材料科学与工程基础docWord文档格式.docx
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(例如玻璃等)
一、晶体的基本概念
(一)晶格和晶胞(表示方法)抽象法(抽象晶体)a、将原子视为球形,它们的堆砌集可有不同的规律(多样性)。
一些生活常识可知。
b、若视其为空间几何点,则其空间排列(多样性)称为空间点阵。
c、将点阵用假想直线连接(多样性)(类似建筑工程脚手架结构)称为晶格。
d、其中有代表性(最小的空间单元)的几何单元称为晶胞。
不同的堆集方式有不同的空间点阵,即各自具有代表性的空间单元亦不同,即晶胞不同。
e、晶胞各边的尺寸a、b、c称为晶体常数。
晶胞棱间夹角用α、β、γ表示。
见图24zyxa简单立方晶体(b)晶格(c)晶胞
(二)晶系不同元素的原子在一定条件下对应某种晶格。
当条件变化到另外某种状态(T-P-)时,又可转变成(对应于)另外的晶格。
法国晶体学家布拉菲(Brarais)用数学的方法推算出所有已知晶体分属于14种空间点阵。
根据晶胞的6个参数(a、b、c、α、β、γ)把14种空间点阵归纳为七大晶系。
见表22(P12)
三、晶格尺寸和原子半径A、表示晶格尺寸的(晶格尺寸单位)是晶格常数。
立方晶系只用一个a即可表示。
B、原子半径,现代物理科技仍未达到能精确测定物质原子直径的水平,即“测不准”定理。
但用X-Rag衍射法能测出晶体中点阵中心距。
可根据点阵类型推算出原子半径Ra(紧靠的原子中心距的一半)对同种原子而言,晶格类型不同,半径不同。
(配位数下降,半径下降)用钢球模型推算。
(四)、原子数一个晶胞内包含的原子数目。
(钢球模型)(五)、配位数和致密度1.配位数在晶体中每一原子周围所具有的是其等距离的最邻近的原子数目叫配位数。
2.致密度晶胞中原子本身所占的体积的百分数(K)Kn4/3πr3/V
二、常见纯金属的晶格类型(理想纯)
(一)体心立方晶格(bccboadycenteradcube)常见金属>30种之多(例如α-Fe、Cr、Mo、W、V、Nb)(√2a)2+a24r22a2+a242r23a24r2∴r√3/4a晶胞原子数1/8812个配位数8ABABABAB。
。
致密度K24/3πr3(图25bcc)a3二面心立方晶格(FCCfacecenteredcube)晶格常数亦只用一个a表示。
显而易见r/4a晶胞的原子数1/881/264个配位数12ABCABCABC。
可算出致密度为0.74(图26FCC)属于这种晶格的金属有r-Fe、Ni、Al、Cu、Pb、Au、Rh等>20种。
三密排六方晶格(HCPhexagonalclose-packed)r1/2ac/a1.633晶胞原子数1/6121/2236ABABABAB。
(图27HCP)配位数12致密度0.74属于该类晶格的金属有Mg、Zn、Be、Cd等二十几种。
三、立方晶系的晶面、晶向表示方法(空间解析法)
(一)晶面指数晶体中各种方位的原子面叫晶面,表示晶面的符号称晶面指数。
不同的晶面上的原子排列密度不同。
晶面指数确定法(三个步骤)1、以晶格中某一原子为原点建立笛卡尔生标系,(三个边,分别作三维生标轴)。
以相应的晶格常数为测量单位,求出所求晶面在三生标轴上的截距。
不能出现零截距即原点在所求晶面之外。
2、求倒数3、化简成最简整数,用圆括号括起来,(H、K、L)就成为晶面指数(H、K、L)代表一组相互平行的晶面。
在不同的象限会出现负号。
见图28。
(二)晶向指数概念晶向晶体中各个方向上的原子列。
原子的一维排列。
晶向指数表示晶向的符号晶向指数求法(三步骤)1、在晶格中建立生标(方法同晶面求法)。
过原点引平行于所求晶向的直线。
2、以晶格常数为单位求直线上任一点的三个生标。
3、化简加一方括号即为所求晶向指数[u、v、w][u、v、w]代表一组平行的晶向。
4、HCP与立方晶系不同。
图29一些晶向的晶向指数(三)晶面及晶向的原子密度概念晶面原子密度单位面积中的原子数。
晶向原子密度单位长度上的原子数。
表23,体心立方(bcc)晶格中主要晶面和晶向的原子密度。
(注意P14)表中(111)晶面上密度计算有误同样可以求出FCC(111)原子密度最大,[110]原子密度最大。
原子密度影响晶体性能。
(四)晶面族和晶向族前面讲过同一个(h、k、l)[u、v、w]分别代表了一组晶面和晶向。
由于晶体的对称性,在不同的位向(解析几何)原子排列分布完全相同的晶面和晶向称为晶面族{h、k、l},晶向族<u、v、w>注意立方晶格中,指数相同的晶面与晶向是相互垂直的。
例如(111)⊥[111],可用解析几何的计算法计算晶体。
四、实际金属的晶体结构
(一)多晶体位向不同的单晶体构成大多数实际金属材料存在晶界缺陷10-110-3mm晶粒显微镜下才能看到(用腐蚀剂腐蚀后,4硝酸酒精)
(二)晶体缺陷1、点缺陷图210晶体中的点缺陷空位、间隙原子(换辐射等原因造成)和外来原子(用物理或化学的方法引进)都是晶格的点缺陷。
它们破坏了原子的平衡状态,使晶格发生扭曲称为晶格畸变。
它的存在使材料的HB上升,2、线缺陷位错,dislocation,见图211,金属中位错数量很多,特别是大量塑变后,位错密度增加。
位错少时降低材料强度,但达到一定数量后又提高材料的强度。
(1)、刃位错,
(2)、螺位错强度бbb柏氏矢量与位错线垂直,柏氏矢量与位错线平行位错密度ρ图212金属强度与位错密度的关系3、面缺陷1)晶界(低温状态,高温状态),小角度与大角度晶界2)亚晶界r位向差>1015度称为大角度晶粒之间位向差。
3)相界面
五、合金的晶体结构概念合金两种或两种以上的金属元素,或金属与非金属元素组成的具有金属特性的物质。
(物理、化学的方法)例如黄铜CuZn钢Fec高聚物混合体系---“合金”高聚物之间或高聚物与单体之间经物化反应形成。
例如ABS丙烯晴丁二烯苯乙烯,EPSF等、、、工程使用的大多数是合金。
高聚物混合体系相不同元素相互作用会形成各种不同的积聚状态;
合金中具有同一化学成分、同一结构和原子聚集状态,并以界面相互分开的,均匀的组成部分。
纯金属单一相。
组织各相(相同的或不同的)以不同的数量比和形状的组合。
固态合金的相错误未找到引用源。
固溶体晶体结构与某一组元的晶体结构相同。
错误未找到引用源。
金属化合物晶体结构与各组元均不同,新结构。
(一)固溶体溶剂与合金本结构相同的组元溶质与合金本结构不相同的组元如果合金各组元均属同一结构则以多少定为溶质、溶剂。
例如Au-Cu固溶体一般用α、β、γ、、、表示。
1、置换固溶体特点溶质原子占据溶剂原子点阵中的某些点。
有序固溶体又叫超结构。
无序固溶体为常见。
(见图2-14)原子半径相近,相结构相同的元素之间易形成置换固溶体。
图214置换固溶体2、间隙固溶体溶质原子比较小时,例如C、N等,它们位于晶格间隙而形成的固溶体称为间隙固溶体。
(见图2-15)该图为二维(平面)视图。
同学们可根据前述bcc、fcc、hcp立体结构理解。
图215间隙固溶体3、固溶体的溶解度有限互溶浓度常以重量百分比表示。
无限互溶Au、Cu一旦跨越50界则溶剂变成溶质。
影响溶解度的因素原子大小,晶格类型,电化学性质,电子浓度等。
电子浓度易失去的原子最外层价电子(多少)数目决定了晶(胞)格中的电子浓度。
(价电子/原子数目)4、固溶体的性能溶剂、溶质间原子半径不同(Au、Cu亦然)固溶体有晶格畸变。
所以溶质增加、固溶体的б、HB上升,塑韧性下降。
(结合上一节晶体缺陷(点、线、面)简明阐述强化概念、位错移动阻力。
)
(二)金属化合物两种以上的元素原子形成一种不同于任何组元晶体结构的新相叫金属化合物,一般可用化学分子式,大致表示其组成。
特点熔点高、硬度高、脆合金中出现化合物时,可提高强度、硬度和耐磨性,但降低塑性。
例如轴承合金(滑动轴承巴氏合金)常含组元,Sn、Pb、Si、Cu等。
可形成的金属化合物有SnSb,Cu3Sn,Cu2Sb,Pb3Ca.1、正常价化合物特点符合一般化合物原子价规律,成分固定,可用化学式表示。
例如Mg2Si,Mg2Sn,Mg2Pb,MnS2、电子化合物特点不遵循原子价规律,而服从电子浓度规律电子浓度价电子数目与原子数目的比值。
见表2-4,合金常见的电子化合物βγε。
3、间隙化合物特点过渡族金属元素(元素周期表)与C、N、H、B非金属元素形成的金属化合物。
分两类1)间隙相当原子半径比<0.59时形成简单晶格的间隙化合物称为间隙相。
例如V、VC、FCC、bcc见图2-16表2-5间隙相的化学式与晶格类型的关系。
M金属,X非金属。
2)间隙化合物特点结构复杂(当原子半径比大于0.59时)例如钢中Fe3C,高速钢中Cr23C6,Fe4W2c,Cr6C3。
锰钢中Mn3C等。
见图2-17,Fe3C晶格。
金属化合物也可以溶入其它元素的原子,形成以金属化合物为基的固溶体。
例如同学们学过的Fe3O4是FeO中又固溶了一个O原子。
在成分复杂的合金中(合金钢)高速钢金属化合物为基的固溶体较多归纳总结A、置换固溶1、固溶体B、间隙固溶合金相组成A、正常价化合物间隙相B、电子化合物C、间隙化合物2、金属D、金属化合物固溶体复杂结构化合物间隙化合物§
2金属的结晶过程
一、冷却曲线和过冷度T0测定液态金属冷却时T与t的变化关系TΔT作出冷却曲线。
温度概念结晶潜热只有存在过冷度结晶才能进行。
图3-2纯金属的冷却曲线时间***V冷越大,过冷度越大。
二、结晶时的能量条件热力学定律指出,在等压条件下(对液体而言,P的变化对系统影响不大)一切自发过程都是朝着F下降的方向进行。
ΔF(严格讲应用G)FU-TS自由能液相U、T、S是状态函数,ΔT固相F必定是状态函数。
温度低于TO时,晶体的F低。
T1T0温度T自发过程图3-3液体与晶体自由能与温度的关系曲线dFv,t0;
or,GHTS,dGvdpsdt;
⊿GLm⊿T/TmLmLL--Ls
三、结晶的结构条件(结构起伏)结晶的一般过程是不断形成晶核和晶核不断长大的过程。
这是结晶的普遍规律。
见图3-4。
图34结晶过程示意图1、小于TO,L经过孕育期(能量起伏和结构起伏)出现晶核。
(晶胚晶核)2、晶核不断长大,同时新的晶核又不断出现。
3、直到L消耗完为止。
至此每个晶核都长大成为一个小晶粒,众多晶粒结合在一起形成多晶体。
***尚若只有一个晶核(可人工控制)长大成晶粒便是单晶体,如Si、Ge、GaAs、C、KCl4、自发形核与非自发(或人工)形核。
(1)、临界晶核半径rk2б/⊿Gv2бTm/Lm⊿T2、临界形核功⊿GK1/3SKб16πб3T2/3L2m⊿T23、临界形核功与⊿T的关系5、晶体长大的方式有很多种,金属晶体一般条件下主要是以树枝状形式长大。
见图3-5。
6、体的外延生长---CZ法(C.Zochralski)单晶硅晶体生产工艺Al203,Fe304,GaAs,等单晶体亦用此法。
一、单晶炉组成
(1)、炉体炉壳,石英坩埚,石墨坩埚,加热及绝热元件
(2)、晶棒提升旋转机构籽晶夹头,吊杆及提升旋转元件(3)、气氛与压力控制真空系统与气体流量控制(4)、电脑控制系统
二、工艺加料---熔化---缩径生长---放肩生长---等径生长---尾部生长
(1)、加料多晶硅加掺杂元素
(2)、熔化14200C以上,氩气保护,低真空(3)、缩径生长消除位错(4)、尾部生长防止位错产生§
3晶粒大小的控制
一、晶粒度1、晶粒度是表示晶粒大小的一种尺度。
2、工业上用晶粒等级来表示晶粒大小(放大100倍显微镜)1-8级。
1级最粗,8级最细。
外扩展级别015级。
有标准图册供对照。
二、晶粒大小对金属性能的影响。
P22表3-1晶粒越细小,力学性能越好。
高温下工作的材料,晶粒过大和过小都不好。
硅钢片亦求大晶粒。
此问题的考虑应从晶界是面缺陷着眼。
高温下的面缺陷易造成氧化和腐蚀。
而电工用硅钢则应减少面缺陷造成的电磁损失。
三、决定晶粒度的因素形核率N,长大速度G,N/G增大则晶粒越细。
四、控制晶粒度的方法
(一)ΔT
(二)变质处理,外生核剂加入,促进形核。
N上升。
(三)振动、搅拌等方法。
(特别是有色金属,例如AL)§
4非晶态凝固(简要介绍)物质结晶是形核和晶核长大的过程,所以凡是影响晶核的形成和长大的因素,均影响结晶。
一、熔体的粘度(决定粘度的是化学成分)
二、冷却速度例如非晶态带材的生产铜冷却鼓常用非晶体合金Co-Si-B,Ni-Fe-Cr-P-B,Cu-Zr,Fe-P-C,Pb-20Si合金等。
作业P24第1和第4题§
5同素异构转变同素异构现象是宇宙间普遍的物质存在形式。
也正是如此才有五彩斑斓的大千世界。
在生命世界里,DNA,GNA的异构体构成了遗传密码的不同。
物质在不同的条件(温度、应力、电磁场、PH值)下,发生结构类型的转变。
一、热诱导同素异构转变1、铁的同素异构转变A、直观实验介绍(如书中图3-7)室温912℃1394℃1538(熔点)B、若逆过程,从LS1rFeS2rFeS3rFe室温实际转变温度必须比理论相变点低,出现△T特点固态相变因晶格常数改变和不同步性,故产生很大的相变应力。
应力过大时几何尺寸很大的轴,模具等工件都产生开裂,并产生大的声响。
3、英的同素异构转变(阅读)温度C015381394δ-FeBCCFCCγ-Fe图37铁的同素异构转变912α-FeBCC时间
二、场致同素异构转变
(一)、电磁场(光)条件下反铁电陶瓷PbZr,Ti,SnO3斜方四方(反铁电相)反铁电体铁电体
(二)、光致磁性相变光致晶态-----玻璃态相变GdCo,TbCo,GdCoFeCo,TbNiFe,GdTbFe,GdFe等。
转变过程中有温升101500C,但速度比热诱导快1---2个数量级。
光致孤对电子激发所致。
它不是热诱导的扩散型成核长大机制,而是光激发的非扩散型跃迁---复合机制。
是一种直接固态相变,不需形核。
1---20PS时间,50ns可完成光声耦合过程。
偶氮笨在UV(紫外光)照射下,从反式结构变为顺式结构,光照停止后发生逆向转变。
螺吡喃的单重态与三重态光活性反应异构化(浅黄色)闭环-----(深兰色)开环----(消色)UV1.06---630NM光俘精酸酐(可分散在PC,PMMA中)浅黄-----蓝----浅黄365NM(UV)白织灯
三、化学条件的变化引起的同素异构转变交连的聚丙烯酸纤维再酸碱溶液中(PH值不同)会引起的同素异构转变。
等等。
Chapter4相图基本概念1、什么叫相图说明相(组织)与成分和温度的对应状态图。
即相(组织)与其它可变(影响)因素对应关系的图(T,P)对单组分H2O而言有T、P状态图。
***相图表示的是热力学平衡状态,即自由能最低的状态。
2、相图的由来热分析法、磁性法、热膨胀法等。
1)人类认识自然总是从事物的表面现象到本质,从感性认识到理性认识,通过抽象和推理,通过反复实践认识客观真理。
2)人类在冶金和材料科学发展过程中,首先发现不同成分(配料)的合金,其熔点和力学性能不同的事实现象。
A、中国青铜时代的兵器(例如剑)B、相图古代文化不利于自然科学技术的研究方法(逻辑抽象思维)的发展。
3)只有在显微镜、热电隅问世后测定相图才成为可能。
3、相图的作用(对金属而言)制定熔炼、铸造、锻压及热处理等工艺的重要依据。
§
1二元相图的建立在§
3-2与§
3-4中讲到了同类异构转变中的温度台阶。
金属在从L到S到室温冷却过程(凝固曲线)中,会有一到几个温度台阶。
1、设计一系列合金(不同配比点)然后用缓慢冷却的冷却曲线中的折点()连成对应曲线便成相图。
见图4-1。
2、本例是最简单的一种相图(无限互溶的匀晶相图)但多数二元相金相图都不是完全无限互溶。
L温度s时间Cu234675NiNia冷却曲线b合金相图图41CuNi合金相图的测定与绘制而是有限的互溶。
且会生成一些化合物,还有同类异构转变等。
这些转变同在相同中表达出来,故相图都复杂。
但均可分解为几个典型相图的组合。
(就像一辆复杂的汽车是由许多基本的零部件构成一样。
)§
2二元相图的基本类型与分析a二元匀晶相图L、S状态下二组元均无限互溶。
例如AuAgCuNiCuAui.相图分析见图4-2LLLL温度L1Lαα1αL5ααα5αCuNiNi时间ab图42铜镍合金匀晶相图CuNi二元合金匀晶相图。
“相”的概念已在前几节课中建立。
ii.合金的结晶过程。
(重点讲解)L中析出固相α1α2α3α4α5,例如盐水结冰)L相成分也由L1L2L3L4L5,与之平衡。
平衡是指化学位相等。
即μcuLμcua,μAfμNiLμNia任意温度下Ti,便有相应的热力学平衡。
液固两相的成分平恒通过扩散实现。
如果条件不允许充分扩散,便会出现成分偏析。
若发生在树枝状晶中便叫枝晶偏析。
iii.枝晶偏析偏析会影响材料的物化性能和力学性能。
可通过高温(<Tm200℃=扩散退火消除成分偏析。
使成分均匀化。
iv.杠杆定律(两相图适用)利用物质质量守恒法则求得某一合金中任一组元总量等于各相中的分量之和。
不同条件下的相的成分及其相对量,可通过杠杆定律求得。
GL(X)Gα(X)temperatureBXLXXaTxxlxxxaQLQαAxLXXaCuNiNiab图43杠杆定律的证明1、确定两平衡相的成分(浓度)tx时L相X1Niα相X2Ni温度是水平线,在T一定时便有对应的两相平衡。
2、确定两平衡相的相对量a设合金的总重量为1L相重量QL浓度X1α相重量Qa浓度X1已知合金中平均Ni含量为X,则根据物质守恒定律,列出下列方程组QLQa1错误未找到引用源。
QL.X1Qa.X2X错误未找到引用源。
解方程组得QLX2-X0X2-X1QaX-X1X2-X1b二元共晶相图当两个组元液态时L无限互溶S有限互溶(即在某个较小的溶解度范围)且发生共晶反应(αβ有限互溶固溶体同时从L中结晶出来)所构成的相图称为二元共晶相图(若三组元,便是三元晶相图).例如PbSbAlSiPbSn今以PbSn二元合金相图A327L232BαLαELβDC183αβT℃F19.261.997.3SnPbSn一相图分析相L、α、β三T单相区L+αL+βα+β三个双相区L相线AEBS相线ACEDB共晶线CEDLE≒αcβD共晶组织恒温反应过程中L、α、β三相共存,量不断变化,最终L消耗尽。
α、β相的成分(浓度)都是一定的。
固溶线CFDGαβ随温度的变化而变化。
共性T下降,溶解度(浓度)下降。
(二)合金1的结晶过程1、合金的结晶过程T高于1点,L,1-2之间匀晶反应α一次晶,2点反应结束,2-3点间α单相,3点时,碰到α固溶线,随着T下降,α相图析出以Sn为基体(溶剂)Pb为溶质的β相,称为β2(区别于一次结晶Lβ)因为该成分组织中β相全是β2,在此α+β两相区中可用杠杆定律计算出β2的量。
β2=F4/FG╳100%注意β2的析出为固相析出,不容易故细小分散在晶界处为多。
晶粒中的缺陷处。
例如亚晶界,位错。
层错、、、、见图4-62、合金2的结晶过程(见图4-7合金2成分,E点(61.9Sn)CED线上共晶反应线LE≒αcβD两相比α/β=ED/CE注意α2、β2在原共晶组织中相界面处析出离异析出依附到原αβ(相)片上,不易区分出。
但在CED线上求出αβ相的多少重量后,再在FG区求出αβ相,此时各包含α2、β2相,前后两者相减便得出α2、β谋划策相的重量。
3、合金3的结晶过程C-E之间为亚共晶合金;
1-2之间为匀晶反应,析出α1。
同时,沿固相线和液相线各对应成分变化,最后固相α成分平衡在C点,L相平衡在E点,两相比同样可用杠杆定律求出。
2点(CED共晶线
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