材料科學(xué)基礎(chǔ)筆記.

1、第一章 材料中的原子排列第一節(jié) 原子的結(jié)合方式1 原子結(jié)構(gòu)2 原子結(jié)合鍵 （1）離子鍵與離子晶體原子結(jié)合：電子轉(zhuǎn)移，結(jié)合力大，無方向性和飽和性；離子晶體；硬度高，脆性大，熔點(diǎn)高、導(dǎo)電性差。如氧化物陶瓷。（2）共價(jià)鍵與原子晶體原子結(jié)合：電子共用，結(jié)合力大，有方向性和飽和性；原子晶體：強(qiáng)度高、硬度高（金剛石）、熔點(diǎn)高、脆性大、導(dǎo)電性差。如高分子材料。（3）金屬鍵與金屬晶體原子結(jié)合：電子逸出共有，結(jié)合力較大，無方向性和飽和性；金屬晶體：導(dǎo)電性、導(dǎo)熱性、延展性好，熔點(diǎn)較高。如金屬。金屬鍵：依靠正離子與構(gòu)成電子氣的自由電子之間的靜電引力而使諸原子結(jié)合到一起的方式。（3）分子鍵與分子晶體原子結(jié)合：電子云偏

2、移，結(jié)合力很小，無方向性和飽和性。分子晶體：熔點(diǎn)低，硬度低。如高分子材料。氫鍵：（離子結(jié)合）X-H-Y（氫鍵結(jié)合），有方向性，如O-HO（4）混合鍵。如復(fù)合材料。3 結(jié)合鍵分類（1） 一次鍵 （化學(xué)鍵）：金屬鍵、共價(jià)鍵、離子鍵。（2） 二次鍵 （物理鍵）：分子鍵和氫鍵。4 原子的排列方式 （1）晶體：原子在三維空間內(nèi)的周期性規(guī)則排列。長程有序，各向異性。（2）非晶體：不規(guī)則排列。長程無序，各向同性。第二節(jié) 原子的規(guī)則排列一 晶體學(xué)基礎(chǔ)1 空間點(diǎn)陣與晶體結(jié)構(gòu)（1） 空間點(diǎn)陣：由幾何點(diǎn)做周期性的規(guī)則排列所形成的三維陣列。圖1-5特征：a 原子的理想排列；b 有14種。其中：空間點(diǎn)陣中的點(diǎn)陣點(diǎn)。它是

3、純粹的幾何點(diǎn)，各點(diǎn)周圍環(huán)境相同。描述晶體中原子排列規(guī)律的空間格架稱之為晶格?？臻g點(diǎn)陣中最小的幾何單元稱之為晶胞。（2） 晶體結(jié)構(gòu)：原子、離子或原子團(tuán)按照空間點(diǎn)陣的實(shí)際排列。 特征：a 可能存在局部缺陷； b 可有無限多種。2 晶胞 圖16（1）：構(gòu)成空間點(diǎn)陣的最基本單元。（2）選取原則：a 能夠充分反映空間點(diǎn)陣的對(duì)稱性；b 相等的棱和角的數(shù)目最多；c 具有盡可能多的直角；d 體積最小。（3） 形狀和大小有三個(gè)棱邊的長度a,b,c及其夾角,表示。（4） 晶胞中點(diǎn)的位置表示（坐標(biāo)法）。3 布拉菲點(diǎn)陣 圖17 14種點(diǎn)陣分屬7個(gè)晶系。 4 晶向指數(shù)與晶面指數(shù)晶向：空間點(diǎn)陣中各陣點(diǎn)列的方向。晶面：通過

4、空間點(diǎn)陣中任意一組陣點(diǎn)的平面。國際上通用米勒指數(shù)標(biāo)定晶向和晶面。（1） 晶向指數(shù)的標(biāo)定 a 建立坐標(biāo)系。確定原點(diǎn)（陣點(diǎn)）、坐標(biāo)軸和度量單位（棱邊）。 b 求坐標(biāo)。u,v,w。 c 化整數(shù)。 u,v,w. d 加 。uvw。說明： a 指數(shù)意義：代表相互平行、方向一致的所有晶向。 b 負(fù)值：標(biāo)于數(shù)字上方，表示同一晶向的相反方向。c 晶向族：晶體中原子排列情況相同但空間位向不同的一組晶向。用表示，數(shù)字相同，但排列順序不同或正負(fù)號(hào)不同的晶向?qū)儆谕痪蜃?。?） 晶面指數(shù)的標(biāo)定 a 建立坐標(biāo)系：確定原點(diǎn)（非陣點(diǎn)）、坐標(biāo)軸和度量單位。 b 量截距：x,y,z。 c 取倒數(shù)：h,k,l。 d 化整數(shù)：h

5、,k,k。 e 加圓括號(hào)：(hkl)。說明： a 指數(shù)意義：代表一組平行的晶面； b 0的意義：面與對(duì)應(yīng)的軸平行； c 平行晶面：指數(shù)相同，或數(shù)字相同但正負(fù)號(hào)相反； d 晶面族：晶體中具有相同條件（原子排列和晶面間距完全相同），空間位向不同的各組晶面。用hkl表示。 e 若晶面與晶向同面，則hu+kv+lw=0; f 若晶面與晶向垂直，則u=h, k=v, w=l。 （3）六方系晶向指數(shù)和晶面指數(shù) a 六方系指數(shù)標(biāo)定的特殊性：四軸坐標(biāo)系（等價(jià)晶面不具有等價(jià)指數(shù)）。 b 晶面指數(shù)的標(biāo)定 標(biāo)法與立方系相同(四個(gè)截距)；用四個(gè)數(shù)字(hkil)表示；i=-(h+k)。 c 晶向指數(shù)的標(biāo)定 標(biāo)法與立方系

6、相同(四個(gè)坐標(biāo))；用四個(gè)數(shù)字(uvtw)表示；t=-(u+w)。 依次平移法：適合于已知指數(shù)畫晶向（末點(diǎn)）。 坐標(biāo)換算法：UVWuvtw u=(2U-V)/3, v=(2V-U)/3, t=-(U+V)/3, w=W。 （4）晶帶 a ：平行于某一晶向直線所有晶面的組合。 晶帶軸 晶帶面 b 性質(zhì)：晶帶用晶帶軸的晶向指數(shù)表示；晶帶面/晶帶軸； hu+kv+lw=0 c 晶帶定律 凡滿足上式的晶面都屬于以u(píng)vw為晶帶軸的晶帶。推論：(a) 由兩晶面(h1k1l1) (h2k2l2)求其晶帶軸uvw：u=k1l2-k2l1; v=l1h2-l2h1; w=h1k2-h2k1。(b) 由兩晶向u1v

7、1w1u2v2w2求其決定的晶面(hkl)。H=v1w1-v2w2; k=w1u2-w2u1; l=u1v2-u2v1。（5） 晶面間距a ：一組平行晶面中，相鄰兩個(gè)平行晶面之間的距離。b 計(jì)算公式（簡單立方）： d=a/(h2+k2+l2)1/2注意：只適用于簡單晶胞；對(duì)于面心立方hkl不全為偶、奇數(shù)、體心立方h+k+l=奇數(shù)時(shí)，d(hkl)=d/2。二 典型晶體結(jié)構(gòu)及其幾何特征1三種常見晶體結(jié)構(gòu) 面心立方（A1, FCC）體心立方（A1, BCC）密排六方（A3, HCP）晶胞原子數(shù) 4 2 6點(diǎn)陣常數(shù) a=2/2r a=4/3/3r a=2r配位數(shù) 12 8（86） 12致密度 0.74

8、 0.68 0.74堆垛方式 ABCABC. ABABAB. ABABAB.結(jié)構(gòu)間隙 正四面體正八面體 四面體扁八面體 四面體正八面體（個(gè)數(shù)） 8 4 12 6 12 6（rB/rA） 0.225 0.414 0.29 0.15 0.225 0.414配位數(shù)（CN）：晶體結(jié)構(gòu)中任一原子周圍最近且等距離的原子數(shù)。致密度（K）：晶體結(jié)構(gòu)中原子體積占總體積的百分?jǐn)?shù)。K=nv/V。間隙半徑（rB）：間隙中所能容納的最大圓球半徑。2 離子晶體的結(jié)構(gòu) （1）鮑林第一規(guī)則（負(fù)離子配位多面體規(guī)則）：在離子晶體中，正離子周圍形成一個(gè)負(fù)離子配位多面體，正負(fù)離子間的平衡距離取決于正負(fù)離子半徑之和，正離子的配位數(shù)取決

9、于正負(fù)離子的半徑比。 （2）鮑林第二規(guī)則（電價(jià)規(guī)則含義）：一個(gè)負(fù)離子必定同時(shí)被一定數(shù)量的負(fù)離子配位多面體所共有。 （3）鮑林第三規(guī)則（棱與面規(guī)則）：在配位結(jié)構(gòu)中，共用棱特別是共用面的存在，會(huì)降低這個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。3 共價(jià)鍵晶體的結(jié)構(gòu)（1） 飽和性：一個(gè)原子的共價(jià)鍵數(shù)為8-N。（2） 方向性：各鍵之間有確定的方位（配位數(shù)小，結(jié)構(gòu)穩(wěn)定）三 多晶型性元素的晶體結(jié)構(gòu)隨外界條件的變化而發(fā)生轉(zhuǎn)變的性質(zhì)。四 影響原子半徑的因素（1） 溫度與應(yīng)力（2） 結(jié)合鍵的影響（3） 配位數(shù)的影響 （高配位結(jié)構(gòu)向低配位結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí)，體積膨脹，原子半徑減小減緩體積變化。（4） 核外電子分布的影響（一周期內(nèi)，隨核外電子數(shù)增加至

10、填滿，原子半徑減小至一最小值。第三節(jié) 原子的不規(guī)則排列原子的不規(guī)則排列產(chǎn)生晶體缺陷。晶體缺陷在材料組織控制（如擴(kuò)散、相變）和性能控制（如材料強(qiáng)化）中具有重要作用。晶體缺陷：實(shí)際晶體中與理想點(diǎn)陣結(jié)構(gòu)發(fā)生偏差的區(qū)域。（晶體缺陷可分為以下三類。）點(diǎn)缺陷：在三維空間各方向上尺寸都很小的缺陷。如空位、間隙原子、異類原子等。線缺陷：在兩個(gè)方向上尺寸很小，而另一個(gè)方向上尺寸較大的缺陷。主要是位錯(cuò)。面缺陷：在一個(gè)方向上尺寸很小，在另外兩個(gè)方向上尺寸較大的缺陷。如晶界、相界、表面等。一 點(diǎn)缺陷1 點(diǎn)缺陷的類型 圖131（1） 空位：肖脫基空位離位原子進(jìn)入其它空位或遷移至晶界或表面。弗蘭克爾空位離位原子進(jìn)入晶體間

11、隙。（2） 間隙原子：位于晶體點(diǎn)陣間隙的原子。（3） 置換原子：位于晶體點(diǎn)陣位置的異類原子。2 點(diǎn)缺陷的平衡濃度 （1）點(diǎn)缺陷是熱力學(xué)平衡的缺陷在一定溫度下，晶體中總是存在著一定數(shù)量的點(diǎn)缺陷（空位），這時(shí)體系的能量最低具有平衡點(diǎn)缺陷的晶體比理想晶體在熱力學(xué)上更為穩(wěn)定。（原因：晶體中形成點(diǎn)缺陷時(shí)，體系內(nèi)能的增加將使自由能升高，但體系熵值也增加了，這一因素又使自由能降低。其結(jié)果是在G-n曲線上出現(xiàn)了最低值，對(duì)應(yīng)的n值即為平衡空位數(shù)。）（2）點(diǎn)缺陷的平衡濃度 C=Aexp(-Ev/kT)3 點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生及其運(yùn)動(dòng)（1） 點(diǎn)缺陷的產(chǎn)生平衡點(diǎn)缺陷：熱振動(dòng)中的能力起伏。過飽和點(diǎn)缺陷：外來作用，如高溫淬火、輻

12、照、冷加工等。（2） 點(diǎn)缺陷的運(yùn)動(dòng)（遷移、復(fù)合濃度降低；聚集濃度升高塌陷）4 點(diǎn)缺陷與材料行為 （1）結(jié)構(gòu)變化：晶格畸變（如空位引起晶格收縮，間隙原子引起晶格膨脹，置換原子可引起收縮或膨脹。）（2）性能變化：物理性能（如電阻率增大，密度減小。） 力學(xué)性能（屈服強(qiáng)度提高。）二 線缺陷（位錯(cuò)）位錯(cuò)：晶體中某處一列或若干列原子有規(guī)律的錯(cuò)排。意義：（對(duì)材料的力學(xué)行為如塑性變形、強(qiáng)度、斷裂等起著決定性的作用，對(duì)材料的擴(kuò)散、相變過程有較大影響。）位錯(cuò)的提出：1926年，弗蘭克爾發(fā)現(xiàn)理論晶體模型剛性切變強(qiáng)度與與實(shí)測臨界切應(yīng)力的巨大差異（24個(gè)數(shù)量級(jí)）。 1934年，泰勒、波朗依、奧羅萬幾乎同時(shí)提出位錯(cuò)的概念

13、。 1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位錯(cuò)。 1947年，柯垂耳提出溶質(zhì)原子與位錯(cuò)的交互作用。 1950年，弗蘭克和瑞德同時(shí)提出位錯(cuò)增殖機(jī)制。 之后，用TEM直接觀察到了晶體中的位錯(cuò)。1 位錯(cuò)的基本類型（1） 刃型位錯(cuò)模型：滑移面/半原子面/位錯(cuò)線 （位錯(cuò)線晶體滑移方向，位錯(cuò)線位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向，晶體滑移方向/位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向。）分類：正刃型位錯(cuò)（）；負(fù)刃型位錯(cuò)（）。（2） 螺型位錯(cuò)模型：滑移面/位錯(cuò)線。（位錯(cuò)線/晶體滑移方向，位錯(cuò)線位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向，晶體滑移方向位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)方向。）分類：左螺型位錯(cuò)；右螺型位錯(cuò)。（3） 混合位錯(cuò)模型：滑移面/位錯(cuò)線。2 位錯(cuò)的性質(zhì)（1） 形狀：不一定是直線，位錯(cuò)及其畸變區(qū)是一

14、條管道。（2） 是已滑移區(qū)和未滑移區(qū)的邊界。（3） 不能中斷于晶體內(nèi)部。可在表面露頭，或終止于晶界和相界，或與其它位錯(cuò)相交，或自行封閉成環(huán)。3 柏氏矢量（1） 確定方法 (避開嚴(yán)重畸變區(qū))a 在位錯(cuò)周圍沿著點(diǎn)陣結(jié)點(diǎn)形成封閉回路。b 在理想晶體中按同樣順序作同樣大小的回路。c 在理想晶體中從終點(diǎn)到起點(diǎn)的矢量即為。（2） 柏氏矢量的物理意義a 代表位錯(cuò)，并表示其特征（強(qiáng)度、畸變量）。b 表示晶體滑移的方向和大小。c 柏氏矢量的守恒性（唯一性）：一條位錯(cuò)線具有唯一的柏氏矢量。d 判斷位錯(cuò)的類型。（3） 柏氏矢量的表示方法a 表示: b=a/nuvw （可以用矢量加法進(jìn)行運(yùn)算）。b 求模：/b/=a/

15、nu2+v2+w21/2。4 位錯(cuò)密度（1） 表示方法：K/V n/A（2） 晶體強(qiáng)度與位錯(cuò)密度的關(guān)系（-圖）。（3） 位錯(cuò)觀察：浸蝕法、電境法。5 位錯(cuò)的運(yùn)動(dòng)（1） 位錯(cuò)的易動(dòng)性。（2） 位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)的方式a 滑移：位錯(cuò)沿著滑移面的移動(dòng)。 刃型位錯(cuò)的滑移：具有唯一的滑移面 螺型位錯(cuò)的滑移：具有多個(gè)滑移面。 位錯(cuò)環(huán)的滑移：注重柏氏矢量的應(yīng)用。 b 攀移：刃型位錯(cuò)在垂直于滑移面方向上的運(yùn)動(dòng)。 機(jī)制：原子面下端原子的擴(kuò)散位錯(cuò)隨半原子面的上下移動(dòng)而上下運(yùn)動(dòng)。 分類：正攀移（原子面上移、空位加入）/負(fù)攀移（原子面下移、原子加入）。 應(yīng)力的作用：（半原子面?zhèn)龋簯?yīng)力有利于正攀移，拉應(yīng)力有利于負(fù)攀移。（3）

16、作用在位錯(cuò)上的力（單位距離上）滑移：f=b；攀移：f=b。6 位錯(cuò)的應(yīng)變能與線張力（1） 單位長度位錯(cuò)的應(yīng)變能：W=Gb2。（0.51.0, 螺位錯(cuò)取下限，刃位錯(cuò)取上限。）（2） 位錯(cuò)是不平衡的缺陷。（商增不能抵銷應(yīng)變能的增加。）（3） 位錯(cuò)的線張力：T=Gb2。（4） 保持位錯(cuò)彎曲所需的切應(yīng)力：Gb/2r。7 位錯(cuò)的應(yīng)力場及其與其它缺陷的作用（1） 應(yīng)力場螺位錯(cuò)：Gb/2r。（只有切應(yīng)力分量。）刃位錯(cuò)：表達(dá)式（式19） 晶體中：滑移面以上受壓應(yīng)力，滑移面以下受拉應(yīng)力。 滑移面：只有切應(yīng)力。（2） 位錯(cuò)與位錯(cuò)的交互作用f=b ，f=b （刃位錯(cuò)）。同號(hào)相互排斥，異號(hào)相互吸引。（達(dá)到能量最低狀態(tài)

17、。）（3） 位錯(cuò)與溶質(zhì)原子的相互作用間隙原子聚集于位錯(cuò)中心，使體系處于低能態(tài)。柯氏氣團(tuán)：溶質(zhì)原子在位錯(cuò)線附近偏聚的現(xiàn)象。（4） 位錯(cuò)與空位的交互作用導(dǎo)致位錯(cuò)攀移。8 位錯(cuò)的增殖、塞積與交割（1） 位錯(cuò)的增殖：F-R源。（2） 位錯(cuò)的塞積分布：逐步分散。位錯(cuò)受力：切應(yīng)力作用在位錯(cuò)上的力、位錯(cuò)間的排斥力、障礙物的阻力。（3） 位錯(cuò)的交割位錯(cuò)交割后結(jié)果：按照對(duì)方位錯(cuò)柏氏矢量（變化方向和大?。８铍A：位錯(cuò)交割后的臺(tái)階不位于它原來的滑移面上。扭折：位于。對(duì)性能影響：增加位錯(cuò)長度，產(chǎn)生固定割階。9 位錯(cuò)反應(yīng)（1） 位錯(cuò)反應(yīng)：位錯(cuò)的分解與合并。（2） 反應(yīng)條件幾何條件：b前=b后；反應(yīng)前后位錯(cuò)的柏氏矢量之和

18、相等。能量條件：b2前b2后; 反應(yīng)后位錯(cuò)的總能量小于反應(yīng)前位錯(cuò)的總能量。10 實(shí)際晶體中的位錯(cuò) （1）全位錯(cuò)：通常把柏氏矢量等于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)稱為全位錯(cuò)或單位位錯(cuò)。 （實(shí)際晶體中的典型全位錯(cuò)如表17所示） （2）不全位錯(cuò)：柏氏矢量小于點(diǎn)陣矢量的位錯(cuò)。 （實(shí)際晶體中的典型不全位錯(cuò)如表17所示）（3） 肖克萊和弗蘭克不全位錯(cuò)。 肖克萊不全位錯(cuò)的形成：原子運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致局部錯(cuò)排，錯(cuò)排區(qū)與完整晶格區(qū)的邊界線即為肖克萊不全位錯(cuò)。（結(jié)合位錯(cuò)反應(yīng)理解?？蔀槿行汀⒙菪突蚧旌闲臀诲e(cuò)。） 弗蘭克不全位錯(cuò)的形成：在完整晶體中局部抽出或插入一層原子所形成。（只能攀移，不能滑移。）（4） 堆垛層錯(cuò)與擴(kuò)展位錯(cuò)堆垛層錯(cuò)：晶體中

19、原子堆垛次序中出現(xiàn)的層狀錯(cuò)排。擴(kuò)展位錯(cuò)：一對(duì)不全位錯(cuò)及中間夾的層錯(cuò)稱之。三 面缺陷面缺陷主要包括晶界、相界和表面，它們對(duì)材料的力學(xué)和物理化學(xué)性能具有重要影響。1 晶界（1） 晶界：兩個(gè)空間位向不同的相鄰晶粒之間的界面。（2） 分類大角度晶界：晶粒位向差大于10度的晶界。其結(jié)構(gòu)為幾個(gè)原子范圍 內(nèi)的原子的混亂排列，可視為一個(gè)過渡區(qū)。小角度晶界：晶粒位向差小于10度的晶界。其結(jié)構(gòu)為位錯(cuò)列，又分 為對(duì)稱傾側(cè)晶界和扭轉(zhuǎn)晶界。亞晶界：位向差小于1度的亞晶粒之間的邊界。為位錯(cuò)結(jié)構(gòu)。孿晶界：兩塊相鄰孿晶的共晶面。分為共格孿晶界和非共格孿晶界。2 相界（1） 相界：相鄰兩個(gè)相之間的界面。（2） 分類：共格、半共

20、格和非共格相界。3 表面（1） 表面吸附：外來原子或氣體分子在表面上富集的現(xiàn)象。（2） 分類 物理吸附：由分子鍵力引起，無選擇性，吸附熱小，結(jié)合力小。 化學(xué)吸附：由化學(xué)鍵力引起，有選擇性，吸附熱大，結(jié)合力大。4 界面特性（1） 界面能會(huì)引起界面吸附。（2） 界面上原子擴(kuò)散速度較快。（3） 對(duì)位錯(cuò)運(yùn)動(dòng)有阻礙作用。（4） 易被氧化和腐蝕。（5） 原子的混亂排列利于固態(tài)相變的形核。第二章 固體中的相結(jié)構(gòu)合金與相1 合金 （1）合金：兩種或兩種以上的金屬，或金屬與非金屬經(jīng)一定方法合成的具有金屬特性的物質(zhì)。 （2）組元：組成合金最基本的物質(zhì)。（如一元、二元、三元合金（3）合金系：給定合金以不同的比例而合

21、成的一系列不同成分合金的總稱。2 相 （1）相：材料中結(jié)構(gòu)相同、成分和性能均一的組成部分。（如單相、兩相、多相合金。）（2）相的分類 固溶體：晶體結(jié)構(gòu)與其某一組元相同的相。含溶劑和溶質(zhì)。 中間相（金屬化合物）：組成原子有固定比例，其結(jié)構(gòu)與組成組元均不相同的相。第一節(jié) 固溶體按溶質(zhì)原子位置不同，可分為置換固溶體和間隙固溶體。按固溶度不同，可分為有限固溶體和無限固溶體。按溶質(zhì)原子分布不同，可分為無序固溶體和有序固溶體。1 置換固溶體（1） 置換固溶體：溶質(zhì)原子位于晶格點(diǎn)陣位置的固溶體。（2） 影響置換固溶體溶解度的因素a 原子尺寸因素 原子尺寸差越小，越易形成置換固溶體，且溶解度越大。 r=(rA

22、-rB)/rA 當(dāng)r15%時(shí)，有利于大量互溶。 b 晶體結(jié)構(gòu)因素 結(jié)構(gòu)相同，溶解度大，有可能形成無限固溶體。 c 電負(fù)性因素 電負(fù)性差越小，越易形成固溶體，溶解度越大。 d 電子濃度因素 電子濃度e/a越大，溶解度越小。e/a有一極限值，與溶劑晶體結(jié)構(gòu)有關(guān)。一價(jià)面心立方金屬為1.36，一價(jià)體心立方金屬為1.48。 （上述四個(gè)因素并非相互獨(dú)立，其統(tǒng)一的理論的是金屬與合金的電子理論。）2 間隙固溶體（1） 影響因素：原子半徑和溶劑結(jié)構(gòu)。（2） 溶解度：一般都很小，只能形成有限固溶體。3 固溶體的結(jié)構(gòu)（1） 晶格畸變。（2） 偏聚與有序：完全無序、偏聚、部分有序、完全有序。4 固溶體的性能 固溶體的

23、強(qiáng)度和硬度高于純組元，塑性則較低。（1） 固溶強(qiáng)化：由于溶質(zhì)原子的溶入而引起的強(qiáng)化效應(yīng)。（2） 柯氏氣團(tuán)（3） 有序強(qiáng)化 第二節(jié) 金屬間化合物中間相是由金屬與金屬，或金屬與類金屬元素之間形成的化合物，也稱為金屬間化合物。1 正常價(jià)化合物（1） 形成：電負(fù)性差起主要作用，符合原子價(jià)規(guī)則。（2） 鍵型：隨電負(fù)性差的減小，分別形成離子鍵、共價(jià)鍵、金屬鍵。（3） 組成：AB或AB2。2 電子化合物（電子相） （1）形成：電子濃度起主要作用，不符合原子價(jià)規(guī)則。 （2）鍵型：金屬鍵（金屬金屬）。 （3）組成：電子濃度對(duì)應(yīng)晶體結(jié)構(gòu)，可用化學(xué)式表示，可形成以化合物為基的固溶體。3 間隙化合物（1） 形成：尺寸

24、因素起主要作用。（2） 結(jié)構(gòu)簡單間隙化合物（間隙相）：金屬原子呈現(xiàn)新結(jié)構(gòu)，非金屬原子位于其間隙，結(jié)構(gòu)簡單。復(fù)雜間隙化合物：主要是鐵、鈷、鉻、錳的化合物，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。 （3）組成：可用化學(xué)式表示，可形成固溶體，復(fù)雜間隙化合物的金屬元素可被置換。4 拓?fù)涿芏严啵?） 形成：由大小原子的適當(dāng)配合而形成的高密排結(jié)構(gòu)。（2） 組成：AB2。5 金屬化合物的特性（1） 力學(xué)性能：高硬度、高硬度、低塑性。（2） 物化性能：具有電學(xué)、磁學(xué)、聲學(xué)性質(zhì)等，可用于半導(dǎo)體材料、形狀記憶材料、儲(chǔ)氫材料等。第三節(jié) 陶瓷晶體相1 陶瓷材料簡介 （1）分類：結(jié)構(gòu)陶瓷（利用其力學(xué)性能）：強(qiáng)度（葉片、活塞）、韌性（切削刀具）、硬度

25、（研磨材料）。 功能陶瓷（利用其物理性能） 精細(xì)功能陶瓷：導(dǎo)電、氣敏、濕敏、生物、超導(dǎo)陶瓷等。 功能轉(zhuǎn)換陶瓷：壓電、光電、熱電、磁光、聲光陶瓷等。結(jié)合鍵：離子鍵、共價(jià)鍵。硅酸鹽陶瓷：主要是離子鍵結(jié)合，含一定比例的共價(jià)鍵?？捎梅肿邮奖硎?其組成。2 硅酸鹽陶瓷的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)與分類（1） 結(jié)構(gòu)特點(diǎn)a 結(jié)合鍵與結(jié)構(gòu)：主要是離子鍵結(jié)合，含一定比例的共價(jià)鍵。硅位于氧四面體的間隙。b 每個(gè)氧最多被兩個(gè)多面體共有。氧在兩個(gè)四面體之間充當(dāng)橋梁作用，稱為氧橋。（2） 結(jié)構(gòu)分類a 含有限Si-O團(tuán)的硅酸鹽，包括含孤立Si-O團(tuán)和含成對(duì)或環(huán)狀Si-O團(tuán)兩類。b 鏈狀硅酸鹽：Si-O團(tuán)共頂連接成一維結(jié)構(gòu)，又含單鏈和雙鏈兩

26、類。c 層狀硅酸鹽：Si-O團(tuán)底面共頂連接成二維結(jié)構(gòu)。d 骨架狀硅酸鹽：Si-O團(tuán)共頂連接成三維結(jié)構(gòu)。第四節(jié) 分子相1 基本概念 （1）高分子化合物：由一種或多種化合物聚合而成的相對(duì)分子質(zhì)量很大的化合物。又稱聚合物或高聚物。（2）分類 按相對(duì)分子質(zhì)量：分為低分子聚合物（5000）。 按組成物質(zhì)：分為有機(jī)聚合物和無機(jī)聚合物。2 化學(xué)組成（以氯乙烯聚合成聚氯乙烯為例）（1） 單體：組成高分子化合物的低分子化合物。（2） 鏈節(jié)：組成大分子的結(jié)構(gòu)單元。（3） 聚合度n：大分子鏈中鏈節(jié)的重復(fù)次數(shù)。3 高分子化合物的合成（1） 加聚反應(yīng)a 概念：由一種或多種單體相互加成而連接成聚合物的反應(yīng)。（其產(chǎn)物為聚合

27、物）b 組成：與單體相同。反應(yīng)過程中沒有副產(chǎn)物。c 分類 均聚反應(yīng)：由一種單體參與的加聚反應(yīng)。 共聚反應(yīng)：由兩種或兩種以上單體參與的加聚反應(yīng)。（2） 縮聚反應(yīng)a 概念：由一種或多種單體相互混合而連接成聚合物，同時(shí)析出某種低分子化合物的反應(yīng)。b 分類 均縮聚反應(yīng)：由一種單體參加的縮聚反應(yīng)。 共縮聚反應(yīng)：由兩種或兩種以上單體參加的縮聚反應(yīng)。4 高分子化合物的分類（1） 按性能與用途：塑料、橡膠、纖維、膠黏劑、涂料等。（2） 按生成反應(yīng)類型：加聚物、縮聚物。（3） 按物質(zhì)的熱行為：熱塑性塑料和熱固性塑料。5 高分子化合物的結(jié)構(gòu)（1） 高分子鏈結(jié)構(gòu)（鏈內(nèi)結(jié)構(gòu)，分子內(nèi)結(jié)構(gòu)）a 化學(xué)組成b 單體的連接方式

28、 均聚物中單體的連接方式：頭尾連接、頭頭或尾尾相連、無軌連接。 共聚物中單體的連接方式： 無軌共聚：ABBABBABA 交替共聚：ABABABAB 嵌段共聚：AAAABBAAAABB 接枝共聚：AAAAAAAAAAA B B B B B Bc 高分子鏈的構(gòu)型（按取代基的位置與排列規(guī)律） 全同立構(gòu)：取代基R全部處于主鏈一側(cè)。 間同立構(gòu)：取代基R相間分布在主鏈兩側(cè)。 無軌立構(gòu)；取代基R在主鏈兩側(cè)不規(guī)則分布。d 高分子鏈的幾何形狀：線型、支化型、體型。（2） 高分子的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)（鏈間結(jié)構(gòu)、分子間結(jié)構(gòu)）無定形結(jié)構(gòu)、部分結(jié)晶結(jié)構(gòu)、結(jié)晶型結(jié)構(gòu) （示意圖）6高分子材料的結(jié)構(gòu)與性能特點(diǎn)（1） 易呈非晶態(tài)。（2

29、） 彈性模量和強(qiáng)度低。（3） 容易老化。（4） 密度小。（5） 化學(xué)穩(wěn)定性好。第五節(jié) 玻璃相1 結(jié)構(gòu)：長程無序、短程有序（1） 連續(xù)無軌網(wǎng)絡(luò)模型。（2） 無規(guī)密堆模型。（3） 無軌則線團(tuán)模型。2 性能（1） 各向同性。（2） 無固定熔點(diǎn)。（3） 高強(qiáng)度、高耐蝕性、高導(dǎo)磁率（金屬）。 第三章 凝固與結(jié)晶凝固：物質(zhì)從液態(tài)到固態(tài)的轉(zhuǎn)變過程。若凝固后的物質(zhì)為晶體，則稱之為結(jié)晶。凝固過程影響后續(xù)工藝性能、使用性能和壽命。凝固是相變過程，可為其它相變的研究提供基礎(chǔ)。第一節(jié) 材料結(jié)晶的基本規(guī)律1 液態(tài)材料的結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)：長程有序而短程有序。特點(diǎn)（與固態(tài)相比）：原子間距較大、原子配位數(shù)較小、原子排列較混亂。2 過

30、冷現(xiàn)象（1） 過冷：液態(tài)材料在理論結(jié)晶溫度以下仍保持液態(tài)的現(xiàn)象。（見熱分析實(shí)驗(yàn)圖）（2） 過冷度：液體材料的理論結(jié)晶溫度(Tm) 與其實(shí)際溫度之差。 T=Tm-T (見冷卻曲線) 注：過冷是凝固的必要條件（凝固過程總是在一定的過冷度下進(jìn)行）。3 結(jié)晶過程（1） 結(jié)晶的基本過程：形核長大。（見示意圖）（2） 描述結(jié)晶進(jìn)程的兩個(gè)參數(shù)形核率：單位時(shí)間、單位體積液體中形成的晶核數(shù)量。用N表示。長大速度：晶核生長過程中，液固界面在垂直界面方向上單位時(shí)間內(nèi)遷移的距離。用G表示。第二節(jié) 材料結(jié)晶的基本條件1 熱力學(xué)條件（1）G-T曲線（圖34） a 是下降曲線：由G-T函數(shù)的一次導(dǎo)數(shù)（負(fù)）確定。 dG/dT

31、=-S b 是上凸曲線：由二次導(dǎo)數(shù)（負(fù)）確定。 d2G/d2T=-Cp/T c 液相曲線斜率大于固相：由一次導(dǎo)數(shù)大小確定。 二曲線相交于一點(diǎn)，即材料的熔點(diǎn)。 （2）熱力學(xué)條件 Gv=LmT/Tm a T0, Gv0時(shí), Gk非0； 能量條件：能量起伏； 結(jié)構(gòu)條件：結(jié)構(gòu)起伏。 不同點(diǎn)：合金在一個(gè)溫度范圍內(nèi)結(jié)晶（可能性：相率分析，必要性：成分均勻化。） 合金結(jié)晶是選分結(jié)晶：需成分起伏。3 固溶體的不平衡結(jié)晶（1） 原因：冷速快（假設(shè)液相成分均勻、固相成分不均勻）。（2） 結(jié)晶過程特點(diǎn)：固相成分按平均成分線變化（但每一時(shí)刻符合相圖）； 結(jié)晶的溫度范圍增大； 組織多為樹枝狀。（3） 成分偏析：晶內(nèi)偏析

32、：一個(gè)晶粒內(nèi)部化學(xué)成分不均勻現(xiàn)象。 枝晶偏析：樹枝晶的枝干和枝間化學(xué)成分不均勻的現(xiàn)象。 （消除：擴(kuò)散退火，在低于固相線溫度長時(shí)間保溫。）4 穩(wěn)態(tài)凝固時(shí)的溶質(zhì)分布 （1）穩(wěn)態(tài)凝固：從液固界面輸出溶質(zhì)速度等于溶質(zhì)從邊界層擴(kuò)散出去速度的凝固過程。 （2）平衡分配系數(shù)：在一定溫度下，固、液兩平衡相中溶質(zhì)濃度的比值。k0=Cs/Cl （3）溶質(zhì)分布：液、固相內(nèi)溶質(zhì)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。（4） 區(qū)域熔煉（上述溶質(zhì)分布規(guī)律的應(yīng)用）5 成分過冷及其對(duì)晶體生長形態(tài)的影響（1） 成分過冷：由成分變化與實(shí)際溫度分布共同決定

33、的過冷。（2） 形成：界面溶質(zhì)濃度從高到低液相線溫度從低到高。 （圖示：溶質(zhì)分布曲線勻晶相圖液相線溫度分布曲線實(shí)際溫度分布曲線成分過冷區(qū)。）（3）成分過冷形成的條件和影響因素 條件：G/RmC0(1-k0)/Dk0 合金固有參數(shù)：m, k0; 實(shí)驗(yàn)可控參數(shù)：G, R。 （4）成分過冷對(duì)生長形態(tài)的影響 （正溫度梯度下）G越大，成分過冷越大生長形態(tài)：平面狀胞狀樹枝狀。第三節(jié) 二元共晶相圖及合金凝固 共晶轉(zhuǎn)變：由一定成分的液相同時(shí)結(jié)晶出兩個(gè)一定成分固相的轉(zhuǎn)變。共晶相圖：具有共晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。（液態(tài)無限互溶、固態(tài)有限互溶或完全不溶，且發(fā)生共晶反應(yīng)。共晶組織：共晶轉(zhuǎn)變產(chǎn)物。（是兩相混合物）1 相圖分析

34、（相圖三要素）（1） 點(diǎn)：純組元熔點(diǎn)；最大溶解度點(diǎn)；共晶點(diǎn)（是亞共晶、過共晶成分分界點(diǎn)）等。（2） 線：結(jié)晶開始、結(jié)束線；溶解度曲線；共晶線等。（3） 區(qū)：3個(gè)單相區(qū)；3個(gè)兩相區(qū)；1個(gè)三相區(qū)。2 合金的平衡結(jié)晶及其組織（以Pb-Sn相圖為例）（1） Wsn19的合金 凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。 二次相（次生相）的生成：脫溶轉(zhuǎn)變（二次析出或二次再結(jié)晶）。 室溫組織（）及其相對(duì)量計(jì)算。（2） 共晶合金 凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。 共晶線上兩相的相對(duì)量計(jì)算。 室溫組織（）及其相對(duì)量計(jì)算。（3） 亞共晶合金 凝固過程（冷卻曲線、相變、組織示意圖）。 共晶線上兩相的相對(duì)量計(jì)算

35、。 室溫組織（）及其相對(duì)量計(jì)算。 組織組成物與組織圖組織組成物：組成材料顯微組織的各個(gè)不同本質(zhì)和形態(tài)的部分。組織圖：用組織組成物填寫的相圖。3 不平衡結(jié)晶及其組織（1） 偽共晶 偽共晶：由非共晶成分的合金所得到的完全共晶組織。 形成原因：不平衡結(jié)晶。成分位于共晶點(diǎn)附近。 不平衡組織 由非共晶成分的合金得到的完全共晶組織。 共晶成分的合金得到的亞、過共晶組織。（偽共晶區(qū)偏移）（2） 不平衡共晶 不平衡共晶：位于共晶線以外成分的合金發(fā)生共晶反應(yīng)而形成的組織。 原因：不平衡結(jié)晶。成分位于共晶線以外端點(diǎn)附件。（3） 離異共晶 離異共晶：兩相分離的共晶組織。 形成原因平衡條件下，成分位于共晶線上兩端點(diǎn)附

36、近。不平衡條件下，成分位于共晶線外兩端點(diǎn)附。 消除：擴(kuò)散退火。4 共晶組織的形成（1） 共晶體的形成成分互惠交替形核 片間搭橋促進(jìn)生長 兩相交替分布 共晶組織（2） 共晶體的形態(tài)粗糙粗糙界面：層片狀（一般情況）、棒狀、纖維狀（一相數(shù)量明顯少于另一相）粗糙平滑界面：具有不規(guī)則或復(fù)雜組織形態(tài)（由于兩相微觀結(jié)構(gòu)不同） 所需動(dòng)態(tài)過冷度不同，金屬相任意長大，另一相在其間隙長大?？傻玫角驙?、針狀、花朵狀、樹枝狀共晶體。 非金屬相與液相成分差別大。形成較大成分過冷，率先長大，形成針狀、骨骼狀、螺旋狀、蜘蛛網(wǎng)狀的共晶體。（3） 初生晶的形態(tài)：金屬固溶體：粗糙界面樹枝狀；非金屬相：平滑界面規(guī)則多面體。第四節(jié) 二

37、元包晶相圖 包晶轉(zhuǎn)變：由一個(gè)特定成分的固相和液相生成另一個(gè)特點(diǎn)成分固相的轉(zhuǎn)變。 包晶相圖：具有包晶轉(zhuǎn)變特征的相圖。1 相圖分析點(diǎn)、線、區(qū)。2 平衡結(jié)晶過程及其組織（1） 包晶合金的結(jié)晶結(jié)晶過程：包晶線以下，L, 對(duì)過飽和界面生成三相間存在濃度梯度擴(kuò)散長大全部轉(zhuǎn)變?yōu)?。室溫組織：或。（2） 成分在C-D之間合金的結(jié)晶結(jié)晶過程：剩余；室溫組織：。3 不平衡結(jié)晶及其組織異常相導(dǎo)致包晶偏析包晶轉(zhuǎn)變要經(jīng)擴(kuò)散。包晶偏析：因包晶轉(zhuǎn)變不能充分進(jìn)行而導(dǎo)致的成分不均勻現(xiàn)象。異常相由不平衡包晶轉(zhuǎn)變引起。成分在靠近固相、包晶線以外端點(diǎn)附件。4 包晶轉(zhuǎn)變的應(yīng)用（1） 組織設(shè)計(jì)：如軸承合金需要的軟基體上分布硬質(zhì)點(diǎn)的組織。（

38、2） 晶粒細(xì)化。第五節(jié) 其它類型的二元相圖自學(xué)內(nèi)容第六節(jié) 鐵碳合金相圖一 二元相圖的分析和使用（1） 二元相圖中的幾何規(guī)律 相鄰相區(qū)的相數(shù)差1（點(diǎn)接觸除外）相區(qū)接觸法則； 三相區(qū)的形狀是一條水平線，其上三點(diǎn)是平衡相的成分點(diǎn)。 若兩個(gè)三相區(qū)中有2個(gè)相同的相，則兩水平線之間必是由這兩相組成的兩相區(qū)。 單相區(qū)邊界線的延長線應(yīng)進(jìn)入相鄰的兩相區(qū)。（2） 相圖分析步驟 以穩(wěn)定的化合物分割相圖； 確定各點(diǎn)、線、區(qū)的意義； 分析具體合金的結(jié)晶過程及其組織變化注：虛線、點(diǎn)劃線的意義尚未準(zhǔn)確確定的數(shù)據(jù)、磁學(xué)轉(zhuǎn)變線、有序無序轉(zhuǎn)變線。（3） 相圖與合金性能的關(guān)系 根據(jù)相圖判斷材料的力學(xué)和物理性能 根據(jù)相圖判斷材料的工

39、藝性能鑄造性能：根據(jù)液固相線之間的距離X X越大，成分偏析越嚴(yán)重（因?yàn)橐汗滔喑煞植顒e大）； X越大，流動(dòng)性越差（因?yàn)橹Оl(fā)達(dá)）； X越大，熱裂傾向越大（因?yàn)橐汗虄上喙泊娴臏貐^(qū)大）。 塑性加工性能：選擇具有單相固溶體區(qū)的合金。 熱處理性能：選擇具有固態(tài)相變或固溶度變化的合金。二 鐵碳合金相圖1組元和相 （1）組元：鐵石墨相圖：Fe,C; 鐵滲碳體相圖：Fe-Fe3C。相：L, , A(), F(), Fe3C(K)。（其定義） 2相圖分析 點(diǎn)：16個(gè)。 線：兩條磁性轉(zhuǎn)變線；三條等溫轉(zhuǎn)變線；其余三條線：GS,ES,PQ。 區(qū)：5個(gè)單相區(qū)，7個(gè)兩相區(qū)，3個(gè)三相區(qū)。 相圖標(biāo)注：相組成物標(biāo)注的相圖。 組

40、織組成物標(biāo)注的相圖。3 合金分類：工業(yè)純鈦（C%0.0218%）、碳鋼（0.0218C%2.11%）4平衡結(jié)晶過程及其組織（1） 典型合金（7種）的平衡結(jié)晶過程、組織變化、室溫組織及其相對(duì)量計(jì)算。（2） 重要問題：Fe3C, Fe3C, Fe3C 的意義及其最大含量計(jì)算。 Ld-Ld轉(zhuǎn)變。 二次杠桿的應(yīng)用。5 含碳量對(duì)平衡組織和性能的影響（1） 對(duì)平衡組織的影響（隨C%提高）組織：Fe3C LdFe3C；相：減少，F(xiàn)e3C增多；Fe3C形態(tài)：Fe3C（薄網(wǎng)狀、點(diǎn)狀） 共析Fe3C（層片狀） Fe3C（網(wǎng)狀） 共晶Fe3C（基體） Fe3C（粗大片狀）。（2） 對(duì)力學(xué)性能的影響強(qiáng)度、硬度升高，塑韌性下降。（3） 對(duì)工藝性能的影響適合鍛造：C%2.11%，可得到單相組織。適合鑄造：C%4.3%。，流動(dòng)性好。適合冷塑變：C%0.25%，變形阻力小。適合熱處理：0.02182.11，有固態(tài)相變。第七節(jié) 相圖的熱力學(xué)解釋圖示講解第八節(jié) 鑄錠組織及其控制1 鑄錠組織（1） 鑄錠三區(qū)：表層細(xì)晶區(qū)、柱狀晶區(qū)、中心等軸晶區(qū)。（2） 組織控制：受澆鑄溫度、冷卻速度、化學(xué)成分、變質(zhì)處理、機(jī)械振動(dòng)與攪拌等因素影響。2 鑄錠缺陷（1） 微觀偏析（2） 宏觀偏析正偏析反偏析比重偏析（3）