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1 绪 论 1. 课 程 性 质 : 技 术 基 础 课. 课 程 任 务 : (1) 研 究 材 料 的 成 份 组 织 结 构 性 能 及 三 者 间 的 关 系 () 掌 握 有 关 工 程 材 料 的 基 本 理 论 和 知 识, 训 练 用 所 学 理 论 分 析 实 际 问 题 的 方 法 和 思 路 (3) 初 步 掌 握 材 料 的 科 学 实 验 方 法 和 有 关 的 实 验 技 术 ; 3. 材 料 的 四 大 家 族 1 金 属 材 料 : 综 合 性 能 等 陶 瓷 材 料 : 高 温 稳 定 性 能 等 3 高 分 子 材 料 ; 耐 腐 蚀 等 特 殊 性 能 4 复 合 材 料 :1+1 大 于 4. 决 定 材 料 性 能 的 最 根 本 的 因 素 是 什 么? 它 们 是 : 组 成 材 料 的 各 元 素 的 原 子 结 构, 原 子 间 的 相 互 作 用 相 互 结 合, 原 子 或 分 子 在 空 间 的 排 列 分 布 和 运 动 规 律 以 及 原 子 集 合 体 的 形 貌 特 征 等 使 用 性 能 举 例 见 课 件 加 工 工 艺 固 有 性 能 成 分 组 织 结 构 5. 材 料 科 学 研 究 材 料 的 成 分 组 织 结 构 加 工 工 艺 与 性 能 之 间 关 系 的 科 学 6. 学 习 材 料 科 学 的 意 义 : (1) 材 料 的 发 展 与 人 类 社 会 的 发 展 紧 密 联 系 人 类 使 用 材 料 的 七 个 时 代 : 公 元 前 10 万 年 : 石 器 时 代 公 元 前 3000 年 : 青 铜 器 时 代 公 元 前 1000 年 : 铁 器 时 代 公 元 0 年 : 水 泥 时 代 1800 年 : 钢 时 代 1950 年 : 硅 时 代 1990 年 : 新 材 料 时 代 新 材 料 : 结 构 与 功 能 陶 瓷 金 属 基 复 合 材 料 金 属 间 的 化 合 物 与 轻 金 属 纳 1

2 米 材 料 薄 膜 及 生 物 材 料 信 息 材 料 () 材 料 信 息 和 能 源 是 现 代 科 技 的 三 大 支 柱 1 信 息 与 材 料 : 信 息 获 取 ( 传 感 器 : 化 合 物 )- 信 息 传 递 ( 光 纤 : 无 机 有 机 材 料 )- 信 息 贮 存 ( 金 属 与 合 金 )- 信 息 显 示 ( 用 于 液 晶 显 示 的 非 晶 硅 有 机 液 晶 材 料 )- 信 息 处 理 ( 处 理 器 芯 片 硅 - 锗 ) 能 源 与 材 料 : 贮 氢 材 料 ( 钛 锰 及 稀 土 类 合 金 ) 太 阳 能 电 池 材 料 ( 硅 合 金 化 合 物 ) 核 能 用 材 料 ( 锆 合 金 等 ) 3 航 空 航 天 材 料 : 发 动 机 ( 高 温 合 金, 金 属 基 复 合 材 料, 陶 瓷 与 陶 瓷 基 复 合 材 料 ) 汽 轮 机 部 件 ( 纤 维 增 强 金 属 基 复 合 材 料 陶 瓷 基 复 合 材 料 ) 火 箭 喷 嘴 ( 难 熔 金 属 ) 等 4 人 与 材 料 : 金 属 无 机 高 分 子 及 其 复 合 材 料 第 一 章 材 料 中 的 原 子 排 列 材 料 的 性 能 取 决 于 内 部 结 构 原 子 结 构 原 子 键 合 原 子 排 列 显 微 组 织 包 括 晶 体 非 晶 体 包 括 规 则 排 列 不 规 则 排 列 1 原 子 结 构 原 子 : 原 子 核 电 子 原 子 的 电 子 排 列 原 子 核 外 电 子 分 布 服 从 基 本 原 理 : (1) 泡 利 不 相 容 原 理 () 最 低 能 量 原 理 第 一 节 原 子 的 结 合 方 式

3 原 子 结 合 键 结 合 键 : 是 指 原 子 结 合 形 成 分 子 或 固 体 时, 原 子 间 产 生 的 相 互 作 用 力, 称 为 结 合 力, 也 叫 结 合 键 结 合 键 分 类 一 次 键 ( 化 学 键 ): 金 属 键 共 价 键 离 子 键 二 次 键 ( 物 理 键 ): 分 子 键 和 氢 键 (1) 离 子 键 与 离 子 晶 体 原 子 结 合 : 电 子 转 移, 结 合 力 大, 无 方 向 性 和 饱 和 性 ; 离 子 晶 体 ; 硬 度 高, 脆 性 大, 熔 点 高 导 电 性 差 如 氧 化 物 陶 瓷 () 共 价 键 与 原 子 晶 体 原 子 结 合 : 电 子 共 用, 结 合 力 大, 有 方 向 性 和 饱 和 性 ; 原 子 晶 体 : 强 度 高 硬 度 高 ( 金 刚 石 ) 熔 点 高 脆 性 大 导 电 性 差 如 高 分 子 材 料 (3) 金 属 键 与 金 属 晶 体 原 子 结 合 : 电 子 逸 出 共 有, 结 合 力 较 大, 无 方 向 性 和 饱 和 性 ; 金 属 晶 体 : 导 电 性 导 热 性 延 展 性 好, 熔 点 较 高 如 金 属 金 属 键 : 依 靠 正 离 子 与 构 成 电 子 气 的 自 由 电 子 之 间 的 静 电 引 力 而 使 诸 原 子 结 合 到 一 起 的 方 式 (4) 分 子 键 与 分 子 晶 体 原 子 结 合 : 电 子 云 偏 移, 结 合 力 很 小, 无 方 向 性 和 饱 和 性 分 子 晶 体 : 熔 点 低, 硬 度 低 如 高 分 子 材 料 氢 键 :( 离 子 结 合 )X-H---Y( 氢 键 结 合 ), 有 方 向 性, 如 O-H O (5) 混 合 键 如 复 合 材 料 3. 工 程 材 料 的 分 类 各 种 结 合 键 对 比 见 课 件 表 格 3

4 第 二 节 原 子 的 规 则 排 列 一 晶 体 学 基 础 固 体 物 质 : 晶 体 : 规 则 排 列, 长 程 有 序, 有 确 定 的 熔 点, 各 向 异 性 非 晶 体 : 不 规 则 排 列, 长 程 无 序, 无 确 定 的 熔 点, 各 向 同 性 1 空 间 点 阵 与 晶 体 结 构 (1) 空 间 点 阵 : 由 几 何 点 做 周 期 性 的 规 则 排 列 所 形 成 的 三 维 阵 列 图 1-5 特 征 :a 原 子 的 理 想 排 列 ;b 有 14 种 其 中 : 空 间 点 阵 中 的 点 - 阵 点 它 是 纯 粹 的 几 何 点, 各 点 周 围 环 境 相 同 描 述 晶 体 中 原 子 排 列 规 律 的 空 间 格 架 称 之 为 晶 格 空 间 点 阵 中 最 小 的 几 何 单 元 称 之 为 晶 胞 () 晶 体 结 构 : 原 子 离 子 或 原 子 团 按 照 空 间 点 阵 的 实 际 排 列 特 征 :a 可 能 存 在 局 部 缺 陷 ; b 可 有 无 限 多 种 晶 胞 图 1-6 (1) 晶 胞 : 构 成 空 间 点 阵 的 最 基 本 单 元 () 选 取 原 则 : a 能 够 充 分 反 映 空 间 点 阵 的 对 称 性 ; b 相 等 的 棱 和 角 的 数 目 最 多 ; c 具 有 尽 可 能 多 的 直 角 ; d 体 积 尽 量 小 ( 不 一 定 最 小 ) (3) 形 状 和 大 小 点 阵 常 数 或 晶 格 常 数 : 有 三 个 棱 边 的 长 度 a,b,c 及 其 夹 角 α,β,γ 表 示 (4) 晶 胞 中 点 的 位 置 表 示 ( 坐 标 法 ) 3 布 拉 菲 点 阵 法 国 晶 体 学 家 :Bravais,1850 年 用 数 学 方 法 推 导, 14 种 点 阵 分 属 7 个 晶 系 区 分 空 间 点 阵 与 晶 体 结 构 见 课 件 图 4

5 4 晶 向 指 数 与 晶 面 指 数 晶 向 : 空 间 点 阵 中 各 阵 点 列 的 方 向 晶 面 : 通 过 空 间 点 阵 中 任 意 一 组 阵 点 的 平 面 国 际 上 通 用 米 勒 指 数 标 定 晶 向 和 晶 面 (1) 晶 向 指 数 的 标 定 a 建 立 坐 标 系 确 定 原 点 ( 阵 点 ) 坐 标 轴 和 度 量 单 位 ( 棱 边 ) b 求 坐 标 u,v,w c 化 整 数 u,v,w. d 加 [ ] [uvw] 说 明 : a 指 数 意 义 : 代 表 相 互 平 行 方 向 一 致 的 所 有 晶 向 b 负 值 : 标 于 数 字 上 方, 表 示 同 一 晶 向 的 相 反 方 向 c 晶 向 族 : 晶 体 中 原 子 排 列 情 况 相 同 但 空 间 位 向 不 同 的 一 组 晶 向 用 <uvw> 表 示, 数 字 相 同, 但 排 列 顺 序 不 同 或 正 负 号 不 同 的 晶 向 属 于 同 一 晶 向 族 () 晶 面 指 数 的 标 定 a 建 立 坐 标 系 : 确 定 原 点 ( 非 阵 点 ) 坐 标 轴 和 度 量 单 位 b 量 截 距 :x,y,z c 取 倒 数 :h,k,l d 化 整 数 :h,k,k e 加 圆 括 号 :(hkl) 说 明 : a 指 数 意 义 : 代 表 一 组 平 行 的 晶 面 ; b 0 的 意 义 : 面 与 对 应 的 轴 平 行 ; c 平 行 晶 面 : 指 数 相 同, 或 数 字 相 同 但 正 负 号 相 反 ; d 晶 面 族 : 晶 体 中 具 有 相 同 条 件 ( 原 子 排 列 和 晶 面 间 距 完 全 相 同 ), 空 间 位 向 不 同 的 各 组 晶 面 用 {hkl} 表 示 e 若 晶 面 与 晶 向 同 面, 则 hu+kv+lw=0; f 若 晶 面 与 晶 向 垂 直, 则 u=h, k=v, w=l (3) 六 方 系 晶 向 指 数 和 晶 面 指 数 用 三 指 数 表 示 六 方 晶 系 的 晶 面 和 晶 向 最 大 的 缺 点 是 晶 体 学 上 等 价 的 晶 面 和 晶 向 不 具 有 类 似 的 指 数 a 六 方 系 指 数 标 定 的 特 殊 性 : 四 轴 坐 标 系 b 晶 面 指 数 的 标 定 标 法 与 立 方 系 相 同 ( 四 个 截 距 ); 用 四 个 数 字 (hkil) 表 示 ;i=-(h+k) c 晶 向 指 数 的 标 定 举 例 : 立 方 晶 系 <100> <110> <111> 举 例 : 立 方 晶 系 {100} {110} {111} 晶 面 族 5

6 标 法 与 立 方 系 相 同 ( 四 个 坐 标 ); 用 四 个 数 字 (uvtw) 表 示 ;t=-(u+w) 依 次 平 移 法 : 适 合 于 已 知 指 数 画 晶 向 ( 末 点 ) 坐 标 换 算 法 :[UVW]~[uvtw] 晶 向 晶 面 指 数 标 定 练 习 见 课 件 (4) 晶 带 a 晶 带 : 平 行 于 某 一 晶 向 直 线 所 有 晶 面 的 组 合 晶 带 轴 晶 带 面 b 性 质 : 晶 带 用 晶 带 轴 的 晶 向 指 数 表 示 ; 晶 带 面 // 晶 带 轴 ; hu+kv+lw=0 c 晶 带 定 律 凡 满 足 上 式 的 晶 面 都 属 于 以 [uvw] 为 晶 带 轴 的 晶 带 推 论 : (a) 由 两 晶 面 (h 1 k 1 l 1 ) (h k l ) 求 其 晶 带 轴 [uvw]: u=k 1 l -k l 1 ; v=l 1 h -l h 1 ; w=h 1 k -h k 1 (b) 由 两 晶 向 [u 1 v 1 w 1 ][u v w ] 求 其 决 定 的 晶 面 (hkl) h=v 1 w 1 -v w ; k=w 1 u -w u 1 ; l=u 1 v -u v 1 (5) 晶 面 间 距 a 定 义 : 一 组 平 行 晶 面 中, 相 邻 两 个 平 行 晶 面 之 间 的 距 离 b 计 算 公 式 ( 简 单 立 方 ): d = h a + k + l 注 意 : 只 适 用 于 简 单 晶 胞 ; 对 于 面 心 立 方 hkl 不 全 为 偶 奇 数 体 心 立 方 h+k+l= 奇 数 时,d (hkl) =d/ 正 交 和 四 方 晶 系 六 方 晶 系 : 注 意, 上 述 晶 面 间 距 计 算 公 式 仅 适 用 于 简 单 晶 胞, 用 于 复 杂 点 阵 时 要 考 虑 晶 面 层 数 的 增 加 练 习 : 计 算 bcc fcc 主 要 晶 面 面 间 距, 对 比 特 点 见 课 件 6

7 7 补 充 : 原 子 的 面 密 度 : 单 位 晶 面 内 的 原 子 数 原 子 的 线 密 度 : 晶 向 上 单 位 长 度 包 含 的 原 子 数 计 算 : 面 心 立 方 体 心 立 方 {100}, {110}, {111} 晶 面 <100>,<110>,<111> 晶 向 的 原 子 密 度 两 晶 向 间 夹 角 : 两 晶 面 间 夹 角 结 果 见 课 件, 指 出 密 排 晶 面 密 排 晶 向 ) )( ( cos w v u w v u w w v v u u = α ) )( ( cos l k h l k h l l k k h h = α

8 二 典 型 晶 体 结 构 及 其 几 何 特 征 三 种 常 见 晶 体 结 构 : 面 心 立 方 (A1, FCC) 体 心 立 方 (A1, BCC) 密 排 六 方 (A3, HCP) 晶 胞 原 子 数 4 6 点 阵 常 数 a=/r a=4/3/3r a=r 配 位 数 1 8(8+6) 1 致 密 度 堆 垛 方 式 ABCABC.. ABABAB.. ABABAB.. 结 构 间 隙 正 四 面 体 正 八 面 体 四 面 体 扁 八 面 体 四 面 体 正 八 面 体 ( 个 数 ) (r B /r A ) 晶 胞 结 构 见 课 件 图, 根 据 图 具 体 说 明 各 种 结 构 的 特 点 配 位 数 (CN): 晶 体 结 构 中 任 一 原 子 周 围 最 近 且 等 距 离 的 原 子 数 致 密 度 (K): 晶 体 结 构 中 原 子 体 积 占 总 体 积 的 百 分 数 K=nv/V 间 隙 半 径 (r B ): 间 隙 中 所 能 容 纳 的 最 大 圆 球 半 径 (1)fcc 和 hcp 都 是 密 排 结 构, 而 bcc 则 是 比 较 开 放 的 结 构, 因 为 它 的 间 隙 较 多 ()fcc 和 hcp 金 属 中 的 八 面 体 间 隙 大 于 四 面 体 间 隙, 故 这 些 金 属 中 的 间 隙 原 子 往 往 位 于 八 面 体 间 隙 中 (3) 在 bcc 晶 体 中, 四 面 体 间 隙 大 于 八 面 体 间 隙, 因 而 间 隙 原 子 应 占 据 四 面 体 间 隙 位 置 但 有 些 情 况 下, 间 隙 原 子 占 据 八 面 体 间 隙 位 置 ( 如 碳 在 α- 铁 中 ) (4)fcc 和 hcp 中 的 八 面 体 间 隙 远 大 于 bcc 中 的 八 面 体 或 四 面 体 间 隙, 因 而 间 隙 原 子 在 fcc 和 hcp 中 的 固 溶 度 往 往 比 在 bcc 中 大 得 多 (5)fcc 和 hcp 晶 体 中 的 八 面 体 间 隙 大 小 彼 此 相 等, 四 面 体 间 隙 大 小 也 相 等, 其 原 因 在 于 这 两 种 晶 体 的 原 子 堆 垛 方 式 非 常 相 像 三 种 结 构 的 间 隙 对 比 8

9 陶 瓷 的 晶 体 结 构 : 离 子 晶 体 的 结 构 :MgO, CaO, ZrO, AlO3 (1) 鲍 林 第 一 规 则 ( 负 离 子 配 位 多 面 体 规 则 ): 在 离 子 晶 体 中, 正 离 子 周 围 形 成 一 个 负 离 子 配 位 多 面 体, 正 负 离 子 间 的 平 衡 距 离 取 决 于 正 负 离 子 半 径 之 和, 正 离 子 的 配 位 数 取 决 于 正 负 离 子 的 半 径 比 () 鲍 林 第 二 规 则 ( 电 价 规 则 含 义 ): 一 个 负 离 子 必 定 同 时 被 一 定 数 量 的 负 离 子 配 位 多 面 体 所 共 有 (3) 鲍 林 第 三 规 则 ( 棱 与 面 规 则 ): 在 配 位 结 构 中, 共 用 棱 特 别 是 共 用 面 的 存 在, 会 降 低 这 个 结 构 的 稳 定 性 NaCl 型 :MgO, NiO, FeO, MnO ZrO 型 (CaF 型 ): ZrO, UO, ThO, CeO AlO3 型 : AlO3, CrO3, α-feo3, TiO3,VO3 结 合 课 件 图 片 简 单 介 绍 各 种 结 构 的 基 本 特 点 共 价 键 晶 体 的 结 构 :SiC, Si3N4, SiO (1) 饱 和 性 : 一 个 原 子 的 共 价 键 数 为 8-N () 方 向 性 : 各 键 之 间 有 确 定 的 方 位 ( 配 位 数 小, 结 构 稳 定 ) 多 晶 型 性 元 素 的 晶 体 结 构 随 外 界 条 件 的 变 化 而 发 生 转 变 的 性 质 9

10 第 三 节 原 子 的 不 规 则 排 列 原 子 的 不 规 则 排 列 产 生 晶 体 缺 陷 晶 体 缺 陷 在 材 料 组 织 控 制 ( 如 扩 散 相 变 ) 和 性 能 控 制 ( 如 材 料 强 化 ) 中 具 有 重 要 作 用 晶 体 缺 陷 : 实 际 晶 体 中 与 理 想 点 阵 结 构 发 生 偏 差 的 区 域 ( 晶 体 缺 陷 可 分 为 以 下 三 类 ) 点 缺 陷 : 在 三 维 空 间 各 方 向 上 尺 寸 都 很 小 的 缺 陷 如 空 位 间 隙 原 子 异 类 原 子 等 线 缺 陷 : 在 两 个 方 向 上 尺 寸 很 小, 而 另 一 个 方 向 上 尺 寸 较 大 的 缺 陷 主 要 是 位 错 面 缺 陷 : 在 一 个 方 向 上 尺 寸 很 小, 在 另 外 两 个 方 向 上 尺 寸 较 大 的 缺 陷 如 晶 界 相 界 表 面 等 一 点 缺 陷 1 点 缺 陷 的 类 型 (1) 空 位 : 肖 脱 基 空 位 - 离 位 原 子 进 入 其 它 空 位 或 迁 移 至 晶 界 或 表 面 弗 兰 克 尔 空 位 - 离 位 原 子 进 入 晶 体 间 隙 () 间 隙 原 子 : 位 于 晶 体 点 阵 间 隙 的 原 子 (3) 置 换 原 子 : 位 于 晶 体 点 阵 位 置 的 异 类 原 子 点 缺 陷 的 平 衡 浓 度 (1) 点 缺 陷 是 热 力 学 平 衡 的 缺 陷 - 在 一 定 温 度 下, 晶 体 中 总 是 存 在 着 一 定 数 量 的 点 缺 陷 ( 空 位 ), 这 时 体 系 的 能 量 最 低 - 具 有 平 衡 点 缺 陷 的 晶 体 比 理 想 晶 体 在 热 力 学 上 更 为 稳 定 ( 原 因 : 晶 体 中 形 成 点 缺 陷 时, 体 系 内 能 的 增 加 将 使 自 由 能 升 高, 但 体 系 熵 值 也 增 加 了, 这 一 因 素 又 使 自 由 能 降 低 其 结 果 是 在 G-n 曲 线 上 出 现 了 最 低 值, 对 应 的 n 值 即 为 平 衡 空 位 数 ) () 点 缺 陷 的 平 衡 浓 度 c V = ne N ΔE = exp( kt v ΔS + k v ) = ΔE Aexp( kt v ) 3 点 缺 陷 的 产 生 及 其 运 动 (1) 点 缺 陷 的 产 生 平 衡 点 缺 陷 : 热 振 动 中 的 能 力 起 伏 过 饱 和 点 缺 陷 : 外 来 作 用, 如 高 温 淬 火 辐 照 冷 加 工 等 () 点 缺 陷 的 运 动 ( 迁 移 复 合 - 浓 度 降 低 ; 聚 集 - 浓 度 升 高 - 塌 陷 ) 结 合 课 件 图 片 介 绍 10

11 4 点 缺 陷 与 材 料 行 为 (1) 结 构 变 化 : 晶 格 畸 变 ( 如 空 位 引 起 晶 格 收 缩, 间 隙 原 子 引 起 晶 格 膨 胀, 置 换 原 子 可 引 起 收 缩 或 膨 胀 ) () 性 能 变 化 : 物 理 性 能 ( 如 电 阻 率 增 大, 密 度 减 小 ) 力 学 性 能 ( 屈 服 强 度 提 高 ) 二 线 缺 陷 ( 位 错 ) 位 错 : 晶 体 中 某 处 一 列 或 若 干 列 原 子 有 规 律 的 错 排 意 义 :( 对 材 料 的 力 学 行 为 如 塑 性 变 形 强 度 断 裂 等 起 着 决 定 性 的 作 用, 对 材 料 的 扩 散 相 变 过 程 有 较 大 影 响 ) 位 错 的 提 出 :196 年, 弗 兰 克 尔 发 现 理 论 晶 体 模 型 刚 性 切 变 强 度 与 与 实 测 临 界 切 应 力 的 巨 大 差 异 (~4 个 数 量 级 ) 1934 年, 泰 勒 波 朗 依 奥 罗 万 几 乎 同 时 提 出 位 错 的 概 念 1939 年, 柏 格 斯 提 出 用 柏 氏 矢 量 表 征 位 错 1947 年, 柯 垂 耳 提 出 溶 质 原 子 与 位 错 的 交 互 作 用 1950 年, 弗 兰 克 和 瑞 德 同 时 提 出 位 错 增 殖 机 制 之 后, 用 TEM 直 接 观 察 到 了 晶 体 中 的 位 错 1 位 错 的 基 本 类 型 (1) 刃 型 位 错 模 型 : 滑 移 面 / 半 原 子 面 / 位 错 线 ( 位 错 线 晶 体 滑 移 方 向, 位 错 线 位 错 运 动 方 向, 晶 体 滑 移 方 向 // 位 错 运 动 方 向 ) 分 类 : 正 刃 型 位 错 ( ); 负 刃 型 位 错 ( ) () 螺 型 位 错 模 型 : 滑 移 面 / 位 错 线 ( 位 错 线 // 晶 体 滑 移 方 向, 位 错 线 位 错 运 动 方 向, 晶 体 滑 移 方 向 位 错 运 动 方 向 ) 分 类 : 左 螺 型 位 错 ; 右 螺 型 位 错 (3) 混 合 位 错 模 型 : 滑 移 面 / 位 错 线 位 错 的 性 质 (1) 形 状 : 不 一 定 是 直 线, 位 错 及 其 畸 变 区 是 一 条 管 道 () 是 已 滑 移 区 和 未 滑 移 区 的 边 界 (3) 不 能 中 断 于 晶 体 内 部 可 在 表 面 露 头, 或 终 止 于 晶 界 和 相 界, 或 与 其 它 位 错 相 交, 或 自 行 封 闭 成 环 3 柏 氏 矢 量 1939 年 柏 格 斯 (Brugers) 提 出, 把 形 成 一 个 位 错 的 滑 移 矢 量 定 义 为 位 错 矢 量, 并 称 为 柏 氏 矢 量 ( 或 柏 矢 量 ), 以 b 表 示, 它 是 位 错 的 特 征 标 志 结 合 课 件 图 片 介 绍 11

12 (1) 确 定 方 法 ( 避 开 严 重 畸 变 区 ) a 在 位 错 周 围 沿 着 点 阵 结 点 形 成 封 闭 回 路 b 在 理 想 晶 体 中 按 同 样 顺 序 作 同 样 大 小 的 回 路 c 在 理 想 晶 体 中 从 终 点 到 起 点 的 矢 量 即 为 () 柏 氏 矢 量 的 物 理 意 义 a 代 表 位 错, 并 表 示 其 特 征 ( 强 度 畸 变 量 ) b 表 示 晶 体 滑 移 的 方 向 和 大 小 c 柏 氏 矢 量 的 守 恒 性 ( 唯 一 性 ): 一 条 位 错 线 具 有 唯 一 的 柏 氏 矢 量 d 判 断 位 错 的 类 型 (3) 柏 氏 矢 量 的 表 示 方 法 a 表 示 : ( 可 以 用 矢 量 加 法 进 行 运 算 ) b 求 模 : b = a [uvw] n a n b = u + v + w 全 位 错 : 柏 氏 矢 量 的 模 等 于 该 晶 向 上 的 原 子 间 距 的 位 错, 又 叫 单 位 位 错 不 全 位 错 : 柏 氏 矢 量 的 模 小 于 该 晶 向 上 的 原 子 间 距 的 位 错 (4) 柏 氏 矢 量 的 特 性 a 代 表 位 错, 并 表 示 其 特 征 ( 强 度 畸 变 量 ) b 表 示 晶 体 滑 移 的 方 向 和 大 小 :b 平 行 于 滑 移 方 向 c 柏 氏 矢 量 的 守 恒 性 ( 唯 一 性 ): 一 条 位 错 线 具 有 唯 一 的 柏 氏 矢 量 d 判 断 位 错 的 类 型 : 刃 型 位 错 b 垂 直 于 位 错 线, 螺 型 位 错 b 平 行 于 位 错 线 e 用 柏 氏 回 路 求 得 的 柏 氏 矢 量 为 回 路 中 包 围 的 所 有 位 错 柏 氏 矢 量 的 总 和 ( 矢 量 和 ) 可 加 性, 练 习 ( 见 课 件 ) 举 例 讲 清 柏 氏 矢 量 的 模 的 意 义 及 计 算 1

13 4 位 错 密 度 (1) 表 示 方 法 :ρ=k/v ρ=n/a () 晶 体 强 度 与 位 错 密 度 的 关 系 (τ-ρ 图 ) (3) 位 错 观 察 : 浸 蚀 法 电 境 法 5 位 错 的 运 动 (1) 位 错 的 易 动 性 () 位 错 运 动 的 方 式 a 滑 移 : 位 错 沿 着 滑 移 面 的 移 动 刃 型 位 错 的 滑 移 : 具 有 唯 一 的 滑 移 面 螺 型 位 错 的 滑 移 : 具 有 多 个 滑 移 面 位 错 环 的 滑 移 : 注 重 柏 氏 矢 量 的 应 用 b 攀 移 : 刃 型 位 错 在 垂 直 于 滑 移 面 方 向 上 的 运 动 机 制 : 原 子 面 下 端 原 子 的 扩 散 位 错 随 半 原 子 面 的 上 下 移 动 而 上 下 运 动 分 类 : 正 攀 移 ( 原 子 面 上 移 空 位 加 入 )/ 负 攀 移 ( 原 子 面 下 移 原 子 加 入 ) 应 力 的 作 用 :( 半 原 子 面 侧 ) 压 应 力 有 利 于 正 攀 移, 拉 应 力 有 利 于 负 攀 移 (3) 作 用 在 位 错 上 的 力 ( 单 位 距 离 上 ) 滑 移 :f=τb; 攀 移 :f=σb 6 位 错 的 应 变 能 与 线 张 力 (1) 单 位 长 度 位 错 的 应 变 能 :W=αGb (α=0.5~1.0, 螺 位 错 取 下 限, 刃 位 错 取 上 限 ) () 位 错 是 不 平 衡 的 缺 陷 ( 熵 增 不 能 抵 销 应 变 能 的 增 加 ) (3) 位 错 的 线 张 力 :T=αGb (4) 保 持 位 错 弯 曲 所 需 的 切 应 力 :τ=gb/r 7 位 错 的 应 力 场 及 其 与 其 它 缺 陷 的 作 用 (1) 应 力 场 螺 位 错 :τ=gb/πr ( 只 有 切 应 力 分 量 ) 利 用 课 件 图 片 介 绍 不 同 位 错 滑 移 方 向 13

14 刃 位 错 : 表 达 式 ( 式 1-9) 晶 体 中 : 滑 移 面 以 上 受 压 应 力, 滑 移 面 以 下 受 拉 应 力 滑 移 面 : 只 有 切 应 力 () 位 错 与 位 错 的 交 互 作 用 f=τb,f=-σb ( 刃 位 错 ) 同 号 相 互 排 斥, 异 号 相 互 吸 引 ( 达 到 能 量 最 低 状 态 ) (3) 位 错 与 溶 质 原 子 的 相 互 作 用 间 隙 原 子 聚 集 于 位 错 中 心, 使 体 系 处 于 低 能 态 柯 氏 气 团 : 溶 质 原 子 在 位 错 线 附 近 偏 聚 的 现 象 (4) 位 错 与 空 位 的 交 互 作 用 导 致 位 错 攀 移 8 位 错 的 增 殖 塞 积 与 交 割 (1) 位 错 的 增 殖 :Frank-Read 源 (F-R 源 ) () 位 错 的 塞 积 分 布 : 逐 步 分 散 位 错 受 力 : 切 应 力 作 用 在 位 错 上 的 力 位 错 间 的 排 斥 力 障 碍 物 的 阻 力 (3) 位 错 的 交 割 位 错 交 割 后 结 果 : 按 照 对 方 位 错 柏 氏 矢 量 ( 变 化 方 向 和 大 小 ) 割 阶 : 位 错 交 割 后 的 台 阶 不 位 于 它 原 来 的 滑 移 面 上 扭 折 : 位 于 对 性 能 影 响 : 增 加 位 错 长 度, 产 生 固 定 割 阶 动 画 演 示 位 错 增 殖 过 程 14

15 9 实 际 晶 体 中 的 位 错 (1) 全 位 错 : 通 常 把 柏 氏 矢 量 等 于 点 阵 矢 量 的 位 错 称 为 全 位 错 或 单 位 位 错 ( 实 际 晶 体 中 的 典 型 全 位 错 如 表 1-7 所 示 ) () 不 全 位 错 : 柏 氏 矢 量 小 于 点 阵 矢 量 的 位 错 ( 实 际 晶 体 中 的 典 型 不 全 位 错 如 表 1-7 所 示 ) (1) 肖 克 莱 和 弗 兰 克 不 全 位 错 肖 克 莱 不 全 位 错 的 形 成 : 原 子 运 动 导 致 局 部 错 排, 错 排 区 与 完 整 晶 格 区 的 边 界 线 即 为 肖 克 莱 不 全 位 错 ( 结 合 位 错 反 应 理 解 可 为 刃 型 螺 型 或 混 合 型 位 错 ) 弗 兰 克 不 全 位 错 的 形 成 : 在 完 整 晶 体 中 局 部 抽 出 或 插 入 一 层 原 子 所 形 成 ( 只 能 攀 移, 不 能 滑 移 ) () 堆 垛 层 错 与 扩 展 位 错 堆 垛 层 错 : 晶 体 中 原 子 堆 垛 次 序 中 出 现 的 层 状 错 排 扩 展 位 错 : 一 对 不 全 位 错 及 中 间 夹 的 层 错 称 之 10 位 错 反 应 (1) 位 错 反 应 : 位 错 的 分 解 与 合 并 () 反 应 条 件 几 何 条 件 : b 前 = b 后 ; 反 应 前 后 位 错 的 柏 氏 矢 量 之 和 相 等 能 量 条 件 : b 前 > b 后 ; 反 应 后 位 错 的 总 能 量 小 于 反 应 前 位 错 的 总 能 量 11 离 子 晶 体 中 的 位 错 1 共 价 晶 体 中 的 位 错 三 面 缺 陷 面 缺 陷 主 要 包 括 晶 界 相 界 和 表 面, 它 们 对 材 料 的 力 学 和 物 理 化 学 性 能 具 有 重 要 影 响 1 晶 界 (1) 晶 界 : 两 个 空 间 位 向 不 同 的 相 邻 晶 粒 之 间 的 界 面 () 分 类 小 角 度 晶 界 : 晶 粒 位 向 差 小 于 10 度 的 晶 界 其 结 构 为 位 错 列, 又 分 为 对 称 倾 侧 晶 界 和 扭 转 晶 界 大 角 度 晶 界 : 晶 粒 位 向 差 大 于 10 度 的 晶 界 其 结 构 为 几 个 原 子 范 围 内 的 原 子 的 混 乱 排 列, 可 视 为 一 个 过 渡 区 大 角 度 晶 界 模 型 : 重 合 位 置 点 阵 模 型 要 求 记 住 bcc fcc 主 要 全 位 错 课 件 图 示 举 例 介 绍 判 断 位 错 反 应 的 方 法, 练 习 简 单 了 解 15

16 晶 界 能 (J/m): 小 角 度 晶 界 能 : r=r0θ(b-ln θ) 大 角 晶 界 能 : 0.5~1.0 (J/m) 小 角 度 界 面 能 随 位 向 差 的 增 大 而 增 大 ; 大 角 度 界 面 能 基 本 是 一 恒 定 值 亚 晶 界 : 位 向 差 小 于 1 度 的 亚 晶 粒 之 间 的 边 界 为 位 错 结 构 3 孪 晶 界 : 两 块 相 邻 孪 晶 的 共 晶 面 分 为 共 格 孪 晶 界 和 非 共 格 孪 晶 界 4 相 界 (1) 相 界 : 相 邻 两 个 相 之 间 的 界 面 () 分 类 : 共 格 半 共 格 和 非 共 格 相 界 5 表 面 (1) 表 面 吸 附 : 外 来 原 子 或 气 体 分 子 在 表 面 上 富 集 的 现 象 () 分 类 物 理 吸 附 : 由 分 子 键 力 引 起, 无 选 择 性, 吸 附 热 小, 结 合 力 小 化 学 吸 附 : 由 化 学 键 力 引 起, 有 选 择 性, 吸 附 热 大, 结 合 力 大 6 界 面 特 性 (1) 界 面 能 会 引 起 界 面 吸 附 () 界 面 上 原 子 扩 散 速 度 较 快 (3) 对 位 错 运 动 有 阻 碍 作 用 (4) 易 被 氧 化 和 腐 蚀 (5) 原 子 的 混 乱 排 列 利 于 固 态 相 变 的 形 核 16

17 第 二 章 固 体 中 的 相 结 构 基 本 概 念 1 合 金 (1) 合 金 : 两 种 或 两 种 以 上 的 金 属, 或 金 属 与 非 金 属 经 一 定 方 法 合 成 的 具 有 金 属 特 性 的 物 质 () 组 元 : 组 成 合 金 最 基 本 的 物 质 ( 如 一 元 二 元 三 元 合 金 (3) 合 金 系 : 给 定 合 金 以 不 同 的 比 例 而 合 成 的 一 系 列 不 同 成 分 合 金 的 总 称 相 (1) 相 : 材 料 中 结 构 相 同 成 分 和 性 能 均 一 的 组 成 部 分 ( 如 单 相 两 相 多 相 合 金 ) () 相 的 分 类 固 溶 体 : 晶 体 结 构 与 其 某 一 组 元 相 同 的 相 含 溶 剂 和 溶 质 中 间 相 ( 金 属 化 合 物 ): 组 成 原 子 有 固 定 比 例, 其 结 构 与 组 成 组 元 均 不 相 同 的 相 第 一 节 固 溶 体 按 溶 质 原 子 位 置 不 同, 可 分 为 置 换 固 溶 体 和 间 隙 固 溶 体 按 固 溶 度 不 同, 可 分 为 有 限 固 溶 体 和 无 限 固 溶 体 按 溶 质 原 子 分 布 不 同, 可 分 为 无 序 固 溶 体 和 有 序 固 溶 体 固 溶 体 基 本 特 征 : 保 持 原 溶 剂 的 晶 体 结 构 ; 有 一 定 的 成 份 范 围 ; 具 有 比 较 明 显 的 金 属 性 质 具 有 一 定 的 导 电 和 导 热 性 和 一 定 的 塑 性 等 等 这 表 明, 固 溶 体 中 的 结 合 键 主 要 是 金 属 键 1 置 换 固 溶 体 (1) 置 换 固 溶 体 : 溶 质 原 子 位 于 晶 格 点 阵 位 置 的 固 溶 体 () 影 响 置 换 固 溶 体 溶 解 度 的 因 素 a 原 子 尺 寸 因 素 原 子 尺 寸 差 越 小, 越 易 形 成 置 换 固 溶 体, 且 溶 解 度 越 大 r=(r A -r B )/r A 当 r<15% 时, 有 利 于 大 量 互 溶 b 晶 体 结 构 因 素 17

18 结 构 相 同, 溶 解 度 大, 有 可 能 形 成 无 限 固 溶 体 c 电 负 性 因 素 电 负 性 差 越 小, 越 易 形 成 固 溶 体, 溶 解 度 越 大 d 电 子 浓 度 因 素 电 子 浓 度 e/a 越 大, 溶 解 度 越 小 e/a 有 一 极 限 值, 与 溶 剂 晶 体 结 构 有 关 一 价 面 心 立 方 金 属 为 1.36, 一 价 体 心 立 方 金 属 为 1.48 ( 上 述 四 个 因 素 并 非 相 互 独 立, 其 统 一 的 理 论 的 是 金 属 与 合 金 的 电 子 理 论 ) 当 溶 剂 为 一 价 面 心 立 方 金 属 时, 不 同 溶 质 的 最 大 固 溶 度 对 应 的 电 子 浓 度 具 有 一 定 的 极 限 值 ; 溶 质 元 素 原 子 价 愈 高, 固 溶 度 愈 小 注 意 电 子 浓 度 的 计 算 间 隙 固 溶 体 (1) 影 响 因 素 : 原 子 半 径 和 溶 剂 结 构 () 溶 解 度 : 一 般 都 很 小, 只 能 形 成 有 限 固 溶 体 3. 有 序 固 溶 体 : 有 序 固 溶 体 有 确 定 的 化 学 成 分, 可 用 化 学 式 表 示 有 序 化 : 从 无 序 或 短 程 有 序 状 态 转 变 为 长 程 有 序 状 态 的 过 程 有 序 化 温 度 : 有 序 化 的 临 界 转 变 温 度 4 固 溶 体 的 结 构 (1) 晶 格 畸 变 () 偏 聚 与 有 序 : 完 全 无 序 偏 聚 部 分 有 序 完 全 有 序 5 固 溶 体 的 性 能 固 溶 体 的 强 度 和 硬 度 高 于 纯 组 元, 塑 性 则 较 低 (1) 固 溶 强 化 : 由 于 溶 质 原 子 的 溶 入 而 引 起 的 强 化 效 应 () 柯 氏 气 团 (3) 有 序 强 化 间 隙 固 溶 体 的 强 化 效 果 高 于 置 换 固 溶 体 原 因 : 柯 氏 气 团 钉 扎 位 错 溶 质 和 溶 剂 原 子 尺 寸 相 差 越 大 或 固 溶 度 越 小, 固 溶 强 化 越 明 显 有 序 强 化 : 有 序 状 态 的 强 度 高 于 无 序 状 态 EAB>EAA 或 EBB 物 理 性 能 的 变 化 : 随 溶 质 原 子 的 增 多, 电 阻 升 高 18

19 第 二 节 金 属 间 化 合 物 中 间 相 是 由 金 属 与 金 属, 或 金 属 与 类 金 属 元 素 之 间 形 成 的 化 合 物, 也 称 为 金 属 间 化 合 物 1 正 常 价 化 合 物 (1) 形 成 : 电 负 性 差 起 主 要 作 用, 符 合 原 子 价 规 则 () 键 型 : 随 电 负 性 差 的 减 小, 分 别 形 成 离 子 键 共 价 键 金 属 键 (3) 组 成 :AB 或 AB 电 子 化 合 物 ( 电 子 相 ) (1) 形 成 : 电 子 浓 度 起 主 要 作 用, 不 符 合 原 子 价 规 则 () 键 型 : 金 属 键 ( 金 属 - 金 属 ) (3) 组 成 : 电 子 浓 度 对 应 晶 体 结 构, 可 用 化 学 式 表 示, 可 形 成 以 化 合 物 为 基 的 固 溶 体 3 间 隙 化 合 物 (1) 形 成 : 尺 寸 因 素 起 主 要 作 用 () 结 构 简 单 间 隙 化 合 物 ( 间 隙 相 ): 金 属 原 子 呈 现 新 结 构, 非 金 属 原 子 位 于 其 间 隙, 结 构 简 单 复 杂 间 隙 化 合 物 : 主 要 是 铁 钴 铬 锰 的 化 合 物, 结 构 复 杂 (3) 组 成 : 可 用 化 学 式 表 示, 可 形 成 固 溶 体, 复 杂 间 隙 化 合 物 的 金 属 元 素 可 被 置 换 4 拓 扑 密 堆 相 (1) 形 成 : 由 大 小 原 子 的 适 当 配 合 而 形 成 的 高 密 排 结 构 () 组 成 :AB 5 金 属 化 合 物 的 特 性 (1) 力 学 性 能 : 高 硬 度 高 硬 度 低 塑 性 () 物 化 性 能 : 具 有 电 学 磁 学 声 学 性 质 等, 可 用 于 半 导 体 材 料 形 状 记 忆 材 料 储 氢 材 料 等 注 意 电 子 浓 度 的 计 算 19

20 1 陶 瓷 材 料 简 介 第 三 节 陶 瓷 晶 体 相 (1) 分 类 : 结 构 陶 瓷 ( 利 用 其 力 学 性 能 ): 强 度 ( 叶 片 活 塞 ) 韧 性 ( 切 削 刀 具 ) 硬 度 ( 研 磨 材 料 ) 功 能 陶 瓷 ( 利 用 其 物 理 性 能 ) 精 细 功 能 陶 瓷 : 导 电 气 敏 湿 敏 生 物 超 导 陶 瓷 等 功 能 转 换 陶 瓷 : 压 电 光 电 热 电 磁 光 声 光 陶 瓷 等 结 合 键 : 离 子 键 共 价 键 硅 酸 盐 陶 瓷 : 主 要 是 离 子 键 结 合, 含 一 定 比 例 的 共 价 键 可 用 分 子 式 表 示 其 组 成 按 结 构 可 分 为 : 氧 化 物 陶 瓷 硅 酸 盐 陶 瓷 氧 化 物 结 构 陶 瓷 氧 化 物 陶 瓷 是 典 型 的 离 子 化 合 物 了 解 主 要 特 点, 自 学 为 主 有 AB,AB,AB3,ABO3,ABO4 等 结 构 (1)AB 型 结 构 NaCl 型 结 构, 如 氯 化 钠 晶 体, 其 化 学 式 为 NaCl, 晶 体 结 构 为 立 方 晶 系 氯 化 钠 是 一 种 立 方 面 心 格 子 其 中 阴 离 子 按 立 方 最 紧 密 方 式 堆 积, 阳 离 子 填 充 于 全 部 的 八 面 体 空 隙 中, 阴 阳 离 子 的 配 位 数 都 为 6 闪 锌 矿 型 结 构, 如 立 方 ZnS, 为 立 方 晶 系,ZnS 是 立 方 面 心 格 子, 阴 离 子 位 于 立 方 面 心 格 子 的 节 点 位 置, 而 阳 离 子 交 错 的 分 布 于 立 方 体 内 的 1/8 小 立 方 体 的 中 心 阳 离 子 的 配 位 数 是 4, 阴 离 子 的 配 位 数 也 是 4 ()AB 型 结 构 萤 石 结 构,CaF, 结 构 属 于 立 方 晶 系, 阳 离 子 位 于 立 方 面 心 的 节 点 位 置 上, 阴 离 子 则 位 于 立 方 体 内 把 个 小 立 方 体 的 中 心 阳 离 子 的 配 位 数 位 8, 而 阴 离 子 的 的 配 位 数 为 4 金 红 石 结 构, 金 红 石 结 构 为 四 方 晶 系 金 红 石 为 四 方 原 始 格 子, 阳 离 子 位 于 四 方 原 始 格 子 的 节 点 位 置, 体 中 心 的 阳 离 子 不 属 于 这 个 四 方 原 始 格 子, 而 自 成 另 一 套 四 方 原 始 格 子, 因 为 这 两 个 阳 离 子 的 周 围 环 境 是 不 相 同 的, 所 以, 不 能 成 为 一 个 四 方 体 心 格 子, 氧 离 子 在 晶 胞 中 处 于 一 些 特 定 的 位 置 上 (3)AB3 型 结 构 刚 玉 型 结 构, 刚 玉 晶 体 结 构 属 于 三 方 晶 系 阴 离 子 按 六 方 紧 密 堆 积 排 列, 而 阳 离 子 填 充 于 /3 的 八 面 体 空 隙, 因 此 阳 离 子 的 分 布 必 须 有 一 定 的 规 律, 其 原 则 就 是 在 同 一 层 和 层 与 层 之 间, 阳 离 子 之 间 的 距 离 应 保 持 最 远, 这 是 符 合 于 鲍 林 规 则 的 0

21 (4)ABO3 型 结 构 钙 钛 矿 型 结 构, 是 一 种 复 合 氧 化 物 结 构, 在 高 温 时 属 于 立 方 晶 系, 在 降 温 时, 通 过 某 一 特 定 的 温 度 后 将 产 生 结 构 的 畸 变 使 立 方 晶 格 的 对 称 性 下 降 3 硅 酸 盐 结 构 陶 瓷 (1) 硅 酸 盐 陶 瓷 的 结 构 分 类 a 含 有 限 Si-O 团 的 硅 酸 盐, 包 括 含 孤 立 Si-O 团 和 含 成 对 或 环 状 Si-O 团 两 类 又 称 岛 状 硅 酸 盐 b 链 状 硅 酸 盐 :Si-O 团 共 顶 连 接 成 一 维 结 构, 又 含 单 链 和 双 链 两 类 c 层 状 硅 酸 盐 :Si-O 团 底 面 共 顶 连 接 成 二 维 结 构 d 骨 架 状 硅 酸 盐 :Si-O 团 共 顶 连 接 成 三 维 结 构 4 硅 酸 盐 陶 瓷 的 结 构 特 点 与 分 类 (1) 结 构 特 点 a 结 合 键 与 结 构 : 主 要 是 离 子 键 结 合, 含 一 定 比 例 的 共 价 键 硅 位 于 氧 四 面 体 的 间 隙 b 每 个 氧 最 多 被 两 个 多 面 体 共 有 氧 在 两 个 四 面 体 之 间 充 当 桥 梁 作 用, 称 为 氧 桥 () 结 构 分 类 a 含 有 限 Si-O 团 的 硅 酸 盐, 包 括 含 孤 立 Si-O 团 和 含 成 对 或 环 状 Si-O 团 两 类 b 链 状 硅 酸 盐 :Si-O 团 共 顶 连 接 成 一 维 结 构, 又 含 单 链 和 双 链 两 类 c 层 状 硅 酸 盐 :Si-O 团 底 面 共 顶 连 接 成 二 维 结 构 d 骨 架 状 硅 酸 盐 :Si-O 团 共 顶 连 接 成 三 维 结 构 第 四 节 分 子 相 1 基 本 概 念 (1) 高 分 子 化 合 物 : 由 一 种 或 多 种 化 合 物 聚 合 而 成 的 相 对 分 子 质 量 很 大 的 化 合 物 又 称 聚 合 物 或 高 聚 物 () 分 类 按 相 对 分 子 质 量 : 分 为 低 分 子 聚 合 物 (<5000) 和 高 分 子 聚 合 物 (>5000) 按 组 成 物 质 : 分 为 有 机 聚 合 物 和 无 机 聚 合 物 化 学 组 成 ( 以 氯 乙 烯 聚 合 成 聚 氯 乙 烯 为 例 ) 1

22 (1) 单 体 : 组 成 高 分 子 化 合 物 的 低 分 子 化 合 物 () 链 节 : 组 成 大 分 子 的 结 构 单 元 (3) 聚 合 度 n: 大 分 子 链 中 链 节 的 重 复 次 数 3 高 分 子 化 合 物 的 合 成 (1) 加 聚 反 应 a 概 念 : 由 一 种 或 多 种 单 体 相 互 加 成 而 连 接 成 聚 合 物 的 反 应 ( 其 产 物 为 聚 合 物 ) b 组 成 : 与 单 体 相 同 反 应 过 程 中 没 有 副 产 物 c 分 类 均 聚 反 应 : 由 一 种 单 体 参 与 的 加 聚 反 应 共 聚 反 应 : 由 两 种 或 两 种 以 上 单 体 参 与 的 加 聚 反 应 () 缩 聚 反 应 a 概 念 : 由 一 种 或 多 种 单 体 相 互 混 合 而 连 接 成 聚 合 物, 同 时 析 出 某 种 低 分 子 化 合 物 的 反 应 b 分 类 均 缩 聚 反 应 : 由 一 种 单 体 参 加 的 缩 聚 反 应 共 缩 聚 反 应 : 由 两 种 或 两 种 以 上 单 体 参 加 的 缩 聚 反 应 4 高 分 子 化 合 物 的 分 类 (1) 按 性 能 与 用 途 : 塑 料 橡 胶 纤 维 胶 黏 剂 涂 料 等 () 按 生 成 反 应 类 型 : 加 聚 物 缩 聚 物 (3) 按 物 质 的 热 行 为 : 热 塑 性 塑 料 和 热 固 性 塑 料 5 高 分 子 化 合 物 的 结 构 (1) 高 分 子 链 结 构 ( 链 内 结 构, 分 子 内 结 构 ) a 化 学 组 成 b 单 体 的 连 接 方 式 均 聚 物 中 单 体 的 连 接 方 式 : 头 - 尾 连 接 头 - 头 或 尾 - 尾 相 连 无 轨 连 接 共 聚 物 中 单 体 的 连 接 方 式 : 无 轨 共 聚 :ABBABBABA 交 替 共 聚 :ABABABAB 嵌 段 共 聚 :AAAABBAAAABB 接 枝 共 聚 :AAAAAAAAAAA B B B B B B c 高 分 子 链 的 构 型 ( 按 取 代 基 的 位 置 与 排 列 规 律 )

23 全 同 立 构 : 取 代 基 R 全 部 处 于 主 链 一 侧 间 同 立 构 : 取 代 基 R 相 间 分 布 在 主 链 两 侧 无 轨 立 构 ; 取 代 基 R 在 主 链 两 侧 不 规 则 分 布 d 高 分 子 链 的 几 何 形 状 : 线 型 支 化 型 体 型 () 高 分 子 的 聚 集 态 结 构 ( 链 间 结 构 分 子 间 结 构 ) 无 定 形 结 构 部 分 结 晶 结 构 结 晶 型 结 构 ( 示 意 图 ) 6 高 分 子 材 料 的 结 构 与 性 能 特 点 (1) 易 呈 非 晶 态 () 弹 性 模 量 和 强 度 低 (3) 容 易 老 化 (4) 密 度 小 (5) 化 学 稳 定 性 好 第 五 节 玻 璃 相 1 结 构 : 长 程 无 序 短 程 有 序 (1) 连 续 无 轨 网 络 模 型 () 无 规 密 堆 模 型 (3) 无 轨 则 线 团 模 型 性 能 (1) 各 向 同 性 () 无 固 定 熔 点 (3) 高 强 度 高 耐 蚀 性 高 导 磁 率 ( 金 属 ) 3

24 第 三 章 凝 固 凝 固 : 物 质 从 液 态 到 固 态 的 转 变 过 程 若 凝 固 后 的 物 质 为 晶 体, 则 称 之 为 结 晶 凝 固 过 程 影 响 后 续 工 艺 性 能 使 用 性 能 和 寿 命 凝 固 是 相 变 过 程, 可 为 其 它 相 变 的 研 究 提 供 基 础 3.1 金 属 结 晶 的 基 本 规 律 1 液 态 材 料 的 结 构 结 构 : 长 程 有 序 而 短 程 有 序 特 点 ( 与 固 态 相 比 ): 原 子 间 距 较 大 原 子 配 位 数 较 小 原 子 排 列 较 混 乱 过 冷 现 象 (1) 过 冷 : 液 态 材 料 在 理 论 结 晶 温 度 以 下 仍 保 持 液 态 的 现 象 ( 见 热 分 析 实 验 图 ) () 过 冷 度 : 液 体 材 料 的 理 论 结 晶 温 度 (Tm) 与 其 实 际 温 度 之 差 T=Tm-T ( 见 冷 却 曲 线 ) 注 : 过 冷 是 凝 固 的 必 要 条 件 ( 凝 固 过 程 总 是 在 一 定 的 过 冷 度 下 进 行 ) 3 结 晶 过 程 (1) 结 晶 的 基 本 过 程 : 形 核 - 长 大 ( 见 示 意 图 ) () 描 述 结 晶 进 程 的 两 个 参 数 形 核 率 : 单 位 时 间 单 位 体 积 液 体 中 形 成 的 晶 核 数 量 用 N 表 示 长 大 速 度 : 晶 核 生 长 过 程 中, 液 固 界 面 在 垂 直 界 面 方 向 上 单 位 时 间 内 迁 移 的 距 离 用 G 表 示 3. 金 属 结 晶 的 基 本 条 件 1 热 力 学 条 件 (1)G-T 曲 线 ( 图 3-4) a 是 下 降 曲 线 : 由 G-T 函 数 的 一 次 导 数 ( 负 ) 确 定 dg/dt=-s b 是 上 凸 曲 线 : 由 二 次 导 数 ( 负 ) 确 定 d G/d T=-C p /T c 液 相 曲 线 斜 率 大 于 固 相 : 由 一 次 导 数 大 小 确 定 二 曲 线 相 交 于 一 点, 即 材 料 的 熔 点 () 热 力 学 条 件 Gv=-L m T/T m a T>0, Gv<0- 过 冷 是 结 晶 的 必 要 条 件 ( 之 一 ) 4

25 b T 越 大, Gv 越 小 - 过 冷 度 越 大, 越 有 利 于 结 晶 c Gv 的 绝 对 值 为 凝 固 过 程 的 驱 动 力 结 构 条 件 结 构 起 伏 ( 相 起 伏 ): 液 态 材 料 中 出 现 的 短 程 有 序 原 子 集 团 的 时 隐 时 现 现 象 是 结 晶 的 必 要 条 件 ( 之 二 ) 3.3 晶 核 的 形 成 均 匀 形 核 : 新 相 晶 核 在 遍 及 母 相 的 整 个 体 积 内 无 轨 则 均 匀 形 成 非 均 匀 形 核 : 新 相 晶 核 依 附 于 其 它 物 质 择 优 形 成 1 均 匀 形 核 (1) 晶 胚 形 成 时 的 能 量 变 化 4 3 ΔG = πr ΔG B + 4πr σ 3 临 界 晶 核 ΔG = 0 r r k σ σt = = ΔG L B m m 1 ΔT 临 界 晶 核 : 半 径 为 r k 的 晶 胚 (3 临 界 过 冷 度 r k =-σtm/lm T 临 界 过 冷 度 : 形 成 临 界 晶 核 时 的 过 冷 度 T k. T T k 是 结 晶 的 必 要 条 件 (4) 形 核 功 与 能 量 起 伏 G k =S k σ/3 临 界 形 核 功 : 形 成 临 界 晶 核 时 需 额 外 对 形 核 所 做 的 功 能 量 起 伏 : 系 统 中 微 小 区 域 的 能 量 偏 离 平 均 能 量 水 平 而 高 低 不 一 的 现 象 ( 是 结 晶 的 必 要 条 件 之 三 ) (5) 形 核 率 与 过 冷 度 的 关 系 N=N 1.N ( 图 3-11,1) 由 于 N 受 N 1.N 两 个 因 素 控 制, 形 核 率 与 过 冷 度 之 间 是 呈 抛 物 线 的 关 系 5

26 非 均 匀 形 核 (1) 模 型 : 外 来 物 质 为 一 平 面, 固 相 晶 胚 为 一 球 冠 () 自 由 能 变 化 : 表 达 式 与 均 匀 形 核 相 同 (3) 临 界 形 核 功 计 算 时 利 用 球 冠 体 积 表 面 积 表 达 式, 结 合 平 衡 关 系 σlw=σsw+ σ sl cosθ 计 算 能 量 变 化 和 临 界 形 核 功 G k 非 / G k =(-3cosθ+cos 3 θ)/4 a θ=0 时, G k 非 =0, 杂 质 本 身 即 为 晶 核 ; b 180>θ>0 时, G k 非 < G k, 杂 质 促 进 形 核 ; cθ=180 时, G k 非 = G k, 杂 质 不 起 作 用 σ cos θ = LW σ σ SL SW (4) 影 响 非 均 匀 形 核 的 因 素 a 过 冷 度 :(N- T 曲 线 有 一 下 降 过 程 ) ( 图 3-16) b 外 来 物 质 表 面 结 构 :θ 越 小 越 有 利 点 阵 匹 配 原 理 : 结 构 相 似, 点 阵 常 数 相 近 c 外 来 物 质 表 面 形 貌 : 表 面 下 凹 有 利 ( 图 3-17) 6

27 3.4 晶 核 的 长 大 1 晶 核 长 大 的 条 件 (1) 动 态 过 冷 动 态 过 冷 度 : 晶 核 长 大 所 需 的 界 面 过 冷 度 ( 是 材 料 凝 固 的 必 要 条 件 ) () 足 够 的 温 度 (3) 合 适 的 晶 核 表 面 结 构 液 固 界 面 微 结 构 与 晶 体 长 大 机 制 粗 糙 界 面 ( 微 观 粗 糙 宏 观 平 整 - 金 属 或 合 金 从 来 可 的 界 面 ): 垂 直 长 大 光 滑 界 面 ( 微 观 光 滑 宏 观 粗 糙 - 无 机 化 合 物 或 亚 金 属 材 料 的 界 面 ): 二 维 晶 核 长 大 依 靠 缺 陷 长 大 理 论 证 明 : 界 面 粗 糙 化 时, 界 面 自 由 能 的 相 对 变 化 : Gs/(NkTm)=αx(1-x)+xlnx+(1-x)ln(1-x) α=ξlm/(ktm) ξ 为 晶 体 学 因 子, 晶 面 原 子 密 度 小, ξ 小 α 时,x=0.5 处, 界 面 能 最 小, 粗 糙 界 面 α 5 时,x 靠 近 0 或 1 处 界 面 能 最 小, 光 滑 界 面 晶 体 长 大 机 制 : 液 态 原 子 向 固 相 表 面 的 添 加 方 式 与 固 - 液 界 面 结 构 有 关 粗 糙 界 面 结 构, 垂 直 于 界 面 方 向 长 大 特 点 : 长 大 速 度 相 当 快, 过 冷 度 小 这 种 机 制 适 用 于 多 数 金 属 7

28 横 向 长 大 方 式 ( 台 阶 生 长 机 制 ): 光 滑 界 面 结 构, 依 靠 小 台 阶 接 纳 液 态 原 子 特 点 : 长 大 速 度 较 慢, 所 需 过 冷 度 较 垂 直 长 大 高 二 维 晶 核 台 阶 生 长 机 制 : 均 匀 形 核 - 二 维 晶 核 - 横 向 长 大 特 点 : 长 大 不 连 续, 速 度 慢 晶 体 缺 陷 台 阶 生 长 机 制 : 依 靠 螺 型 位 错 或 孪 晶 面 生 长 特 点 : 长 大 连 续, 速 度 较 慢 3 液 体 中 温 度 梯 度 与 晶 体 的 长 大 形 态 (1) 正 温 度 梯 度 ( 液 体 中 距 液 固 界 面 越 远, 温 度 越 高 ) 粗 糙 界 面 : 平 面 状 光 滑 界 面 : 台 阶 状 () 负 温 度 梯 度 ( 液 体 中 距 液 固 界 面 越 远, 温 度 越 低 ) 粗 糙 界 面 : 树 枝 状 光 滑 界 面 : 树 枝 状 - 台 阶 状 8

29 3.5 陶 瓷 聚 合 物 的 凝 固 陶 瓷 的 凝 固 : 需 要 过 冷 度, 晶 核 形 成 和 晶 体 长 大 两 个 过 程 聚 合 物 : 结 构 规 则 的 分 子 形 成 晶 体, 一 般 形 成 非 晶 体 3.6 凝 固 理 论 的 应 用 1 铸 态 晶 粒 的 控 制 晶 粒 度 : 用 于 表 示 晶 粒 大 小 的 一 个 概 念 用 晶 粒 的 平 均 面 积 或 平 均 直 径 表 示 晶 粒 大 小 对 性 能 的 影 响 : 晶 粒 越 细, 强 度 硬 度 塑 性 韧 性 越 高 表 示 方 法 : 单 位 体 积 中 晶 粒 数 单 位 面 积 中 晶 粒 数 1/ 3/ N = 1.1 N Z Z s = v V Vg g 晶 粒 度 控 制 方 法 : 控 制 形 核 率 N 长 大 速 度 Vg (1) 提 高 过 冷 度 降 低 浇 铸 温 度, 提 高 散 热 导 热 能 力, 适 用 于 小 件 () 化 学 变 质 处 理 促 进 异 质 形 核, 阻 碍 晶 粒 长 大 (3) 振 动 和 搅 拌 输 入 能 力, 破 碎 枝 晶 单 晶 体 的 制 备 单 晶 体 : 只 有 一 个 晶 粒 构 成 的 晶 体 制 备 原 理 : 提 高 纯 度 减 慢 结 晶 速 度, 保 证 一 个 晶 核 形 成 并 长 大 制 备 方 法 : 尖 端 成 核 法 垂 直 提 拉 法 3 定 向 凝 固 技 术 (1) 定 向 凝 固 : 铸 件 按 一 定 方 向 由 一 端 开 始, 逐 步 向 另 一 端 结 晶 () 制 备 方 法 : 快 速 逐 步 凝 固 法 关 键 是 创 造 单 向 散 热 的 冷 却 条 件 4 非 晶 态 金 属 非 晶 态 金 属 ( 金 属 玻 璃 ): 快 速 冷 却 使 金 属 保 留 液 态 时 的 原 子 排 列 强 度 高, 韧 性 大, 耐 腐 蚀, 导 磁 性 强 形 成 条 件 : 快 冷 至 Tg 温 度 ( 玻 璃 化 温 度 ) 以 下 Tg=Tm-Tg 越 小, 越 易 获 得 非 晶 态 在 熔 点 到 结 晶 温 度 区 间 加 快 冷 却 速 度 ( 超 过 106K/S) 制 备 方 法 : 离 心 急 冷 法 轧 制 急 冷 法 9

30 5. 微 晶 合 金 微 晶 合 金 ( 纳 晶 合 金 ): 晶 粒 尺 寸 达 微 米 (μm) 或 纳 米 (nm) 级 的 超 细 晶 粒 合 金 制 备 方 法 : 急 冷 凝 固 技 术 特 点 : 高 强 度 高 硬 度 良 好 韧 性, 高 耐 磨 性 耐 蚀 性, 抗 辐 射 稳 定 性 第 三 章 总 结 复 习 习 题 思 考 题 讲 解 补 充 : 设 想 液 体 在 凝 固 时 形 成 的 临 界 晶 核 是 边 长 为 a 的 立 方 体 形 状,(1) 已 知 液 - 固 界 面 能 σl/s 和 固 液 之 间 单 位 体 积 自 由 能 差 GB, 推 导 出 均 匀 形 核 时 临 界 晶 核 边 长 a* 和 临 界 形 核 功 G* () 如 果 为 非 均 匀 形 核, 立 方 体 晶 胚 的 一 面 与 杂 质 表 面 接 触, 设 液 体 与 杂 质 的 界 面 能 为 σl/m, 晶 胚 与 杂 质 的 界 面 能 为 σs/m, 推 导 出 临 界 晶 核 边 长 和 临 界 形 核 功 30

31 第 四 章 相 图 相 图 : 表 示 平 衡 条 件 下 材 料 系 统 中 相 的 状 态 与 温 度 及 成 分 之 间 关 系 的 一 种 图 形 又 称 状 态 图 或 平 衡 图 相 图 的 用 途 : 由 相 图 可 以 知 道 材 料 的 凝 固 或 熔 化 温 度 及 系 统 中 可 能 发 生 的 固 态 相 变 或 其 他 转 变 ; 材 料 的 性 能 与 相 图 有 一 定 关 系, 掌 握 了 有 关 相 图 的 知 识, 就 可 以 通 过 相 图 预 测 材 料 的 某 些 性 能 相 图 是 材 料 科 学 工 作 者 必 不 可 少 的 重 要 工 具 系 统 : 所 研 究 的 原 子 分 子 的 集 体 相 : 一 个 系 统 中, 结 构 相 同 成 分 和 性 能 均 一 的 组 成 部 分 4.1 相 相 平 衡 及 相 图 制 作 1 相 律 (1) 相 律 : 热 力 学 平 衡 条 件 下, 系 统 的 组 元 数 相 数 和 自 由 度 数 之 间 的 关 系 () 表 达 式 :f=c-p+; 压 力 一 定 时,f=c-p+1 (3) 应 用 可 确 定 系 统 中 可 能 存 在 的 最 多 平 衡 相 数 如 单 元 系 个, 二 元 系 3 个 可 以 解 释 纯 金 属 与 二 元 合 金 的 结 晶 差 别 纯 金 属 结 晶 恒 温 进 行, 二 元 合 金 变 温 进 行 相 平 衡 相 平 衡 : 某 一 温 度 下, 系 统 中 各 相 长 时 间 不 相 互 转 变, 处 于 平 衡 状 态 动 态 平 衡 热 力 学 条 件 : 每 个 组 元 在 各 相 中 的 化 学 位 相 等 3 相 图 的 表 示 与 建 立 (1) 状 态 与 成 分 表 示 法 状 态 表 示 : 温 度 - 成 分 坐 标 系 坐 标 系 中 的 点 - 表 象 点 成 分 表 示 : 质 量 分 数 或 摩 尔 分 数 () 相 图 的 建 立 方 法 : 实 验 法 和 计 算 法 实 验 法 : 热 分 析 法, 金 相 组 织 法,X 射 线 分 析 法, 硬 度 法, 电 阻 法, 31

32 热 膨 胀 法, 磁 性 法 热 分 析 法 过 程 : 配 制 合 金 - 测 冷 却 曲 线 - 确 定 转 变 温 度 - 填 入 坐 标 - 绘 出 曲 线 相 图 结 构 : 两 点 两 线 三 区 相 图 中 由 相 界 线 划 分 出 来 的 区 域 称 为 相 区, 表 明 在 此 范 围 内 存 在 的 平 衡 相 类 型 和 数 目 在 二 元 相 图 中 有 单 相 区 和 两 相 区 在 相 图 中, 任 意 一 点 都 叫 表 象 点 一 个 表 象 点 的 坐 标 值 反 映 一 个 给 定 合 金 的 成 分 和 温 度 在 相 图 中 由 表 象 点 所 在 的 相 区 可 以 判 定 在 该 温 度 下 合 金 由 哪 些 相 组 成 二 元 相 图 基 本 类 型 : 匀 晶 相 图, 共 晶 相 图, 包 晶 相 图 4. 二 元 匀 晶 相 图 1 匀 晶 相 图 及 其 分 析 (1) 匀 晶 转 变 : 由 液 相 直 接 结 晶 出 单 相 固 溶 体 的 转 变 () 匀 晶 相 图 : 具 有 匀 晶 转 变 特 征 的 相 图 (3) 相 图 分 析 ( 以 Cu-Ni 相 图 为 例 ) 两 点 : 纯 组 元 的 熔 点 ; 两 线 :L, S 相 线 ; 三 区 :L, α, L+α 3

33 固 溶 体 合 金 的 平 衡 凝 固 (1) 平 衡 凝 固 : 无 限 缓 慢 冷 却 时 的 凝 固 方 式 凝 固 过 程 中 的 每 个 阶 段 都 能 达 到 平 衡, 即 在 相 变 过 程 中 有 充 分 时 间 进 行 组 元 间 的 扩 散, 以 达 到 平 衡 相 的 成 分 () 平 衡 结 晶 过 程 分 析 1 冷 却 曲 线 : 温 度 - 时 间 曲 线 ; 相 ( 组 织 ) 与 相 变 ( 各 温 区 相 的 类 型 相 变 反 应 式, 杠 杆 定 律 应 用 ); 3 组 织 示 意 图 ; 4 成 分 均 匀 化 : 每 时 刻 结 晶 出 的 固 溶 体 的 成 分 不 同 (3) 与 纯 金 属 结 晶 的 比 较 1 相 同 点 : 基 本 过 程 : 形 核 - 长 大 ; 热 力 学 条 件 : T>0; 能 量 条 件 : 能 量 起 伏 ; 结 构 条 件 : 结 构 起 伏 不 同 点 : 合 金 在 一 个 温 度 范 围 内 结 晶 ( 可 能 性 : 相 率 分 析, 必 要 性 : 成 分 均 匀 化 ) 固 溶 体 结 晶 特 点 : 结 晶 出 的 固 相 与 原 液 相 成 分 不 同 在 形 核 时 不 但 要 求 溶 液 中 有 能 量 起 伏, 还 要 有 浓 度 起 伏 在 一 定 温 度 范 围 内 结 晶, 凝 固 速 率 较 慢 3. 杠 杆 定 律 W L +W α =W 0 W L X L +W α X α =W 0 X W W X X X X L = = 0 L rb ab W W 0 = X X X X L = L ar ab W W L = rb ar 注 意 : 只 适 用 于 两 相 区 ; 三 点 ( 支 点 和 端 点 ) 要 选 准 33

34 4 固 溶 体 的 不 平 衡 凝 固 与 微 观 偏 析 (1) 原 因 : 冷 速 快 ( 假 设 液 相 成 分 均 匀 固 相 成 分 不 均 匀 ) () 结 晶 过 程 特 点 : 固 相 成 分 按 平 均 成 分 线 变 化 ( 但 每 一 时 刻 符 合 相 图 ); 结 晶 的 温 度 范 围 增 大 ; 组 织 多 为 树 枝 状 先 结 晶 的 部 分 含 高 熔 点 的 组 分 多, 后 结 晶 的 部 分 含 低 熔 点 的 组 分 多, 熔 液 只 能 在 固 态 表 层 建 立 平 衡 (3) 成 分 偏 析 : 晶 内 偏 析 : 一 个 晶 粒 内 部 化 学 成 分 不 均 匀 现 象 枝 晶 偏 析 : 树 枝 晶 的 枝 干 和 枝 间 化 学 成 分 不 均 匀 的 现 象 ( 消 除 : 扩 散 退 火, 在 低 于 固 相 线 温 度 长 时 间 保 温 ) 5 固 溶 体 的 不 平 衡 凝 固 与 宏 观 偏 析 (1) 宏 观 偏 析 : 固 溶 体 沿 一 定 方 向 结 晶 过 程 中, 在 一 个 区 域 范 围 内, 由 于 结 晶 先 后 不 同 而 出 现 的 成 分 差 异 原 因 : 溶 质 原 子 的 重 新 分 布 () 平 衡 分 配 系 数 : 在 一 定 温 度 下, 固 液 两 平 衡 相 中 溶 质 浓 度 的 比 值 k 0 =C s /C l 假 定 液 相 线 与 固 相 线 为 直 线, 则 K0 为 常 数 (3) 正 常 凝 固 过 程 : 不 考 虑 固 相 内 部 的 原 子 扩 散, 仅 考 虑 液 相 中 的 溶 质 混 合 现 象 液 固 相 内 溶 质 完 全 混 合 ( 平 衡 凝 固 )-a; 固 相 不 混 合 液 相 完 全 混 合 -b; 固 相 不 混 合 液 相 完 全 不 混 合 -c; 固 相 不 混 合 液 相 部 分 混 合 -d 34

35 液 相 中 溶 质 完 全 混 合 条 件 : 缓 慢 结 晶 Cs = k 0 c 0 (1 z / L) 1 液 相 中 溶 质 原 子 部 分 混 合 较 快 结 晶 条 件 稳 态 凝 固 过 程 : 溶 质 原 子 从 界 面 固 体 一 侧 向 边 界 层 内 流 入 的 速 率, 与 从 边 界 层 向 液 体 中 流 去 的 速 率 相 等 时 的 凝 固 初 始 过 渡 区 : 凝 固 开 始 直 到 溶 质 富 集 区 稳 定 建 立 为 止 时 的 长 度 有 效 分 配 系 数 :ke=(cs)i/(cl)b k cs kec0 (1 z / L) = e k 0 1 结 晶 过 程 根 据 课 件 图 片 讲 解 液 相 内 溶 质 仅 通 过 扩 散 混 合 条 件 : 快 速 结 晶 边 界 层 快 速 溶 质 富 集, 达 C0/K0 时, 固 相 达 Cs=C0, 不 再 变 化,Ke=1 凝 固 末 端, 形 成 终 端 瞬 态 区 在 很 快 结 晶 的 条 件 下, 宏 观 偏 析 很 少, 只 在 凝 固 后 期 会 有 少 量 偏 析 (4) 区 域 熔 炼 ( 上 述 溶 质 分 布 规 律 的 应 用 ) 用 于 提 纯 金 属 区 域 熔 炼 不 是 把 金 属 全 部 熔 化, 而 是 分 段 逐 步 熔 化 6 成 分 过 冷 及 其 对 晶 体 生 长 形 态 的 影 响 (1) 成 分 过 冷 : 由 成 分 变 化 与 实 际 温 度 分 布 共 同 决 定 的 过 冷 () 形 成 : 界 面 溶 质 浓 度 从 高 到 低 - 液 相 线 温 度 从 低 到 高 ( 图 示 : 溶 质 分 布 曲 线 - 匀 晶 相 图 - 液 相 线 温 度 分 布 曲 线 - 实 际 温 度 分 布 曲 线 - 成 分 过 冷 区 ) (3) 成 分 过 冷 形 成 的 条 件 和 影 响 因 素 条 件 : G R < mc D k k 见 图

36 影 响 成 分 过 冷 的 因 素 (a)g 小,R 大 时, 易 产 生 成 分 过 冷 (b) 合 金 性 质 :m 大,k0 较 小 时, 易 产 生 成 分 过 冷 (4) 成 分 过 冷 对 生 长 形 态 的 影 响 正 温 度 梯 度 下,G 越 大, 成 分 过 冷 增 大, 使 界 面 生 长 形 态 从 平 直 界 面 向 胞 状 晶 胞 状 树 枝 晶 树 枝 晶 等 轴 晶 发 展 36

37 4.3 二 元 共 晶 相 图 共 晶 转 变 : 由 一 定 成 分 的 液 相 同 时 结 晶 出 两 个 一 定 成 分 固 相 的 转 变 L E =α M +β N f=-3+1=0 L α β 共 晶 相 图 : 具 有 共 晶 转 变 特 征 的 相 图 ( 液 态 无 限 互 溶 固 态 有 限 互 溶 或 完 全 不 溶, 且 发 生 共 晶 反 应 共 晶 组 织 : 共 晶 转 变 产 物 ( 是 两 相 混 合 物 ) 1 相 图 分 析 ( 相 图 三 要 素 ) (1) 点 : 纯 组 元 熔 点 ; 最 大 溶 解 度 点 ; 共 晶 点 ( 是 亚 共 晶 过 共 晶 成 分 分 界 点 ) 等 () 线 : 结 晶 开 始 结 束 线 ; 溶 解 度 曲 线 ; 共 晶 线 等 (3) 区 :3 个 单 相 区 ;3 个 两 相 区 ;1 个 三 相 区 合 金 的 平 衡 结 晶 及 其 组 织 ( 以 Pb-Sn 相 图 为 例 ) (1)Wsn<19% 的 合 金 ( 端 部 固 溶 体 合 金 ) 1 凝 固 过 程 ( 冷 却 曲 线 相 变 组 织 示 意 图 ) 二 次 相 ( 次 生 相 ) 的 生 成 : 脱 溶 转 变 ( 二 次 析 出 或 二 次 再 结 晶 ) 3 室 温 组 织 (α+β Ⅱ ) 及 其 相 对 量 计 算 () 共 晶 合 金 1 凝 固 过 程 ( 冷 却 曲 线 相 变 组 织 示 意 图 ) 共 晶 线 上 两 相 的 相 对 量 计 算 3 室 温 组 织 (α+β+α Ⅱ +β Ⅱ ) 及 其 相 对 量 计 算 (3) 亚 共 晶 合 金 1 凝 固 过 程 ( 冷 却 曲 线 相 变 组 织 示 意 图 ) 共 晶 线 上 两 相 的 相 对 量 计 算 3 室 温 组 织 (α+β Ⅱ +(α+β)) 及 其 相 对 量 计 算 37

38 4 组 织 组 成 物 与 组 织 图 组 织 组 成 物 : 组 成 材 料 显 微 组 织 的 各 个 不 同 本 质 和 形 态 的 部 分 组 织 图 : 用 组 织 组 成 物 填 写 的 相 图 3 共 晶 组 织 及 其 形 成 机 理 (1) 共 晶 体 的 形 成 成 分 互 惠 - 交 替 形 核 片 间 搭 桥 - 促 进 生 长 两 相 交 替 分 布 共 晶 组 织 () 共 晶 体 的 形 态 粗 糙 - 粗 糙 界 面 : 层 片 状 ( 一 般 情 况 ) 棒 状 纤 维 状 ( 一 相 数 量 明 显 少 于 另 一 相 ) 片 层 厚 度 : 相 邻 两 相 单 片 厚 度 之 和 过 冷 度 大, 成 长 速 率 1 R 大, 层 片 薄 λ = kr 形 态 取 决 于 两 相 的 体 积 分 数 和 相 界 面 的 比 界 面 能 一 相 的 体 积 分 数 小 于 30%, 且 比 界 面 能 较 高 时, 易 形 成 棒 状 共 晶 一 相 的 体 积 分 数 在 30%~50% 时, 利 于 形 成 层 片 状 粗 糙 - 平 滑 界 面 : 具 有 不 规 则 或 复 杂 组 织 形 态 ( 由 于 两 相 微 观 结 构 不 同 ) 所 需 动 态 过 冷 度 不 同, 金 属 相 任 意 长 大, 另 一 相 在 其 间 隙 长 大 可 得 到 球 状 针 状 花 朵 状 树 枝 状 共 晶 体 非 金 属 相 与 液 相 成 分 差 别 大 形 成 较 大 成 分 过 冷, 率 先 长 大, 形 成 针 状 骨 骼 状 螺 旋 状 蜘 蛛 网 状 的 共 晶 体 平 滑 - 平 滑 界 面 共 晶 特 点 : 形 态 很 不 规 则 见 图

39 4 不 平 衡 结 晶 及 其 组 织 (1) 伪 共 晶 1 伪 共 晶 : 由 非 共 晶 成 分 的 合 金 所 得 到 的 完 全 共 晶 组 织 形 成 原 因 : 不 平 衡 结 晶 成 分 位 于 共 晶 点 附 近 3 不 平 衡 组 织 伪 共 晶 区 的 位 置 : 与 共 晶 两 相 的 结 晶 速 度 有 关 偏 向 晶 体 结 构 复 杂 及 具 有 平 滑 界 面 的 相 的 一 边 共 晶 成 分 的 合 金 得 到 的 亚 过 共 晶 组 织 ( 伪 共 晶 区 偏 移 ) () 离 异 共 晶 1 离 异 共 晶 : 两 相 分 离 的 共 晶 组 织 形 成 原 因 : 初 晶 相 对 量 很 多 平 衡 条 件 下, 成 分 位 于 共 晶 线 上 两 端 点 附 近 不 平 衡 条 件 下, 成 分 位 于 共 晶 线 外 两 端 点 附 近 3 消 除 : 扩 散 退 火 39

40 第 四 节 二 元 包 晶 相 图 包 晶 转 变 : 一 定 温 度 下, 由 特 定 成 分 的 固 相 与 确 定 成 分 的 液 相 发 生 反 应 生 成 另 一 种 特 定 成 分 的 固 相 的 转 变 包 晶 相 图 : 两 组 元 液 态 无 限 互 溶, 固 态 有 限 互 溶 并 具 有 包 晶 转 变 的 相 图 L α 三 种 类 型 的 包 晶 相 图 : β 1 相 图 分 析 点 : 包 晶 点 P, 纯 组 元 熔 点, 固 溶 度 点 线 : 液 相 线, 固 相 线, 包 晶 线, 固 溶 度 线 区 : 单 相 区 :L, α,β 双 相 区 : L+α,L+β, α+β 三 相 区 : L+α+β 平 衡 结 晶 过 程 及 其 组 织 (1) 包 晶 合 金 的 结 晶 结 晶 过 程 : 包 晶 线 以 下,L, α 对 β 过 饱 和 - 界 面 生 成 β- 三 相 间 存 在 浓 度 梯 度 - 扩 散 -β 长 大 - 全 部 转 变 为 β 室 温 组 织 :β 或 β+α Ⅱ () 成 分 在 C-D 之 间 合 金 的 结 晶 结 晶 过 程 :α 剩 余 ; 室 温 组 织 :α+β+α Ⅱ +β Ⅱ 40

41 包 晶 转 变 机 理 : 3 不 平 衡 结 晶 及 其 组 织 异 常 α 相 导 致 包 晶 偏 析 包 晶 转 变 要 经 β 扩 散 包 晶 偏 析 : 因 包 晶 转 变 不 能 充 分 进 行 而 导 致 的 成 分 不 均 匀 现 象 异 常 β 相 由 不 平 衡 包 晶 转 变 引 起 成 分 在 靠 近 固 相 包 晶 线 以 外 端 点 附 近 消 除 包 晶 偏 析 的 措 施 : 扩 散 退 火 4 包 晶 转 变 的 应 用 (1) 组 织 设 计 : 如 轴 承 合 金 需 要 的 软 基 体 上 分 布 硬 质 点 的 组 织 () 晶 粒 细 化 41

42 4.5 其 它 二 元 相 图 形 成 化 合 物 的 二 元 相 图 稳 定 化 合 物 : 有 固 定 的 熔 点, 熔 点 以 下 保 持 固 有 的 结 构 而 不 发 生 分 解 在 相 图 上, 可 将 其 看 作 一 个 独 立 组 元 不 稳 定 化 合 物 : 加 热 至 一 定 温 度 时 发 生 分 解 分 解 为 液 相 及 另 一 个 固 相, 而 液 相 成 分 不 同 于 化 合 物 的 成 分 4.5. 具 有 三 相 平 衡 恒 温 转 变 的 其 他 二 元 相 图 恒 温 反 应 类 型 : 分 解 型, 合 成 型 分 解 型 恒 温 转 变 相 图 (1) 具 有 共 析 转 变 的 相 图 共 析 转 变 : 由 一 个 固 相 在 恒 温 下 转 变 为 另 外 两 个 固 相 反 应 式 :γ α+β 图 形 特 点 : γ α β 共 析 组 织 : 共 析 转 变 产 物, 为 两 相 交 替 排 列 的 混 合 物, 比 共 晶 组 织 细 密 相 图 实 例 : 铁 碳 相 图 () 偏 晶 相 图 偏 晶 转 变 : 一 定 温 度 下 从 一 定 成 分 的 一 种 液 相 中 分 解 出 一 个 固 相 与 另 一 种 成 份 的 液 相, 且 固 相 的 相 对 量 总 是 偏 多 的 转 变 反 应 式 :L1 L+α L1 图 形 特 点 : α L 相 图 实 例 :Cu-Pb,Cu-O,Mn-Pb,Cu-S (3) 熔 晶 相 图 熔 晶 转 变 : 一 定 温 度 时, 从 一 个 固 相 分 解 成 一 个 液 相 和 另 一 个 固 相 的 反 应 δ 反 应 式 :δ γ+l 图 形 特 点 : γ L 4

43 相 图 实 例 ;Fe-B,Fe-S,Cu-Sb 合 成 型 恒 温 转 变 相 图 (1) 具 有 包 析 转 变 的 相 图 包 析 转 变 : 一 定 温 度 时, 由 两 个 一 定 成 份 的 固 相 生 成 另 一 个 一 定 成 分 的 固 相 的 转 变 反 应 式 : β + α γ 图 形 特 点 : β α γ 相 图 实 例 :Fe-B,Fe-Sn,U-Si,Al-Cu () 合 晶 相 图 合 晶 转 变 : 一 定 温 度 下, 两 个 液 相 相 互 作 用 形 成 一 个 固 相 的 转 变 反 应 式 :L1+L β L L 图 形 特 点 : β 相 图 实 例 :Na-Zn 具 有 无 序 有 序 转 变 的 相 图 有 些 二 元 系 合 金 在 一 定 成 分 和 一 定 温 度 范 围 会 发 生 有 序 化 转 变, 形 成 有 序 固 溶 体 见 图 具 有 同 素 异 晶 转 变 的 相 图 当 组 元 具 有 同 素 异 构 转 变 时, 形 成 的 固 溶 体 也 常 有 异 晶 转 变 见 图

44 4.6 二 元 相 图 的 分 析 方 法 二 元 相 图 的 分 析 方 法 (1) 二 元 相 图 中 的 几 何 规 律 1 相 邻 相 区 的 相 数 差 1( 点 接 触 除 外 )- 相 区 接 触 法 则 ; 三 相 区 的 形 状 是 一 条 水 平 线, 其 上 三 点 是 平 衡 相 的 成 分 点 3 若 两 个 三 相 区 中 有 个 相 同 的 相, 则 两 水 平 线 之 间 必 是 由 这 两 相 组 成 的 两 相 区 4 单 相 区 边 界 线 的 延 长 线 应 进 入 相 邻 的 两 相 区 () 相 图 分 析 步 骤 1 以 稳 定 的 化 合 物 分 割 相 图 ; 确 定 各 点 线 区 的 意 义 ; 3 分 析 具 体 合 金 的 结 晶 过 程 及 其 组 织 变 化 注 : 虚 线 点 划 线 的 意 义 - 尚 未 准 确 确 定 的 数 据 磁 学 转 变 线 有 序 - 无 序 转 变 线 4.6. 二 元 相 图 分 析 实 例 : 铁 - 碳 合 金 相 图 相 图 中 的 相 组 元 : 铁 - 石 墨 相 图 :Fe,C; 铁 - 渗 碳 体 相 图 :Fe-Fe 3 C 相 :L, δ, A(γ), F(α), Fe 3 C(K) ( 其 定 义 ) 铁 素 体 :α 或 F 奥 氏 体 : γ 或 A 渗 碳 体 :Fe3C 相 图 中 重 要 的 点 和 线 点 :16 个 线 : 两 条 磁 性 转 变 线 ; 三 条 等 温 转 变 线 ; 其 余 三 条 线 :GS,ES,PQ 区 :5 个 单 相 区, 7 个 两 相 区, 3 个 三 相 区 44

45 平 衡 结 晶 过 程 及 其 组 织 合 金 分 类 : 工 业 纯 钛 (C%<0.018%) 碳 钢 (0.018<C%<.11%) 铸 铁 (C%>.11%) (1) 典 型 合 金 (7 种 ) 的 平 衡 结 晶 过 程 组 织 变 化 室 温 组 织 及 其 相 对 量 计 算 () 重 要 问 题 :Fe 3 C Ⅰ, Fe 3 C Ⅱ, Fe 3 C Ⅲ 的 意 义 及 其 最 大 含 量 计 算 L d -L d` 转 变 杠 杆 定 律 的 应 用 结 晶 过 程 及 平 衡 组 织 见 课 件 Fe3C 形 态 : Fe3CⅢ: 薄 网 状 点 状 Fe3CⅡ: 网 状 Fe3CⅠ: 粗 大 片 状 共 析 Fe3C: 层 片 状 共 晶 Fe3C: 基 体 45

46 铁 碳 合 金 的 组 织 与 力 学 性 能 (1) 对 平 衡 组 织 的 影 响 ( 随 C% 提 高 ) 组 织 :α+fe 3 C Ⅲ L d`+fe 3 C Ⅰ ; 相 :α 减 少,Fe 3 C 增 多 ; Fe 3 C 形 态 :Fe 3 C Ⅲ ( 薄 网 状 点 状 ) 共 析 Fe 3 C( 层 片 状 ) Fe 3 C Ⅱ( 网 状 ) 共 晶 Fe 3 C( 基 体 ) Fe 3 C Ⅰ ( 粗 大 片 状 ) () 对 力 学 性 能 的 影 响 强 度 硬 度 升 高, 塑 韧 性 下 降 (3) 对 工 艺 性 能 的 影 响 适 合 锻 造 :C%<.11%, 可 得 到 单 相 组 织 适 合 铸 造 :C%~4.3%, 流 动 性 好 适 合 冷 塑 变 :C%<0.5%, 变 形 阻 力 小 适 合 热 处 理 :0.018~.11, 有 固 态 相 变 46

47 4.6.3 相 图 与 合 金 的 性 能 1 根 据 相 图 判 断 材 料 的 力 学 和 物 理 性 能 单 相 固 溶 体 合 金 : 固 溶 强 化 根 据 相 图 判 断 材 料 的 工 艺 性 能 铸 造 性 能 : 根 据 液 固 相 线 之 间 的 距 离 X X 越 大, 成 分 偏 析 越 严 重 ( 因 为 液 固 相 成 分 差 别 大 ); X 越 大, 流 动 性 越 差 ( 因 为 枝 晶 发 达 ); X 越 大, 热 裂 倾 向 越 大 ( 因 为 液 固 两 相 共 存 的 温 区 大 ) 塑 性 加 工 性 能 : 选 择 具 有 单 相 固 溶 体 区 的 合 金 热 处 理 性 能 : 选 择 具 有 固 态 相 变 或 固 溶 度 变 化 的 合 金 47

48 4.7 相 图 的 热 力 学 解 释 溶 体 的 自 由 能 - 成 分 曲 线 A B 两 组 元 混 合 形 成 固 溶 体 时, 自 由 能 变 化 : G=G-G0= Hm-T Sm 混 合 焓 : Hm=ΩxAxB 混 合 熵 : Sm= -R(xAlnxA+xBlnxB) G= xaμa+ xbμb+ ΩxAxB +RT (xalnxa+xblnxb)=f(xa,xb 影 响 G= f(xa,xb) 的 因 素 : Ω = NZ V + V AA BB ( VAB Ω 0 时 : 曲 线 呈 简 单 U 型 Ω 0 时 : 曲 线 呈 波 浪 形 ) 4.7. 异 相 平 衡 的 条 件 (1) 化 学 位 : 偏 摩 尔 吉 布 斯 自 由 能 用 μ 表 示 化 学 位 的 确 定 : 在 自 由 能 成 分 曲 线 上, 过 成 分 点 的 切 线 与 两 纵 轴 的 交 点 () 相 平 衡 的 条 件 : 两 组 元 在 各 相 中 的 化 学 位 分 别 相 等 μaα= μ βa= 在 自 由 能 成 分 曲 线 上, 表 现 为 各 曲 线 间 有 公 切 线 48

49 4.7.3 由 二 元 系 各 相 的 自 由 能 曲 线 绘 制 相 图 见 课 件 图 4-73~ 铸 锭 组 织 及 其 控 制 1 铸 锭 组 织 (1) 铸 锭 三 区 : 表 层 细 晶 区 柱 状 晶 区 中 心 等 轴 晶 区 () 组 织 控 制 : 受 浇 铸 温 度 冷 却 速 度 化 学 成 分 变 质 处 理 机 械 振 动 与 搅 拌 等 因 素 影 响 铸 模 冷 却 能 力 大, 增 大 柱 状 晶 区, 但 对 较 小 尺 寸 的 铸 件, 促 进 等 轴 晶 区 的 发 展 熔 化 温 度 高, 则 非 均 匀 形 核 率 低, 利 于 柱 状 晶 区 发 展 铸 锭 缺 陷 (1) 微 观 偏 析 () 宏 观 偏 析 正 偏 析 反 偏 析 比 重 偏 析 (3) 夹 杂 与 气 孔 夹 杂 : 外 来 夹 杂 和 内 生 夹 杂 气 孔 : 析 出 型 和 反 应 型 (4) 缩 孔 和 疏 松 熔 液 浇 入 锭 模 后, 与 型 壁 接 触 的 液 体 先 凝 固, 中 心 部 分 的 液 体 则 后 凝 固 由 于 多 数 金 属 在 凝 固 时 发 生 体 积 收 缩 ( 只 有 少 数 金 属 如 锑 镓 铋 等 在 凝 固 时 体 积 会 膨 胀 ), 使 铸 锭 ( 件 ) 内 形 成 收 缩 孔 洞, 或 称 缩 孔 49

50 缩 孔 可 分 为 集 中 缩 孔 和 分 散 缩 孔 两 类, 分 散 缩 孔 又 称 疏 松 集 中 缩 孔 有 多 种 不 同 形 式, 如 缩 管 缩 穴, 单 向 收 缩 等, 而 疏 松 也 有 一 般 疏 松 和 中 心 疏 松 等, 如 图 4.44 所 示 图 4.44 几 种 缩 孔 形 式 第 四 章 二 元 相 图 部 分 总 结 1. 相 相 律 (f=c-p+1) 杠 杆 定 律. 二 元 匀 晶 相 图 分 析 及 平 衡 凝 固 非 平 衡 凝 固 ( 微 观 偏 析, 宏 观 偏 析 ), 成 分 过 冷 及 对 固 溶 体 生 长 形 态 的 影 响 3. 二 元 共 晶 相 图 分 析 及 平 衡 凝 固, 共 晶 组 织 伪 共 晶 离 异 共 晶 4. 二 元 包 晶 相 图 分 析 及 平 衡 凝 固, 包 晶 反 应 机 理 5. 二 元 相 图 类 型 及 分 析 方 法 6. 铁 碳 相 图 分 析, 铁 碳 合 金 组 织 及 性 能 7. 相 图 的 热 力 学 解 释, 公 切 线 法 则 8. 铸 锭 的 组 织 偏 析 习 题 见 课 件 50

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