很小，熔点很低，硬度低，塑性高。结合力很小，熔点很低，硬度低，塑性高。表11 不同结合键能及其材料的特性结合键种类 结合能 (kJmol) 熔 点 硬 度 导电性键的方向性 金属键 113350 有高有低 有高有低 良好 无 共价键 63712 高 高 不导电 有 离子键 5861047 高 高固态不导电 无范德瓦尔键 势能，各自混乱飞动。势能，各自混乱飞动。短程有序短程有序粒子的势能粒子的势能 动能动能无定形体无定形体晶体晶体3 材料的原子排列特征材料的原子排列特征原子排列秩序分三种类型

9、：原子排列秩序分三种类型：无序无序短程有序短程有序长程有序长程有序聚集态分：聚集态分：晶体晶体：原子或分子在很大范围内均按一定的几何原子或分子在很大范围内均按一定的几何规律排列的固态物质。规律排列的固态物质。非晶体非晶体：材料原子排列中仅存在短程有序排列，：材料原子排列中仅存在短程有序排列，则称为非晶体或无定形材料。则称为非晶体或无定形材料。性能上比较：性能上比较： 晶体具有固定的熔点晶体具有固定的熔点 晶体具有各向异性晶体具有各向异性晶体与非晶体晶体与非晶体晶体和非晶体在一定条件下可以相互转换晶体和非晶体在一定条件下可以相互转换二、工程材料中的原子排列结构二、工程材料中的原子排列结构晶格晶格

10、用于描述晶体中原子排列的空间格子。晶胞晶胞能代表晶格特征的最小几何单元。晶格常数晶格常数晶胞各边的尺寸。单位：nm。几个术语：几个术语：1、金属材料的晶体结构、金属材料的晶体结构三种典型晶格类型：三种典型晶格类型：（1 1）体心立方晶格）体心立方晶格( (b.c.c)b.c.c)晶胞中的原子数： N=8*1/8+1=2（2 2）面心立方晶格）面心立方晶格( (f.c.c)f.c.c)晶胞中的原子数： N=8 *1/8+6 * 1/2=4（3 3）密排六方晶格）密排六方晶格( (c.p.h)c.p.h)晶胞中的原子数： N=12 *1/6+2 * 1/2 +3=6致密度致密度晶胞中原子本身所占体

11、积与该晶胞的体积之比。晶胞中原子本身所占体积与该晶胞的体积之比。由以上分析可得：由以上分析可得：晶格中原子排列晶格中原子排列的疏密程度不同的疏密程度不同原子间结合力原子间结合力大小不同大小不同晶体在不同方向晶体在不同方向上的性能不同上的性能不同即：即：单晶体的单晶体的各向异性各向异性单晶体单晶体：晶体内部原子规则排列晶体内部原子规则排列的的,位向不发生改变的晶体。位向不发生改变的晶体。2、无机非金属材料的排列结构、无机非金属材料的排列结构分为：分为：离子晶体离子晶体 （如（如MgO、Al2O3等）等）共价晶体共价晶体 （如（如Si3N4、SiC等）等）非晶体非晶体 （如石英（如石英SiO2等）

12、等）氧化铝晶体氧化铝晶体Al3、有机聚合物的原子排列结构、有机聚合物的原子排列结构 聚合物的链结构是由一个大的链状分子所组成，主干聚合物的链结构是由一个大的链状分子所组成，主干链上的原子常以共价键结合，大多数主链上的原子为碳。链上的原子常以共价键结合，大多数主链上的原子为碳。高分子链结构可分为：高分子链结构可分为：线型线型支链型（有侧链）支链型（有侧链）体型（交联）体型（交联）*高聚物的聚集态结构可呈现部分的晶区，很难形高聚物的聚集态结构可呈现部分的晶区，很难形成完整的晶体。成完整的晶体。4 4 材料的结构缺陷与扩散材料的结构缺陷与扩散一、实际材料的晶体结构一、实际材料的晶体结构为为多晶体多晶

13、体晶界晶界：晶粒与晶粒的交界。：晶粒与晶粒的交界。晶粒晶粒：外形不规则的小晶体。：外形不规则的小晶体。指出：指出：多晶体的多晶体的伪各向同性伪各向同性二、晶体的缺陷二、晶体的缺陷2、点缺陷、点缺陷由空位、间隙原子及置换由空位、间隙原子及置换原子产生（零维缺陷）原子产生（零维缺陷）3、线缺陷、线缺陷一维缺陷，由位错产生一维缺陷，由位错产生 常见类型：刃型位错、螺型位错常见类型：刃型位错、螺型位错4、面缺陷、面缺陷二维缺陷，如晶界和亚晶界二维缺陷，如晶界和亚晶界1、热无序、热无序因热振动引起微小位移所带来的不规则性因热振动引起微小位移所带来的不规则性指出：指出： 在实际金属晶体中，点、线、面缺陷的

14、存在破在实际金属晶体中，点、线、面缺陷的存在破坏了晶体原子排列的完整性，造成晶格畸变，对金坏了晶体原子排列的完整性，造成晶格畸变，对金属的力学、物理、化学等性能都会带来很大的影响。属的力学、物理、化学等性能都会带来很大的影响。如当点缺陷和线缺陷发生交互作用时，会使强度提如当点缺陷和线缺陷发生交互作用时，会使强度提高，塑性下降（即高，塑性下降（即固溶强化固溶强化、位错强化位错强化）。）。 研究表明，缺陷的产生与晶体的生成条件、原研究表明，缺陷的产生与晶体的生成条件、原子的热运动以及晶体所接受的加工过程等有关。子的热运动以及晶体所接受的加工过程等有关。三、材料中的原子扩散三、材料中的原子扩散（一）

15、扩散现象（一）扩散现象扩散是指原子（离子或分子）因热运动而发生的扩散是指原子（离子或分子）因热运动而发生的迁移，从而在气体、液体和固体物质中的传输过程。迁移，从而在气体、液体和固体物质中的传输过程。（二）固体扩散方式（机制）（二）固体扩散方式（机制）空位扩散空位扩散间隙扩散间隙扩散自扩散（如纯铁）自扩散（如纯铁）互扩散（如合金置换固熔体）互扩散（如合金置换固熔体）如间隙固溶体中的扩散（如合金的如间隙固溶体中的扩散（如合金的间隙固熔体），如间隙固熔体），如FA。（三）扩散的工程应用（三）扩散的工程应用5 5 材料的相图与相变材料的相图与相变一、材料状态的汇总图示一、材料状态的汇总图示相图相图 （

16、又称状态图或平衡图）（又称状态图或平衡图）是用几何图解的方式来描述处于平衡状态下材料的成是用几何图解的方式来描述处于平衡状态下材料的成分、相和外界条件的相互关系。分、相和外界条件的相互关系。相图是以成分、温度或压力为相图是以成分、温度或压力为变量来绘制的变量来绘制的图中的区域就是相区图中的区域就是相区图中的线段就是相界线图中的线段就是相界线相图的基本类型有匀晶相图、相图的基本类型有匀晶相图、共晶相图、共析相图等共晶相图、共析相图等二元系状态图的基本类型：d工程上十分重要的铁工程上十分重要的铁-碳相图：碳相图：二、材料状态的转变二、材料状态的转变相变相变1、相变现象与相变过程、相变现象与相变过程

17、u相变现象：相变现象：如物质三态的转变；同素异构转变；共析转变；如物质三态的转变；同素异构转变；共析转变；A M等。等。u相变的必要条件：相变的必要条件：过冷或过热，且是一种亚稳状态过冷或过热，且是一种亚稳状态有晶核存在有晶核存在u相变过程：相变过程： 形核形核 长大长大2 2、相变效应种种、相变效应种种分析：结晶的必要条件分析：结晶的必要条件1、能量条件、能量条件2、结构条件、结构条件当T=T0时，F液态=F固态，液、固态共存，处于动平衡状态。当T T0时， F液态 F固态 , 金属稳定状态为液态。当T F固态，金属稳定状态为固态。液态金属内部瞬时呈现的近程有序的原子小集团，有可能成为结晶的

18、核心，并以此聚合更多的原子形成晶体。过冷是金属结晶的必要条件！过冷是金属结晶的必要条件！金属的结晶过程金属的结晶过程两个阶段：晶核的形成，晶核的长大。晶核形成的两种方式： 自发生核 ， 非自发生核 。晶核长大方式：树枝状长大 晶核长大方式：晶核长大方式：树枝状长大树枝状长大2、相变效应种种、相变效应种种n金刚石与石墨金刚石与石墨n金属锡锭发金属锡锭发“瘟瘟”n钢铁的热处理钢铁的热处理n金属的铸造及熔化焊金属的铸造及熔化焊 固态固态液态液态固态固态6 6 材料的强化与韧化材料的强化与韧化一、材料的强度、塑性与韧性一、材料的强度、塑性与韧性强度强度是材料抵抗变形和断裂的能力。是是材料抵抗变形和断裂

19、的能力。是材料变形和断裂前所需应力的量度。材料变形和断裂前所需应力的量度。塑性塑性是材料断裂前发生塑性变形的能力。是材料断裂前发生塑性变形的能力。是材料变形能力的量度。是材料变形能力的量度。韧性韧性是材料断裂时所需要的能量的量度。是材料断裂时所需要的能量的量度。与应力与应力-应变曲线下的面积有关。应变曲线下的面积有关。是材料的强度与塑性高低的综合反映是材料的强度与塑性高低的综合反映二、结构材料的强韧化二、结构材料的强韧化1金属材料的强韧化途径金属材料的强韧化途径(1)金属材料的强化金属材料的强化v 金属材料的屈服强度可在很大范围内变化，它对金属的纯度、成分及热处理状态的变化非常敏感。v 主要方

20、法为加工硬化、固溶强化、第二相强化以及细晶强化。v 强化本质均是通过增大晶体缺陷对位错运动的阻力从而提高材料发生塑性变形所需的应力，即提高了材料的强度。 金属材料经塑性变形后，其应力随变形程度的增加而增加，这种现象叫冷变形强化(形变强化)或加工硬化。冷变形强化冷变形强化(加工硬化加工硬化)如：如：铁丝的反复弯折；铁丝的反复弯折； 钢板的轧制；钢板的轧制； 铜丝的拉拔；铜丝的拉拔； 不锈钢的冷轧或爆炸成形不锈钢的冷轧或爆炸成形一般认为，冷变形强化仅仅与位错密度有关。一般认为，冷变形强化仅仅与位错密度有关。固溶强化固溶强化合金元素溶于金属基体中形成固溶体而使金属强度、硬度升高的现象，称为固溶强化。

21、故：固溶体具有较好的综合机械性能，常作为合金的固溶体具有较好的综合机械性能，常作为合金的基体相基体相。指在合金中连续分布且相对量居多，对合金性能起主导作用的相指在合金中连续分布且相对量居多，对合金性能起主导作用的相固溶体的晶格畸变固溶体的晶格畸变阻碍了位错运动，阻碍了位错运动，是材料强化。是材料强化。细晶强化细晶强化实验和理论分析表明：晶粒越细，材料的强度越高，韧性越好。并且能降低韧脆转变温度，这是其他强化方法所不能比拟的。因此，在金属材料的所有强化手段中，细化组织方法最受重视，在生产中被广泛应用。晶粒细化可使材料强度提高是由于晶粒细化可使材料强度提高是由于晶界是位错运动的障碍。晶界是位错运动的障碍。第二相强化第二相强化材料通过基体中分布有细小弥散的第二相质点而产生强化的方法，称为第二相强化或分散强化或弥散强化。具有良好的第二相强化效果的合金具有以下具有良好的第二相强化效果的合金具有以下微观组织特征微观组织特征： 基体具有较低硬度和良好塑性； 第二相质点具有较高硬度，颗粒圆整