材料科学基础英文课件3
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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
材料科学基础英文版课件()
Principles of Fracture Mechanics (1)
Brittle fracture of normally ductile materials requires us to have a good understanding of the mechanisms of fracture. To do this, we need to know the knowledge of fracture mechanics Concerned with the relationship between material properties, stress level, crackproducing flaws, and crack propagation mechanisms
Ductile Fracture (1)
Features of ductile fracture
Moderately ductile Some deformation
Macroscopically
Highly ductile Considerable deformation
Necking down to Some necking a point
Kt
m o
2( a )1 2
t
Principles of Fracture Mechanics (3)
It is seen from the above that stress concentration occurs
Not only at microscopic flaws or cracks
Brittle Fracture (2)
Fracture surface markings for brittle fracture
【大学】材料科学基础(中英版)
Materials science and engineering
Materials science Materials engineering Relations between Materials science and engineering Four components of discipline of materials science and engineering
第9页
Course book
Textbook
《无机材料科学基础》，宋晓岚，黄学辉，化学工业出版社，2006 Fundamentals of Ceramics, Michel Barsoum, Institute of Physics, 2003
References
《材料导论》，师昌绪，化学工业出版社，2002 《材料科学基础》，陆佩文，武汉理工大学出版社， 1996 《材料科学基础》，潘金生，清华大学出版社，1998 《材料科学与工程基础》，（美）史密斯等，机械工业出版社，2006 Fundamentals of materials science and engineering. (fifth edition) William D.
第20页
材料科学与工程
什么是材料科学?
材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、 量子力学、冶金、化学为基础的应用学科，主要探讨材料的组成、结构与 性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。
什么是材料工程
材料工程是对材料的结构进行设计和处理，并制备出具有某些特定性质的 工艺即工程技术问题。
Instructor: Times Location: Purpose:
review lecture concepts discuss homework, quizzes exams
Materials science Materials engineering Relations between Materials science and engineering Four components of discipline of materials science and engineering
第9页
Course book
Textbook
《无机材料科学基础》，宋晓岚，黄学辉，化学工业出版社，2006 Fundamentals of Ceramics, Michel Barsoum, Institute of Physics, 2003
References
《材料导论》，师昌绪，化学工业出版社，2002 《材料科学基础》，陆佩文，武汉理工大学出版社， 1996 《材料科学基础》，潘金生，清华大学出版社，1998 《材料科学与工程基础》，（美）史密斯等，机械工业出版社，2006 Fundamentals of materials science and engineering. (fifth edition) William D.
第20页
材料科学与工程
什么是材料科学?
材料科学是一门以固体材料为研究对象，以固体物理、热力学、动力学、 量子力学、冶金、化学为基础的应用学科，主要探讨材料的组成、结构与 性能之间的规律的一门基础应用学科，是研究材料共性的一门学科。
什么是材料工程
材料工程是对材料的结构进行设计和处理，并制备出具有某些特定性质的 工艺即工程技术问题。
Instructor: Times Location: Purpose:
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材料科学基础英文版课件
Classification of grain boundary segregation
• Equilibrium segregation
– Thermodynamic process – Driving force: solute-boundary binding energy (the
difference in energy caused by a solute atom between staying in the grain interior and on the grain boundary
– One dislocation just has one b
– For metals, b normally points in a close-packed crystal direction and its magnitude is the interatomic spacing because the slip direction is normally in the close-packed direction
• To reduce the surface energy, the materials tend to minimize the total surface area
Grain Boundaries
In polycrystalline materials, a grain boundary is the boundary between two adjacent grains which have different orientations
Linear Defect – Dislocations
Features: one dimensional
3_《材料科学基础》第三章_晶体结构缺陷((上)
点缺陷（零维缺陷）--原子尺度的偏离.
按 缺
例：空位、间隙原子、杂质原子等
陷 线缺陷（一维缺陷）--原子行列的偏离.
的
例：位错等
几 何
面缺陷（二维缺陷）--表面、界面处原子排列混乱.
形
例：表面、晶界、堆积层错、镶嵌结构等
态 体缺陷（三维缺陷）--局部的三维空间偏离理想晶体的周期性
例：异相夹杂物、孔洞、亚结构等
1、 固溶体的分类
(1) 按杂质原子的位置分： 置换型固溶体—杂质原子进入晶格中正常结点位置而取代基
质中的原子。例MgO-CoO形成Mg1-xCoxO固溶体。 间隙型固溶体—杂质原子进入晶格中的间隙位置。
有时俩
(2)按杂质原子的固溶度x分： 无限（连续）固溶体—溶质和溶剂任意比例固溶(x=0~1)。
多相系统
均一单相系统
Compounds AmBn
原子间相互反应生成
均一单相系统
结构
各自有各自的结构
A structure
structure
+ B structure
结构与基质相同 A structure
结构既不同于A也不同于B New structure
化学计量 A/B
不定
固溶比例不定
m:n 整数比或接近整数比的一定范围内
四、固溶体Solid solution（杂质缺陷）
1、固溶体的分类 2、置换型固溶体 3、间隙型固溶体 4、形成固溶体后对晶体性质的影响 5、固溶体的研究方法
①固溶体：含有外来杂质原子的单一均匀的晶态固体。 例：MgO晶体中含有FeO杂质 → Mg1-xFexO
基质 溶剂 主晶相
杂质 溶质 掺杂剂
萤石CaF2(F-空位)
skja_03 Fundamentals of Crystallography 材料科学基础(英文课件)
2020/7/3
Seven Crystal Systems
Triclinic
Monoclinic
Orthorhombic Tetragonal Cubic Hexagonal Rhombohedral
a≠b≠c ，α≠β≠γ≠90° a≠b≠c ， α＝β＝90°≠γ
α＝γ＝90°≠β a≠b≠c ，α＝β＝γ＝90° a＝b≠c ，α＝β＝γ＝90° a＝b＝c ，α＝β＝γ＝90° a＝b≠c ，α＝β＝90°γ＝120°
5. Draw a primitive cell for BCC lattice.
Thank you !
3
2020/7/3
We identify 14 types of unit cells, or Bravais lattices, grouped in seven crystal systems.
2020/7/3
Ⅰ.Seven crystal systems
All possible structure reduce to a small number of basic unit cell geometries. ① There are only seven, unique unit cell shapes that can be stacked together to fill three-dimensional. ② We must consider how atoms can be stacked together within a given unit cell.
120o
120o 120o
c
a ba
2020/7/3
Examples and Discussions
Seven Crystal Systems
Triclinic
Monoclinic
Orthorhombic Tetragonal Cubic Hexagonal Rhombohedral
a≠b≠c ，α≠β≠γ≠90° a≠b≠c ， α＝β＝90°≠γ
α＝γ＝90°≠β a≠b≠c ，α＝β＝γ＝90° a＝b≠c ，α＝β＝γ＝90° a＝b＝c ，α＝β＝γ＝90° a＝b≠c ，α＝β＝90°γ＝120°
5. Draw a primitive cell for BCC lattice.
Thank you !
3
2020/7/3
We identify 14 types of unit cells, or Bravais lattices, grouped in seven crystal systems.
2020/7/3
Ⅰ.Seven crystal systems
All possible structure reduce to a small number of basic unit cell geometries. ① There are only seven, unique unit cell shapes that can be stacked together to fill three-dimensional. ② We must consider how atoms can be stacked together within a given unit cell.
120o
120o 120o
c
a ba
2020/7/3
Examples and Discussions
材料科学基础(英)3-合金相图
6
3.1 Phases constituent of alloys （合金相结构） (types of microstructure in alloys)
•为两类： • 固溶体 • 中间相
7
3.1.1 Solid solution （固溶体）
A100 x Bx e/a 100
式中 A ， B 分别为溶剂和溶质的原子价， x 为溶质的原子 数分数 ( ％) 。固溶体的极限电子浓度为 1.4。超过此值时， 固溶体就不稳定而要形成另外的相
20
21
In interstitial solutions （间隙固溶体） the solute atoms fit into the spaces between the solvent atoms. These spaces are called interstice. Interstitial solid solution can form when one atom is much larger than another. Examples of atoms that can form interstitial solid solutions due to their small size are: hydrogen, carbon, nitrogen, and oxygen. Interstitial solutions are limited solid 22 solution.
间隙固溶体的溶解度与溶质原子的大小有关，还与溶剂晶 体结构中间隙的形状和大小等因素有关。
• C溶于铁形成间隙固溶体。 • C在α-Fe中的溶解度为0.02%，而在γ-Fe 中溶解度却为2.11%。 • γ-Fe为面心立方结构具有较大的八面体间 隙（ri=0.535nm） • α-Fe为体心立方结构，具有较大的四面 体间隙（ri=0.364nm）
3.1 Phases constituent of alloys （合金相结构） (types of microstructure in alloys)
•为两类： • 固溶体 • 中间相
7
3.1.1 Solid solution （固溶体）
A100 x Bx e/a 100
式中 A ， B 分别为溶剂和溶质的原子价， x 为溶质的原子 数分数 ( ％) 。固溶体的极限电子浓度为 1.4。超过此值时， 固溶体就不稳定而要形成另外的相
20
21
In interstitial solutions （间隙固溶体） the solute atoms fit into the spaces between the solvent atoms. These spaces are called interstice. Interstitial solid solution can form when one atom is much larger than another. Examples of atoms that can form interstitial solid solutions due to their small size are: hydrogen, carbon, nitrogen, and oxygen. Interstitial solutions are limited solid 22 solution.
间隙固溶体的溶解度与溶质原子的大小有关，还与溶剂晶 体结构中间隙的形状和大小等因素有关。
• C溶于铁形成间隙固溶体。 • C在α-Fe中的溶解度为0.02%，而在γ-Fe 中溶解度却为2.11%。 • γ-Fe为面心立方结构具有较大的八面体间 隙（ri=0.535nm） • α-Fe为体心立方结构，具有较大的四面 体间隙（ri=0.364nm）
材料科学基础双语课件
control the material properties (for example by altering the
grain structure, or the presence of defects in the atom
packing) or to fabricate the material into the desired shape.
extra material, joining parts (e.g., by soldering or welding),
forming (forging, rolling, bending, etc.), or compacting particles which are then fused together (sintering, used for
gases (and most engineering materials are used in solid
form).
1.1 What is Materials Science and Engineering?
It may seem abstract and remote from real engineering to
The Science and Engineering of Materials
Aim
English atmosphere: speaking, reading, writing and lisห้องสมุดไป่ตู้ening; Specialty vocabulary; Specialty knowledge;
form. As this mixture solidifies, different structures form as a function of temperature. The phase diagrams that provide
grain structure, or the presence of defects in the atom
packing) or to fabricate the material into the desired shape.
extra material, joining parts (e.g., by soldering or welding),
forming (forging, rolling, bending, etc.), or compacting particles which are then fused together (sintering, used for
gases (and most engineering materials are used in solid
form).
1.1 What is Materials Science and Engineering?
It may seem abstract and remote from real engineering to
The Science and Engineering of Materials
Aim
English atmosphere: speaking, reading, writing and lisห้องสมุดไป่ตู้ening; Specialty vocabulary; Specialty knowledge;
form. As this mixture solidifies, different structures form as a function of temperature. The phase diagrams that provide
材料科学基础英文版课件（ＰＤＦ）
Law • Steady State: the concentration profile doesn't
change with time.
Steady State:
J x(left)
J x(right) J x(left) = J x(right)
x
Concentration, C, in the box doesn’t change w/time.
Non Steady State Diffusion
• Concentration profile,
dx
C(x), changes with time. J (left)
J (right)
• To conserve matter:
J (right)
− J (left)
=
dC −
dx
dt
dJ = − dC
ΔJ y
=
− ∂J y ∂y
dxdydzδt
ΔJ z
= − ∂J z ∂z
dxdydzδt
对整个元体积：
−
⎜⎜⎝⎛
∂J x ∂x
+
∂J y ∂y
+
∂J z ∂z
⎟⎟⎠⎞dxdydzδt
若 δt 时间内粒子浓度变化δc ，则在dxdydz
元体积中粒子变化为
δcdxdydz
∴ ∂c ∂t
=
−⎜⎜⎝⎛
∂J x ∂x
Fick’s Second Law
δt 时间内沿x方向扩散
元体积dxdydz
流入的粒子数： J x dydzδt
流出的粒子数：
(J x
+
∂J x ∂x
dx)dydzδt
[课件]材料科学基础 第三章晶体缺陷PPT
![[课件]材料科学基础 第三章晶体缺陷PPT](https://img.taocdn.com/s3/m/6fa4603c10a6f524ccbf8577.png)
2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
11
b. 螺型位错 screw dislocation
位错线bb’：已滑移区和未滑移区的边界线
特征：
1）无额外半原子面， 原子错排是轴对称的 2）分左螺旋位错，符合左手法则；右螺旋位错 ，符合右手法则 3）位错线与滑移矢量平行，且为直线，位错线的运动方向与滑移矢量垂直 4）凡是以螺型位错线为晶带轴的晶带 所有晶面都可以为滑移面。 5) 点阵畸变引起平行于位错线的切应变，无正应变。 6）螺型位错是包含几个原子宽度的线缺陷。
2018/12/13 《材料科学基础》CAI课件-李克 9
3.2.1 位错的基本类型和特征
根据几何结构特征： a. 刃型位错 edge dislocation
b. 螺型位错 screw dislocation
2018/12/13
《材料科学基础》CAI课件-李克
10
a. 刃型位错 edge dislocation
材料科学基础 第三章_晶体缺 陷
第三章 晶体缺陷
Imperfections (defects) in Crystals
It is the defects that makes materials so interesting, just like the human being.
Defects are at the heart of materials science.
1、点缺陷的形成 （production of point defects)
原因：热运动：热振动强度是温度的函数 能量起伏=〉原子脱离原来的平衡位置而迁移别处 Schottky 空位，-〉晶体表面 =〉空位(vacancy)
chapter-3-1(材料科学基础)
• 相：合金中具有同一聚集状态、同一结构和性质的均匀组成 部分。 • 大多数合金的组元在液态下能相互溶解，成为均匀的液体， 因此只具有一个液相。 • 在凝固以后，由于各组元之间相互作用不同，在固态合金中 可能会出现不同的相结构。 • 根据合金中元素之间相互作用的不同，合金中的相基本上可 以分为两类：固溶体和金属间化合物。 固溶体：solid solution 置换式： 间隙式：
硬度和强度低，但塑性和韧性好。 奥氏体 (A: austenite)： 碳溶解在-铁中的间隙固溶体， -铁是面心立 方结构，碳在-铁中的溶解度比在-铁中大，C%2.11%（1148℃） 塑性和可锻性好。 渗碳体（cementite）：铁和碳以稳定化合物形态Fe3C出现的碳化铁,含 碳量为6.67％，晶体结构很复杂。熔点高，硬度高，塑性和冲击韧性 几乎为零，脆性极大。
(2)
(3)
(4)
马氏体 （Martensite）：钢和铁从高温奥氏体状态急冷 （淬火），得到碳在铁中的过饱和固溶体，称为马氏 体。马氏体和奥氏体具有同样的化学成分。在马氏体转 变过程中，只发生铁的晶格重构，由面心立方晶格变成 体心立方晶格。马氏体是非平衡组织，具有很高的硬度 和强度。
(5) 珠光体 （P: pearlitic) 铁素体和渗碳体二者组成的机械 混合物； (6) 莱氏体（Le）：奥氏体和渗碳体的共晶混合物（机械混 合物）；
补充：
吸热合金Ni-Cu 放热合金Pd-Ag 通过测定Ni和Pd在形成合金前后的d带空穴数，可以推测 这两种合金不同的结构方式：前者以Ni-Ni和Cu-Cu为主，Ni 的d带空穴数没明显变化；后者以Pd-Ag为主，Pd的d带空穴 数有很大变化。 电子化合物一般具有很高的熔点和硬度，并有导电性
Interstitial compound C 间隙化合物：
skja_06CrystallographicFormulas材料科学基础英文课件
(u1a)2 (v1b)2 (w1c)2 (u2a)2 (v2b)2 (w2c)2
For hexagonal: cos
u1u2
v1v2
w1w2
(
c a
)2
1 2
(u1v2
u2v1)
u12
v12
w12
(
c a
)2
u1v1
u22
v22
w22
(
c a
)2
u2v2
10. The volume of unit cells V
材料科学基础
Fundamental of Materials
Prof: Tian Min Bo
Tel: 62795426 ，62772851 E-mail: tmb@ Department of Material Science and Engineering Tsinghua University. Beijing 100084
For hexagonal crystals:
1 d2
4 3
h2
hk a2
k2
l2 c2
7. The length of [u v w]
L[uvw] (ua )2 (vb )2 (wc )2 2vwbccos 2uwac cos 2uvabcos
For cubic: L[uvw] a u2 v2 w2
For simple cubic (001) aaaa…… (110) abab……
shift 1 [1 10], along [1 10] 2
This sequence is called the stacking order
Ⅱ.Comparison of stacking mode of HCP and FCC
材料科学基础-材料的亚稳态(3)
材料的亚稳态（3）
马氏体转变
马氏体转变是一类无扩散型的固态相变，马氏体为亚稳相。 将钢加热至奥氏体后快速淬火，所形成的高硬度的针片状组织。
转变特点: (1)无扩散性 (2)切变共格与表面浮凸 (3)惯习面及位向关系 (4)转变是在一个温度范围内进行的 (5)转变不完全
马氏体转变
性能:高强度、高硬度 相变强化 固溶强化 细晶强化
钢的化学成分对马氏体点的影响 变温马氏体相变，与温度有关，瞬间（几分 之一秒内）剧烈地 形成大量马氏体，有的高达70%M。
高镍钢中马氏体等温转变曲线（Ni: 23wt％） 等温马氏体转变：FeNiMn, FeNiCr, CuAu, CoPt
马氏体转变动点测量
❖ 膨胀法：利用母相与马氏体之间比容的不同 ❖ 电阻法：利用两相间电容的不同 ❖ 磁性法：奥氏体不具有铁磁性，马氏体具有铁磁性。只可用于钢
高碳马氏体
球墨铸铁淬火 G球+M+Aˊ
低碳马氏体
15钢淬火组织 M低
应力（磁、电）驱动的马氏体相变
形状记忆效应和形状记忆合金
在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状， 这种现象叫做形状记忆效应（SME）。 具有形状记忆效应的金属，称为形状记忆合金（SMA）。
形状记忆合金可以分为三种 （1）单程记忆效应 形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这 种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
马氏体片形成时产生的浮凸示意图
不变平面应变
❖ 倾动面一直保持为平面
马氏体转变
马氏体转变是一类无扩散型的固态相变，马氏体为亚稳相。 将钢加热至奥氏体后快速淬火，所形成的高硬度的针片状组织。
转变特点: (1)无扩散性 (2)切变共格与表面浮凸 (3)惯习面及位向关系 (4)转变是在一个温度范围内进行的 (5)转变不完全
马氏体转变
性能:高强度、高硬度 相变强化 固溶强化 细晶强化
钢的化学成分对马氏体点的影响 变温马氏体相变，与温度有关，瞬间（几分 之一秒内）剧烈地 形成大量马氏体，有的高达70%M。
高镍钢中马氏体等温转变曲线（Ni: 23wt％） 等温马氏体转变：FeNiMn, FeNiCr, CuAu, CoPt
马氏体转变动点测量
❖ 膨胀法：利用母相与马氏体之间比容的不同 ❖ 电阻法：利用两相间电容的不同 ❖ 磁性法：奥氏体不具有铁磁性，马氏体具有铁磁性。只可用于钢
高碳马氏体
球墨铸铁淬火 G球+M+Aˊ
低碳马氏体
15钢淬火组织 M低
应力（磁、电）驱动的马氏体相变
形状记忆效应和形状记忆合金
在发生了塑性变形后，经过合适的热过程，能够回复到变形前的形状， 这种现象叫做形状记忆效应（SME）。 具有形状记忆效应的金属，称为形状记忆合金（SMA）。
形状记忆合金可以分为三种 （1）单程记忆效应 形状记忆合金在较低的温度下变形，加热后可恢复变形前的形状，这 种只在加热过程中存在的形状记忆现象称为单程记忆效应。
Smith W F. Foundations of Materials Science and Engineering. McGRAW.HILL.3/E
马氏体片形成时产生的浮凸示意图
不变平面应变
❖ 倾动面一直保持为平面
材料科学基础-第3章
液相的宏观流动会增加形核率； 强电场或强磁场能增加形核率。
第3章 凝固原理
§3.4晶核的长大
晶体长大条件： 1. 液相中原子不断向晶体扩散提供原子 （有足够高的温度） 2. 晶体表面能不断而牢固地接纳原子 （固液界面结构、温度分布、散热方 向等）。
§3.4.2 液-固界面的微观结构
3.3.1.1 晶胚形成时能量的变化 体积自由能△GV 降低（结晶驱动力） 表面自由能△GS 升高（结晶阻力）
设 晶胚为球形，半径为r，表面积为 S，体积为V，过冷液体中出现一个 晶胚时的总的自由能变化（△G）： △ G ＝ △ G V+ △ G S = V△Gv+σS = (4/3)πr3△Gv+4πr2σ r＝rc时,△G最大; r<rc时,晶胚不稳定，难以长大，最终熔化而消失; r>rc时,晶胚成为稳定的晶核。
§3.3.1 均匀形核
3.3.1.3 形核功 临界形核功(A)：形成临界晶核时需额外对形核所做的功。
rk 2 Tm 1 2 GV Lm T
A Gmax
1 16 3Tm2 1 S 2 3 3Lm T 2
由于N受N1.N2 两个因素控制， 形核率与过冷度 之间是呈抛物线 的关系。
§3.3.1 均匀形核
3.3.1.4 形核率（N）
纯金属均匀形核的有效过冷度为： △Tp=0.2Tm (绝对温度)
第3章 凝固原理
非均匀形核
第3章 凝固原理
液固界面的微观结构
光滑界面
粗糙界面 从原子尺度 观察，这种界 面是粗糙的，又称 为非小平面界面
从原子尺度观 察，这种界面是 光滑平整的。 通常为密排晶面
skja_26 Diffusion in Solids 材料科学基础(英文课件)
0t0 , t1来自t2 t增加r2 r1
r1
r2 r
2020/10/25
Application to crystallization at initial stage.
d d m t 4 π D (C o r 2 C r 1 L )r 1 r 2 4 π r 1 2 D (C o r 1 C L )
C t D2 xC 2 2 yC 22 zC 2D2C
1. In Cartesian coordination system
C (D C )(D C )(D C ) t x x y y z z ifD con s C tt .D ( 2 xC 2 2 yC 2 2 zC 2)
2020/10/25
0
r 2 C 0 r
ca b r
c1
a r1
b
c2
a r2
b
a
(C2 r2
C1 r1
)r1r2
d d m t D d d C rA D 4 r 2 d d C r 4 D (C r 2 2 C r 1 1 )r 1 r 2
2020/10/25
T
T0
AC C 0
B
C
C C C0 C
dm(4r12dr1)(CL
CL)
4r12D(C
CL r1
)dt
(CL
CL)dr1
D(CL C r1
)dt
r12
2D( CL C )t CL CL
2020/10/25
Example
A 0.05cm layer of MgO is deposited between layers of Ni and Ta to provide a diffusion barrier that prevents reactions between the two metals. At 1400℃, Ni ions are created and diffuse through the MgO ceramic to the Ta. Determine the number of nickel ions that pass through the MgO per second. The diffusion coefficient of Ni ions in MgO is 9×10-12cm2/s, and the lattice parameter of nickel at 1400℃ is 3.6×10-8cm.
材料科学基础-第3章凝固原理
材料科学基础
–
Chapter 3 – Principles of Solidification 凝固原理
Chapter Outline
3.1 金属结晶的条件和一般过程 3.2 晶核的形成(Nucleation) 3.3 晶体的长大(Growth) 3.4 晶粒大小及其控制
物质从液态到固态的转变过程，叫做凝固。凝固主要是 指物质状态的变化，并不考虑固态的结构。只有物质从液 态转变为具有晶体结构的固态的过程，才叫做结晶。广义 的结晶概念，是指物质从一种原子排列状态过渡到另一种 规则排列状态的转变过程。它包括液态的结晶和固态金属 （晶态或非晶态）向另一种晶体结构的转变。前者称为一 次结晶，后者称为二次结晶或重结晶。它们都属相变过程。
3.2.1 均匀形核
3.形核功（Critical nucleation power）
能够形成临界晶核所需要的最小自由能增量——形核功ΔGc。
当r=rc时，ΔG=ΔGc，则
163
Gc3Gv2
163Lm 3T 2m21T2
ΔT越大， ΔGc越小。由于原子的热运动会引起能量起伏，晶内 所有原子的能量起伏，会使局部区域的能量达到形核功的水平，
Solid-state phase transformation - A change in phase that occurs in the solid state.
Rapid solidification processing - Producing unique material structures by promoting unusually high cooling rates during solidification.
造成形核的条件。临界晶核的总表面积Ac=4πrc2
–
Chapter 3 – Principles of Solidification 凝固原理
Chapter Outline
3.1 金属结晶的条件和一般过程 3.2 晶核的形成(Nucleation) 3.3 晶体的长大(Growth) 3.4 晶粒大小及其控制
物质从液态到固态的转变过程，叫做凝固。凝固主要是 指物质状态的变化，并不考虑固态的结构。只有物质从液 态转变为具有晶体结构的固态的过程，才叫做结晶。广义 的结晶概念，是指物质从一种原子排列状态过渡到另一种 规则排列状态的转变过程。它包括液态的结晶和固态金属 （晶态或非晶态）向另一种晶体结构的转变。前者称为一 次结晶，后者称为二次结晶或重结晶。它们都属相变过程。
3.2.1 均匀形核
3.形核功（Critical nucleation power）
能够形成临界晶核所需要的最小自由能增量——形核功ΔGc。
当r=rc时，ΔG=ΔGc，则
163
Gc3Gv2
163Lm 3T 2m21T2
ΔT越大， ΔGc越小。由于原子的热运动会引起能量起伏，晶内 所有原子的能量起伏，会使局部区域的能量达到形核功的水平，
Solid-state phase transformation - A change in phase that occurs in the solid state.
Rapid solidification processing - Producing unique material structures by promoting unusually high cooling rates during solidification.
造成形核的条件。临界晶核的总表面积Ac=4πrc2
材料科学基础英文版课件3.6
We could then use 2 values for any of the peaks to calculate the interplanar spacing and thus the lattice parameter. Picking peak 8: 2 = 59.42º or = 29.71º (400)
3/23/2013 4
0°
S
30°
90°
° 120
中南大学
材料科学与工程
ExampleDiffraction
The results of a XRD experiment using x-rays with = 0.7107 Å (a radiation obtained from molybdenum target) show that diffracted peaks occur at the 2 angles as shown in the table. Determine the crystal structure: the indices of the plane producing each peak the lattice parameter of the material
Peak 1 2 3 4 5 6 7 8
2
20.20 28.72 35.36 41.07 46.19 50.90 55.28 59.42
3/23/2013
5
中南大学
材料科学与工程
Example 3.20
2d sin a h2 k 2 l2
SOLUTION
a h2 k 2 l 2 ) sin
T2
a1
a2
fcc: 4 atoms per UC
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1
What will it happen with temperature Nanjing University of Technology
(a)(b)(c)(d)(e)Nanjing University of Technology
Crystal
Glass
arranged in different patterns
Nanjing University of Technology
V & Q
T m
V & Q changes associated with heating and cooling in systems susceptible to glass formation.
: melting temperature
It shows linear relation
Nanjing University of Technology13
melt
Cooling
down
=
TΔ
T
Nucleation
f(x,T) = exp(-x/T) function
Nanjing University of Technology
W(r
Metastable zone of undercooling: no stable nuclei form at these
T m shown above.
Kinetic Considerations
forth across the liquid/solid interface:
Time –Temperature –Transformation Curves (TTT)
Most favorable conditions for crystallization (and so least
Note: for smaller transformation volumes, t
Nanjing University of Technology67
Nanjing University of Technology
Structural Approach to Glass Formation Hence, local structure is disordered, but there
Nanjing University of Technology
form loose network. structures.
Pauling's packing rule: satisfies Zachariasen's
•
All Rules are Satisfied: SiO
Pauling's packing rule:•violates Zachariasen's rule #2.•
Rules are Not Satisfied: Na
modifying ions
Nonbridging Oxygens
glass forming ions Al O does not form a glass.
octahedral CN preferred in Al2O3 violates Zachariasen's rule #1.
aluminophosphate
Nanjing University of Technology Nanjing University of Technology
Nanjing University of Technology Nanjing University of Technology98
Glasses
Alkalis are structural modifiers:
Every alkali ion creates one
Every alkali oxide 'molecule'
Nanjing University of Technology103
Effects of Alkaline earth oxides
Y↓, O
b ↓, O
nb
↑, structure “open”, ion easy to transfer,
TEC ↑, σ↑, η↓
•T
g (B
2
O
3
) ~260ºC (2D-network)
•T
g (SiO
2
) ~1200ºC (3D-network)
What happens when alkali oxide is added to a borate glass?
added Fewer network bridging。