《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：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

neuCeAexpkT N2．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=b Fd=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、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

dpH dTTV

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－Ab1 Ao1－Ab1

Aa2－Ab2 Ao2－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 1．相图分析

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

2rk=Gv

142322()Gv4()3GvGvAk==3Skσ

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

（JA）dx物质流出速率＝J2A＝J1A＋x

J

物质积存速率＝J1A －J2A＝－xAdx

CAdx 积存速率又可写为t（2分）

JCCJAdxAdxxt故＝－，即t＝－x

dC将扩散第一定律：J＝－Ddx代入，得： CC(D)t＝xx

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

S0r0

SE0r0

 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 加工硬化

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