材料科學(xué)基礎(chǔ)知識點

材料科學(xué)基礎(chǔ)知識點材料科學(xué)基礎(chǔ)第零章材料概論該課程以金屬材料、陶瓷材料、高分子材料及復(fù)合材料為對象，從材料的電子、原子尺度入手，介紹了材料科學(xué)理論及納觀、微觀尺度組織、細觀尺度斷裂機制及宏觀性能。核心是介紹材料的成分、微觀結(jié)構(gòu)、制備工藝及性能之間的關(guān)系。主要內(nèi)容包括：材料的原子排列、晶體結(jié)構(gòu)與缺陷、相結(jié)構(gòu)和相圖、晶體及非晶體的凝固、擴散與固態(tài)相變、塑性變形及強韌化、材料概論、復(fù)合材料及界面，并簡要介紹材料科學(xué)理論新發(fā)展及高性能材料研究新成果。材料是指：能夠滿足指定工作條件下使用要求的，就有一定形態(tài)和物理化學(xué)性狀的物質(zhì)。按基本組成分為：金屬、陶瓷、高分子、復(fù)合材料金屬材料是由金屬元素或以金屬元素為主，通過冶煉方法制成的一類晶體材料，如Fe、Cu、Ni等。原子之間的鍵合方式是金屬鍵。陶瓷材料是由非金屬元素或金屬元素與非金屬元素組成的、經(jīng)燒結(jié)或合成而制成的一類無機非金屬材料。它可以是晶體、非晶體或混合晶體。原子之間的鍵合方式是離子鍵，共價鍵。聚合物是用聚合工藝合成的、原子之間以共價鍵連接的、由長分子鏈組成的髙分子材料。它主要是非晶體或晶體與非晶體的混合物。原子的鍵合方式通常是共價鍵。復(fù)合材料是由二種或二種以上不同的材料組成的、通過特殊加工工藝制成的一類面向應(yīng)用的新材料。其原子間的鍵合方式是混合鍵。材料選擇：密度彈性模量:材料抵抗變形的能力強度:是指零件承受載荷后抵抗發(fā)生破壞的系數(shù)小，變形較困難，故呈脆性。共價鍵:相鄰原子之間共用其外層電子，形成穩(wěn)定的電子滿殼層結(jié)構(gòu)所產(chǎn)生的結(jié)合力。具有方向性和飽和性不允許原子間相對位置的改變，故結(jié)合力大材料性能上表現(xiàn)出硬度高、熔點高、強度大、沸點高、揮發(fā)性低、但導(dǎo)電性差、塑性變形差（脆性）。雜化理論卡賓堅硬強度是金剛石的40倍！金屬鍵：依靠陽離子和自由電子間相互吸引而結(jié)合在一起。不具有方向性和飽和性由于自由電子的存在，具有良好的導(dǎo)熱、導(dǎo)電性正離子之間改變相對位置并不會破壞電子與正離子之間的結(jié)合力，塑性變形好，強度高。自由電子很容易被激發(fā)，所以它們可以吸收在光電效應(yīng)截止頻率以上的光，并發(fā)射各種可見光，因此大多數(shù)金屬呈銀白色，不透光。金屬正離子被另一種金屬的正離子取代時，也不會破壞結(jié)合鍵，這種金屬間的溶解（稱固溶）能力也是金屬的重要特性。二次鍵范德華力：分子偶極距所產(chǎn)生的靜電吸力將兩個分子結(jié)合在一起的力。由取向力、誘導(dǎo)力、色散力組成取向力：極性分子間固有的偶極矩作用力與極性和溫度有關(guān)最大誘導(dǎo)力：分子間固有偶極與誘導(dǎo)偶極間的作用力，與極性和變形有關(guān)色散力：分子間瞬時偶極所產(chǎn)生的作用力，大小與分子變形（電子云形狀）及分子量有關(guān)（成正比）。最小范德華力是由偶極吸引力所形成的物理鍵，其鍵力遠小于化學(xué)鍵，故鍵合力弱，熔點低，硬度低，材料穩(wěn)定性差，易變性（分子凝聚）氫鍵：本質(zhì)與范德華力一樣，均依靠分子間的偶極吸引力結(jié)合在一起，性質(zhì)相似，結(jié)合力比范德華力大。由氫原子同時兩個電負性很大、原子半徑很小的原子（O、F、N）之間的結(jié)合所形成的物理鍵。具有飽和性和方向性氫鍵在高分子材料中特別重要（凝聚）混合鍵：陶瓷中離子鍵和共價鍵混合十分正常。根據(jù)化合物AB電負性的大小給出離子鍵在化合物中的比例。結(jié)合鍵本質(zhì)：吸引力：異類電荷之間的靜電吸引排斥力：同類電荷之間的相互吸引原子間距r0是原子之間的平衡距離，斥力和引力相等時的平衡結(jié)果。結(jié)合鍵與材料性能物理性能：1.熔點2.密度3.導(dǎo)電、導(dǎo)熱性4.透明性5.其他力學(xué)性能：彈性模量原子排列晶態(tài)和非晶態(tài)晶態(tài)材料是組成材料的原子沿三維空間呈周期性重復(fù)排列。非晶態(tài)材料是內(nèi)部原子的排列呈無序狀態(tài)，盡管在微觀尺度上有短程有序的排列。原子排列是材料的三級結(jié)構(gòu)，決定材料的形態(tài)并影響材料的物理與力學(xué)性能。單晶體：晶體內(nèi)各處結(jié)晶方位完全一致的晶體。整個晶體內(nèi)部原子都是周期性連續(xù)排列。各向異性：在晶體中，由于各個晶面和晶向上原子排列密度不同，使原子間的相互作用力也不相同。因此在同一單晶體內(nèi)不同晶面和晶向上的性能也是不同的。多晶體：由具有不同晶格位向的小單晶體構(gòu)成的組合體晶粒：晶格位向基本一致，并有邊界與鄰區(qū)分開的區(qū)域晶界：晶粒之間界面（原子排列不規(guī)則的區(qū)域）晶態(tài)材料從液態(tài)凝固成固體時，熔點確定，體積突變；非晶態(tài)材料熔點不確定，體積無明顯變化。物相轉(zhuǎn)變時，晶態(tài)材料的原子排列從無序到有序，排列結(jié)構(gòu)發(fā)生了轉(zhuǎn)變。非晶態(tài)材料的原子排列基本保持不變，固液態(tài)原子排列在結(jié)構(gòu)形態(tài)上無明顯變化。顯微組織：是材料的四級結(jié)構(gòu)，是隨組成和加工工藝方式而變化。它是影響材料力學(xué)性能如強度、韌性、變形等重要的結(jié)構(gòu)因素。金屬是多晶體材料，是由多晶粒所組成。顯微組織是指在顯微鏡下材料內(nèi)部所具有的形態(tài)特征，即金屬中各相的晶粒的組合特征，包括晶粒的成分、形狀、大小、分布及相對量等。相：在材料中，凡化學(xué)成分相同、晶體結(jié)構(gòu)相同，并有界面與其他部分分開的，均勻組成部分叫做相。固相材料的組織可以由單相組成，也可以由多相組成。宏觀組織：用眼睛能看清材料粗大的組織，稱為宏觀組織（一般40倍以下），如宏觀斷口形貌。顯微組織：一般需要對試樣打磨、磨光、拋光、化學(xué)浸蝕，獲得金相樣品。然后在顯微鏡下觀察，可以看到金屬材料內(nèi)部的微觀形貌。單相組織：指具有單一相的組織。其特征是所有晶粒的化學(xué)組織和晶體結(jié)構(gòu)相同，但原子排列可以不同，即為多晶體，如純的Fe、Al等。顯微組織對材料的力學(xué)性能影響很大?？傊?，材料有四種層次的結(jié)構(gòu)，其特點是：原子結(jié)構(gòu) （一級結(jié)構(gòu)）決定原子的結(jié)合方式，并決定其化學(xué)性質(zhì)和物理性質(zhì)。原子鍵合（二級結(jié)構(gòu)）決定結(jié)合力大小，并影響其物理和力學(xué)性能。原子排列（三級結(jié)構(gòu)）決定材料的形態(tài)，影響其物理和力學(xué)性能，并與加工工藝有關(guān)。顯微組織（四級結(jié)構(gòu)）影響材料力學(xué)性能如強度、塑性等，主要由加工工藝來決定。材料的晶體結(jié)構(gòu)晶體材料的基本特征是組成固體的原子或原子團在三維空間中呈周期性的重復(fù)排列。非晶體材料不呈周期性排列，盡管在局部范圍原子排列存在短程有序。區(qū)別晶體非晶體外形宏觀上均勻?qū)ΨQ，幾何外形規(guī)則，并且具有自發(fā)地形成封閉的幾何多面體能力。幾何外形不規(guī)則，也不具有自發(fā)地形成封閉的幾何多面體能力。性能性能上各向異性，即力學(xué)性能如彈性模量、應(yīng)力強度、以及物理性能如電導(dǎo)率、熱導(dǎo)率等均與方向有關(guān)。無論是力學(xué)性能還是物理性能，基本上呈各向同性。熔點固定不固定X射線衍射可以不可以晶體結(jié)構(gòu)（crystalstructure）質(zhì)點（原子、離子、分子、原子團等）在三維空間中作周期性重復(fù)排列的結(jié)構(gòu)?？臻g點陣（spacelattice）需要用抽象的幾何點來代替實際晶體結(jié)構(gòu)中的原子或原子團，這些點的總體就稱為空間點陣。把晶體結(jié)構(gòu)抽象成空間點陣。結(jié)點（latticepoint）：構(gòu)成空間點陣的每一個點叫結(jié)點或陣點。晶格：在假想的空間點陣中，用許多互相平行的直線把結(jié)點（幾何點）連接起來形成空間骨架，稱為晶格。晶胞：從晶格中取出最具代表性的六面體晶胞。該晶胞沿空間重復(fù)堆積構(gòu)成完整的空間點陣。晶胞選取條件（對稱性）反映出點陣的最高對稱性棱和角相等的數(shù)目應(yīng)最多棱邊夾角存在直角時，直角數(shù)目應(yīng)該最多晶胞體積最小簡單晶胞：僅在六面體的八個角有陣點復(fù)雜晶胞：除每個角上有陣點外，還在體心、面心或底心等位置上也有陣點。晶胞和原胞的區(qū)別晶胞的選取方法是在保證對稱性的前提下選取體積小的晶胞。原胞選取方法只要求晶胞的體積小在固體物理學(xué)中常采用原胞。點陣參數(shù)（latticeparameter）為了描述晶胞的形狀和大小。選取晶胞某一角點 為坐標原點，三個棱邊為晶軸，即a，b，c，晶軸間的夾角為α、β、γ這六個參數(shù)。按照“每個陣點的周圍環(huán)境相同”的要求，即對稱性、唯一性和重復(fù)性，所有晶體材料可用7種晶系來描述，并且僅有14種空間點陣，即14種布拉菲點陣。根據(jù)3個棱邊是否相等、3個夾角是否相等，及夾角是否為直角的關(guān)系，分別稱為立方、四方、六方、正交、單斜、三斜、菱方P：primitive簡單立方晶系a=b=cα=β=γ=90°NaCl,zincblende,coppermetal四方晶系a=b/=cα=β=γ=90°Whitetin,SnO2,TiO2,CaSO4正交晶系a/=b/=cα=β=γ=90°Rhombicsulfur,KNO3,BaSO4單斜晶系a/=b/=cα=γ=90°,β≠90°Monoclinicsulfur,Na2SO4·10H2O三斜晶系a/=b/=cα≠β≠γ≠90°K2Cr2O7,CuSO4·5H2O,H3BO3六方晶系a=bα=β=90°,γ=120°Graphite,ZnO,CdS菱方晶系a=b=cα=β=γ≠90°Calcite(CaCO3),cinnabar(HgS)晶向指數(shù)：空間點陣中，各陣點列的方向代表晶體中原子列的方向，即晶向。晶向是指晶體中的原子沿空間某一方向的排列。晶向指數(shù)是指晶體中點陣方向的指數(shù)，通常用密勒（Miller）晶向指數(shù)表示晶向指數(shù)。晶向指數(shù)的確定：以晶胞的點陣常數(shù)a，b，c分別為x，y，z坐標軸上的長度單位，建立右旋坐標系，定出該方向上兩個點的坐標。從末點坐標減去始點坐標，得到沿該坐標系各軸方向移動的點陣參數(shù)的數(shù)目。去掉分數(shù)，將相減后的結(jié)果約成最小整數(shù)。將三個坐標值用方括號括起[uvw]，若有負號則在數(shù)字上面加一橫線，即為該族結(jié)點直線的密勒晶向指數(shù)。密勒指數(shù)注意問題：一個晶向指數(shù)代表相互平行、方向一致的所有晶向正方向和負方向是不同的方向指數(shù)與其倍數(shù)是同向的晶體中原子排列情況相同，但空間位向不同的一組晶向成為晶向族，用<UVW>表示。立方晶系中的[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]、[111]晶向，原子排列方式相同，同屬于<111>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，同屬于<100>晶向族。非立方晶系，改變晶向指數(shù)順序，晶向的含義會不同，如正交晶系中的a，b，c互不相等，因此，[100]、[010]、[001]三個晶向不是等同晶向，他們的原子排列方式不同。晶面指數(shù)：晶面是指穿過晶體中的某一原子平面。不同的平面具有不同的原子排列和取向。晶面指數(shù)是指晶體中點陣平面的指數(shù)。它是晶面與三個坐標軸的截距值所決定，密勒晶面指數(shù)的簡化符號為晶面做出標志。密勒晶面指數(shù)的確定：在待標晶面上建立右手坐標系，且坐標原點不在晶面上；找出待標晶面在三個坐標軸上的截距x、y、z。若該晶面與坐標軸平行，其截距為正無窮；若晶面在坐標軸方向的截距為負值，則在相應(yīng)指數(shù)的上方加一橫線。取截距的倒數(shù)：1/x，1/y，1/z；將三個數(shù)值化為比值相同的最小整數(shù)：h：k：l=1/x，1/y，1/z；將h，k，l置于圓括號內(nèi)，寫成（h，k，l），則（h，k，l）就是待標晶面的Miller晶面指數(shù)。注意問題：晶面指數(shù)（hkl）不是指一個晶面，而是代表一組相互平行的晶面；平行晶面的晶面指數(shù)是相同的，或數(shù)字相同但正負號相反；晶體中具有等同條件（原子排列和晶面間距完全相同），只是空間位向不同的各組晶面稱為晶面族，用花括號{hkl}表示。晶面族中所有晶面性質(zhì)是相同的，如立方晶系：{100}=(100)+(010)+(001)+(100)+(010)+(001)在立方晶系中，具有相同指數(shù)的晶向和晶面必定相互垂直：[100]垂直于(100)六方晶系的晶向指數(shù)和晶面指數(shù)：晶面間距：晶面間距是指相鄰兩個平行晶面之間的垂直距離，用d表示或用晶面指數(shù)dhkl表示。低指數(shù)的晶面間距較大，原子在該面上的排列愈密集，而高指數(shù)的晶面間距較小，原子排列較疏松。晶帶：是空間點陣中，相交或平行于某一軸向直線的所有晶面的組合。此直線叫晶帶軸。純金屬的晶體結(jié)構(gòu)：體心立方（BCC）面心立方（FCC）密排六方（HCP）晶胞原子數(shù)：是指一個晶胞內(nèi)包含的原子數(shù)。簡單立方=1體心立方=2面心立方=4密排六方=6體心立方a=b=cr=√3/4a面心立方a=b=cr=√2/4a密排六方r=1/2ac/a=1.633配位數(shù)：指晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周圍最鄰近的原子數(shù)。配位數(shù)愈大，原子排列就愈緊密。簡單立方6體心立方8面心立方12密排六方12致密度：指晶體結(jié)構(gòu)中原子體積占總體積的百分數(shù)（K）。是晶胞中含有的全部原子的總體積與該晶胞的體積之比。K=nv/Vv-單個原子的體積V-晶胞的體積n-晶胞中的原子數(shù)體心立方0.68面心立方0.74密排六方0.74注意問題布拉菲點陣的結(jié)點分布反應(yīng)了晶體中原子或原子團的分布規(guī)律，但結(jié)點本身并不一定代表原子，即點陣和晶體結(jié)構(gòu)并不一定相同。四面體間隙和八面體間隙晶體缺陷弛豫：晶體表面幾個原子層上的原子偏離理想位置的現(xiàn)象。重構(gòu)：晶體表面層原子重新排布成不同于內(nèi)部周期結(jié)構(gòu)的現(xiàn)象。實際晶體材料并不是理想的、無缺陷的，而是有一些不規(guī)則現(xiàn)象或結(jié)構(gòu)不完整區(qū)域，即晶體缺陷。不論哪種晶體缺陷，其濃度（或缺陷總體積與晶體體積之比）都是十分低的。但晶體缺陷對于材料性能如晶體生長、擴散、相變、強度、塑性及變形等均有很大的影響。點缺陷（pointdefect）點缺陷是指在三維尺度上不超過幾個原子直徑大小的一些微小的缺陷?？瘴婚g隙原子異類原子（置換和間隙原子）空位：晶體中沒有原子的結(jié)點。間隙原子：是原子脫離其平衡位置，擠進了晶格間隙中，又稱填隙原子。肖脫基缺陷：僅形成空位而不形成等量的間隙原子。弗蘭克爾缺陷：晶體中的原子擠入結(jié)點的間隙，即形成間隙原子，而且原來的結(jié)點也空缺，產(chǎn)生空位，這一對點缺陷稱為。。。。。。。一般晶體弗蘭克爾缺陷比肖脫基缺陷少的多?？瘴慌c間隙的形成離開平衡位置的原子有四個去處：一是遷移到晶體表面或晶界的位置上，而使晶體內(nèi)部留下空位（Schottky缺陷）二是擠出點陣的間隙位置，而在晶體中同時形成數(shù)目相等的空位和間隙原子（Frenkel缺陷）跑到其他空位上使空位消失或移位（空位遷移）。空位和間隙原子相遇，兩缺陷同時消失。異類原子造成的點缺陷置換式：兩種原子半徑相當(dāng)間隙式：異類小半徑原子特點：無論哪一類點缺陷，都會造成其附近的晶格畸變。在缺陷周圍產(chǎn)生彈性應(yīng)力場，體系內(nèi)能升高。由于離子平衡的電中性要求：肖脫基缺陷：同時移去一個正離子和一個負離子。弗蘭克爾缺陷：尺寸較小的離子擠入同號離子的位置，形成間隙離子和空位對。對于正負離子尺寸差異較大、結(jié)構(gòu)配位數(shù)較低的離子晶體，小離子進入相鄰間隙的難度并不大，所以弗蘭克爾缺陷是常見點缺陷。對于結(jié)構(gòu)配位數(shù)高，排列緊密的晶體，則肖脫基缺陷比較重要，而弗蘭克爾缺陷比較難形成。點缺陷是由熱振動引起的，是一種熱力學(xué)的平衡缺陷。一方面造成點陣畸變，使晶體的內(nèi)能升高，降低了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性；另一方面由于增大了原子排列的混亂程度，并改變了其周圍原子的振動頻率，引起組態(tài)熵和振動熵的改變，使晶體熵值增大，增加了晶體的熱力學(xué)穩(wěn)定性。這兩個相互矛盾的因素使得晶體中的點缺陷在一定的溫度下有一定的平衡濃度。本征點缺陷：沒有外來雜質(zhì)時，由組成晶體的基體原子 的排列錯誤而形成的點缺陷。例如：由于溫度升高引起的晶格原子的熱振動起伏產(chǎn)生的空位和間隙原子等是典型的本征點缺陷，他們的數(shù)目依賴于溫度，也稱熱缺陷。非本征點缺陷：由于雜質(zhì)原子的引入而引起的缺陷?？瘴缓烷g隙原子的生成能越大，其出現(xiàn)的幾率越??；溫度越高，產(chǎn)生空位和間隙原子數(shù)越多但在有些情況下，晶體中點缺陷濃度可高于平衡濃度，稱為過飽和點缺陷，或非平衡點缺陷。獲得過飽和點缺陷的方法有以下幾種：高溫淬火冷加工輻照點缺陷對結(jié)構(gòu)和性能的影響結(jié)構(gòu)：無論哪種點缺陷的存在，都會使其附近的原子稍微偏離原結(jié)點位置才能平衡，即造成小區(qū)域的晶格畸變。性能：提高材料的電阻加速原子的擴散遷移密度、比容減小力學(xué)性能：強度提高，塑性下降蠕變：形成其他晶體缺陷：線缺陷（linedefect）線缺陷是指晶體中二維尺度方向很小但在第三維尺度方向上較大的一種缺陷。位錯（dislocation）是理想空間點陣中存在的一種最典型的線缺陷。刃型位錯滑移區(qū)一般把多出的半原子面在滑移面上邊的稱為正刃型位錯，用記號“┴”表示；而把多出在下邊的稱為負刃型位錯，用記號“┬”表示。刃型位錯位錯線EF與滑移矢量垂直，滑移面是位錯線EF和滑移矢量所構(gòu)成唯一平面。位錯在其他面上不能滑移螺型位錯BC為已滑移區(qū)與未滑移區(qū)的交界處，即位錯線。在BC線和aa'線間的原子失去正常相鄰關(guān)系，連接則成了一個螺旋路徑，該路徑所包圍的呈長管狀原子排列紊亂區(qū)即成螺型位錯。0.根據(jù)旋進方向的不同，螺型位錯有左、右之分。右手法則：即以右手拇指代表螺旋的前進方向，其余四指代表螺旋的旋轉(zhuǎn)方向。凡符合右手定則的稱為右螺型位錯；符合左手定則的則稱為左螺型位錯。1.無額外半原子面，原子錯排是呈軸對稱的。螺位錯線與滑移矢量平行，故一定是直線，且位錯線的移動方向與晶體滑移方向互相垂直。純螺位錯滑移面不唯一的。凡包含螺型位錯線的平面都可為其滑移面，故有無窮個，但滑移通常在原子密排面上，故也有限4.螺位錯周圍點陣也發(fā)生彈性畸變，但只有平行于位錯線的切應(yīng)變。5.螺位錯周圍點陣畸變，隨離位錯線距離的增加而急劇減少，故它也是包含幾個原子寬度的線缺陷。6.螺位錯形成后，所有原來與位錯線相垂直的晶面，都將由平面變成以位錯線為中心軸的螺旋面。位錯線不能在晶體內(nèi)部中斷。位錯線：只能或者連接晶體表面(包括晶界)，或者連接于其它位錯，或者形成封閉的位錯環(huán)。伯氏矢量：表示位錯區(qū)原子的畸變特征，包括畸變的位置和畸變的程度。用表示伯格斯回路確定：先人為確定位錯的方向（一般規(guī)定位錯線垂直紙面時，由紙面向外為正）。按右手法則做柏氏回路，右手大拇指指位錯正方向，回路方向按右手螺旋方向確定。從實際晶體中任一原子M出發(fā)，避開位錯附近的嚴重畸變區(qū)作一閉合回路MNOPQ（不能經(jīng)過位錯的中心區(qū)），回路的每一步連結(jié)相鄰原子。按同樣方法在完整晶體中做同樣回路，步數(shù)，方向與上述回路一致，這時終點Q和起點M不重合，由終點Q到起點M引一矢量QM 即為伯氏矢量b。柏氏矢量與起點的選擇無關(guān)，也與路徑無關(guān)。刃型位錯的柏氏矢量與位錯線垂直螺型位錯的柏氏矢量與位錯線平行柏氏矢量的確定取決于觀察方向柏氏矢量（b）的物理意義與特征表征了位錯周圍點陣畸變總積累表征了位錯強度b的模稱為。。位錯的許多性質(zhì) 如能量，應(yīng)力場，位錯受力等，也表示出晶體滑移的大小和方向。利用柏氏矢量b與位錯線的關(guān)系，判定位錯類型。類型柏氏矢量位錯線運動方向晶體滑移方向切應(yīng)力方向滑移面?zhèn)€數(shù)刃垂直于位錯線垂直于位錯線本身與b一致與b一致唯一螺平行于位錯線垂直于位錯線本身與b一致與b一致多個混合與位錯線成一定角度垂直于位錯線本身與b一致與b一致刃型位錯正、負號用右手法則判定：即以右手拇指、食指和中指構(gòu)成一直角坐標；以食指－指向位錯線方向，中指－指向柏氏矢量b方向，則拇指代表多余半原子面方向。多余半原子面在上稱正刃型位錯，反之為負刃型位錯。柏氏矢量b守恒性：柏氏矢量與回路起點選擇、具體途徑、大小無關(guān)，或在柏氏回路任意擴大和移動，只要不與原位錯或其他位錯相遇，畸變總累積不變，其柏氏矢量是唯一的（守恒性）。推論1：一根不分叉的任何形狀的位錯只有一個柏氏矢量。一個位錯環(huán)只有一個柏氏矢量。推論2： 相交于一點的各位錯，同時指向結(jié)點或離開結(jié)點時，各位錯的柏氏矢量b之和等于0。（幾根位錯相遇于一點，朝向節(jié)點的各位錯柏氏矢量b之和必等于離開節(jié)點各位錯柏氏矢量之和）。Σbi＝0推論2也可說：幾根位錯線相交于一點，其中任一位錯的柏氏矢量等于其他各位錯的柏氏矢量之和。推論3：從柏氏矢量特性可知，位錯線不能中斷于晶體的內(nèi)部，而只能終止在晶體表面或晶界上，即位錯的連續(xù)性。在晶體內(nèi)部，它只能自成封閉的環(huán)或與其他位錯相遇于節(jié)點形成位錯網(wǎng)絡(luò)，或終止于晶體表面。而柏氏矢量必須在晶向指數(shù)的基礎(chǔ)上把矢量的模也表示出來，因此柏氏矢量的大小和方向要用它在各個晶軸上的分量，即點陣矢量a，b和c來表示。對于立方晶系，a=b=c，所以柏氏矢量或滑移矢量可用符號b=a/n［uvw］表示，n為正整數(shù)。步驟：將某個滑移矢量在晶胞坐標XYZ軸上的分量，依次填入［］號內(nèi)，再提取公因數(shù)1/n作為系數(shù)，放在［］號前，使［］號內(nèi)的數(shù)字為最小整數(shù)。［uvw］為矢量方向與表示晶體的晶向符號相同，不同之處是多了a/n因子。柏氏矢量b的模b=a/n［uvw］同一晶體中，柏氏矢量愈大，表明該位錯導(dǎo)致點陣畸變愈嚴重，它所在處的能量也愈高。能量較高的位錯通常傾向于分解為兩個或多個能量較低的位錯，并滿足：b1→b2＋b3，b12＞b22＋b32，以使系統(tǒng)的自由能下降。位錯運動方式：滑移和攀移。1）滑移：位錯線沿著滑移面的移動。2）攀移：位錯線垂直于滑移面的移動。刃位錯的運動：可有滑移和攀移兩種方式。螺位錯的運動：只作滑移、而不存在攀移螺位錯移動方向：與位錯線、柏氏矢量b垂直。螺位錯滑移面：由位錯線與其柏氏矢量所構(gòu)成平面。不論位錯如何移動，晶體滑移總是沿柏氏矢量相對滑移，故晶體滑移方向就是位錯的柏氏矢量b方向，產(chǎn)生寬度為一個柏氏矢量b的臺階攀移的實質(zhì)：是多余半原子面的伸長或縮短。是通過原子擴散實現(xiàn)的（滑移沒有原子擴散）。常把多余半原子面向上移動稱正攀移，向下移動稱負攀移。當(dāng)空位擴散到位錯的刃部，使多余半原子面縮短叫正攀移。當(dāng)刃部的空位離開多余半原子面，相當(dāng)于原子擴散到位錯的刃部，使多余半原子面伸長，位錯向下攀移稱為負攀移。攀移與滑移區(qū)別攀移伴隨物質(zhì)的遷移，需要空位的擴散，需要熱激話，比滑移需更大能量。2.低溫攀移較困難，高溫時易攀移3.攀移通常會引起體積的變化4.作用于攀移面的正應(yīng)力有助于位錯的攀移。具體為：壓應(yīng)力將促進正攀移，拉應(yīng)力可促進負攀移。5.晶體中過飽和空位也有利于攀移位錯與點缺陷的交互作用（刃位錯）位錯與溶質(zhì)原子(或間隙原子)的交互作用尺寸大的原子使晶格原子受到壓縮應(yīng)力—處于滑移面下方尺寸小的原子使晶格原子受到拉伸應(yīng)力—處于滑移面上方柯氏氣團：溶質(zhì)原子與位錯交互作用后，在位錯周圍偏聚的現(xiàn)象。對位錯有釘扎作用。b.位錯與空位的交互作用使位錯在高溫下發(fā)生攀移。位錯的分解與合成由n個位錯合成為一個新位錯或由一個位錯分解為n個新位錯的過程稱為位錯反應(yīng)。位錯能否發(fā)生反應(yīng)，取決于兩個條件：幾何條件：按照柏氏矢量守恒性的要求，反應(yīng)前后位錯在三維方向的分矢量之和必須相等，即b前=b后能量條件：位錯反應(yīng)必須是一個伴隨著能量降低的過程。因此，反應(yīng)后各位錯的總能量應(yīng)小于反應(yīng)前各位錯的總能量，即b前2>b后2單位位錯：柏氏矢量等于單位點陣矢量的位錯；全位錯：柏氏矢量等于點陣矢量整數(shù)倍的位錯。全位錯滑移后晶體原子排列不變；部分位錯：柏氏矢量小于單位點陣矢量的位錯；不全位錯：柏氏矢量不等于單位點陣矢量整數(shù)倍的位錯。不全位錯滑移后原子排列規(guī)律發(fā)生變化。面缺陷：是指晶體中一維尺度很小而其他二維尺度很大的缺陷。晶體的面缺陷包括晶體的外表面和內(nèi)界面，其中內(nèi)界面包括晶界、亞晶界、孿晶界、堆垛層錯和相界等體缺陷（bodydefect）如果在任意方向上缺陷的尺寸可以與晶體或晶粒的尺度相比時，這種缺陷稱為體缺陷。例如：空洞、孔洞、氣泡、雜質(zhì)、亞結(jié)構(gòu)、沉淀相等第四章材料的相結(jié)構(gòu)及相圖組元：組成材料的最基本的、獨立的物質(zhì)?？梢允羌冊?，也可以是化合物。合金：兩種或兩種以上的金屬與金屬（Cu-Ni合金）或金屬與非金屬（Fe-C合金）經(jīng)一定方法（熔煉、粉末冶金等）合成的具有金屬特性的物質(zhì)。也就是說組成合金的元素必須有一種是金屬元素。相：指合金中具有相同原子聚集狀態(tài)、相同化學(xué)成分、相同晶體結(jié)構(gòu)及性質(zhì)，并以界面互相分開的均勻組成部分。組織：有不同形態(tài)、大小、數(shù)量和分布的相組成的綜合體。 合金的組織一般應(yīng)用顯微鏡才能看到，所以常稱顯微組織。材料相可分成兩大類：固溶體和中間相。黑色條紋：滲碳體白色條紋：鐵素體固溶體：以一種組元為溶劑，另一種組元為溶質(zhì)，組元間以不同比例相互混合，混合后形成的新固相的晶體結(jié)構(gòu)與組成合金的溶劑組元相同，晶格常數(shù)稍有變化（晶格畸變），這種相就稱為固溶體。表示方法：在合金系統(tǒng)中，通常按順序（固溶體的濃度或固溶體穩(wěn)定存在的溫度范圍）由低到高，用α，β，γ，δ，ε，θ等表示不同類型的固溶體。主要特征：溶質(zhì)與溶劑都為固體晶格仍保持溶劑組元的晶格具有較明顯的金屬性質(zhì)置換固溶體：溶質(zhì)原子置換了溶劑晶格中的一些溶劑原子而形成的固溶體。間隙固溶體：一些原子半徑小于0.1nm的非金屬元素如H、O、C、N、B等作為溶質(zhì)原子時，通常處于溶劑晶格的某些間隙位置形成的固溶體。溶質(zhì)原子在溶劑中溶解能力（固溶度大?。河邢?、無限固溶體溶質(zhì)原子分布無序固溶體有序固溶體影響溶質(zhì)原子溶解度的因素一在定條件下，溶質(zhì)元素在固溶體中的極限濃度叫該元素在固溶體中的溶解度。休謨-羅斯里規(guī)則(Hume-Rotheryrule)尺寸因素2.晶體結(jié)構(gòu)因素3.電負性差因素4.電子濃度因素5.溫度溶質(zhì)與溶劑的晶格結(jié)構(gòu)相同是形成無限固溶體的必要條件。電子濃度：在金屬材料(合金)中，價電子數(shù)目(e)與原子數(shù)目(a)之比稱為電子濃度。固溶體的溶解度隨溫度的影響較大，一般溫度越高，固溶體的溶解度越大。形成固溶體的意義：活化晶格，有利于進行化學(xué)反應(yīng)。抑制多晶體轉(zhuǎn)變，穩(wěn)定晶型。可以獲得新型材料，如鋯鈦酸鉛和sialon等材料都是固溶體。有利于礦物晶體構(gòu)造，用于污染修復(fù)。中間相：合金組元間相互作用而生成的一種新的物相特征：其晶格與組成它的任一組元均不相同。種類：a正常價化合物b電子化合物c尺寸因素化合物間隙化合物，拉弗斯相間隙化合物由過渡族金屬原子與原子半徑小于0.1nm的非金屬元素碳、氮、氫、氧、硼所形成具有金屬光澤和導(dǎo)電性的高熔點、高硬度，但較脆的化合物。與間隙固溶體的晶格類型不同!拉弗斯相：當(dāng)組元間原子尺寸之差處于間隙化合物與電子化合物之間時，會形成拉弗斯相。相圖就是用來表示熱力學(xué)平衡狀態(tài)下材料相的狀態(tài)、溫度、壓力、成分關(guān)系的綜合圖形。通過相圖，可以知道不同成分的材料，在不同溫度下存在哪些相、各種相的相對含量、成分、及溫度變化時可能發(fā)生的變化。不能反映各相的結(jié)構(gòu)、分布狀態(tài)及具體形貌。熱力學(xué)平衡條件研制、開發(fā)新材料，確認材料成分利用相圖制定材料生產(chǎn)和處理工藝利用相圖分析平衡態(tài)的組織和推斷不平衡態(tài)可能的組織變化利用相圖和性能關(guān)系預(yù)測材料性能相律：描述組元數(shù)、相數(shù)和自由度關(guān)系的法則。吉布斯相律：f=C-P+2C：系統(tǒng)組元數(shù)P：平衡共存的相的數(shù)目F：自由度的數(shù)目相律的限制相律只適用于熱力學(xué)平衡狀態(tài)。平衡狀態(tài)下各相的溫度應(yīng)相等（熱量平衡）；各相的壓力應(yīng)相等（機械平衡）；每一組元在各相中的化學(xué)位必須相同（化學(xué)平衡）。相律只能表示體系中組元和相的數(shù)目，不能指明組元或相的類型和含量。相律不能預(yù)告反應(yīng)動力學(xué)（速度）。自由度的值不得小于零。二元相圖溫度-成分圖坐標系中的點：表象點（M），表示相應(yīng)成分合金在該點對應(yīng)溫度時的狀態(tài)相界線：相圖中相同意義的各點連線相區(qū)：由相界線所圍成的區(qū)域杠桿定律設(shè)成份為X的合金的總重量為1，液相的相對重量為QL，其含Ni為X1，固相相對重量為Qα，其含Ni為X2，則：杠桿定律只適用于處于平衡狀態(tài)的兩相區(qū)計算系統(tǒng)中相的相對量計算系統(tǒng)中組織組成物的相對量3、計算系統(tǒng)中某一組織組成物中兩相的相對量勻晶相圖：是指合金組元在液、固兩相下均能無限互溶，結(jié)晶時只析出單相固溶體組織的合金相圖。如Cu-Ni、Cu-Au等二元合金系 。勻晶轉(zhuǎn)變：由液相直接結(jié)晶成單相固溶體的結(jié)晶轉(zhuǎn)變。L→α在極緩慢的冷卻過程中，每個階段都能達到平衡的結(jié)晶過程。特點：由液相成分凝固出與其成分不同的固相。晶內(nèi)偏析：偏析程度與相圖形狀有密切關(guān)系，固相線與液相線的水平距離及垂直距離愈大，合金凝固時，固液兩相的成分變化愈大，枝晶偏析就愈顯著。Cu-Sn合金的晶內(nèi)偏析比Cu-Zn合金嚴重。影響：具有枝晶偏析的合金，韌性↓，塑性↓，易發(fā)生晶內(nèi)腐蝕，抗蝕性↓，熱加工困難（溫度<固相線溫度，枝晶熔化）。消除：擴散退火（低于固相線溫度）→消除偏析將鑄件加熱到低于固相線100℃-200℃，進行長時間保溫，使偏析元素充分擴散以達到均勻化目的。此種熱處理工藝稱為擴散退火或均勻化退火。區(qū)域熔煉是制備高純物質(zhì)的有效方法。一般是將高頻加熱環(huán)套在需精煉的棒狀材料的一端，使之局部熔化，加熱環(huán)再緩慢向前推進，已熔部分重新凝固。由于雜質(zhì)在固相和液相中的分布不等，用這種方法重復(fù)多次，雜質(zhì)就會集中到一端，從而得到高純物質(zhì)。相區(qū)接觸法則：相鄰相區(qū)的相數(shù)差1。共晶相圖：兩組元在液態(tài)下能完全互溶，固態(tài)下有限互溶或完全不溶，并在冷卻過程中發(fā)生共晶轉(zhuǎn)變的相圖。Bi-Cd、Pb-Sn、Ag-Au、Al-Si、Pb-Sb。簡單共晶相圖：兩組元在液態(tài)下能夠完全互溶，在固態(tài)下彼此互不溶解的共晶相圖。一般共晶相圖兩組元在液態(tài)下能夠完全互溶，在固態(tài)能有限互溶的共晶相圖固溶線，固溶度曲線：反映不同溫度時的溶解度變化。鐵素體（Ferrite）：是碳溶于α-Fe中的間隙固溶體，呈體心立方晶格，碳在α-Fe中溶解度極小，在727℃時達到最大溶解度0.0218%。鐵素體的顯微結(jié)構(gòu)為多邊形晶粒。性能：力學(xué)性能特點是塑性、韌性好，而強度、硬度低。高溫鐵素體（δ）奧氏體（Austenite）：是碳溶于γ-Fe中的間隙固溶體，呈面心立方晶格。碳在γ-Fe中的溶解度要比在α-Fe中大，在727℃時為0.77%，在1148℃時溶解度最大，可達2.11%。奧氏體是一種高溫組織，穩(wěn)定存在的溫度范圍為727~1394℃，顯微組織為多邊形晶粒。滲碳體（中間相-尺寸因素化合物-間隙化合物）：當(dāng)鐵碳合金中碳含量超過它在鐵中溶解度限度時，多余的碳主要和鐵形成的一種具有復(fù)雜晶格的金屬化合物 Fe3C。它的碳質(zhì)量分數(shù)WC=6.69%。萊氏體（組織）：Ld是鐵碳合金冷卻到1148℃時共晶轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，是介穩(wěn)相。由奧氏體和滲碳體組成的機械混合物。存在1148℃~727℃之間的萊氏體稱為高溫萊氏體，用“Ld”表示，存在于727℃以下的萊氏體稱為變態(tài)萊氏體或低溫萊氏體，用“Ldˊ”表示，組織由滲碳體和珠光體組成。性能：與滲碳體相似，硬度很高，塑性極差，幾乎為零。珠光體：是奧氏體冷卻時，在727℃發(fā)生共析轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物，由鐵素體和滲碳體組成的機械混合物，用符號“P”表示。顯微組織為由鐵素體片和滲碳體片交替排列的片狀組織。性能：力學(xué)性能介于鐵素體和滲碳體之間，強度較高，硬度適中，塑性和韌性較好。重要固態(tài)轉(zhuǎn)變線：GS線：GS線又稱A3線，冷卻時，γ析出α的開始線，或加熱時α全部溶入γ的終了線。ES線：碳在γ中的固溶度曲線。常稱Acm線。當(dāng)溫度低于此線，γ將析出Fe3C、即二次滲碳體Fe3CⅡ，從液相中經(jīng)CD線析出一次滲碳體Fe3CⅠ。PQ線：碳在α中的固溶度曲線。碳在α中的最大固溶度727℃時ωc為0.0218%，600℃時降為0.008％，300℃時約為0.001％，α從727℃冷卻下來時，將析出滲碳體，稱為三次滲碳體Fe3CⅢ770℃線為α的磁性轉(zhuǎn)變溫度．230℃水平線為滲碳體的磁性轉(zhuǎn)變溫度工業(yè)純鐵：ωc<0.0218%亞共析鋼：0.0218%<ωc<0.77%過共析鋼：0.77%<ωc<2.11%共析鋼ωc=0.77%鋼的共同點：在高溫下都可以進入奧氏體單相區(qū)，所有的亞共析鋼室溫組織都是由鐵素體和珠光體組成，其差別僅是鐵素體與珠光體的相對量不同，Wc越高，珠光體越多，鐵素體越少。隨著含碳量增加時，滲碳體不僅數(shù)量增加，形態(tài)和分布也發(fā)生了很大變化。（滲碳體分布在P內(nèi)——網(wǎng)狀分布在γ晶界上——形成萊氏體時，滲碳體則成了基體。）含碳量對（普碳鋼）力學(xué)性能的影響硬度Wc增加，硬度增加；強度WC<1%時，WC增加，強度提高，在晶界上析出的二次滲碳體一般還未形成連續(xù)網(wǎng)狀。WC>1%時，WC增加，強度降低；塑性、韌性WC增加，塑性、韌性下降；為了保證工業(yè)用鋼具有足夠的強度和塑性、韌性，碳素鋼的含碳量一般不超過1.4%。鍛造：鑄造組織經(jīng)過鍛造方法熱加工變形后使原來的粗大枝晶和柱狀晶粒變?yōu)榫Я］^細、大小均勻的等軸再結(jié)晶組織，使鋼錠內(nèi)原有的偏析、疏松、氣孔等壓實和焊合，其組織變得更加緊密，提高了金屬的塑性和力學(xué)性能。鋼的可鍛性首先與含碳量有關(guān)，低碳鋼的可鍛性較好，隨著含碳量的增加?？慑懶灾饾u變差。（C%<2.11%）一般要把鋼材加熱到始鍛溫度（固相線以下100~200℃，約1150~1250℃）下，在奧氏體區(qū)進行鍛造。鐵碳相圖的應(yīng)用塑性、韌性高的材料，選用鐵素體低碳鋼（Wc<0.25%）強度、塑性和韌性等均好的材料，應(yīng)選用組織為鐵素體和珠光體的中碳鋼（0.25%<Wc<0.6%）硬度、耐磨性好的材料，應(yīng)選用組織為珠光體或珠光體和二次滲碳體的高碳鋼（1.3%>Wc>0.6%）形狀復(fù)雜的及其底座和箱體等零件，可選用熔點低、流動性號的鑄鐵材料，成分為共晶或接近于共晶。碳鋼：是指碳的質(zhì)量分數(shù)Wc<2.11%，并含有少量硅、錳、磷、硫等雜質(zhì)元素的鐵碳合金。雜質(zhì)元素的影響：Mn、Si、S、P、O、N、H。三元系：三個組元組成的合金系F=C-P+1=4-P獨立變量：溫度T組元濃度XA、XB（XC=1-XA-XB）濃度三角形等邊三角形＋順時針坐標濃度△頂點代表純組元A、B、C△的邊代表二元合金AB=BC=CA=100%=邊