材料科学基础-张代东-吴润 课件ppt

• 5.晶粒大小的控制
N ZV 0.9 v
3
4
N Z S 1.1 v
1
2
2.4 金属铸锭的组织与缺陷。
• • • • 1.铸锭组织 表层细晶粒区 柱状晶粒区 中心等轴状晶粒区
• 2.铸锭组织的控制
• • • • •
3.铸锭中的缺陷 缩孔 疏松 气孔 夹杂物
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2.晶核长大机制 垂直长大机制 二Fra Baidu bibliotek长大机制 晶体缺陷长大机制
• 3.晶体生长的形态 • 正温度梯度条件下生长的界面形态 • 负温度梯度条件下生长的界面形态
• 4.晶体长大速度 • 晶体长大速度与界面微观结构、生长方式 等多种因素有关。一般光滑界面比粗糙界 面的长大速度要慢得多，光滑界面以二维 长大方式生长时长大速度最小，光滑界面 以螺型位错等缺陷台阶长大方式生长时次 之，粗糙界面以垂直长大方式生长时速度 最快。大多数金属晶体具有粗糙界面并以 枝晶方式长大，具有高的长大速度。
C
E f TSV Ef n exp( ) A exp( ) N kT kT
• • • •
2.点缺陷 点缺陷的类型 点缺陷的平衡浓度 点缺陷对金属性能的影响
E f TSV Ef n C exp( ) A exp( ) N kT kT
• • • • • •
•
• 金属材料的使用性能包括力学性能和物理 化学性能。金属材料的力学性能主要包括 强度、硬度、塑性、韧性等。金属材料的 物理化学性能主要包括密度、导电性、导 热性、膨胀系数、抗氧化性、耐腐蚀性等。 • 金属材料的加工工艺性能主要有切削加工 工艺性能、铸造加工工艺性能、锻造加工 工艺性能、焊接加工工艺性能和热处理加 工工艺性能等。
表3-3 钢中常见碳化物的硬度及熔点
间隙化合物 TaC 4150±140 1550 TiC 3410 2850 ZrC 380 5 284 0 VC 302 3 201 0 Cr23C6 1577 1650 Fe3C 1227 ≈800
表3-2 钢中常见的间隙相
钢中的间隙相 间隙相的化 学式 M4 X M2 X MX Fe4N、Mn4N
第1章 金属的晶体结构
• 【本章教学要点】
知识要点 掌握程度 相关知识
金属键
熟悉原子间结合键类型 及特点，重点掌握金属 键结合特点和金属特性
熟悉布拉菲点阵模型， 掌握典型金属晶体的表 征方法
元素及其原子结构，键合方式， 原子结合特性，金属键与金属 特性
空间点阵、晶胞、晶格常数， 14种布拉菲点阵，晶面指数、 晶向指数，典型金属晶体结构、 间隙
21世纪全国高等院校材料类创新型应用人才培养规划教材
前言
• 科学技术的进步为人类创造了巨大的物质财富和精神财富。能源、信息和材 料是现代科学技术进步的三大支柱产业，其中材料是科学技术发展的基础。 材料科学是研究材料的组织结构、性质、生产流程和使用效能，以及它们之 间相互关系的科学。材料科学的发展与人类社会的进步和发展密切相关，是 人类文明进程的一种标志。可以说，没有先进材料的生产及应用，就没有先 进的工业、农业、国防和科学技术的发展。当今社会，科学技术发展日新月 异，传统材料性能与应用不断拓展、各种功能性材料不断涌现，人类已步入 先进材料发展与应用的新时代。 本书由张代东、吴润主编。书中第1章由东北大学秦皇岛分校李明亚编写，第 0章、2章、第9章由太原科技大学张代东编写，第3章、第4章由武汉科技大 学吴志芳编写，第5章、第8章由辽宁工程技术大学任鑫编写，第6章、第7章 由东北大学秦皇岛分校王晓强编写，第10章由武汉科技大学吴润编写，全书 由张代东统稿。本书在编写过程中得到了北京大学出版社及童君鑫编辑的大 力支持和热情指导，得到了太原科技大学材料科学与工程学院，尤其是材料 教研室、实验室很多老师的关怀与协助，在此一并表示衷心的感谢。 由于编者水平有限，书中缺点与不妥之处必然存在，恳请读者批评指正。
晶核形成规律
吉布斯自由能，系统能量变化；均 匀形核、非均匀形核；形核功、 形核率；影响形核率的主要因 素 光滑界面、粗糙界面；垂直长大、 平面长大、缺陷长大；正温度 梯度、负温度梯度；树枝状生 长；晶粒大小的控制 表面细晶区、柱状晶区、等轴状晶 区；缩孔、疏松、气孔及夹杂 物
晶核长大规律
金属铸锭组
结晶理论的应用
a≠b≠c，α=β=γ=90o
a1=a2=a3≠c，α=β=90o， γ=120o a=b=c，α=β=γ≠90o a=b≠c，α=β=γ=90o
α-S，Fe3C
Zn，Cd，Mg As，Sb，Bi β-Sn，TiO2
立方晶系
a=b=c，α=β=γ=90o
Fe，Cr，Au，Ag， Cu
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二元合金相图建 立
常见二元合金相 图
合金相图与性能
了解相图形态与性能之间的基本关系， 合金相的力学性能和物理性能； 不同合金的加工工艺性能 注重相图在材料加工工艺中的应 用
3.1 合金相结构
• 1.基本概念 • 组元 • 组成合金最基本的、独立的物质 • 合金系 • 由给定的组元可以以不同的比例配制成一系 列成分不同的合金 • 相和相结构 • 合金中结构相同、成分和性能均一并以界面 相互分开的组成部分
•
•
绪论
• 材料是一类物质，是人类用以制造生产和生活所需物品或产品的物质。材料 的种类繁多，用途广泛，一般按材料的物理化学性能将其分为金属材料、无 机非金属材料、高分子材料和复合材料（有人将它们称之为固体材料的四大 家族）。在所有应用材料中，金属材料，尤其是钢铁，在机械制造业中应用 最为广泛，各种机械设备、交通运输工具、航空航天器械、水利水电设施、 仪器仪表产品、国防武器设备等所用材料中，金属材料占主导（约90%以上） 地位。 金属材料来源丰富，品种极多。从元素周期表看，在自然界已知所存在94种 化学元素中金属元素占了72种（人造元素除外），像铝、铁、钙、钠、钾、 镁、铜等金属元素在地壳中含量较大，通过冶炼等手段可获得它们的单质固 体材料（称作纯金属如纯铜、纯铁、纯铝等）或以它们为主体的不同成分的 固体材料（称作合金如青铜、合金钢、硬铝等）。金属材料之所以能够对人 类文明发挥重要的作用，一方面是由于其本身具有比其它材料优良的使用性 能和加工工艺性能，可通过各种加工手段制成各种形状、尺寸、粗糙度和不 同性能要求的零件和工具，以满足社会生产和生活的各种需要；另一方面， 是它那始终蕴藏着在性能方面以及数量和质量方面的巨大潜在能力，可供随 时挖掘，因而能够随着日益增长的名目繁多的要求，而不断地更新和发展。
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2.金属特性 延展性 导电性 正的电阻温度系数 导热性 金属光泽
1.2 金属晶体学基础
• 1.空间点阵 三斜晶系 • 空间点阵和晶胞 • 14种布拉菲点阵 单斜晶系
正交晶系
六方晶系 菱方晶系 四方晶系 晶系名称 点阵常数间的关系和特点 a≠b≠c，α≠β≠γ≠90o a≠b≠c，α=γ=90o≠β 实 例 K2CrO7 β-S，CaSO4·H2O
• • • •
2.合金固溶体及类型 分类 置换固溶体 间隙固溶体
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3.金属化合物（中间相） 正常价化合物 电子化合物 原子尺寸因素化合物 间隙相 间隙化合物 拓扑密堆相
• 表格
间隙相 类型 熔点/℃ 硬度HV NbC 3770±12 5 2050 W2C 3130 WC 2867 1730 Mo2C 2960±50 1480
N Ke

G RT
e

Q RT
1 G S 3
• 2.非均匀形核 • 临界形核半径和形核功 • 形核率
aB cos LB aL
3 2 3cos cos3 16 aL G 4 3(GV )3 非
LB aB aL cos
金属晶体学基础
金属晶体缺陷
了解实际金属晶体与理 想晶体的区别，掌握三 种缺陷类型和特征
单晶体、多晶体，点缺陷类型、 平衡浓度，位错类型、密度、 柏氏矢量，晶界、孪晶界、亚 晶界、相界、表面、界面能
1.1 金属键与金属特性
• • • • • • • 1.键合方式 金属键 离子键 共价键 分子键 氢键 不同键合的结合特性
结构类型
面心立方
Ti2H、Zr2H、Fe2N、Cr2N、V2N、 密排六方 Mn2C、W2C、Mo2C TaC、TiC、ZrC、VC、ZrN、VN、 面心立方 TiN、CrN、ZrH、TiH TaH、NbH WC、MoN 体心立方 简单六方
图3-6 拓扑密堆相中的配位多面体
MX2
TiH2、ThH2、ZnH2
• 1.相图的测定方法
• • • • ① 首先配制一系列不同成分的同一合金系。 ② 将合金熔化后，分别测出它们的冷却曲线。 ③ 根据冷却曲线上的转折点确定各合金的状态变化温度。 ④ 将上述数据引入以温度（℃）为纵轴、成分（质量百 分比为单位）为横轴的坐标平面中。 • ⑤ 连接意义相同的点，作出相应的曲线，标明各区域所 存在的相。便得到合金系相图。
面心立方
3.2 液态合金固化（二元合金的凝固 理论）
• • • • • 1.合金凝固时溶质的分配 液体中溶质完全混合的情况 液体中溶质仅借扩散而混合的情况 液体中溶质部分混合的情况 区域熔炼
• • • • • •
2.成分过冷 概念 临界条件 影响因素 晶体生长形状 铸锭组织
3.3 二元合金相图的建立
2.晶向指数与晶面指数 晶向指数 晶面指数 六方晶系的晶向指数与晶面指数 晶带与晶带定理 晶面间距 晶面夹角
• • • •
3.典型金属晶体结构 三种典型的金属晶体结构 晶体中原子的堆垛方式 晶体结构中的间隙
1.3 实际金属晶体结构
• • • • 1.单晶体与多晶体 单晶体 多晶体 晶体的各向异性
3.线缺陷 位错的类型 位错密度 柏氏矢量 位错的易动性 位错对材料性能的影响
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4.面缺陷 晶界与亚晶界 孪晶界 相界 表面
孪晶面
非共格孪晶面
第2章 金属的结晶
• 【本章教学要点】
知识要点 结晶基本概念 掌握程度 理解结晶与凝固之间的关系；掌握 过冷度、自由能、结构起伏的 概念；理解冷却曲线和自由能 变化曲线 比较均匀形核与非均匀形核的变化 规律；计算临界形核半径和临 界形核功，了解影响形核率的 主要因素； 理解固液界面微观结构，了解晶核 长大机制，掌握金属晶核长大 主要特征和控制晶粒大小的主 要因素 了解三晶区形成特点和性能特点， 掌握控制三晶区的方法；了解 铸锭常见缺陷和形成原因 相关知识 结晶概念；结构起伏、能量起伏； 热力学定律
2 3cos cos3 1 2 4 r非 aL 3 4
3 16 aL Tm 2 1 2 3cos cos3 4 3Lm 2 T 2
2.3 晶核长大规律
• 1.液固界面的微观结构 • 光滑界面 • 粗糙界面
熟悉定向凝固和急冷凝固技术；了 定向凝固技术：柱状晶、单晶技术； 解柱状晶、单晶、微晶、非晶、 急冷凝固技术：微晶和纳米晶、 准晶的形成及基本特征 非晶、准晶技术
2.1 结晶的基本概念
• 1.晶核形成与晶核长大
• • • •
2.结晶的条件 过冷度 自由能 结构起伏
2.2 晶核形成规律
• • • • 1.均匀形核 形核时的能量变化 临界形核半径和临界形核功 形核率
2.5 结晶理论的拓展与应用
• 1.定向凝固技术 • 柱状晶技术 • 单晶技术
• • • •
2.急冷凝固技术 微晶和纳米晶金属 非晶态金属 准晶态金属
Tg Tm Tg
第3章 合金相结构与二元合金相图
• 【本章教学要点】
知识要点 合金相结构 掌握程度 理解合金相结构基本概念，掌握置换 固溶体和间隙固溶体主要特点； 掌握金属化合物的形成条件与性 能特征 掌握溶质分配和成分过冷理论；熟悉 二元合金相图测定方法，理解相 律及应用相律分析相图，掌握二 元相图杠杆定律 了解二元相图基本类型，着重熟悉二 元匀晶、共晶、包晶相图形态特 征，掌握二元合金平衡和非平衡 结晶分析；注重成分偏析概念的 学习 相关知识 合金系、组元、相、相结构； 合金固溶体类型、溶解度、 电负性、电子浓度；中间相 合金的溶质分配；成分过冷条 件；热分析法建立二元合金 相图；相律，杠杆定律 二元匀晶相图；二元共晶相图； 二元包晶相图；其它二元合 金相图；平衡结晶、非平衡 结晶、伪共晶，成分偏析