第1章材料科學(xué)的理論框架

1、n材料科學(xué)是研究各種材料的結(jié)構(gòu)，制備加工工藝與性能之間關(guān)系的科學(xué)。n材料科學(xué)四要素可用一四面體表示第一章第一章 材料科學(xué)的基本理論框材料科學(xué)的基本理論框架架材料固有性能（性質(zhì)） 制備合成與/加工工藝材料使用性能（效能）成分/組織結(jié)構(gòu)材料科學(xué)四要素：材料科學(xué)四要素：第一章第一章 材料科學(xué)的基本理論框架材料科學(xué)的基本理論框架n材料的性能材料的性能n固態(tài)原子的結(jié)合鍵固態(tài)原子的結(jié)合鍵n材料的原子排列特征材料的原子排列特征n材料的結(jié)構(gòu)缺陷材料的結(jié)構(gòu)缺陷n材料的原子擴散材料的原子擴散n材料的相圖與相變材料的相圖與相變n材料的強化與韌化材料的強化與韌化材料的結(jié)構(gòu)材料的結(jié)構(gòu)特征特征材料的結(jié)構(gòu)與結(jié)構(gòu)層次n材料科

2、學(xué)的基本原則：結(jié)構(gòu)決定性能材料科學(xué)的基本原則：結(jié)構(gòu)決定性能n工程材料的結(jié)構(gòu)層次（從宏觀到微觀）：n宏觀組織結(jié)構(gòu)n顯微組織結(jié)構(gòu)n原子（分子）排列結(jié)構(gòu)相結(jié)構(gòu)n原子間的結(jié)合力及原子中的電子結(jié)構(gòu)1 材料的性能材料的性能物理性能化學(xué)性能強度硬度塑性韌性疲勞強度力學(xué)性能使用性能鑄造性能鍛造性能焊接性能熱處理性能切削加工性能加工工藝性能金屬材料的性能一、力學(xué)性能一、力學(xué)性能（一）、拉伸實驗（一）、拉伸實驗1、彈性、彈性金屬材料受外力作用時產(chǎn)生變形，當(dāng)外力去掉后能恢復(fù)其原來形狀的性能，叫彈性彈性。評定指標(biāo)：彈性極限e e=P/F0 （Mpa） / =E 彈性模量（Mpa）材料在受力時抵抗彈性變形的能力叫剛度剛

3、度。2、強度、強度材料受外力作用下抵抗塑性變形和斷裂的能力叫強度強度。評定指標(biāo)： 屈服強度屈服強度s、0.2 抗拉強度抗拉強度b3、塑性、塑性材料受外力作用下，在斷裂前發(fā)生永久變形的能力，叫塑性塑性。評定指標(biāo)： 延伸率延伸率、 斷面收縮率斷面收縮率（二）、硬度（二）、硬度材料抵抗更硬的物體壓入其內(nèi)的能力，叫硬度硬度。評定指標(biāo)：布氏硬度（布氏硬度（HB)、 洛氏硬度洛氏硬度 (HRC)、 維氏硬度維氏硬度 (HV)。標(biāo)記：如標(biāo)記：如220HBS10/1000/15； 450HBW標(biāo)記：如標(biāo)記：如 60HRC； 81HRA； 35HRB等。等。標(biāo)記：如標(biāo)記：如 686HV等。等。（三）沖擊韌性（三

4、）沖擊韌性材料抵抗沖擊載荷作用下斷裂的能力，叫材料抵抗沖擊載荷作用下斷裂的能力，叫沖擊韌性沖擊韌性。評定指標(biāo)：沖擊韌性沖擊韌性ak ， ak=Ak/F； 沖擊功沖擊功Ak（四）斷裂韌性（四）斷裂韌性低應(yīng)力脆性斷裂現(xiàn)象斷裂韌性斷裂韌性KIC有裂紋存在時材料抵抗脆性斷裂的能力，是強度和韌性的綜合體現(xiàn)。應(yīng)力場強度因子： KI=Y a（五）疲勞強度（五）疲勞強度材料在無數(shù)次重復(fù)或交變載荷作用下而不致引起斷裂的最大應(yīng)力，叫疲勞極限疲勞極限。1、疲勞斷裂的概念、疲勞斷裂的概念2、疲勞極限、疲勞極限評定指標(biāo)：評定指標(biāo)：疲勞強度（極限）疲勞強度（極限）-1機械上的許多零件是在重復(fù)或非周期性的變動載荷作用下工作

5、的，這些零件發(fā)生斷裂時的應(yīng)力往往大大低于該材料的強度極限。這種斷裂稱為。二、物理性能和化學(xué)性能二、物理性能和化學(xué)性能n物理性能物理性能主要指密度、熔點、熱膨脹性、主要指密度、熔點、熱膨脹性、導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等。導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性和磁性等。n化學(xué)性能化學(xué)性能主要指材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕主要指材料抵抗各種介質(zhì)侵蝕的能力。如耐酸性、耐堿性、抗腐蝕性等。的能力。如耐酸性、耐堿性、抗腐蝕性等。三、工藝性能三、工藝性能n是指金屬材料適應(yīng)加工工藝要求的是指金屬材料適應(yīng)加工工藝要求的能力。是材料物理、化學(xué)性能和力學(xué)性能力。是材料物理、化學(xué)性能和力學(xué)性能在加工過程中的綜合反映。能在加工過程中的綜合反映。n按工藝方

6、法的不同，可分為：按工藝方法的不同，可分為：n鑄造性能鑄造性能n鍛壓性能鍛壓性能n焊接性能焊接性能n切削加工性能切削加工性能一、原子間的結(jié)合力一、原子間的結(jié)合力a0平衡距離E總原子間的結(jié)合能當(dāng)原子間距f吸，間距趨大當(dāng)原子間距 a0，f吸f斥，間距趨小當(dāng)原子間距= a0，原子呈規(guī)則排列成為晶體。晶體中，使原子穩(wěn)定結(jié)合在一起的力稱為結(jié)合鍵結(jié)合鍵此時物質(zhì)處于最低能量狀態(tài)，此時物質(zhì)處于最低能量狀態(tài)，最穩(wěn)定。最穩(wěn)定。2 固態(tài)原子的結(jié)合鍵固態(tài)原子的結(jié)合鍵（一）、金屬鍵（一）、金屬鍵特性：特性：無飽和性和方向性；無飽和性和方向性； 具有良好的塑性；具有良好的塑性； 具有良好的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性，正的電阻溫度系數(shù)

7、；具有良好的導(dǎo)電性，導(dǎo)熱性，正的電阻溫度系數(shù)； 具有金屬光澤。具有金屬光澤。電子的公有電子的公有二、原子結(jié)合鍵的類型二、原子結(jié)合鍵的類型（二）、共價鍵（二）、共價鍵特性：特性：具有飽和性和方向性；具有飽和性和方向性； 結(jié)合力很大，故共價晶體的強度大，硬度高，脆性大。結(jié)合力很大，故共價晶體的強度大，硬度高，脆性大。電子的共有電子的共有（三）、離子鍵（三）、離子鍵特性：特性：沒有飽和性和方向性；沒有飽和性和方向性； 結(jié)合力很大，故離子晶體強度大，硬度高，但脆性大；結(jié)合力很大，故離子晶體強度大，硬度高，但脆性大； 離子晶體是良好的絕緣體。離子晶體是良好的絕緣體。電子的得失電子的得失（四）、范德瓦爾鍵

8、（四）、范德瓦爾鍵（分子鍵）實際上是分子偶極之間的作用力。實際上是分子偶極之間的作用力。特性：特性：結(jié)合力很小，熔點很低，硬度低，塑性高。結(jié)合力很小，熔點很低，硬度低，塑性高。表11 不同結(jié)合鍵能及其材料的特性結(jié)合鍵種類 結(jié)合能 (kJmol) 熔 點 硬 度 導(dǎo)電性鍵的方向性 金屬鍵 113350 有高有低 有高有低 良好 無 共價鍵 63712 高 高 不導(dǎo)電 有 離子鍵 5861047 高 高固態(tài)不導(dǎo)電 無范德瓦爾鍵 勢能，各自混亂飛動。勢能，各自混亂飛動。短程有序短程有序粒子的勢能粒子的勢能 動能動能無定形體無定形體晶體晶體3 材料的原子排列特征材料的原子排列特征原子排列秩序分三種類型

9、：原子排列秩序分三種類型：無序無序短程有序短程有序長程有序長程有序聚集態(tài)分：聚集態(tài)分：晶體晶體：原子或分子在很大范圍內(nèi)均按一定的幾何原子或分子在很大范圍內(nèi)均按一定的幾何規(guī)律排列的固態(tài)物質(zhì)。規(guī)律排列的固態(tài)物質(zhì)。非晶體非晶體：材料原子排列中僅存在短程有序排列，：材料原子排列中僅存在短程有序排列，則稱為非晶體或無定形材料。則稱為非晶體或無定形材料。性能上比較：性能上比較： 晶體具有固定的熔點晶體具有固定的熔點 晶體具有各向異性晶體具有各向異性晶體與非晶體晶體與非晶體晶體和非晶體在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換晶體和非晶體在一定條件下可以相互轉(zhuǎn)換二、工程材料中的原子排列結(jié)構(gòu)二、工程材料中的原子排列結(jié)構(gòu)晶格晶格

10、用于描述晶體中原子排列的空間格子。晶胞晶胞能代表晶格特征的最小幾何單元。晶格常數(shù)晶格常數(shù)晶胞各邊的尺寸。單位：nm。幾個術(shù)語：幾個術(shù)語：1、金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)、金屬材料的晶體結(jié)構(gòu)三種典型晶格類型：三種典型晶格類型：（1 1）體心立方晶格）體心立方晶格( (b.c.c)b.c.c)晶胞中的原子數(shù)： N=8*1/8+1=2（2 2）面心立方晶格）面心立方晶格( (f.c.c)f.c.c)晶胞中的原子數(shù)： N=8 *1/8+6 * 1/2=4（3 3）密排六方晶格）密排六方晶格( (c.p.h)c.p.h)晶胞中的原子數(shù)： N=12 *1/6+2 * 1/2 +3=6致密度致密度晶胞中原子本身所占體

11、積與該晶胞的體積之比。晶胞中原子本身所占體積與該晶胞的體積之比。由以上分析可得：由以上分析可得：晶格中原子排列晶格中原子排列的疏密程度不同的疏密程度不同原子間結(jié)合力原子間結(jié)合力大小不同大小不同晶體在不同方向晶體在不同方向上的性能不同上的性能不同即：即：單晶體的單晶體的各向異性各向異性單晶體單晶體：晶體內(nèi)部原子規(guī)則排列晶體內(nèi)部原子規(guī)則排列的的,位向不發(fā)生改變的晶體。位向不發(fā)生改變的晶體。2、無機非金屬材料的排列結(jié)構(gòu)、無機非金屬材料的排列結(jié)構(gòu)分為：分為：離子晶體離子晶體 （如（如MgO、Al2O3等）等）共價晶體共價晶體 （如（如Si3N4、SiC等）等）非晶體非晶體 （如石英（如石英SiO2等）

12、等）氧化鋁晶體氧化鋁晶體Al3、有機聚合物的原子排列結(jié)構(gòu)、有機聚合物的原子排列結(jié)構(gòu) 聚合物的鏈結(jié)構(gòu)是由一個大的鏈狀分子所組成，主干聚合物的鏈結(jié)構(gòu)是由一個大的鏈狀分子所組成，主干鏈上的原子常以共價鍵結(jié)合，大多數(shù)主鏈上的原子為碳。鏈上的原子常以共價鍵結(jié)合，大多數(shù)主鏈上的原子為碳。高分子鏈結(jié)構(gòu)可分為：高分子鏈結(jié)構(gòu)可分為：線型線型支鏈型（有側(cè)鏈）支鏈型（有側(cè)鏈）體型（交聯(lián)）體型（交聯(lián)）*高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)可呈現(xiàn)部分的晶區(qū)，很難形高聚物的聚集態(tài)結(jié)構(gòu)可呈現(xiàn)部分的晶區(qū)，很難形成完整的晶體。成完整的晶體。4 4 材料的結(jié)構(gòu)缺陷與擴散材料的結(jié)構(gòu)缺陷與擴散一、實際材料的晶體結(jié)構(gòu)一、實際材料的晶體結(jié)構(gòu)為為多晶體多晶

13、體晶界晶界：晶粒與晶粒的交界。：晶粒與晶粒的交界。晶粒晶粒：外形不規(guī)則的小晶體。：外形不規(guī)則的小晶體。指出：指出：多晶體的多晶體的偽各向同性偽各向同性二、晶體的缺陷二、晶體的缺陷2、點缺陷、點缺陷由空位、間隙原子及置換由空位、間隙原子及置換原子產(chǎn)生（零維缺陷）原子產(chǎn)生（零維缺陷）3、線缺陷、線缺陷一維缺陷，由位錯產(chǎn)生一維缺陷，由位錯產(chǎn)生 常見類型：刃型位錯、螺型位錯常見類型：刃型位錯、螺型位錯4、面缺陷、面缺陷二維缺陷，如晶界和亞晶界二維缺陷，如晶界和亞晶界1、熱無序、熱無序因熱振動引起微小位移所帶來的不規(guī)則性因熱振動引起微小位移所帶來的不規(guī)則性指出：指出： 在實際金屬晶體中，點、線、面缺陷的

14、存在破在實際金屬晶體中，點、線、面缺陷的存在破壞了晶體原子排列的完整性，造成晶格畸變，對金壞了晶體原子排列的完整性，造成晶格畸變，對金屬的力學(xué)、物理、化學(xué)等性能都會帶來很大的影響。屬的力學(xué)、物理、化學(xué)等性能都會帶來很大的影響。如當(dāng)點缺陷和線缺陷發(fā)生交互作用時，會使強度提如當(dāng)點缺陷和線缺陷發(fā)生交互作用時，會使強度提高，塑性下降（即高，塑性下降（即固溶強化固溶強化、位錯強化位錯強化）。）。 研究表明，缺陷的產(chǎn)生與晶體的生成條件、原研究表明，缺陷的產(chǎn)生與晶體的生成條件、原子的熱運動以及晶體所接受的加工過程等有關(guān)。子的熱運動以及晶體所接受的加工過程等有關(guān)。三、材料中的原子擴散三、材料中的原子擴散（一）

15、擴散現(xiàn)象（一）擴散現(xiàn)象擴散是指原子（離子或分子）因熱運動而發(fā)生的擴散是指原子（離子或分子）因熱運動而發(fā)生的遷移，從而在氣體、液體和固體物質(zhì)中的傳輸過程。遷移，從而在氣體、液體和固體物質(zhì)中的傳輸過程。（二）固體擴散方式（機制）（二）固體擴散方式（機制）空位擴散空位擴散間隙擴散間隙擴散自擴散（如純鐵）自擴散（如純鐵）互擴散（如合金置換固熔體）互擴散（如合金置換固熔體）如間隙固溶體中的擴散（如合金的如間隙固溶體中的擴散（如合金的間隙固熔體），如間隙固熔體），如FA。（三）擴散的工程應(yīng)用（三）擴散的工程應(yīng)用5 5 材料的相圖與相變材料的相圖與相變一、材料狀態(tài)的匯總圖示一、材料狀態(tài)的匯總圖示相圖相圖 （

16、又稱狀態(tài)圖或平衡圖）（又稱狀態(tài)圖或平衡圖）是用幾何圖解的方式來描述處于平衡狀態(tài)下材料的成是用幾何圖解的方式來描述處于平衡狀態(tài)下材料的成分、相和外界條件的相互關(guān)系。分、相和外界條件的相互關(guān)系。相圖是以成分、溫度或壓力為相圖是以成分、溫度或壓力為變量來繪制的變量來繪制的圖中的區(qū)域就是相區(qū)圖中的區(qū)域就是相區(qū)圖中的線段就是相界線圖中的線段就是相界線相圖的基本類型有勻晶相圖、相圖的基本類型有勻晶相圖、共晶相圖、共析相圖等共晶相圖、共析相圖等二元系狀態(tài)圖的基本類型：d工程上十分重要的鐵工程上十分重要的鐵-碳相圖：碳相圖：二、材料狀態(tài)的轉(zhuǎn)變二、材料狀態(tài)的轉(zhuǎn)變相變相變1、相變現(xiàn)象與相變過程、相變現(xiàn)象與相變過程

17、u相變現(xiàn)象：相變現(xiàn)象：如物質(zhì)三態(tài)的轉(zhuǎn)變；同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；共析轉(zhuǎn)變；如物質(zhì)三態(tài)的轉(zhuǎn)變；同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變；共析轉(zhuǎn)變；A M等。等。u相變的必要條件：相變的必要條件：過冷或過熱，且是一種亞穩(wěn)狀態(tài)過冷或過熱，且是一種亞穩(wěn)狀態(tài)有晶核存在有晶核存在u相變過程：相變過程： 形核形核 長大長大2 2、相變效應(yīng)種種、相變效應(yīng)種種分析：結(jié)晶的必要條件分析：結(jié)晶的必要條件1、能量條件、能量條件2、結(jié)構(gòu)條件、結(jié)構(gòu)條件當(dāng)T=T0時，F(xiàn)液態(tài)=F固態(tài)，液、固態(tài)共存，處于動平衡狀態(tài)。當(dāng)T T0時， F液態(tài) F固態(tài) , 金屬穩(wěn)定狀態(tài)為液態(tài)。當(dāng)T F固態(tài)，金屬穩(wěn)定狀態(tài)為固態(tài)。液態(tài)金屬內(nèi)部瞬時呈現(xiàn)的近程有序的原子小集團，有可能成為結(jié)晶的

18、核心，并以此聚合更多的原子形成晶體。過冷是金屬結(jié)晶的必要條件！過冷是金屬結(jié)晶的必要條件！金屬的結(jié)晶過程金屬的結(jié)晶過程兩個階段：晶核的形成，晶核的長大。晶核形成的兩種方式： 自發(fā)生核 ， 非自發(fā)生核 。晶核長大方式：樹枝狀長大 晶核長大方式：晶核長大方式：樹枝狀長大樹枝狀長大2、相變效應(yīng)種種、相變效應(yīng)種種n金剛石與石墨金剛石與石墨n金屬錫錠發(fā)金屬錫錠發(fā)“瘟瘟”n鋼鐵的熱處理鋼鐵的熱處理n金屬的鑄造及熔化焊金屬的鑄造及熔化焊 固態(tài)固態(tài)液態(tài)液態(tài)固態(tài)固態(tài)6 6 材料的強化與韌化材料的強化與韌化一、材料的強度、塑性與韌性一、材料的強度、塑性與韌性強度強度是材料抵抗變形和斷裂的能力。是是材料抵抗變形和斷裂

19、的能力。是材料變形和斷裂前所需應(yīng)力的量度。材料變形和斷裂前所需應(yīng)力的量度。塑性塑性是材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。是材料斷裂前發(fā)生塑性變形的能力。是材料變形能力的量度。是材料變形能力的量度。韌性韌性是材料斷裂時所需要的能量的量度。是材料斷裂時所需要的能量的量度。與應(yīng)力與應(yīng)力-應(yīng)變曲線下的面積有關(guān)。應(yīng)變曲線下的面積有關(guān)。是材料的強度與塑性高低的綜合反映是材料的強度與塑性高低的綜合反映二、結(jié)構(gòu)材料的強韌化二、結(jié)構(gòu)材料的強韌化1金屬材料的強韌化途徑金屬材料的強韌化途徑(1)金屬材料的強化金屬材料的強化v 金屬材料的屈服強度可在很大范圍內(nèi)變化，它對金屬的純度、成分及熱處理狀態(tài)的變化非常敏感。v 主要方

20、法為加工硬化、固溶強化、第二相強化以及細晶強化。v 強化本質(zhì)均是通過增大晶體缺陷對位錯運動的阻力從而提高材料發(fā)生塑性變形所需的應(yīng)力，即提高了材料的強度。 金屬材料經(jīng)塑性變形后，其應(yīng)力隨變形程度的增加而增加，這種現(xiàn)象叫冷變形強化(形變強化)或加工硬化。冷變形強化冷變形強化(加工硬化加工硬化)如：如：鐵絲的反復(fù)彎折；鐵絲的反復(fù)彎折； 鋼板的軋制；鋼板的軋制； 銅絲的拉拔；銅絲的拉拔； 不銹鋼的冷軋或爆炸成形不銹鋼的冷軋或爆炸成形一般認(rèn)為，冷變形強化僅僅與位錯密度有關(guān)。一般認(rèn)為，冷變形強化僅僅與位錯密度有關(guān)。固溶強化固溶強化合金元素溶于金屬基體中形成固溶體而使金屬強度、硬度升高的現(xiàn)象，稱為固溶強化。

21、故：固溶體具有較好的綜合機械性能，常作為合金的固溶體具有較好的綜合機械性能，常作為合金的基體相基體相。指在合金中連續(xù)分布且相對量居多，對合金性能起主導(dǎo)作用的相指在合金中連續(xù)分布且相對量居多，對合金性能起主導(dǎo)作用的相固溶體的晶格畸變固溶體的晶格畸變阻礙了位錯運動，阻礙了位錯運動，是材料強化。是材料強化。細晶強化細晶強化實驗和理論分析表明：晶粒越細，材料的強度越高，韌性越好。并且能降低韌脆轉(zhuǎn)變溫度，這是其他強化方法所不能比擬的。因此，在金屬材料的所有強化手段中，細化組織方法最受重視，在生產(chǎn)中被廣泛應(yīng)用。晶粒細化可使材料強度提高是由于晶粒細化可使材料強度提高是由于晶界是位錯運動的障礙。晶界是位錯運動的障礙。第二相強化第二相強化材料通過基體中分布有細小彌散的第二相質(zhì)點而產(chǎn)生強化的方法，稱為第二相強化或分散強化或彌散強化。具有良好的第二相強化效果的合金具有以下具有良好的第二相強化效果的合金具有以下微觀組織特征微觀組織特征： 基體具有較低硬度和良好塑性； 第二相質(zhì)點具有較高硬度，顆粒圓整