1、,课程性质：技术基础课。 材料的四大家族金属材料：陶瓷材料：高分子材料：复合材料：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。,主要内容1. 工程材料中的原子排列2. 固体中的相结构3. 凝固4. 相图5. 材料中的扩散6. 塑性变形7. 回复与再结晶8. 固态相变9. 复合效应与界面,材料结构的含义：原子结构 原子结合键 原子的排列 显微组织,工程材料中的原子排列,材料的原子结构,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 (2)最低能量原理,材料的原子结构,元素周期表及性能的周期性变化,1.1.1 固体中原子的结合键,结
2、合键：分类：化学键（金属键、共价键、离子键）物理键（分子键、氢键） 一、金属键 金属键：正离子与构成电子云的自由电子之间的静电引力。 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、导热性好延展性好，熔点较高。 例：金属（Fe、Cu、Al等）,第一节 原子键合,二、共价键 原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性。 共价晶体:强度高、硬度高、熔点高，脆性大、导电性差。例：金刚石、高分子材料,第一节 原子键合,1.1.1 固体中原子的结合键,1.1.1 固体中原子的结合键,三、离子键 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
3、、导热性差。 例：氧化物陶瓷（MgO、Al2O3、ZrO2）、NaCl,第一节 原子键合,1.1.1 固体中原子的结合键,四、分子键（范德瓦尔斯力） 分子键：存在于中性原子或分子之间的结合力。 原子结合：电子云偏移，结合力小，无方向性和饱和性。 分子晶体：熔点低，硬度低，易滑动造成变形。 例：高分子材料,第一节 原子键合,1.1.1 固体中原子的结合键,五、氢键（共价键）X-HY（氢键） 结合力较小，有方向性。 例：H2O（冰）、HF各种结合键的比较： 表1-2。,第一节 原子键合,结合能： 离子键共价键金属键氢键范德瓦尔斯键,1.1.2 工程材料的分类,工程材料：主要用于制作结构、机件和工具
4、等的固体材料。,第一节 原子键合,1.2.1 晶体学基础,1.2.1.1晶体 （1）晶体：原子在三维空间内周期性规则排列。特点：长程有序，确定的熔点，各向异性。 （2）非晶体：原子在三维空间内不规则排列。特点：长程无序，各向同性。,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,1.2.1.2 晶体结构与空间点阵 空间点阵：由几何点作周期性的规则排列所形成的三维阵列。 是原子的理想排列，有14种。 (2) 晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。 可能存在局部缺陷，可有无限多种。 (3) 晶格：描述晶体中原子排列规律的空间格架。晶胞：构成晶格的最基本单元。点阵常数：晶胞棱边长度各晶
5、轴之间的夹角。,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,1.2.1.2 晶体结构与空间点阵,晶胞选取原则： 能充分反映空间点阵的对称性； 相等的棱和角的数目最多； 具有尽可能多的直角； 体积最小。,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,1.2.1.3 布拉菲点阵 14种点阵分属7个晶系,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,立方晶系：a=b=c, =90,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,正方晶系： a=bc, =90,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶
6、体学基础,菱方晶系：a=b=c, = 90,六方晶系： a=b c, =90, =120 ,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,正交晶系： abc, = 90,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,单斜晶系：abc, = 90 ,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,三斜晶系：abc, 90,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,1.2.1.4 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,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,(1)
7、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。,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,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。,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,1.2.1.4 晶向指数与晶面指数 (2) 晶面指数的标定a 建立坐标系：确定原点、坐标轴和度量单位。b 量截距：x,y,z。c
8、 取倒数：h,k,l。d 化整数：h,k,k。e 加圆括号：(hkl)。,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,(2) 晶面指数的标定 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。,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,(3) 六方晶系中的晶向、晶面指数 a
9、 指数标定的特殊性：四轴坐标系 b 晶面指数的标定与立方系相同，但采用四轴系，用四个数字表示：(hkil)i= - (h+k) c 晶向指数的标定 标法与立方系相同；用四个数字(uvtw)表示；t= - (u+v)。坐标换算法：UVWuvtwu=(2U-V)/3, v=(2V-U)/3,t=-(U+V)/3, w=W。,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,第二节 原子的规则排列,练习,画出立方晶系中下列晶面和晶向：(010)、(011)、(111)、(231)、(321)、010、 011、111、231、321 2. 六方晶体中绘出下列晶面(1120)、(0110)、(1012)
10、、(1100)、(1012)，求出图中晶向的晶向指数。,第二节 原子的规则排列,练习,第二节 原子的规则排列,练习,第二节 原子的规则排列,练习,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,（4）晶带a 晶带：平行于某一晶向直线(uvw)所有晶面(hkl)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(uvw晶带)；晶带面/晶带轴 hu+kv+lw=0c 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(h1k1l1) (h2k2l2)求其晶带轴uvw： u=k1l2-k2l1; v=l1h2-l2h1; w=h1k2-h2k1。（b） 由两
11、晶向u1v1w1u2v2w2求其决定的晶面(hkl)。 h=v1w2-v2w1; k=w1u2-w2u1; l=u1v2-u2v1。,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,1.2.1.5晶面间距 一组平行晶面中，相邻两个平行晶面之间的距离。 计算公式（简单立方）：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/2。,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,1.2.1.5晶面间距 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。,第二节 原子的规则排列,1.2.1
12、晶体学基础,练习：分别计算面心立方和体心立方100，110，111晶面族的面间距。,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,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、 ,晶向的原子密度。,第二节 原子的规则排列,1.2.1 晶体学基础,两晶向间夹角：两晶面间夹角：,第二节 原子的规则排列,1.2.2 晶体结构及其几何特征,1.2.2.1 金属中常见晶体结构 3种常见晶体结构：体心立方（bcc）、面心立方(fcc)、密排六方(hcp),第二节 原子的规则排列,1.2.2 晶体结构及其几何特征,3
13、种常见晶体结构： (1)晶胞中的原子数nfcc:bcc:hcp: (2)点阵常数：fcc: bcc: hcp: a=2R , ca=1.633,第二节 原子的规则排列,1.2.2 晶体结构及其几何特征,3种常见晶体结构： (3) 晶体原子排列紧密程度 配位数(CN)fcc: (图1-21)bcc: hcp: 致密度 fcc: 0.74 bcc: 0.68hcp: 0.74,第二节 原子的规则排列,1.2.2 晶体结构及其几何特征,3种常见晶体结构： (4)晶体结构中的间隙四面体间隙 八面体间隙 bcc: rB/rA: 0.29 0.15fcc: rB/rA: 0.225 0.414hcp: r
14、B/rA: 0.225 0.414,第二节 原子的规则排列,1.2.2 晶体结构及其几何特征,3种常见晶体结构： (4)晶体结构中的间隙四面体间隙 八面体间隙 bcc: rB/rA: 0.29 0.15fcc: rB/rA: 0.225 0.414hcp: rB/rA: 0.225 0.414,第二节 原子的规则排列,1.2.2 晶体结构及其几何特征,3种常见晶体结构： (4)晶体结构中的间隙四面体间隙 八面体间隙 bcc: rB/rA: 0.29 0.15fcc: rB/rA: 0.225 0.414hcp: rB/rA: 0.225 0.414,第二节 原子的规则排列,第二节 原子的规则排
15、列,1.2.2 晶体结构及其几何特征,3种常见晶体结构： (5)晶体中原子的堆垛方式fcc: ABCABChcp: ABABAB,第二节 原子的规则排列,1.2.2 晶体结构及其几何特征,3种常见晶体结构： (5)晶体中原子的堆垛方式fcc: ABCABChcp: ABABAB,(6)晶体结构的多晶型性,1.2.2 晶体结构及其几何特征,1.2.2.2 陶瓷的晶体结构 两类： 离子晶体：MgO, CaO, ZrO2, Al2O3共价键晶体：SiC, Si3N4, SiO2 (1) 离子晶体的结构 NaCl型：MgO, NiO, FeO, MnO ZrO2型(CaF2型)： ZrO2， UO2
16、， ThO2 ， CeO2 Al2O3型： Al2O3 ， Cr2O3 ， -Fe2O3 ， Ti2O3 ，V2O3 离子的配位数与两个异号离子半径的比值有关。（图1-28）,第二节 原子的规则排列,1.2.2 晶体结构及其几何特征,第二节 原子的规则排列,1.2.2 晶体结构及其几何特征,(2) 共价键晶体的结构（SiC, Si3N4, SiO2）,第二节 原子的规则排列,1.3 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：晶体中原子偏离其平衡位置而出现的不完整性区域。 晶体缺陷分类： 点缺陷：在三
17、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。,第三节 原子的不规则排列,1.3.1 点缺陷,1.3.1.1点缺陷的形成、结构和能量 空位 肖脱基空位、弗兰克尔空位 间隙原子 自间隙原子异类间隙原子 置换原子,第三节 原子的不规则排列,1.3.1 点缺陷,1.3.1.2点缺陷的平衡浓度 一定温度下，晶体中总是存在着一定数量的点缺陷。 平衡浓度： 1.3.1.3点缺陷对晶体性质的影响 晶格畸变 性能变化：电阻率增大、密度减
18、小，屈服强度提高。,1.3.1.4 点缺陷的运动：迁移、复合、聚集,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,位错：晶体中某处一列或若干列原子有规律的错排。 1.3.2.1位错的基本类型 刃型位错 ：正刃型位错（ ）、负刃型位错( ),第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,第三节 原子的不规则排列,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,1.3.2.1 位错的基本类型 刃型位错 ： 螺型位错：左螺型位错、右螺型位错,1.3.2 线缺陷,1.3.2.1位错的基本类型 刃型位错 ： 螺型位错： 左螺型位错、右螺型位错 混合型位错,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,位错
19、的性质： 形状：不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道。 是已滑移区与未滑移区的边界。 不能中断于晶体内部。可在表面露头，或中止于晶界和相界，或与其它位错相交，或自行封闭成环。,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,第三节 原子的不规则排列,位错的易动性,1.3.2 线缺陷,1.3.2.2 柏氏矢量 （1）确定方法 a 在位错周围沿着点阵结点形成右螺旋的封闭回路。 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。,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,1.3.2.2 柏氏矢量 (1) 确定方法 (2)柏氏矢量的表示方法 a 表示:b
20、 求模：,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,1.3.2.2 柏氏矢量 (1) 确定方法 (2)柏氏矢量的表示方法 (3)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。,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,1.3.2.3 位错密度 （1）表示方法：L/Vn/A （2）晶体强度与位错密度的关系（-图）。,第三节 原子的不规则排列,1.3.
21、2 线缺陷,1.3.2.4 作用在位错上的力及位错的运动 作用在位错上的力,第三节 原子的不规则排列,F=b 方向：垂直于位错线，指向未滑移区,1.3.2 线缺陷,1.3.2.4 作用在位错上的力及位错的运动 作用在位错上的力F=b 方向：垂直于位错线，指向未滑移区 (2) 位错的运动 位错运动的方式：滑移、攀移 位错的滑移：位错线沿滑移面移动 刃型位错有唯一的滑移面，螺型位错有多个滑移面。,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,位错的滑移,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,位错滑移特征,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线
22、缺陷,位错的攀移：位错垂直于滑移面的移动，只有刃型位错才能进行攀移。 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。,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,1.3.2.5 位错的应力场与应变能 位错的应力场 螺型位错的应力场 特点：没有正应力分量切应力对称分布,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,1.3.2.5 位错的应力场与应变能 位错的应力场 螺型位错的应力场 刃型位错的应力场 特点： 正应力与切应力分量同时存在 任意
23、一点： y0时：xx0y=0时： xx= yy=0,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,1.3.2.5 位错的应力场与应变能 位错的应力场 位错的应变能：由于位错引起点阵畸变而导致能量增高，增高的能量称位错的应变能。 两部分：位错中心的能量(忽略)、位错周围的弹性能,第三节 原子的不规则排列,螺型位错的弹性应变能：,刃型位错的弹性应变能：,混合位错的弹性应变能：,其中：,W=Gb2,1.3.2 线缺陷,1.3.2.6 位错之间的交互作用 两个平行螺位错间的作用力同号位错相斥，异号位错相吸 (2) 两个平行刃位错之间的作用力,第三节 原子的不规则排列,fx引起滑移，fy引起攀移 沿y方
24、向，同号位错相斥， 异号位错相吸,1.3.2 线缺陷,1.3.2.7 位错的增殖、塞积与交割 (1)位错的增殖： 位错源：能增值位错的地方。Frank-Read源（F-R源） 增殖过程：,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,1.3.2.7 位错的增殖、塞积与交割 (1)位错的增殖：F-R源 (2) 位错的塞积 塞积： 塞机群： 领先位错： 障碍物对领先位错的反作用力：0=n 对位错运动的阻碍能提高材料的强度,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,1.3.2.7 位错的增殖、塞积与交割 (1)位错的增殖：F-R源 (2) 位错的塞积 (3) 位错的交割,第三节 原子的不规则排列
25、,位错的交割： 位错割阶： 交割过程：,1.3.2 线缺陷,1.3.2.8 实际晶体中的位错 (1)常见金属晶体中的位错 全位错和不全位错 位错的柏氏矢量满足的条件： 晶体结构条件：必须连接晶体中的两个平衡位置。 能量条件：使位错能量最低。 常见金属晶体中的全位错和不全位错：表1-7。,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,1.3.2.8 实际晶体中的位错 (1)常见金属晶体中的位错 全位错和不全位错 面心立方结构中的不全位错： 堆垛层错层错能： 不全位错a 肖克莱(Shockley)不全位错b 弗兰克(Frank)不全位错,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,1.3.2.8
26、 实际晶体中的位错 (1)常见金属晶体中的位错 全位错和不全位错 位错反应 位错反应条件： 几何条件：反应前各位错的柏氏矢量之和应等于反应后的柏氏矢量之和； 能量条件：反应后各位错的总能量小于反应前的总能量。,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,2a100a100+a100,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,1.3.2.8 实际晶体中的位错 (1)常见金属晶体中的位错 (2)离子晶体中的位错 特点： 滑移面不一定是最密排面 刃型位错的附加半原子面是包括两个互补的附加半原子面。 刃型位错滑移时，位错露头处的有效电荷不改变符号。,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,
27、1.3.2.8 实际晶体中的位错 (1)常见金属晶体中的位错 (2)离子晶体中的位错 (3)共价晶体中的位错,第三节 原子的不规则排列,1.3.3 面缺陷,晶体的外表面 晶体的内界面：晶界、亚晶界、孪晶界、相界、堆垛层错 1.3.3.1晶界：小角晶界、大角晶界 (1)小角晶界：两相邻晶粒位向差小于10 类型：对称倾侧晶界 扭转晶界,第三节 原子的不规则排列,1.3.3 面缺陷,第三节 原子的不规则排列,1.3.3 面缺陷,第三节 原子的不规则排列,1.3.3 面缺陷,1.3.3.1晶界：小角晶界、大角晶界 (1)小角晶界：两相邻晶粒位向差小于10 (2)大角晶界： 重合位置点阵模型,(3) 晶
28、界能（J/m2） 小角度晶界能：r=r0(B-ln ) 大角晶界能：0.251.0 （J/m2）,第三节 原子的不规则排列,1.3.3 面缺陷,1.3.3.2 亚晶界 1.3.3.3 孪晶界和相界 (1)孪晶界 孪晶面： 共格孪晶界 非共格孪晶界 (2)相界 共格 半共格 非共格,第三节 原子的不规则排列,1.3.2 线缺陷,第三节 原子的不规则排列,1.求11 -1和20 -1两晶向所决定的晶面，并绘图表示 （西北工大，04年，12分） 2.某面心立方晶体的可动滑移系为(11-1)、-110。(25分） （1）请指出引起滑移的单位位错的柏氏矢量； （2）若滑移由刃位错引起，试指出位错线的方向； （3）请指出在（2）的情况下，位错线的运动方向； （4）假设在该滑移系上作用一大小为0.7MPa的切应力，试计算单位刃位错线受力的大小和方向（取点阵常数为a0.2nm）。,（112）,（1）柏氏矢量：b=a/2-110； （2）位错线方向：112； （3）位错线运动方向平行于柏氏矢量； （4） F=b=9.89910-11MN/m,
