材料期末复习

期末复习晶向指数•确定晶向指数［ｕｖｗ]的步骤如下：1.设坐标：以晶胞的某一阵点O为原点，过原点O的晶轴为坐标轴x,y,z,以晶胞点阵矢量的长度作为坐标轴的长度单位。2.求坐标：选晶向上一点,以晶格常数为单位，求原点至该点线段的三个投影值；3.化整数：将三个投影值化为一组最小整数4.加括号：给该组整数加上中括号[]晶向指数还有如下规律：(1）某一晶向指数代表一组在空间相互平行且方向一致的所有晶向。（2）若晶向所指的方向相反，则晶向数字相同符号相反。（3）有些晶向在空间位向不同，但晶向原子排列相同，这些晶向可归为一个晶向族(crystaldirectiongroup)，用〈ｕｖｗ〉表示。如〈111〉晶向族包括[111]、[T11]、[1T1]、[11T]、[TT1]、[1TT]、[T1T]、[TTT]；〈110〉晶向族包括[110]、[101]、[011]、[T10]、[T01]、[0T1]、[TT0]、[TOT]、[0TT]、[0TO]、[10T]、[01T]。（4）同一晶向族中晶向上原子排列因对称关系而等同。晶族(crystalgroup)]110[]101[[111][111][111][111][111][111][111][111]111晶向族110晶向族]110[]101[]011[]101[]011[]101[晶面指数确定晶面指数（ｈｋｌ）的步骤如下:a)设坐标：原点设在待求晶面以外。b)求截距：求晶面在三个轴上的截距。c)取倒数:对三个截距值取倒数；d)化整数：将三个截距值化为一组最小整数；e)加括号：（hkl），如果所求晶面在晶轴上截距为负数则在指数上加一负号。晶面指数还有如下规律：•（1）某一晶面指数代表了在原点同一侧的一组想互平行且无限大的晶面。(2)若晶面指数相同，但正负符号相反，则两晶面是以点为对称中心，且相互平行的晶面。如（110）和（TT0）互相平行。(3)凡晶面间距和晶面上原子分布完全相同，只是空间取向不同的晶面，可归为同一晶面族，用{hkl}表示。如{111}包括（111）、（T11）、（1T1）、（11T）以及与它们平行的四个组成。{110}包括（110）（101）(011)以及（T10）（T01)(0T1)以及平行的六个组成（4)在立方结构中若晶面指数和晶向指数的指数和符号相同，则该晶向与晶面必定是互相垂直。如：[111]⊥（111）、[110]⊥（110）、[100]⊥（100）。1.5晶面间距晶体中相邻两个平行晶面之间的垂直距离成为晶面间距。低指数的晶面加间距较大，而高指数的晶面间距则较小。此外晶面间距愈大，该晶面上的原子排列愈密集；晶面间距愈小，该晶面上的原子排列愈稀疏。原子排列最密的面称为最密排面，同样原子排列最密排的方向称为最密排方向晶面间距计算公式222hkllkhadhkl2adhkl221＝，如{100},{110}2＋＋如{100},{111}fcc当（hkl）不为全奇、偶数时，有附加面：bcc当h＋k＋l＝奇数时，有附加面：hkl2adhkl221＝2＋＋•配位数(CN)是指晶体结构中任一原子周围最近邻且等距离的原子数；•致密度是指晶体结构中原子体积占总体积的百分比。二、材料缺陷•位错（dislocation）是一种线缺陷,它是晶体中某处一列或若干列原子发生了有规律错排现象；错排区是细长的管状畸变区,长度可达几百至几万个原子间距,宽仅几个原子间距。•位错理论是上个世纪材料科学最杰出的成就之一。位错可以分为刃型位错、螺型位错和混合位错。刃型位错•晶体中已滑移区与未滑移区的边界线（即位错线）若垂直于滑移方向，则会存在一多余半排原子面，它象一把刀刃插入晶体中，使此处上下两部分晶体产生原子错排，这种晶体缺陷称为刃型位错可理解为是已滑移区与未滑移区的边界线，可是直线也可是折线和曲线，但它们必与滑移方向和滑移矢量垂直。只能在同时包含有位错线和滑移矢量的滑移平面上滑移；螺型位错•与滑移矢量平行，位错线移动方向与晶体滑移方向垂直；滑移面不是唯一的，包含螺型位错线的平面都可以作为它的滑移面；混合位错•滑移矢量既不平行也不垂直于位错线，而与位错线相交成任意角度。柏氏矢量•柏氏矢量可以表示位错区域晶格畸变总量的大小。柏氏矢量可表示位错性质和取向,即晶体滑移方向.它具有守恒性，唯一性。•柏氏矢量的表示方法与晶向指数相似，并且柏氏矢量必须在晶向指数的基础上把矢量的模也表示出来。柏氏矢量的模代表位错的强度，其表示为|b|，模值可根据与b同向晶向指数[uvw]表示，即n为整数，所以前面三个柏氏矢量的模为222||wvunabab3|3|ab22|2|ab2|1|比如，已知当b1=b2+b3时，则b1可表示为：其大小（模为）方向为[323]很显然b1的柏氏矢量都比b2和b3大，因此它有分解为b2和b3的趋势，即它是不稳定的。]323[2]222[2]101[2321aaabbb]111[3],101[22ababa222•螺位错与刃位错区别：对于刃型位错，位错线垂直于伯氏矢量；螺型位错平行于伯氏矢量。•位错线运动方向总是垂直位错线；•在外力的作用下单位位错线上所受力的大小为bf方向始终和位错线垂直。晶界偏聚：杂质原子或溶质原子在晶界区发生富集的现象孪晶：晶体中一部分原子以某一晶面为共有面而与另一部分原子保持对称位向关系的结构二、塑性变形•晶体的塑性变形主要通过滑移方式进行。•塑性变形时产生的滑移只沿着特定的晶面和晶向运动，即滑移面和滑移方向。一个滑移面和其上的一个滑移方向组成一个滑移系（slipsystem）。滑移系表示晶体在进行滑移时可能采取的空间取向。①滑移面和滑移方向往往是金属晶体中原子排列的最密排面和最密排晶向•面心立方的滑移系｛111｝110共12个•体心的滑移系{110}111共12个•滑移的临界分切应力：滑移系方可以发生滑移最小切应力。临界分切应力的大小计算如下，如图所示，图中F为外力，A0为晶体的横截面。λ为外力F与滑移方向的夹角，则F在滑移方向的分力为Fcosλ；Φ为滑移面与横截面的夹角，则滑移面的面积为AO/cosΦ,所以分切应力为：滑移的临界分切应力coscosAF0因，σ为试样拉伸时横截面上的正应力，所以0AFcoscos式中cosφcosλ为取向因子（orientationfactor），该值越大，τk越大，越有利于滑移。当滑移面法线方向、滑移方向与外力轴三者共处一个平面，则φ=45º时，cosφcosλ=1/2，此取向最有利于滑移，即以最小的拉应力就能达到滑移所需的分切应力，称此取向为软取向。当外力与滑移面平行或垂直时（φ=90º或φ=0º），则σs→∞，晶体无法滑移，称此取向为硬取向。•两个晶向[h1k1l1][h2k2l2]夹角计算公式：121212222222111222coshhkkllhklhkl加工硬化:随变形量的增加，材料的强度、硬度升高而塑韧性下降的现象材料的组织控制•回复：冷变形金属在加热时，显微组织发生变化前所产生的某些亚结构和性能的变化过程。•再结晶：无畸变的等轴新晶粒逐步取代变形晶粒，并恢复到完全软化状态的过程•晶粒长大：再结晶结束之后晶粒的继续长大•在结晶阶段，强度降低，可能引起材料失效，避免冷加工件在高温条件下工作影响再结晶的主要因素•变形量：变形量越大，存储能越高，在结晶驱动力越大，再结晶温度越低，再结晶速度越快；原始晶粒尺寸：原始晶粒尺寸越小，其变形抗力越大，储存能也相应增加，就越有利于再结晶的发生，再结晶温度也越低。杂质与微量溶质原子：阻碍位错和晶界运动，不利于再结晶退火温度：温度越高再结晶速度越大加热时间：延长加热时间会降低再结晶温度。再结晶晶粒大小的控制•1）变形程度•2）原始晶粒尺寸：原始晶粒越细，再结晶后晶粒越细3）合金元素和杂质：增加储存能，阻碍晶界移动，有利于晶粒细化•4）退火温度：再结晶退火时，退火温度越高晶粒尺寸越大；温度一定时，时间过长也会使晶粒增大。缓慢加热也将促使晶粒增大。热加工：将金属或合金加热至再结晶温度以上进行的压力加工冷加工：在再结晶温度以下的压力加工过程马氏体相变•将钢加热到相变温度以上（亚共析钢为Ac3以上30℃～50℃；共析钢和过共析钢为Ac1以上30℃～50℃），保温一定时间后快速冷却（油冷或水冷）以获得马氏体组织的热处理工艺称为淬火。（高硬度，高耐磨性）•钢件淬火后,为了消除内应力并获得所要求的组织和性能,将其加热到Ac1以下某一温度,保温一定时间,然后冷却到室温的热处理工艺叫做回火；回火温度在150℃～250℃称低温回火，组织为回火马氏体，具有高强度。•在钢的冷却过程中奥氏体向马氏体转变的起始温度称为Ms点；结束温度称为Mf点。•在没有外力作用下，马氏体相变只发生在Ms～Mf之间，这个转变区称为马氏体转变区。•如果有外力存在条件下，M转变可以在MS以上发生，在该条件下发生的转变称为应力诱导马氏体相变，该起始温度表示为Md马氏体相变特点•1、马氏体转变的非恒温性•马氏体转变是一个连续冷却的过程。在MS点一下等温，马氏体转变不会继续，要得到更多的马氏体，必须降低到更低的温度。2、马氏体转变的切变共格和表面浮凸现象3、马氏体转变的无扩散性马氏体转变只有点阵改组而无成份变化，转变时原子做有规律的整体迁移，每个原子移动的距离不超过一个原子间距，且原子之间的相对位置不发生变化。•4、马氏体转变的可逆性•冷却时高温相可以转变为马氏体，加热时马氏体可以逆转变为高温相，而且转变都是以马氏体转变方式进行的。与Ms—Mf相对应，逆转变有As—Af分别表示逆转变的开始和终了温度。•5.形变诱发转变及高硬度和体积膨胀效应•在应力存在的条件下，即使没达到马氏体转变温度也可诱发马氏体转变,同时马氏体转变也伴随着体积的膨胀，这也正是ZrO2增韧陶瓷的基础。马氏体相变的应用•一、ZrO2相变增韧陶瓷1、ZrO2的同素异构转变及相变韧化的概念ZrO2从液相冷却到室温将发生的相变：液相（L）立方相（c）正方相（t）单斜相（m）其中tm属于马氏体相变，有～5％的体积膨胀。类似于金属的转变一样，马氏体开始转变温度Ms1，应力诱导转变温度Md1通常高于室温，但当向ZrO2基陶瓷中加入某些稳定剂（如Y2O3，CaO，Al2O3等）后，可使一定晶粒度的ZrO2颗粒的Ms1降到Ms，Md1为Md而仍高于室温，其关系如下图。几种转变温度与室温的关系显然当有应力存在时，没有发生转变的ZrO2发生马氏体转变，使韧化陶瓷。相变韧化:当相变增韧陶瓷材料在承受载荷时由应力诱发产生马氏体相变，随之引发的体积效应和形状效应而吸收大量的能量使其表现出异常高的韧性。Md12、韧化机理（相变韧化）•陶瓷材料的断裂往往是材料内部的裂纹扩展所引起。在ZrO2增韧陶瓷中，当裂纹扩展进入到含有t-ZrO2的区域时，在尖端应力场的作用下，诱发裂纹尖端符合马氏体相变的晶粒发生马氏体相变，从而引起体积膨胀并吸收能量，同时体积的膨胀对裂纹产生压应力，这样新产生的断裂表面，体积膨胀消耗的能量和压应力共同阻止了裂纹的扩展，最终达到增韧的目的。能带理论•原子组成晶体后，其核外的能级将过渡为能带。能带的填充状态和交叠与否将对材料的物理性能产生极大影响。•通常在电场作用下，一个充满电子的能带不可能产生电流；即满带不导电。相反不满带导电•能带在某个方向的交叠也将使材料具有好的导电性。•通过以上讨论我们知道对导体而言其能带有两种情况，一是能带交叠，而无禁带；二是能带未填满，即有不满带存在，从前面讨论知道这两种情况都是导电的，所以具有这种能带的晶体就是导体。绝缘体和半导体能带为满带，半导体禁带宽度更窄。绝缘体、半导体、导体能带示意图对于锗硅等半导体，它们的外层壳层价电子状态为1个ns和3个np。它们的晶体结构为金刚石结构，每个晶胞有2个原子，每个原子有4个价电子，因此在N个晶胞的晶体中有8个价电子。当能级过渡为能带时，则价带可容纳16N个电子，因此按这种结构它们应该为金属而