材料科学基础第三章
合集下载
材料科学基础第三章-孪生微观方面
[1 2 1 0]
• •[01 10] •[1120]
HCP取向胞
26
HCP取向胞的应用：
• 不管哪一组的K1 & K2，只要落在K1 & K2之间，均为锐角区， 落在K1 & K2之外均为钝角区
• 不管哪一组的K1 & K2，只要落在A 区，均为锐角区
• 与A区共边的，称为B区（B1～B6） • 与A区共顶的，称为C区（C1～C6） • 与A区不接触的，称为D区（D1～
• 挛晶和基体要成映像关系，对称面为孪生面 • Janson规则：走近路原理（原子移动的位移最小） (1ī1)
FCC 2
BACBACBA
[ī12]
(1ī1)
FCC
3
C B AC B (B) (C) (A) (B) (C) A C B A
[ī12]
(1ī1)
FCC
[ī12]
[ī12]
FCC晶体孪生时原子的运动
23
二、不同方面
7) 变形的条件
高对称（晶体结构）、高温、低应变速率的条件下，有利于滑移 低对称（晶体结构）、低温、高应变速率的条件下，有利于孪生
24
作业： 3－15 自学“滑移和孪生的比较”
25
问题2： Zn单晶任意的晶向[uvtw]方向在孪生后长度的变化情况
c
a3 a2
a1
K1
K2
I、 II：(10 1 2)、(1 012 )
D6），均为钝角区 • [uvtw]位于哪个区，通过判断是锐角
还是钝角来判断其长度的变化。
D6
D5
C6
B6 C1
D1
C BB A • BB C 5
5 VI
材料科学基础(第3章)
②Fe3Al型 该类结构的晶胞可以视为由8个体心立方晶胞 组成，Fe原子占据了8个小立方体的所有顶角 以及4个不相邻的体心位置，而Al原子则占据 其余4个不相邻的体心处。 具有Fe3Al型结构的合金还有Fe3Si、Mg3Li、 Cu3Al等。
B、面心立方固溶体中形成的超结构 ①Cu3Au型 Cu3Au合金相在高于390℃以上具有无序的面心 立方结构。当缓慢冷却到390℃以下时，Cu、Au 原子呈现有序排列，其中Au原子位于面心立方 晶胞的顶角处，Cu原子则占据所有面心位置。 具有这类超结构的合金相还有FeNi3、MnNi3、 Co3V、TiZn3等。
B、影响有序化的因素 合金的有序度主要与温度、冷却速度、合金成分 等因素有关。 随着T↑→原子运动增强，S↓,到某一临界温度， 呈现完全无序状态。 有序化是一个依赖于原子迁移的过程，所以有序 化与冷却速度有关，快速冷却将抑制有序化进行。 从成分方面考虑，当合金的成分偏离理想成分时， 就不能产生完全的有序结构，成分偏离程度决定 了有序化程度的高低。
C、有序化对于合金性能的影响 有序化使得电阻率急剧降低，例如Cu3Au合金 有序时的电阻为无序的1/2，CuAu合金有序时为 无序的1/3。 有序化可以提高合金的硬度，例如CuPt合金， 无序时HB130，500℃×1h退火形成超结构， HB260。原因是提高了塑形变形阻力。 有序化对于某些材料磁性产生影响，例如Ni3Mn 在无序时为顺磁性，但在形成超结构后成为铁 磁性物质。
1、中间相的分类及其特点 （1）正常价化合物—组元间的结合服从原子价 化合规律。 （2）电子化合物— 组元间的结合取决于电子浓 度因素。 （3）间隙相和间隙化合物—小尺寸原子与过渡 族金属之间形成的。 （4）拓扑密堆结构—组元间的结合与原子尺寸 因素有关。 中间相通常是按一定的原子比结合起来的，可以 用化学分子式来表示。中间相的性能与组元不同， 但一般仍保留金属特性。
材料科学基础第三章晶体缺陷
够的能量而跳入空位，并占据这个平衡位置，这时在这个原 子的原来位置上，就形成一个空位。这一过程可以看作是空 位向邻近结点的迁移。
在运动过程中，当间隙原子与一个空位相遇时，它将落入
这个空位，而使两者都消失，这一过程称为复合，或湮没。
（a）原来位置；
（b）中间位置；
（c）迁移后位置
图 空位从位置A迁移到B
2 Ar a 3 N A 8.57 (3.294108 )3 6.0231023 x 1 2 Ar 2 92.91 7.1766103 106 7.1766103 7176 .6(个） 所以， 106 个Nb中有7176 .6个空位。
a NA
作业：
二.本章重点及难点 1、点缺陷的形成与平衡浓度 2、位错类型的判断及其特征、伯氏矢量的特征和物理意义 3、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运动、 交割
4、关于位错的应力场可作为一般了解
5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的类型
维纳斯“无臂” 之美更深入人心
处处留心皆学问
2.点缺陷的形成（本征缺陷的形成）
点缺陷形成最重要的环节是原子的振动 原子的热振动
（以一定的频率和振幅作振动）
原子被束缚在它的平衡位置上，但原子却在做着挣脱
束缚的努力
点缺陷形成的驱动力：温度、离子轰击、冷加工
在外界驱动力作用下，哪个原子能够挣脱束缚，脱离
平衡位置是不确定的，宏观上说这是一种几率分布
刃型位错的特点：
1).刃型位错有一个额外的半原子面。其实正、负之分只具 相对意义而无本质的区别。 2).刃型位错线可理解为晶体中已滑移区与未滑移区的边界 线。它不一定是直线，也可以是折线或曲线，但它必与滑移 方向相垂直，也垂直于滑移矢量。
材料科学基础第三章.ppt
第三章材料的相结构与相图
同济大学材料科学与工程学院 无机非金属材料研究所
• 3.1 材料的相结构
基本概念：
（1）组元：组成材料的最基本的、独立的物质。
组元可以是纯元素：Cu、Ni、Fe等；
也可以是非金属元素：C、N、B、O等；
或者是化合物
：Al2O3、SiO2、ZrO2等
（2）材料可以是单组元构成：
关键词：聚集状态（冰＋水：二相） 晶体结构（不同的相具有不同的晶
体结构）
存在相界面 （理论上各相之间是可以分离的）
• 材料的性能与各组成相的性质、形态、数量 有很大的关系：
• 实例1：
微晶玻璃—— 由玻璃相＋微晶相组成
铁碳合金 ——随着铁中碳含量的变化源自通常在0.0218%-6.69%之间），可 以形成各种不同的结晶态物质，如铁素体、 渗碳体、奥氏体等，这些相的形态、数量对 钢材的性能有很大的影响。
各组元质点分布分别按照各自的布拉维点阵进 行排列，整个固溶体就是由各组元的分点阵组成 的复杂点阵，也称超点阵或超结构。
• 3.1.1.1置换型固溶体
• 在理论的指导下，通过对实践经验的积累 总结，针对置换型固溶体的情况，提出了 一些重要的影响因素：
• （1）晶体结构类型 • （2）质点尺寸因素 • （3）化学电负性（化学亲和力） • （4）电价因素
合金组元间的电负性差越大，则倾向于生 成化合物而不利于形成固溶体；生成的化 合物越稳定，则固溶体的溶解度就越小。
只有电负性相近的元素才可能具有较大的溶 解度，有利于形成固溶体。
（通常以以 0.4 作为边界条件）
• （4）电价因素（电子浓度）
定义：电子浓度是指合金中各组成元素的价 电子数总和与原子总数的比值：e/a
同济大学材料科学与工程学院 无机非金属材料研究所
• 3.1 材料的相结构
基本概念：
（1）组元：组成材料的最基本的、独立的物质。
组元可以是纯元素：Cu、Ni、Fe等；
也可以是非金属元素：C、N、B、O等；
或者是化合物
：Al2O3、SiO2、ZrO2等
（2）材料可以是单组元构成：
关键词：聚集状态（冰＋水：二相） 晶体结构（不同的相具有不同的晶
体结构）
存在相界面 （理论上各相之间是可以分离的）
• 材料的性能与各组成相的性质、形态、数量 有很大的关系：
• 实例1：
微晶玻璃—— 由玻璃相＋微晶相组成
铁碳合金 ——随着铁中碳含量的变化源自通常在0.0218%-6.69%之间），可 以形成各种不同的结晶态物质，如铁素体、 渗碳体、奥氏体等，这些相的形态、数量对 钢材的性能有很大的影响。
各组元质点分布分别按照各自的布拉维点阵进 行排列，整个固溶体就是由各组元的分点阵组成 的复杂点阵，也称超点阵或超结构。
• 3.1.1.1置换型固溶体
• 在理论的指导下，通过对实践经验的积累 总结，针对置换型固溶体的情况，提出了 一些重要的影响因素：
• （1）晶体结构类型 • （2）质点尺寸因素 • （3）化学电负性（化学亲和力） • （4）电价因素
合金组元间的电负性差越大，则倾向于生 成化合物而不利于形成固溶体；生成的化 合物越稳定，则固溶体的溶解度就越小。
只有电负性相近的元素才可能具有较大的溶 解度，有利于形成固溶体。
（通常以以 0.4 作为边界条件）
• （4）电价因素（电子浓度）
定义：电子浓度是指合金中各组成元素的价 电子数总和与原子总数的比值：e/a
《材料科学基础》 第03章 晶体缺陷
第三节 位错的基本概念
三、位错的运动
刃位错的攀移运动：刃型位错在垂直于滑移面方向上的运动。 刃位错发生攀移运动时相当于半原子面的伸长或缩短，通常把 半原子面缩短称为正攀移，反之为负攀移。 滑移时不涉及单个原子迁移，即扩散。刃型位错发生正攀 移将有原子多余，大部分是由于晶体中空位运动到位错线上的 结果，从而会造成空位的消失；而负攀移则需要外来原子，无 外来原子将在晶体中产生新的空位。空位的迁移速度随温度的 升高而加快，因此刃型位错的攀移一般发生在温度较高时；另 外，温度的变化将引起晶体的平衡空位浓度的变化，这种空位 的变化往往和刃位错的攀移相关。切应力对刃位错的攀移是无 效的，正应力的存在有助于攀移(压应力有助正攀移，拉应力 有助负攀移)，但对攀移的总体作用甚小。
第一节 材料的实际晶体结构
二、晶体中的缺陷概论
晶体缺陷按范围分类：
1. 点缺陷 在三维空间各方向上尺寸都很小，在原 子尺寸大小的晶体缺陷。
2. 线缺陷 在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶 粒数量级)，另外两个方向上的尺寸很小(原子尺 寸大小)的晶体缺陷。其具体形式就是晶体中的 位错Dislocation 。
说明：这是一个并不十分准确的定义方法。柏氏矢量的方向与位错线方向的定义有关，应该首 先定义位错线的方向，再依据位错线的方向来定柏氏回路的方向，再确定柏氏矢量的方 向。在专门的位错理论中还会纠正。
第三节 位错的基本概念
二、柏氏矢量
柏氏矢量与位错类型的关系：
刃型位错 柏氏矢量与位错线相互垂直。(依方向关系可 分正刃和负刃型位错) 螺型位错 柏氏矢量与位错线相互平行。(依方向关系可 分左螺和右螺型位错) 混合位错 柏氏矢量与位错线的夹角非0或90度。
过饱和空位 晶体中含点缺陷的数目明显超过平衡 值。如高温下停留平衡时晶体中存在一平衡空位， 快速冷却到一较低的温度，晶体中的空位来不及移 出晶体，就会造成晶体中的空位浓度超过这时的平 衡值。过饱和空位的存在是一非平衡状态，有恢复 到平衡态的热力学趋势，在动力学上要到达平衡态 还要一时间过程。
材料科学基础第三章
2, 具体步骤: , 具体步骤:
选组元, 选组元,配合 金系, 金系,熔化 标注在温度— 标注在温度 成分坐标中 无限缓冷下测各 合金的冷却曲线 连接各相变点 确定各合金 的相变温度 确定相
如:0%Cu,20%Cu,40%Cu,60%Cu,80%Cu,100%Cu , , , , , 六组合金. 六组合金.
后结晶出来的, 后结晶出来的,含A元素少 元素少
先结晶出来的, 先结晶出来的,含A元素多 元素多
富Ni
富Cu
Cu-Ni合金晶内偏析的组织 合金晶内偏析的组织
非平衡结晶
晶内偏析
1500 1400
L
塑性,韧性下降, 塑性,韧性下降,易引起 晶内腐蚀, 晶内腐蚀,热加工困难 扩散退火
1300 1200 1100 1000 900 800 0 20 40 60 80 100
(一)二元合金相图的建立 Pb-Sb二元合金为例 二元合金为例) (以Pb-Sb二元合金为例) 1,建立相图的思路: ,建立相图的思路:
合金相变时,伴随物理,化学性能的变化, 合金相变时,伴随物理,化学性能的变化,可利用 者热膨胀法,磁性测定法,金相法,电阻 法和X射线结构分析法等 精确测定相变临界点( 射线结构分析法等) 法和 射线结构分析法等)精确测定相变临界点(即临界 温度),确定不同相存在的温度和成分区间,建立相图. ),确定不同相存在的温度和成分区间 温度),确定不同相存在的温度和成分区间,建立相图.
进行材料研究,金相分析,制定热, 进行材料研究,金相分析,制定热, 作用 铸,锻,焊等热加工工艺规范的重要依据 和有效工具. 和有效工具.
一,相律
在恒压下,在纯固态或纯液态情况下, 在恒压下,在纯固态或纯液态情况下,出现的相数 小于等于主元数.在液固共存(恒温) 小于等于主元数.在液固共存(恒温)条件下出现 的相数小于等于主元数加一.因而,对二元合金, 的相数小于等于主元数加一.因而,对二元合金, 固态下出现的相数为1或2,液固共存(恒温)条件 固态下出现的相数为 或 ,液固共存(恒温) 下恒温下出现的相数为2或 . 下恒温下出现的相数为 或3.
(完整word版)材料科学基础 第三章
第三章 金属与陶瓷的结构一、学习目的材料的结构问题需分层次认识，第一层次是原子核外电子的排布即电子组态和电子构型；第二层次是原子与原子之间的排列位置与相互作用即晶体结构；第三层次是晶相、玻璃相的分布、大小、形状等即显微结构。
固态物质按照原子间（或分子）的聚集状态可以分为晶体和非晶体，在金属与陶瓷中，这两种状态都存在，并且以晶体为主。
在掌握了原子结构与化学键基础上，学习晶体结构基础知识，掌握固体中原子与原子之间的排列关系，对认识和理解材料性能至关重要。
二、本章主要内容在结晶性固体中，材料的许多性能依赖于内部原子的排列，因此，必须掌握晶体特征和描述方法。
本章从微观层次出发，介绍了金属、陶瓷材料的结构特点，介绍了结晶学的基础知识。
主要内容包括：1、 晶体和晶胞晶体：是原子、离子或分子按照一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性。
晶胞：是从晶体结构中取出的能够反映晶体周期性和对程性的重复单元。
2、 金属的晶体结构金属原子之间靠金属键结合形成的晶体为金属晶体。
金属晶体的三种类型和特征为：面心立方晶体：晶胞中八个角上各有一个原子，六个面中心各有一个原子，角上的原子为临近8个晶胞所共有，每个面中心原子为2个晶胞所共有。
晶胞的原子数为4。
晶胞长度a （晶胞参数a=b=c ）与原子半径R 之间的关系为：2a =晶胞中原子堆积系数（晶胞中原子体积与晶胞体积的比值）APF=0.74. 体心立方晶体：晶胞中八个角上各有一个原子，晶胞的中心有一个原子，角上的原子为临近8个晶胞所共有，所以，体心立方晶胞中的原子数为2。
晶胞长度a （晶胞参数a=b=c ）与原子半径R 之间的关系为：a =晶胞中原子堆积系数APF=0.68.密排六方晶体：由两个简单六方晶胞穿插而成。
形状为八面体，上下两个面为六角形，六个侧面为长方形。
密排六方的晶胞参数有两个，a 为正六边形的边长，c 为上下底面的间距（晶胞高度）。
材料科学基础第三章
注意： 阵点可以是原子或分子的中心， 也可以是彼此等同 阵点可以是原子或分子的中心，
的原子群或分子群的中心， 的原子群或分子群的中心 ，但 各个阵点的周围环境必须相 同。
4
空间点阵： 空间点阵：阵点在三维空间呈周期性规则排列所组成 的阵列。（阵点是构成空间点阵的基本要素） 的阵列。 阵点是构成空间点阵的基本要素） 晶格（空间格子） 为了便于描述空间点阵的图形， 晶格（空间格子）：为了便于描述空间点阵的图形， 可用许多平行的直线把所有阵点连接起来， 可用许多平行的直线把所有阵点连接起来 ， 构成一个 三维的几何格架， 称为晶格或空间格子 。 （ 可以形象 三维的几何格架 ， 称为晶格或空间格子。 描述空间点阵的几何形状，实质仍是空间点阵） 描述空间点阵的几何形状，实质仍是空间点阵） 晶胞：能够代表晶格中原子排列特征的最小单元体。 晶胞：能够代表晶格中原子排列特征的最小单元体。 （将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵） 将晶胞作三维的重复堆砌就构成了空间点阵）
c/a值的范围：1.568（铍， 值的范围： 值的范围 （ Be）～ 1.886（镉，Cd） ）～ （ ）
21
22
3.3.3 晶胞中的原子数 fcc： n = 8 × 1 （顶角） 6 × 1 2 ： 8 + （面心）= 4 bcc： n = 8 × 1 8 ： （顶角） 1(体心) = 2 + hcp： hcp：n = 12 × 1 6 （顶角） 2 × 1 2 + （面心） （中心）＝6 +3
5
c
β
a γ
α b
空间点阵、 空间点阵、晶胞
6
3.2.2 晶
胞
晶胞通常是平行六面体。 晶胞通常是平行六面体。 选取晶胞的原则： 选取晶胞的原则： a. 几何形状与晶体具有同样的对称性； 几何形状与晶体具有同样的对称性； b. 平行六面体内相等的棱和角的数目最多； 平行六面体内相等的棱和角的数目最多； c. 当平行六面体棱间夹角存在直角时，直角数目 当平行六面体棱间夹角存在直角时， 应最多； 应最多； d. 在满足上述条件下，晶胞应具有最小的体积。 在满足上述条件下，晶胞应具有最小的体积。
第材料科学基础第3章
▪ 点缺陷引起晶格畸变,能量升高，结构不稳定，易发生转
变。 点缺陷的存在会引起性能的变化：
(1)物理性质、如R、V、ρ 等； (2)力学性能：采用高温急冷(如淬火 ,大量的冷变形）,高 能粒子辐照等方法可获得过饱和点缺陷，如使σS提高； (3)影响固态相变,化学热处理等。
第材料科学基础第3章
3.2 位错
3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界
4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可 作为一般了解
5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的 类型
第材料科学基础第3章
6、点缺陷的平衡浓度公式 7、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量 的特征， 8、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运
对离子晶体，和纯金属相比，点缺陷形成能 都很大，故一般离子晶体中，在平衡状态下存 在的点缺陷浓度是极小的。
第材料科学基础第3章
△Ev对C的影响
金属
种类
Pb
Al
Mg
Au
Cu
Pt
W
△Ev ×
10-8J
0.08
0.12
0.14
0.15
0.17
0.24
0.56
C
9.2× 2.8× 1.5× 3.6× 2.0× 7.8× 5.7×
（4）外来杂质原子：
（5）置换原子(substitutional atom) ：
第材料科学基础第3章
点缺陷类型1
第材料科学基础第3章
点缺陷类型2
第材料科学基础第3章
3.1.2 点缺陷的平衡浓度
晶体中点缺陷的存在一方面造成点阵畸变，使晶体的内 能升高，降低了晶体的热力学稳定性，另一方面由于 增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的 振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值 增大，增加了晶体的热力学稳定性。这两个相互矛盾 的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的 平衡浓度。这个浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平 衡浓度。经热力学推导：
变。 点缺陷的存在会引起性能的变化：
(1)物理性质、如R、V、ρ 等； (2)力学性能：采用高温急冷(如淬火 ,大量的冷变形）,高 能粒子辐照等方法可获得过饱和点缺陷，如使σS提高； (3)影响固态相变,化学热处理等。
第材料科学基础第3章
3.2 位错
3、面缺陷、表面、界面、界面能、晶界、相界
4、关于位错的应力场、位错的应变能、线张力等可 作为一般了解
5、晶界的特性(大、小角度晶界)、孪晶界、相界的 类型
第材料科学基础第3章
6、点缺陷的平衡浓度公式 7、位错类型的判断及其特征、柏氏矢量 的特征， 8、位错源、位错的增殖(F-R源、双交滑移机制等)和运
对离子晶体，和纯金属相比，点缺陷形成能 都很大，故一般离子晶体中，在平衡状态下存 在的点缺陷浓度是极小的。
第材料科学基础第3章
△Ev对C的影响
金属
种类
Pb
Al
Mg
Au
Cu
Pt
W
△Ev ×
10-8J
0.08
0.12
0.14
0.15
0.17
0.24
0.56
C
9.2× 2.8× 1.5× 3.6× 2.0× 7.8× 5.7×
（4）外来杂质原子：
（5）置换原子(substitutional atom) ：
第材料科学基础第3章
点缺陷类型1
第材料科学基础第3章
点缺陷类型2
第材料科学基础第3章
3.1.2 点缺陷的平衡浓度
晶体中点缺陷的存在一方面造成点阵畸变，使晶体的内 能升高，降低了晶体的热力学稳定性，另一方面由于 增大了原子排列的混乱程度，并改变了其周围原子的 振动频率，引起组态熵和振动熵的改变，使晶体熵值 增大，增加了晶体的热力学稳定性。这两个相互矛盾 的因素使得晶体中的点缺陷在一定的温度下有一定的 平衡浓度。这个浓度称为该温度下晶体中点缺陷的平 衡浓度。经热力学推导：
材料科学基础.第三章
常见金属的液-固界面为粗糙界面，一些非金属、亚金属、金 属间化合物的液-固界团多为光滑界面。 3.4.2 晶核的长大机制 晶核长大所需的界面过冷度被称为动态过冷度，用⊿Tk表示。 具有光滑界面的物质，△Tk约为1-2℃；具有粗糙界面的物质， △Tk仅为0.01-0.05℃。说明不同类型界面，其长大机制不同。 1.粗糙界面的长大 晶体整个界面沿法线方向向液相中长 大，这种长大方式叫垂直长大。垂直长大时生长速度很快。 2.光滑界面的长大 可能有以下两种 （1）界面上反复形 成二维晶核的机制。 (2) 缺陷长大机制。 液体中的原子不断 添加到螺错或孪晶等 晶体缺陷的台阶上使 晶体长大，如右图。
1.垂直提拉法 先熔化坩埚中的材料，使液体保持稍高于熔点 的温度，然后下移夹有一个籽晶的杆，使籽晶与液面接触。缓慢 降低炉内温度，将籽晶杆一边旋转一边提拉，使籽晶作为难一的 晶核在液相中结晶，最后成为一块单晶体。 2.尖端形核法 将材料装入一个带 尖头的容器中熔化， 然后将容器从炉中 缓慢拉出，尖头首 先移出炉外缓冷， 在尖头部产生一个 晶核，容器向炉外 移动时便由这个晶 核长成一个单晶体。
3.4.3 纯金属的生长形态 纯金属凝固时的生长形态，取决于固-液界面的微观结构和界 面前沿的温度梯度。 1.正温度梯度 在正温度梯度dT/dx>0下，结晶潜热只能通过 固相散出，界面推移速度受固相传热速度的控制。粗糙界面、 光滑界面的晶体生长均以平面状向前推进。
2.负温度梯度 当dT/dx<0时，界面的热量可以从固、液两相 散失，界面移动不只受固相传热速率控制。界面某处偶然伸入液 相，则进入了△T更大的区域，生长速率加快，伸入液相中形成 一个晶轴。晶轴结晶时向两侧液相中放出潜热，使液相中垂直晶 轴的方向又产生负温度梯度，这样晶轴上又会产生二次晶、三次 晶轴…。这种生长方式称为树枝状生长。树枝生长时，伸展的晶 轴具有一定的晶体取向，面心立方为<100>；体心立方<100> 。 以树枝方式生 长时，最后凝固 的金属将树枝空 隙填满，使每个 枝晶成为一个晶 粒。图3.12为锑 液-固界面的微观结构 液-固界面按微观结构可 分为光滑界面和粗糙界面。 1.光滑界面 指界面处固液 两相截然分开。固相表面为 基本完整的原子密排面，从 微观上看界面是光滑的，但 宏观上看往往由若干曲折的 小平面组成，是不平整的， 因此又称小平面界面。 2. 粗糙界面 指液-固界面 存在厚度为几个原子间距的 过渡层，因而在微观上是粗 糙的，但宏观上界面反而是 平整光滑的。这种界面又称 非小平面界面。
材料科学基础第三章晶体的范性形变
3
二、研究晶体塑性变形的途径和方法
1、宏观途径（力学、机械学的任务）
运用弹、塑性理论和断裂力学理论，建立应力－应 变关系和断裂准则（本构方程）
2、微观途径
微观模型、机理、显微结构与力学性能的关系
4
三、本章的主要内容
主要讨论单晶体的范性形变方式和规律，并简要 讨论多晶体的范性形变特点。
宏观上看，固体范性形变的基本方式很多，包括 伸长、缩短、弯曲、扭转以及各种复杂形变。
C：钢铁及所有BCC结构的金属 Ferrous metals
l lo
以C类为例，弹性变形－塑性变形－断裂
2
2、弹性变形（Elastic Deformation）
虎克定律（Hook’s law）： 拉伸
E
剪切 G
其中，E：弹性模量， G：剪切模量
特性：可逆的 reversible，通常应变很小（ < 1%）
100
1•10F3 Ī 1Ī
01ī
1ī Ī
10 ī
11Ī
(11ī)[101] + (111)[10ī] + (11ī)[011] + (111)[01ī]
21
作业： 3 －1 3－2 3－3 3－5 3 －7
22
3、表面形貌（morphology）
二者都会在样品表面形成台阶 滑移：滑移带，台阶之间距离大 孪生：孪生台阶之间的距离恰好是孪生面的晶面距 （~0.1nm） ，台阶高度都相等
17
三、Schmid定律的应用
F
• 启动的滑移系统：active slip system
• 如何确定哪个滑移系统首先启动？
F
• 发生滑移的条件：值最大的滑移系统 ＝c/
二、研究晶体塑性变形的途径和方法
1、宏观途径（力学、机械学的任务）
运用弹、塑性理论和断裂力学理论，建立应力－应 变关系和断裂准则（本构方程）
2、微观途径
微观模型、机理、显微结构与力学性能的关系
4
三、本章的主要内容
主要讨论单晶体的范性形变方式和规律，并简要 讨论多晶体的范性形变特点。
宏观上看，固体范性形变的基本方式很多，包括 伸长、缩短、弯曲、扭转以及各种复杂形变。
C：钢铁及所有BCC结构的金属 Ferrous metals
l lo
以C类为例，弹性变形－塑性变形－断裂
2
2、弹性变形（Elastic Deformation）
虎克定律（Hook’s law）： 拉伸
E
剪切 G
其中，E：弹性模量， G：剪切模量
特性：可逆的 reversible，通常应变很小（ < 1%）
100
1•10F3 Ī 1Ī
01ī
1ī Ī
10 ī
11Ī
(11ī)[101] + (111)[10ī] + (11ī)[011] + (111)[01ī]
21
作业： 3 －1 3－2 3－3 3－5 3 －7
22
3、表面形貌（morphology）
二者都会在样品表面形成台阶 滑移：滑移带，台阶之间距离大 孪生：孪生台阶之间的距离恰好是孪生面的晶面距 （~0.1nm） ，台阶高度都相等
17
三、Schmid定律的应用
F
• 启动的滑移系统：active slip system
• 如何确定哪个滑移系统首先启动？
F
• 发生滑移的条件：值最大的滑移系统 ＝c/
材料科学基础第三章滑移时参考方向和参考面的变化
A
a
(a
b )n
A a (1 2 coso coso 2 cos2 o )
根据体积不变的原理：AL = al
L al
l
A
(1 2 cos o coso 2 cos2 o ) 13
(3) 用初始 l 和瞬时的、来表示长度的变化：
•
拉伸：
L
l
(l
n)b
n
L cos
l coso
n
－滑移面法线的单位向量
OC
X
滑移前后参考方向的变化公式：
D d (d n)b
当
d n
移面时，滑移前后不变。
2
二、参考面的变化
平面的表示法：
方位－－法线方向上的向量
面积－－向量的长 度 a d1 d2
d2
a
d1
滑移前后参考面的变化：
[2 1 5] [0 1 1] [211] [001] [1 1 1] [1 1 0]
Īī1 0ī1 1ī1
1ī0
Ī01
•F
001
Ī11 011
111
101
Ī10
010
100
110
Ī1Ī
01ī
1īĪ
10ī
11Ī
交点为 [211][1 1 0] [1 1 3]
23
解答： (4) 发生双滑移时的转动规律和转轴 双滑移系统：(0ī1)[ī11]＋(ī01)[1ī1]的连线上
(1īī)[101]
Īī1
Ī01
Ī11
0ī1
001
011
1ī1
101
• F’’• F
1ī0
F’ 100
111 Ī10
材料科学基础第三章
• 从纯金属冷却曲线可以看出：金属从液态 冷却到理论凝固温度(熔点)Tm时并不凝固， 而是再降至实际开始结晶温度Tn时才开始 结晶；随后温度回升到接近Tm时出现恒温 结晶(曲线平台)，结晶终止后温度继续下降。
• 曲线出现“平台”，是金属液固转变所释 放的潜热与系统散热量相等的结果。
• 在“平台”温度下，液固相不平衡，所以 “平台”温度不是熔点但相差不大。
• 如果只有一粒晶核长大，则由这一粒晶核 长大的金属就是一块金属单晶体。
• 3.1.2 金属结晶的宏观现象
• 金属结晶伴随着一系列宏观特征的改变， 如结晶潜热的释放，融化熵的变化等。研 究这些宏观特征的变化是研究金属结晶过 程的重要手段。
• 3.1.2.1 冷却曲线与金属结晶温度：用热分 析装置将金属融化后缓慢降温，每隔一定 时间记录一次温度，绘制成温度-时间关系 曲线，称为冷却曲线。这种测定冷却曲线 的方法叫热分析法。
金属中，表面能可用表面张力表示。当晶 核稳定时，有：
• σLW=σSW+σSLcosθ
(3-15)
• 形成一个晶核时，总自由能的变化为：
ΔG’=-ΔGBV+ΣσAi
(3-16)
• 晶核体积(球冠体积)为：
• VS=πr3(2-3cosθ+cos3θ)/3
(3-17)
• (VS=πh2(r-h/3), h=r(1-cosθ))
核功越小。
• 在过冷液相中，均匀形核依靠结构起伏形 成大于临界晶核的晶胚；再从能量起伏中
获得形核功形成稳定的晶核。结构起伏和 能量起伏是均匀形核的必要条件。
• 临 但界 晶晶胚核的半最径大尺rk随寸过rm冷ax却度随ΔT过增冷加度而的减增小加；而 增加。如图所示：两条曲线的交点为均匀 形核的临界过冷度ΔT*。当系统过冷度 ΔT<ΔT*时，
材料科学基础 第三章
山 3.混合位错 3.混合位错 东 科 技 大 学
材 料 学 院
滑移矢量既不垂直于位错线也不平行于位错线—一条曲线
一、位错的基本类型和特征
山 东 科 技 大 学
材 料 学 院
一、位错的基本类型和特征
山 东 科 技 大 学
位错的性质： 位错的性质： （1）形状：不一定是直线，位错及其畸变区是一条管道。 （2）是已滑移区和未滑移区的边界。 （3）不能中断于晶体内部。可在表面露头，或终止于晶界和相界， 或与其它位错相交，或自行封闭成环。
山 东 科 技 大 学
1.线缺陷： 1.线缺陷：在三维空间的一个方向上的尺寸很大(晶粒数量级)，另外 线缺陷 两个方向上的尺寸很小(原子尺寸大小)的晶体缺陷。 2.意义： 2.意义：（对材料的力学行为如塑性变形、强度、断裂等起着决定性 意义 的作用，对材料的扩散、相变过程有较大影响。） 3.位错的提出： 3.位错的提出：1926年，弗兰克尔发现理论晶体模型刚性切变强度与与 位错的提出 实测临界切应力的巨大差异（2～4个数量级）。 1934年，泰勒、波朗依、奥罗万几乎同时提出位错的概念。 1939年，柏格斯提出用柏氏矢量表征位错。 1947年，柯垂耳提出溶质原子与位错的交互作用。 1950年，弗兰克和瑞德同时提出位错增殖机制。之后，用TEM直接观察 到了晶体中的位错。
机分布，大量晶粒的综合作用， 整个材料宏观上不出现各向异 性，这个现象称为多晶体的伪 各向同性。
材 料 学 院
维纳斯“无臂”之美深入人 心
晶体缺陷赋予材料丰富内容
第3章 晶体缺陷
山 东 晶体中的缺陷概论 科 （corncob） 技 晶体缺陷：在每个晶粒的内部，原子并不是完全呈现周期性的规 大 则重复的排列。把实际晶体中原子排列与理想晶体的差别称为晶体 学 缺陷。
材料科学基础 第三章
第三章 金属与陶瓷的结构一、学习目的材料的结构问题需分层次认识，第一层次是原子核外电子的排布即电子组态和电子构型；第二层次是原子与原子之间的排列位置与相互作用即晶体结构；第三层次是晶相、玻璃相的分布、大小、形状等即显微结构。
固态物质按照原子间（或分子）的聚集状态可以分为晶体和非晶体，在金属与陶瓷中，这两种状态都存在，并且以晶体为主。
在掌握了原子结构与化学键基础上，学习晶体结构基础知识，掌握固体中原子与原子之间的排列关系，对认识和理解材料性能至关重要。
二、本章主要内容在结晶性固体中，材料的许多性能依赖于内部原子的排列，因此，必须掌握晶体特征和描述方法。
本章从微观层次出发，介绍了金属、陶瓷材料的结构特点，介绍了结晶学的基础知识。
主要内容包括：1、 晶体和晶胞晶体：是原子、离子或分子按照一定的空间结构排列所组成的固体，其质点在空间的分布具有周期性和对称性。
晶胞：是从晶体结构中取出的能够反映晶体周期性和对程性的重复单元。
2、 金属的晶体结构金属原子之间靠金属键结合形成的晶体为金属晶体。
金属晶体的三种类型和特征为：面心立方晶体：晶胞中八个角上各有一个原子，六个面中心各有一个原子，角上的原子为临近8个晶胞所共有，每个面中心原子为2个晶胞所共有。
晶胞的原子数为4。
晶胞长度a （晶胞参数a=b=c ）与原子半径R 之间的关系为：2a =晶胞中原子堆积系数（晶胞中原子体积与晶胞体积的比值）APF=0.74. 体心立方晶体：晶胞中八个角上各有一个原子，晶胞的中心有一个原子，角上的原子为临近8个晶胞所共有，所以，体心立方晶胞中的原子数为2。
晶胞长度a （晶胞参数a=b=c ）与原子半径R 之间的关系为：a =晶胞中原子堆积系数APF=0.68.密排六方晶体：由两个简单六方晶胞穿插而成。
形状为八面体，上下两个面为六角形，六个侧面为长方形。
密排六方的晶胞参数有两个，a 为正六边形的边长，c 为上下底面的间距（晶胞高度）。
材料科学基础第三章多晶体的范性形变
• 弯曲：Bending
金属弯曲后，在伸长的一侧残留 压应力，在压缩侧残留拉应力
总之，形变量较小（或受压）的部分，最终受残留张应力 形变量较大（或受拉）的部分，最终受残留压应力 17
微观内应力 Bauschinger effect (包辛格效应) 预加应力会降低随后的反向加载屈服应力 不均匀冷却引起的内应力
• 微观内应力－－晶粒或晶胞范围内产生的内应力（微观 范围内）
15
4、例子－－宏观内应力 例：金属圆棒的弯曲试验
16
宏观内应力：
• 轧制：Roll compaction
轧材表面层形变（延伸）量大 于内部时，表面残留压应力，内部 残留拉应力。
• 挤制：Extrusion
金属丝在挤制（拔丝）时，外 圆形变量小于心部，外圆残留张应 力，内部残留压应力。
d-1/2
Hall-Petch公式：
ys
o
k
d
1 2
解释：晶粒度主要影响了晶界的数量和体积，晶界效应
7
3、晶界在多晶体范性形变中的作用
3) 促进作用 Induce deformation
高温下，晶界滑动 晶界迁移
A
A
A
1
2
O
B
3
C
A A’
1
2OO’B源自3CC’A
1
2
O
O’
B
3
C
B’
C’
1
2
1
2
O
O
§3-10 多晶体的范性形变（I）
－－基本特征
一、单晶和多晶（Single crystal and polycrystal） 1、定义：
单晶－－晶体中的取向（晶向和晶面）在各处是一致的。 多晶－－晶体中的取向（晶向和晶面）在各处是混乱分布的。
金属弯曲后，在伸长的一侧残留 压应力，在压缩侧残留拉应力
总之，形变量较小（或受压）的部分，最终受残留张应力 形变量较大（或受拉）的部分，最终受残留压应力 17
微观内应力 Bauschinger effect (包辛格效应) 预加应力会降低随后的反向加载屈服应力 不均匀冷却引起的内应力
• 微观内应力－－晶粒或晶胞范围内产生的内应力（微观 范围内）
15
4、例子－－宏观内应力 例：金属圆棒的弯曲试验
16
宏观内应力：
• 轧制：Roll compaction
轧材表面层形变（延伸）量大 于内部时，表面残留压应力，内部 残留拉应力。
• 挤制：Extrusion
金属丝在挤制（拔丝）时，外 圆形变量小于心部，外圆残留张应 力，内部残留压应力。
d-1/2
Hall-Petch公式：
ys
o
k
d
1 2
解释：晶粒度主要影响了晶界的数量和体积，晶界效应
7
3、晶界在多晶体范性形变中的作用
3) 促进作用 Induce deformation
高温下，晶界滑动 晶界迁移
A
A
A
1
2
O
B
3
C
A A’
1
2OO’B源自3CC’A
1
2
O
O’
B
3
C
B’
C’
1
2
1
2
O
O
§3-10 多晶体的范性形变（I）
－－基本特征
一、单晶和多晶（Single crystal and polycrystal） 1、定义：
单晶－－晶体中的取向（晶向和晶面）在各处是一致的。 多晶－－晶体中的取向（晶向和晶面）在各处是混乱分布的。
- 1、下载文档前请自行甄别文档内容的完整性，平台不提供额外的编辑、内容补充、找答案等附加服务。
- 2、"仅部分预览"的文档,不可在线预览部分如存在完整性等问题,可反馈申请退款(可完整预览的文档不适用该条件!)。
- 3、如文档侵犯您的权益，请联系客服反馈,我们会尽快为您处理(人工客服工作时间：9:00-18:30)。
（D）|b|
2
9.刃型位错滑移时产生滑移量与伯氏矢量b的关系为（ ） （A）b2； （B）b1/2； （C）|b| ； （D）|b| 2
10. 刃型位错在正应力作用下可以进行（ ） （A）滑移；（B）交叉滑移；（C）攀移； （D）交叉攀移 11. 材料的强度与位错密度的关系是（ ） （A）强度与位错密度成正比； （B）强度与位错密度成反比； （C）低的位错密度和高的位错密度都可以使材料强度提高； （D）低的位错密度和低的位错密度都可以使材料强度提高 12. 在面心立方晶体中当位错b1=a/2[-101]，b2=a/6[-211]， b3=a/6[-1-12]时，能否合发生b1→b2 + b3? 13. 关于刃型位错下列说法正确的是（ ） （A）在正应力作用下沿滑移面进行滑移； （B）运动方向与位错伯氏矢量相同； （C）伯氏矢量与位错线平行； （D）位错运动可以在任意晶面进行
第三章
1. 位错属于（ ）
（A）点体缺陷；
2. 晶界属于（ ）
（A）点缺陷； （C）面缺陷； 3. 原子空位属于（ ） （A）点缺陷； （B）线缺陷； （B）线缺陷； （D）体缺陷；
（C）面缺陷；
（D）体缺陷；
4. 原子迁移到晶体表面而使晶体内部留下空位 所形成的缺陷是（ ） （A）佛伦克尔缺陷； （B）肖特基缺陷； （C）间隙原子缺陷； （D）自由空位缺陷
28. 大角度晶界是相邻两晶粒的位相差 （a. 小于10°；b. 大于10°；c. 等于10°）的晶界，它的晶界能与小角度晶界 相比 （a. 较大；b. 较小；c. 相当）。具有最低界面能的 界面是 （a. 非共格界面；b. 半共格界面；c. 共格界面） 29. 亚晶界属于（ ） （A）小角晶界； （C）CSL点阵；
5. 指出下列晶格中 缺陷的类型
1-大的置换原子
2-肖脱基空位 3-异类间隙原子 4-复合空位 5-弗兰克尔空位 6-小的置换原子
6.下列说法正确的是（ ） （A）在一般的晶体中间隙原子的形成能较小； （B）在同一温度下，晶体中间隙原子的平衡浓度要比空位 的平衡浓度低得多； （C）在通常情况下，相对于间隙原子，空位可以忽略不计； （D）在一般的晶体中空位和间隙原子基本相等。 7. 位错的模 |b| 表示（ ） （A）位错能量；（B）位错强度； （C）位错能量和强度；（D）位错方向 8.位错强度可用伯氏矢量b的（ ）来表示 （A）b2； （B）b1/2； （C）|b| ；
24. 最稳定的位错是（ （A）单位位错； （C）全位错；
） （B）不全位错； （D）部分为错
25.面心立方晶体中单位位错的伯氏矢量为（ ） （A）a/2<110>； （B）a/2<111>； （C）a<100>； （D）a/2<100>
26.体心立方晶体中单位位错的伯氏矢量为（ ） （A）a/2<110>； （B）a/2<111>； （C）a<100>； （D）a/2<100> 27.界面能最低的界面是（ ） （A）共格界面； （B）半共格界面； （C）非共格界面； （D）混合界面
14. 关于螺型位错下列说法正确的是（ ） （A）在正应力作用下沿滑移面进行滑移； （B）运动方向与位错伯氏矢量相同； （C）伯氏矢量与位错线垂直； （D）位错运动可以在任意晶面进行 15. 攀移可以在下列位错中进行的是（ ） （A）刃形位错； （B）混合位错； （C）右螺型位错； （D）左螺型位错 16. 交滑移可以在下列位错中进行的是（ ） （A）正刃形位错； （B）负刃形位错； （C）螺型位错； （D）混合位错
（B）大角晶界； （D）混合界面
30. 属于大角晶界的是（ ） （A）对称倾斜晶界； （B）不对称倾斜晶界；
（C）扭转晶界；
（D）重合点阵晶界
21. 关于刃型位错形成的割接和扭折说法正确的都是（ ） （A）割接属于刃形位错，扭折属于螺型位错； （B）割接属于螺型位错，扭折属于刃形位错； （C）割接和扭折均属于刃形位错； （D）割接和扭折均属于螺型位错 22. 两个伯氏矢量相互垂直的刃形位错发生交割作用会产生___ （ a. 割接；b.扭折），属于___ （ a. 螺形位错；b.刃型位 错）；两个伯氏矢量相互平行的刃形位错发生交割作用会产 生___ （ a. 割接；b.扭折），属于___ （ a. 螺形位错；b. 刃型位错）。 23. 伯氏矢量为b的位错在受到力的作用时其单位长度上的力为 （ ） （A）与切应力成正比； （B）与切应力成反比； （C）与切应力相等； （D）与切应力无关
16. 在晶体中位错环属于右螺型位错的点是（ ） （A）A点； （B） B点； （C）C点； （D） D点
17. 上题中，在足够大的切应力作用下位错环将（ ） （A）径向不断向外扩张； （B）径向不断向内缩小； （C）径向忽大忽小变化； （D） 不能确定
18. 刃形位错形成的割接属于（ ） （A）刃形位错； （B） 螺型位错； （C）混合位错； （D） 无法确定 19. 刃形位错形成的扭折属于（ ） （A）刃形位错； （B） 螺型位错； （C）混合位错； （D） 无法确定 20. 关于螺型位错形成的割接和扭折说法正确的都是（ ） （A）割接属于刃形位错，扭折属于螺型位错； （B）割接属于螺型位错，扭折属于刃形位错； （C）割接和扭折均属于刃形位错； （D）割接和扭折均属于螺型位错