《材料科学基础》教学教案
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《材料科学基础》教学教案导论
一、材料科学的重要地位
生产力发展水平,时代发展的标志
二、各种材料概况
金属材料
陶瓷材料
高分子材料
电子材料、光电子材料和超导材料
三、材料性能与内部结构的关系
原子结构、结合键、原子的排列方式、显微组织
四、材料的制备与加工工艺对性能的影响
五、材料科学的意义
第一章材料结构的基本知识
§1-1 原子结构
一、原子的电子排列
泡利不相容原理
最低能量原理
二、元素周期表及性能的周期性变化§1-2 原子结合键
一、一次键
1.离子键
2.共价键
3.金属键
二、二次键
1.范德瓦尔斯键
2.氢键
三、混合键
四、结合键的本质及原子间距
双原子模型
五、结合键与性能
§1-3 原子排列方式
一、晶体与非晶体
二、原子排列的研究方法
§1-4 晶体材料的组织
一、组织的显示与观察
二、单相组织
等轴晶、柱状晶
三、多相组织
§1-5 材料的稳态结构与亚稳态结构
稳态结构
亚稳态结构阿累尼乌斯方程
第二章材料中的晶体结构§ 2-1 晶体学基础
一、空间点阵和晶胞
空间点阵,阵点(结点)晶格、晶胞
坐标系
二、晶系和布拉菲点阵
7 个晶系
14 个布拉菲点阵
表2-1
三、晶向指数和晶面指数
1.晶向指数
确定方法,指数含义,负方向,晶向族2.晶面指数
确定方法,指数含义,负方向,晶向族3.六方晶系的晶向指数和晶面指数
确定方法,换算
4.晶面间距
密排面间距大
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:ABCABCAB—C—
密排六方:ABABA—B —
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一鲍林第一规则
配位多面体是离子晶体的真正结构基元
2.电价规则一鲍林第二规则
3.负离子多面体共用点、棱与面的规则一鲍林第三规则
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
F d二:b
五、位错密度
=SN
:二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= :Gb
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。