材料科学基础ppt

材料科学基础第2版西安交通大学石德珂主编主要内容•导论•第一章材料结构的基本知识–第一节原子结构–第二节原子结合键–第三节原子的排列方式–第四节晶体材料的组织•第二章材料中的晶体结构–第一节晶体学基础–第二节纯金属的晶体结构–第三节离子晶体的结构–第四节共价晶体的结构•第三章晶体缺陷–第一节点缺陷–第二节位错的基本概念–第三节晶体中的界面•第四章材料的相结构及相图–第一节材料的相结构–第二节二元相图及其类型–第三节复杂相图分析–第四节相图的热力学基础•第五章材料的凝固与气相沉积–第一节材料凝固时晶核的形成–第二节材料凝固时晶体的生长–第三节固溶体合金的凝固–第四节共晶合金的凝固–第五节制造工艺与凝固组织–第六节材料非晶态–第七节材料的气—固转变•第六章扩散与固态相变–第一节扩散定律及其应用–第二节扩散机制–第三节影响扩散的因素与扩散驱动力–第四节几个特殊的有关扩散的实际问题–第五节固态相变中的形核–第六节固态相变的晶体生长•第七章陶瓷材料导论一·各种材料的概况工程材料按属性可分为三类：金属材料、陶瓷材料和高分子材料。也可由此三个相互组合而成的复合材料。按使用性能分类，则可分为主要利用其力学性能的结构材料和主要利用其物理性能的功能材料。二.材料性能与内部结构的关系材料的不同性能都是由其内部结构决定的。从材料的内部结构来看，可分为四个层次：原子结构、结合键、原子的排列方式（晶体和非晶体）以及显微组织。例如由于结合键的不同，性能也不同。如金属键结合的材料，内部有大量自由运动的电子，导致了金属有好的导电性，在变形时也不会破坏键的结合，故有好的塑性。而共价键结合的材料，电子被束缚而不能自由运动，所以通常是不导电的，只有在温度较高并加如一些杂质元素时才能形成半导体。共价键结合力很强且有方向性，变形时要破坏局部的键结合，因此这类材料硬度高但很脆。以金属键结合的原子排列很紧密，形成的晶体结构也比较简单，故金属的密度高；而以共价键结合的原子排列不够紧密，形成的晶体结构也比较复杂，故共价晶体结构的密度低。组织是指用金相观察方法观察材料内部时看到的涉及晶体或晶粒大小、方向、形状排列状况等组成关系的组成物。不同的组织具有不同的力学性能和物理性能。第一章材料结构的基本知识第一节原子结构一、原子的电子排列原子原子核中子质子核外电子原子的结构示意图原子的运动轨道是有四个量子数所确定的，它们分别为主量子数、次量子数、磁量子数以及自旋量子数。四个量子数中最重要的是主量子数n(n=1、2、3、4·····），各壳层能够容纳的电子总数分别为2、8、18、32，也就是相当于2，它是确定电子离核远近和能量高低的主要参数。随n的增加电子的能量依次增加。n2原子核外电子的分布与四个量子数有关，且服从下述两个基本原理：(1)泡利不相容原理一个原子中不可能存在有四个量子数完全相同的两个电子。(2)最低能量原理电子总是优先占据能量低的轨道，使系统处于最低的能量状态。依据上述原理，电子从低的能量水平至高的能量水平，依次排列在不同的量子状态下。第二节原子结合键通常把材料的液态和固态称为凝聚态。在凝聚态下，原子间距离十分接近，便产生了原子间的作用力，使原子结合在一起，或者说形成了键。材料的许多性能在很大程度上取决于原子结合键。根据结合力的强弱可把结合键分成两大类：一次键——结合力较强，包括离子键、共价键和金属键。二次键——结合力较弱，包括范德瓦尔斯键和氢键。一、一次键1.离子键金属元素特别是IA、IIA族金属在满壳层外面有少数价电子，它们很容易逸出；另方面VIIA、VIA族的非金属原子的外壳层只缺少1~2个电子便成为稳定的电子结构。当两类电子结合时，金属原子的外层电子很可能转移至非金属原子外壳层上，使两者都得到稳定的电子结构，从而降低了体系的能量，此时金属原子和非金属原子分别形成正离子和负离子，正、负离子间相互吸引，时原子结合在一起，这就是离子键。氯化钠离子键2.共价键相邻原子间可以共同组成一个新的电子轨道，由两个原子中各有一个电子共用，利用共享电子对来达到稳定的电子结构。共价结合时由于电子对之间的强烈排斥力，使共价键具有明显的方向性，这是其它键所不具备的。由于方向性，不允许改变原子的相对位置，所以材料不具塑性且比较坚硬，像金刚石就是世界上最坚硬的物质之一。金刚石的共价结合及其方向性示意图3.金属键金属原子失去其外壳层价电子形成带正电荷的阳离子，这些阳离子常在空间整齐的排列，而远离核的电子则在各正离子之间自由游荡，金属正是依靠正离子与自由电子时间相互吸引而结合起来的。金属键没有方向性，正离子之间改变相对位置并不会破坏电子与正离子间的结合力，因而金属具有良好的塑性。同样，金属正离子被另一种金属的正离子取代时也不会破坏结合键，这种金属之间的溶解能力也是金属最重要的特性。此外，金属导电性、导热性以及金属晶体中原子的密集排列等，都直接起因于金属键结合。金属键结合示意图二、二次键二次键是借原子之间的偶极吸引力结合而成。1.范德瓦尔斯键实际上由于各种原因导致负电荷中心与正电荷（原子核）中心并不一定重叠，这种分布产生一个偶极矩，此外，一些极性分子的正负电性位置不一致，也有类似的偶极矩。当原子或分子相互靠近时，一个原子的偶极矩将会影响另一个原子内的电子分布，电子密度在靠近第一个原子的正电荷处更高些，这样使两个原子相互静电吸引，体系就处于较低的能量状态。范德瓦尔斯键力示意图2.氢键氢原子只有一个电子，当氢原子与一个电负性很强的原子（或原子团）X结合成分子时，氢原子的一个电子转移至该原子壳层上，那么氢原子就相当于一个质子，对另一个电负性值较大的原子Y，表现出较强的吸引力，就形成氢键。氢键的表达式为：X-H------Y氢与X原子（或原子团）为离子键结合，与Y之间为氢键结合。冰中水分子的排列及氢键的作用第三节原子排列方式一.晶体与非晶体晶体中的原子排列时有序的，且各向异性。非晶体内部原子的排列是无序的。且各向同性。通常，金属与合金、大部分陶瓷（如氧化物、碳化物、氮化物等）以及少数高分子材料等是晶体材料。而多数高分子材料及玻璃等原子或分子结构较为复杂的材料为非晶体。第四节晶体材料的组织材料的组织就是只各种晶粒的组合特征，即各种晶粒的相对量、尺寸大小、形状及分布等特征。一.组织的显示与观察组织宏观组织金相组织（显微组织）观察组织前首先必须对要观察的试样进行反复的磨光和抛光，以获得平整而光滑的表面，然后经化学侵蚀。化学侵蚀的目的是将晶界显示出来。晶界二.单相组织具有单一相的组织为单相组织，即所有晶粒的化学组成相同，晶体结构也相同。如纯Fe、纯Al等的组织一定是单相的。此外，有些合金中合金元素可以完全溶解于基体中，形成均匀的合金相，也可形成单相固溶体组织，在固体状态时称为固溶体。描述单向组织特征的主要有晶粒尺寸及形状。晶粒尺寸对材料性能有重要影响，细化晶粒可以明显提高材料的强度，同时还改善材料的塑性和韧性，因此人们常采用各种措施来细化晶粒。单相黄铜显微组织图三.多相组织单相多晶体材料的强度往往很低，因此工程中更多应用的是两相以上的晶体材料，各个相具有不同的成分和晶体结构。在更多情况下，组织中两个相的晶粒尺度相差甚远，其中尺寸较细的相以球状、点状、片状或针状等形态弥散的分布于另一相晶粒的基体内。如果弥散相的硬度明显高于基体相则将显著的提高材料的强度，于此同时，塑性与韧性必将下降。增加弥散相的相对量，或者在相对量不变的情况下细化弥散相尺寸，都会大幅度提高材料的强度。这种强化方法称为弥散强化。第二章材料中的晶体结构第一节晶体学基础一.空间点阵和晶胞所谓空间点阵，是指由几何点在三维空间做周期性的规则排列所形成的三维阵列。构成空间点阵的每一个点称为阵点或结点。为了表达空间点阵的几何规律，常人为的将阵点用一系列相互平行的直线连接起来形成空间格架，称之为晶格，构成晶格最基本的单元称为晶胞。简单立方晶体结构规定在选取晶胞时应满足下列条件：（1）要能充分反映整个空间点阵的对称性。（2）在满足（1）的基础上，晶胞要具有尽可能多的直角。（3）在满足（1）（2）的基础上所选取的晶胞体积要最小。二.晶系和布拉菲点阵1.晶系：根据晶胞形状特征，所划分的晶体点阵系列，特征相同的归为一个晶系，共有７个晶系。2.布拉菲点阵：根据晶胞形状及阵点的分布特征所划分的晶体点阵系列,特征相同的归为一个晶系，共有14种。14种布拉菲点阵与七个晶系三.晶向指数和晶面指数1.晶向指数及其确定方法1)晶向指数—晶体点阵中阵点列的方向指数。2)确定已知晶向的指数(Miller指数)。(1)建坐标．一般为右手坐标，坐标原点位于待定晶向上某一阵点，坐标轴为晶胞棱边。(2)求投影．以晶格常数为单位，求待定晶向上任一阵点的投影值。(3)化整数．将投影值化为一组最小整数。(4)加括号．［uvw］。2.晶面指数及其确定方法1)晶面指数—晶体点阵中阵点面的方向指数。2)确定已知晶面的指数。(1)建坐标．右手坐标，坐标轴为晶胞的棱边，坐标原点不能位于待定晶面内。(2)求截距．以晶格常数为单位，求待定晶面在坐标轴上的截距值。(3)取倒数．将截距值取倒数。(4)化整数．将截距值的倒数化为一组最小整数。(5)加括号．（hkl）。3.六方晶体系的晶向指数和晶面指数1)确定已知晶面的指数（hkil）(1)建坐标．四轴坐标，坐标轴为a1、a2、a3和c，坐标原点不能位于待定晶面内。(2)求截距．以晶格常数为单位，求待定晶面在坐标轴上的截距值。(3)取倒数．将截距值取倒数。(4)化整数．将截距值的倒数化为一组最小整数。(5)加括号．（hkil），可以证明，i=－(h+k)。2)确定已知晶向的指数[uvtw]----移步法在t=－(u+v)约束下，在四轴坐标中,从坐标原点依次沿a1、a2、a3、c轴移动到待定晶向上的某个阵点，所移动步数即为［uvtw］.四.晶面间距1.晶面间距：相邻两平行晶面间的距离。2.计算公式对于各晶系的简单点阵，晶面间距与晶面指数(hkl)和点阵常数(a,b,c)之间有如下关系：立方晶系：四方晶系：正方晶系：六方晶系：2/1222]/[lkhadhkl2/12222])/(/)/[(1clakhdhkl2/1222])/()/()//[(1clbkahdhkl2/12222])/(/)(3/4/[1clakhkhdhkl第二节纯金属的晶体结构一.典型金属的晶体结构金属晶体中的结合键是金属键，由于金属键没有方向性和饱和性，使大多数金属晶体都具有排列紧密、对称性高的简单晶体结构。最常见的典型金属通常具有面心立方（A1或fcc）、体心立方（A2或bcc）和蜜排六方（A3或hcp）三种晶体结构。1.体心立方结构2.面心立方结构3.密排六方结构110111)0001(1111100211结构类型最密排面最密排方向bccfcccph1.原子最密排面和最密排方向bccfcccph2.一个晶胞中的原子数246一个体心立方晶胞中的原子数：2一个面心立方晶胞中的原子数：4一个密排六方晶胞中的原子数：6—晶胞的棱边长度a、b、c（用原子刚球半径r表示）4.点阵常数结构类型点阵常数特征点阵常数bccfcccpha=b=ca=b=ca=b≠cra)3/3(4ra22ra2—晶体中任一原子周围最近邻且等距离的原子数3.原子的配位数bccfcccph81212—晶胞中原子体积占总体积的分数5.致密度bccfcccph68.08374.06274.0626.间隙—若将晶体中的原子视为球形，则相互接触的最近邻原子间的空隙称为间隙。间隙内能容纳的最大刚性球的半径称为间隙半径。间隙大小常用间隙半径与原子半径之比表示。BrABrr/Ar1)面心立方结构晶体中的间隙正八面体间隙：位于晶胞各棱边中点及体心位置.一个晶胞中共有4个.414.0/ABrr正四面体间隙：位于晶胞体对角线的四分之一处.一个晶胞中共有8个.225.0/ABrr2)体心立方结构晶体中的间隙扁八面体间隙：位于晶胞各棱边中点及面心处.一个晶胞中共有6个.155.0/