材料科學(xué)與工程基礎(chǔ)教案第一章.ppt

1、材料科學(xué)和工程基礎(chǔ)，The Fundamentals(Elements，principles ) ofmaterialsscienceengineeringanintroductiontomaterialsscience，材料科學(xué)廣義材料是人們思想意識(shí)以外的所有物質(zhì)包括材料無處不在，材料的發(fā)展過程，我國材料的歷史過程，漫長而曲折的歷史：石斧， 古代科學(xué)技術(shù)名萩：考古記(先秦)、夢溪筆談(宋代沈圍)、天工開物(明代宋應(yīng)星)，明代后：封建統(tǒng)治、帝國主義侵略束縛和解放了材料的發(fā)展停滯狀態(tài)后：材料科學(xué)受到重視，發(fā)展的一系列材料系統(tǒng)門類全部數(shù)量的鐵元素鋼突破了2億噸大關(guān)，成為世界第一原子彈、氫彈、人造衛(wèi)

2、星， 火箭，長征三號(hào)火箭在發(fā)射架上的攝影圖片，寶鋼高爐，材料分類，材料科學(xué)和工程基礎(chǔ)是學(xué)習(xí)研究材料的成分，組織架構(gòu)和性能之間的知識(shí)是輔助的，需要掌握正確的思維方法，不要死記硬背，記住筆記， 課后短時(shí)間復(fù)習(xí)，抓住主線，不挖牛角，考試前提前復(fù)習(xí)，磨槍，積極參加問答，不關(guān)門復(fù)習(xí)，第一章材料結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)學(xué)是材料科學(xué)系統(tǒng)中最重要的學(xué)科之一。 第一節(jié)鍵合鍵合，一、鍵合力和鍵能雙原子模型：二、鍵合鍵合絡(luò)離子鍵合、共價(jià)鍵、金屬鍵、分子鍵和氫鍵、三、材料的耦合性金屬材料金屬材料的鍵合鍵合主要是金屬鍵。 金屬特性：導(dǎo)電性，熱傳導(dǎo)性好，正電阻溫度系數(shù)優(yōu)異的擴(kuò)張性金屬光澤等。 陶瓷村材陶瓷材料是含有金屬和非金屬元素的化合

3、物，其鍵主要是與絡(luò)離子鍵共價(jià)鍵，大多是絡(luò)離子鍵。 由于絡(luò)離子鍵對陶瓷材料具有相當(dāng)高的穩(wěn)定性，陶瓷材料通常具有極高的熔點(diǎn)和硬度，而云同步上陶瓷材料的脆性也很大。 高分子材料的高分子材料的結(jié)合鍵是共價(jià)鍵、氫鍵和分子鍵。 其中構(gòu)成分子的鍵為共價(jià)鍵和氫鍵，分子間的鍵為范德瓦爾斯鍵。 范德瓦爾斯鍵雖然弱，但由于高分子材料的分子大，分子間的作用力也相應(yīng)地大，高分子材料具有優(yōu)良的力學(xué)性能。 第二節(jié)結(jié)晶學(xué)基礎(chǔ)Fundamentals of crystallogphy，一、晶體的概念晶體特性晶體的三個(gè)特征：原子排列有序有一定熔點(diǎn)的各向異性現(xiàn)象。 所謂空間格子和晶胞、二、配位數(shù)和致密度配位數(shù)，是指離晶體中任一原子

4、最近的等距離的原子數(shù)。 把致密度原子看作剛體球的話，原子間必定存在空隙，用原子剛球所占的體積和結(jié)晶體積的比可以表示結(jié)晶結(jié)構(gòu)的排列的緊密程度，稱為致密度或密系數(shù)。 可由下式表示：例如修正簡單立方晶的致密度解：簡單立方：光柵常數(shù)為a，原子半徑為一個(gè)晶胞內(nèi)包含的原子數(shù)； 因此，致密度、三、晶體取向指數(shù)和結(jié)晶指數(shù)在晶體中，由一系列原子構(gòu)成的平面稱為晶面，連接任意兩個(gè)原子間的線所指的方向稱為晶體取向。 為了確定晶體中的晶體取向、晶面的空間取向，有必要引入使它們標(biāo)識(shí)牌的統(tǒng)一規(guī)則，這種統(tǒng)一的標(biāo)識(shí)牌被稱為晶體取向指數(shù)和結(jié)晶指數(shù)。 國際上通用的是反射鏡指數(shù)。晶體取向指數(shù)的晶體取向指數(shù)的決定步驟如下進(jìn)行： (1)

5、將單元中的某一點(diǎn)作為原點(diǎn)，將三個(gè)邊緣作為x、y、z軸，將單元邊緣的長度作為單位長度；(2)如果求出的晶體方向不通過坐標(biāo)原點(diǎn)，則在畫出超過原點(diǎn)而與求出的晶體方向平行的有向直線的(3)直線上，在原點(diǎn)處最求出y、z軸上的坐標(biāo)(4)將3個(gè)坐標(biāo)值與最小整數(shù)成比例，依次填入方括號(hào)內(nèi)而求出的結(jié)晶取向指數(shù)。 通常，晶體取向指數(shù)的普遍形式用uvw表示，如果其中某個(gè)數(shù)為負(fù)值，則必須在該數(shù)上加負(fù)符號(hào)。 例如，如下所示： 圖中顯示了立方晶系中幾個(gè)主要晶體取向的晶體取向指數(shù)。 對于一個(gè)晶體取向指數(shù)，表示相互平行且方向一致的所有晶體取向，而不是一個(gè)具體的方向。 如果2個(gè)晶體取向指數(shù)的數(shù)值大小相等，符號(hào)相反，則這些個(gè)2組晶

6、體取向相互平行，但方向相反。 晶體取向族在立方晶系中為： 111、111、111、111、111、111、111、111、111、111、111、111這8個(gè)晶體取向，是指立方形中4個(gè)對折角線的方向。 從晶體的對稱關(guān)系來看，由于該組的晶體取向在性質(zhì)上相同，因此統(tǒng)稱為晶體取向族。 原子排列的情況相同，但空間位的方向不同的所有晶體取向稱為晶體取向族，如果用表示，則上述8個(gè)晶體取向可以用表示。 同樣，代表： 100、010、001、100、010、001這6個(gè)晶體取向。 另外，可以通過改變指數(shù)和符號(hào)的排列的組合，僅求出立方晶系中的結(jié)晶方位族的各結(jié)晶方位指數(shù)。 不一定適用于其他結(jié)晶系。、面指數(shù)的面指數(shù)

7、的通式為(hkl )，其決定步驟與決定(1)面指數(shù)同樣地創(chuàng)建坐標(biāo)系，但坐標(biāo)原點(diǎn)應(yīng)位于保留面之外，以免產(chǎn)生零截距。 (2)以結(jié)晶光柵常數(shù)為長度單位，求出保留結(jié)晶面在各軸的切片。 可以認(rèn)為，如果晶面與某一軸平行，則該晶面在其軸上的切片無限大，其倒數(shù)為零。 (3)取截尾的倒數(shù)，將其作為最小整數(shù)放入括號(hào)內(nèi)，得到(hkl )的形式，即結(jié)晶指數(shù)。 幾種立方晶系中幾個(gè)主要晶面的結(jié)晶指數(shù)如圖所示。 的雙曲馀弦值。 與晶體取向指數(shù)一樣，如果截距為負(fù)值，請?jiān)谙鄳?yīng)的指數(shù)上記錄負(fù)符號(hào)。 結(jié)晶指數(shù)(hkl )不是指一個(gè)晶面，而是表示相互平行的晶面的定徑套。 在兩個(gè)結(jié)晶指數(shù)的數(shù)字和順序完全相同且符號(hào)相反的情況下，這些個(gè)的

8、兩個(gè)晶面相互平行。 晶面族在同一晶體結(jié)構(gòu)中，有些晶面上的原子排列和晶面間距離完全相同，但具有不同的空間排列，這些個(gè)的晶面全部聚合為一個(gè)晶面族，用表示。 例如，在立方晶系中，100是包含(100 )、(010 )、(001) 110是包含(110 )、(101 )、(011 )、(110 )、(110 )的立方晶系中，hkl的晶面族中包含的晶面可以通過改變h、k、l的符號(hào)及數(shù)字的排列的組合來求出然而，這種方法不適用于其他晶系。 從、面指數(shù)的幾何學(xué)意義，即，由立體幾何可知，在正交晶系中：因此，一旦決定了面指數(shù)，就能夠求出面方位。 因此，晶面(hkl )的法向量，即晶面(hkl )的法線和結(jié)晶與hk

9、l的方向平行是結(jié)晶指數(shù)的幾何學(xué)意義。 圖： ON是晶面(hkl )的法線，ON與該晶面d點(diǎn)交叉。 OA、OB、OC分別是(hkl )在x、y、z軸上的截距。 ON與x、y、z軸之間的角度分別為、 cos、cos、cos是法線ON的方向侑弦。 立方晶格中的結(jié)晶單元的3個(gè)基矢量相等，將其設(shè)為a，根據(jù)結(jié)晶指數(shù)的決定方法可知，結(jié)晶帶平行或相交于同一直線的一組結(jié)晶面構(gòu)成一個(gè)結(jié)晶帶。 該晶面的定徑套稱為共面，該直線(用晶體取向指數(shù)表示)稱為錄音帶軸。 同一晶帶中各晶面的法線都垂直于晶帶軸。在立方晶系中，結(jié)晶方位指數(shù)和結(jié)晶指數(shù)的數(shù)字和順序相同的情況下，如果其結(jié)晶方位與其結(jié)晶面垂直，則hkl(hkl )，即其

10、結(jié)晶方位成為其結(jié)晶面的法線。 如果錄音帶軸的指數(shù)為uvw，則可以從矢量代數(shù)證明，該錄音帶軸的任一晶面(hkl )與錄音帶軸指數(shù)之間有以下關(guān)系：該式也稱為錄音帶方程。第三節(jié)金屬及合金的結(jié)構(gòu)特征structurecharacteristicofmetalalloy，一、常見純金屬的晶格型體心立方晶格：記為BCC，屬于該晶格型的金屬有-Fe、Cr、w、Mo、v等； 致密度、配位數(shù)8、面心立方晶格：記載為FCC屬于該晶格型的金屬有Fe、Cu、Al、Ag、Au、Pb、Ni等。配位數(shù)12致密度0.74、密列六方晶格：標(biāo)記為HCP密列六方晶格的單位單元為一個(gè)六方柱體，由6個(gè)呈長方體的側(cè)面和2個(gè)呈六角形的底面

11、構(gòu)成，如圖所示。 屬于這種格子型的金屬有Mg、Zn、Be、Cd等。 配位數(shù)： 12； 致密度：0.74 (與面心立方相同)，結(jié)晶單元中的間隙由致密度校正結(jié)果可知，結(jié)晶中應(yīng)該存在一定數(shù)量的間隙。 例如，在體心立方中，致密度k0.68表明原子只占有68體積，存在32個(gè)間隙。 這些個(gè)的縫隙對金屬的性能、合金的相結(jié)構(gòu)、擴(kuò)散及過渡相等都有重要影響。 從幾何學(xué)上看，晶格有八面體間隙和四面體片間隙兩種間隙。 在面心立方晶格中也有八面體間隙和四面體片間隙兩種，如圖所示，分別是正八面體間隙和正四面體間隙，有人指出，原子的堆積方式是，面心立方晶格和密排列六方晶格的致密度和配位數(shù)完全一致，都屬于最密排列晶格，但晶格

12、類型不同，為了弄清這個(gè)問題，我們知道了原子的堆積方式面心立方結(jié)構(gòu)的原子棧內(nèi)存方式密排六方的原子棧內(nèi)存方式、面心立方晶單元原子棧內(nèi)存方式密排六方晶單元原子棧內(nèi)存方式、二、實(shí)際的金屬結(jié)晶結(jié)構(gòu)單晶與多晶中的原子排列規(guī)則相同，晶格位一致的結(jié)晶被稱為單晶。 實(shí)用金屬材料中少的單晶金屬、工序中使用的金屬材料幾乎都是多晶材料。 通常使用的金屬由很多小結(jié)晶構(gòu)成，這些個(gè)小結(jié)晶內(nèi)部的晶格方向均勻，但它們之間晶格方向互不相同，這些個(gè)外形不規(guī)則的粒子狀小結(jié)晶稱為晶粒。 各個(gè)晶粒相當(dāng)于單晶。 晶粒和晶粒的界面稱為晶界。 由這么多晶粒組成的結(jié)晶叫做多晶。 所謂點(diǎn)缺陷，是指在結(jié)晶空間中，其長度、寬度、高度都小(相當(dāng)于原子尺

13、寸)的缺陷。 如圖所示，結(jié)晶的點(diǎn)缺陷有結(jié)晶空孔、間隙原子、置換原子這3種形態(tài)。 所謂線缺陷線缺陷，是指在三個(gè)維度空間中二維方向的尺寸小而其他一維方向的尺寸相對大的缺陷，也稱作一維缺陷。 晶體中最常見的線缺陷是位錯(cuò)。 位錯(cuò)是指晶格中的某處發(fā)生了一列或多列原子有規(guī)律的位錯(cuò)現(xiàn)象。 這種不對準(zhǔn)現(xiàn)象是由于晶體內(nèi)部的局部滑動(dòng)造成的，根據(jù)局部滑動(dòng)的方式可以形成不同種類的錯(cuò)位，最簡單，最基本的種類有刃型錯(cuò)位和螺旋型錯(cuò)位兩種，由這些個(gè)的組合構(gòu)成混合錯(cuò)位和不完全錯(cuò)位等線缺陷刃型位錯(cuò)、(a )立體模型(b )平面圖刃型位錯(cuò)模式圖、結(jié)晶的局部滑動(dòng)引起的刃型位錯(cuò)、轉(zhuǎn)位運(yùn)動(dòng)模式、螺旋狀轉(zhuǎn)位柏氏矢量由柏氏電路決定。、b、l

14、、l、b、柏氏矢量的物理意義：柏氏矢量表示晶體的滑動(dòng)方向。面缺陷晶體中的面缺陷是指在兩個(gè)方向上尺寸大，在第三方向上尺寸小，呈面狀分布的缺陷。 這種缺陷主要是晶界偏聚和亞晶界。 晶界是兩個(gè)相鄰晶粒之間的過渡界面。 由于相鄰的晶粒彼此的相位方向各不相同，所以晶界偏聚中的原子排列與結(jié)晶內(nèi)不同，它們受到相鄰兩側(cè)的晶粒的相位方向的綜合影響，所以采取隨機(jī)排列或者與兩者的取向接近的折衷位置的排列，形成結(jié)晶中的重要的面缺陷。 晶界是晶體中的重要缺陷之一。 由于晶界上的原子排列不規(guī)則，偏離了平衡位置，晶界具有很高的能量，具有與晶粒內(nèi)部不同的一系列特征。 例如，晶界比晶粒容易腐蝕，熔點(diǎn)低的原子沿著晶界擴(kuò)散的速度快

15、的常溫下的晶界有阻礙作用金屬塑性變形。 因此，金屬材料的晶粒越細(xì)，晶粒越多，室溫強(qiáng)度越高。 亞晶界的實(shí)驗(yàn)表明，在實(shí)際金屬的一個(gè)晶粒內(nèi)部晶格位方向也不一致，存在幾個(gè)位方向稍有不同的小晶塊(位方向差通常為2以下)。 如圖127所示。 小的這些個(gè)晶體塊被稱為子結(jié)構(gòu)。 亞結(jié)構(gòu)間的界面叫亞晶界。 亞晶界實(shí)際上是由一系列位錯(cuò)組成的。 亞晶界上的原子排列也不規(guī)則，具有高能量，具有類似晶界的特征，因此能夠使亞結(jié)構(gòu)微細(xì)化，顯著提高金屬的強(qiáng)度。 所謂固態(tài)溶液，是指以固體下的合金構(gòu)成要素為溶劑，在其晶格中溶解有其他構(gòu)成要素原子(溶質(zhì))的合金相，其特征在于，固態(tài)溶液是具有溶劑構(gòu)成要素的晶格型。 置換固態(tài)溶液，間隙固態(tài)

16、溶液達(dá)到溶質(zhì)對溶劑原子半徑的比rb/ra0.59時(shí)，形成間隙固態(tài)溶液。 溶質(zhì)原子填充到溶劑晶格的間隙中形成間隙固態(tài)溶液，如圖所示。 形成間隙固態(tài)溶液的溶質(zhì)原子通常是氫(0.046nm )、氧(0.061nm )、氮(0.071nm )、碳(0.077nm )、硼(0.097nm )等原子半徑小的非金屬元素。 金屬間化合物在合金中溶質(zhì)原子濃度超過固態(tài)溶液的固溶極限時(shí)，形成晶格結(jié)構(gòu)，形成特性完全不同的一組新相，因其具有金屬性質(zhì)，故稱為金屬間化合物。 因?yàn)檫@些個(gè)始終位于相圖的中間位置，所以也稱為中間相。 中位相分為正常價(jià)化合物、電子化合物、間隙化合物3種。 正常價(jià)化合物的正常價(jià)化合物是符合原子價(jià)規(guī)律

17、，受電負(fù)性控制的金屬化合物。 例如，MnS、MgS、Mg2Si等。 正常價(jià)化合物的熔點(diǎn)，硬度和脆性都很高。 電子化合物電子化合物通常由IB族或過渡族元素體和b、a、a和a族元素體構(gòu)成，它們不遵守化學(xué)價(jià)規(guī)則，以一定的電子濃度比形成金屬間化合物。 晶體結(jié)構(gòu)的種類因電子濃度而異。 間隙相的間隙相具有面心立方、密列六方、簡單六方等比較簡單的晶體結(jié)構(gòu)。 金屬在晶格中占正常結(jié)點(diǎn)的位置，非金屬在晶格間隙中。 間隙化合物間隙化合物是主要由過渡族元素體和碳原子構(gòu)成的碳化物。 在合金鋼材中常見的主要是M3C型(例如F3C )、M7C3型(例如Cr7C3)等。 間隙化合物的晶體結(jié)構(gòu)全部復(fù)雜，一些金屬元素體被其他一個(gè)或多個(gè)元素體置換，往往形成(Fe，Mn)