《材料科學基礎(chǔ)》教學教案

《材料科學基礎(chǔ)》教學教案導論材料科學的重要地位生產(chǎn)力發(fā)展水平，時代發(fā)展的標志各種材料概況金屬材料陶瓷材料高分子材料電子材料、光電子材料和超導材料三、材料性能與內(nèi)部結(jié)構(gòu)的關(guān)系原子結(jié)構(gòu)、結(jié)合鍵、原子的排列方式、顯微組織四、材料的制備與加工工藝對性能的影響五、材料科學的意義

第一章材料結(jié)構(gòu)的基本知識§1-1原子結(jié)構(gòu)原子的電子排列泡利不相容原理最低能量原理元素周期表及性能的周期性變化§1-2原子結(jié)合鍵一、一次鍵離子鍵共價鍵金屬鍵二、二次鍵范德瓦爾斯鍵氫鍵三、混合鍵四、結(jié)合鍵的本質(zhì)及原子間距雙原子模型五、結(jié)合鍵與性能§1-3原子排列方式一、晶體與非晶體二、原子排列的研究方法§1-4晶體材料的組織一、組織的顯示與觀察二、單相組織等軸晶、柱狀晶三、多相組織§1-5材料的穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)亞穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)阿累尼烏斯方程第二章材料中的晶體結(jié)構(gòu)§2-1晶體學基礎(chǔ)一、空間點陣和晶胞空間點陣，陣點（結(jié)點）晶格、晶胞坐標系二、晶系和布拉菲點陣7個晶系14個布拉菲點陣表2-1三、晶向指數(shù)和晶面指數(shù)晶向指數(shù)確定方法，指數(shù)含義，負方向，晶向族晶面指數(shù)確定方法，指數(shù)含義，負方向，晶向族六方晶系的晶向指數(shù)和晶面指數(shù)確定方法，換算晶面間距密排面間距大晶帶相交和平行于某一晶向直線的所有晶面的組合晶帶定律：hu+kv+lw=0●晶向指數(shù)和晶面指數(shù)確定練習，例題§2-2純金屬的晶體結(jié)構(gòu)一、典型金屬晶體結(jié)構(gòu)體心立方bcc面心立方fcc密排六方hcp1．原子的堆垛方式面心立方：ABCABCABC——密排六方：ABABAB——2．點陣常數(shù)3．晶胞中的原子數(shù)4．配位數(shù)和致密度晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周圍最鄰近且等距離的原子數(shù)晶體結(jié)構(gòu)中原子體積占總體積的百分數(shù)5．晶體結(jié)構(gòu)中的間隙四面體間隙，八面體間隙二、多晶型性-Fe,-Fe,-Fe例：碳在-Fe中比在-Fe中溶解度大三、晶體結(jié)構(gòu)中的原子半徑1．溫度與壓力的影響2．結(jié)合鍵的影響3．配位數(shù)的影響§2-3離子晶體的結(jié)構(gòu)一、離子晶體的主要特點正、負離子二、離子半徑、配位數(shù)和離子的堆積1．離子半徑2．配位數(shù)表2-63．離子的堆積三、離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)則1．負離子配位多面體規(guī)則—鮑林第一規(guī)則配位多面體是離子晶體的真正結(jié)構(gòu)基元2．電價規(guī)則—鮑林第二規(guī)則3．負離子多面體共用點、棱與面的規(guī)則—鮑林第三規(guī)則四、典型離子晶體的結(jié)構(gòu)6種§2-4共價晶體的結(jié)構(gòu)一、共價晶體的主要特點原子晶體二、典型共價晶體的結(jié)構(gòu)第三章晶體缺陷點缺陷、線缺陷、面缺陷§3-1點缺陷一、點缺陷的類型空位、間隙原子Schottky,Frenkel缺陷晶個畸變二、點缺陷的產(chǎn)生1．平衡點缺陷及其濃度2．過飽和點缺陷的產(chǎn)生高溫淬火、輻照、冷加工3．點缺陷與材料行為擴散物理性能：電阻，密度減小體積增加力學性能：蠕變，強度，脆性§3-2位錯的基本概念一、位錯與塑性變形實際屈服強度遠低于剛性滑移模型得到的G/30.50年代中期證實位錯的存在二、晶體中位錯模型及位錯易動性1．刃型位錯2．螺型位錯3．混合型位錯4．位錯的易動性圖4-12三、柏氏矢量1．確定方法2．柏氏矢量的意義原子畸變程度已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的邊界滑移矢量位錯線的性質(zhì)3．柏氏矢量的表示方法練習四、位錯的運動1．位錯的滑移外加切應(yīng)力方向、晶體滑移方向、位錯線運動方向與柏氏矢量之間關(guān)系圖4-18、4-19、4-20，表4-12．位錯的攀移通過擴散實現(xiàn)割階的產(chǎn)生正應(yīng)力影響3．作用在位錯上的力Fd=bFd=b五、位錯密度=S/V=n/A六、位錯的觀察圖4-24，4-25§3-3位錯的能量及交互作用一、位錯的應(yīng)變能U=Gb2二、位錯的線張力圖4-30=Gb/(2R)三、位錯的應(yīng)力場及與其它缺陷的交互作用1．位錯的應(yīng)力場螺位錯：純剪切刃位錯：正應(yīng)力為主2．位錯與點缺陷的交互作用溶質(zhì)原子形成的應(yīng)力場與位錯應(yīng)力場可發(fā)生交互作用。比溶劑原子大的溶質(zhì)原子傾向于聚集在刃型位錯受張力一側(cè)，比溶劑原子小的溶質(zhì)原子傾向于聚集在刃型位錯受壓力一側(cè)，從而形成了包圍著位錯線的比較穩(wěn)定分布的溶質(zhì)原子“氣團”，稱Cottrell氣團位錯要掙脫氣團的束縛而運動，就會使體系能量升高；若位錯帶著氣團一起運動，在氣團作用下運動受到阻滯，氣團對位錯的釘扎和阻滯作用使基體得以強化。3．位錯與其它位錯的交互作用同號相斥、異號相吸刃位錯位錯墻四、位錯的分解與合成1．位錯反應(yīng)的條件1）幾何條件：∑b前=∑b后2）能量條件：∑b2前〉∑b2后2．實際晶體中位錯的柏氏矢量分位錯、不全位錯3．面心立方晶體中全位錯的分解及擴展位錯擴展位錯堆垛層錯，層錯能擴展位錯寬度§3-4晶體中的界面一、晶界的結(jié)構(gòu)與晶界能小角度晶界的結(jié)構(gòu)由位錯組成，晶界上的位錯密度隨位向差增大而增加大角度晶界2~3個原子厚度的薄層，無序、稀疏晶界能二、表面及表面能密排面能量低三、表面吸附與晶界內(nèi)吸附吸附為自發(fā)現(xiàn)象，物理吸附、化學吸附晶界內(nèi)吸附：少量雜質(zhì)或合金元素在晶體內(nèi)部的分布是不均勻的，常偏聚于晶界。四、潤濕行為五、界面能與顯維組織的變化第四章材料的相結(jié)構(gòu)及相圖組元：組成材料最基本、獨立的物質(zhì)合金：兩種或兩種以上的金屬、或金屬與非金屬形成的具有金屬特性的物質(zhì)。相圖：描寫在平衡條件下，系統(tǒng)狀態(tài)或相的轉(zhuǎn)變與成分、溫度及壓力間關(guān)系的圖解?！?-1材料的相結(jié)構(gòu)固溶體、中間相一、固溶體置換固溶體、間隙固溶體有限固溶體、無限固溶體有序固溶體、無序固溶體1．置換固溶體尺寸因素晶體結(jié)構(gòu)因素電負性因素電子濃度因素2．間隙固溶體原子半徑接近于溶劑原子某些間隙半徑的溶質(zhì)原子，進入溶劑晶格的間隙形成的固溶體叫間隙固溶體固溶強化二、中間相正常價化合物符合化合的原子價規(guī)律2．電子化合物受電子濃度控制的化合物稱。一定的電子濃度對應(yīng)一定的晶體結(jié)構(gòu)，其成分可在一定范圍內(nèi)變動，故可視作以電子化合物為基的固溶體，說明其結(jié)構(gòu)介于正常價化合物與固溶體之間。3．尺寸因素化合物間隙化合物：過渡族金屬與原子半徑較小的C、H、O、B等非金屬元素形成的一類化合物?！?-2二元相圖及其類型一、相圖的基本知識1．相律2．二元相圖的成分表示方法與相圖的建立成分的表示方法質(zhì)量分數(shù)相圖的建立熱分析法，Cu-Ni合金杠桿定律二、一元系相圖三、二元系相圖1．勻晶相圖及固溶體的結(jié)晶勻晶相圖固溶體的平衡結(jié)晶過程勻晶系的不平衡結(jié)晶晶內(nèi)偏析：晶粒內(nèi)部出現(xiàn)的成分不均勻現(xiàn)象枝晶偏析：在非平衡凝固條件下，若固溶體以樹枝狀結(jié)晶并長大，則枝干與枝間會出現(xiàn)成分差別。2．共晶相圖及其結(jié)晶相圖分析共晶轉(zhuǎn)變共晶反應(yīng)，共晶組織共晶系合金的平衡結(jié)晶及組織不平衡結(jié)晶及其組織偽共晶非平衡結(jié)晶條件下，成分在共晶點附近的合金也可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿ЫM織，這種非共晶成分的共晶組織，稱為偽共晶組織。不平衡共晶離異共晶3．包晶相圖及其結(jié)晶4．其他類型的二元系相圖四、相圖與性能的關(guān)系§4-3復(fù)雜相圖分析一、分析方法二、舉例圖5-44~5-46三、鐵-碳合金相圖1．鐵-碳合金的組元與基本相純鐵滲碳體鐵碳合金相鐵素體、奧氏體、滲碳體、石墨Fe-Fe3C相圖介紹鐵-碳合金的平衡結(jié)晶過程及組織鐵-碳合金的分類晶固過程分析珠光體萊氏體室溫萊氏體相組成物、組織組成物4．含碳量對鐵碳合金平衡組織和性能的影響對平衡組織的影響對力學性能的影響對可鍛性的影響對流動性的影響5．鋼中的雜質(zhì)元素及其對性能的影響硅、錳的影響硫的影響熱脆磷的影響冷脆氧的影響氮的影響氫的影響§4-4相圖的熱力學基礎(chǔ)一、吉布斯自由能與成分的關(guān)系二、克勞修斯-克萊普隆方程三、相平衡條件1．化學位2．相圖中的相平衡多相平衡條件一元系統(tǒng)的相平衡二元系統(tǒng)的相平衡共切線法則四、吉布斯自由能曲線與相圖§4-5三元系相圖及其類型一、三元相圖的表示方法1．等邊三角形法取等邊三角形，以三個頂點表示三個純組元；三個邊各定為100%，分別代表三個二元系的成分；位于三角形內(nèi)部的點代表三元系的成分。此三角形為濃度三角形特殊意義的線（1）平行三角形某一邊的直線它們所含的、有這條邊對應(yīng)頂點所代表的組元量均相等（2）通過三角形頂點的任一直線它們所含的由另兩個頂點所代表的兩組元含量之比是一定值。2．等腰三角形法3．直角三角形法二、三元相圖的建立三、三元勻晶相圖1．相圖分析2．等溫截面（水平截面）圖共軛曲線直線法則：三元系統(tǒng)兩相平衡共存時，合金成分點與兩平衡相的成分點必須位于一條直線上。證明：設(shè)：合金O，兩相為α，β。其成分點分別為o,a,b則其中B組元含量分別為Ao1,Aa1,Ab1，C組元含量分別為Ao2,Aa2,Ab2若此時α相的重量分數(shù)為X，β相的重量分數(shù)為1－X應(yīng)有：Aa1·X＋Ab1·（1－X）＝Ao1Aa2·X＋Ab2·（1－X）＝Ao2得：X（Aa1－Ab1）＝Ao1－Ab1X（Aa2－Ab2）＝Ao2－Ab2兩式相除：Aa1－Ab1Ao1－Ab1Aa2－Ab2Ao2－Ab2故o,a,b三點共線。兩點注意杠桿定律應(yīng)用3．勻晶相圖的平衡結(jié)晶過程分析蝴蝶形跡線4．變溫截面圖四、具有兩相共晶反應(yīng)的三元系相圖1．相圖分析2．三相平衡及三相平衡反應(yīng)共軛三角形成分變溫線、單變量線重心法則：合金三相平衡時，合金的成分點位于由這三相成分點組成的三角形中，并位于該三角形的質(zhì)量重心。五、三元系中的相平衡分析切平面六、具有四相平衡反應(yīng)的三元系相圖簡單分析投影圖七、實例分析圖5-113第五章材料的凝固§5-1晶體材料熔液凝固的基本規(guī)律一、液態(tài)的結(jié)構(gòu)成分起伏、結(jié)構(gòu)起伏、能量起伏二、凝固的熱力學條件等壓條件下，自由能曲線隨溫度的變化率等于熵的負值，故可得圖6-1所示結(jié)果。液相（L）與固相（S）的自由能曲線交點對應(yīng)的溫度為T0，即為金屬的熔點。當溫度T<T0時液態(tài)金屬結(jié)晶,溫度越低,液固兩相的自由能差值越大,結(jié)晶的驅(qū)動力也越大。因此，金屬結(jié)晶的熱力學條件就是T<T0，即結(jié)晶必須在過冷條件下才能自發(fā)地進行三、過冷現(xiàn)象過冷冷卻曲線四、結(jié)晶的一般過程形核-長大形核率、長大速率偽各向同性§5-2晶核的形成一、均勻形核圖6-5rk=Ak==Skσ體積自由能的降低,只能補償2/3的表面自由能,另1/3需外界供給。液態(tài)金屬結(jié)構(gòu)存在成分、結(jié)構(gòu)和能量起伏。依靠能量起伏,液相原子的熱運動來實現(xiàn)均質(zhì)形核。二、形核率圖6-6臨界過冷度三、非均勻形核分析討論§5-3晶核的成長一、液-固界面的微觀結(jié)構(gòu)動態(tài)過冷度光滑界面、粗糙界面二、熔體中晶體的生長形態(tài)1．粗糙界面由于界面上有50％的結(jié)晶空位，液相原子進入這些空位使晶體均勻連續(xù)地生長，垂直長大。所需動態(tài)過冷度小，長大速度快正溫度梯度下：平面負溫度梯度下：枝晶生長2．光滑界面生長依賴在界面上出現(xiàn)臺階，有3種方式：二維晶核，螺型位錯，孿晶面。后2種可連續(xù)生長。正溫度梯度下：臺階生長負溫度梯度下：多面體3．晶體長大線速度§5-4固溶體的凝固一、固溶體的平衡凝固二、穩(wěn)態(tài)凝固有效分配系數(shù)溶質(zhì)的分布，圖6-18三、成分過冷及其對晶體長大形狀的影響1．成分過冷的產(chǎn)生圖-6-20由于液固界面前沿液相中的成分差別所引起的過冷2．出現(xiàn)成分過冷的臨界條件3．成分過冷對晶體成長形狀的影響圖6-21§5-5共晶合金的凝固一、共晶體的形成交替生長二、共晶體的形態(tài)粗糙-粗糙界面粗糙-平滑界面共晶第三組元對共晶組織的影響變質(zhì)處理共晶合金中的初生晶形態(tài)§5-6凝固組織及其控制一、晶粒尺寸的控制增加過冷度變質(zhì)處理振動二、鑄錠組織及其控制1．三個晶區(qū)表層細晶區(qū)柱狀晶區(qū)中心等軸晶區(qū)2．各晶區(qū)尺寸的控制三、鑄錠的缺陷微觀偏析宏觀偏析夾雜和氣孔縮孔和疏松四、焊縫金屬的結(jié)晶組織§5-7凝固技術(shù)的應(yīng)用介紹一、單晶的制備二、定向凝固三、材料非晶態(tài)第六章材料中的原子擴散擴散是固體中物質(zhì)傳輸?shù)奈ㄒ环绞健?-1擴散現(xiàn)象及擴散方程一、擴散現(xiàn)象自擴散、互擴散、擴散激活能二、菲克第一定律在穩(wěn)態(tài)擴散的條件下，單位時間內(nèi)通過垂直于擴散方向的單位截面積的擴散物質(zhì)的通量J與濃度梯度(dC/dx)成正比。J=-D(dC/dx)三、菲克第二定律設(shè)擴散流量為J，擴散系數(shù)為D，體積濃度為C，圖陰影部分體積的橫截面積為A，則：物質(zhì)流入速率＝J1A物質(zhì)流出速率＝J2A＝J1A＋物質(zhì)積存速率＝J1A－J2A＝－積存速率又可寫為（2分）故＝－，即＝－將擴散第一定律：J＝－D代入，得：＝四、擴散方程的應(yīng)用擴散系數(shù)不隨濃度變化的恒穩(wěn)態(tài)擴散擴散系數(shù)與濃度無關(guān)的非穩(wěn)態(tài)擴散初始條件、邊界條件五、柯肯達爾效應(yīng)置換固溶體中，由于兩組元以不同的速率相對擴散而引起的標記面漂移現(xiàn)象§6-2擴散微觀機制一、擴散的微觀機制概述空位機制間隙機制自間隙機制二、原子躍遷的距離隨機行走理論三、擴散系數(shù)四、擴散激活能間隙擴散激活能空位擴散激活能§6-3擴散驅(qū)動力上坡擴散：擴散物質(zhì)由濃度低處向濃度高處進行的擴散。擴散驅(qū)動力：化學位梯度§6-4反應(yīng)擴散反應(yīng)擴散：發(fā)生化學反應(yīng)產(chǎn)生新相的擴散過程§6-5影響擴散的因素一、溫度的影響溫度高，擴散系數(shù)D大二、原子鍵力和晶體結(jié)構(gòu)的影響晶體結(jié)構(gòu)：原子排列緊密,結(jié)合力強D小,D面心立方、密排六方<D體心立方同素異構(gòu),固溶體對擴散元素溶解度大小,晶體各向異性均有影響。三、固溶體類型與濃度的影響濃度：高則D大四、晶體缺陷的影響晶界擴散、位錯擴散五、第三組元的影響第七章材料的變形§7-1金屬變形概述拉伸曲線加工硬化§7-2金屬的彈性變形雙原子模型E對組織不敏感§7-3滑移與孿晶變形一、滑移觀察滑移帶、滑移線二、滑移機制位錯寬度派-納力討論三、滑移面與滑移方向滑移系四、孿晶變形另一作用：當滑移變形困難時，它能改變晶體位向幫助滑移§7-4單晶體的塑性變形一、施密特定律圖8-10取向因子（施密特因子）、硬取向、軟取向二、單滑移、多滑移和交滑移單個滑移系動作稱單滑移，多個稱多滑移螺位錯在原滑移面上運動受阻，可轉(zhuǎn)移到與之相交的另一滑移面上繼續(xù)滑移稱交滑移。交滑移后的位錯再次轉(zhuǎn)回到和原滑移面平行的面上繼續(xù)滑移，稱雙交滑移。圖8-13§7-5多晶體的塑性變形一、晶界和晶體位向?qū)λ苄宰冃蔚挠绊懽璧K作用變形的傳遞1．變形的協(xié)調(diào)二、晶粒大小對材料強度與塑性的影響Hall-petch關(guān)系位錯理論解釋細晶強化：多晶體材料靠晶界以及晶界兩側(cè)的晶粒間的位向差得到強化。晶粒中的位錯源放出的位錯，在晶界處受阻并產(chǎn)生塞積，塞積產(chǎn)生的應(yīng)力足以克服晶界和位向差造成的阻力時，位錯才能通過晶界，該過程需增加外力，表明材料得以強化；晶粒越細，塞積群應(yīng)力場越弱，變形不易從一晶粒轉(zhuǎn)移到另一晶粒，材料強度越高。粗晶粒位錯塞積數(shù)目多，產(chǎn)生的應(yīng)力集中大，它雖然有容易使相鄰晶粒位錯源開動的一面，但假若相鄰晶粒的取向特別不利于變形，或者其位錯源受到釘扎。應(yīng)力集中不能被松弛而產(chǎn)生很大的拉應(yīng)力，從而形成裂紋。因此，粗晶粒容易萌生裂紋，斷裂時顯示的塑性也較低。§7-6純金屬的變形強化加工硬化（變形強化）機理一、位錯的交割扭折、割階割階必是刃型的螺位錯上的割階運動阻力更大二、位錯的反應(yīng)梯