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5.晶带
相交和平行于某一晶向直线的所有晶面的组合
晶带定律:
hu+kv+lw=0
●晶向指数和晶面指数确定练习,例题
2-2纯金属的晶体结构
一、典型金属晶体结构
体心立方bcc
面心立方fcc
密排六方hcp
1.原子的堆垛方式
面心立方:
ABCABCABC——
密排六方:
ABABAB——
2.点阵常数
3.晶胞中的原子数
4.配位数和致密度
晶体结构中任一原子周围最邻近且等距离的原子数
晶体结构中原子体积占总体积的百分数
5.晶体结构中的间隙
四面体间隙,八面体间隙
二、多晶型性
-Fe,-Fe,-Fe
例:
碳在-Fe中比在-Fe中溶解度大
三、晶体结构中的原子半径
1.温度与压力的影响
2.结合键的影响
3.配位数的影响
2-3离子晶体的结构
一、离子晶体的主要特点
正、负离子
二、离子半径、配位数和离子的堆积
1.离子半径
2.配位数
表2-6
3.离子的堆积
三、离子晶体的结构规则
1.负离子配位多面体规则—鲍林第一规则
配位多面体是离子晶体的真正结构基元
2.电价规则—鲍林第二规则
3.负离子多面体共用点、棱与面的规则—鲍林第三规则
四、典型离子晶体的结构
6种
2-4共价晶体的结构
一、共价晶体的主要特点
原子晶体
二、典型共价晶体的结构
第三章晶体缺陷
点缺陷、线缺陷、面缺陷
3-1点缺陷
一、点缺陷的类型
空位、间隙原子
Schottky,Frenkel缺陷
晶个畸变
二、点缺陷的产生
1.平衡点缺陷及其浓度
2.过饱和点缺陷的产生
高温淬火、辐照、冷加工
3.点缺陷与材料行为
扩散
物理性能:
电阻,密度减小体积增加
力学性能:
蠕变,强度,脆性
3-2位错的基本概念
一、位错与塑性变形
实际屈服强度远低于刚性滑移模型得到的G/30.
50年代中期证实位错的存在
二、晶体中位错模型及位错易动性
1.刃型位错
2.螺型位错
3.混合型位错
4.位错的易动性
图4-12
三、柏氏矢量
1.确定方法
2.柏氏矢量的意义
原子畸变程度
已滑移区与未滑移区的边界
滑移矢量
位错线的性质
3.柏氏矢量的表示方法
练习
四、位错的运动
1.位错的滑移
外加切应力方向、晶体滑移方向、位错线运动方向与柏氏矢量之间关系
图4-18、4-19、4-20,表4-1
2.位错的攀移
通过扩散实现
割阶的产生
正应力影响
3.作用在位错上的力
Fd=bFd=b
五、位错密度
=S/V
=n/A
六、位错的观察
图4-24,4-25
3-3位错的能量及交互作用
一、位错的应变能
U=Gb2
二、位错的线张力
图4-30
=Gb/(2R)
三、位错的应力场及与其它缺陷的交互作用
1.位错的应力场
螺位错:
纯剪切
刃位错:
正应力为主
2.位错与点缺陷的交互作用
溶质原子形成的应力场与位错应力场可发生交互作用。
比溶剂原子大的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受张力一侧,比溶剂原子小的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受压力一侧,从而形成了包围着位错线的比较稳定分布的溶质原子“气团”,称Cottrell气团
位错要挣脱气团的束缚而运动,就会使体系能量升高;
若位错带着气团一起运动,在气团作用下运动受到阻滞,气团对位错的钉扎和阻滞作用使基体得以强化。
3.位错与其它位错的交互作用
同号相斥、异号相吸
刃位错位错墙
四、位错的分解与合成
1.位错反应的条件
1)几何条件:
∑b前=∑b后
2)能量条件:
∑b2前〉∑b2后
2.实际晶体中位错的柏氏矢量
分位错、不全位错
3.面心立方晶体中全位错的分解及扩展位错
扩展位错
堆垛层错,层错能
扩展位错宽度
3-4晶体中的界面
一、晶界的结构与晶界能
1.小角度晶界的结构
由位错组成,晶界上的位错密度随位向差增大而增加
2.大角度晶界
2~3个原子厚度的薄层,无序、稀疏
3.晶界能
二、表面及表面能
密排面能量低
三、表面吸附与晶界内吸附
吸附为自发现象,
物理吸附、化学吸附
晶界内吸附:
少量杂质或合金元素在晶体内部的分布是不均匀的,常偏聚于晶界。
四、润湿行为
五、界面能与显维组织的变化
第四章材料的相结构及相图
组元:
组成材料最基本、独立的物质
合金:
两种或两种以上的金属、或金属与非金属形成的具有金属特性的物质。
相图:
描写在平衡条件下,系统状态或相的转变与成分、温度及压力间关系的图解。
4-1材料的相结构
固溶体、中间相
一、固溶体
置换固溶体、间隙固溶体
有限固溶体、无限固溶体
有序固溶体、无序固溶体
1.置换固溶体
1)尺寸因素
2)晶体结构因素
3)电负性因素
4)电子浓度因素
2.间隙固溶体
原子半径接近于溶剂原子某些间隙半径的溶质原子,进入溶剂晶格的间隙形成的固溶体叫间隙固溶体
固溶强化
二、中间相
1.正常价化合物
符合化合的原子价规律
2.电子化合物
受电子浓度控制的化合物称。
一定的电子浓度对应一定的晶体结构,其成分可在一定范围内变动,故可视作以电子化合物为基的固溶体,说明其结构介于正常价化合物与固溶体之间。
3.尺寸因素化合物
间隙化合物:
过渡族金属与原子半径较小的C、H、O、B等非金属元素形成的一类化合物。
4-2二元相图及其类型
一、相图的基本知识
1.相律
2.二元相图的成分表示方法与相图的建立
1)成分的表示方法
质量分数
2)相图的建立
热分析法,Cu-Ni合金
3)杠杆定律
二、一元系相图
三、二元系相图
1.匀晶相图及固溶体的结晶
1)匀晶相图
2)固溶体的平衡结晶过程
3)匀晶系的不平衡结晶
晶内偏析:
晶粒内部出现的成分不均匀现象
枝晶偏析:
在非平衡凝固条件下,若固溶体以树枝状结晶并长大,则枝干与枝间会出现成分差别。
2.共晶相图及其结晶
1)相图分析
2)共晶转变
共晶反应,共晶组织
3)共晶系合金的平衡结晶及组织
4)不平衡结晶及其组织
a.伪共晶
非平衡结晶条件下,成分在共晶点附近的合金也可能全部转变为共晶组织,这种非共晶成分的共晶组织,称为伪共晶组织。
b.不平衡共晶
c.离异共晶
3.包晶相图及其结晶
4.其他类型的二元系相图
四、相图与性能的关系
4-3复杂相图分析
一、分析方法
二、举例
图5-44~5-46
三、铁-碳合金相图
1.铁-碳合金的组元与基本相
1)纯铁
2)渗碳体
3)铁碳合金相
铁素体、奥氏体、渗碳体、石墨
2.Fe-Fe3C相图介绍
3.铁-碳合金的平衡结晶过程及组织
铁-碳合金的分类
晶固过程分析
珠光体
莱氏体
室温莱氏体
相组成物、组织组成物
4.含碳量对铁碳合金平衡组织和性能的影响
1)对平衡组织的影响
2)对力学性能的影响
3)对可锻性的影响
4)对流动性的影响
5.钢中的杂质元素及其对性能的影响
1)硅、锰的影响
2)硫的影响
热脆
3)磷的影响
冷脆
4)氧的影响
5)氮的影响
6)氢的影响
4-4相图的热力学基础
一、吉布斯自由能与成分的关系
二、克劳修斯-克莱普隆方程
三、相平衡条件
1.化学位
2.相图中的相平衡
多相平衡条件
一元系统的相平衡
二元系统的相平衡
共切线法则
四、吉布斯自由能曲线与相图
4-5三元系相图及其类型
一、三元相图的表示方法
1.等边三角形法
取等边三角形,以三个顶点表示三个纯组元;
三个边各定为100%,分别代表三个二元系的成分;
位于三角形内部的点代表三元系的成分。
此三角形为浓度三角形
特殊意义的线
(1)平行三角形某一边的直线
它们所含的、有这条边对应顶点所代表的组元量均相等
(2)通过三角形顶点的任一直线
它们所含的由另两个顶点所代表的两组元含量之比是一定值。
2.等腰三角形法
3.直角三角形法
二、三元相图的建立
三、三元匀晶相图
1.相图分析
2.等温截面(水平截面)图
共轭曲线
直线法则:
三元系统两相平衡共存时,合金成分点与两平衡相的成分点必须位于一条直线上。
证明:
设:
合金O,两相为α,β。
其成分点分别为o,a,b
则其中B组元含量分别为Ao1,Aa1,Ab1,C组元含量分别为Ao2,Aa2,Ab2
若此时α相的重量分数为X,β相的重量分数为1-X
应有:
Aa1·
X+Ab1·
(1-X)=Ao1
Aa2·
X+Ab2·
(1-X)=Ao2
得:
X(Aa1-Ab1)=Ao1-Ab1
X(Aa2-Ab2)=Ao2-Ab2
两式相除:
Aa1-Ab1Ao1-Ab1
Aa2-Ab2Ao2-Ab2
故o,a,b三点共线。
两点注意
杠杆定律应用
3.匀晶相图的平衡结晶过程分析
蝴蝶形迹线
4.变温截面图
四、具有两相共晶反应的三元系相图
2.三相平衡及三相平衡反应
共轭三角形
成分变温线、单变量线
重心法则:
合金三相平衡时,合金的成分点位于由这三相成分点组成的三角形中,并位于该三角形的质量重心。
五、三元系中的相平衡分析
切平面
六、具有四相平衡反应的三元系相图
简单分析
投影图
七、实例分析
图5-113
第五章材料的凝固
5-1晶体材料熔液凝固的基本规律
一、液态的结构
成分起伏、结构起伏、能量起伏
二、凝固的热力学条件
等压条件下,自由能曲线随温度的变化率等于熵的负值,故可得图6-1所示结果。
液相(L)与固相(S)的自由能曲线交点对应的温度为T0,即为金属的熔点。
当温度T<
T0时液态金属结晶,温度越低,液固两相的自由能差值越大,结晶的驱动力也越大。
因此,金属结晶的热力学条件就是T<
T0,即结晶必须在过冷条件下才能自发地进行
三、过冷现象
过冷
冷却曲线
四、结晶的一般过程
形核-长大
形核率、长大速率
伪各向同性
5-2晶核的形成
一、均匀形核
图6-5
rk=
Ak=
=
Skσ
体积自由能的降低,只能补偿2/3的表面自由能,另1/3需外界供给。
液态金属结构存在成分、结构和能量起伏。
依靠能量起伏,液相原子的热运动来实现均质形核。
二、形核率
图6-6
临界过冷度
三、非均匀形核
分析讨论
5-3晶核的成长
一、液-固界面的微观结构
动态过冷度
光滑界面、粗糙界面
二、熔体中晶体的生长形态
1.粗糙界面
由于界面上有50%的结晶空位,液相原子进入这些空位使晶体均匀连续地生长,垂直长大。
所需动态过冷度小,长大速度快
正温度梯度下:
平面
负温度梯度下:
枝晶生长
2.光滑界面
生长依赖在界面上出现台阶,有3种方式:
二维晶核,螺型位错,孪晶面。
后2种可连续生长。
正温度梯度下:
台阶生长
负温度梯度下:
多面体
3.晶体长大线速度
5-4固溶体的凝固
一、固溶体的平衡凝固
二、稳态凝固
有效分配系数
溶质的分布,图6-18
三、成分过冷及其对晶体长大形状的影响
1.成分过冷的产生
图-6-20
由于液固界面前沿液相中的成分差别所引起的过冷
2.出现成分过冷的临界条件
3.成分过冷对晶体成长形状的影响
图6-21
5-5共晶合金的凝固
一、共晶体的形成
交替生长
二、共晶体的形态
1.粗糙-粗糙界面
2.粗糙-平滑界面共晶
3.第三组元对共晶组织的影响
变质处理
4.共晶合金中的初生晶形态
5-6凝固组织及其控制
一、晶粒尺寸的控制
1.增加过冷度
2.变质处理
3.振动
二、铸锭组织及其控制
1.三个晶区
表层细晶区
柱状晶区
中心等轴晶区
2.各晶区尺寸的控制
三、铸锭的缺陷
1.微观偏析
2.宏观偏析
3.夹杂和气孔
4.缩孔和疏松
四、焊缝金属的结晶组织
5-7凝固技术的应用介绍
一、单晶的制备
二、定向凝固
三、材料非晶态
第六章材料中的原子扩散
扩散是固体中物质传输的唯一方式
6-1扩散现象及扩散方程
一、扩散现象
自扩散、互扩散、扩散激活能
二、菲克第一定律
在稳态扩散的条件下,单位时间内通过垂直于扩散方向的单位截面积的扩散物质的通量J与浓度梯度(dC/dx)成正比。
J=-D(dC/dx)
三、菲克第二定律
设扩散流量为J,扩散系数为D,体积浓度为C,图阴影部分体积的横截面积为A,则:
物质流入速率=J1A
物质流出速率=J2A=J1A+
物质积存速率=J1A-J2A=-
积存速率又可写为
(2分)
故
=-
,即
将扩散第一定律:
J=-D
代入,得:
=
四、扩散方程的应用
1.扩散系数不随浓度变化的恒稳态扩散
2.扩散系数与浓度无关的非稳态扩散
初始条件、边界条件
五、柯肯达尔效应
置换固溶体中,由于两组元以不同的速率相对扩散而引起的标记面漂移现象
6-2扩散微观机制
一、扩散的微观机制概述
1.空位机制
2.间隙机制
3.自间隙机制
二、原子跃迁的距离
随机行走理论
三、扩散系数
四、扩散激活能
1.间隙扩散激活能
2.空位扩散激活能
6-3扩散驱动力
上坡扩散:
扩散物质由浓度低处向浓度高处进行的扩散。
扩散驱动力:
化学位梯度
6-4反应扩散
反应扩散:
发生化学反应产生新相的扩散过程
6-5影响扩散的因素
一、温度的影响
温度高,扩散系数D大
二、原子键力和晶体结构的影响
晶体结构:
原子排列紧密,结合力强D小,D面心立方、密排六方<
D体心立方
同素异构,固溶体对扩散元素溶解度大小,晶体各向异性均有影响。
三、固溶体类型与浓度的影响
浓度:
高则D大
四、晶体缺陷的影响
晶界扩散、位错扩散
五、第三组元的影响
第七章材料的变形
7-1金属变形概述
拉伸曲线
加工硬化
7-2金属的弹性变形
双原子模型
E对组织不敏感
7-3滑移与孪晶变形
一、滑移观察
滑移带、滑移线
二、滑移机制
位错宽度
派-纳力
讨论
三、滑移面与滑移方向
滑移系
四、孪晶变形
另一作用:
当滑移变形困难时,它能改变晶体位向帮助滑移
7-4单晶体的塑性变形
一、施密特定律
图8-10
取向因子(施密特因子)、硬取向、软取向
二、单滑移、多滑移和交滑移
单个滑移系动作称单滑移,多个称多滑移
螺位错在原滑移面上运动受阻,可转移到与之相交的另一滑移面上继续滑移称交滑移。
交滑移后的位错再次转回到和原滑移面平行的面上继续滑移,称双交滑移。
图8-13
7-5多晶体的塑性变形
一、晶界和晶体位向对塑性变形的影响
阻碍作用
变形的传递
1.变形的协调
二、晶粒大小对材料强度与塑性的影响
Hall-petch关系
位错理论解释细晶强化:
多晶体材料靠晶界以及晶界两侧的晶粒间的位向差得到强化。
晶粒中的位错源放出的位错,在晶界处受阻并产生塞积,塞积产生的应力足以克服晶界和位向差造成的阻力时,位错才能通过晶界,该过程需增加外力,表明材料得以强化;
晶粒越细,塞积群应力场越弱,变形不易从一晶粒转移到另一晶粒,材料强度越高。
粗晶粒位错塞积数目多,产生的应力集中大,它虽然有容易使相邻晶粒位错源开动的一面,但假若相邻晶粒的取向特别不利于变形,或者其位错源受到钉扎。
应力集中不能被松弛而产生很大的拉应力,从而形成裂纹。
因此,粗晶粒容易萌生裂纹,断裂时显示的塑性也较低。
7-6纯金属的变形强化
加工硬化(变形强化)机理
一、位错的交割
扭折、割阶
割阶必是刃型的
螺位错上的割阶运动阻力更大
二、位错的反应
梯杆位错、洛麦尔-柯垂尔锁
三、位错的增值
F-R源
2.双交滑移机制
7-7合金的变形与强化
一、单相合金的变形与强化
固溶强化
二、低碳钢的屈服和应变时效
屈服平台
柯氏气团理论:
溶质原子形成的应力场与位错应力场可发生交互作用。
比溶剂原子大的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受张力一侧,比溶剂原子小的溶质原子倾向于聚集在刃型位错受压力一侧,从而形成了包围着位错线的比较稳定分布的溶质原子“气团”,称~。
位错要挣脱气团的束缚而运动,需要较大的力,这就形成了上屈服点;
儿一旦挣脱之后位错的运动就比较容易,因此有应力降落,出现下屈服点和水平平台。
位错增值理论:
位错大量增殖后,可动位错增多,流遍应力降低。
应变时效
三、第二相对合金变形的影响
切过机制
绕过机制
弥散强化
7-8冷变形金属的组织与性能
一、冷变形金属的力学性能
二、冷变形金属的组织
纤维组织
位错胞、晶粒破碎
三、形变织构
金属变形量较大时,由于晶粒的转动,各晶粒的取向趋于一致,即形成择优取向
四、残余应力
7-9冷变形金属的回复阶段
一、回复阶段性能与组织的变化
二、回复动力学
三、回复机制
1.低温时
点缺陷的迁移
2.温度较高时
位错运动销毁
3.在较高温度时
位错墙、亚晶
4.位错反应形成亚晶
7-10冷变形金属的再结晶
性能完全恢复
形核-长大过程
一、再结晶的形核
二、再结晶动力学
三、影响再结晶的因素
1)临界变形度
2)变形度对再结晶温度的影响
3)再结晶后的晶粒大小
4)微量杂质的影响
5)第二相的影响
6)原始晶粒的影响
四、再结晶后的晶粒长大
1.晶粒的正常长大
2.二次再结晶
7-11非金属材料的变形
一、陶瓷晶体的变形
二、高分子材料的变形
1.热塑性塑料的变形
粘弹性
2.热固性塑料的变形