材料科学基础知识点

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1、材料科学基础第零章 材料概论 该课程以金属材料、陶瓷材料、高分子材料及复合材 料为对象，从材料的电子、原子尺度入手，介绍了材 料科学理论及纳观、微观尺度组织、细观尺度断裂机 制及宏观性能。核心是介绍材料的成分、微观结构、 制备工艺及性能之间的关系。v主要内容包括：材料的原子排列、晶体结构与缺陷、 相结构和相图、晶体及非晶体的凝固、扩散与固态相 变、塑性变形及强韧化、材料概论、复合材料及界面， 并简要介绍材料科学理论新发展及高性能材料研究新 成果。材料是指：能够满足指定工作条件下使用要求的，就有一定 形态和物理化学性状的物质。按基本组成分为：金属、陶瓷、高分子、复合材料金属材料是由金属元素或以金

2、属元素为主，通过冶炼 方法制成的一类晶体材料，如Fe、Cu、Ni等。原子之 间的键合方式是金属键。陶瓷材料是由非金属元素或金属元素与非金属元素组 成的、经烧结或合成而制成的一类无机非金属材料。 它可以是晶体、非晶体或混合晶体。原子之间的键合 方式是离子键，共价键。 v聚合物是用聚合工艺合成的、原子之间以共价键连接的、由长 分子链组成的髙分子材料。它主要是非晶体或晶体与非晶体的 混合物。原子的键合方式通常是共价键。 v复合材料是由二种或二种以上不同的材料组成的、通过特殊加 工工艺制成的一类面向应用的新材料。其原子间的键合方式是 混合键。v材料选择：密度 v弹性模量:材料抵抗变形的能力 v强度:是

3、指零件承受载荷后抵抗发生破坏的能力。 v韧性：表征材料阻止裂纹扩展的能力 功能 v成本结构(Structure) v性质(Properties) v加工(Processing) v使用性能(Performance) v在四要素中，基本的是结构和性能的关系，而“材料科学”这 门课的主要任务就是研究材料的结构、性能及二者之间的关系。 宏观结构显微镜下的结构晶体结构原子、电子结构 重点讨论材料中原子的排列方式（晶体结构）和显微镜下的微观结 构（显微组织）的关系。以及有哪些主要因素能够影响和改变结构， 实现控制结构和性能的目的。第一章 材料结构的基本知识1.引言材料的组成不同，性质就不同。同种材料因制

4、备方法不同，其性能也不同。这是与材料的内部结构有关：原子结构、原子键合、原子排列、显微组织。原子结构主量子数n角量子数l磁量子数m自旋量子数ms泡利不相容原理能量最低原则洪特规则半充满 全充满 全空电子排布式：29Cu:1s22s22p63s23p64s13d10 电子层结构式：29Cu:1s22s22p63s23p63d104s1 电负性(electronegativity)是衡量原子吸引电子的 化学能力。 原子半径减少 电离能增加 电负性增加原子结构是材料的一级结构决定原子间结合键的形式影响元素的物理性质：如熔点、热膨 胀系数、原子半径等。2.原子键合1结合力强的结合键叫化学键（一次键）。

5、 如离子键、共价键和金属键2结合力弱的结合键叫物理键（二次键）。 如范德华键和氢键，或称为分子键离子键：由正负离子之间的库伦吸引作用产生的结合力。没有方向性和饱和性离子键的键能强，结合力大材料性能上表现出硬度大、熔点高及热膨胀系数小，变形较困难，故呈脆性。共价键:相邻原子之间共用其外层电子，形成稳定的电子满壳层结构所产生的结合力。具有方向性和饱和性不允许原子间相对位置的改变，故结合力大材料性能上表现出硬度高、熔点高、强度大、沸点高、挥发性低、但导电性差、塑性变形差（脆性）。杂化理论卡宾 坚硬强度是金刚石的40倍！金属键：依靠阳离子和自由电子间相互吸引而结合在一起。不具有方向性和饱和性由于自由电

6、子的存在，具有良好的导热、导电性正离子之间改变相对位置并不会破坏电子与正离子 之间的结合力，塑性变形好，强度高。 自由电子很容易被激发，所以它们可以吸收在光电 效应截止频率以上的光，并发射各种可见光，因此 大多数金属呈银白色，不透光。金属正离子被另一种金属的正离子取代时，也不会 破坏结合键，这种金属间的溶解（称固溶）能力也 是金属的重要特性。二次键范德华力：分子偶极距所产生的静电吸力将两个分子结合在一起的力。由取向力、诱导力、色散力组成取向力：极性分子间固有的偶极矩作用力 与极性和温度有关 最大诱导力：分子间固有偶极与诱导偶极间的作用力，与极性和变形有关色散力：分子间瞬时偶极所产生的作用力，大

7、小与分子变形（电子云形状）及分子量有关（成正比）。最小范德华力是由偶极吸引力所形成的物理键，其键力远小于化学键，故键合力弱，熔点低，硬度低，材料稳定性差，易变性 （分子凝聚）氢键：本质与范德华力一样，均依靠分子间的偶极吸引力结合在一起，性质相似，结合力比范德华力大。由氢原子同时两个电负性很大、原子半径很小的原子（O、F、N）之间的结合所形成的物理键。具有饱和性和方向性氢键在高分子材料中特别重要（凝聚）混合键：陶瓷中离子键和共价键混合十分正常。根据化合物AB电负性的大小给出离子键在化合物中的比例。结合键本质：吸引力：异类电荷之间的静电吸引排斥力：同类电荷之间的相互吸引原子间距r0 是原子之间的平

8、衡距离，斥力和引力相等时的平衡结果。结合键与材料性能物理性能：1.熔点2.密度3.导电、导热性4.透明性5.其他力学性能：弹性模量原子排列1. 晶态和非晶态晶态材料是组成材料的原子沿三维空间呈周期性重复排列。非晶态材料是内部原子的排列呈无序状态，尽管在微观尺度上有短程有序的排列。原子排列是材料的三级结构，决定材料的形态并影响材料的物理与力学性能。单晶体：晶体内各处结晶方位完全一致的晶体。整个晶体内部原子都是周期性连续排列。各向异性：在晶体中，由于各个晶面和晶向上原子排列密度不同，使原子间的相互作用力也不相同。因此在同一单晶体内不同晶面和晶向上的性能也是不同的。多晶体：由具有不同晶格位向的小单晶

9、体构成的组合体晶粒：晶格位向基本一致，并有边界与邻区分开的区域晶界：晶粒之间界面（原子排列不规则的区域）晶态材料从液态凝固成固体时，熔点确定，体积突变； 非晶态材料熔点不确定，体积无明显变化。 v物相转变时，晶态材料的原子排列从无序到有序，排列 结构发生了转变。非晶态材料的原子排列基本保持不变， 固液态原子排列在结构形态上无明显变化。显微组织：是材料的四级结构，是随组成和加工工艺方式而变化。它是影响材料力学性能如强度、韧性、变形等重要的结构因素。金属是多晶体材料，是由多晶粒所组成。显微组织是指在显微镜下材料内部所具有的形态特征，即金属中各相的晶粒的组合特征，包括晶粒的成分、形状、大小、分布及相

10、对量等。相：在材料中，凡化学成分相同、晶体结构相同，并有界面与其他部分分开的，均匀组成部分叫做相。固相材料的组织可以由单相组成，也可以由多相组成。宏观组织：用眼睛能看清材料粗大的组织，称为宏观组织（一般40倍以下），如宏观断口形貌。显微组织：一般需要对试样打磨、磨光、抛光、化学浸蚀，获得金相样品。然后在显微镜下观察，可以看到金属材料内部的微观形貌。单相组织：指具有单一相的组织。其特征是所有晶粒的化学组织和晶体结构相同，但原子排列可以不同，即为多晶体，如纯的Fe、Al等。显微组织对材料的力学性能影响很大。总之，材料有四种层次的结构，其特点是：1. 原子结构（一级结构）决定原子的结合方式，并决定其

11、化学性质和物理性质。2. 原子键合（二级结构）决定结合力大小，并影响其物理和力学性能。3. 原子排列（三级结构）决定材料的形态，影响其物理和力学性能，并与加工工艺有关。4. 显微组织（四级结构）影响材料力学性能如强度、塑性等，主要由加工工艺来决定。第二章 材料的晶体结构晶体材料的基本特征是组成固体的原子或原子团在三维空间中呈周期性的重复排列。非晶体材料不呈周期性排列，尽管在局部范围原子排列存在短程有序。区别晶体非晶体外形宏观上均匀对称，几何外形规则，并且具有自发地形成封闭的几何多面体能力。几何外形不规则，也不具有自发地形成封闭的几何多面体能力。性能性能上各向异性，即力学性能如弹性模量、应力强度

12、、以及物理性能如电导率、热导率等均与方向有关。无论是力学性能还是物理性能，基本上呈各向同性。熔点固定不固定X射线衍射可以不可以晶体结构（crystal structure）质点（原子、离子、分子、原子团等）在三维空间中作周期性重复排列的结构。空间点阵（space lattice）需要用抽象的几何点来代替实际晶体结构中的原子或原子团，这些点的总体就称为空间点阵。把晶体结构抽象成空间点阵。结点（lattice point）：构成空间点阵的每一个点叫结点或阵点。晶格：在假想的空间点阵中，用许多互相平行的直线把结点（几何点）连接起来形成空间骨架，称为晶格。晶胞：从晶格中取出最具代表性的六面体晶胞。该晶

13、胞沿空间重复堆积构成完整的空间点阵。晶胞选取条件（对称性）反映出点阵的最高对称性棱和角相等的数目应最多棱边夹角存在直角时，直角数目应该最多晶胞体积最小简单晶胞：仅在六面体的八个角有阵点复杂晶胞：除每个角上有阵点外，还在体心、面心或底心等位置上也有阵点。晶胞和原胞的区别晶胞的选取方法是在保证对称性的前提下选取体积小 的晶胞。 原胞选取方法只要求晶胞的体积小在固体物理学中常采用原胞。点阵参数（lattice parameter）为了描述晶胞的形状和大小。选取晶胞某一角点为坐标原点，三个棱边为晶轴，即a，b，c，晶轴间的夹角为、这六个参数。按照“每个阵点的周围环境相同”的要求，即对称性、唯一性和重复

14、性，所有晶体材料可用7种晶系来描述，并且仅有14种空间点阵，即14种布拉菲点阵。根据3个棱边是否相等、3个夹角是否相等，及夹角是否为直角的关系，分别称为立方、四方、六方、正交、单斜、三斜、菱方 P： primitive 简单立方晶系a=b=c= 90NaCl,zinc blende, copper metal四方晶系a=b/=c= 90White tin,SnO2,TiO2,CaSO4正交晶系a/=b/=c= 90Rhombic sulfur,KNO3,BaSO4单斜晶系a/=b/=c= 90, 90Monoclinic sulfur, Na2SO410H2O三斜晶系a/=b/=c 90K2C

15、r2O7,CuSO45H2O,H3BO3六方晶系a=b= 90,= 120Graphite,ZnO,CdS菱方晶系a=b=c= 90Calcite(CaCO3),cinnabar(HgS)晶向指数：空间点阵中，各阵点列的方向代表晶体中原子列的方向，即晶向。晶向是指晶体中的原子沿空间某一方向的排列。晶向指数是指晶体中点阵方向的指数，通常用密勒（Miller）晶向指数表示晶向指数。晶向指数的确定：1. 以晶胞的点阵常数a，b，c分别为x，y，z坐标轴上的长度单位，建立右旋坐标系，定出该方向上两个点的坐标。2. 从末点坐标减去始点坐标，得到沿该坐标系各轴方向移动的点阵参数的数目。3. 去掉分数，将相

16、减后的结果约成最小整数。4. 将三个坐标值用方括号括起u v w，若有负号则在数字上面加一横线，即为该族结点直线的密勒晶向指数。密勒指数注意问题：1. 一个晶向指数代表相互平行、方向一致的所有晶向2. 正方向和负方向是不同的3. 方向指数与其倍数是同向的4. 晶体中原子排列情况相同，但空间位向不同的一组晶向成为晶向族，用表示。5. 立方晶系中的111、111、111、111、 111、111、111、111晶向，原子排列方式 相同，同属于晶向族。立方晶系中的100、010、001、100、 010、001晶向，原子排列方式相同，同属于 晶向族。非立方晶系，改变晶向指数顺序，晶向的含义会不同 ，

17、如正交晶系中的a，b，c互不相等，因此，100、 010、001三个晶向不是等同晶向，他们的原子排 列方式不同。晶面指数：晶面是指穿过晶体中的某一原子平面。不同的平面具有不同的原子排列和取向。晶面指数是指晶体中点阵平面的指数。它是晶面与三个坐标轴的截距值所决定，密勒晶面指数的简化符号为晶面做出标志。密勒晶面指数的确定：1. 在待标晶面上建立右手坐标系，且坐标原点不在晶面上；2. 找出待标晶面在三个坐标轴上的截距x、y、z。若该晶面与坐标轴平行，其截距为正无穷；若晶面在坐标轴方向的截距为负值，则在相应指数的上方加一横线。3. 取截距的倒数：1/x，1/y，1/z；将三个数值化为比值相同的最小整数

18、：h：k：l=1/x，1/y，1/z；4. 将h，k，l置于圆括号内，写成（h，k，l），则（h，k，l）就是待标晶面的Miller晶面指数。注意问题：1. 晶面指数（hkl）不是指一个晶面，而是代表一组相互平行的晶面；2. 平行晶面的晶面指数是相同的，或数字相同但正负号相反；3. 晶体中具有等同条件（原子排列和晶面间距完全相同），只是空间位向不同的各组晶面称为晶面族，用花括号h k l表示。晶面族中所有晶面性质是相同的，如立方晶系：100=(100)+(010)+(001)+(100)+(010)+(001) 在立方晶系中，具有相同指数的晶向和晶面必定相互垂直：100垂直于(100)六方晶系

19、的晶向指数和晶面指数：晶面间距：晶面间距是指相邻两个平行晶面之间的垂直距离，用d表示或用晶面指数dhkl表示。低指数的晶面间距较大，原子在该面上的排列愈密集，而高指数的晶面间距较小，原子排列较疏松。晶带：是空间点阵中，相交或平行于某一轴向直线的所有晶面的组合。此直线叫晶带轴。纯金属的晶体结构：体心立方（BCC）面心立方（FCC）密排六方（HCP）晶胞原子数：是指一个晶胞内包含的原子数。简单立方=1 体心立方=2 面心立方=4 密排六方=6体心立方 a=b=c r=3/4a面心立方 a=b=c r=2/4a密排六方 r=1/2a c/a=1.633配位数：指晶体结构中任一原子周围最邻近的原子数。

20、配位数愈大，原子排列就愈紧密。简单立方6 体心立方8 面心立方12密排六方12致密度：指晶体结构中原子体积占总体积的百分数（K）。是晶胞中含有的全部原子的总体积与该晶胞的体积之比。K=nv/V v-单个原子的体积 V-晶胞的体积n-晶胞中的原子数体心立方0.68面心立方0.74密排六方0.74注意问题布拉菲点阵的结点分布反应了晶体中原子或原子团的分布规律，但结点本身并不一定代表原子，即点阵和晶体结构并不一定相同。四面体间隙和八面体间隙第三章 晶体缺陷弛豫：晶体表面几个原子层上的原子偏离理想位置的现象。重构：晶体表面层原子重新排布成不同于内部周期结构的现象。实际晶体材料并不是理想的、无缺陷的，而

21、是有一些不规则现象或结构不完整区域，即晶体缺陷。不论哪种晶体缺陷，其浓度（或缺陷总体积与晶体体积之比）都是十分低的。但晶体缺陷对于材料性能如晶体生长、扩散、相变、强度、塑性及变形等均有很大的影响。点缺陷（point defect）点缺陷是指在三维尺度上不超过几个原子直径大小的一些微小的缺陷。1. 空位2. 间隙原子3. 异类原子（置换和间隙原子）空位：晶体中没有原子的结点。间隙原子：是原子脱离其平衡位置，挤进了晶格间隙中，又称填隙原子。肖脱基缺陷：仅形成空位而不形成等量的间隙原子。弗兰克尔缺陷：晶体中的原子挤入结点的间隙，即形成间隙原子，而且原来的结点也空缺，产生空位，这一对点缺陷称为。一般晶

22、体弗兰克尔缺陷比肖脱基缺陷少的多。空位与间隙的形成离开平衡位置的原子有四个去处：1. 一是迁移到晶体表面或晶界的位置上，而使晶体内部留下空位（Schottky缺陷）2. 二是挤出点阵的间隙位置，而在晶体中同时形成数目相等的空位和间隙原子（Frenkel缺陷）3. 跑到其他空位上使空位消失或移位（空位迁移）。4. 空位和间隙原子相遇，两缺陷同时消失。异类原子造成的点缺陷置换式：两种原子半径相当间隙式：异类小半径原子特点：无论哪一类点缺陷，都会造成其附近的晶格畸变。在缺陷周围产生弹性应力场，体系内能升高。由于离子平衡的电中性要求：肖脱基缺陷：同时移去一个正离子和一个负离子。弗兰克尔缺陷：尺寸较小的

23、离子挤入同号离子的位置，形成间隙离子和空位对。对于正负离子尺寸差异较大、结构配位数较低的离子晶体，小离子进入相邻间隙的难度并不大，所以弗兰克尔缺陷是常见点缺陷。对于结构配位数高，排列紧密的晶体，则肖脱基缺陷比较重要，而弗兰克尔缺陷比较难形成。点缺陷是由热振动引起的，是一种热力学的平衡缺陷。一方面造成点阵畸变，使晶体的内能升高，降低了晶 体的热力学稳定性； 另一方面由于增大了原子排列的混乱程度，并改变了 其周围原子的振动频率，引起组态熵和振动熵的改变， 使晶体熵值增大，增加了晶体的热力学稳定性。这两个相互矛盾的因素使得晶体中的点缺陷在一定的 温度下有一定的平衡浓度。本征点缺陷：没有外来杂质时，由

24、组成晶体的基体原子的排列错误而形成的点缺陷。例如：由于温度升高引起的晶格原子的热振动起伏产生的空位和间隙原子等是典型的本征点缺陷，他们的数目依赖于温度，也称热缺陷。非本征点缺陷：由于杂质原子的引入而引起的缺陷。（1） 空位和间隙原子的生成能越大，其出现的几率 越小； v（2） 温度越高，产生空位和间隙原子数越多但在有些情况下 ，晶体中点缺陷浓度可高于平衡浓度，称为过饱和点缺陷，或非平衡点缺陷。获得过饱和点缺陷的方法有以下几种：1. 高温淬火2. 冷加工3. 辐照点缺陷对结构和性能的影响结构：无论哪种点缺陷的存在，都会使其附近的原子稍微偏离原结点位置才能平衡，即造成小区域的晶格畸变。性能：提高材

25、料的电阻加速原子的扩散迁移密度、比容减小力学性能：强度提高，塑性下降蠕变：形成其他晶体缺陷：线缺陷（line defect）线缺陷是指晶体中二维尺度方向很小但在第三维尺度方向上较大的一种缺陷。位错（dislocation）是理想空间点阵中存在的一种最典型的线缺陷。刃型位错滑移区一般把多出的半原子面在滑移面上边的称为正刃 型位错，用记号“”表示；而把多出在下边的称 为负刃型位错，用记号“”表示。 刃型位错位错线EF与滑移矢量垂直，滑移 面是位错线EF和滑移矢量所构成唯一平面。 位错在其他面上不能滑移螺型位错BC为已滑移区与未滑移区的交界处，即位错线。 在BC线和aa线间的原子失去正常相邻关系，连

26、接则 成了一个螺旋路径，该路径所包围的呈长管状原子排 列紊乱区即成螺型位错。v0.根据旋进方向的不同，螺型位错有左、右之分。 v右手法则：即以右手拇指代表螺旋的前进方向，其 余四指代表螺旋的旋转方向。 v凡符合右手定则的称为右螺型位错；符合左手定则 的则称为左螺型位错。 1.无额外半原子面，原子错排是呈轴对称的。 v2. 螺位错线与滑移矢量平行，故一定是直线，且位 错线的移动方向与晶体滑移方向互相垂直。 3. 纯螺位错滑移面不唯一的。凡包含螺型位错线的 平面都可为其滑移面，故有无穷个，但滑移通常在 原子密排面上，故也有限4.螺位错周围点阵也发生弹性畸变，但只有平行于 位错线的切应变。 v5.螺

27、位错周围点阵畸变，随离位错线距离的增加而 急剧减少，故它也是包含几个原子宽度的线缺陷。 v6.螺位错形成后，所有原来与位错线相垂直的晶面 ，都将由平面变成以位错线为中心轴的螺旋面。位错线不能在晶体内部 中断。 v位错线：只能或者连接晶体表面(包括晶界)，或者连 接于其它位错，或者形成封闭的位错环。 伯氏矢量：表示位错区原子的畸变特征，包括畸变的位置和畸变的程度。用表示伯格斯回路确定：先人为确定位错的方向（一般规定位错线垂直纸面时， 由纸面向外为正）。 按右手法则做柏氏回路，右手大拇指指位错正方向，回路方向按右手螺旋方向确定。从实际晶体中任一原子M出发，避开位错附近的严重畸变区作一闭合回路MNO

28、PQ（不能经过位错的中心区），回路的每一步连结相邻原子。按同样方法在完整晶体中做同样回路，步数，方向与上述回路一致，这时终点Q和起点M不重合，由终点Q到起点M引一矢量QM即为伯氏矢量b。柏氏矢量与起点的选择无关，也与路径无关。刃型位错的柏氏矢量与位错线垂直螺型位错的柏氏矢量与位错线平行 柏氏矢量的确定取决于观察方向柏氏矢量（b）的物理意义与特征1. 表征了位错周围点阵畸变总积累2. 表征了位错强度 b的模称为。3. 位错的许多性质如能量，应力场，位错受力等，也表示出晶体滑移的大小和方向。4. 利用柏氏矢量b与位错线的关系，判定位错类型。类型柏氏矢量位错线运动方向晶体滑移方向切应力方向滑移面个数

29、刃垂直于位错线垂直于位错线本身与b一致与b一致唯一螺平行于位错线垂直于位错线本身与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本身与b一致与b一致5. 刃型位错正、负号用右手法则判定：1） 即以右手拇指、食指和中指构成一直角坐标； v2） 以食指指向位错线方向，中指指向柏氏矢量b方向 ，则拇指代表多余半原子面方向。 3） 多余半原子面在上称正刃型位错，反之为负刃型位错。柏氏矢量 b守恒性： 柏氏矢量与回路起点选择、具体途径、大小无关，或 在柏氏回路任意扩大和移动，只要不与原位错或其他 位错相遇，畸变总累积不变，其柏氏矢量是唯一的（ 守恒性）。推论1：一根不分叉的任何形状的位错只有一个柏

30、氏矢量。一个位错环只有一个柏氏矢量。推论2：相交于一点的各位错，同时指向结点或离开结点时，各位错的柏氏矢量b之和等于0。（几根位错相遇于一点，朝向节点的各位错柏氏 矢量 b 之和必等于离开节点各位错柏氏矢量之和 ）。 b i 0推论2也可说：几根位错线相交于一点，其中 任一位错的柏氏矢量等于其他各位错的柏氏矢 量之和。推论3：从柏氏矢量特性可知，位错线不能中断于晶体的内部，而只能终止在晶体表面或晶界上，即位错的连续性。在晶体内部，它只能自成封闭的环或与其他 位错相遇于节点形成位错网络，或终止于晶 体表面。而柏氏矢量必须在晶向指数 的基础上把矢量的模也表示出来，因此柏氏矢量的大 小和方向要用它在

31、各个晶轴上的分量，即点阵矢量a， b和c来表示。对于立方晶系，a=b=c，所以柏氏矢量或滑移矢量可 用符号b=a/nuvw表示，n为正整数。 v步骤：将某个滑移矢量在晶胞坐标XYZ轴上的分量， 依次填入号内，再提取公因数1/n作为系数，放 在号前，使号内的数字为最小整数。uvw为矢量方向与表示晶体的晶向符号相同，不 同之处是多了a/n因子。柏氏矢量b的模 b=a/nuvw同一晶体中，柏氏矢量愈大，表明该位错导致点阵畸 变愈严重，它所在处的能量也愈高。能量较高的位错 通常倾向于分解为两个或多个能量较低的位错，并满 足： b 1 b 2 b 3， b 12 b 2 2 b 32，以使系统的自由能下

32、 降。位错运动方式：滑移和攀移。1）滑移：位错线沿着滑移面的移动。2）攀移：位错线垂直于滑移面的移动。刃位错的运动：可有滑移和攀移两种方式。 v螺位错的运动：只作滑移、而不存在攀移螺位错移动方向：与位错线、柏氏矢量 b 垂直。 螺位错滑移面：由位错线与其柏氏矢量所构成平面。不论位错如何移动，晶体滑移总是沿柏氏矢量相对 滑移，故晶体滑移方向就是位错的柏氏矢量b方向， 产生宽度为一个柏氏矢量b的台阶攀移的实质：是多余半原子面的伸长或缩短。是通过 原子扩散实现的（滑移没有原子扩散）。 常把多余半原子面向上移动称正攀移，向下移动称负 攀移。当空位扩散到位错的刃部，使多余半原子面缩短叫正攀移。 v当刃部

33、的空位离开多余半原子面，相当于原子扩散到位错 的刃部，使多余半原子面伸长，位错向下攀移称为负攀移。攀移与滑移区别1. 攀移伴随物质的迁移，需要空位的扩散，需要热 激话，比滑移需更大能量。2.低温攀移较困难，高温时易攀移3.攀移通常会引起体积的变化v4.作用于攀移面的正应力有助于位错的攀移。具体 为：压应力将促进正攀移，拉应力可促进负攀移。 5.晶体中过饱和空位也有利于攀移位错与点缺陷的交互作用（刃位错）a. 位错与溶质原子(或间隙原子)的交互作用 尺寸大的原子使晶格原子受到压缩应力处于滑移面下方 尺寸小的原子使晶格原子受到拉伸应力处于滑移面上方 柯氏气团：溶质原子与位错交互作用后，在位错周围偏

34、聚的现象。 对位错有钉扎作用。 b.位错与空位的交互作用 使位错在高温下发生攀移。位错的分解与合成由n个位错合成为一个新位错或由一个位错分解为n个新位错的 过程称为位错反应。 v位错能否发生反应，取决于两个条件：1) 几何条件：按照柏氏矢量守恒性的要求，反应前后位错在三 维方向的分矢量之和必须相等，即b前=b后2) 能量条件：位错反应必须是一个伴随着能量降低的过程。因 此，反应后各位错的总能量应小于反应前各位错的总能量，即b前2b后2单位位错：柏氏矢量等于单位点阵矢量的位错； 全位错：柏氏矢量等于点阵矢量整数倍的位错。 v全位错滑移后晶体原子排列不变； 部分位错：柏氏矢量小于单位点阵矢量的位错

35、； v不全位错：柏氏矢量不等于单位点阵矢量整数倍的位错。 v不全位错滑移后原子排列规律发生变化。面缺陷：是指晶体中一维尺度很小而其他二维尺度很大的缺陷。晶体的面缺陷包括晶体的外表面和内界面，其中内界 面包括晶界、亚晶界、孪晶界、堆垛层错和相界等体缺陷（body defect）如果在任意方向上缺陷的尺寸可以与晶体或晶粒的尺 度相比时，这种缺陷称为体缺陷。 例如：空洞、孔洞、气泡、杂质、亚结构、沉淀相等第四章 材料的相结构及相图组元：组成材料的最基本的、独立的物质。可以是纯元素，也可以是化合物。合金：两种或两种以上的金属与金属（Cu-Ni合金）或金属与非金属（Fe-C合金）经一定方法（熔炼、粉末冶

36、金等）合成的具有金属特性的物质。也就是说组成合金的元素必须有一种是金属元素。相：指合金中具有相同原子聚集状态、相同化学成分、相同晶体结构及性质，并以界面互相分开的均匀组成部分。组织：有不同形态、大小、数量和分布的相组成的综合体。合金的组织一般应用显微镜才能看到，所以常称显微组织。材料相可分成两大类：固溶体和中间相。黑色条纹：渗碳体 白色条纹：铁素体 固溶体：以一种组元为溶剂，另一种组元为溶质，组元间以不同比例相互混合，混合后形成的新固相的晶体结构与组成合金的溶剂组元相同，晶格常数稍有变化（晶格畸变），这种相就称为固溶体。表示方法：在合金系统中，通常按顺序（固溶体的浓 度或固溶体稳定存在的温度范

37、围）由低到高，用， ，等表示不同类型的固溶体。 主要特征：1. 溶质与溶剂都为固体2. 晶格仍保持溶剂组元的晶格3. 具有较明显的金属性质置换固溶体：溶质原子置换了溶剂晶格中的一些溶剂原子而形成的固溶体。间隙固溶体：一些原子半径小于0.1nm的非金属元素如H、O、C、N、B等作为溶质原子时，通常处于溶剂晶格的某些间隙位置形成的固溶体。溶质原子在 溶剂中溶解 能力（固溶 度大小）：有限、无限固溶体溶质原子分布 无序固溶体有序固溶体影响溶质原子溶解度的因素v一在定条件下，溶质元素在固溶体中的极限浓度叫该 元素在固溶体中的溶解度。休谟-罗斯里规则 (Hume-Rothery rule)1. 尺寸因素

38、 2.晶体结构因素 3.电负性差因素 4.电子浓度因素 5.温度溶质与溶剂的晶格结构相同是形成无限固溶体的必要条件。电子浓度：在金属材料(合金)中，价电子数目(e)与原子数目(a) 之比称为电子浓度。 固溶体的溶解度随温度的影响较大，一般温 度越高，固溶体的溶解度越大。形成固溶体的意义：活化晶格，有利于进行化学反应。抑制多晶体转变，稳定晶型。可以获得新型材料，如锆钛酸铅和sialon等材料都是固溶体。有利于矿物晶体构造，用于污染修复。中间相：合金组元间相互作用而生成的一种新的物相特征：其晶格与组成它的任一组元均不相同。种类：a正常价化合物b电子化合物c尺寸因素化合物 间隙化合物，拉弗斯相间隙化

39、合物由过渡族金属原子与原子半径小于0.1nm的非金属 元素碳、氮、氢、氧、硼所形成具有金属光泽和 导电性的高熔点、高硬度，但较脆的化合物。与间隙固溶体的晶格类型不同!拉弗斯相：当组元间原子尺寸之差处于间隙化合物与电子化合物之间时， 会形成拉弗斯相。相图就是用来表示热力学平衡状态下材料相的状态、温度、压力、成分关系的综合图形。通过相图，可以知道不同成分的材料，在不同温度下存在哪些相、各种相的相对含量、成分、及温度变化时可能发生的变化。不能反映各相的结构、分布状态及具体形貌。热力学平衡条件 研制、开发新材料，确认材料成分利用相图制定材料生产和处理工艺利用相图分析平衡态的组织和推断不平衡态可能的组织

40、变化利用相图和性能关系预测材料性能相律：描述组元数、相数和自由度关系的法则。 吉布斯相律：f=C-P+2C：系统组元数P：平衡共存的相的数目F：自由度的数目相律的限制相律只适用于热力学平衡状态。平衡状态下 各相的温度应相等（热量平衡）；各相的压 力应相等（机械平衡）；每一组元在各相 中的化学位必须相同（化学平衡）。 v相律只能表示体系中组元和相的数目，不能 指明组元或相的类型和含量。 相律不能预告反应动力学（速度）。 自由度的值不得小于零。二元相图温度-成分图坐标系中的点：表 象点（M），表示相 应成分合金在该点对 应温度时的状态相界线：相图中相同意义的各点连线 相区：由相界线所围成的区域杠杆

41、定律设成份为X的合金的总重 量为1，液相的相对重量 为QL，其含Ni为X1，固相 相对重量为Q，其含Ni为 X2，则：杠杆定律只适用于处于平衡状态的两相区1、 计算系统中相的相对量 2、 计算系统中组织组成物的相对量 3、计算系统中某一组织组成物中两相的相对量匀晶相图：是指合金组元在液、固两相下均能无限互溶，结晶时只析出单相固溶体组织的合金相图。如Cu-Ni、Cu-Au等二元合金系。匀晶转变：由液相直接结晶成单相固溶体的结晶转变。 L在极缓慢的冷 却过程中，每 个阶段都能达 到平衡的结晶 过程。 特点：由液相成分凝固出与其成分不同的固相。晶内偏析：偏析程度与相图形状有密切关系，固相线与液相 线

42、的水平距离及垂直距离愈大，合金凝固时，固液两相 的成分变化愈大，枝晶偏析就愈显著。Cu-Sn合金的晶 内偏析比Cu-Zn合金严重。 影响：具有枝晶偏析的合金，韧性，塑性，易发生晶 内腐蚀，抗蚀性，热加工困难（温度固相线温度，枝 晶熔化）。 消除：扩散退火（低于固相线温度）消除偏析 将铸件加热到低于固相线100-200，进行长时间保 温，使偏析元素充分扩散以达到均匀化目的。此种热处 理工艺称为扩散退火或均匀化退火。区域熔炼是制备 高纯物质的有效 方法。一般是将高频加热环套在需精炼的棒状材料的一端，使 之局部熔化，加热环再缓慢向前推进，已熔部分重新凝 固。由于杂质在固相和液相中的分布不等，用这种方

43、法 重复多次，杂质就会集中到一端，从而得到高纯物质。相区接触法则：相邻相区的相数差1。 共晶相图：两组元在液态下能完全互溶，固态下有限互溶或完全不溶，并在冷却过程中发生共晶转变的相图。Bi-Cd、Pb-Sn、Ag-Au、Al-Si、Pb-Sb。简单共晶相图：两组元在液态下能够完全互溶，在固态下彼此互不溶解的共晶相图。一般共晶相图两组元在液态下能够完全互溶，在固态能有限互溶的共晶相图固溶线，固溶度曲线：反映不同温度时的溶解度变化。铁素体（Ferrite）：是碳溶于-Fe中的间隙固溶体，呈体心立方晶格，碳在-Fe中溶解度极小，在727时达到最大溶解度0.0218%。铁素体的显微结构为多边形晶粒。性

44、能：力学性能特点是塑性、韧性好，而强度、硬度低。高温铁素体（）奥氏体（Austenite）：是碳溶于-Fe中的间隙固溶体，呈面心立方晶格。碳在-Fe中的溶解度要比在-Fe中大，在727时为0.77%，在1148时溶解度最大，可达2.11%。奥氏体是一种高温组织，稳定存在的温度范围为7271394，显微组织为多边形晶粒。渗碳体（中间相-尺寸因素化合物-间隙化合物）：当铁碳合金中碳含量超过它在铁中溶解度限度时，多余的碳主要和铁形成的一种具有复杂晶格的金属化合物Fe3C。它的碳质量分数WC=6.69%。莱氏体（组织）：Ld 是铁碳合金冷却到1148时共晶转变的产物，是介稳相。由奥氏体和渗碳体组成的机

45、械混合物。存在1148727之间的莱氏体称为高温莱氏体，用“Ld”表示，存在于727以下的莱氏体称为变态莱氏体或低温莱氏体，用“Ld”表示，组织由渗碳体和珠光体组成。性能：与渗碳体相似，硬度很高，塑性极差，几乎为零。珠光体：是奥氏体冷却时，在727发生共析转变的产物，由铁素体和渗碳体组成的机械混合物，用符号“P”表示。显微组织为由铁素体片和渗碳体片交替排列的片状组织。性能：力学性能介于铁素体和渗碳体之间，强度较高，硬度适中，塑性和韧性较好。重要固态转变线：GS线：GS线又称A3线，冷却 时，析出的开始线，或加热 时全部溶入的终了线。 ES线：碳在中的固溶度曲线 。常称Acm线。当温度低于此 线

46、，将析出Fe3C、即二次渗 碳体Fe3C， 从液相中经CD线 析出一次渗碳体Fe3C 。PQ线：碳在中的固溶度曲线。碳在中的最大固溶度v727时c为0.0218%，600时降为0.008，300时约为0.001， v从727冷却下来时，将析出渗碳体，称为三次渗碳体Fe3C v770线为的磁性转变温度230水平线为渗碳体的磁性转变温度工业纯铁：c0.0218%亚共析钢：0.0218%c0.77%过共析钢：0.77%c2.11%共析钢c=0.77%钢的共同点：在高温下都可以 进入奥氏体单相区， 所有的亚共析钢室温组织都是由铁素体和珠光体 组成，其差别仅是铁素体与珠光体的相对量不同， Wc越高，珠光

47、体越多，铁素体越少。随着含碳量增加时，渗碳体不仅数量增加，形态和分布也发生 了很大变化。（渗碳体分布在P内网状分布在晶界上 形成莱氏体时，渗碳体则成了基体。）含碳量对（普碳钢）力学性能的影响硬度Wc增加，硬度增加； n强度WC1%时，WC增加，强度降低； n塑性、韧性WC增加，塑性、韧性下降；为了保证工业用钢具有足够 的强度和塑性、韧性，碳素 钢的含碳量一般不超过1.4%。锻造：铸造组织经过锻造方法热加工变形后使原来的粗大枝晶和柱 状晶粒变为晶粒较细、大小均匀的等轴再结晶组织，使钢锭 内原有的偏析、疏松、气孔等压实和焊合，其组织变得更加 紧密，提高了金属的塑性和力学性能。 钢的可锻性首先与含碳

48、量有关，低碳钢的可锻性较好，随着 含碳量的增加。可锻性逐渐变差。（C%2.11%） v一般要把钢材加热到始锻温度（固相线以下100200，约 11501250）下，在奥氏体区进行锻造。铁碳相图的应用塑性、韧性高的材料，选用铁素体低碳钢 （Wc0.25%）强度、塑性和韧性等均好的材料，应选用组织为铁 素体和珠光体的中碳钢（0.25%WcWc0.6%）形状复杂的及其底座和箱体等零件，可选用熔点低、 流动性号的铸铁材料，成分为共晶或接近于共晶。碳钢：是指碳的质量分数Wc2.11%，并含有少量 硅、锰、磷、硫等杂质元素的铁碳合金。 杂质元素的影响：Mn、Si、S、P、O、N、H。三元系：三个组元组成的

49、合金系 F=C-P+1=4-P独立变量：温度T 组元浓度XA、XB （XC=1-XA-XB） 浓度三角形等边三角形顺时针坐标1. 浓度顶点代表纯组元A、B、C2. 的边代表二元合金 AB=BC=CA=100%=边长3. 内任一点都代表一个三元合金1） 过O作A角对边的平行线 2）求平行线与A坐标的截距 得组元A的含量3）同理求组元B、C的含量与某一边平行的直线含对角组元浓度相等过某一顶点作直线如过B点作直线，任意两点E、F合金，A、C组元，浓度之比相等 第六章 材料的凝固与气相沉积凝固：金属由液态转变为固态的过程称为凝固。结晶：由于凝固后的固态金属通常是晶体，也就是说是原子由不规则排列状态（液

50、态）过渡到规则排列状态（固态）的过程。结晶现象：宏观：过冷现象：实际结晶温度低于理论结晶温度的现象。结晶潜热：温度保持不变，物质从液态转变到固态时释放热量。微观：形核长大过冷：熔融金属冷却到理论结晶温度而没有发生凝固的现象。 v过冷度：理论结晶温度与实际结晶温度的差值，即： vT=Tm-T v式中T：过冷度（）； vTm：金属的理论结晶温度（）； vT0：金属的实际结晶温度（）。 v在缓慢冷却条件下，可把缓慢冷却曲线水平段所对应的温度看 作是平衡结晶温度Tm。过冷度不是恒定值，其大小与金属的性质、纯度、 以及冷却速度有关，不同金属的过冷倾向不同。冷却速度越大，过冷度越大。 v金属的纯度越高，过

51、冷度越大。结构起伏：液态金属中存在着原子排列规则（有序）的小区域（原子集团），但是不稳定，存在原子重新聚集clustering，此起彼伏。能量起伏：造成结构起伏的原因是液态金属中存在着能量起伏，能量低的地方形成cluster，遇到能量高峰又散开成无序状态。温度降低，这些近程有序的原子集团（又称为晶胚 (Embryo)尺寸会增大；当具备结晶条件时，大于一定尺寸 的晶胚就会成为晶核(Nucleus)。晶核的出现就意味着结晶开始。均匀形核：当晶胚的r=r*时，晶胚的长大使得体系自由能降低，故这种 尺寸的晶胚就会形成稳定的晶核。 vr=r*的晶胚为临界晶核（Criticalnucleus），G大。 T

52、 增大r*减小。 v即液体中会有更多的晶胚可以成为晶核，形核的几率增大。 vT 0，r*无穷大， v任何晶胚都不能成为晶核，故凝固不能发生。G*0，说明形成临界晶核是需要能量的，故均匀形 核需要： 过冷度结构起伏能量起伏形核率（Nucleation rate）是指在单位时间内，单位体积的金属液体中形成的晶核数。单位1/(s cm3)均匀形核所需的 过冷度很大，表 明形核难度高。形核率的影响因素过冷度固体杂质结构：固态质点与晶核表面能越小，越易形核。固体杂质形貌影响例如铸型中的深孔或裂纹都属凹界面，故易形核。其他因素搅拌、振动晶体长大：液体原子依附到晶体的表面上，并按照晶面原子排列的要求与晶体表

53、面原子接合起来固-液界面的微观结构必然影响晶体的长大方式。 v固-液界面处的温度低于熔点，有一定的过冷度，是晶体 得以长大的必要条件。过冷度越大，晶体长大率度越快。 v晶体长大的方式和长大速率对金属的结晶组织影响很大。光滑界面(Smooth interface)：是指固相表面为基本完整的原 子密排面，固液两相截然分开，从微观上看界面是光滑的，但 是从宏观来看，界面呈锯齿状的折线。粗糙界面(Rough interface)：在微观上高低不平、粗糙，存在 几个原子厚度的过渡层，但是宏观上看，界面反而是平直的。当2时，曲线在x=0.5处界面能具有极小值，即界面 的平衡结构约有一半的原子被固相原子占据，而另一 半空着，微观粗糙界面； v当2时，曲线有两个小值，分别位于x=0和x=1处， 说明界面的平衡结构是只有少数几个原子位置被占据， 或者大部分原子位置都被固相原子占据，界面基本上 为完整的平面，界面呈光滑界面。