版權(quán)說(shuō)明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請(qǐng)進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)
文檔簡(jiǎn)介
中南大學(xué)冶金科學(xué)與工程學(xué)院彭兵材料科學(xué)基礎(chǔ)10/8/20231IntroductiontoMaterialScience緒論課程的目的和任務(wù)金屬概述金屬學(xué)的發(fā)展學(xué)習(xí)要求和參考書10/8/20232IntroductiontoMaterialScience1.課程的目的和任務(wù)材料金屬材料非金屬材料復(fù)合材料純金屬合金無(wú)機(jī)非金屬材料有機(jī)非金屬材料金屬基復(fù)合材料非金屬基復(fù)合材料1-a.材料的分類Material10/8/20233IntroductiontoMaterialScience1.課程的目的和任務(wù)(續(xù))1-b.成分、組織與性能關(guān)系成分處理?xiàng)l件與工藝組織性能金屬學(xué)的主要任務(wù):研究金屬組織結(jié)構(gòu)的形成及變化規(guī)律,它們與內(nèi)在成分、外在條件之間的關(guān)系及其對(duì)材料性能的影響。Material10/8/20234IntroductiontoMaterialScience2.金屬概述一般定義:具有金屬性質(zhì)的物質(zhì)即為金屬。金屬的性質(zhì):1.良好的傳導(dǎo)性——即導(dǎo)熱性、導(dǎo)電性,自由電子的運(yùn)動(dòng)引起;2.良好的延展性
——金屬正離子在電子云中規(guī)則排列,金屬間沒有方向性。3.具有光澤
——吸收了能量的自由電子從被激發(fā)態(tài)(高能帶)回到基態(tài)(低能帶)時(shí)會(huì)放出能量,這種能量以光的形式放出。10/8/20235IntroductiontoMaterialScience3.金屬學(xué)的發(fā)展金屬學(xué)的發(fā)展與組織結(jié)構(gòu)分析和性能測(cè)試技術(shù)等研究方法和手段的進(jìn)展密切相關(guān)。人類對(duì)金屬內(nèi)部組織的認(rèn)識(shí)過(guò)程:長(zhǎng)期實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)
光學(xué)金相(1841年)X射線衍射技術(shù)(1913年)電子顯微鏡(1932年)。于是在金相學(xué)的基礎(chǔ)上,隨著實(shí)驗(yàn)技術(shù)的進(jìn)展以及熱力學(xué)、物理化學(xué)、固體物理、材料力學(xué)等各學(xué)科之間的相互滲透,金屬的宏觀、微觀組織,直至原子組態(tài)的結(jié)構(gòu)及其各種性能的關(guān)系,得到了日趨深入的認(rèn)識(shí),形成了近代金屬學(xué)體系。先進(jìn)的檢測(cè)手段的出現(xiàn),擴(kuò)大了金屬材料的研究領(lǐng)域,促進(jìn)了金屬學(xué)的發(fā)展。金屬學(xué)在歐美多稱為物理冶金學(xué)(Physico-Metallury),研究也今后金屬材料在加工使用過(guò)程中的性能及其影響因素。10/8/20236IntroductiontoMaterialScience4.學(xué)習(xí)要求和參考書學(xué)習(xí)要求:理解并記憶定義、原理公式,能靈活運(yùn)用有關(guān)原理解釋和解決實(shí)際問(wèn)題。參考書籍:1.徐祖耀,金屬學(xué)原理,上海:上??萍汲霭嫔纾?964年。2.胡德鄰主編,金屬學(xué)原理,西安:西北工業(yè)大學(xué)出版社,1984.7。3.馮端,王業(yè)寧,丘弟榮編著,金屬物理,北京:科學(xué)出版社,1964,1975。10/8/20237IntroductiontoMaterialScience第一章金屬的晶體結(jié)構(gòu)10/8/20238IntroductiontoMaterialScience第一節(jié)金屬晶體中原子間的結(jié)合一、鍵型離子鍵共價(jià)鍵金屬鍵范德華力二、結(jié)合力與結(jié)合能結(jié)合力結(jié)合能總結(jié)三、原子半徑四、金屬的晶體性MaterialMaterial10/8/20239IntroductiontoMaterialScience一、鍵型1.離子鍵——離子化合物(大部分鹽類、堿類、金屬氧化物等)中通過(guò)正、負(fù)離子間的靜電作用結(jié)合。特點(diǎn):①結(jié)合力強(qiáng),熔點(diǎn)高,硬而脆;
②嚴(yán)格按化學(xué)價(jià)結(jié)合,原子比例已定,可用化學(xué)式表示;
③電子固有,不存在自由電子,傳導(dǎo)性差;
④無(wú)方向性;2.共價(jià)鍵——C、Si、Sn、Ge等金屬中,通過(guò)共用電子對(duì)結(jié)合。特點(diǎn):①具有飽和性,符合8-n定律;
②有方向性;③結(jié)合力強(qiáng),熔點(diǎn)高,硬;④電子固有,沒有自由電子;10/8/202310IntroductiontoMaterialScience一、鍵型(續(xù))3.金屬鍵——金屬中,正離子與自由電子相結(jié)合(正離子浸在自由電子云中)失去價(jià)電子的金屬正離子于形成電子云的自由電子之間產(chǎn)生靜電引力,使金屬原子結(jié)合在一起,形成了金屬晶體。特點(diǎn):①電子共有;
②無(wú)飽和型;
③無(wú)方向性;4.范德華力某些分子之間,中性原子之間,依賴兩個(gè)偶極子之間的靜電引力相結(jié)合。范德華力比較微弱。10/8/202311IntroductiontoMaterialScience二、結(jié)合力與結(jié)合能1.結(jié)合力1-1概念
所有鍵型都以靜電力結(jié)合,靜電作用產(chǎn)生引力和吃力。1-2原因
原子相互結(jié)合后,電子能帶疊加:①原來(lái)已填滿,則能量上升,體現(xiàn)為斥力;②原來(lái)未填滿,則能量下降,體現(xiàn)為引力。1-3雙原子結(jié)合力模型Si原子電子軌道10/8/202312IntroductiontoMaterialScience二、結(jié)合力與結(jié)合能(續(xù))2.結(jié)合能3.總結(jié)Material10/8/202313IntroductiontoMaterialScience三、原子半徑(Ra)1.計(jì)算公式當(dāng)R=R0時(shí),兩個(gè)正離子間的中心距,稱為原子直徑(2Ra),亦即R0=2Ra;2.影響因素
①致密度越高,則Ra越小;
②鍵合力越高,則Ra越?。?/p>
③不同方向上Ra也可能不同;10/8/202314IntroductiontoMaterialScience四、金屬的晶體性1.固體的分類 晶體——原子呈周期性排列; 非晶體——原子呈不規(guī)則排列;2.晶體的分類 單晶體——整個(gè)物質(zhì)由一個(gè)晶粒組成,其中原子排列位向相同,具有各向異性。 多晶體——有許多位向不同的小單晶體組成,具有各向同性(單個(gè)經(jīng)歷的各向異性被“平均化”)。3.晶體和非晶體相互關(guān)系 晶體和非晶體在一定的條件下可以相互轉(zhuǎn)化。例如,在極大的冷速下,可以得到非晶態(tài)金屬。其原因是液態(tài)金屬在冷卻時(shí)來(lái)不及轉(zhuǎn)變成晶體就凝固了,非晶體實(shí)質(zhì)上是一種過(guò)冷的液體結(jié)構(gòu)(短程有序)。
10/8/202315IntroductiontoMaterialScience第二節(jié)晶體學(xué)基礎(chǔ)一、晶體的定性描述 1.晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣 2.晶系(7系14種)二、晶體的定量描述 1.立方晶系的晶向和晶面指數(shù) 2.晶帶與晶面軸 3.六方晶系的晶向與晶面指數(shù) 4.立方晶系中的一些重要幾何關(guān)系10/8/202316IntroductiontoMaterialScience1.晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣1-1晶體結(jié)構(gòu)(晶體點(diǎn)陣)實(shí)際原子在空間規(guī)則排列構(gòu)成的集合體。1-2陣點(diǎn)(節(jié)點(diǎn)、結(jié)點(diǎn))忽略實(shí)際原子的體積,將其看成一個(gè)點(diǎn),這樣的點(diǎn)稱為陣點(diǎn)。空間點(diǎn)陣就是由陣點(diǎn)組成的點(diǎn)陣排列。
陣點(diǎn)可以是原子或分子的中心,也可以是彼此等同的 原子群或分子群的中心。也就是說(shuō)可以把原子或分子看作 一個(gè)陣點(diǎn),也可以把彼此等同的原子團(tuán)或分子群看作一個(gè)陣點(diǎn),但各個(gè)陣點(diǎn)的環(huán)境必須相同。在某一空間點(diǎn)陣中,各陣點(diǎn)在空間的位置時(shí)一定的,陣點(diǎn)是構(gòu)成空間點(diǎn)陣的基本要素。1-3晶格表示原子在空間規(guī)則排列的幾何格子(用直線將陣點(diǎn)連接起來(lái)構(gòu)成的三維幾何格架)。10/8/202317IntroductiontoMaterialScience1.晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣(續(xù))1-4晶胞
①定義:能夠代表晶格中原子排列特征的最小單元體。晶胞通常是平行六面體,將晶胞作三維的重復(fù)堆砌就構(gòu)成了空間點(diǎn)陣。
②晶胞的選取原則:?幾何形狀與晶體具有同樣的對(duì)稱性;
?平行六面體內(nèi)相等的棱與角的數(shù)目最多;
?當(dāng)平行六面體棱間有直角時(shí),直角數(shù)目最多;
?在滿足上述條件下,晶胞的體積應(yīng)最小。
③點(diǎn)陣參數(shù)10/8/202318IntroductiontoMaterialScience1.晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣(續(xù))1-5晶體結(jié)構(gòu)與空間點(diǎn)陣的區(qū)別
晶體結(jié)構(gòu)——其類型取決于原子結(jié)合,陣點(diǎn)的位置上可以是一個(gè)或多個(gè)實(shí)際質(zhì)點(diǎn)或者原子團(tuán),其種類可以是無(wú)限的。
空間點(diǎn)陣——每個(gè)陣點(diǎn)處原子都具有相同的環(huán)境,其種類有限(僅有14種)。亦即是說(shuō),每種空間點(diǎn)陣都可以形成無(wú)限多的晶體結(jié)構(gòu)。如下例所示:10/8/202319IntroductiontoMaterialScience2.晶系2.1布拉菲點(diǎn)陣(空間點(diǎn)陣)根據(jù)空間點(diǎn)陣中“每個(gè)陣點(diǎn)周圍的環(huán)境相同“的要求,布拉菲(Braris)于1948年用數(shù)學(xué)方法證明了空間點(diǎn)陣共有14種,而且只有14種。2.2晶系根據(jù)晶胞的3個(gè)晶格常數(shù)(a、b、c)和3個(gè)軸間夾角(α、β、γ)的相互關(guān)系,可以把14種布拉菲點(diǎn)陣歸納為7個(gè)晶系(參見下標(biāo))。從表中可以看出,晶系分類是只考慮a、b、c是否相等,α、β、γ是否相等或呈直角關(guān)系等因素,即只考慮晶胞的外形而不涉及晶保中原子排列的具體情況。10/8/202320IntroductiontoMaterialScience二、晶體的定量描述幾個(gè)重要的概念晶向——點(diǎn)陣重鎮(zhèn)點(diǎn)的連線,表示原子列的方向。晶面——點(diǎn)陣中陣點(diǎn)組成的面,表示原子面。用晶向指數(shù)和晶面指數(shù)來(lái)確定和區(qū)分不同的晶向和晶面,國(guó)際上通用密勒指數(shù)(Miller)統(tǒng)一標(biāo)定。10/8/202321IntroductiontoMaterialScience1.立方晶系的晶向與晶面指數(shù)1-1晶向指數(shù)[uvw]建立步驟:
①建立坐標(biāo)系。以某一陣點(diǎn)為坐標(biāo)原點(diǎn),三個(gè)棱邊為坐標(biāo)軸,并以點(diǎn)陣常數(shù)(a、b、c)作為各個(gè)坐標(biāo)軸的單位長(zhǎng)度;
②作OP//AB;
③確定P點(diǎn)的三個(gè)坐標(biāo)值(找垂直投影);
④將坐標(biāo)值化為互質(zhì)的最小整數(shù),并放入到[]中,則[uvw]即為所求;Procedure1......2......3......
xyopABATTENTION:定晶向指數(shù)時(shí),選擇的原點(diǎn)必須在所求得晶向上。如:AB:XYZ
??1uvw
112∴晶向[112]z10/8/202322IntroductiontoMaterialScience1.立方晶系的晶向與晶面指數(shù)(續(xù))晶向指數(shù)[uvw]中如果某一
個(gè)數(shù)字為負(fù),則將負(fù)號(hào)標(biāo)注
在該數(shù)的上方。一個(gè)晶向指數(shù)并不表示一個(gè)
晶向,而是一組相互平行、
位向相同的晶向。如果晶向
指數(shù)的數(shù)字相同而正負(fù)號(hào)相
反,如[110]和[110],則這兩
個(gè)晶向相互平行,但方向相
反(與數(shù)學(xué)中矢量的相關(guān)概念相同)。10/8/202323IntroductiontoMaterialScience1.立方晶系的晶向與晶面指數(shù)(續(xù))1-2晶面指數(shù)建立步驟:
①建立坐標(biāo)系。原點(diǎn)不能位于所求的平面內(nèi),其余的與求晶向指數(shù)時(shí)相同。
②求晶面在各個(gè)坐標(biāo)軸上的截距。
③求截距的倒數(shù),并化為最小正整數(shù),放入()中。
則(hkl)即為所求的晶面指數(shù)。
Procedure1......2......3......
如果晶面在某個(gè)坐標(biāo)軸上的截距為負(fù),則在相應(yīng)當(dāng)指數(shù)上方加上負(fù)號(hào)。
平行晶面的晶面指數(shù)相同,或者數(shù)字相同而正、負(fù)完全相反。10/8/202324IntroductiontoMaterialScience1.立方晶系的晶向與晶面指數(shù)(續(xù))1-3晶向指數(shù)與晶面指數(shù)的關(guān)系
在立方晶系中,相同指數(shù)的晶面和晶向相互垂直。也就是說(shuō):立方晶系的晶面和其法線具有相同的指數(shù)。[100](100)o(111)[111]o[110](110)o例如:[100]⊥(100)[111]⊥(111)[110]⊥(110)10/8/202325IntroductiontoMaterialScience1.立方晶系的晶向與晶面指數(shù)(續(xù))1-4晶面族和晶面族
晶向族——原子排列相同但空間位向不同的所有晶向,用<uvw>表示。
例如:在立方晶系中,
<100>=[100]+[010]+[001]+[100]+[010]+[001],
<111>=[111]+[111]+[111]+[111]+[111]+[111]+[111]+[111]亦即:同一晶向族的各晶向指數(shù)的數(shù)字相同,但排列次序或正負(fù)號(hào)不同。立方晶系中,<uvw>晶向族包括的晶向可以用u、v、w數(shù)字的排列組合方式求出。該晶向族方法不適用于非立方結(jié)構(gòu)的晶體。10/8/202326IntroductiontoMaterialScience1.立方晶系的晶向與晶面指數(shù)(續(xù))1-4晶面族和晶面族(續(xù))
晶面族——原子排列相同但空間位向不同的所有晶面,用{hkl}表示。
例如:在立方晶系中,
{100}={100}+{010}+{001}+{100}+{010}+{001},
{111}={111}+{111}+{111}+{111}+{111}+{111}+{111}+{111}。
亦即:同一晶面族的各晶面指數(shù)的數(shù)字相同,但排列次序或正負(fù)號(hào)不同。立方晶系中,{hkl}晶向族包括的晶向可以用h、k、l數(shù)字的排列組合方式求出。該晶面族方法不適用于非立方結(jié)構(gòu)的晶體。10/8/202327IntroductiontoMaterialScience2.晶帶與晶帶軸①定義一系列的晶面相互平行或相交于一線,則這些晶面構(gòu)成一個(gè)“晶帶”,該直線稱為晶帶軸。②晶帶定律設(shè)晶帶軸為[uvw],晶帶中任一晶面為(hkl),則兩者符合晶帶定律:hu+kv+lw=0。其原因是同一晶帶中的所有晶面均與晶帶軸平行。③應(yīng)用利用晶帶定律可以求得任意兩個(gè)互不平行晶面(h1k1l1)和(h2k2l2)相交線的晶向指數(shù),即晶帶軸[uvw]。h1u+k1v+l1w=0
h2u+k2v+l2w=0u=k1l2-k2l1
v=l1h2-l2h1
w=h1k2-h2k1將所求得到u、v、w化為互質(zhì)數(shù)即是所求得的晶帶軸[uvw]例如:(111)和(110)晶面的晶帶軸經(jīng)計(jì)算為[110]。10/8/202328IntroductiontoMaterialScience3.六方晶系的晶向與晶面指數(shù)a1a2c(1100)a3(1120)P[1213]通常采用四坐標(biāo)軸表示法。如左圖所示,以阿a1、a2、a3和c四個(gè)軸為坐標(biāo)軸,a1、a2、a3三個(gè)軸位于同一個(gè)平面上,彼此間的夾角均為120°。10/8/202329IntroductiontoMaterialScience3.六方晶系的晶向和晶面指數(shù)(續(xù))3-1晶面指數(shù)(hkil)方法與三軸坐標(biāo)系相同。亦即經(jīng)歷如下步驟:
①找截距;
②求倒數(shù);
③化為最小整數(shù)。Procedure1......2......3......
附注由于三維空間中獨(dú)立的坐標(biāo)軸不會(huì)超過(guò)三個(gè),所以位于同一個(gè)平面上h、k、i中必定有一個(gè)不是獨(dú)立的。
可以證明:i=-(h+k)3-2晶向指數(shù)[uvtw]步驟:
①找垂直投影;
②前三項(xiàng)乘以2/3(不能化為最小整數(shù));
③連同第四項(xiàng)一起化為最小整數(shù)。Procedure1......2......3......
同樣,u、v、t之間也滿足:t=-(u+v)10/8/202330IntroductiontoMaterialScience3.六方晶系的晶向和晶面指數(shù)(續(xù))3-3注意兩點(diǎn)①在立方晶系中判斷晶向垂直或平行于晶面,在六方晶系中仍然適用。
例如:[0001]⊥(0001)、[1120]⊥(1120)②由晶面族指數(shù)或晶向族指數(shù)還原成具體的晶面或晶向指數(shù)時(shí),指數(shù)中只有前3個(gè)數(shù)字能夠相互改變次序和正負(fù)號(hào),而且必須滿足i=-(h+k)、t=-(u+v)的特殊關(guān)系。第四個(gè)指數(shù)位置不動(dòng),只能改變其正負(fù)號(hào)。10/8/202331IntroductiontoMaterialScience4.立方晶系中的一些重要幾何關(guān)系4-1.晶面間距①定義:相鄰兩個(gè)平行晶面之間的垂直距離。對(duì)于簡(jiǎn)立方晶系,有:其中,a——點(diǎn)陣常數(shù)
h、k、l——晶面指數(shù)②特點(diǎn):低指數(shù)晶面指數(shù)的面間距較大,高指數(shù)晶面的面間距較小。
晶面間距大,該晶面上原子排列越密集,即該晶面的原子密度
大;反之亦然。4-2晶面夾角兩晶面(h1k1l1)、(h2k2l2),其夾角的余弦為:10/8/202332IntroductiontoMaterialScience4.立方晶系中的一些重要幾何關(guān)系(續(xù))4-3兩晶向夾角兩晶向(u1v1w1)、(u2v2w2),它們之間的夾角余弦為:4-4平行條件晶向[uvw]平行晶面(hkl)或在晶面(hkl)上的條件:
hu+kv+lw=04-5垂直條件相同指數(shù)的晶向和晶面相互垂直4-6具有相同指數(shù)或僅相差一個(gè)負(fù)號(hào)的晶面相互平行例如,(111)//(111)10/8/202333IntroductiontoMaterialScience第三節(jié)金屬的晶體結(jié)構(gòu)工業(yè)上使用的金屬除少數(shù)具有較復(fù)雜的晶體結(jié)構(gòu)外,絕大多數(shù)均為比較簡(jiǎn)單的高對(duì)稱性晶體結(jié)構(gòu)。它們是:
?面心立方(A1,face-centeredcubic,fcc)
?體心立方(A2,body-centeredcubic,bcc)
?密排六方(A3,hexagonalclose-packed,hcp10/8/202334IntroductiontoMaterialScience1.晶胞中的原子數(shù)BCCFCCHCP晶胞中的原子數(shù):
①bcc:n=8×1/8+1=2;
②fcc:n=8×1/8+6×1/2=4;
③hcp:你=12×1/6+2×1/2+3=6;10/8/202335IntroductiontoMaterialScience2.點(diǎn)陣常數(shù)點(diǎn)陣常數(shù)的單位 單位A,1A=10-10m具體晶體結(jié)構(gòu)的點(diǎn)陣常數(shù) bcc、fcc:立方晶系,點(diǎn)陣常數(shù)是a,即立方體的棱長(zhǎng)。 hcp:2個(gè)點(diǎn)陣常數(shù),即正六邊形的邊長(zhǎng)a,上、下底面的間距c。
c/a——軸比。
若頂角原子和面心原子恰好與體內(nèi)的三個(gè)原子相切,即屬
于理想密排六方結(jié)構(gòu),此時(shí)的c/a=(8/3)1/2=1.633。但實(shí)際上
c/a往往偏離1.633,即為非理想hcp。。。附注10/8/202336IntroductiontoMaterialScience4.原子半徑假設(shè)原子為大小相等的剛性球,半徑為ra。則具體晶體結(jié)構(gòu)的原子半徑如下:1.BCC
<111>晶向上的原子彼此相切,4ra=a
∴ra=2.FCC
<110>晶向上的原子彼此相切,排列緊密。即
4ra=3.HCP
由左圖可知
ra=a/2a10/8/202337IntroductiontoMaterialScience5.配位數(shù)?配位數(shù)
——任一原子周圍最近鄰且等距離的原子數(shù)(Z)。Z反映了 晶體中原子排列第緊密程度。Z越大,晶體排列得越緊密。10/8/202338IntroductiontoMaterialScience6.致密度①致密度
單位晶胞體積中原子所占的體積。K=原子體積晶胞體積K同樣反映了晶體中原子排列第緊密程度,K越大,晶體排列越緊密。②具體情況(理想密排,c/a=1.633時(shí))fcc和hcp的z和k均相同,說(shuō)明兩者的原子排列緊密程度一樣,并且兩者的z和k均高于bcc,表明bcc中原子排列較為松散,所以一般把fcc及hcp稱為密排結(jié)構(gòu),把bcc稱為非密排結(jié)構(gòu)。分析10/8/202339IntroductiontoMaterialScience7.間隙10/8/202340IntroductiontoMaterialScience8.晶體中原子的堆垛方式前已敘及,fcc和hcp的晶體結(jié)構(gòu)不同,但是密集程度相同,這一現(xiàn)象可用晶體原子的堆垛方式來(lái)解釋。
在fcc和hcp中都有一個(gè)原子排列最緊密的面(密排面),即fcc的{111』面和hcp的{0001}面,這兩類面上原子排列規(guī)律完全相同。原子在密排面上所處的位置只可能有3種,即A、B、C位置。hcp就是以密排面(0001)沿[0001]方向按ABAB……順序堆垛而成;fcc則是密排面{111}沿<110>方向按ABCABC……順序堆垛而成的。原理圖密排六方面心立方10/8/202341IntroductiontoMaterialScience9.金屬的多型轉(zhuǎn)變⑴金屬的多型性金屬具有兩種或兩種以上不同的晶體結(jié)構(gòu),稱為金屬的多型性。⑵多型性轉(zhuǎn)變(同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變)具有多型性的金屬在溫度和壓力改變時(shí),由一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N結(jié)構(gòu)的過(guò)程。轉(zhuǎn)變的產(chǎn)物稱為同素異構(gòu)體。
金屬在發(fā)生同素異構(gòu)轉(zhuǎn)變時(shí),通常伴隨著許多性能的突變,多
型性的產(chǎn)生主要與原子電子層結(jié)構(gòu)的變化有關(guān)。過(guò)渡族金屬的
多型性傾向不較大。如:純鐵:室溫~912℃,bcc,α-Fe;
912~1394℃,fcc,γ-Fe;
1394~1538℃,bcc,δ-Fe;⑶金屬的多型性轉(zhuǎn)變是熱處理工藝的基礎(chǔ)。附注10/8/202342IntroductiontoMaterialScience第二章純金屬的結(jié)晶10/8/202343IntroductiontoMaterialScience第一節(jié)金屬結(jié)晶的基本規(guī)律基本內(nèi)容金屬結(jié)晶的微觀現(xiàn)象金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象
2.1冷卻曲線與金屬結(jié)晶溫度
2.2過(guò)冷現(xiàn)象與過(guò)冷度
10/8/202344IntroductiontoMaterialScience1.金屬結(jié)晶的微觀現(xiàn)象10/8/202345IntroductiontoMaterialScience2.金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象2-1.冷卻曲線與金屬結(jié)晶溫度Material?T結(jié)晶開始點(diǎn)結(jié)晶終了點(diǎn)0TnTmT(℃)t理論結(jié)晶溫度(熔點(diǎn))實(shí)際結(jié)晶溫度純金屬的冷卻曲線冷卻曲線上出現(xiàn)溫度的回升和“平臺(tái)”:原因是結(jié)晶潛熱的釋放。
①當(dāng)釋放的結(jié)晶潛熱大于散失的熱量時(shí),出現(xiàn)溫度回升;
②當(dāng)釋放的結(jié)晶潛熱等于散熱時(shí),出現(xiàn)溫度“平臺(tái)”。10/8/202346IntroductiontoMaterialScience2.金屬結(jié)晶的宏觀現(xiàn)象2-2.過(guò)冷現(xiàn)象與過(guò)冷度的基本概念Material過(guò)冷純金屬的實(shí)際開始結(jié)晶溫度總是低于理論結(jié)晶溫度(Tn<Tm),這種現(xiàn)象稱為過(guò)冷。過(guò)冷度過(guò)冷度是表示過(guò)冷程度的大小,即?T=Tm-Tn。?T受金屬中雜質(zhì)和冷卻速度的影響,并不是一個(gè)恒定值。雜質(zhì)含量越低,?T越大;冷速V冷越大,?T越大。過(guò)冷是金屬結(jié)晶的重要宏觀現(xiàn)象,也是結(jié)晶的必要條件,金屬要結(jié)晶,必須過(guò)冷,不過(guò)冷就不能結(jié)晶。10/8/202347IntroductiontoMaterialScience第二節(jié)金屬結(jié)晶的基本條件金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件10/8/202348IntroductiontoMaterialScience1.金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件0T(℃)GGsGLTm純金屬液態(tài)和固態(tài)的自由能與溫度的變化曲線T>Tm時(shí),GL<Gs∴固態(tài)(S)液態(tài)(L),?G>0;T<Tm時(shí),GL>Gs∴液態(tài)(L)
固態(tài)(S),?G<0;T=Tm時(shí),GL=Gs∴液態(tài)(L)
固態(tài)(S),?G=0;所以,L、S兩相的自由能差?G是金屬結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力。10/8/202349IntroductiontoMaterialScience1.金屬結(jié)晶的熱力學(xué)條件(續(xù))式中:?G——L、S兩相的自由能之差,?G=Gs-GL;
Lm——結(jié)晶潛熱;
Tm——熔點(diǎn);
?T——過(guò)冷度;分析①∵結(jié)晶時(shí),?G<0,且Lm、Tm>0;
∴?T>0,即T<Tm。
也就是說(shuō),只有當(dāng)實(shí)際溫度低于Tm,出現(xiàn)過(guò)冷時(shí),結(jié)晶過(guò)程才能
自發(fā)進(jìn)行。②?T越大,則?G也越大,即結(jié)晶驅(qū)動(dòng)力增大,則結(jié)晶速度增大。10/8/202350IntroductiontoMaterialScience2.金屬結(jié)晶的結(jié)構(gòu)條件(1)結(jié)構(gòu)起伏液態(tài)金屬中處于起伏變化的原子瞬時(shí)近程規(guī)則排列的現(xiàn)象(相起
伏)。液態(tài)金屬中的結(jié)構(gòu)起伏是產(chǎn)生晶核的基礎(chǔ)。(2)一點(diǎn)說(shuō)明在液體中的微小范圍內(nèi),存在著緊密接觸規(guī)則排列的原子集團(tuán),
稱為近程有序,但是在大范圍內(nèi)原子是無(wú)序分布。把過(guò)冷液體中尺寸極大的近程規(guī)則排列結(jié)構(gòu)稱為晶坯。晶核是
由晶坯生成的,但并不是所有的晶坯都能轉(zhuǎn)變?yōu)榫Ш恕?0/8/202351IntroductiontoMaterialScience第三節(jié)晶核的形成形核的方式有兩種,即均勻形核和非均勻形核。均勻形核
——以液態(tài)金屬本身的某些原子集團(tuán)為結(jié)晶核心直接成核的過(guò)程。新晶核在母相中形成時(shí)無(wú)擇優(yōu)位置。非均勻形核
——新相依附于母相中某些現(xiàn)成固態(tài)表面形核的過(guò)程。新晶核在母相中形成時(shí)有擇優(yōu)位置。二者比較起來(lái),前者較難而后者較容易,加之實(shí)際金屬液體中總是不可避免地存在雜質(zhì)和外表面,所以液態(tài)金屬的凝固形核主要是非均勻形核。10/8/202352IntroductiontoMaterialScience1.均勻形核1-1均勻形核時(shí)的能量變化MaterialLS原子無(wú)序原子有序形成新表明?Gv下降?Gs上升所以,當(dāng)過(guò)冷液態(tài)金屬中出現(xiàn)一個(gè)晶坯時(shí),總的自由能變化為:式中:?Gv——液、固兩相自由能之差(負(fù)值,是結(jié)晶的驅(qū)動(dòng)力)。
?Gs——表面自由能(正值,是結(jié)晶的阻力)。①假設(shè)晶坯為球形,半徑為r,表面積為S,體積為V,由①式得:?G=-V??GB+σ?s=-4/3?πr3??GB+4πr2式中,?GB——單位體積的自由能之差;σ——單位表面的自由能②②式表明,?Gv的下降與r3成正比;?Gs的上升與r2成正比;10/8/202353IntroductiontoMaterialScience1.均勻形核(續(xù))1-2臨界晶核Material?Gv?G0?Gsrkr0?G自由能與晶坯半徑關(guān)系?r<rk時(shí),隨著r↑,?G↑,所以r↑的過(guò)程不能自發(fā)進(jìn)行(晶坯不能長(zhǎng)大,形成后又立即消失。)?r>rk時(shí),隨著r↑,?G↓,所以r↑的過(guò)程能夠自發(fā)進(jìn)行(晶坯可以自發(fā)成長(zhǎng)穩(wěn)定的晶核。)?r=rk時(shí),臨界狀態(tài),晶坯既可能消失,也可能穩(wěn)定長(zhǎng)大成核。根據(jù)式②求極值即可求得臨界半徑的大?。孩?0/8/202354IntroductiontoMaterialScience1.均勻形核(續(xù))Material1-3形核功?形核功
——當(dāng)rk<r<r0時(shí),系統(tǒng)的自由能仍然大于0,說(shuō)明此時(shí)系統(tǒng)中的?Gv的下降還不能完全補(bǔ)償?Gs的上升,還有一部分?Gs必須由外界來(lái)供給,這一部分由
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無(wú)特殊說(shuō)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(qǐng)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(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁(yè)內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫(kù)網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 2024塔吊安裝和拆卸的合同書
- 2024年四年級(jí)英語(yǔ)上冊(cè) Unit 6 I'm tall Lesson 31教案 人教精通版(三起)
- 2024公司勞動(dòng)合同
- 2024版公司辦公室租賃合同
- 2024年廣東省深圳市中考數(shù)學(xué)模擬押題預(yù)測(cè)試卷
- 新常態(tài)下公共管理面臨的挑戰(zhàn)與發(fā)展路徑分析
- 2024-2025學(xué)年統(tǒng)編版(2024)道德與法治小學(xué)一年級(jí)上冊(cè)每課教學(xué)反思(含教材目錄)
- 2024多媒體設(shè)備采購(gòu)合同范本
- 年度衛(wèi)浴樹脂市場(chǎng)分析及競(jìng)爭(zhēng)策略分析報(bào)告
- 上學(xué)路上小練筆課件
- 江蘇省泰州市姜堰區(qū)城西實(shí)驗(yàn)學(xué)校2024-2025學(xué)年九年級(jí)上學(xué)期月考數(shù)學(xué)試題(無(wú)答案)
- 第一單元 第11課時(shí) 《表面涂色的正方體》(教學(xué)課件)-六年級(jí)數(shù)學(xué)上冊(cè)同步課件(蘇教版)
- 走進(jìn)地域民間美術(shù) 課件 -2024-2025學(xué)年贛美版(2024)初中美術(shù)七年級(jí)上冊(cè)
- 2024至2030年中國(guó)糞便菌群移植(FMT)行業(yè)市場(chǎng)預(yù)測(cè)與投資規(guī)劃分析報(bào)告
- 2023六年級(jí)英語(yǔ)上冊(cè) Unit 2 Ways to go to school說(shuō)課稿 人教PEP
- 大隊(duì)委競(jìng)選課件
- 2024年中小學(xué)“學(xué)憲法、講憲法”題庫(kù)及答案
- 2024年秋新華師大版七年級(jí)上冊(cè)數(shù)學(xué) 3.6.1 角 教學(xué)課件
- 康養(yǎng)酒店合作協(xié)議書范本
- 2024年醫(yī)療期滿解除勞動(dòng)合同例文(五篇)
- 部編版(2024版)七年級(jí)歷史上冊(cè)第12課《大一統(tǒng)王朝的鞏固》精美課件
評(píng)論
0/150
提交評(píng)論