材料科学与工程基础

材料物理、材料化学、金属材料专业用讲义

材料科学与工程基础

韩志范

重庆大学材料学院

E-mail:hanzhifan@163.com

2007.3

绪论

一、材料和材料科学

1、材料就是构成（制造）物品的原材料

在我们的生活领域、工业领域、科技（军事、生物工程、航天等）领域应

用了各种材料：陶瓷、金属及其合金、高分子及复合材料。

特别是一些新材料：

®高分子功能材料（有机高分子材料、无机高分子材料）

手机天线、智能凝胶、电子聚合物、液晶、隐身材料.....

©纳米材料与纳米连接体生物材料

®功能陶瓷材料（压电、铁电、磁压、气敏、压敏、湿敏、热敏.....）

制造一套（台）机器需要很多种材料，例如：

一艘现代化航空母舰使用了2000种材料，一辆坦克用约200种材料，

一辆汽车约用100种材料。

为什么要如此选择（不同的）材料呢？简言之：为了利用材料的不同性

能（力学性能、物理性能、化学性能、生物性能、、、、、）。

例如：半导体材料（Si,Ge,SiC,GaAs,GaN,等等）用来制造各类电子元器

件，激光器（二极管、三极管、场效应管、发光器件、逻辑集成电路等元器

件）。太阳能电池、半导体制冷设备等。

红外材料（Si,Ge,,GaAs,ZnSe,VO2等等）用来制造红外元器件，夜视仪,

激光元器件，红外隐身装备等。

磁性材料（合金系列，铁氧体系列，高分子聚合物系列等）用于电磁动

能转换，信息储存，相控阵雷达元器件，电磁耦合控制元器件，法拉第效应

元器件（光路转换开关等），磁制冷技术设备等。

生物材料的医学应用。

触媒材料的化工工程应用，环保技术应用（无机，有机生物提取物等）。

各类金属与合金，非金属与其“合金”服役于（应用于）各类机器设备。

那么，是否只要选择相同的材料集合（群体）便得到了相同的性

能集合呢？否！

例一；我国仿造汽车的历史：材料选择一样（成分化验易做到），另部件几何尺寸一样（精密测绘

与精密加工可保证），但寿命低。其原因在于关键另部件的性能差别造成整机使用寿命差别。

例二；同样的单晶硅片，制造工艺不同，则CPU的运算速度不同。

、、、、、、

可见，相同的材料采用不同的加工工艺（非单纯的机加工）其性能不同。

而不同的材料采用不同的加工工艺（非单纯的机加工）其某些性能可相

同。例如，不同的材料可处理成硬度相同，以便车床切削............上

述事例说明下列概念：

⑸、材料科学是“关于材料的一门学问”。材料科学是以材料为研究

对象的学问。是研究物质原子不同的积聚状态与对应性能的学问。

G）、材料科学的研究内容

材料的各种外在性能是其内部结构（积聚状态）的本质反映；

蒙脱石的晶体结构

所以，材料科学的研究内容就是:

物质的聚集状态与其对应性能关系

贯穿于从认识材料到使用材料的全过程。

④、关于材料科学的哲学问题

A、历史学家的观点：材料是人类文明发展水平的重要标志和里程碑。推

动和制约人类文明发展的重要因素是材料科学。

B、人类历史划分为：石器、青铜器、铁器时代；、、、

C、材料科学的发展史

从宏观到微观，从初级到高级，层层深入发展。

材料科学的发展推动了科技进步；科技进步又促进了材料科学的发展o

观测手段的提高和丰富促进了理论的发展，理论又指导人们制造出各种各

样的新材料。有些材料是大自然中不曾有过的。

例如：NC、CNB、AIN、TiN、、、、、、、

高分子（有机、无机）材料、、、、、、。

材料科学的发展，不仅源自其本身，而且亦源自相关学科的发展。（物

理、化学、物理化学、量子力学、医学、生物工程、等。所以说：材料科学

是以材料为研究对象的多学科性科学。（P1）

二、材料的分类

从生物医学到个工业科技领域材料的种类很多；分类方法多样化，可按

用途、状态、性能、化学成分与结合键的特点等方法。本教材侧重于金属及

其合金材料。例如，工程材料分类如下：

「有色金属（轻、重、贵、稀散、放射）

[1、金属材料黑色金属（铁、镒、铭）

工程材料\「高分子（有机、无机）

，2、非金属材料J

L无机非金属

「金属—金属

3、复合材料J

金属----非金属

三、材料的应用和发展

科技门类繁多，（医疗、化工、冶金、车辆、军事等），发展方向各有

特点。对材料的种类及其性能的要求不断增加。

例如：1、医疗设备的生物性能（抗血凝、、、、）

2、军事装备的隐形

3、金刚石表面金属化

4、燃料电池

5、催化、防腐

6、环保（空气及水净化、杀菌等）

第一篇、材料的基本理论知识

第一章、材料的性能

设计制造机器与设备时，对材料的选择应首先考虑其使用性能。

1、使用性能：力学性能、物理化学性能、、、、

材料性能]

2、工艺性能：铸、锻、焊、切削、热处理、烧结、、、、、、

§1、力学性能（机械性能）

同学们已学过《材料力学》，故自己复习之。（不讲）

§2、物理和化学性能（阅读）

§3、工艺性能（略讲）

材料的工艺性能关系到加工工艺设计及其成本的高低。

一、铸造性：流动性、收缩性、偏析倾向是铸造性能的判据。

二、冷热塑变性能：可进行压力加工（含轧制）的性能。

三、可焊性：焊接在一起的难易程度及其焊缝质量。

四、切削加工性：切削的难易程度与表面切削质量（光洁度）。钢的硬度在

HB200±40时切削性能好。

五、烧结性能：陶瓷与粉末冶金。

六、热固化与喷涂性能：对高分子材料的加工（工程塑料等）。

第二章、材料的结构

**结构:分子、原子的空间连结构架,即原子（或分子）的排列位置和空间

分布。

<1、固态（晶态、非晶态）

2、液态

3、气态

物质的积聚状态<4、等离子态

5、液晶态

§1、材料的结合方式

一、化学键

组成物质的质点（原子、分子或离子）相互作用而联系在一起。这种粒

子之间的相互作用称为化学键j化学键的性质对物质的性能影响很大。

**物质积聚物的性能不仅取决于组成物质整体的质点的种类和数目痛,

同时取决于相互之间化学键的特点⑸及其排列方式④O

二层京审分述如下：

（1）、种类和数目的影响：种类的影响不言而喻，数目减少到纳米级时

物化性能产生突变。例如：纳米材料、高分子材料的分子量对性能的影响、

等。

（2）、化学键的影响：例如，石墨与金刚石。

（3）、排列方式的影响：例如，同素异构体的性能不同；有序排列与无

序排列（晶体与非晶体）性能不同；特殊的有序排列（超结构）性能不同---—

超导体、有机磁性材料等。

化学键种类：离子键、共价键、金属键、（还有配位键等）

1、离子键

电负性相差大的原子间相互靠近时，互有电子得失而成为正负离子，由

静电引力结合在一起。例如：NaCl,KC1,GaAs,

2、共价键

同类或性质相近类原子间结合，借

共用电子对而结合。

例如：SiC,金刚石,高分子材料、、图2—1NaCl晶体

3、金属键

A、金属原子结构特点

外层电子少，易失去，而成为

自由电子；在金属聚合物中成为“电子气”。这种由金属正离子与自

由电子气相互作用而结合的方式称为金属键。

B、金属的物化性能取决于金属键

例如：导电、光泽、导热、塑性变形能力....

3、分子键和氢键

A、分子键：范德瓦尔斯键

B、氢键：极性键

二、结合键的性能特点（略讲）

见书P10,表2—1

三、材料的键性

根据键性，可以估计材料的性能。

材料中有的是单一种键，更多的是几种键的组合。

1、金属材料

金属材料的结合键主要是金属键；但金属材料中的金属间化合物是离子

键。书中提及的灰锡（共价键）已不能用做工程材料，此类状态已失去了金

属性能。

2、陶瓷材料

离子键为主，亦有共价键。所以，陶瓷材料硬度高，熔点高，脆性大。

3、高分子材料

共价键和分子键。高分子材料分子大的特点，决定了其分子之间的作用

力大，性能好。链、环及其复合形式的大分子结构，不同的基在不同部位的

连接使其性能不同。

离子键硅酸盐陶瓷

图2—3结合键四面体

§2、材料的晶体结构

基本概念：

晶体与非晶体：原子或分子的空间有序排列形成晶体；反之为非晶体。

有序即按照某种规律排列而成（后面课程中讲），长程有序。（例如：Nack

糖等）

非晶体又称过冷液体，近程有序。（例如：玻璃等）

一、晶体的基本概念

（一）晶格和晶胞（表示方法）：抽象法（抽象晶体）

a、将原子视为球形，它们的堆砌（集）可有不同的规律（多样性）。

0些生活常识可知。

b、若视其为空间几何点，则其空间排列（多样性）称为空间点

阵。

c、将点阵用假想直线连接（多样性）（类似建筑工程脚手架结构）

称为晶格。

d、其中有代表性（最小的空间单元）的几何单元称为晶胞。

不同的堆集方式有不同的空间点阵，即各自具有代表性的空间

单元亦不同，即晶胞不同。

e、晶胞各边的尺寸a、b、c称为晶体常数。

晶胞棱间夹角用a、B、Y表示。见图2~4

（二）晶系

不同元素的原子在一定条件下对应某种晶格。当条件变化到另外某种状态

（T-P-）时，又可转变成（对应于）另外的晶格。法国晶体学家布拉菲（Brarais）

用数学的方法推算出所有已知晶体分属于14种空间点阵。根据晶胞的6个参数

（a、b、c、a、B、y）把14种空间点阵归纳为七大晶系。见表2〜2（P12）

（三）晶格尺寸和原子半径

A、表示晶格尺寸的（晶格尺寸单位）是晶格常数。立方晶系只用一个a

即可表示。

B、原子半径，现代物理科技仍未达到能精确测定物质原子直径的水平，

即“测不准”定理。但用X-Rag衍射法能测出晶体中点阵中心距。

可根据点阵类型推算出原子半径Ra（紧靠的原子中心距的一半）

对同种原子而言，晶格类型不同，半径不同。（配位数下降，半径下降）

用钢球模型推算。

（四）原子数：一个晶胞内包含的原子数目。（钢球模型）

（五）配位数和致密度

1.配位数：在晶体中每一原子周围所具有的是其等距离的最邻近的原子

数目叫配位数。

2.致密度：晶胞中原子本身所占的体积的百分数（K）

K=nX4/3nr3/V

二、常见纯金属的晶格类型（理想纯）

体心立方晶格(bccboadycenteradcube)

常见金属＞30种之多

(例如:a-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb)

(V2a)2+a2=(4r)2

2a2+a2=42r2

3a2=(4r)2

晶胞原子数=1/8X8+l=2(个)U—

配位数:8ABABABABo。。。

致密度：K=2X4/3nr3(图2~5bcc)

（二）面心立方晶格（FCCfacecenteredcube）

晶格常数亦只用一个a表示。

显而易见：r=V2/4a

晶胞的原子数：1/8X8+1/2X6=4（个）

酉己位数：12ABCABCABCooo

可算出致密度为0.74（图2~6FCC）

属于这种晶格的金属有：

r-Fe>Ni、Al、Cu、Pb、Au、Rh等>20种。

（三）密排六方晶格

(HCPhexagonalclose-packed)

r=l/2ac/a=1.633

晶胞原子数：1/6X12+1/2X2+3=6

ABABABAB。。。(图2〜7HCP)

配位数：12致密度：0.74

属于该类晶格的金属有：Mg、Zn、Be、Cd等二十几种。

三、立方晶系的晶面、晶向表示方法（空间解析法）

（一）晶面指数

晶体中各种方位的原子面叫晶面，表示晶面的符号称晶面指数。

不同的晶面上的原子排列密度不同。

晶面指数确定法：（三个步骤）

1、以晶格中某一原子为原点建立笛卡尔生标系，（三个边，分别作三

维生标轴）。以相应的晶格常数为测量单位，求出所求晶面在三生标轴上的截

距。不能出现零截距！即原点在所求晶面之外。

2、求倒数

3、化简成最简整数，用圆括号括起来，（H、K、L）就成为晶面指数（H、

K、L）代表一组相互平行的晶面。在不同的象限会出现负号。见图2—8。

（二）晶向指数

概念：晶向——晶体中各个方向上的原子列。原子的一维排列。

晶向指数——表示晶向的符号

晶向指数求法：（三步骤）

1、在晶格中建立生标（方法同晶面求法）。

过原点引平行于所求晶向的直线。

2、以晶格常数为单位求直线上任一点的三个生标。

（三）晶面及晶向的原子密度

概念：晶面原子密度——单位面积中的原子数。

晶向原子密度——单位长度上的原子数。

表2~3,体心立方（bcc）晶格中主要晶面和晶向的原子密度。（注意P14）

表中（111）晶面上密度计算有误！

同样可以求出FCC（111）原子密度最大，［110］原子密度最大。

原子密度影响晶体性能。

（四）晶面族和晶向族

前面讲过：同一个（h、k、1）[u、v、w]分别代表了一组晶面和晶向。

由于晶体的对称性，在不同的位向（解析几何）原子排列分布完全相同的

晶面和晶向称为晶面族{h、k、1},晶向族<u、v、w>

注意：立方晶格中，指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。例如：（111）±

[111],可用解析几何的计算法计算晶体。

四、实际金属的晶体结构

（一）多晶体

位向不同的单晶体构成大多数实际金属材料

存在晶界缺陷10」〜l（y3mm晶粒0000°0°°

OOooOo

显微镜下才能看到（用腐蚀剂腐蚀后，4%硝酸酒精）ooo°OOoO

oooO®o

（二）晶体缺陷o•ooooo

1、点缺陷

图2~10晶体中的点缺陷

空位、间隙原子（换辐射等原因造成）和外来原子（用物理或化学的方法

引进）都是晶格的点缺陷。它们破坏了原子的平衡状态，使晶格发生扭曲称为

晶格畸变。它的存在使材料的HB上升，

2、线缺陷

位错，dislocation,

见图2〜11,金属中位错数量很多，特别是大量塑变后，位错密度增加。位

错少时降低材料强度，但达到一定数量后又提高材料的强度。

(1)、刃位错,(2)、螺位错

柏氏矢量与位错线垂直,柏氏矢量与位错线平行

3、面缺陷

1)晶界(低温状态，高温状态)，小角度与大角度晶界

2)亚晶界r位向差

>10-15度称为大角度晶粒之间位向差。

3)相界面

五、合金的晶体结构

概念：合金——两种或两种以上的金属元素，或金属与非金属元素组成的

具有金属特性的物质。(物理、化学的方法)

例如：黄铜：Cu+Zn钢：Fe+c

高聚物混合体系一“合金”：高聚物之间或高聚物与单体之间经物化反应形

成。例如：ABS—丙烯晴+丁二烯+苯乙烯，E+PSF等、、

工程使用的大多数是合金。高聚物混合体系

7

相——不同元素相互作用会形成各种不同的积聚状态;.合金中具有同一化

学成分、同一结构和原子聚集状态，并以界面相互分开的，均匀

的组成部分。纯金属单一相。

组织——各相(相同的或不同的)以不同的数量比和形状的组合。

固态合金的相：固溶体一一晶体结构与某一组元的晶体结构相同。

金属化合物一一晶体结构与各组元均不同，新结构。

（一）固溶体

溶剂：与合金本结构相同的组元

溶质：与合金本结构不相同的组元

如果合金各组元均属同一结构则以多少定为溶质、溶剂。例如：Au-Cu

固溶体一般用a、B、Y、、、表示。

1、置换固溶体

特点：溶质原子占据溶剂原子点阵rozrxD

中的某些点。有序固溶体又叫超结构。

无序固溶体为常见。（见图2-14）3000

原子半径相近，相结构相同的

元素之间易形成置换固溶体。图2—14置换固溶体

2、间隙固溶体

溶质原子比较小时，例如：c、N等，

它们位于晶格间隙而形成的固溶体

称为间隙固溶体。（见图2-15）

该图为二维（平面）视图。同学们可根据前述.

bcc、fee、hep立体结构理解。图2—15间隙固溶体

3、固溶体的溶解度

有限互溶：浓度常以重量百分比表示。

无限互溶：Au、Cu一旦跨越50%界则溶剂变成溶质。

影响溶解度的因素：原子大小，晶格类型，电化学性质，电子浓度等。

电子浓度：易失去的原子最外层价电子（多少）数目决定了晶（胞）格中的电

子浓度。（价电子/原子数目）

4、固溶体的性能

溶剂、溶质间原子半径不同（Au、Cu亦然）固溶体有晶.格畸变。

所以溶质增加、固溶体的6、HB上升，塑韧性下降。

（结合上一节晶体缺陷（点、线、面）简明阐述强化概念、位错移动阻力。）

（二）金属化合物

两种以上的元素原子形成一种不同于任何组元晶体结构的新相叫金属化合

物，一般可用化学分子式，大致表示其组成。

特点：熔点高、硬度高、脆

合金中出现化合物时，可提高强度、硬度和耐磨性，但降低塑性。

例如：轴承合金（滑动轴承巴氏合金）常含组元，Sn、Pb、Si、Cu等。可形成

的金属化合物有：SnSb,Cu3Sn,Cu2Sb,Pb3Ca.

1、正常价化合物

特点：符合一般化合物原子价规律，成分固定，可用化学式表示。

例如：Mg2Si,Mg2Sn,Mg2Pb,MnS

2、电子化合物

特点：不遵循原子价规律，而服从电子浓度规律

电子浓度：价电子数目与原子数目的比值。见表2-4,合金常见的电子化合物

BY£。

3、间隙化合物

特点：过渡族金属元素（元素周期表）与C、N、H、B非金属元素形成的

金属化合物。

分两类:

1）间隙相：当原子半径比＜0.59时形成简单晶格的间隙化合物称为间隙相。

例如：V、VC、FCC、bcc见图2-16

表2-5：间隙相的化学式与晶格类型的关系。M：金属，X：非金属。

2）间隙化合物

特点：结构复杂（当原子半径比大于0.59时）

例如：钢中FesC,高速钢中：Cr23C6,Fe4W2c,Cr6c3.镒钢中:Mn3c等。

见图2-17,Fe3C晶格。

金属化合物也可以溶入其它元素的原子,形成以金属化合物为基的固溶体。

例如：同学们学过的Fe3（）4是FeO中又固溶了一个O原子。

在成分复杂的合金中（合金钢）：

高速钢：金属化合物为基的固溶体较多

归纳总结:厂、置换固溶

1、固溶体——

I~B、间隙固溶

合金相组成——A、正常价化合物间隙相

___B、电子化合物

——C、间隙化合物-------

2、金属D、金属化合物固溶体复杂结构

化合物间隙化合物

§3陶瓷和聚合物的结构特点（自学）

陶瓷是一个材料大范畴。包括粉末、粉末绕结而成的材料、单晶体（ZrO、

Si、SiO2）

陶瓷材料：氧化物、碳化物、氮化物、硅化物、硼化物、氟化物。

天然的陶瓷材料：高岭土、粘土、娟云母、石英砂.....

人工制造的陶瓷材料：ZrO、Ni3Si>SiC、a-AhOs及单晶、CNB、BN、、、

陶瓷由粉末烧结而成故而有非晶体、晶体、空洞。陶瓷中空洞的规范分布可成

为特种材料——滤芯。

陶瓷晶体结构分类：（12种典型结构）

（一）AB型NaCl型

FCC例如：MgO、CaO、、、、TiNTiC、、、、

（二）AB2型

例如：TIO2>SnO2,>PbO2MnO2WO2CoO2MnF2

（三）A2B3型（钢玉型）

a-AI2O3n2。32-Fe2（）3V2O3

（四）其它ABO3AB2O4型

二、聚合物的结构特点（高分子）以C、Si为主干。

☆☆☆§4、导体、半导体与绝缘体的电子能带理论（材料物理专业选）

一、金属晶体内的电子

大量金属原子汇聚成的聚集态一固体（此处特指晶体）后，原单个原子

的外层电子便不再附属于某个原子。而变成可在整个金属中自由运动的时候,

它必然会受到点阵上的正离子及其它自由电子的相互作用的影响。众多的电

子必须分属于不同的能级整合成为能带（根据泡利不相容原理）。能带中具有

某一能级的自由电子不能多于两个，自旋相反，电子的平均能量低于自由原

子。外层电子平均能量的降低程度决决定了金属的稳定性。

自由原子中1、能带能级数等于晶体原子数

E较高育终夕夕-///Vy2、每个能带最多可容纳2N个电子

3、低能态时较低能级均被填满

4、能级间的能隙的大小随能级的

增高减小

核心电子品格间距

的能级

图2—17

(b)

图2-18

(a)电子态密度N(E)与能量的关系图(b)绝对0K°下填充能级的情况

虚线为常温下电子热激发现象

5、只有带顶能量电子(EF)才能被热激发，且其值取决于电子数目N

EF=(h2/8m)(3N/JiV)2/3

我们必须想象金属能带中的电子是连续不断地穿越金属空间点阵，这些

电子运动的能量取决于它的能带能级。

量子力学的观念：电子的波长人为：

X=h/mvh-----普朗克常数

m一质量

V___速度

6、晶体点阵视为三维衍射光栅，入2a时衍射发生。

000000

009000

E=h2/2mX200000

Q/

^6.00QQ

6-,60

0-00

那些能量不够的电子不能够穿过点阵。(布里渊区)

如果某种金属(如铜)只能每个原子给出=个电子，则第一区不满，若多

于2个电子便将多余的电子进入第二区。有些金属的价带(导带)与较高能

带重叠。

满带

图2-19

7、半导体与绝缘体的区别在于禁带的宽窄。

搀杂后的半导体：N型，多余的电子激发到空带；

P型，空穴在满带内。

作业：P19第3题。

Chapter3材料凝固的基本过程

概念：材料从液态到固态的过程称为凝固过程。是一种复杂的物理化学过

程，组分单一的液体凝固过程较简单；组分复杂的液体凝固过程较复杂。金属、

非金属均符合此规律。

研究材料的凝固过程就是要研究材料流体的结构，从L-S结构转变的基

本规律及其影响因素。以至于能动地干预和控制该过程。这便是铸造工艺的基

础知识。是粉末冶金、单晶体、非晶体材料制备基础知识。

§1液体的结构

一、液体的结构特点

研究表明，L与S相似前后（L—S）只有3-5%的体积变化。见图3-1。

1）长程无序，短程有序（动态）

有序的原子团时聚时散的情况叫做结构起伏或相起伏。

2）不同的元素，不同的组分，液态结构亦不同，结构起伏状况不同。特

别是那些有结构复杂的相先析出（结晶出）时，凝固前（临界态）的组

分起伏，结构起伏便大。宏观成分均匀产生微观不均匀，即成分起伏。

结构起伏与成分起伏是相辅相成的。

3）同一组分的液体在不同T下，T越低结构起伏越大。

4）材料的晶体结构的构建始于液相,即液相的性质直接影响晶体结构和

凝固过程.

二、两种类型的凝固

C晶体

L—►S------

-------N-C非晶体（n>l（）i5p认为是S,反之是L。

§2金属的结晶过程

冷却曲线和过冷度

测定液态金属冷却时T与t的变化关系

作出冷却曲线。

概念：结晶潜热

只有存在过冷度结晶才能进行。

***v冷越大，过冷度越大。

二结晶时的能量条件

热力学定律指出，在等压条件下（对液体而言，P的变化对系统影响不大）

一切自发过程都是朝着F下降的方向进行。AF

（严格讲应用G）F=U-TS

U、T、S是状态函数，

F必定是状态函数。温度低于To时,

晶体的F低。T1To温度T

自发过程图3-3液体与晶体自由能与温度的关系曲线

(dF)v,t<0；

or,G=H—TS,dG=vdp—sdt;ZlG=LmJT/Tm

Lm=LLLs

三、结晶的结构条件（结构起伏）

结晶的一般过程是不断形成晶核和晶核不断长大的过程。这是结晶的普遍

规律。见图3-4o

图3—4结晶过程示意图

1、小于To,L经过孕育期(能量起伏和结构起伏)出现晶核。(晶胚一

晶核)

2、晶核不断长大，同时新的晶核又不断出现。

3、直到L消耗完为止。至此每个晶核都长大成为一个小晶粒，众多晶

粒结合在一起形成多晶体。

***尚若只有一个晶核(可人工控制)长大成晶粒便是单晶体，如Si、

Ge、GaAs、C、KC1

4、自发形核与非自发(或人工)形核。

(1)、临界晶核半径rk=26//Gv=26Tm/Lm/T

22

(2)、临界形核功/GK=1/3・SK6=16R63T2/3LmJT

(3)、临界形核功与/T的关系

5、晶体长大的方式有很多种,金属晶体一般条件下主要是以树枝状形式

长大。见图3-5o

6、体的外延生长一CZ法(CNochralski)单晶硅晶体生产工艺

A1203,Fe304,GaAs,等单晶体亦用此法。

-、单晶炉组成

(1)、炉体：炉壳，石英堪蜗，石墨地蜗，加热及绝热元件

(2)、晶棒提升旋转机构：籽晶夹头，吊杆及提升旋转元件

(3)、气氛与压力控制：真空系统与气体流量控制

(4)、电脑控制系统

二、工艺

加料一熔化--缩径生长---放肩生长---等径生长--尾部生长

(1)、加料：多晶硅加掺杂元素

(2)、熔化：1420°C以上，僦气保护，低真空

(3)、缩径生长：消除位错

(4)、尾部生长：防止位错产生

§3晶粒大小的控制

一、晶粒度

1、晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度。

2、工业上用晶粒等级来表示晶粒大小(放大100倍显微镜)1-8级。

1级最粗，8级最细。外扩展级别：0〜15级。有标准图册供对照。

二、晶粒大小对金属性能的影响。

P22表3-1晶粒越细小，力学性能越好。

高温下工作的材料，晶粒过大和过小都不好。硅钢片亦求大晶粒。此间

题的考虑应从晶界是面缺陷着眼。高温下的面缺陷易造成氧化和腐蚀。

而电工用硅钢则应减少面缺陷造成的电磁损失。

三、决定晶粒度的因素

形核率：N,长大速度：G,N/G增大则晶粒越细。

四、控制晶粒度的方法

(一)AT

（二）变质处理，外生核剂加入，促进形核。N上升。

（三）振动、搅拌等方法。（特别是有色金属，例如AL）

§4非晶态凝固（简要介绍）

物质结晶是形核和晶核长大的过程，所以凡是影响晶核的形成和长大的

因素，均影响结晶。

一、熔体的粘度（决定粘度的是化学成分）

二、冷却速度

例如：非晶态带材的生产：铜冷却鼓

常用非晶体合金：Co-Si-B,Ni-Fe-Cr-P-B,Cu-Zr,Fe-P-C,Pb-20Si%合金

等。

作业：P24第1和第4题

§5同素异构转变

同素异构现象是宇宙间普遍的物质存在形式。也正是如此才有五彩斑斓

的大千世界。在生命世界里，DNA,GNA的异构体构成了遗传密码的不同。

物质在不同的条件（温度、应力、电磁场、PH值）下，发生结构类型的转变。

一、热诱导同素异构转变

1、铁的同素异构转变

A、直观实验介绍（如书中图3-7）

室温一f912℃f1394℃一1538（熔点）

B、若逆过程，从l/fSi（rFe）~S2（rFe）~S3（rFe）~k室

温实际转变温度必须比理论相变点低，出现一AT

特点：固态相变因晶格常数改变和不同步性，故产生很大的相变应力。

应力过大时几何尺寸很大的轴，模具等工件都产生开裂，并产生大的

声响。

3、英的同素异构转变（阅读）

图3—7铁的同素异构转变

GdCo,TbCo,GdCo—FeCo,TbNiFe,GdTbFe,GdFe等。

转变过程中有温升10—150°C,但速度比热诱导快1—2个数量级。光

致孤对电子激发所致。它不是热诱导的扩散型成核一长大机制，而是

光激发的非扩散型跃迁一复合机制。是一种直接固态相变，不需形核。

1—20PS时间，50ns可完成光声耦合过程。

偶氮笨在UV（紫外光）照射下，从反式结构变为顺式结构，光

照停止后发生逆向转变。

螺毗喃的单重态与三重态光活性反应异构化:

（浅黄色）闭环（深兰色）开吵才-（消色）

uv1.06—630NM光

俘精酸醉（可分散在PC,PMMA中）

浅黄蓝浅黄

365NM(UV)白织灯

化学条件的变化引起的同素异构转变

交连的聚丙烯酸纤维再酸碱溶液中（PH值不同）会引起的同素异构转

变。等等。

Chapter4相图

基本概念：

1、什么叫相图

说明相（组织）与成分和温度的对应状态图。

即：相（组织）与其它可变（影响）因素对应关系的图（T,P）

对单组分H2O而言有T、P状态图。

***相图表示的是热力学平衡状态，即自由能最低的状态。

2、相图的由来

热分析法、磁性法、热膨胀法等。

1）人类认识自然总是从事物的表面现象到本质，从感性认识到理性认识，通

过抽象和推理，通过反复实践认识客观真理。

2）人类在冶金和材料科学发展过程中，首先发现不同成分（配料）的合金，

其熔点和力学性能不同的事实现象。

A、中国青铜时代的兵器（例如剑）

B、相图古代文化不利于自然科学技术的研究方法（逻辑抽象思维）的发

展。

3）只有在显微镜、热电隅问世后测定相图才成为可能。

3、相图的作用（对金属而言）

制定熔炼、铸造、锻压及热处理等工艺的重要依据。

§1二元相图的建立

在§3-2与§3-4中讲到了同类异构转变中的温度台阶。

金属在从L到S到室温冷却过程（凝固曲线）中，会有一到几个温度台阶。

1、设计一系列合金（不同配比点）然后用缓慢冷却的冷却曲线中的折点

（）连成对应曲线便成相图。见图4-1。

2、本例是最简单的一种相图（无限互溶的匀晶相图）但多数二元相金相

图都不是完全无限互溶。

温度

（a）冷却曲线（b）合金相图

图4—1Cu—Ni合金相图的测定与绘制

而是有限的互溶。且会生成一些化合物，还有同类异构转变等。这些转变同

在相同中表达出来，故相图都复杂。但均可分解为几个典型相图的

组合。（就像一辆复杂的汽车是由许多基本的零部件构成一样。）

§2二元相图的基本类型与分析

a)二元匀晶相图

L、S状态下二组元均无限互溶。例如：Au—AgCu—NiCu—Au

相图分析见图4-2

图4-2铜银合金匀晶相图

Cu—Ni二元合金匀晶相图。“相”的概念已在前几节课中建立。

ii.合金的结晶过程。（重点讲解）

L中析出固相a1—a2—a3—a4—a5,例如盐水结冰）!

L相成分也由LLL2—L3—L5,与之平衡。平衡是指化学位相等。即：U

CuL=UCua,UA—f（）

口Nil^UNia

任意温度下I,便有相应的热力学平衡。液固两相的成分平恒通过扩散实现。

如果条件不允许充分扩散，便会出现成分偏析。若发生在树枝状晶中便叫枝

晶偏析。

iii.枝晶偏析

偏析会影响材料的物化性能和力学性能。可通过高温（＜Tm20（TC=扩

散退火消除成分偏析。使成分均匀化。

杠杆定律（两相图适用）

利用物质质量守恒法则求得：某一合金中任一组元总量等于各相中的分

量之和。

不同条件下的相的成分及其相对量，可通过杠杆定律求得。

图4—3杠杆定律的证明

1、确定两平衡相的成分（浓度）

tx时L相Xi%Ni[

a相X°%Ni

温度是水平线，在T一定时便有对应的两相平衡。

2、确定两平衡相的相对量

a设合金的总重量为1

L相重量QL浓度Xi

CL相重量Qa浓度X,

已知合金中平均Ni含量为X,则根据物质守恒定律，列出下列方程组：

QL+Qa=l

QL.X1+Qa.X2=X

解方程组得：QL=X2-X0/X2-X1

[Qa=X-X/

X2-X]

b）二元共晶相图

当两个组元液态时L：无限互溶

S：有限互溶（即在某个较小的溶解度范围）

且发生共晶反应（aB有限互溶固溶体同时从L中结晶出来）所构成的相图

称为二元共晶相图（若三组元，便是三元晶相图）.

例如：Pb—SbAl—SiPb—Sn

今以Pb—Sn二元合金相图

（一）相图分析

相:L、a、B三T单相区

L+CLL+Ba+B三个双相区

L相线：AEBS相线：ACEDB

共晶线：CEDLE=（CIC+BD）共晶组织

恒温反应过程中：L、a、B三相共存，量不断变化，最终L消耗尽。

a、B相的成分（浓度）都是一定的。

固溶线：CFDGaB随温度的变化而变化。

共性：T下降，溶解度（浓度）下降。

（二）合金1的结晶过程

1、合金的结晶过程

T高于1点，L,1—2之间匀晶反应a一次晶，2点反应结束，2-3

点间a单相，3点时，碰到a固溶线，随着T下降，a相图析出以Sn为基体

（溶剂）Pb为溶质的B相，称为B2（区别于一次结晶LB）

因为该成分组织中B相全是B2,在此a+B两相区中可用杠杆定律

计算出B2的量。

32=F4/FGX100%

注意：62的析出为固相析出，不容易故细小分散在晶界处为多。

晶粒中的缺陷处。例如亚晶界，位错。层错。

见图4—6

2、合金2的结晶过程见图4—7

合金2成分，E点（61.9%Sn）CED线上共晶反应线

LE=（ac+BD）

两相比：a/3=ED/CE

注意：a2、B2在原共晶组织中相界面处析出一一离异析出依附到原a

B（相）片上，不易区分出。

但在CED线上求出aB相的多少重量后，再在FG区求出aB相，此时

各包含a2、62相，前后两者相减便得出：a2、B谋划策相的重量。

3、合金3的结晶过程

C—E之间为亚共晶合金；1—2之间为匀晶反应，析出al。

同时，沿固相线和液相线各对应成分变化，最后固相a成分平衡在C点，

L相平衡在E点，两相比同样可用杠杆定律求出。

2点（CED共晶线上）L成分变为LE见图4-8

共晶反应后，随着T下降，a相沿CF线析出B2；同样BD成分沿DG

线变化从BD右析出a2,所以其室温组织为：

a+（a+B）+a2+P2

上述反应包括：匀晶反应+共晶+二次析出

注意：固相的成份平衡靠原子固相扩散（二次析出亦靠扩散）

4、合金4的结晶过程

ED之间为过共晶区，合金4的结晶过程与3相似，只不过一次结晶

析出的不是a1而是B1。

综上所述，从相的角度来说，Pb—Sn合金只有两相aB。

aB及（a+B）在金相显微镜下都有一定的组织特征，称为组织组成

物。

此时，有先析出的a1共晶出的（a+B）片层（和其它的颗粒、螺旋等

形态）状组织，当然它们之中包含了B2及a2,离异析同后依附在先析出相

组成物上了。

按组织组成物填相图如下：这与显微镜下观察到的组织是一致的。

c）二元包晶（反应!）相图

例如：Fe—CCu-ZnCu—Sn等均有包晶反应。

顾名思义，包晶反应是L+S=Y的反应。

（一）相图分析：以Fe—C相图为例，（部分相图）

包晶线：HJB（水平线一恒温）

B点：0.53%

H:0.09%

J:0.17%

特点：

反应是在L与S

固相界面上形核。

图4—11包晶相图

形成的A核对内吃掉6,对外扩张消耗L,集L或6单方或双方耗尽为止。

（二）合金的结晶过程

合金1自进入L+S匀晶相区到2点时，HJB包晶线上反应开始前的固液相L、S

之比为（重量）：L/S=HJ/JB,这样数量比的两相包晶反应完毕完后双相全部耗尽，

形成单一的Y相，进入单相区，其结晶过程（包含）经历了匀晶反应加包晶反应。

合金2的成分位于J点左侧，反应前两相比为：L/S=H2/2B

显然，S相过剩，所以反应后进入两相区，S+Y,Y为新生（包晶反应）相HJN匀

晶区，（固相匀晶区），结晶过程：

匀晶+包晶+固相匀晶

合晶3的成分位于J点右侧，仅包晶反应后L相过剩，而进入L+y两相区（匀

晶区）过程：匀+包+匀

d）形成稳定化合物的二元合金相图此类化合物熔化前不分解，无成分变化。Mg2Si

可视为一个组元，分割成两个共晶相图。

e)具有共析反应的二元合金相图

类似于共晶反应,在一恒定温度（水平线）由一固相同时（析出）两新的固相:

acB1D+

注意：固相反应原子

扩散较难，易于在较

大T下进行，从而组

织细（比共晶），

固相比容之差会产生

内应力。（见图4-15）

A

f）二元相图的分析步骤

相图种类多，但分析二元相图时，由复杂相图都是由上述基本相图组合而成。

1先分清（划分）基本类型相图组合。

2稳定化合物可视为分界线，分成几个区域分别进行分析。

3二元相图中，相邻相区相数差为一（水平）两个单相区之间有两相区

4找出三相共存水平线（包晶、共晶、共析）确定相变反应特点

5分析具体合金的结晶过程和组织

单相区：相成分为合金成分.

两相区：相成分各沿相界线变化，两相比例可用杠杆定律求出.

三相平衡（水平线）：三个相的成分是固定的，但不同位置（成分不同合金）三相相对量不同。

g）相图与合金性能之间的关系

合金成分一组织一性能关系见书中P33作业：P24第1和第4题。

§3铁碳合金相图

（Fe-C平衡图）

研究和学习Fe—C平衡图的意义

A、碳钢和铸铁是工业应用范围最广泛的金属材料。

Fe-C合金相图是对碳钢和铸铁理想化的（亦是捉信主要矛盾的对象）

反映化学成分，温度与组织关系的状态图。

冶炼（炼铁、炼钢）过程中自然残存下来的复杂元素（S、P、Si、AL、Mn、Cu、V-）没有考滤：S

<0.04%,P<0.04%（GB）

B、Fe—C相图是研究Fe—C合金的工具，是钢铁成分一组织一性关系的理论基础。

捉住Fe—C二元合金的主要矛盾是科研的重要方法之一。对生产实践、制定加工工艺有指导意义。

学习要求：a.本门课程的核心内容，考试的重点。b.学后达到正确地选材和制定加工工艺。c.合金钢的

基础知识.

一、Fe—C合金相图的组成

1、见图4-18金刚石表面金属化处理有用。

2、Fe-Fe3c基本相图类型构成分析：见图4-21

AL+5

包晶线：HJB1495度

（2）共晶相图

共晶线：ECF1148度

（3）共析相图

共析线：PSK727度

（4）稳定成分化合物线

DFK6.69%Tm：1227度

进一步细分：

（5）部分匀晶相图：

液相匀晶：L+SL+AL+Fe3c

固相匀晶：S+AF+A

3、五个基本相（5个单相区）：L、S、A、F、Fe3c

8：高温铁素体：bcc0.09%C（1495度）H点为最大溶C量点

A：奥化体：fee2.11%c（1148度）E点为最大溶C量点

塑性好，力学性能与晶粒度有关

F：铁素体：bee0.0218%（727度）P点为最大溶C量点

低硬、低强、高塑性

Fe3C：cm复杂结构6.69%cTM：1227度HB=800

亚稳相，其形状和分布对钢铁性能影响很大，主要强化相。

4、相图中的点分析：P35表4-1

5、相图中的线分析：

a)ABCD：液相线

b)AHJECF：固相线

c)三条水平(恒温转变)线：

HJB包晶线：L