




版權說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內容提供方,若內容存在侵權,請進行舉報或認領
文檔簡介
1、材料科學基礎材料科學基礎復習內容復習內容2015.62015.6期末考試形式期末考試形式材料科學基礎材料科學基礎2014-2015第第2學期學期類型類型1、名詞解釋(、名詞解釋(15分)分)2、判斷題(、判斷題(20分)分)3、填空題(、填空題(20分)分)4、簡答題(、簡答題(15分)分)5、作圖識圖(、作圖識圖(15分)分)6、計算題(、計算題(15分)分)第一章第一章 原子結構與鍵合原子結構與鍵合概念:概念:1、原子間鍵合類型及本質。、原子間鍵合類型及本質。2、金屬、高分子、陶瓷材料中的鍵類型、金屬、高分子、陶瓷材料中的鍵類型、 典型物質名稱典型物質名稱。材材 料料 中中 的的 鍵鍵范德
2、瓦爾力(二次鍵)范德瓦爾力(二次鍵)共價鍵共價鍵金屬鍵金屬鍵半導體半導體聚合物聚合物離子鍵離子鍵陶瓷和玻璃陶瓷和玻璃金屬金屬結結 合合 鍵鍵 的的 特特 性性離子鍵離子鍵共價鍵共價鍵金屬鍵金屬鍵結構特點結構特點無方向性或方向性不明無方向性或方向性不明顯,配位數大顯,配位數大方向性明顯,配位數小,方向性明顯,配位數小,密度小密度小無方向性,無飽和性,無方向性,無飽和性,配位數大,密度大配位數大,密度大力學特點力學特點強度高,劈裂性良好,強度高,劈裂性良好,硬度大硬度大強度高,硬度大強度高,硬度大有各種強度,有塑性有各種強度,有塑性熱學特點熱學特點熔點高,膨脹系數小,熔點高,膨脹系數小,熔體中有離
3、子存在熔體中有離子存在熔點高,膨脹系數小,熔點高,膨脹系數小,熔體中有的含有分子熔體中有的含有分子有各種熔點高,導熱性有各種熔點高,導熱性好,液態的溫度范圍寬好,液態的溫度范圍寬電學特點電學特點絕緣體,熔體為導體絕緣體,熔體為導體 絕緣體,熔體為非導體絕緣體,熔體為非導體導電體導電體根據原子間鍵和的不同,將材料分為金屬、陶瓷和高分子根據原子間鍵和的不同,將材料分為金屬、陶瓷和高分子第二章固體結構第二章固體結構1、概念:、概念:空間點陣、晶體結構、晶胞、晶向族、晶面族、晶帶及晶帶空間點陣、晶體結構、晶胞、晶向族、晶面族、晶帶及晶帶定律、配位數、致密度、間隙固溶體、置換固溶體、電子濃定律、配位數、
4、致密度、間隙固溶體、置換固溶體、電子濃度、電子化合物、間隙相、間隙化合物、超結構。度、電子化合物、間隙相、間隙化合物、超結構。2、計算、計算晶向、晶面指數的標定,原子的線、面密度,致密度。晶向、晶面指數的標定,原子的線、面密度,致密度。體心立方體心立方堆垛因子(致密度)堆垛因子(致密度)0.68配位數:配位數:8面心立方面心立方堆垛因子(致密度)堆垛因子(致密度)0.74配位數:配位數:12密排六方密排六方堆垛因子(致密度)堆垛因子(致密度)0.74配位數:配位數:12晶體結構晶體結構 = 空間點陣空間點陣 + 基元基元剛球模型剛球模型三種典型金屬結構的晶體學特點三種典型金屬結構的晶體學特點結
5、構特征結構特征晶體結構類型晶體結構類型面心立方面心立方(A1)體心立方體心立方(A2)密排六方密排六方(A3)點陣常數點陣常數aaa, c (c/a =1.633)原子半徑原子半徑R晶胞內原子數晶胞內原子數426配位數配位數128 12致密度致密度0.740.680.74a42a43 4321,222caa14種布拉菲點陣種布拉菲點陣與與7個晶系個晶系7個晶系個晶系棱邊長度及夾角關系棱邊長度及夾角關系14種布拉菲點陣種布拉菲點陣立方立方a=b=c,=90簡單立方簡單立方體心立方體心立方面心立方面心立方四方四方a=bc,=90簡單四方簡單四方體心四方體心四方菱方菱方a=b=c,=90簡單菱方簡單
6、菱方六方六方a1=a2=a3c,= 90,=120簡單六方簡單六方正交正交abc,=90簡單正交簡單正交底心底心正交正交體心體心正交正交面心面心正交正交單斜單斜abc,=90簡單單斜簡單單斜底心底心單斜單斜三斜三斜abc,90簡單三斜簡單三斜立方晶系常見晶向立方晶系常見晶向 由于由于3個坐標軸存在個坐標軸存在正、正、負值負值,因此在晶向指數中,因此在晶向指數中也可存在負值。也可存在負值。如:如:111,111 , 111 晶向族:晶向族:立方晶系常見晶面立方晶系常見晶面晶面族:晶面族:100 六角晶系中的晶向、晶面六角晶系中的晶向、晶面(a)晶向)晶向(b)晶面)晶面02110011 0001
7、)0101() 1110()0001( 注意注意:三指數系統與:三指數系統與四指數系統轉換關系四指數系統轉換關系晶晶 帶帶 定定 律律 所有平行或相交于同一直線的晶面構成所有平行或相交于同一直線的晶面構成晶帶晶帶,此直線,此直線稱為稱為晶帶軸晶帶軸,屬于此晶帶的晶面稱為,屬于此晶帶的晶面稱為晶帶面晶帶面。晶帶軸晶帶軸u v w與該晶帶的與該晶帶的晶面(晶面(h k l)之間存在以下關系:之間存在以下關系:hu + kv + lw = 0u v w(h k l)晶帶軸晶帶軸晶帶面晶帶面晶帶晶帶線性與平面原子密度線性與平面原子密度線原子密度:線原子密度:在特定的晶向上,線矢量通過原子中心,在特定的
8、晶向上,線矢量通過原子中心,2個原子中心間的個原子中心間的線段長度為線段長度為l,此線段中包含的,此線段中包含的原子部分原子部分的尺寸為的尺寸為c, c / l為線原子密度(為線原子密度(LD)。)。面原子密度:面原子密度:在特定的晶面上,晶面通過原子中心,由幾在特定的晶面上,晶面通過原子中心,由幾個原子中心構成的平面的個原子中心構成的平面的面積面積Ap,此平面中包含的,此平面中包含的原子原子部分的面積部分的面積Ac, Ac / Ap為面原子密度(為面原子密度(PD)。)。密度計算密度計算AvogardroNVAnAcmolatoms/10023.623x常數,常數,阿伏加多羅阿伏加多羅晶胞體
9、積晶胞體積原子重量原子重量晶胞中的原子數晶胞中的原子數密度密度rNVnAAc=r 晶體結構可以視為原子密排面在空晶體結構可以視為原子密排面在空間一層一層平行堆垛的結果。間一層一層平行堆垛的結果。密排密排面面數數量量密排密排方向方向數數量量體心立方體心立方11064面心立方面心立方11146密排六方密排六方六方六方底面底面1底面對底面對角線角線3密排面密排面 密排方向密排方向32種點群、種點群、 230種空間群種空間群點群:點群:是指一個晶體中是指一個晶體中所有點對稱元素的集合所有點對稱元素的集合。點群在宏觀。點群在宏觀上表現為晶體外形的對稱。上表現為晶體外形的對稱。 晶體外形中只能有晶體外形中
10、只能有32種對稱點群種對稱點群的原因:的原因:(1)點對稱與平移對稱兩者共存于晶體結構中,它們相互協調,彼此制約;點對稱與平移對稱兩者共存于晶體結構中,它們相互協調,彼此制約;(2) 點對稱元素組合時必須通過一個公共點,必須遵循一定的規則,使組合點對稱元素組合時必須通過一個公共點,必須遵循一定的規則,使組合的對稱元素之間能夠自洽。的對稱元素之間能夠自洽。空間群:空間群:用以描述晶體中原子組合的所有可能方式,用以描述晶體中原子組合的所有可能方式, 是確定晶體結構的依據。是確定晶體結構的依據。230種空間群:種空間群:晶體結構中晶體結構中32個點群個點群和和14種布拉菲點陣種布拉菲點陣的組合得到。
11、的組合得到。合合 金金 相相 結結 構構合金(合金(Alloy):):兩種或兩種以上兩種或兩種以上金屬元素金屬元素,或,或金屬元素與非金屬金屬元素與非金屬元素元素,經熔煉、燒結或其它方法組合而成并,經熔煉、燒結或其它方法組合而成并具有金屬特性具有金屬特性的物質。的物質。組元(組元(Component):):組成合金最基本的獨立的物質,通常組元組成合金最基本的獨立的物質,通常組元就是組成合金的就是組成合金的元素元素,也可以是,也可以是穩定的化合物穩定的化合物。組元間由于物理的或。組元間由于物理的或化學的相互作用,可形成各種相。化學的相互作用,可形成各種相。相(相(Phase):):是合金中具有是
12、合金中具有同一聚集狀態同一聚集狀態、相同晶體結構相同晶體結構、成分成分和性能均一和性能均一,并以,并以界面(相界)界面(相界)相互分開的組成部分。相互分開的組成部分。合金中的相結構:合金中的相結構:可分為可分為固溶體固溶體和和中間相中間相兩大類。兩大類。合金中的相結構:合金中的相結構: 固溶體固溶體:置換式固溶體置換式固溶體間隙式固溶體間隙式固溶體 中間相(金屬間化合物)中間相(金屬間化合物) :正常價化合物正常價化合物_符合化合物原子價規律符合化合物原子價規律電子化合物電子化合物(休姆休姆-羅塞里相羅塞里相)_電子濃度決定晶體結構電子濃度決定晶體結構間隙相間隙相_rX/rM0.59時,形成復
13、雜晶體結構時,形成復雜晶體結構, Fe3C電子濃度電子濃度: 合金中價電子數目與原子數目的比值,即合金中價電子數目與原子數目的比值,即e/a100)100(/BxxAaeA,B分別為溶劑、溶質的原子價,分別為溶劑、溶質的原子價,x為溶質的原子分數(為溶質的原子分數(%)固固 溶溶 體體定義:定義:溶質原子完全溶于固態溶劑中,并能保持溶質原子完全溶于固態溶劑中,并能保持溶劑元素的溶劑元素的晶格類型晶格類型,這種類型的合金相稱為固溶體。這種類型的合金相稱為固溶體。固溶體種類:固溶體種類:根據溶質原子在溶劑中的位置,可分為根據溶質原子在溶劑中的位置,可分為置換式置換式(Substitutive)固溶
14、體與固溶體與間隙式(間隙式(Interstitial)固溶體。固溶體。間隙固溶體間隙固溶體 當溶質原子半徑小,與溶劑原子半徑差當溶質原子半徑小,與溶劑原子半徑差 r41% 時,溶質原子可能進入溶劑晶格間隙中時,溶質原子可能進入溶劑晶格間隙中形成間隙固溶體形成間隙固溶體 通常原子半徑小于通常原子半徑小于0.1nm的的非金屬元素非金屬元素,如,如H、C、N、O等容易成為溶質間隙原子等容易成為溶質間隙原子 由于溶質原子大小比晶格間隙的尺寸大,引起由于溶質原子大小比晶格間隙的尺寸大,引起溶劑溶劑點陣畸變點陣畸變,故間隙固溶體都是,故間隙固溶體都是有限固溶體有限固溶體面心立方晶格中的間隙面心立方晶格中的
15、間隙位于晶胞中心,由六個原子所組成位于晶胞中心,由六個原子所組成的的八面體中心八面體中心(共(共4個)個)rB/rA = 0.414位于晶胞體對角線上靠結點位于晶胞體對角線上靠結點1/4處,由四處,由四個原子所組成的個原子所組成的四面體中心四面體中心(共(共8個)個)rB/rA = 0.225設原子半徑為設原子半徑為rA, 間隙中能容納的最大圓球半徑為間隙中能容納的最大圓球半徑為rB體心立方晶格中的間隙體心立方晶格中的間隙位于晶胞六面體的面中心,由六個原位于晶胞六面體的面中心,由六個原子所組成的子所組成的八面體中心八面體中心(共(共6個)個)rB/rA = 0.15由四個原子所組成的由四個原子
16、所組成的四面四面體中心體中心 (共(共12個)個)rB/rA = 0.29 設原子半徑為設原子半徑為rA, 間隙中能容納的最大圓球半徑為間隙中能容納的最大圓球半徑為rB注:注:體心立方結構的四面體和八面體間隙體心立方結構的四面體和八面體間隙不對稱不對稱(其棱邊長度不全相其棱邊長度不全相等等),這會對間隙原子的,這會對間隙原子的固溶固溶及其產生的及其產生的畸變畸變有明顯的影響。有明顯的影響。置換固溶體置換固溶體 溶解度的影響因素溶解度的影響因素 晶體結構:晶體結構:晶體結構相同是組元間形成晶體結構相同是組元間形成無限固溶體無限固溶體的必要條的必要條件。組元的件。組元的晶體結構類型不同晶體結構類型
17、不同,其溶解度只能是有限的。,其溶解度只能是有限的。 原子尺寸:原子尺寸:組元的原子半徑差組元的原子半徑差 r15%時時,有利于形成溶解度,有利于形成溶解度較大的固溶體;當較大的固溶體;當 r 15%時時, r 越大則溶解度越小。越大則溶解度越小。 化學親和力(電負性因素):化學親和力(電負性因素):組元間組元間電負性相近電負性相近,可能具有,可能具有大的溶解度;大的溶解度;電負性差大電負性差大,則化學親和力大,易形成化合物,則化學親和力大,易形成化合物,而不利于形成固溶體,固溶體的溶解度愈小。而不利于形成固溶體,固溶體的溶解度愈小。 原子價因素:原子價因素:溶質的溶質的原子價(電子濃度)原子
18、價(電子濃度)影響固溶體的溶解影響固溶體的溶解度,度,最大溶解度最大溶解度時,時,電子濃度電子濃度 e/a 接近接近1.4。中間相(金屬間化合物)中間相(金屬間化合物) 兩組元兩組元A和和B組成合金時,除了可形成固溶體之外,如果溶質含量超組成合金時,除了可形成固溶體之外,如果溶質含量超過其溶解度時,便可能形成過其溶解度時,便可能形成新相新相,其成分處于,其成分處于A在在B中、和中、和B在在A中的中的最大溶解度之間,故稱為最大溶解度之間,故稱為中間相中間相。 中間相可以是中間相可以是化合物化合物,也可以是以,也可以是以化合物為基的固溶體化合物為基的固溶體(第二類固溶第二類固溶體體或或二次固溶體二
19、次固溶體)。它的晶體結構不同于其任一組元,結合鍵中通常)。它的晶體結構不同于其任一組元,結合鍵中通常是是金屬鍵金屬鍵和和其它典型鍵(如離子鍵、共價鍵和分子鍵)其它典型鍵(如離子鍵、共價鍵和分子鍵)相混合。因此相混合。因此中間相具有一定的中間相具有一定的金屬特性金屬特性,又稱為,又稱為金屬間化合物金屬間化合物。 金屬間化合物種類很多,主要包括三種:金屬間化合物種類很多,主要包括三種: 正常價化合物正常價化合物 電子化合物電子化合物 間隙相和間隙化合物間隙相和間隙化合物正常價化合物正常價化合物 正常價化合物正常價化合物是指符合化合物是指符合化合物原子價規律的金屬間化合物。它原子價規律的金屬間化合物
20、。它們具有們具有嚴格的化合比嚴格的化合比,成分固定成分固定不變不變。 它的結構與相應分子式的它的結構與相應分子式的離子離子化合物晶體結構相同化合物晶體結構相同,如分子式,如分子式具有具有AB型的正常價化合物其晶體型的正常價化合物其晶體結構為結構為NaCl型。型。 正常價化合物常見于正常價化合物常見于陶瓷材料陶瓷材料,多為離子化合物。多為離子化合物。例如:例如:Mg2Pb、Mg2Sn、Mg2Ge、Mg2Si 等等等等電子化合物(休姆電子化合物(休姆-羅塞里相)羅塞里相)Hume-Rothery phase 電子化合物電子化合物是指按照一定價電子濃度的比值組成一定是指按照一定價電子濃度的比值組成一
21、定晶格類型的化合物,即晶格類型的化合物,即電子濃度決定晶體結構電子濃度決定晶體結構。 電子化合物電子化合物不符合化學價規律不符合化學價規律,原子間以金屬鍵為主,原子間以金屬鍵為主,具有明顯的具有明顯的金屬特性金屬特性。如:價電子濃度(如:價電子濃度(e/a):): 3/2 體心立方(體心立方( 相)相); 7/4 密排密排六方晶格(六方晶格( 相);相);21/13 復雜立方(復雜立方( 相);相); 電子化合物的電子化合物的熔點和硬度都很高熔點和硬度都很高,而,而塑性較差塑性較差,是有,是有色金屬中的重要色金屬中的重要強化相強化相。間間 隙隙 相相q 當非金屬原子半徑(當非金屬原子半徑(rX
22、)與金屬原子半徑()與金屬原子半徑(rM)的比值)的比值rX/rM0.59時時,將形成具有將形成具有復雜晶體結構復雜晶體結構的的金屬間化合物金屬間化合物,其中非金屬原,其中非金屬原子也位于晶格的間隙處,故稱之為子也位于晶格的間隙處,故稱之為間隙化合物間隙化合物。例如例如Fe3C是鐵碳合金中的重要組成相,稱為是鐵碳合金中的重要組成相,稱為滲碳體滲碳體,具有復雜的,具有復雜的正正交晶格交晶格。Fe3C中的中的Fe原子可以部分地被其它金屬原子(原子可以部分地被其它金屬原子(Mn、Cr、Mo、W)所置換,形成)所置換,形成(Fe、Mn)3C等,稱為等,稱為合金滲碳體合金滲碳體。 間隙化合物中原子間結合
23、鍵為間隙化合物中原子間結合鍵為共價鍵共價鍵和和金屬鍵金屬鍵。間隙化。間隙化合物也具有合物也具有很高的熔點和硬度很高的熔點和硬度,脆性較大脆性較大,也是鋼中重要,也是鋼中重要的的強化相強化相之一。但之一。但與間隙相相比與間隙相相比,間隙化合物的熔點、硬,間隙化合物的熔點、硬度、以及化學穩定性都要低一些。度、以及化學穩定性都要低一些。第三章第三章 晶體缺陷晶體缺陷1、概念、概念肖脫基缺陷、弗侖克爾缺陷、刃型位錯、螺型位錯、柏氏矢肖脫基缺陷、弗侖克爾缺陷、刃型位錯、螺型位錯、柏氏矢量、位錯密度、位錯的滑移及攀移、弗蘭克量、位錯密度、位錯的滑移及攀移、弗蘭克-瑞德源、湯普森瑞德源、湯普森四面體、位錯反
24、應、擴展位錯、表面能、界面能。四面體、位錯反應、擴展位錯、表面能、界面能。2、計算、計算點缺陷濃度,位錯密度。點缺陷濃度,位錯密度。3、分析判斷、分析判斷位錯反應條件,位錯受力分析。位錯反應條件,位錯受力分析。缺缺 陷陷 種種 類類 Imperfections, Defects 點缺陷(點缺陷(Point defects):):最簡單的晶體缺陷,在結點上或鄰最簡單的晶體缺陷,在結點上或鄰近的微觀區域內偏離晶體結構的正常排列。在空間三維方向上近的微觀區域內偏離晶體結構的正常排列。在空間三維方向上的尺寸都很小,約為一個、幾個原子間距,又稱的尺寸都很小,約為一個、幾個原子間距,又稱零維缺陷零維缺陷。
25、 包括空位、間隙原子、雜質、溶質原子等。包括空位、間隙原子、雜質、溶質原子等。線缺陷(線缺陷(Linear defects):):在一個方向上的缺陷擴展很大,其在一個方向上的缺陷擴展很大,其它兩個方向上尺寸很小,也稱為它兩個方向上尺寸很小,也稱為一維缺陷一維缺陷。主要為位錯主要為位錯。面缺陷(面缺陷(Interfacial defects):):在兩個方向上的缺陷擴展很大,在兩個方向上的缺陷擴展很大,其它一個方向上尺寸很小,也稱為其它一個方向上尺寸很小,也稱為二維缺陷二維缺陷。 包括晶界、相界、孿晶界、堆垛層錯等。包括晶界、相界、孿晶界、堆垛層錯等。點缺陷的形成條件點缺陷的形成條件 原子熱運動
26、原子熱運動點缺陷的平衡濃度:點缺陷的平衡濃度:設由設由N個原子組成的晶體中含有個原子組成的晶體中含有n個空位,形成一個空位所需能量為個空位,形成一個空位所需能量為Ev,振動,振動熵為熵為Sf,k為波爾茲曼常數,則空位在為波爾茲曼常數,則空位在T溫度時的溫度時的空位平衡濃度空位平衡濃度C: 類似的,類似的,間隙原子平衡濃度間隙原子平衡濃度C : 一般,晶體中一般,晶體中間隙原子間隙原子的形成能比的形成能比空位空位的形成能的形成能大大3-4倍倍,間隙原子的量與,間隙原子的量與空位相比可以忽略。空位相比可以忽略。 熱平衡缺陷(熱平衡缺陷(thermal equilibrium defects) :由
27、于熱起伏促使原子脫離點由于熱起伏促使原子脫離點陣位置而形成的點缺陷。陣位置而形成的點缺陷。kTEAkTEkSNnCvvfexpexpexpkTEAkTEkSNnCvvfexpexpexp刃型位錯刃型位錯螺型位錯螺型位錯位錯的運動位錯的運動位錯運動是位錯的重要性質之一,它與晶體的力學性能,位錯運動是位錯的重要性質之一,它與晶體的力學性能,如強度、塑性、斷裂等密切相關如強度、塑性、斷裂等密切相關位錯的運動方式主要是:位錯的運動方式主要是: 滑移滑移 slip 攀移攀移 climb位錯的滑移(守恒運動):位錯的滑移(守恒運動):在外加切應力作用下,位錯中在外加切應力作用下,位錯中心附近的原子沿柏氏矢
28、量方向在滑移面上不斷作少量位移心附近的原子沿柏氏矢量方向在滑移面上不斷作少量位移(小于一個原子間距)而逐步實現(小于一個原子間距)而逐步實現位錯滑移的特點位錯滑移的特點刃型位錯:滑移的刃型位錯:滑移的切應力方向切應力方向與與位錯線位錯線垂直;垂直; 螺型位錯:滑移的螺型位錯:滑移的切應力方向切應力方向與與位錯線位錯線平行。平行。 2) 2) 刃型位錯:刃型位錯:滑移方向滑移方向與與位錯運動方向位錯運動方向一致;一致; 螺型位錯:螺型位錯:滑移方向滑移方向與與位錯運動方向位錯運動方向垂直。垂直。 3) 3) 螺型位錯:如果在原滑移面上運動受阻時,有可能轉移到螺型位錯:如果在原滑移面上運動受阻時,
29、有可能轉移到與之相交的另一滑移面上繼續滑移,這稱為與之相交的另一滑移面上繼續滑移,這稱為交滑移交滑移。/位錯滑移的切應力位錯滑移的切應力位錯滑移方向位錯滑移方向柏氏矢量柏氏矢量位錯線方向位錯線方向位錯運動方向位錯運動方向/運動位錯的交割:運動位錯的交割:扭折:扭折:位錯交割形成的曲折線段在位錯的滑移面上。位錯交割形成的曲折線段在位錯的滑移面上。割階:割階:該曲折線段垂直于位錯的滑移面。該曲折線段垂直于位錯的滑移面。 位錯反應:位錯反應:位錯線之間可以合并或分解位錯線之間可以合并或分解幾何條件:幾何條件:反應前后諸位錯的柏氏矢量之和相等,反應前后諸位錯的柏氏矢量之和相等,b b1 + b2能量條
30、件:能量條件:反應后位錯的總能量小于反應前位錯的能量反應后位錯的總能量小于反應前位錯的能量 b 2 b1 2 + b2 2位錯的應變能位錯的應變能位錯的能量:位錯的能量:位錯周圍點陣畸變引起的彈性應力場,導致晶體能量的增加位錯周圍點陣畸變引起的彈性應力場,導致晶體能量的增加 位錯中心畸變能位錯中心畸變能Ec (大約為總應變能的大約為總應變能的1/10-1/15) 位錯應力場引起的彈性應變能位錯應力場引起的彈性應變能Ee (主要部分主要部分 )單位長度單位長度刃型位錯刃型位錯的應變能的應變能: 02ln)1 (4rRGbEee單位長度單位長度螺型位錯螺型位錯的應變能的應變能: 02ln4rRGb
31、Ese簡化的單位長度位錯的簡化的單位長度位錯的總應變能總應變能:E = Gb2 約為約為0.5 - 1 單位長度單位長度混合位錯混合位錯的應變能的應變能: 02ln4rRKGbEmeG 切變模量切變模量K 角度因素角度因素 幾何系數幾何系數b 柏氏矢量柏氏矢量 泊松比泊松比 作用在位錯的力作用在位錯的力 在在外切應力外切應力 的作用下,位錯的移動可以理解為有一個垂直于位錯線的作用下,位錯的移動可以理解為有一個垂直于位錯線的力的力 Fd 作用于位錯線上。作用于位錯線上。Fd = b Fd 的方向總是與的方向總是與位錯線相垂直位錯線相垂直,并指向滑移面的未滑移部分,并指向滑移面的未滑移部分 作用在
32、位錯上的力只是作用在位錯上的力只是一種組態力一種組態力,它不代表位錯附近原子實際所受,它不代表位錯附近原子實際所受力,也區別于作用在晶體上的力,其方向力,也區別于作用在晶體上的力,其方向與外切應力方向不一定一致與外切應力方向不一定一致 一根位錯具有唯一的柏氏矢量,只要作用在晶體上的切應力是均勻的,一根位錯具有唯一的柏氏矢量,只要作用在晶體上的切應力是均勻的,則各段則各段位錯所受的力大小相同位錯所受的力大小相同 FdFd 位錯的線張力位錯的線張力 線張力線張力T可以理解為使位錯增加單位長度所需的能量,可以理解為使位錯增加單位長度所需的能量, 故:故: T = kGb2, k 約為約為0.5-1
33、若位錯長度為若位錯長度為ds,單位長度位錯線所受的力為,單位長度位錯線所受的力為 b, 則:則: bds = 2Tsin(d/2), 由于由于ds = rd,當,當d 很小時,很小時,sin(d/2)(d/2) 因此:因此: b = T/r Gb2/2r 兩端固定的位錯在切應力兩端固定的位錯在切應力 作用下作用下 與位錯線彎曲度與位錯線彎曲度 r 的關系的關系 = Gb/2r位錯間的交互作用力位錯間的交互作用力1)兩平行)兩平行螺位錯螺位錯的交互作用的交互作用rbGbbf221212)兩平行)兩平行刃位錯刃位錯的交互作用的交互作用 沿沿x方向方向的切應力分量(滑移)的切應力分量(滑移): 沿沿
34、y方向方向的正應力分量(攀移)的正應力分量(攀移):22222212)()()1 (2yxyxxbGbbfyxx22222212)()3()1 (2yxyxybGbbfxxy 在同一滑移面上的位錯,在同一滑移面上的位錯,同性同性相斥、異性相吸(見右圖)相斥、異性相吸(見右圖) 在不同滑移面上的位錯,在不同滑移面上的位錯,小角度小角度晶界晶界的形成。的形成。 相互平行的螺位錯和刃位錯之間相互平行的螺位錯和刃位錯之間不發生相互作用不發生相互作用(柏氏矢量相互(柏氏矢量相互垂直)垂直) 混合位錯,先分解、再疊加混合位錯,先分解、再疊加 位錯的生成和增殖位錯的生成和增殖位錯的密度位錯的密度 Densi
35、ty of dislocations: 位錯密度是位錯密度是單位體積單位體積晶體中所含的位錯線的晶體中所含的位錯線的總長度總長度: = L/V(1/cm2) 一般,位錯密度也定義為一般,位錯密度也定義為單位面積單位面積所見到的所見到的位錯數目位錯數目 充分退火的多晶體金屬中,充分退火的多晶體金屬中,= 106 108 cm-2 劇烈冷變形的金屬中:劇烈冷變形的金屬中:= 1010 1012 cm-2 超純金屬單晶體:超純金屬單晶體: 103 cm-2面面 缺缺 陷陷 Interfacial Defects 表面及界面表面及界面 Surface、Interface、Boundary 界面:界面:
36、通常包含通常包含幾個原子層厚幾個原子層厚的區域,其原子排列及化的區域,其原子排列及化學成分學成分不同于晶體內部不同于晶體內部,可視為二維結構分布,也稱為晶,可視為二維結構分布,也稱為晶體的體的面缺陷面缺陷。界面對晶體的物理、化學和力學等性能產生重要的影響界面對晶體的物理、化學和力學等性能產生重要的影響 外表面:外表面:指固體材料與氣體或液體的分界面。它與摩擦、吸附、指固體材料與氣體或液體的分界面。它與摩擦、吸附、腐蝕、催化、光學、微電子等密切相關腐蝕、催化、光學、微電子等密切相關 內界面:內界面:分為晶粒界面、亞晶界、孿晶界、相界面等分為晶粒界面、亞晶界、孿晶界、相界面等晶界分類晶界分類(根據
37、相鄰晶粒位相差根據相鄰晶粒位相差)小角度晶界小角度晶界 Low-angle grain boundary: 相鄰晶粒的位相鄰晶粒的位相差小于相差小于10,亞晶界一般為亞晶界一般為2左右。左右。大角度晶界大角度晶界 High-angle grain boundary: 相鄰晶粒的位相差相鄰晶粒的位相差大于大于10 晶界能晶界能晶界上原子畸變引起的系統自由能的升高,單位:晶界上原子畸變引起的系統自由能的升高,單位:J/m2v 小角度晶界小角度晶界能量主要能量主要來自來自位錯能量位錯能量,與位相差,與位相差 有關:有關:v = 0(A-ln) 大角度晶界能量基本為大角度晶界能量基本為定值,與晶粒之間
38、位相差定值,與晶粒之間位相差無關無關 : 0.25 1.0 J/m2 第四章第四章 凝固與擴散凝固與擴散1、概念、概念凝固、結晶、過冷、過冷度、結構起伏、能量起伏、均勻形核、非均勻形凝固、結晶、過冷、過冷度、結構起伏、能量起伏、均勻形核、非均勻形核、臨界晶核半徑、臨界形核功及物理意義、形核率、光滑界面、粗糙界核、臨界晶核半徑、臨界形核功及物理意義、形核率、光滑界面、粗糙界面;擴散通量、穩態擴散、非穩態擴散、擴散系數、擴散激活能、菲克第面;擴散通量、穩態擴散、非穩態擴散、擴散系數、擴散激活能、菲克第一定律、菲克第二定律、柯肯達爾效應、互擴散一定律、菲克第二定律、柯肯達爾效應、互擴散(化學擴散)、
39、自擴散、化學擴散)、自擴散、上坡擴散、反應擴散。上坡擴散、反應擴散。2、分析、判斷、計算、分析、判斷、計算l 液態金屬在正、負溫度梯度下的生長過程,控制凝固后晶粒大小方法;液態金屬在正、負溫度梯度下的生長過程,控制凝固后晶粒大小方法;l 擴散相關物理量計算;擴散相關物理量計算;l 分析影響擴散的因素,解釋一些現象;分析影響擴散的因素,解釋一些現象;l 利用一些結論。如利用一些結論。如“鋼鐵材料滲碳處理時,擴散需要的時間鋼鐵材料滲碳處理時,擴散需要的時間 t 與擴散距與擴散距離離 x 的平方成正比,即的平方成正比,即t x2 ”; 以及以及“同一個擴散系統,擴散系數同一個擴散系統,擴散系數 D
40、與與擴散時間擴散時間 t 的乘積為一常數,即的乘積為一常數,即 Dt = 常數常數 ”解決實際問題。解決實際問題。 結構起伏結構起伏 Structural undulation:液態金屬中存在著原子排列液態金屬中存在著原子排列規則(有序)的小區域(規則(有序)的小區域(原子團原子團),這些大小不一的原子集),這些大小不一的原子集團是與固態結構類似的;這些原子集團不穩定,一會兒在這團是與固態結構類似的;這些原子集團不穩定,一會兒在這里消失,一會兒在那里出現(原子重新聚集),里消失,一會兒在那里出現(原子重新聚集),此起彼伏此起彼伏,這種現象稱為這種現象稱為結構起伏結構起伏。 能量起伏能量起伏 E
41、nergy undulation:造成結構起伏的原因是液態金屬造成結構起伏的原因是液態金屬中存在著能量起伏,中存在著能量起伏,能量低能量低的地方有序原子團才能形成,遇的地方有序原子團才能形成,遇到到能量高峰能量高峰又散開成無序狀態。又散開成無序狀態。 結構起伏結構起伏與與能量起伏能量起伏是對應的是對應的結晶過程結晶過程 晶核形成(形核):晶核形成(形核): 在過冷的金屬液體中,尺在過冷的金屬液體中,尺寸較大的晶胚不再被熔化掉,寸較大的晶胚不再被熔化掉,能夠穩定保留下來的能夠穩定保留下來的晶胚晶胚就就成了開始結晶的成了開始結晶的核心核心; 晶核長大:晶核長大: 然后然后晶核晶核不斷長大。隨著不斷
42、長大。隨著結晶結晶過程的進行,固相逐漸過程的進行,固相逐漸增多,液相逐漸減少,直至增多,液相逐漸減少,直至全部轉變為全部轉變為固相固相 結構起伏、能量起伏驅動力驅動力 Driving force:固、液兩相的自由能之差固、液兩相的自由能之差G = GS - GL就是結晶的驅動力就是結晶的驅動力 在恒溫、恒壓的條件下,單位體積的液體與固體的自由能之差為:在恒溫、恒壓的條件下,單位體積的液體與固體的自由能之差為: “ - ” 表示由液態轉變為固態自由能降低;表示由液態轉變為固態自由能降低;Lm 熔化潛熱熔化潛熱;T = Tm - T 過冷度過冷度 Undercooling 過冷度過冷度T 越大,結
43、晶的驅動力也就越大;越大,結晶的驅動力也就越大; T = 0,Gv = 0,即沒有,即沒有驅動力,結晶不能進行驅動力,結晶不能進行 結晶的熱力學條件:結晶的熱力學條件:結晶必須有一定的過冷度結晶必須有一定的過冷度(熱過冷)(熱過冷)mmVTTLG自由能隨溫度變化示意圖自由能隨溫度變化示意圖驅動力驅動力過冷度過冷度形形 核核 Nucleation金屬結晶時,形核方式有兩種:金屬結晶時,形核方式有兩種: 均勻形核均勻形核 Homogeneous nucleation: 指在均勻單一的液相中形成固相結晶核心的過程指在均勻單一的液相中形成固相結晶核心的過程 非均勻形核非均勻形核 Heterogeneo
44、us nucleation: 由于外界因素,如雜質顆粒、鑄型內壁等,促進結由于外界因素,如雜質顆粒、鑄型內壁等,促進結晶晶核的形成晶晶核的形成均勻形核的自由能變化均勻形核的自由能變化 在過冷的條件下,金屬液體中晶胚的形成和增大,將引起在過冷的條件下,金屬液體中晶胚的形成和增大,將引起系統自由能變化:系統自由能變化: 轉變為轉變為固態固態的那部分體積,引起的那部分體積,引起自由能下降自由能下降; 晶胚與液相之間增加的晶胚與液相之間增加的界面界面,造成,造成自由能(表面能)增大自由能(表面能)增大23434VGG 設單位體積設單位體積自由能的下降為自由能的下降為Gv (Gv 0,x = 0, =
45、s x = , = 0則濃度則濃度 (x,t)可表示為可表示為(求解過程見講義)(求解過程見講義):)2()(),(0Dtxerftxsst x2Dt = 常數常數 擴散的熱力學分析擴散的熱力學分析下坡擴散:下坡擴散:菲克第一定律描述了物質菲克第一定律描述了物質從高濃度向低濃度擴散從高濃度向低濃度擴散的現象,的現象,擴散的結果導致濃度梯度的減小,使成份趨于均勻擴散的結果導致濃度梯度的減小,使成份趨于均勻上坡擴散(逆向擴散):上坡擴散(逆向擴散):物質也可能物質也可能從低濃度區向高濃度區擴從低濃度區向高濃度區擴散散,擴散的結果提高了濃度梯度,擴散的結果提高了濃度梯度擴散的驅動力:擴散的驅動力:并
46、不是濃度梯度,而擴散前后并不是濃度梯度,而擴散前后自由能之差自由能之差(化學化學勢梯度勢梯度) 固態擴散的分類固態擴散的分類 化學擴散、互擴散化學擴散、互擴散 interdiffusion:依賴于依賴于濃度梯度濃度梯度的擴散的擴散 包括:原子擴散、反應擴散、上坡擴散、下坡擴散包括:原子擴散、反應擴散、上坡擴散、下坡擴散 自擴散自擴散 self-diffusion:僅由僅由熱振動熱振動而產生擴散,不依賴于而產生擴散,不依賴于濃度梯度的擴散濃度梯度的擴散 互擴散、自擴散的區別:互擴散、自擴散的區別:在于擴散前后在于擴散前后是否有濃度是否有濃度的變化的變化,有濃度變化則為互擴散(化學擴散),無濃,有
47、濃度變化則為互擴散(化學擴散),無濃度變化則為自擴散度變化則為自擴散擴散機制擴散機制 Diffusion mechanisms 擴散原子理論擴散原子理論擴散機制,擴散機制,就是擴散原子在晶體點陣中遷移的具體方式就是擴散原子在晶體點陣中遷移的具體方式 包括:包括: 1、交換擴散(、交換擴散(exchange diffusion) 2、間隙擴散(、間隙擴散(interstitial diffusion) 3、空位擴散(、空位擴散(vacancy diffusion) 4、晶界及表面擴散(、晶界及表面擴散(grain boundary or surface diffusion) 5、位錯擴散(、位錯
48、擴散(dislocation diffusion)第五章第五章 形變與再結晶形變與再結晶1、概念、概念應力、應變、應力應變曲線、滯彈性、彈性模量、泊松比、應力、應變、應力應變曲線、滯彈性、彈性模量、泊松比、屈服強度、抗拉強度、塑性、滑移、孿生、滑移帶、臨界分屈服強度、抗拉強度、塑性、滑移、孿生、滑移帶、臨界分切應力、加工硬化、柯氏氣團、形變織構、殘余應力、金屬切應力、加工硬化、柯氏氣團、形變織構、殘余應力、金屬強化機制、斷裂(脆性、延性)、回復、再結晶、多邊化、強化機制、斷裂(脆性、延性)、回復、再結晶、多邊化、二次再結晶、弓出形核。二次再結晶、弓出形核。2、計算、分析、判斷、計算、分析、判斷
49、形變相關物理量計算、相關機理分析判斷。形變相關物理量計算、相關機理分析判斷。晶體的塑性變形晶體的塑性變形 單晶體單晶體變形的微觀過程變形的微觀過程 彈性變形彈性變形外力克服單晶外力克服單晶原子間的鍵合力原子間的鍵合力,使原子偏離,使原子偏離其平衡位置,試樣開始伸長其平衡位置,試樣開始伸長 晶面滑移晶面滑移當外力大于屈服極限后,沿單晶的當外力大于屈服極限后,沿單晶的某一特定某一特定晶面原子晶面原子的產生相對滑移。隨應力的增加,發生滑移的晶的產生相對滑移。隨應力的增加,發生滑移的晶面增加,塑性變形量加大。面增加,塑性變形量加大。單晶體的塑性變形,主要通過單晶體的塑性變形,主要通過滑移滑移,還有,還
50、有孿生孿生、扭折扭折等等滑移系滑移系 = 滑移面滑移面 + 滑移方向滑移方向coscosAF宏觀起始宏觀起始屈服強度屈服強度取向因子取向因子臨界分切應力臨界分切應力滑移的位錯機制滑移的位錯機制 點陣阻力(派點陣阻力(派-納力)納力)bWGbdGNP2exp12)1 (2exp12 實測晶體滑移的臨界切應力,較理論計算低實測晶體滑移的臨界切應力,較理論計算低34個數量級,表明晶個數量級,表明晶體滑移是借助位錯在滑移面上運動而逐步實現的體滑移是借助位錯在滑移面上運動而逐步實現的 晶體滑移需克服點陣阻力,由派爾斯晶體滑移需克服點陣阻力,由派爾斯R. Peierls 和納巴羅和納巴羅F.R.N. Na
51、barro 首先估算了此阻力,即派首先估算了此阻力,即派-納力納力 N-P,相當于簡單立方晶體,相當于簡單立方晶體中使刃形位錯運動所需的中使刃形位錯運動所需的臨界分切應力臨界分切應力:d 滑移面的面間距;滑移面的面間距;b 柏氏矢量(滑移方向上的原子間距);柏氏矢量(滑移方向上的原子間距); 泊松比;泊松比; 位錯寬度位錯寬度1dW晶界的影響:晶界的影響: 晶界上原子排列不規則、點陣畸變、兩側滑移方向和滑移面不一致,晶界上原子排列不規則、點陣畸變、兩側滑移方向和滑移面不一致,因此,室溫下晶界對滑移具有因此,室溫下晶界對滑移具有阻礙效應阻礙效應。位錯在晶界處的位錯在晶界處的位錯塞積效應位錯塞積效
52、應抑制了位錯源的開動。抑制了位錯源的開動。晶體的塑性變形晶體的塑性變形 多晶體多晶體增加了多晶體金屬的增加了多晶體金屬的塑性變形抗力塑性變形抗力金屬的強化機制:金屬的強化機制:與約束和釘扎位錯的滑移有關與約束和釘扎位錯的滑移有關1、固溶強化:、固溶強化:柯氏柯氏Cotrell氣團氣團2、加工硬化:、加工硬化:冷加工程度,冷加工程度,3、細晶強化:、細晶強化:4、彌散強化:、彌散強化:%100%0AAACWHall-Petch 公式公式dky0yCold workRecoveryRecrystallizationGrain growth冷變形金屬的加熱冷變形金屬的加熱 組織變化組織變化回復:回復
53、:晶粒的晶粒的形態、大小形態、大小與變形態相同,但與變形態相同,但亞結構亞結構、性能性能已有變化已有變化再結晶:再結晶:出現出現無畸變的等軸晶粒無畸變的等軸晶粒,逐步取代變形晶粒,逐步取代變形晶粒晶粒長大:晶粒長大:再結晶結束后的再結晶結束后的晶粒繼續長大晶粒繼續長大冷變形金屬的加熱冷變形金屬的加熱 性能變化性能變化 強度和硬度:強度和硬度: 回復階段變化小;回復階段變化小; 再結晶階段變化大再結晶階段變化大(與位錯密度有關與位錯密度有關) 電阻:電阻: 回復階段已有大的變化回復階段已有大的變化(與點缺陷有關與點缺陷有關) 內應力:內應力: 回復階段消除大部或全部內應力;回復階段消除大部或全部
54、內應力; 再結晶階段全部消除微觀內應力再結晶階段全部消除微觀內應力 亞晶粒尺寸:亞晶粒尺寸: 回復階段變化小;回復階段變化小; 接近再結晶時,顯著增大接近再結晶時,顯著增大 密度:密度: 再結晶階段急劇增高再結晶階段急劇增高(缺陷減少缺陷減少) 儲存能的變化:儲存能的變化: 再結晶階段釋放多再結晶階段釋放多 回復回復 Recovery現象:現象:除除內應力大大減少內應力大大減少外,在光學顯微鏡下看不到金相組外,在光學顯微鏡下看不到金相組織的變化。在電子顯微鏡下觀察,點缺陷有所減少,位錯在形織的變化。在電子顯微鏡下觀察,點缺陷有所減少,位錯在形態上也有變化,但數量沒有明顯減少態上也有變化,但數量
55、沒有明顯減少 回復階段退火的作用:回復階段退火的作用: 提高擴散提高擴散 促進位錯運動促進位錯運動 釋放內應變能釋放內應變能回復退火產生的結果:回復退火產生的結果: 電阻率下降電阻率下降 硬度、強度下降不多硬度、強度下降不多 降低內應力降低內應力再結晶再結晶 Recrystallization現象:現象:顯微組織顯微組織重新改組重新改組的過程,原來的晶粒全部被的過程,原來的晶粒全部被新的小晶粒新的小晶粒 所代替,基本所代替,基本消除加工硬化消除加工硬化的影響的影響驅動力:驅動力:變形金屬經回復后未被釋放的儲存能(相當于變形金屬經回復后未被釋放的儲存能(相當于變形總儲變形總儲 能的能的90%)過
56、程:過程:再結晶的再結晶的形核形核和和長大長大過程過程特點:特點:無晶體結構、化學成分的變化,無晶體結構、化學成分的變化,不是相變不是相變;新晶粒長大通;新晶粒長大通 過過短程擴散短程擴散;再結晶程度依賴于;再結晶程度依賴于溫度溫度和和時間時間 冷變形金屬加熱到一定溫度后,在原變形組織中重冷變形金屬加熱到一定溫度后,在原變形組織中重新產生了新產生了無畸變的等軸新晶粒無畸變的等軸新晶粒,性能發生明顯的變,性能發生明顯的變化、并恢復到變形前狀況的過程化、并恢復到變形前狀況的過程再結晶形核模式再結晶形核模式 晶界弓出形核(應變誘導晶界移動、凸出形核)晶界弓出形核(應變誘導晶界移動、凸出形核) 亞晶合并機制亞晶合并機制 亞晶遷移機制亞晶遷移機制再結晶溫度再結晶溫度定義定義1:一般以顯微鏡中出現一般以顯微鏡中出現第
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請聯系上傳者。文件的所有權益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網頁內容里面會有圖紙預覽,若沒有圖紙預覽就沒有圖紙。
- 4. 未經權益所有人同意不得將文件中的內容挪作商業或盈利用途。
- 5. 人人文庫網僅提供信息存儲空間,僅對用戶上傳內容的表現方式做保護處理,對用戶上傳分享的文檔內容本身不做任何修改或編輯,并不能對任何下載內容負責。
- 6. 下載文件中如有侵權或不適當內容,請與我們聯系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準確性、安全性和完整性, 同時也不承擔用戶因使用這些下載資源對自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 專題02 故事類材料作文審題技巧(教案)-2024-2025學年高考語文一輪復習之高考作文寶鑒
- 人教版九年級上冊第二十一章 一元二次方程21.2 解一元二次方程21.2.1 配方法第2課時教學設計
- 九年級道德與法治上冊 第1單元 感受時代脈動 第1課 認識社會巨變 第1站 我們生活的變遷教學設計 北師大版
- 紡織銷售禮儀培訓課件
- 七年級數學上冊 第1章 有理數1.2 數軸、相反數與絕對值1.2.1 數軸教學設計 (新版)湘教版
- 2024中煤蒙陜能源銷售有限公司招聘筆試參考題庫附帶答案詳解
- 葆嬰大學培訓大綱
- 九年級語文上冊 第四單元 17 孤獨之旅教學設計 新人教版
- 2024中國鐵塔股份有限公司社招+校招開啟筆試參考題庫附帶答案詳解
- 人教部編版一年級上冊(道德與法治)12 早睡早起教學設計
- 學校結核病防治工作制度
- 《H水電站水能規劃與防洪設計》18000字(論文)
- 建筑施工現場突發事件應急預案及要求措施
- 阿拉善盟社區工作者招聘真題2024
- 村衛生室管理培訓
- 安全培訓創傷急救
- 企業安全知識培訓課件
- 2025年梅河口康美職業技術學院單招職業技能考試題庫必考題
- 浙江省麗水市2024-2025學年高二上學期期末教學質量監控英語試題【含答案】
- 遼寧省七校協作體2024-2025學年高二下學期3月聯考地理試題(原卷版+解析版)
- 2025新疆交投集團所屬子公司招56人筆試參考題庫附帶答案詳解
評論
0/150
提交評論