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材料科学基础第三章

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材料科学基础第三章-孪生微观方面

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)

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

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

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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

《材料科学基础》 第03章 晶体缺陷

《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

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：

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。
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材料科学基础大作业——第3章凝固
2015年 月 日
班级： 姓名： 学号： 分数：
一、解释下列概念及术语：
1、结晶
2、过冷度
3、相起伏
4、均匀形核
5、晶粒度
6、形核率
7、形核功
8、枝晶偏析
9、成分过冷
10、临界形核半径
二、填空题
1. 过冷度的大小与金属的本性、纯度和冷却速度有关。

金属不同，过冷度大小 同；金属的纯度越高，过冷度越 ；金属及其纯度确定后，过冷度大小主要取决于冷却速度，冷却速度越大，过冷度越 。

2. 金属和非金属，在结晶时均遵循相同的规律，即结晶过程是 和 的过程。

3. 根据热力学条件，金属发生结晶的驱动力为液态金属和固相金属的 之差。

此差值与过冷度呈 比。

4.液态金属的晶胚能否形成晶核，主要取决于晶胚半径是否达到了临界形核半径的要求。

此半径与过冷度呈 比。

5. 均匀形核时，过冷度△T 和理论结晶温度T m 之间的关系为 。

形核功△G k 与过冷度△T 的平方呈 比，即过冷度越大，形核功越 。

6. 形核率可用12N N N ⋅
=表示，其中N 1为受 影响的形核率因子，N 2为受 影响的形核率因子。

7. 工业生产中，液态金属的结晶总是以 形核方式进行，其所需过冷度一般不超过 ℃。

8. 决定晶体长大方式和长大速度的主要因素是晶核的 和其前沿液体中的 。

9. 光滑界面又称为 界面，粗糙界面又称为 界面，其杰克逊因子α值范围分别为 和 。

10.晶体长大方式主要为 长大机制、 长大机制和 长大机制。

其中，大部分金属均以 长大机制进行。

11.在正的温度梯度下，光滑界面的界面形态呈 状；粗糙界面的界面形态为 界面。

在负的温度梯度下，一般金属和半金属的界面都呈 状。

杰克逊因子α值较高的物质保持 界面形态。

12、金属结晶后晶粒内部的成分不均匀现象叫 ；因初晶相与剩余液相比重不同而造成的偏析叫 。

三、判断题
1. 所谓临界晶核就是体系自由能的减少完全补偿表能自由能增加时的晶胚大小。

（ ）
2. 在液态金属中，凡是涌现出小于临界晶核半径的晶胚都不能成核，但是只要有足够的能量起伏提供形核功，还是可以形核。

（ ）
3. 只有过冷液体中的相起伏才能成为晶胚。

（ ）
4. 临界过冷度为结晶的最小过冷度，即只有k T T ∆>∆结晶过程才能进行。

（ ）
5. 晶核的形成过程是原子的扩散迁移过程，因此结晶必须在一定的温度下进行。

（ ）
6. 具有光滑界面的金属化合物、非金属或半金属等，其晶核长大速度均很慢，所需过冷度大。

（ ）
7. 铸造生产中，作为形核剂的物质，其熔点必须高于该结晶物质的熔点，且二者在结构上要满足点阵匹配原理。

（ ）
8、纯金属与固溶体合金的结晶方式是相同的。

（ ）
四、问答题
1、什么是过冷度？为什么金属结晶一定要有过冷度？
2、简述铸锭三个晶区的形成机理。

用什么措施能使柱状晶区更发达？用什么方
法可使中心等轴区扩大？
3、细化金属铸件晶粒的方法有哪些？说明其基本原理？
4、什么是成分过冷？说明成分过冷对金属凝固时的生长形态的影响？
5、如果临界晶核是边长为a 的正方体，试求出其△G k 与a 的关系。

为什么形成立方体晶核的△G k 比球形晶核要大？（16分）。