材料科学基础公开课获奖课件

材料科学基础课件制作人：张通第1页目录材料构造基本知识材料中晶体构造高分子材料构造晶体缺陷材料相构造及相图材料凝固与气相沉积扩散与固态相变材料变形与断裂固体材料电子构造与物理性能材料概论第2页导论一.材料使用时间划分：石器时代→青铜器时代→铁器时代→水泥时代→钢时代→硅时代→新材料时代二.工程材料划分：金属材料（钢铁材料和有色金属）、陶瓷材料（粘土、石英和长石）、高分子材料(塑料、合成纤维和橡胶）、复合材料。三.其他材料电子材料：在电子学和微电子学使用材料，包括半导体材料、介电功能材料和磁性材料光电子材料：具有光子和电子产生、转换和传播功能材料。

第3页第4页超导材料：具有一定低温条件下展现出电阻等于零以及排斥磁力线性质材料。四.材料性能金属材料：导电性，高塑性和韧性，可作导体陶瓷材料：高硬度，较脆，可作绝缘体高分子材料:弹性模量，强度，塑性都很低，多数不导电五.内部构造划分层次：原子构造、结合键、原子排列方式和显微组织六.内部构造决定性能举例：金属键材料内部有大量移动电子，使金属具有良好导电性。变形时金属键不会破坏，使金第5页

属具有良好塑性。金属键结合原子排列紧密，晶体构造简朴，金属密度高。共价键结合材料，电子受束缚不能自由运动，一般不导电。共价键结合力很强，变形时要破坏局部键结合，故材料硬而脆。原子排列不紧密，晶体构造复杂，故共价键晶体陶瓷密度低。七.材料科学定义：研究多种材料构造、制备加工工艺与性能之间关系学科。

第6页八.材料科学研究内容：材料构造基础知识、晶体构造、晶体缺陷、材料相构造及相图、材料凝固、材料中原子扩散、热处理、工程材料概论等重要内容。第7页第一章材料构造基本知识原子构造原子结合键原子排列方式晶体材料组织材料稳态构造与亚稳态构造第8页第一节原子构造一、原子电子排列1.原子构成：原子核（质子和中子）和核外电子。2.电子排列：原子核外电子分布，它不仅决定了单个原子行为，也对工程材料内部原子结合以及材料某些性能起着决定性作用。3.电子排列参数：主量子数、次量子数、磁量子数以及自旋量子数第9页（1）主量子数n：

决定原子中电子能量以及与核平均距离，即电子所处量子壳层。（n=1、2、3、4…）（2）次量子数l：也称为轨道角量子数，给出电子在同一量子壳层内所处能级（电子亚壳层）。l=0、1、2、3…，这些亚壳层习惯上以s、p、d、f表达。（3）磁量子数m：给出每个轨道角动量量子数能级数或轨道数。它基本上确定了轨道空间取向。m=0、±1、±2、±3…。（4）自旋量子数（全名为自旋角动量量子数）ms：反应电子不一样样自旋方向，ms=+1/2，-1/2。第10页第11页5.电子分布服原从理：(1)最低能量原理：原子总是优先占据能量低轨道，使系统处在最低能量状态。(2)泡利不相容原理：一种原子中不也许存在有四个量子数完全相似两个电子。(3)Hund规则：在同一亚层中各个能级中，电子排布尽量分占不一样样能级，并且自旋方向相似。当电子排布为全充斥、半充斥或全空时，是比较稳定，整个原子能量最低。第12页二.元素周期表1.具有相似核电荷数同一类原子为一种元素。2.元素周期表是元素周期律详细体现形式，它反应了元素之间互相联络规律，元素在周期表中位置反应了那个元素原子构造和一定性质。第13页第14页三.结论1.原子核周围电子按照四个量子数规定从低能到高能依次排列在不一样样量子状态下，同一原子中电子四个量子数不也许完全相似。2.根据排列次序建立了元素周期表，各个周期中元素性质展现相似周期变化规律，元素在周期表上位置不仅决定了单个原子行为，也决定了材料中原子结合方式以及材料化学性能和物理性能。第15页第二节原子结合键一.原子结合键1.存在状态：凝聚态（液态和固态）分类2.一次键：结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。3.二次键：结合力较弱，包括范德瓦耳斯键和氢键。第16页二.一次键1.离子键（1）通过电子转移形成稳定构造，存在于大多数盐类、碱类和金属氧化物，如NaCI、MgO、CuO、Mg2Si、CrO2。（2）基本特点是以离子为基本结合单位。(3）一般离子晶体中正负离子静电引力较强，结合牢固。因此。其熔点和硬度均较高。此外，在离子晶体中很难产生自由运动电子，因此，它们都是良好电绝缘体。但当处在第17页高温熔融状态时，正负离子在外电场作用下可以自由运动，即展现离子导电性。2.共价键（1）通过共用电子对形成稳定构造（2）共价键键合基本特点是核外电子云抵达最大重叠，形成“共用电子对”，有确定方位，且配位数较小。（3）共价键在亚金属（碳、硅、锡、锗等）、聚合物和无机非金属材料中均占有重要地位。共价键晶体中各个键之间均有确定方位，配位数比较小。共价键结合极为第18页牢固，故共价晶体具有构造稳定、熔点高、质硬脆等特点。共价形成材料一般是绝缘体，其导电性能差。3.金属键（1）金属中自由电子和金属正离子互相作用所构成键合称为金属键，例如Na、Mg、Al等。（2）金属键基本特点是电子共有化。（3）金属键既无饱和性又无方向性，因而每个原子有也许同更多原子相结合，并趋于形成低能量密堆构造。当金属受力变形而变化原子之间互相位置时，不至于使金属键破坏，这就使金属具有良好延展性，并且，由于自由电子存在，金属一般都具有良好导电和导热性能。第19页三.二次键1.二次键：借原子之间偶极吸引力结合，例如CH4、CO2、H2、H2O。2.范德瓦耳斯键：属物理键，系一种次价键，没有方向性和饱和性。比化学键键能少1～2个数量级，这重要是由于偶极吸引力作用3.范德瓦耳斯键键能低，但它仍然是材料结合键重要构成部分，依托它大部分气体才能聚合为液态甚至固态，当然它们稳定性极差。第20页4.氢键氢键是一种特殊分子间作用力，本质上与范德瓦耳斯键同样，它是由氢原子同步与两个电负性很大而原子半径较小原子（O，F，N等）相结合而产生具有比一般次价键大键力。也是靠原子（或分子、原子团）偶极吸引力结合起来，只是氢键中氢原子起了关键作用。

原子核电子云原子核电子云a）理论电子云分布b）原子偶极矩产生第21页

质上是一种裸露质子，对另一种电负性值较大原子Y体现出较强吸引力，这样，氢原子便在两个电负性很强原子（或原子团）之间形成一种桥梁，把两者结合。起来，成为氢键。因此氢键可以表达为：X-H—Y。氢与X原子（或原子团）为离子键结合，与Y之间为氢键结合，通过氢键将X、Y结合起来，X与Y可以相似或不一样样。氢键具有饱和性和方向性，氢键在高分子材料中尤其重要。第22页（3）混合键对于某一详细材料而言，似乎只具有单一结合键，如金属应为金属键，ⅣA族元素应为共价键，电负性不一样样元素应结合成离子键。然而，实际材料中单一结合键状况并不是诸多，大部分材料内部原子结合键往往是多种键混合。陶瓷化合物中出现离子键和共价键混合状况很常见，一般金属正离子与非金属离子所构成化合物不是纯粹离子化合物，它们性质不能仅用离子键理解。化合物中离子键比例取决于构成元素中电负性差。电负性差相差越大，则离子键比例越高。鲍林推荐如下公式来确定化合物AB中离子结合键相对值：第23页另一种混合键体现为两种类型键独立纯在例如某些气体分子以共价键结合，而分子凝聚则依托范德瓦力。聚合物和许多有机材料长链分子内部是共价键结合，链与链之间则是范德瓦力或氢键结合。石墨碳上层为共价键结合，而片层间则为范德瓦力二次键结合。正由于大多数工程材料结合键是混合，混合方式比例又随材料构成而变，因此材料性能可在很广范围变化。从第24页

而满足工程实际多种不一样样需要。（4）结合键本质及原子间距固体中原子是依托结合键力结合起来不管是何种类型结合键，固体原子间总存在着两种力：一是吸引力，来源于电荷间静电吸引；二是同种电荷之间排斥力。当距离很远时，排斥力很小，只有当原子间靠近至电子轨道互相重叠时，排斥与吸引力相等，两原子便稳定在此相对位置上，这一距离r0相称于原子平衡距离，或称为原子间距。当原子距离被外力拉开时，吸引力则力图使它们回到平衡距离r0第25页

反之，当原子压缩时，排斥力起作用，使之回到平衡距离r0。假如从能量角度来看问题话，我们说，在作用力等于零平衡距离下能量应当抵达最低值，表明在该距离下体系处在稳定状态。当两个原子无限远时，原子间无作用力，作用能为零。当距离在吸引力作用下靠近时，体系位能逐渐下降,使体系组态熵增长，引起自由能下降。

当这对矛盾抵达统一时，系统就抵达平衡。由于系统都具有最小自由能倾向，由此确定点缺陷浓度即为该温度下平衡浓度。第26页（5）结合键与性能材料结合键类型及键能大小对某些性能有重要影响，重要表目前如下两个方面：1.物理性能：（1）熔点高下代表了材料稳定性程度。物质加热时，当热振动能足以破坏相邻原子间稳定结合时，便会发生熔化，因此熔点与键能值有很好对应关系：共价键、离子键化合物熔点较高，其中纯共价键金刚石具有最高熔点，金属熔点相对较低，但过渡族金属有较高熔点，尤其是难熔金属W、Mo、Ta等熔点都很高。而具有二次键结合材料熔点一般很低，如聚合物第27页

（2）材料密度与结合键类型有关。大多数金属有高密度，重要有两个原因：第一，金属元素有较高相对原子质量；第二，也是更重要，金属键结合方式没有方向性，金属原子总是趋于密集排列。相反，对于离子键或共价键结合状况，原子排列不也许很致密，因此它们化合物密度较低。而聚合物由于二次键结合，分子链堆垛不紧密，加上构成原子质量较小（C、H、O），在工程材料中具有最低密度。第28页原子排列不也许很致密，因此它们化合物密度较低。而聚合物由于二次键结合，分子链堆垛不紧密，加上构成原子质量较小（C、H、O），在工程材料中具有最低密度。（3）此外，金属键使金属材料具有良好导电性和导热性，而由非金属键结合陶瓷、聚合物均在固态下不导电，它们可以作为绝缘体或绝热体在工程上应用。2.力学性能：第29页（1）弹性模量是材料应力-应变曲线上弹性变形段斜率，在拉伸变形中一般称它为杨式模量，以E表达。而结合键能是影响弹性模量重要原因，结合键能越大，则“弹簧”越“硬”，原子之间距离移动所需要外力就越大，即弹性模量越大。如金刚石具有最高弹性模量值，E=1000GPa；其他某些工程陶瓷如碳化物、氧化物等结合键能也较高，它们弹性模量为250-600GPa；由金属键结合金属材料，弹性模量略低些，一般约为70-350GPa；而聚合物由于二次键作用，弹性模量仅为0.7-3.5GPa。第30页（2）工程材料强度与结合键能也有一定联络，一般说来，结合键能高，强度也高些，然而强度在很大程度上还取决于材料其他构造原因，如材料组织，因此它与键能之间对应关系不是很明显。此外，材料塑性与结合键类型有关，金属键赋予材料良好塑性；而离子键、共价键结合，使塑性变形困难，因此陶瓷材料塑性很差。第31页第三节原子排列方式1.固体根据原子（或原子团、分子)分为晶体和非晶体。2.晶体原子排列：粒子(原子、离子或分子)在三维空间呈周期性规则反复排列。特点：各向异性：不一样样方向原子排列方式不相似，因而其体现性能也有差异；固定熔点：排列规律能保持时展现固体，温度升高到某一特定值，排列方式解体，第32页原子成无规则堆积，这时大多展现不能保持自己形状液体。3.非晶体：粒子(原子、离子或分子)在三维空间呈非周期性无规则反复排列。特点：各向同性：不一样样方向原子排列方式相似，因而其体现性能也相似；无固定熔点第33页4.原子排列研究措施原子尺寸极小，用一般光学显微镜和电子显微镜很难直观看到材料内部原子及其排列方式。那么，在材料研究中，我们常常用下面两种措施来进行研究分析：1.X射线法；2.电子束法。这两种措施原理就是光学中干涉和衍射。第34页第四节晶体材料组织1.材料组织:多种晶粒组合特性，即多种晶粒相对量，尺寸大小、形状及分布等特性。2.宏观组织：粗大能用肉眼观测到组织。显微组织(金相组织）：需要用金相显微镜或电子显微镜才能观测到组织。3.单相组织：具有单一相组织，所有晶粒化学构成相似，晶体构造也相似。第35页其特性重要用晶粒尺寸和形状描述。4.固溶体：有些合金中合金元素完全溶解于基体中，形成均匀合金相，形成单相固溶组织。5.多向组织:具有两相以上晶体构成。第36页第五节材料稳态构造与亚稳态构造1同一种材料在不一样样条件下可以得到不一样样构造，其中能量最低构造称为稳态构造或平衡态构造，而能量相对较高构造则称为亚稳态构造。2.从热力学角度来看，能量最低构造最稳定，因此获得稳定构造最有利。然而，实际上体系存在构造并不一定是稳态，诸多状况下得到却是能量较高亚稳态，这是由构造转变动力学条件决定。因第37页此，材料最终得到什么构造必须综合考虑构造形成热力学条件和动力学条件。3.热力学条件：是指构造形成时必须沿着能量减少方向进行，或者说构造转变必须存在一种推进力，只有这样，过程才能自发进行。动力学条件：是指过程反应速度。任何反应都存在着阻力，阻力最小过程总是进行得最快最轻易实现，因此动力学条件实质是考虑阻力。4.体系最终得到构造还取决于转变过程外界条件，如温度、压力、冷却速度等。当然这些原因还是通过变化热力学条件和动力学条件来影响构造。第38页第二章材料中晶体构造晶体学基础纯金属晶体构造离子晶体构造共价晶体构造第39页第一节晶体学基础1.空间点阵：由几何点做周期性规则排列所形成三维阵列。它是原子理想排列，共有14种。阵点：空间点阵中点。它是纯粹几何点，各点周围环境相似。晶格：描述晶体中原子排列规律空间格架。晶胞：空间点阵中最小几何单元。第40页晶体构造：原子、离子或原子团按照空间点阵实际排列。也许存它在局部缺陷，可有无限多种。2.晶胞选用原则：可以充足反应空间点阵对称性；相等棱和角数目最多；具有尽量多直角；体积最小。3.晶胞描述：有三个棱边长度a,b,c及其夹角α,β,γ示晶胞中点位置表达（坐标法）。第41页4.布拉菲点阵：根据每个阵点周围环境相似规定，将空间点阵分为14种点阵分属7个晶系。5.晶向：空间点阵中各阵点列方向。晶面：通过空间点阵中任意一组阵点平面。国际上通用米勒指数标定晶向和晶面。晶向指数标定。6.晶相指数确实定环节：第42页（1）建立坐标系，确定原点（阵点）、坐标轴和度量单位（棱边）。（2）确定坐标值（3）化整并加方括号注意：指数意义是代表互相平行、方向一致所有晶向。负值：标于数字上方，表达同一晶向相反方向。第43页

晶向族：晶体中原子排列状况相似但空间位向不一样样一组晶向。用<uvw>表达，数字相似，但排列次序不一样样或正负号不一样样晶向属于同一晶向族。7.晶相指数确实定环节：（1）建立坐标系：确定原点（非阵点）、坐标轴和度量单位。（2）求截距：x,y,z。（3）取倒数：h’,k’,l’。（4）化整数加加圆括号：h、k、l,加后(hkl)。注意：指数意义:代表一组平行晶面；第44页0意义：面与对应轴平行；平行晶面：指数相似，或数字相似但正负号相反;晶面族：晶体中具有相似条件（原子排列和晶面间距完全相似），空间位向不一样样各组晶面。用{hkl}表达。若晶面与晶向同面，则hu+kv+lw=0;若晶面与晶向垂直，则u=h,k=v,w=l第45页8.六方系晶向指数和晶面指数六方系指数标定特殊性：四轴坐标系（等价晶面不具有等价指数）。晶面指数标定:标法与立方系相似(四个截距)；用四个数字(hkil)表达；i=-(h+k)。晶向指数标定标法与立方系相似(四个坐标)；用四个数字(uvtw)表达；t=-(u+w)。依次平移法：适合于已知指数画晶向（末点）。坐标换算法：[UVW]~[uvtw]u=(2U-V)/3,v=(2V-U)/3,t=-(U+V)/3,w=W。第46页9.晶带：相交和平行于某一晶向直线所有晶面组合。此直线叫晶带轴。同一晶带中晶面叫共晶面。晶带用晶带轴晶向指数表达。晶带轴与该晶带中任一晶面之间均满足如下关系：hu+kv+lw=0，凡满足上式晶面都属于以[uvw]为晶带轴晶带。第47页10.（1）由两晶面(h1k1l1)(h2k2l2)求其晶带轴[uvw]：u=k1l2-k2l1;v=l1h2-l2h1;w=h1k2-h2k1。（2）由两晶向[u1v1w1][u2v2w2]求其决定晶面(hkl)。（3）H=v1w1-v2w2;k=w1u2-w2u1;l=u1v2-u2v1。（4）晶面间距（简朴立方）：d=a/(h2+k2+l2)1/2第48页第二节纯金属晶体构造1.经典晶体构造:面心立方（A1或fcc)、体心立方(A2或bcc)、密排六方(A3或hcp)。2.配位数（）：晶体构造中任一原子周围近来且等距离原子数。致密度（K）：晶体构造中原子体积占总体积百分数。K=nv/V。间隙半径（rB）：间隙中所能容纳最大圆球半径。第49页晶胞原子数

426点阵常数

a=2/2ra=4/3/3ra=2r配位数88（8＋6）12致密度

0.740.680.74堆垛方式ABCABCABABABABABAB结构间隙正四面体正八面体四面体扁八面体

四面体正八面体（个数）84126126（rB/rA）

0.2250.4140.290.150.2250.414三种经典晶体构造特性第50页3.多晶型性：元素晶体构造随外界条件变化而发生转变性质。4.四影响原子半径原因：温度与应力、结合键影响、配位数影响（高配位构造向低配位构造转变时，体积膨胀，原子半径减小减缓体积变化）、核外电子分布影响（一周期内，随核外电子数增长至填满，原子半径减小至一最小值。第51页第三节离子晶体构造1.离子晶体重要特点：（1）硬度高强度大，熔点沸点较高，热膨胀系数较小，脆性大。（2）良好绝缘性（3）无色透明2.离子半径：从原子核中心到最外层电子平衡距离，反应了查对核外电子吸引和核外电子之间排斥平均效果，是决定离子构造晶体构造类型一种重要几何原因。第52页配位数（）：晶体构造中任一原子周围近来且等距离原子数。致密度（K）：晶体构造中原子体积占总体积百分数。K=nv/V。间隙半径（rB）：间隙中所能容纳最大圆球半径。3.离子堆积：立方最密堆积、六方最密堆积、立方体心密堆积、四面体堆积。正离子居于负离子空隙。4.负离子配位多面体：在离子晶体构造中，与某一种正离子成配位关系而紧邻各个负离子中心线所构成多面体。第53页5.离子晶体构造规则：（1）鲍林第一规则（负离子配位多面体规则）：在离子晶体中，正离子周围形成一种负离子配位多面体，正负离子间平衡距离取决于正负离子半径之和，正离子配位数取决于正负离子半径比。（2）鲍林第二规则（电价规则含义）：一种负离子必然同步被一定数量负离子配位多面体所共有。（3）鲍林第三规则（棱与面规则）：在配位构造中，共用棱尤其是共用面存在，会减少这个构造稳定性。第54页第四节共价晶体构造1.共价晶体：由两种非金属元素原子或异种元素原子通过共价键结合而形成无限大分子。又名原子晶体。2.重要特点：共价键具有明显饱和性和强烈方向性，原子配位数比离子型晶体和金属性晶体小。共价键结合力比离子键强，晶体具有高强度高硬度。脆性大沸点高和挥发性低特点，导电性差。第55页第三章高分子材料构造高分子材料概述高分子链构造及构象高分子汇集态构造高分子材料性能与构造第56页第一节高分子材料概述1.高分子化合物：一种或多种低分子化合物聚合而成相对分子质量很大化合物，又称聚合物或高聚物。相对分子质量不小于5000。低分子化合物：对分子质量不不小于5000，分子有几种或几十个原子。评估原则：高分子化合物具有很好强度、塑性和弹性，低分子化合物没有这些性能。2.单体:构成高分子化合物低分子化合物。它是化合物独立存在基本单元，是单个分子存在稳定状态。第57页3.链节：构成大分子构造单元。聚合度：大分子链中链节反复次数，反映了大分子链长短和相对分子质量。4.官能度：在一种单体上能与别单体发生键合位置数目。单体分子官能度决定了高分子构造。5.多分散性:高分子化合物中各个分子相对分子质量不等现象叫做相对分子质量多分散性。它只存在于高分子化合物，决定了它物理和化学性能大分散度。6.平均相对分子质量分为数均相对分子质量和重均相对分子质量。第58页7.加聚反应：由一种或多种单体互相加成而连接成聚合物反应，其产物为聚合物。构成：与单体相似。反应过程中没有副产物。均聚反应：由一种单体参与加聚反应。共聚反应：由两种或两种以上单体参与加聚反应。8.缩聚反应：由一种或多种单体互相混合而连接成聚合物，同步析出某种低分子化合物反应。均缩聚反应：由一种单体参与缩聚反应。共缩聚反应：由两种或两种以上单体参与缩聚反应。第59页9.分子化合物分类：加聚聚合物按聚合反应类型分为加聚聚合物和缩聚聚合物。按高分子几何构造分为线型聚合物和体型聚合物。按聚合物热行为分为热塑性聚合物和热固性聚合物。第60页第二节高分子链构造及构象1.高分子链构造是指构成高分子构造单元化学构成链接方式、空间构型、高分子链几何形状及构象等。2.高分子是由单体通过加聚和缩聚反应连结而成链状分子。高分子链中反复构造为链节。根据链节中化学构成不一样样，高分子链重要有如下几种：碳链高分子、杂链高分子、元素有机高分子。3.链接方式：均聚物中单体连接方式：头－尾连接、头－头或尾－尾相连、无轨连接。第61页聚物中单体连接方式：无轨共聚：ABBABBABA交替共聚：ABABABAB嵌段共聚：AAAABBAAAABB接枝共聚：AAAAAAAAAAABBBBBB4.高分子链空间构型（按取代基位置与排列规律）分类：全同立构：取代基R所有处在主链一侧。

第62页间同立构：取代基R相间分布在主链两侧。无轨立构：取代基R在主链两侧不规则分布。5.高分子链几何形状：线型、支化型、体型。高分子汇集态构造（链间构造、分子间构造）无定形构造、部分结晶构造、结晶型构造。6.高分子链构象：由于单链内旋转引起原子在空间据不一样样位置所构成分子链多种形象。7.高分子链柔顺性：高分子由于构象变化获得不一样样卷曲程度一般用两端点间直线距离衡量。第63页

影响原因：高分子链构造和所处条件（温度压力介质等），也与高分子作用力有关。构造原因：主链构造和侧基性质。主链全由单链构成时，分子链柔顺性最佳。极性侧基使柔顺性减少；侧基体积越大，柔顺性越低。对称侧基使柔顺性增高。侧基沿分子链分布距离、分子间化学键等构造原因对柔顺性也有影响。第64页第三节高分子汇集态构造1.高分子汇集态构造：聚合物本体中分子链排列和堆积构造。按照高分子排列特点，固体聚合物汇集状态构造分为晶态和非晶态。2.晶态聚合物重要有樱状胶束构造模型和折叠链状构造模型。3.非晶态聚合物重要有无序构造模型和局部有序构造模型。第65页4.结晶度：结晶程度，并用结晶部分质量和体积占整体重量或体积比例表达。测定措施：X射线衍射法、密度法、红外光谱法、核磁共振法和量热法，最简朴易行最常用密度法。5.线型聚合物结晶能力受分子构造影响规律：（1）构造简朴规整度高对称性好高分子轻易结晶。（2）等规聚合物结晶能力强。（3）缩聚物都能结晶（4）高分子链支化不利于结晶第66页6.玻璃化温度：当一块玻璃冷却到熔点温度如下时，在某一温度范围内仍是塑形，但冷却到某一温度时，发生玻璃硬化，这时温度叫做玻璃化温度。第67页第四节高分子材料性能与构造1.高分子材料重要性能特点:（1）弹性模量和强度都较低（2）从液态凝固后多为非晶态（3）轻易老化（4）原料丰富，成本低，密度小，化学稳定好，有良好绝缘性能。（5）良好光学性能2.高分子材料分为热塑性塑料、热固性塑料和橡胶。

第68页3.变化高分材料性能途径（1）变化结晶度（2）变化侧基性质（3）变化主链构造（4）共聚（5）拉拔强化第69页

4.热缺陷产生：原子一定温度下热振动，能量是按麦克斯威尔—波兹曼分布出现起伏，总有某些高能量原子，离开平衡位置，导致缺陷。热缺陷两种重要形态：弗伦克尔缺陷：原子离开平衡位置后，挤到格子点间隙中，形成间隙离子，而本来位置上形成空位，成对产生。肖特基缺陷：原子获得较大能量，移到表面外新位置上去，本来位置则形成空位，空位逐渐转移到内部，体积增长。第70页第四章晶体缺陷点缺陷位错基本概念位错能量机交互作用晶体中界面第71页第一节点缺陷1.缺陷分类缺陷是一种局部原子排列破坏。按照按缺陷几何形状缺陷可以分为：（1）点缺陷

在三维方向上尺寸都很小（远不不小于晶体或晶粒线度），又称零维缺陷。经典代表有空位、间隙原子等。（2）线缺陷

在两个方向尺寸很小，一种方向尺寸较大（可以和晶体或晶粒线度相比拟），又称为一维缺陷。位错是经典线缺陷，是一种非常重要缺陷。第72页（3）面缺陷

在一种方向尺寸很小，另两个方向尺寸较大，又称二维缺陷。如晶粒间界、晶体表面、层错等。2.点缺陷种类有诸多，但金属中常见基本点缺陷有两种类型：空位和间隙原子。3.一定温度下，点缺陷数目是一定，这就是点缺陷平衡浓度。空位及间隙原子在热力学上是平衡浓度为：

第73页

其中Ce为某一种类型点缺陷平衡浓度，N为晶体原子总数，A为材料常数，T－热力学温度，k－玻尔兹蔓常数，u－该类型缺陷形成能。对点缺陷平衡浓度理解：(1)首先，晶体中点缺陷形成引起了点阵畸变，使晶体内能增长，提高了系统自由能。

(2)另一方面，由于点缺陷形成，增长了点阵排列混乱度，系统微观状态数目发生变化。第74页点缺陷类型第75页返回第76页4.赫姆霍兹自由能：A=U–TS赫姆霍兹自由能变化：ΔA=ΔU–TΔSU——内能H——焓S——熵T——热力学温度由公式可以看出，点缺陷产生使内能增长，自由能有增大趋势；同步点缺陷产生使系统混乱程度增长，熵值增长，自由能有减小趋势；自由能变化由两者共同决定。熵值增长随缺陷数量变化是非线性，少许点缺陷存在使熵增迅速增长，继续增长点缺陷使熵增变化逐渐变缓。ΔU和ΔS这两项相反作用成果使自由能变化ΔA如图所示。第77页

先随晶体中缺陷数目旳增多，自由能逐渐减少，然后又逐渐增高，这样体系中在一定温度下存在着一种平衡点缺陷浓度，在该浓度下体系自由能最低。也就是说由热振动产生点缺陷属于热力学平衡缺陷，晶体中存在这些缺陷使自由能是减少；相反，假如没有这些却陷，自由能反而升高。5.过饱和点缺陷：有时晶体中缺陷数目会明显超过平均值，这种点缺陷成为过饱和点缺陷。这是由于高温淬火、辐照冷加工导致。6.点缺陷可以导致金属物理性能与力学性能变化第78页（1）引起电阻增长。破坏了原子排列规律性，使电子在传导时散射增长，从而增长了电阻。（2）空位使晶体密度下降，体积膨胀（3）空位存在及其运动是晶体高温下发生蠕变重要原因之一。（4）高温迅速冷却时保留空位，或经辐照处理后空位，这些过量空位往往沿某些晶面汇集，形成空位片，或它们与其他晶体缺陷发生交互作用，因而使材料强度有所提高，但同步也引起明显脆性。第79页第二节位错基本概念1.位错：原子行列间互相滑移，不再符合理想晶格有序排列，为线缺陷。2.位错最重要、最基本形态有刃形位错和螺形位错两种，另有介于它们之间混合型位错等。3.刃型位错：滑移面和未滑移面交界处一条交界线（如动画所示），也即一种多出半原子面与滑移面相交交线上，由于原子失掉正常相邻关系，形成晶格缺陷。它与滑移方向垂直。第80页

刃型位错正负：多出半原子面在滑移面上边刃型位错称为正刃型位错，反之称为负刃型位错位错关键：畸变在位错中心处最大，伴随距离增大逐渐减小。一般是原子错排严重到失掉正常相邻关系区域。4.螺型位错：滑移面和未滑移面交界处一条交界线（如动画所示），它所贯穿一组本来是平行晶面变成了一种以此为轴螺旋面，原子失掉正常相邻关系，形成晶格缺陷。它与滑移方向平行。螺型位错左右旋：螺旋面为右旋为右旋螺型位错，反之为左旋螺型位错螺型位错晶体生长特点：蜷线台阶第81页5.混合型位错：位错线与滑移方向既不平行也不垂直，原子排列介于螺型位错与刃型位错之间。6.螺型位错与刃型位错辨别（1）螺型位错中不存在多出半原子面，而是垂直于位错线原子平面发生了螺旋状扭曲。（2）螺位错线b与其位错线相平行，而刃位错线b与其位错线互相垂直，这是辨别螺位错与刃位重要根据。（3）螺型位错可分为左螺型位错和右螺型位错，与正负刃位错不一样样，左右螺型位错是不能互相转

第82页化，不管从哪个方向看，旋转方向是不会变（4）螺位错与刃位错滑移运动有一种重要差异，即刃位错有确定滑移面刃型位错、螺型位错和混合位错在本质上共同点：（1）它们都是线缺陷；（2）它们都可以在外力作用下发生滑移运动，并且运动成果都是在位错线滑移过区域之中，导致了上下两半晶晶体整体相对位移过一种b距离，这一点是非常重要。第83页

7.柏式矢量表达：通常用其沿晶体主轴分量来表达，刃型位错与其柏格斯矢量互相垂直，而螺型位错与其柏格斯矢量互相平行。位错强度：指柏格斯矢量大小。

位错柏格斯矢量守恒性：（1）一种位错只具有唯一柏格斯矢量。位错运动或形态变化矢量不变，矢量大小及方向完全决定于位错自身，而与回路之大小与形状无关（2）位错线不能在晶体内部中断。可连接晶体表面，形成封闭位错环等第84页7.柏式回路：在好区中围绕位错作一闭合回路，回路每一步，都连接相邻同类原子，并且一直保持在晶体好区，这个回路称柏式回路（螺型位错与刃型位错）。柏式矢量：反应含与不含位错两个晶体差异，体现实际晶体所含位错主线特性矢量。为闭合在两种晶体上绕走同样步数而无法闭合回路所附加矢量。（3）位错与其他位错相联，指向节点(即位错线交点)诸位错柏格斯矢量之和，必然等于离开节点诸位错柏格斯矢量之和。柏式矢量表达：通常用其沿晶体主轴分量来表达，刃型位错与其柏格斯矢量互相垂直，而螺型位错与其柏格斯矢量互相平行。

第85页位错强度：指柏格斯矢量大小。柏式矢量方向确定：回路正向与位错线正向构成右手螺旋关系。（位错正向为从纸背到纸面）第86页8.位错密度：在单位体积晶体中所包括位错线总长度。A——截面积n——穿过截面积位错线数目9.交滑移：假如由于某种原因，螺位错在某一平面上滑移运动受阻，那麽只要应力条件具有，它可以绕过障碍向另一种滑移面上继续滑移，称为交滑移。螺位错交滑移时，滑移面变化了，但b矢量不变。10.位错观测：浸蚀技术和透射电镜观测第87页类型柏氏向量位错线运动方向晶体滑移方向切应力方向滑移面个数刃型

垂直于位错线

垂直于位错线与b一致与b一致唯一螺型平行于位错线垂直于位错线与b一致与b一致

多个混合与位错线成一定角度

垂直于位错线与b一致与b一致●位错滑移特性下页上页第88页第三节位错能量及交互作用位错应变能第89页第三节位错能量及交互作用1.位错能量：位错在晶体中引起畸变，具有能量。包括位错关键能和应变能（关键以外能量）两部分应变能：位错周围原子偏离了平衡位置，处在较高能量状态，高出能量称为位错应变能，简称位错能。

刃型位错：螺型位错：第90页

r0－位错内部半径r1－位错在晶体中影响范围不管是刃型、螺型还是混合型位错，均有：a常取0.5~1.0，螺型位错取0.5，刃型位错取1.0，即位错能量与切变模平方成正比，因此柏氏矢量模是影响位错能量最重要原因第91页2.位错线张力

由此可知，保持位错线弯曲所需切应力曲率半径成反比，这一关系式对位错运动及增殖有重要意义第92页第四节晶体中界面1.面缺陷重要包括晶界、相界和表面，它们对材料力学和物理化学性能具有重要影响。2.大角度晶界：晶粒位向差不小于10度晶界。其构造为几种原子范围内原子混乱排列，可视为一种过渡区。小角度晶界：晶粒位向差不不小于10度晶界。其构造为位错列，又分为对称倾侧晶界和扭转晶界。晶界能：原子偏离了平衡位置，相对于晶体内部，晶界处在较高能量状态，高出那部分能量。第93页

孪晶界：两块相邻孪晶共晶面。分为共格孪晶界和非共格孪晶界。表面吸附：外来原子或气体分子在表面上富集现象。物理吸附：由分子键力引起，无选择性，吸附热小，结合力小。化学吸附：由化学键力引起，有选择性，吸附热大，结合力大。3.界面特性：（1）界面能会引起界面吸附。（2）界面上原子扩散速度较快。（3）对位错运动有阻碍作用。（4）易被氧化和腐蚀。（5）原子混乱排列利于固态相变形核。第94页第五章材料相构造及相图材料相构造二元相图及其类型复杂相图分析相图热力学基础三元系相图及其类型第95页第一节材料相构造1合金：两种或两种以上金属，或金属与非金属经一定措施合成具有金属特性物质。组元：构成合金最基本物质。（如一元、二元、三元合金）合金系：给定合金以不一样样比例而合成一系列不一样样成分合金总称。相：材料中构造相似、成分和性能均一构成部分。（如单相、两相、多相合金。）第96页2.相分类固溶体：以合金中某一祖元为溶剂其他组元为溶质，所形成与溶剂有相似晶体构造、晶格常数稍有变化固相。中间相（金属化合物）：构成原子有固定比例，其构造与构成组元均不相似相。3.按溶质原子位置不一样样，可分为置换固溶体和间隙固溶体。按固溶度不一样样，可分为有限固溶体和无限固溶体。按溶质原子分布不一样样，可分为无序固溶体和有序固溶体。第97页1.置换固溶体：溶质原子位于晶格点阵位置固溶体。影响置换固溶体溶解度原因:(1)原子尺寸原因:原子尺寸差越小，越易形成置换固溶体，且溶解度越大。△r=(rA-rB)/rA,当△r<15%时，有助于大量互溶。(2)晶体构造原因:构造相似，溶解度大，有也许形成无限固溶体。(3)电负性原因:电负性差越小，越易形成固第98页溶体，溶解度越大。(4)电子浓度原因:电子浓度e/a越大，溶解度越小。e/a有一极限值，与溶剂晶体构造有关。一价面心立方金属为1.36，一价体心立方金属为1.48。（上述四个原因并非互相独立，其统一理论是金属与合金电子理论）2.间隙固溶体影响原因：原子半径和溶剂构造。溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶体3.陶瓷材料中固溶方式：置换或间隙固溶，甚至形成无限固溶体。第99页4.中间相是由金属与金属，或金属与类金属元素之间形成化合物，也称为金属间化合物。（1）正常价化合物形成：电负性差起重要作用，符合原子价规则。键型：随电负性差减小，分别形成离子键、共价键、金属键。构成：AB或AB2。（2）电子化合物（电子相）形成：电子浓度起重要作用，不符合原子价规则。键型：金属键（金属－金属）。

第100页（3）构成：电子浓度对应晶体构造，可用化学式表达，可形成以化合物为基固溶体。（4）间隙化合物形成：尺寸原因起重要作用。构造：简朴间隙化合物（间隙相）：金属原子展现新构造，非金属原子位于其间隙，构造简朴。（5）复杂间隙化合物：重要是铁、钴、铬、锰化合物，构造复杂。构成：可用化学式表达，可形成固溶体，复杂间隙化合物金属元素可被置换。第101页第二节二元相图及其类型1.相图：描述系统状态、温度、压力及成分之间关系图解。相律：描述材料在不一样样条件下相平衡状态所准寻法规，是理解分析相图十分重要理论根据。相图和相律只在热力学平衡条件下成立，不能反应各平衡相构造，分布状态及其详细形貌。第102页2.相律：热力学平衡条件下，系统组元数、相数和自由度数之间关系。表达式：f=c-p+2;压力一定期，f=c-p+1。应用：可确定系统中也许存在最多平衡相数。如单元系2个，二元系3个。可以解释纯金属与二元合金结晶差异纯金属结晶恒温进行，二元合金变温进行。3.相图表达与建立状态表达：温度－成分坐标系。坐标系中点－表象点。4.杠杆定律：平衡相成分确实定（根据相率，若温度一定，则自由度为0，平衡相成分随第103页之确定。）数值确定：直接测量计算或投影到成分轴测量计算。注意：只合用于两相区；三点（支点和端点）要选准5.匀晶相图及其分析匀晶转变：由液相直接结晶出单相固溶体转变。匀晶相图：具有匀晶转变特性相图。两点：纯组元熔点；两线：L,S相线；三区：L,α,L+α。第104页6.（1）共晶转变：由一定成分液相似时结晶出两个一定成分固相转变。共晶相图：具有共晶转变特性相图。（液态无限互溶、固态有限互溶或完全不溶，且发生共晶反应。共晶组织：共晶转变产物。（是两相混合物）成分表达：质量分数或摩尔分数。相图建立措施：试验法和计算法。第105页过程：配制合金－测冷却曲线－确定转变温度－填入坐标－绘出曲线。相图构造：两点、两线、三区。（2）相图分析（相图三要素）点：纯组元熔点；最大溶解度点；共晶（是亚共晶、过共晶成分分界点）等。线：结晶开始、结束线；溶解度曲线；共晶线等。区：3个单相区；3个两相区；1个三相区。（3）合金平衡结晶及其组织（以Pb-Sn相图为例）

第106页Wsn<19％合金①凝固过程（冷却曲线、相变、组织示意图）。②二次相（次生相）生成：脱溶转（二次析出或二次再结晶）。③室温组织（α＋βⅡ）及其相对量计算。（4）共晶合金组织构成物与组织图组织构成物：构成材料显微组织各个不一样样本质和形态部分。组织图：用组织构成物填写相图。

第107页共晶成分合金得到亚、过共晶组织（伪共晶区偏移）不平衡共晶：位于共晶线以外成分合金发生共晶反应而形成组织。原因：不平衡结晶。成分位于共晶线以外端点附件。离异共晶：两相分离共晶组织。形成原因：平衡条件下，成分位于共晶线上两端点附近;不平衡条件下，成分位于共晶线外两端点附。消除：扩散退火。（5）不平衡结晶及其组织伪共晶：①伪共晶：由非共晶成分合金所得到第108页完全共晶组织。②形成原因：不平衡结晶。成分位于共晶点附近。③不平衡组织：由非共晶成分合金得到完全共晶组织包晶转变：由一种特定成分固相和液相生成第109页第三节复杂相图分析1.分析措施：（1）相图中若有稳定中间相，可以把相图分为几种部分，根据需要选用某一部分进行分析。（2）许多相图往往只标注单向区，为了便于分析相图，应根据相区接触法则填写各空白相区，也可用组织构成物填写相图。（3）运用经典成分分析合金结晶过程及组织相变，并运用杠杆定律分析各相相对量随变化状况。第110页2.二铁－碳合金相图（1）组元和相组元：铁－石墨相图：Fe,C;铁－渗碳体相图：Fe-Fe3C。相：L,δ,A(γ),F(α),Fe3C(K)。（其定义）（2）相图分析点：16个。线：两条磁性转变线；三条等温转变线；其他三条线：GS,ES,PQ。区：5个单相区，7个两相区，3个三相区。相图标注：相构成物标注相图。第111页组织构成物标注相图。（3）合金分类：工业纯钛（C%<0.0218%）碳钢（0.0218<C%<2.11%）铸铁（C%>2.11%）3.平衡结晶过程及其组织经典合金（7种）平衡结晶过程、组织化、室温组织及其相对量计算。重要问题：Fe3CⅠ,Fe3CⅡ,Fe3CⅢ意义及其最大含量计算。

第112页5含碳量对平衡组织和性能影响对平衡组织影响（随C%提高）：组织：α＋Fe3CⅢLd`＋Fe3CⅠ；相：α减少，Fe3C增多；Fe3C形态：Fe3CⅢ（薄网状、点状）析Fe3C（层片状）Fe3CⅡ（网状）共晶Fe3C（基体）Fe3CⅠ（粗大片状）对力学性能影响：强度、硬度升高，塑韧性下降。对工艺性能影响:适合铸造：C%<2.11%，可得到单相组织。适合铸造：C%～4.3%。，流动性好。适合冷塑变：C%<0.25%，变形阻力小。适合热处理：0.0218~2.11，有固态相变。第113页第四节相图热力学基础化学位与相平衡条件（1）化学位：偏摩尔吉布斯自由能。用表达。化学位确实定：在自由能—成分曲线上，过成分点切线与两纵轴交点。（2）相平衡条件：两组元在各相中化学位分别相等在自由能—成分曲线上，体现为各曲线间有公切线。第114页第五节三元系相图及其类型1.三元相图与二元相图比较，组元数增长了1个,即成分变量是两个，故表到达分坐标轴应为2个,需要用一种平面表达，再加上垂直于该平面温度轴，这样三元相图就演变成一种在三维空间立体图形，分隔相区是一系列空间曲面，而不是二元相图平面曲线。2.三元相图成分表达措施

(1)等边成分三角形

常用三角形来表达三元合金成分，这样三角形称为浓度三角形或成分三角。第115页常用成分三角形是等边三角形和直角三角形。第116页(2)直角成分坐标表达法

当三元系成分以某一组元为主，其他两个组元含量很少时，合金成分点将靠近等边三角形某一顶点。若采用直角坐标表到达分，则可使该部分相图更为清晰表达出来，一般用坐标原点代表高含量组元，而两个互相垂直坐标轴代表其他两个组元成分，如下图所示。第117页第118页(3)等腰成分三角形

当三元系中某一组元含量较少，而另两组元含量较大时，合金成分点将靠近等边成分三角形某一边。为了使该部分相图清晰表达出来，常采用等腰三角形，即将两腰刻度放大,而底边刻度不变。如图5-103所示第119页第120页对于O点成分合金，其成分确实定措施与前述等边三角形确实定措施相似，即过O点分别引两腰平行线与AC边相交于a和c点，则：

Ca＝WA＝30％

Ac＝WC＝60％

Ab＝WB＝10％。

虽然，上述成分表达措施在三元相图中均有应用，但应用最为广泛还是等边三角形。第121页3.等边成分三角形中特定意义线(1)平行于三角形某一边直线。凡成分位于该线上所有合金，它们所含由这条边对应顶点所代表组元含量为一定值。如图中ef直线上代表B组元含量均为Ae。(2)通过三角形顶点任一直线

凡成分位于该直线上所有合金它们所含由另两个顶点所代表两组元含量之比为一定值。如图5-104中Bg线上所有合金A、C两组元质量分数之比为WA/WC=Cg/Ag。第122页第123页4.直线法则：三元合金中两相平衡时，合金成分点和两个平衡相成分点，必须在同一直线上。由直线法则可得到如下规律：(1)当温度一定期，若已知两平衡相成分，则合金成分必位于两平衡相成分连线上；

(2)当温度一定期，若已知一相成分及合金成分，则另一平衡相成分必位于两已知成分点连线延长线上；

(3)当温度变化时，两平衡相成分变化时，其连线一定绕合金成分点而转动。第124页5.三组元在液相和固相均完全互溶相图为三元匀晶相图。6.等温截面是由表达温度水平面与空间模型中各个相界面相截得到交线投影到成分三角形中得到，它表达三元系合金在某一温度下状态。

第125页第六章材料凝固与气体沉积材料凝固时晶核形成材料凝固时晶体生长固溶体合金凝固共晶合金凝固制造工艺与凝固组织用凝固法材料制备技术材料非晶态材料气固转变气体沉积法材料制备技术第126页第一节材料凝固时晶核形成1.凝固：物质从液态到固态转变过程若凝固后物质为晶体，则称之为结晶。凝固过程影响后续工艺性能、使用性能和寿命。凝固是相变过程，可为其他相变研究提供基础。2.结晶过程（1）结晶基本过程：形核－长大。第127页（2）描述结晶进程两个参数形核率：单位时间、单位体积液体中形成晶核数量。用N表达。长大速度：晶核生长过程中，液固界面在垂直界面方向上单位时内迁移距离。用G表达。3.热力学条件（1）G-T曲线a是下降曲线：由G-T函数一次导数（负）确定。dG/dT=-S第128页b是上凸曲线：由二次导数（负）确定。d2G/d2T=-Cp/Tc液相曲线斜率不小于固相：由一次导数大小确定。二曲线相交于一点，即材料熔点。第129页（2）热力学条件△Gv=－Lm△T/Tma△T>0,△Gv<0－过冷是结晶必要条件（之一）。b△T越大,△Gv越小－过冷度越大，越有助于结晶。c△Gv绝对值为凝固过程驱动力。第130页4.均匀形核：新相晶核在遍及母相整个体积内无轨则均匀形成。(1）晶胚形成时能量变化△G＝V△Gv+σS＝(4/3)πr3△Gv+4πr2σ(2)临界晶核d△G/dr=0,rk=-2σ/△Gv临界晶核：半径为rk晶胚。(3)临界过冷度rk=-2σTm/Lm△T临界过冷度：形成临界晶核时过冷度△Tk△T≥△Tk是结晶必要条件。第131页（4）形核功与能量起伏△Gk＝Skσ/3临界形核功：形成临界晶核时需额外对形核所做功。能量起伏：系统中微小区域能量偏离平均能量水平而高下不一现象（是结晶必要条件之三）。（5）形核率与过冷度关系N=N1(∆GK).N2(∆GA) 由于N受N1(形核）.N2（扩散）两个原因第132页控制，形核率与过冷度之间是呈抛物线关系。5.非均匀形核影响非均匀形核原因a过冷度：（N-△T曲线有一下降过程）。b外来物质表面构造：θ越小越有利。点阵匹配原理：构造相似，点阵常数相近。c外来物质表面形貌：表面下凹有利。第133页6.晶核长大条件（1）动态过冷动态过冷度：晶核长大所需界面过冷度（是材料凝固必要条件）（2）足够温度（3）合适晶核表面构造第134页第二节材料凝固时晶体生长1.熔化熵影响:表征材料晶体生长特性基本参数，常以2.温度梯度影响:在液固面为正温度梯度下，晶体生长按持续生长机制，呈平面式相液相推进；但在负温度梯度下，晶体则呈树枝状向液体中生长。第135页第三节固溶体合金凝固1.固溶体合金平衡结晶（1）平衡结晶：每个时刻都能抵达平衡结晶过程。（2）与纯金属结晶比较①

相似点：基本过程：形核－长大；热力学条件：⊿T>0；能量条件：能量起伏；构造条件：构造起伏。②不一样样点：合金在一种温度范围内结晶（也许性：相律分析；必要性：成分均匀化。）合金结晶是选分结晶：需成分起伏。第136页2.固溶体不平衡结晶（1）原因:冷速快(假设液相成分均匀、固相成分不均匀)。（2）结晶过程特点：固相成分按平均成分线变化（但每一时刻符合相图）；结晶温度范围增大；组织多为树枝状。（3）成分偏析：晶内偏析：一种晶粒内部化学成分不均匀现象。枝晶偏析：树枝晶枝干和枝间化学成分不均匀现象。（消除：扩散退火，在低于固相线温度长时间保温。）第137页3.成分过冷及其对晶体生长形态影响（1）成分过冷：由成分变化与实际温度分布共同决定过冷。（2）形成：界面溶质浓度从高到低→液相线温度从低到高。

第138页第四节共晶合金凝固1.共晶体构造:(1)两个低熔化熵组元共晶:多数金属构成共晶合金，共晶体中两相以成片状或棒状平行生长。（2）低熔化上和高熔化熵组员构成共晶：金属和非金属构成共晶，工业上重要有Ai-Si、Fe-C合金均属此类。（3）两种高熔化熵组员构成共晶：在共晶凝固中两相各自独立形核与成长，两者没有结晶学关系，共晶组织很不规则。第139页2.杂质对共晶生长影响（1）杂质可使纯共晶平面式生长变为胞状生长。（2）杂质影响还可使片状共晶构造变化为棒状共晶。第140页第五节制造工艺与凝固组织1.铁锭三区表层细晶区：强过冷,非均匀形核柱状晶区:纯金属:过冷度减小,形核困难,沿散热方向生长;合金:成分过冷,一次轴发达,沿散热方向生长。中心等轴晶区:均匀散热、液相区成分过冷、熔体对流导致细晶漂移或枝晶破碎。2.组织控制：受浇铸温度、冷却速度、化学成分、变质处理、机械振动与搅拌等原因影响。第141页3.（1）宏观偏析:整个铸锭范围内成分不均匀现象.正偏析:k0<1合金铸锭中心溶质含量较高现象.反偏析:k>1合金铸锭中心溶质含量较高现象.密度偏析:由于初生相与剩余液体密度差异而导致铸锭上下部提成分不均匀现象.(2)显微偏析:晶粒内部成分不均匀现象,包括胞状偏析和树枝偏析。第142页4.铸锭缺陷（1）夹杂：外来夹杂和内生夹杂。气孔：析出型和反应型。（2）缩孔和疏松形成：凝固时体积缩小－补缩局限性－形成缩孔。分类：集中缩孔（缩孔、缩管）和分散（疏松，枝晶骨架相遇，封闭液体，导致补缩困难形成。）第143页第六节用凝固法材料制备技术1.区域熔炼:获得高纯度材料措施，首先用于半导体材料生产，基于合金在不平衡凝固时液体內合金成分不能均匀化原理。2.制备单晶措施:保证一种晶核形成并长大，坩埚直拉法和悬浮区熔化法3.金属玻璃制法：迅速冷凝发4.定向凝固法：单一方向散热获得柱状晶，可获得单一方向延伸柱状晶，或片状棒状共晶体。第144页第七节材料非晶态1.非晶态材料：SiO2、B2O3、P2O5等。2.金属材料冷凝后皆为为晶体，陶瓷中玻璃（硅酸盐类）属于工程上常用非晶态材料。高分子材料热固性塑料和橡胶属于非晶态，热塑性塑料中有些属于非晶态，有些为部分静态。3.影响线形聚合物结晶重要原因：（1）链构造对称型和柔顺性（2）构造规整性（3）共聚第145页第八节材料气—固转变1.固体蒸发环节：（1）原子离开扭折位置沿着台阶运动（2）当原子具有更高能量时，就不依托台阶运动，运动到小平台成为被吸附原子（3）吸附原子在固体表面上扩散（4)吸附原子离开表面进入气相2.蒸发分为物理蒸发和化学蒸发第146页第九节气相沉积法材料制备技术1.晶体外延生长：液相晶体外延生长、气相晶体外延生长、分子束外延生长。2.用化学气相沉积制取B纤维和SiC纤维3.用惰性气体凝结发制取纳米材料第147页第七章扩散与固态相变扩散定律及其应用扩散机制影响扩散原因和扩散驱动力几种有关扩散实际问题固态相变中形核固态相变晶体生长扩散型相变无扩散型相变第148页第一节扩散定律及其应用1.扩散现象与本质扩散：热激活原子通过自身热振动克服束缚而迁移它处过程。本质：原子无序跃迁记录成果。（不是原子定向移动）。2.菲克第一定律（1）第一定律描述：单位时间内通过垂直于扩散方向某一单位面积截面扩散物质流量（扩散通量J）与浓度梯度成正比。（2）表达式：J=-D(dc/dx)。（C－溶质原子浓度；D-扩散系数。）

第149页（3）合用条件：稳态扩散，dc/dt=0。浓度及浓度梯度不随时间变化。3.扩散第二定律合用条件：无限长棒和半无限长棒。表达式：C=C1－(C1-C2)erf(x/2√Dt)(半无限长棒)。在渗碳条件下：C:x,t处浓度；C1:表面含碳量;C2:钢原始含碳量。正弦解Cx=Cp-A0sin(πx/λ)Cp:平均成分；A0：振幅Cmax-Cp；λ:枝晶间距二分之一。对于均匀化退火，若规定枝晶中心成分偏第150页析振幅减少到1/100,则：[C(λ/2,t)-Cp]/(Cmax-Cp)=exp(-π2Dt/λ2)=1/100。4.扩散第二定律用来解扩散问题时，最重要是要弄清晰起始条件和边界条件，并假定任意时刻溶质浓度是按怎样规律分布。第151页第二节扩散机制1.间隙扩散：C、N、H、O此类尺寸很小原子在金属晶体内扩散。空位扩散2.空位扩散：原子跃迁到与之相邻空位扩散。条件：原子近旁存在空位。（金属和置换固溶体中原子扩散）第152页3.扩散系数：表征扩散一种参量。是物质一种物性指标。与扩散机构及扩散介质和外部条件有关。扩散宏观现象：由大量原子无多次随机行走所导致。从记录观点考虑，会有较多原子从浓度高一边缘浓度减小方向运动。第153页第三节影响扩散原因和扩散驱动力1.影响扩散原因(1)温度:温度越高，扩散系数越大。(2)原子键力和晶体构造:原子键力越强，扩散激活能越高；致密度低构造中扩散系大；在对称性低构造中，可出现明显扩散各向异性。(3)固溶体类型和组元浓度影响间隙扩散机制扩散激活能低于置换型扩散；提高组元浓度可提高扩散系数。第154页(4)晶体缺陷影响:缺陷能量较高，扩散激活能小;空位是空位扩散机制必要条件；位错是空隙管道，低温下对扩散起重要增进作用；界面扩散－（短路扩散）：原子界面处迅速扩散。(5)第三组元影响:如在钢中加入合金元素对碳在中扩散影响。强碳化物形成元素，如W,Mo,Cr,与碳亲和力大，能明显组织碳散；弱碳化物形成元素，如Mn，对碳扩散影响不大；固溶元素，如Co,Ni,提高碳扩散系数；Si减少碳扩散。2.影响激活能重要原因：（1)扩散机制（2）晶体构造（3）原子结合力（4）合金成分第155页3.上坡扩散：原子由低浓度处向高浓度处迁移扩散。驱动力：(1)化学位梯度。(2)弹性应力作用－大直径原子跑向点阵受拉部分，小直径原子跑向点阵受压部分。(3)晶界内吸附：某些原子易富集在晶界上。(4)电场作用：大电场作用可使原子按一定方向第156页4.扩散驱动力:对于多元体系，设n为组元i原子数，则在等温等压条件下组元i原子自由能可用化学位表达：μi=G/ni。扩散驱动力为化学位梯度，即F=-μi/x，负号表达扩散驱动力指向化学位减少方向。第157页第四节几种特殊有关扩散实际问题1.离子晶体扩散:肖特基空位和弗兰克尔空位。2.烧结过程：将压实粉末加热到高温，在烧结初期粉末连接成颈，中期形成筛网状，后期空隙分布在晶界或角隅处。驱动力：表面能烧结速率影响原因：粉末原料颗粒粗细和原子扩散速率（取决于温度）。3.纳米晶体材料扩散第158页第五节固态相变中形核1.固相相界面：共格、半共格和非共格。2.共格晶面：新相与母相在界面上原子匹配和很好，最理想状况是两相晶体构造相似，晶格常数相等，两者实现完全共格，界面能最小。半共格晶面：界面上存在有失配位错来调整原子匹配。非共格晶面：配位数不小于等于0.25第159页3.均匀形核：新相晶核在遍及母相整个体积内无轨则均匀形成。非均匀形核：新相晶核依附于其他物质择优形成。第160页第六节固态相变晶体生长1.扩散控制长大：通过扩散使新相得以长大方式。2.界面控制长大：新相界面移动速度快，母相中溶质原子扩散到界面上过程慢，因而新相长大是受母相中溶质长程扩散所控制。第161页第七节扩散型相变1.（1）扩散型：依托原子长距离扩散；相界面非共格（如珠光体、奥氏体转变，Fe,C都可扩散）（2）非扩散型：旧相原子有规则地、协调一致地通过切变转移到新相中；相界面共格、原子间相邻关系不变；化学成分不变。（如马氏体转变，Fe,C都不扩散。）第162页第八节无扩散相变1.马氏体相变：原子不发生随机走动相变，原子不靠热运动，可在低温下发生。2.马氏体相变精确定义：无扩散；点阵畸变式；以切变量为主；动力学和形态是受应变能控制。3.无畸变面:相变前后畸面既无畸变也无转动第163页第八章材料变形与断裂金属变形概述金属弹性变形滑移与孪晶变形单晶体塑性变形多晶体塑性变形纯金属变形强化合金变形与强化冷变形金属组织与性能金属断裂变形金属再结晶冷变形金属答复阶段冷变形金属再结晶金属热变形蜕变与超塑性陶瓷晶体变形高分子材料变形第164页第一节金属变形概述用应力应变曲线表达金属材料变形断裂关系。阶段：弹性变形、塑性变形、最终断裂。第165页第二节金属弹性变形1.金属弹性变形特点：（1）变形是可逆；（2）服从胡克定律，应力与应变呈线性关系2.弹性变形：变形可逆，应力应变呈线性关系弹性模量：原子间结合力反应和度量，表达材料强度。第166页第三节滑移与孪晶变形1.塑性变形：滑移与孪晶2.滑移：在切应力作用下，晶体一部分相对于另一部分沿着一定晶面（滑移面）和晶向（滑移方向）产生相对位移，且不破坏晶体内部原子排列规律性塑变方式。

滑移表象学

第167页光镜下：滑移带（无重现性）电境下：滑移线第168页3.滑移系：一种滑移面和该面上一种滑移方向组合。滑移系个数:(滑移面个数）×（每个面上所具有滑移方向个数）滑移系数目与材料塑性关系（1）一般滑移系越多，塑性越好；（2与滑移面密排程度和滑移方向个数有（3）与同步开动滑移系数目有关（c）。4.位向和晶面变化：拉伸时,滑移面和滑移方向趋于平行于力轴方向;压缩时，晶面逐渐趋于垂直于压力轴线。第169页5.孪生：在切应力作用下，晶体一部分相对于另一部分沿一定晶面和晶向发生均匀切变并形成晶体取向镜面对称关系。第170页6.孪生变形特点

滑移孪生相同点1切变；2沿一定晶面、晶向进行；3不改变结构。不同点

晶体位向不改变（对抛光面观察无重现性）。改变，形成镜面对称关系（对抛光面观察有重现性）位移量滑移方向上原子间距整数倍，较大。小于孪生方向上原子间距，较小。对塑变贡献很大，总变形量大。有限，总变形量小。变形应力有一定临界分切压力所需临界分切应力远高于滑移变形条件普通先发生滑移滑移困难时发生变形机制全位错运动结果分位错运动结果第171页第四节单晶体塑性变形1.施密特定律公式：c＝scoscosc取决于金属本性，不受，影响；或＝90时，s取；s取值：，＝45时，s最小，晶体易滑移；软取向：值大；取向因子：coscos硬取向：值小。2.（1）交滑移：晶体在两个或多种不一样样滑移面上沿同一滑移方向进行滑移。第172页（2）单滑移：当只有一种滑移系统上分切应力最大并抵达了临界分切应力，这是只发生单滑移（3）多滑移：当拉力轴在晶体特定取向上，也许会使几种滑移系上分切应力相等在同步抵达了分切应力时，就会发生多滑移。第173页第五节多晶体塑性变形1.晶粒之间变形传播：位错在晶界塞积应力集中相邻晶粒位错源开动相邻晶粒变形即塑变2.晶粒之间变形协调性（1）原因：各晶粒之间变形具有非同步性。（2）规定：各晶粒之间变形互相协调。（独立变形会导致晶体分裂）（3）条件：独立滑移系5个。（保证晶粒形状自由变化）第174页3.晶界对变形影响:滑移、孪生多终止于晶界,很少穿过。第175页4.晶粒大小与性能关系a晶粒越细，强度越高（s=0+kd-1/2)原因：晶粒越细，晶界越多，位错运动阻力越大。（有尺寸限制）晶粒越多，变形均匀性提高由应力集中导致开裂机会减少，可承受更大变形量，体现出高塑性。b晶粒越细，塑韧性提高细晶粒材料中，应力集中小，裂纹不易萌生；晶界多，裂纹不易传播，在断裂过程中可吸取较多能量,体现高韧性。第176页第六节纯金属变形强化1.两位错交叉通过行为，即为位错交割。2.扭折：交割形成位错台阶仍在原滑移面上。扭折形成有助于提高位错易动性，扭折一般不阻碍位错滑移。割阶：交割形成位错滑移面不在原滑移面上，分为可动割阶和不可动割阶。可动割阶;当割阶滑移方向与原位错滑移方向一致时，可随原位错一起滑移，只增长位错运动阻力，并不防碍位错滑移。