2022年《材料科學(xué)基礎(chǔ)》教學(xué)教案

1、材料科學(xué)基礎(chǔ)教學(xué)教案導(dǎo)論 一、 材料科學(xué)的重要位置 生產(chǎn)力進展水平,時代進展的標志 二、 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(dǎo)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(xué)的意義第一章 材料結(jié)構(gòu)的基本學(xué)問 1-1 原子結(jié)構(gòu) 一、原子的電子排列泡利不相容原理 最低能量原理 二、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 1離子鍵 2共價鍵 3金屬鍵 二、二次鍵 1范德瓦爾斯鍵 2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

2、 原子排列方式 一、晶體與非晶體 二、原子排列的爭論方法 1-4 晶體材料的組織 一、組織的顯示與觀看 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) 阿累尼烏斯方程其次章 材料中的晶體結(jié)構(gòu) 2-1 晶體學(xué)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) 1晶向指數(shù) 確定方法,指數(shù)含義,負方向,晶向族 2晶面指數(shù) 確定方法,指數(shù)含義,負方向,晶向族 3六方晶系的晶向指數(shù)和晶面指數(shù) 確定方法,換算 4晶面間距 密排面間距大 5晶帶 相交

3、和平行于某一晶向直線的全部晶面的組合 晶帶定律： hu+kv+lw=0 晶向指數(shù)和晶面指數(shù)確定練習(xí),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 hcp 1原子的堆垛方式 面心立方： ABCABCABC密排六方： ABABAB2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)中任一原子四周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 四周體間隙,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

4、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)和離子的積累 1離子半徑 2配位數(shù) 表 2-6 3離子的積累 三、離子晶體的結(jié)構(gòu)規(guī)章 1負離子配位多面體規(guī)章鮑林第一規(guī)章 配位多面體是離子晶體的真正結(jié)構(gòu)基元 2電價規(guī)章鮑林其次規(guī)章 3負離子多面體共用點、棱與面的規(guī)章鮑林第三規(guī)章 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平穩(wěn)

5、點缺陷及其濃度 n e u C e A exp N kT 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(xué)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 歲月中期證明位錯的存在 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(xí)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

6、動方向與柏氏矢量之間關(guān)系 圖 4-18、4-19、4-20,表 4-1 2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= b Fd= b 五、位錯密度=S/V =n/A 六、位錯的觀看圖 4-24,4-25 3-3 位錯的能量及交互作用 一、位錯的應(yīng)變能 2 U= Gb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)原子傾向于集合在刃型位錯受張力一側(cè),比溶劑原子小的溶質(zhì)原子傾向于集合在刃型位錯

7、受壓力一側(cè),從而形成了包圍著位錯線的比較穩(wěn)固分布的溶質(zhì)原子“ 氣團” ,稱Cottrell氣團位錯要擺脫氣團的束縛而運動,就會使體系能量上升；如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 后后2）能量條件：b2前b22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 1小角度晶界的結(jié)構(gòu) 由位錯組成,晶界上

8、的位錯密度隨位向差增大而增加 2大角度晶界 23 個原子厚度的薄層,無序、稀疏 3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)覺象,物理吸附、化學(xué)吸附 晶界內(nèi)吸附：少量雜質(zhì)或合金元素在晶體內(nèi)部的分布是不勻稱的,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：描寫在平穩(wěn)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； 4-1 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

9、有序固溶體、無序固溶體 1置換固溶體 1）尺寸因素 2）晶體結(jié)構(gòu)因素 3）電負性因素 4）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1正常價化合物 符合化合的原子價規(guī)律 2電子化合物 受電子濃度掌握的化合物稱；肯定的電子濃度對應(yīng)肯定的晶體結(jié)構(gòu),其成分可在肯定范疇內(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 素形成的一類化合物； 4-2 二元相圖及其類型 一、相圖的基本學(xué)問 1相律 2二元相圖的成分表示方法

10、與相圖的建立 1）成分的表示方法 質(zhì)量分數(shù) 2）相圖的建立 熱分析法, Cu-Ni 合金 3）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 1）勻晶相圖 2）固溶體的平穩(wěn)結(jié)晶過程 3）勻晶系的不平穩(wěn)結(jié)晶 晶內(nèi)偏析：晶粒內(nèi)部顯現(xiàn)的成分不勻稱現(xiàn)象C、H、O、B 等非金屬元枝晶偏析：在非平穩(wěn)凝固條件下,如固溶體以樹枝狀結(jié)晶并長大,就枝干與枝間會顯現(xiàn)成分差別；2共晶相圖及其結(jié)晶 1）相圖分析 2）共晶轉(zhuǎn)變 共晶反應(yīng),共晶組織 3）共晶系合金的平穩(wěn)結(jié)晶及組織 4）不平穩(wěn)結(jié)晶及其組織 a. 偽共晶 非平穩(wěn)結(jié)晶條件下,成分在共晶點鄰近的合金也可能全部轉(zhuǎn)變?yōu)?共晶組織,這種非共晶成分的共晶

11、組織,稱為偽共晶組織；b. 不平穩(wěn)共晶c. 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 5-445-46 三、鐵 - 碳合金相圖 1鐵- 碳合金的組元與基本相 1）純鐵 2）滲碳體 3）鐵碳合金相 鐵素體、奧氏體、滲碳體、石墨 2Fe-Fe 3C相圖介紹 3鐵- 碳合金的平穩(wěn)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穩(wěn)組織和性能的影響 1）對平穩(wěn)組織的影響 2）對力學(xué)性能的影響 3）對可鍛性的影響 4）對流淌性的影響 5鋼中的雜質(zhì)元素及其對性能的

12、影響 1）硅、錳的影響 2）硫的影響 熱脆 3）磷的影響冷脆 4）氧的影響 5）氮的影響 6）氫的影響 4-4 相圖的熱力學(xué)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 dp HdT T V 三、相平穩(wěn)條件 1化學(xué)位 2相圖中的相平穩(wěn) 多相平穩(wěn)條件 一元系統(tǒng)的相平穩(wěn) 二元系統(tǒng)的相平穩(wěn)共切線法就 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

13、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始終線 它們所含的由另兩個頂點所代表的兩組元含量之比是肯定 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 直線法就：三元系統(tǒng)兩相平穩(wěn)共存時,合金成分點與兩平穩(wěn)相的成分點必需位于一條直線上；證明：設(shè)：合金 O,兩相為 , ；其成分點分別為 o,a,b 就 其 中 B 組 元 含 量 分 別 為 Ao1,Aa 1,Ab 1, C 組 元 含 量分 別 為Ao2,Aa2,Ab2 如此時 相的重量分數(shù)為X, 相的重量分數(shù)為 1X 應(yīng)有： Aa1 XAb

14、1 （1X）Ao1 Aa2 XAb2 （1X）Ao2 得：X（Aa1Ab1）Ao1Ab1 X（Aa2Ab2）Ao2Ab2 兩式相除： Aa1Ab1 Ao 1Ab1 Aa2Ab2 Ao 2Ab2 故 o,a,b 三點共線；兩點留意 杠桿定律應(yīng)用 3勻晶相圖的平穩(wěn)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 2三相平穩(wěn)及三相平穩(wěn)反應(yīng) 共軛三角形 成分變溫線、單變量線 重心法就：合金三相平穩(wěn)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、三元系中的相平穩(wěn)分析 切平面 六、具有四相平穩(wěn)反應(yīng)的三元系相圖 簡潔分析 投影圖 七、實例

15、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(xué)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(xué)條件就是 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、勻稱形核 圖 6-5 2 rk= Gv

16、T T0,即結(jié)晶必需在過冷條件下才能自發(fā)4 2 3 2 2 1 Gv 4 Ak= 3 Gv Gv = 3 Sk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、非勻稱形核分析爭論 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、熔體中晶體的生長外形 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 勻稱連續(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：

17、枝晶生長 2光滑界面生長依靠在界面上顯現(xiàn)臺階,有 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、固溶體的平穩(wěn)凝固二、穩(wěn)態(tài)凝固 有效安排系數(shù) 溶質(zhì)的分布,圖 6-18 3 種方式：二維晶核,螺型位三、成分過冷及其對晶體長大外形的影響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顯現(xiàn)成分過冷的臨界條件 3成分過冷對晶體成長外形的影響 圖 6-21 5-5 共晶合金的凝固 一、共晶體的形成交替生長二、共晶體的外形 1粗糙- 粗糙界面 2粗糙- 平滑界面共晶 3第三組元對共晶組織的影響變質(zhì)處理

18、 4共晶合金中的初生晶外形 5-6 凝固組織及其掌握一、晶粒尺寸的掌握 1增加過冷度 2變質(zhì)處理 3振動 二、鑄錠組織及其掌握 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)尺寸的掌握 三、鑄錠的缺陷 1微觀偏析 2宏觀偏析 3夾雜和氣孔 4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í毞绞?6-1 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、菲克第肯定律 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=-DdC/dx

19、 三、菲克其次定律J 與濃度梯度 dC/dx 成正比；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,就：物質(zhì)流入速率 J1A （JA）dx物質(zhì)流出速率 J2AJ 1AxJAdx物質(zhì)積存速率 J1A J 2AxCAdx積存速率又可寫為 t（2 分）CAdx JAdx C J故 tx,即 txdC將擴散第肯定律： JDdx代入,得：CxDCtx四、擴散方程的應(yīng)用1擴散系數(shù)不隨濃度變化的恒穩(wěn)態(tài)擴散2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

20、制概述1空位機制2間隙機制 3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 1間隙擴散激活能 2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(xué)位梯度 6-4 反應(yīng)擴散 反應(yīng)擴散：發(fā)生化學(xué)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體心立方響；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三、固溶體類型與濃度的影響 濃度：高就 D大 四、晶體缺陷的影響晶界擴散

21、、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ES 0r 0S 0r 0 E 對組織不敏銳 7-3 滑移與孿晶變形 一、滑移觀看 滑移帶、滑移線 二、滑移機制 位錯寬度 派- 納力 爭論 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,它能轉(zhuǎn)變晶體位向幫忙滑移 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 連續(xù)滑移稱交

22、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連續(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?阻礙作用 變形的傳遞1變形的和諧 二、晶粒大小對材料強度與塑性的影響 Hall-petch 關(guān)系 位錯理論說明細晶強化：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,說明材料得以強化；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,它雖然有簡潔使相鄰 晶粒位錯源開動的一面,但假如相鄰晶粒的取向特殊不利于變形,或者其位錯源受到釘扎；應(yīng)力集中不能被放松而產(chǎn)生很大的拉應(yīng) 力,從而形成裂紋；因此,粗晶粒簡潔萌生裂紋,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) 梯桿