材料科學基礎1-2

1、Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-1材料科學基礎材料科學基礎Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-2緒論緒論課程的目的和任務金屬概述金屬學的發(fā)展學習要求和參考書Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-31.課程的目的和任務課程的目的和任務材料金屬材料非金屬材料復合材料純金屬合金無機非金屬材料有機非金屬材料金屬基復合材料非金屬基復合材料1-a. 材料的分類M

2、aterialMaterial Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-41.課程的目的和任務（續(xù)）課程的目的和任務（續(xù)）1-b.成分、組織與性能關系成分處理條件與工藝組織性能金屬學的主要任務: 研究金屬組織結(jié)構(gòu)的形成及變化規(guī)律，它們與內(nèi)在成分、外在條件之間的關系及其對材料性能的影響。MaterialMaterial Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-52.金屬概述金屬概述一般定義：具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)即為金屬。金屬的性質(zhì)： 1.良好的傳導性 即導熱性、導電性，自由電子的

3、運動引起； 2.良好的延展性 金屬正離子在電子云中規(guī)則排列，金屬間沒有方向性。 3.具有光澤 吸收了能量的自由電子從被激發(fā)態(tài)（高能帶）回到基態(tài)（低能帶）時會放出能量，這種能量以光的形式放出。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-63.金屬學的發(fā)展金屬學的發(fā)展 金屬學的發(fā)展與組織結(jié)構(gòu)分析和性能測試技術等研究方法和手段的進展密切相關。 人類對金屬內(nèi)部組織的認識過程：長期實踐經(jīng)驗光學金相（1841年)X射線衍射技術（1913年）電子顯微鏡（1932年）。于是在金相學的基礎上，隨著實驗技術的進展以及熱力學、物理化學、固體物

4、理、材料力學等各學科之間的相互滲透，金屬的宏觀、微觀組織，直至原子組態(tài)的結(jié)構(gòu)及其各種性能的關系，得到了日趨深入的認識，形成了近代金屬學體系。先進的檢測手段的出現(xiàn)，擴大了金屬材料的研究領域，促進了金屬學的發(fā)展。 金屬學在歐美多稱為物理冶金學(Physico-Metallury)，研究也今后金屬材料在加工使用過程中的性能及其影響因素。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-74.學習要求和參考書學習要求和參考書學習要求：理解并記憶定義、原理公式，能靈活運用有關原理解釋和解決實際問題。參考書籍：1.李超，金屬學原理，哈爾濱

5、工業(yè)大學出版社，1990。2.史美堂，金屬材料與熱處理，哈爾濱工業(yè)大學出版社， 1990。3.潘金生，材料科學基礎，清華大學出版社，1998。4.唐仁正，物理冶金基礎，冶金工業(yè)出版社，1997。5.宋維錫，金屬學，冶金工業(yè)出版社，1980。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-8第一章 金屬的晶體結(jié)構(gòu)Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-9第一節(jié)第一節(jié) 金屬晶體中原子間的結(jié)合金屬晶體中原子間的結(jié)合一、鍵型離子鍵共價鍵金屬鍵范德華力二、結(jié)

6、合力與結(jié)合能結(jié)合力結(jié)合能總結(jié)三、原子半徑四、金屬的晶體性MaterialMaterialMaterial Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-10一、鍵型一、鍵型1.離子鍵離子化合物（大部分鹽類、堿類、金屬氧化物等）中通 過正、負離子間的靜電作用結(jié)合。特點： 結(jié)合力強，熔點高，硬而脆； 嚴格按化學價結(jié)合，原子比例已定，可用化學式表示； 電子固有，不存在自由電子，傳導性差； 無方向性；2.共價鍵C、Si、Sn、Ge等金屬中，通過共用電子對結(jié)合。特點： 具有飽和性，符合8-n 定律； 有方向性； 結(jié)合力強，熔點高，硬； 電子固有，沒有

7、自由電子；Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-11一、鍵型（續(xù)）一、鍵型（續(xù)）3.金屬鍵金屬中，正離子與自由電子相結(jié)合（正離子浸在自由電子云中）失去價電子的金屬正離子于形成電子云的自由電子之間產(chǎn)生靜電引力，使金屬原子結(jié)合在一起，形成了金屬晶體。 特點： 電子共有； 無飽和型； 無方向性；4.范德華力某些分子之間，中性原子之間，依賴兩個偶極子之間的靜電引力相結(jié)合。范德華力比較微弱。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-12二、結(jié)合力與結(jié)

8、合能二、結(jié)合力與結(jié)合能1.結(jié)合力1-1 概念 所有鍵型都以靜電力結(jié)合，靜電作用產(chǎn)生引力和吃力。1-2 原因 原子相互結(jié)合后，電子能帶疊加：原來已填滿，則能量上升， 體現(xiàn)為斥力；原來未填滿，則能量下降，體現(xiàn)為引力。Si原子電子軌道Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-13二、結(jié)合力與結(jié)合能（續(xù)）二、結(jié)合力與結(jié)合能（續(xù)）1-3 雙原子結(jié)合力、結(jié)合能模型雙原子互作用力模型雙原子互作用能模型Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-14三、原子半徑

9、（三、原子半徑（Ra)1.計算公式 當R=R0時，兩個正離子間的中心距，稱為原子直徑（2Ra),亦即R0=2Ra；2.影響因素 致密度越高，則Ra越??； 鍵合力越高，則Ra越??； 不同方向上Ra也可能不同；Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-15四、金屬的晶體性四、金屬的晶體性1.固體的分類晶體原子呈周期性排列；非晶體原子呈不規(guī)則排列；2. 晶體的分類單晶體整個物質(zhì)由一個晶粒組成，其中原子排列位向相同，具有各向異性。多晶體有許多位向不同的小單晶體組成，具有各向同性（單個經(jīng)歷的各向異性被“平均化”）。3.晶體和非晶

10、體相互關系晶體和非晶體在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化。例如，在極大的冷速下，可以得到非晶態(tài)金屬。其原因是液態(tài)金屬在冷卻時來不及轉(zhuǎn)變成晶體就凝固了，非晶體實質(zhì)上是一種過冷的液體結(jié)構(gòu)（短程有序）。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-16第二節(jié)第二節(jié) 晶體學基礎晶體學基礎一、晶體的定性描述1. 晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣2. 晶系（7系14種）二、晶體的定量描述1. 立方晶系的晶向和晶面指數(shù)2. 晶帶與晶面軸3. 六方晶系的晶向與晶面指數(shù)4. 立方晶系中的一些重要幾何關系Material Science7/5/2022Introd

11、uction to Material Science緒論-171.晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣1-1 晶體結(jié)構(gòu)（晶體點陣） 實際原子在空間規(guī)則排列構(gòu)成的集合體。1-2 陣點（節(jié)點、結(jié)點） 忽略實際原子的體積，將其看成一個點，這樣的點稱為陣點?？臻g點陣就是由陣點組成的點陣排列。 陣點可以是原子或分子的中心，也可以是彼此等同的 原子群或分子群的中心。也就是說可以把原子或分子看作 一個陣點，也可以把彼此等同的原子團或分子群看作一個陣點，但各個陣點的環(huán)境必須相同。在某一空間點陣中，各陣點在空間的位置時一定的，陣點是構(gòu)成空間點陣的基本要素。1-3 晶格表示原子在空間規(guī)則排列的幾何格子（用直線將陣

12、點連接起來構(gòu)成的三維幾何格架）。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-181.晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣（續(xù)）晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣（續(xù)）1-4 晶胞 定義：能夠代表晶格中原子排列特征的最小單元體。晶胞通常是平行六面體，將晶胞作三維的重復堆砌就構(gòu)成了空間點陣。 晶胞的選取原則： 幾何形狀與晶體具有同樣的對稱性； 平行六面體內(nèi)相等的棱與角的數(shù)目最多； 當平行六面體棱間有直角時，直角數(shù)目最多； 在滿足上述條件下，晶胞的體積應最小。 點陣參數(shù)Material Science7/5/2022Introduction to Materi

13、al Science緒論-191.晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣（續(xù)）晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣（續(xù)）1-5 晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣的區(qū)別 晶體結(jié)構(gòu)其類型取決于原子結(jié)合，陣點的位置上可以是一個或多個實際質(zhì)點或者原子團，其種類可以是無限的。 空間點陣每個陣點處原子都具有相同的環(huán)境，其種類有限（僅有14種）。 亦即是說，每種空間點陣都可以形成無限多的晶體結(jié)構(gòu)。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-201.晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣（續(xù)）晶體結(jié)構(gòu)與空間點陣（續(xù)）Material Science7/5/2022Introduction to Materi

14、al Science緒論-212. 晶系晶系2.1 布拉菲點陣（空間點陣） 根據(jù)空間點陣中“每個陣點周圍的環(huán)境相同“的要求，布拉菲（Braris)于1948年用數(shù)學方法證明了空間點陣共有14種，而且只有14種。2.2 晶系 根據(jù)晶胞的3個晶格常數(shù)（a、b、c）和3個軸間夾角（、）的相互關系，可以把14種布拉菲點陣歸納為7個晶系（參見下標）。從表中可以看出，晶系分類是只考慮a、b、c 是否相等， 、是否相等或呈直角關系等因素，即只考慮晶胞的外形而不涉及晶保中原子排列的具體情況。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-2

15、2七大晶系、十四種布拉菲點陣Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-2314種點陣結(jié)構(gòu)種點陣結(jié)構(gòu)14-1 簡單三斜點陣Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-2414種點陣結(jié)構(gòu)種點陣結(jié)構(gòu)14-2 簡單單斜點陣Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-2514種點陣結(jié)構(gòu)種點陣結(jié)構(gòu)14-3底心單斜點陣Material Science7/5/2022Introductio

16、n to Material Science緒論-2614種點陣結(jié)構(gòu)種點陣結(jié)構(gòu)14-4 簡單斜方點陣Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-2714種點陣結(jié)構(gòu)種點陣結(jié)構(gòu)14-5 底心斜方點陣Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-2814種點陣結(jié)構(gòu)種點陣結(jié)構(gòu)14-6 體心斜方點陣Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-2914種點陣結(jié)構(gòu)種點陣結(jié)構(gòu)14-7 面心斜方點

17、陣Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-3014種點陣結(jié)構(gòu)種點陣結(jié)構(gòu)14-8 六方點陣Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-3114種點陣結(jié)構(gòu)種點陣結(jié)構(gòu)14-8 菱方點陣Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-3214種點陣結(jié)構(gòu)種點陣結(jié)構(gòu)14-10 簡單正方點陣Material Science7/5/2022Introduction to Material S

18、cience緒論-3314種點陣結(jié)構(gòu)種點陣結(jié)構(gòu)14-11 體心正方點陣Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-3414種點陣結(jié)構(gòu)種點陣結(jié)構(gòu)14-12 簡單立方點陣Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-3514種點陣結(jié)構(gòu)種點陣結(jié)構(gòu)14-13 體心立方點陣Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-3614種點陣結(jié)構(gòu)種點陣結(jié)構(gòu)14-14 面心立方點陣Material S

19、cience7/5/2022Introduction to Material Science緒論-37二、晶體的定量描述二、晶體的定量描述幾個重要的概念晶向點陣重鎮(zhèn)點的連線，表示原子列的方向。晶面點陣中陣點組成的面，表示原子面。用晶向指數(shù)和晶面指數(shù)來確定和區(qū)分不同的晶向和晶面，國際上通用密勒指數(shù)（Miller)統(tǒng)一標定。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-381. 立方晶系的晶向與晶面指數(shù)立方晶系的晶向與晶面指數(shù)1-1 晶向指數(shù) u v w建立步驟： 建立坐標系。以某一陣點為坐標原點，三個棱邊為 坐標軸，并以點陣

20、常數(shù)(a、b、c)作為各個坐標軸的單位長度；作 OP / AB ；確定P點的三個坐標值（找垂直投影）；將坐標值化為互質(zhì)的最小整數(shù)，并放入到 中，則uvw即 為所求；Procedure1. .2. .3. . xyopABATTENTION: 定晶向指數(shù)時，選擇的原點必須在所求得晶向上。如：AB: X Y Z 1u v w1 1 2 晶向 1 1 2zMaterial Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-391. 立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）晶向指數(shù)u v w中如果某一個數(shù)字為負，則將負號標注在該數(shù)的

21、上方。一個晶向指數(shù)并不表示一個晶向，而是一組相互平行、位向相同的晶向。如果晶向指數(shù)的數(shù)字相同而正負號相反，如110和110，則這兩個晶向相互平行，但方向相反（與數(shù)學中矢量的相關概念相同）。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-401. 立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）立方晶系中的晶向指數(shù)示例立方晶系中的晶向指數(shù)示例Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-411. 立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）立方晶系的晶向與晶

22、面指數(shù)（續(xù)）1-2 晶面指數(shù)建立步驟： 建立坐標系。原點不能位于所求的平面內(nèi)，其余的與求晶 向指數(shù)時相同。 求晶面在各個坐標軸上的截距。 求截距的倒數(shù)，并化為最小正整數(shù)，放入（）中。則（h k l）即為所求的晶面指數(shù)。Procedure1. .2. .3. . 如果晶面在某個坐標軸上的截距為負，則在相應當指數(shù)上方加上負號。 平行晶面的晶面指數(shù)相同，或者數(shù)字相同而正、負完全相反。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-421. 立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）晶面指數(shù)示例晶面指數(shù)示例單擊上圖

23、看動畫演示Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-431. 立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）1-3 晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的關系 在立方晶系中，相同指數(shù)的晶面和晶向相互垂直。也就是說： 立方晶系的晶面和其法線具有相同的指數(shù)。100(100)o(111)111o110(110)o例如：100 (100) 111 (111) 110 (110)Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-441. 立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)

24、）立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）1-4 晶面族和晶面族 晶向族 原子排列相同但空間位向不同的所有晶向，用 表示。 例如：在立方晶系中， =1 0 0+0 1 0+0 0 1+1 0 0+0 1 0+0 0 1， =1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1亦即：同 一晶向族的各晶向指數(shù)的數(shù)字相同，但排列次序或正負號不同。立方晶系中， 晶向族包括的晶向可以用u、v、w數(shù)字的排列組合方式求出。該晶向族方法不適用于非立方結(jié)構(gòu)的晶體。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-

25、451. 立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）立方晶系的晶向與晶面指數(shù)（續(xù)）1-4 晶面族和晶面族(續(xù)) 晶面族 原子排列相同但空間位向不同的所有晶面，用h k l 表示。 例如：在立方晶系中， 1 0 0=1 0 0+0 1 0+0 0 1+1 0 0+0 1 0+0 0 1， 1 1 1=1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1+1 1 1。 亦即：同 一晶面族的各晶面指數(shù)的數(shù)字相同，但排列次序或正負號不同。立方晶系中， h k l晶向族包括的晶向可以用h、k、l 數(shù)字的排列組合方式求出。該晶面族方法不適用于非立方結(jié)構(gòu)的晶體。Material Scien

26、ce7/5/2022Introduction to Material Science緒論-462. 晶帶與晶帶軸晶帶與晶帶軸定義一系列的晶面相互平行或相交于一線，則這些晶面構(gòu)成一個“晶帶”，該直線稱為晶帶軸。晶帶定律設晶帶軸為u v w，晶帶中任一晶面為(h k l)，則兩者符合晶帶定律：hu+kv+lw=0。其原因是同一晶帶中的所有晶面均與晶帶軸平行。應用利用晶帶定律可以求得任意兩個互不平行晶面（h1 k1 l1）和（h2 k2 l2）相交線的晶向指數(shù)，即晶帶軸u v w。h1u+k1v+l1w=0h2u+k2v+l2w=0u=k1l2-k2l1v=l1h2-l2h1w=h1k2-h2k1將

27、所求得到u、v、w化為互質(zhì)數(shù)即是所求得的晶帶軸u v w例如：(1 1 1) 和 (1 1 0) 晶面的晶帶軸經(jīng)計算為1 1 0。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-473. 六方晶系的晶向與晶面指數(shù)六方晶系的晶向與晶面指數(shù) 通常采用四坐標軸表示法。如左圖所示，以阿a1 、a2 、a3 和 c 四個軸為坐標軸，a1、 a2 、a3三個軸位于同一個平面上，彼此間的夾角均為120。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-483. 六方晶系的

28、晶向和晶面指數(shù)六方晶系的晶向和晶面指數(shù)(續(xù)續(xù))3-1 晶面指數(shù)(h k i l) 方法與三軸坐標系相同。亦即經(jīng)歷如下步驟： 找截距； 求倒數(shù)； 化為最小整數(shù)。Procedure1. .2. .3. . 附注由于三維空間中獨立的坐標軸不會超過三個，所以位于同一個平面上h、k、i中必定有一個不是獨立的?？梢宰C明：i（hk）3-2 晶向指數(shù)u v t w 步驟： 找垂直投影； 前三項乘以2/3 (不能化為最小整數(shù))； 連同第四項一起化為最小整數(shù)。Procedure1. .2. .3. . 同樣，u、v、t之間也滿足：t(u+v)Material Science7/5/2022Introduction

29、 to Material Science緒論-493. 六方晶系的晶向和晶面指數(shù)六方晶系的晶向和晶面指數(shù)(續(xù)續(xù))六方晶系晶向與晶面指數(shù)示例圖單擊看動畫演示單擊看動畫演示Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-503. 六方晶系的晶向和晶面指數(shù)六方晶系的晶向和晶面指數(shù)(續(xù)續(xù))3-3 注意兩點在立方晶系中判斷晶向垂直或平行于晶面，在六方晶系中仍然適用。例如：0 0 0 1 (0 0 0 1)、1 1 2 0 (1 1 2 0)由晶面族指數(shù)或晶向族指數(shù)還原成具體的晶面或晶向指數(shù)時，指數(shù)中只有前3個數(shù)字能夠相互改變次序和正負

30、號，而且必須滿足 i（hk）、 t(u+v) 的特殊關系。第四個指數(shù)位置不動，只能改變其正負號。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-514. 立方晶系中的一些重要幾何關系立方晶系中的一些重要幾何關系4 -1.晶面間距定義：相鄰兩個平行晶面之間的垂直距離。對于簡立方晶系，有：222lkhadhkl其中， a 點陣常數(shù) h、k、l 晶面指數(shù)特點：低指數(shù)晶面指數(shù)的面間距較大，高指數(shù)晶面的面間距較小。 晶面間距大，該晶面上原子排列越密集，即該晶面的原子密度 大；反之亦然。4 -2 晶面夾角兩晶面 (h1 k1 l1)、(

31、h2 k2 l2)，其夾角的余弦為：)(cos222222212121212121lkhlkhl lkkhhMaterial Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-524. 立方晶系中的一些重要幾何關系立方晶系中的一些重要幾何關系(續(xù)續(xù))4-3 兩晶向夾角 兩晶向 (u1 v1 w1)、(u2 v2 w2)，它們之間的夾角余弦為：)(cos222222212121212121wvuwvuwwvvuu4-4 平行條件 晶向 u v w平行晶面(h k l) 或在晶面 (h k l)上的條件： hu+kv+lw=04-5 垂直條件 相同

32、指數(shù)的晶向和晶面相互垂直4-6 具有相同指數(shù)或僅相差一個負號的晶面相互平行例如，（1 1 1) / (1 1 1)Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-53第三節(jié)第三節(jié) 金屬的晶體結(jié)構(gòu)金屬的晶體結(jié)構(gòu) 工業(yè)上使用的金屬除少數(shù)具有較復雜的晶體結(jié)構(gòu)外，絕大多數(shù)均為比較簡單的高對稱性晶體結(jié)構(gòu)。它們是： 面心立方（A1，face-centered cubic，fcc） 體心立方（A2，body-centered cubic，bcc） 密排六方（A3，hexagonal close- packed，hcpMaterial Sc

33、ience7/5/2022Introduction to Material Science緒論-541. 晶胞中的原子數(shù)晶胞中的原子數(shù)BCCFCCHCP 晶胞中的原子數(shù)： bcc：n=81/8 +1=2; fcc：n=81/8 +61/2=4; hcp：你121/6+21/2+3=6;Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-552.點陣常數(shù)點陣常數(shù)點陣常數(shù)的單位單位 A , 1A=10-10 m具體晶體結(jié)構(gòu)的點陣常數(shù)bcc、fcc：立方晶系，點陣常數(shù)是 a，即立方體的棱長。hcp ：2個點陣常數(shù)，即正六邊形的邊長a，

34、上、下底面的間距c。 c/a 軸比。 若頂角原子和面心原子恰好與體內(nèi)的三個原子相切，即屬 于理想密排六方結(jié)構(gòu)，此時的c/a =(8/3)1/2=1.633。但實際上 c/a 往往偏離1.633,即為非理想hcp。附注Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-564. 原子半徑原子半徑 假設原子為大小相等的剛性球，半徑為ra。則具體晶體結(jié)構(gòu)的原子半徑如下：1. BCC 晶向上的原子彼此相切，4ra= a3a43 ra=2. FCC 晶向上的原子彼此相切，排列緊密。即4ra=a2ara423.HCP由左圖可知ra=a/2a

35、Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-575.配位數(shù)配位數(shù)配位數(shù) 任一原子周圍最近鄰且等距離的原子數(shù)(Z)。Z反映了 晶體中原子排列第緊密程度。Z越大，晶體排列得越緊密。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-586.致密度致密度致密度 單位晶胞體積中原子所占的體積。K原子體積晶胞體積K同樣反映了晶體中原子排列第緊密程度，K越大，晶體排列越緊密。具體情況74.060sin3)34(668.0)43(342)34(274.0)42(344)

36、34(43333333333carkaaarkaaarkhcpbccfcc（理想密排，c/a=1.633時）fcc和hcp的z和k均相同，說明兩者的原子排列緊密程度一樣，并且兩者的z和k均高于bcc,表明bcc中原子排列較為松散，所以一般把fcc及hcp稱為密排結(jié)構(gòu)，把bcc稱為非密排結(jié)構(gòu)。分 析Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-597.間隙間隙體心立方點陣的四面體間隙Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-607.間隙間隙(續(xù)續(xù))體

37、心立方點陣的八面體間隙Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-617.間隙間隙(續(xù)續(xù))面心立方點陣的四面體間隙Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-627.間隙間隙(續(xù)續(xù))面心立方點陣的八面體間隙Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-637.間隙間隙(續(xù)續(xù))密排六方點陣的四面體間隙Material Science7/5/2022Introduction to

38、Material Science緒論-647.間隙間隙(續(xù)續(xù))密排六方點陣的八面體間隙Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-658. 晶體中原子的堆垛方式晶體中原子的堆垛方式 前已敘及，fcc和hcp的晶體結(jié)構(gòu)不同，但是密集程度相同，這一現(xiàn)象可用晶體原子的堆垛方式來解釋。 在fcc和hcp中都有一個原子排列最緊密的面（密排面），即fcc的111面和hcp的0001面，這兩類面上原子排列規(guī)律完全相同。原子在密排面上所處的位置只可能有3種，即A、B、C位置。hcp就是以密排面（0001）沿0001方向按ABAB順序堆垛

39、而成；fcc則是密排面111沿方向按ABCABC順序堆垛而成的。原理圖密排六方面心立方Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-669. 金屬的多型轉(zhuǎn)變金屬的多型轉(zhuǎn)變金屬的多型性 金屬具有兩種或兩種以上不同的晶體結(jié)構(gòu)，稱為金屬的多型性。多型性轉(zhuǎn)變（同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變） 具有多型性的金屬在溫度和壓力改變時，由一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)的過程。轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為同素異構(gòu)體。 金屬在發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時，通常伴隨著許多性能的突變，多 型性的產(chǎn)生主要與原子電子層結(jié)構(gòu)的變化有關。過渡族金屬的 多型性傾向不較大。如：純鐵： 室溫912，bcc，

40、Fe；9121394 ，fcc，F(xiàn)e；13941538 ，bcc， Fe；金屬的多型性轉(zhuǎn)變是熱處理工藝的基礎。附注Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-67第二章第二章 純金屬的結(jié)晶純金屬的結(jié)晶Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-68第一節(jié)第一節(jié) 金屬結(jié)晶的基本規(guī)律金屬結(jié)晶的基本規(guī)律基本內(nèi)容金屬結(jié)晶的微觀現(xiàn)象金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象 2.1 冷卻曲線與金屬結(jié)晶溫度 2.2 過冷現(xiàn)象與過冷度Material Science7/5/2022In

41、troduction to Material Science緒論-691. 金屬結(jié)晶的微觀現(xiàn)象金屬結(jié)晶的微觀現(xiàn)象金屬結(jié)晶現(xiàn)象的微觀模擬Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-702. 金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象2-1.冷卻曲線與金屬結(jié)晶溫度MaterialT結(jié)晶開始點結(jié)晶終了點0TnTmT（）t理論結(jié)晶溫度（熔點）實際結(jié)晶溫度純金屬的冷卻曲線冷卻曲線上出現(xiàn)溫度的回升和“平臺”：原因是結(jié)晶潛熱的釋放。 當釋放的結(jié)晶潛熱大于散失的熱量時，出現(xiàn)溫度回升； 當釋放的結(jié)晶潛熱等于散熱時，出現(xiàn)溫度“平臺”。Materi

42、al Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-712. 金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象2-2.過冷現(xiàn)象與過冷度的基本概念Material過冷純金屬的實際開始結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度(Tn Tm時，GL0；TGs 液態(tài)(L) 固態(tài)(S),G0；T=Tm時，GL=Gs 液態(tài)(L) 固態(tài)(S),G=0；所以，L、S兩相的自由能差G是金屬結(jié)晶的驅(qū)動力。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-741. 金屬結(jié)晶的熱力學條件金屬結(jié)晶的熱力學條件(續(xù)續(xù))TTLG

43、mm式中：G L、S兩相的自由能之差， GGsGL ； Lm 結(jié)晶潛熱； Tm 熔點； T 過冷度；分 析結(jié)晶時， G0； T0，即TTm。 也就是說，只有當實際溫度低于Tm，出現(xiàn)過冷時，結(jié)晶過程才能 自發(fā)進行。 T越大，則G也越大，即結(jié)晶驅(qū)動力增大，則結(jié)晶速度增大。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-752. 金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件(1) 結(jié)構(gòu)起伏 液態(tài)金屬中處于起伏變化的原子瞬時近程規(guī)則排列的現(xiàn)象(相起 伏)。液態(tài)金屬中的結(jié)構(gòu)起伏是產(chǎn)生晶核的基礎。(2) 一點說明 在液體中的微小范圍內(nèi)，存在著緊

44、密接觸規(guī)則排列的原子集團， 稱為近程有序，但是在大范圍內(nèi)原子是無序分布。 把過冷液體中尺寸極大的近程規(guī)則排列結(jié)構(gòu)稱為晶坯。晶核是 由晶坯生成的，但并不是所有的晶坯都能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш?。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-76第三節(jié)第三節(jié) 晶核的形成晶核的形成形核的方式有兩種，即均勻形核和非均勻形核。均勻形核以液態(tài)金屬本身的某些原子集團為結(jié)晶核心直接成核的過程。新晶核在母相中形成時無擇優(yōu)位置。非均勻形核新相依附于母相中某些現(xiàn)成固態(tài)表面形核的過程。新晶核在母相中形成時有擇優(yōu)位置。 二者比較起來，前者較難而后者較容易，加之實

45、際金屬液體中總是不可避免地存在雜質(zhì)和外表面，所以液態(tài)金屬的凝固形核主要是非均勻形核。Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-771. 均勻形核均勻形核1-1 均勻形核時的能量變化MaterialLS原子無序原子有序形成新表明Gv下降Gs上升所以，當過冷液態(tài)金屬中出現(xiàn)一個晶坯時，總的自由能變化為：svGGG式中： Gv 液、固兩相自由能之差(負值,是結(jié)晶的驅(qū)動力)。 Gs 表面自由能(正值，是結(jié)晶的阻力）。假設晶坯為球形，半徑為r，表面積為S，體積為V，由式得：G= - V GB s4/3 r3 GB4 r2式中， G

46、B單位體積的自由能之差 ； 單位表面的自由能式表明， Gv的下降與r3成正比；Gs的上升與r2成正比；Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-781. 均勻形核均勻形核(續(xù)續(xù))1-2 臨界晶核MaterialGvG0Gsrkr0G自由能與晶坯半徑關系rrk 時，隨著r， G，所以r的過程能夠自發(fā)進行(晶坯可以自發(fā)成長穩(wěn)定的晶核。) r=rk時，臨界狀態(tài)，晶坯既可能消失，也可能穩(wěn)定長大成核。根據(jù)式求極值即可求得臨界半徑的大?。篢LTrmmk2Material Science7/5/2022Introduction to

47、 Material Science緒論-791. 均勻形核均勻形核(續(xù)續(xù))Material1-3 形核功形核功當rkrr0時，系統(tǒng)的自由能仍然大于0，說明此時系統(tǒng)中的Gv的下降還不能完全補償Gs的上升，還有一部分Gs必須由外界來供給，這一部分由外部提供的能量稱為形核功。 形核功是過冷液體金屬開始形核時的主要障礙，過冷液體凝固前需要一段孕育期，原因就在于此。形核功依靠液體本身存在的“能量起伏”來供給。能量起伏在微小體積中，其能量偏離平均能量的現(xiàn)象。當高能原子依附在低能晶坯上時，將釋放一部分能量，這就是形核時所需形核功的來源。臨界形核功形成臨界晶核所需要的形核功?；靖拍頜aterial Scie

48、nce7/5/2022Introduction to Material Science緒論-801. 均勻形核均勻形核(續(xù)續(xù))液相能量起伏示意圖液相能量起伏示意圖Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-811. 均勻形核均勻形核(續(xù)續(xù))Material1-3 形核功(續(xù))形核功的大小將式帶入式，可得：23316BkGG而臨界晶核的表面積：2216BkGA所以臨界形核功：kkAG31 上式說明：形成臨界晶核時，Gv 的下降只能補償Gs 上升的2/3,還有1/3的Gs 必須從能量起伏中獲得。 均勻形核是在過冷液態(tài)金屬中，

49、依靠結(jié)構(gòu)起伏形成大于臨界晶核的晶坯，同時必須從能量起伏中獲得形核功，才能形成穩(wěn)定的晶核。因此，結(jié)構(gòu)起伏和能量起伏是均勻形核的必要條件。同時，均勻形核還必須在過冷的條件下進行。小結(jié)Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-821. 均勻形核均勻形核(續(xù)續(xù))Material1-4 形核率1. 定義單位時間單位體積內(nèi)形成的晶核數(shù)目。2. 影響因素總體來說受兩個因素的控制。一方面：隨著T增加，rk和Gk減小，越容易形核，所以說，受形核功的影響的形核率N1上升。另一方面：隨著T上升，原子擴散速度減小，而晶坯的形成則是原子擴散的過

50、程。所以說，受原子擴散激活能的影響的形核率N2下降。亦即：N1exp(-Gk/kT) ； N2exp(-Q/kT) ； 綜合以上兩個因素，總的形核率 N 可表示為： N=C exp(-Gk/kT) exp(-Q/kT)Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-831. 均勻形核均勻形核(續(xù)續(xù))Material1-4 形核率(續(xù)）TmTNN1N2溫度對形核率的影響T較小時，N1N2，N主要受N2控制；N1、N2綜合作用的結(jié)果，使得T較小或較大時，N均較小。分析Material Science7/5/2022Introduction to Material Science緒論-841. 均勻形核均勻形核(續(xù)續(xù))Material1-4 形核率(續(xù)）N0.2TmTpT3. 金屬材料的形核率前述形核率與過冷度的關系是對一般晶體而言的，然而對于金屬材料，其形核率與過冷度的關系如左圖所示。幾點說明： 在達到某一過冷度之前，液態(tài)金屬中基本不形 核； 當溫度下降