下载文档原格式
第一章：结晶学基础一、晶体的基本概念晶体：晶体是内部质点在三维空间按周期性重复排列的固体。
晶胞：是指晶体结构中的平行六面体单位，其形状大小与对应的空间格子中的平行六面体一致。
晶体的基本性质：晶体均一性、各向异性、自限性、对称性、最想内能性。
等同点：晶体结构中物质环境和几何环境完全相同的点。
空间格子：联结分布在三维空间内的结点就构成了空间格子。
单位平行六面体：在空间格子中，所选取的平行六面体的对称性符合整个空间点阵的对称性；棱与棱之间的直角应力求最多；在遵循上两个条件的前提下，所选取的平行六面体的体积应最小。
考虑到对称性不能为直角时，选结点间距最小的行列做平行六面体的棱，棱间交角接近直角。
按照上述选择原则选取的平行六面体称为单位平行六面体。
点群（对称型）：结晶多面体中全部对称要素的组合，称为该结晶多面体的对称型。
由于在结晶多面体中，全部对称要素相交于一点（晶体几何中心），在进行对称操作时该点不移动，所以对称型也称为点群。
平移群：晶体结构中所有平移轴的结合。
空间群：在一个晶体结构中所存在的一切对称要素的集合。
二、晶体的对称要素对称中心（符号C）:假想的几何点，相应的对称变换是对于这个点的倒反。
对称面（符号P）:假想的平面，相应的对称变换是对此平面的反映。
对称轴（符号L n）:假想的直线，相应的对称变换是绕此直线的旋转。
倒转轴（符号L i n）:一种复合对称要素，由一根假想的直线和此直线上的一个定点构成。
相应的对称变换是绕此直线旋转一定角度以及对此定点的倒反。
映转轴（符号L s n）:一种复合对称要素，由一根假想的直线和垂直此直线的一个平面构成。
相应的对称变换是绕此直线旋转一定角度以及对此平面的反映。
三、晶体的对称分类七个晶系包括：三斜晶系、单斜晶系、正交（斜方）、三方晶系、四方（正方）晶系、六方晶系和等轴（立方）晶系四、各晶系的几何常数五、结晶符号1、晶面符号（米氏符号也称晶面符号）：（hkl）表示2、晶棱符号：：［uvw］表示六、晶体的微观对称要素（1）平移轴：是一直线方向，相应的对称变换为沿此直线方向平移一定的距离。
第一章材料中的原子排列第一节原子的结合方式1 原子结构2 原子结合键（1）离子键与离子晶体原子结合：电子转移，结合力大，无方向性和饱和性；离子晶体；硬度高，脆性大，熔点高、导电性差。
如氧化物陶瓷。
（2）共价键与原子晶体原子结合：电子共用，结合力大，有方向性和饱和性；原子晶体：强度高、硬度高（金刚石）、熔点高、脆性大、导电性差。
如高分子材料。
（3）金属键与金属晶体原子结合：电子逸出共有，结合力较大，无方向性和饱和性；金属晶体：导电性、导热性、延展性好，熔点较高。
如金属。
金属键：依靠正离子与构成电子气的自由电子之间的静电引力而使诸原子结合到一起的方式。
（3）分子键与分子晶体原子结合：电子云偏移，结合力很小，无方向性和饱和性。
分子晶体：熔点低，硬度低。
如高分子材料。
氢键：（离子结合）X-H---Y（氢键结合），有方向性，如O-H—O（4）混合键。
如复合材料。
3 结合键分类（1）一次键（化学键）：金属键、共价键、离子键。
（2）二次键（物理键）：分子键和氢键。
4 原子的排列方式（1）晶体：原子在三维空间内的周期性规则排列。
长程有序，各向异性。
（2）非晶体：――――――――――不规则排列。
长程无序，各向同性。
第二节原子的规则排列一晶体学基础1 空间点阵与晶体结构（1）空间点阵：由几何点做周期性的规则排列所形成的三维阵列。
图1-5特征：a 原子的理想排列；b 有14种。
其中：空间点阵中的点－阵点。
它是纯粹的几何点，各点周围环境相同。
描述晶体中原子排列规律的空间格架称之为晶格。
空间点阵中最小的几何单元称之为晶胞。
（2）晶体结构：原子、离子或原子团按照空间点阵的实际排列。
特征：a 可能存在局部缺陷；b 可有无限多种。
2 晶胞图1－6（1）――－：构成空间点阵的最基本单元。
（2）选取原则：a 能够充分反映空间点阵的对称性；b 相等的棱和角的数目最多；c 具有尽可能多的直角；d 体积最小。
（3）形状和大小有三个棱边的长度a,b,c及其夹角α,β,γ表示。
《材料科学基础教案》PPT课件第一章：材料科学导论1.1 材料科学的定义和发展历程1.2 材料的分类和特性1.3 材料科学的研究内容和方法1.4 材料科学在工程中的应用第二章：材料的力学性能2.1 弹性、塑性和脆性2.2 材料的强度、硬度和韧性2.3 材料的热膨胀和导热性2.4 材料的疲劳和腐蚀性能第三章：材料的结构3.1 原子结构与元素的电子配置3.2 金属晶体结构3.3 非金属晶体结构3.4 材料的微观结构与宏观性能的关系第四章：材料的热处理和加工4.1 材料的热处理工艺和性能4.2 金属的铸造、焊接和热轧4.3 非金属材料的加工方法4.4 新型材料的加工技术和应用第五章：材料的选择与应用5.1 材料的选用原则和标准5.2 工程常用金属材料的选择与应用5.3 常用非金属材料的选择与应用5.4 新型材料在工程中的应用案例分析第六章：金属的腐蚀与防护6.1 金属腐蚀的基本类型和机理6.2 金属腐蚀的影响因素6.3 金属的腐蚀防护方法6.4 实例分析：金属腐蚀与防护的应用第七章：陶瓷材料7.1 陶瓷材料的定义和特性7.2 陶瓷材料的制备方法7.3 陶瓷材料的分类与应用7.4 先进陶瓷材料的最新发展第八章：高分子材料8.1 高分子材料的定义和结构8.2 高分子材料的制备方法8.3 高分子材料的性能与应用8.4 生物基高分子材料和可持续发展的关系第九章：复合材料9.1 复合材料的定义和特点9.2 复合材料的制备方法9.3 常见复合材料的类型与应用9.4 复合材料在航空航天和汽车工业中的应用第十章：纳米材料10.1 纳米材料的定义和特性10.2 纳米材料的制备方法10.3 纳米材料的应用领域10.4 纳米材料的发展趋势和挑战重点和难点解析重点一：材料科学的定义和发展历程解析：理解材料科学的定义是掌握整个学科的基础，对材料科学的发展历程有一个全面的了解，能够帮助我们更好地理解其在不同历史阶段的重要性。
重点二：材料的分类和特性解析：材料的分类是理解不同材料性质的基础，而特性则是材料应用的关键。
材料科学基础（第三版）第1章原子结构与键合1.1 原子结构1.1.1 物质的组成1.1.2 原子的结构1.1.3 原子的电子结构1.1.4 元素周期表1.2 原子间的键合1.2.1 金属键1.2.2 离子键1.2.3 共价键1.2.4 范德瓦耳斯力1.2.5 氢键1.3 高分子链1.3.1 高分子链的近程结构1.3.2 高分子链的远程结构第2章固体结构2.1 晶体学基础2.1.1 空间点阵和晶胞2.1.2 晶向指数和晶面指数2.1.3 晶体的对称性2.1.4 极射投影2.1.5 倒易点阵2.2 金属的晶体结构2.2.1 三种典型的金属晶体结构2.2.2 晶体的原子堆垛方式和间隙2.2.3 多晶型性2.3 合金相结构2.3.1 固溶体2.3.2 中间相2.4 离子晶体结构2.4.1 离子晶体的结构规则2.4.2 典型的离子晶体结构2.4.3 硅酸盐的晶体结构2.5 共价晶体结构2.6 聚合物的晶态结构2.6.1 聚合物的晶体形态2.6.2 聚合物晶态结构的模型2.6.3 聚合物晶体的晶胞结构2.7 准晶态结构2.8 液晶态结构2.8.1 液晶的分子结构特征与分类2.8.2 液晶的结构2.9 非晶态结构第3章晶体缺陷3.1 点缺陷3.1.1 点缺陷的形成3.1.2 点缺陷的平衡浓度3.1.3 点缺陷的运动3.2 位错3.2.1 位错的基本类型和特征3.2.2 伯氏矢量3.2.3 位错的运动3.2.4 位错的弹性性质3.2.5 位错的生成和增殖3.2.6 实际晶体结构中的位错3.3 表面及界面3.3.1 外表面3.3.2 晶界和亚晶界3.3.3 孪晶界3.3.4 相界第4章固体中原子及分子的运动4.1 表象理论4.1.1 菲克第一定律4.1.2 菲克第二定律4.1.3 扩散方程的解4.1.4 置换型固溶体中的扩散4.1.5 扩散系数D与浓度相关时的求解4.2 扩散的热力学分析4.3 扩散的原子理论4.3.1 扩散机制4.3.2 原子跳跃和扩散系数4.4 扩散激活能4.5 无规则行走与扩散距离4.6 影响扩散的因素4.7 反应扩散4.8 离子晶体中的扩散4.9 高分子的分子运动4.9.1 分子链运动的起因及其柔顺性4.9.2 分子的运动方式及其结构影响因素4.9.3 高分子不同力学状态的分子运动解说第5章材料的形变和再结晶5.1 弹性和黏弹性5.1.1 弹性变形的本质5.1.2 弹性变形的特征和弹性模量5.1.3 弹性的不完整性5.1.4 黏弹性5.2 晶体的塑性变形5.2.1 单晶体的塑性变形5.2.2 多晶体的塑性变形5.2.3 合金的塑性变形5.2.4 塑性变形对材料组织与性能的影响5.3 回复和再结晶5.3.1 冷变形金属在加热时的组织与性能变化5.3.2 回复5.3.3 再结晶5.3.4 晶粒长大5.3.5 再结晶退火后的组织.5.4 热变形与动态回复、再结晶5.4.1 动态回复与动态再结晶5.4.2 热加工对组织性能的影响5.4.3 蠕变5.4.4 超塑性5.5 陶瓷材料变形的特点5.6 高聚物的变形特点第6章单组元相图及纯晶体的凝固6.1 单元系相变的热力学及相平衡6.1.1 相平衡条件和相律6.1.2 单元系相图6.2 纯晶体的凝固6.2.1 液态结构6.2.2 晶体凝固的热力学条件6.2.3 形核6.2.4 晶体长大6.2.5 结晶动力学及凝固组织6.2.6 凝固理论的应用举例6.3 气-固相变与薄膜生长6.3.1 蒸气压6.3.2 蒸发和凝聚的热力学条件6.3.3 气体分子的平均自由程6.3.4 形核6.3.5 薄膜的生长方式6.3.6 应用举例(巨磁电阻多层膜和颗粒膜) 6.4 高分子的结晶特征第7章二元系相图和合金的凝固与制备原理7.1 相图的表示和测定方法7.2 相图热力学的基本要点7.2.1 固溶体的自由能-成分曲线7.2.2 多相平衡的公切线原理7.2.3 混合物的自由能和杠杆法则7.2.4 从自由能-成分曲线推测相图7.2.5 二元相图的几何规律7.3 二元相图分析7.3.1 匀晶相图和固溶体凝固7.3.2 共晶相图及其合金凝固7.3.3 包晶相图及其合金凝固7.3.4 溶混间隙相图与调幅分解7.3.5 其他类型的二元相图7.3.6 复杂二元相图的分析方法7.3.7 根据相图推测合金的性能7.3.8 二元相图实例分析7.4 二元合金的凝固理论7.4.1 固溶体的凝固理论7.4.2 共晶凝固理论7.4.3 合金铸锭(件)的组织与缺陷7.4.4 合金的铸造和二次加工7.5 高分子合金概述7.5.1 高分子合金的相容性7.5.2 高分子体系的相图及测定方法7.5.3 高分子合金的制备方法7.5.4 高分子合金的形态结构7.5.5 高分子合金性能与组元的一般关系7.5.6 高分子及其合金的主要类型7.6 陶瓷合金概述7.6.1 陶瓷粉体的合成7.6.2 陶瓷粉体的成型和烧结7.6.3 玻璃的制备7.6.4 陶瓷材料的性能第8章三元相图8.1 三元相图的基础8.1.1 三元相图成分表示方法8.1.2 三元相图的空间模型8.1.3 三元相图的截面图和投影图8.1.4 三元相图中的杠杆定律及重心定律8.2 固态互不溶解的三元共晶相图8.3 固态有限互溶的三元共晶相图8.4 两个共晶型二元系和一个匀晶型二元系构成的三元相图8.5 包共晶型三元系相图8.6 具有四相平衡包晶转变的三元系相图8.7 形成稳定化合物的三元系相图8.8 三元相图举例8.9 三元相图小结第9章材料的亚稳态9.1 纳米晶材料9.1.1 纳米晶材料的结构9.1.2 纳米晶材料的性能9.1.3 纳米晶材料的形成9.1.4 纳米碳管简介9.2 准晶态9.2.1 准晶的结构9.2.2 准晶的形成9.2.3 准晶的性能……第10章材料的功能特性中英对照的关键词参考文献。
第十章目录第一节固态相变的特点及分类第二节相变热力学第三节相变动力学第四节过饱和固溶体的分解转变第五节钢的加热转变第六节钢在冷却时的转变第七节钢的退火与正火处理第八节钢的淬火第九节钢的回火第十节钢的表面热处理小结第十章固态相变及材料热处理固态相变—固态物质内部发生的组织结构变化。
1.晶体结构的变化,如纯金属的同素异构转变、马氏体相变。
2.化学成分的变化,如单相固溶体的调幅分解,其特点是只有成分转变而无相结构的变化。
3.有序程度的变化,如合金的有序化转变,即点阵中原子的配位发生变化,以及与电子结构变化相关的转变(磁性转变、超导转变等）。
固态相变是材料热处理的基础。
第一节固态相变的特点及分类一、固态相变的特点1、相界面按其结构特点可分为共格界面、半共格（部分共格）界面和非共格界面三种，如图10-13．位向关系2．应变能固态相变时，由于新相与母相的比体积不同，使新相形成时发生的体积变化受母相的约束而引起弹性畸变，产生应变能.3.位向关系为了减少界面能,新相与母相之间往往存在一定的晶体学关系.通常是以原子密度大而彼此匹配较好的低指数晶面互相平行.4．惯析面固态相变时,新相往往在母相的一定晶面开始形成,这个晶面称为惯析面.6．原子扩散5.晶体缺陷的影响晶体缺陷对固态相变有促进作用（非均匀形核）。
新相晶核常常优先在母相的晶体缺陷(晶界、位错、空位)处形成。
6.原子扩散在很多情况下，新相与母相的成分不同，相变时必须通过组元的扩散才能进行。
此时扩散成为相变的控制因素。
7.过渡相(中间亚稳相)的形成相变过程可以写成：母相—较不稳定过渡相—较稳定过渡相—稳定相固态相变根据具体条件分阶段进行的规律，称为相变阶段规则。
二、固态相变的分类二、固态相变的分类1．一级相变与二级相变（按热力学分类）一级相变二级相变没有相变潜热和体积变化有比热容、压缩系数和膨胀系数的变化2．扩散相变和非扩散相变（按动力学分类）扩散相变有原子的扩散运动，相变前后有成分改变如：过饱和固溶体的分解转变，钢的共析转变非扩散相变没有原子扩散和成分改变，相结构的改变依靠共格切变完成如马氏体相变半扩散相变原子只作短程扩散如贝氏体转变T T P P P P T T⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂≠⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂≠⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂=212121μμμμμμV P S T TP =⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂-=⎪⎭⎫ ⎝⎛∂∂μμ第二节相变热力学一、形核的条件(均匀形核）（1）化学自由能单位体积的化学自由能△gv ，生成新相的体积V ，总的化学自由能变化V △gv（2）界面能单位面积界面能σ，生成新相晶核的界面面积S ，总的界面能S σ（3）应变能单位体积的应变能ε，总的应变能V ε固态相变时，系统自由能总的变化：△G =-V △gv +S σ+ V ε临界晶核半径形核功εσ-∆=V g r 2*2*)(316επσ-∆=∆V g G二、化学自由能（体积自由能）-相变驱动力1．相变驱动力与温度的关系2．相变时成分变化与相变驱动力的关系三、界面能1.共格界面<半共格界面<非共格界面半共格界面上位错的间距与错配度有关δδαβ=D αβαδa a a -=D 2.若小，相对值大，生成界面能小的共格亚稳相；若大，相对值小，易于非共格形核。
*r s σ*rs σ四、应变能四、应变能1．共格应变能错配度大,共格应变能大2．比体积应变能与比体积差、弹性模量有关外，还与新相的几何形状有关片状应变能最小，比体积差大，↓应变能球状应变能最大，比体积差小，↓界面能针状应变能居中δ1<<a c 1≈a c五、晶体缺陷的作用（非均匀形核）系统自由能总的变化：△G=-V△gv+Sσ+ Vε-△G B 1．晶界形核⑴晶界具有较高能量，↓形核功⑵结构疏松，弹性应变易被松弛⑶易于原子扩散⑷溶质偏析，易满足成分起伏2．位错线上生核⑴位错消失，释放出能量，↓形核功⑵若不消失↓形成相界面所需的能量，阻力↓⑶柯氏气团，铃木气团，提供了成分起伏的条件⑷有时层错处可作为形核的位置⑸易于扩散，对扩散型相变有利3．空位的作用⑴促进原子扩散⑵空位具有能量，生核，空位消失，相当于增加了相变驱动力⑶溶质原子富集，有利于形核第三节相变动力学(扩散型相变）一、生核速率)/exp()/exp(*KT Q KT G k I -∙∆-=形核功影响因子扩散影响因子二、新相长大速率1.界面控制长大—无成分改变，只要紧邻相界的母相原子作近程扩散越过相界，新相即长大。
新相长大速率u受相变驱动力△G和扩散系数D两个因素控制。
2.扩散控制长大x C C C D dt dx u ∂∂∙-==)(αβdx C C dt dx dC D )(αβ-=三、新相形成的体积速度和综合动力学曲线新相形成的体积速率：在一定过冷度下已发生相变的体积分数与时间的关系。
转变量-时间曲线将不同温度的相变动力学曲线整理在温度-时间坐标中，得到等温转变综合动力学曲线-TTT曲线第四节过饱和固溶体的分解转变一、过饱和固溶体的时效固溶处理→过饱和固溶体单相组织时效：过饱和固溶体在室温或稍高温度下保持，将发生新相析出的分解转变，或称脱溶。
Al-4%Cu 平衡组织：α+θ(CuAl)2固溶处理: α时效自然时效室温放置人工时效加热保温脱溶过程:α0→α1+GP区→α2+θ″→α3+θ′→α4+θθ相的析出分四个阶段结构发生变化→性能也随之改变1．时效过程中的结构变化⑴GP区溶质原子富集区（富Cu区）结构与基体同，与基体共格，引起基体的共格应变，产生应变能⑵θ″相亚稳过渡相正方晶型a=b≠c成分接近θ与基体共格，引起更大的共格应变⑶θ′相过渡相正方点阵c异成分等于CuAl2半共格，应变能减小7．过渡相（中间亚稳相）的形成—相变阶段规则⑷θ相平衡相CuAl 2正方点阵非共格界面2．过饱和固溶体分解的热力学和动力学(1)脱溶的热力学分析(2)脱溶的动力学分析3脱溶相的粗化4．析出硬化（时效强化）概念：过饱和固溶体进行时效，随时效时间的延长，强度、硬度升高的现象α0→α1+GP区→α2+θ″→α3+θ′→α4+θ时效强化最大过时效软化5．回归现象合金在时效强化后，加热到稍高的温度短时保温迅速冷却，时效硬化效果会立即消失，硬度又恢复到刚固溶处理时的状态。
二、调幅分解1．调幅分解概念：由一种固溶体分解为结构与母相相同而成分不同的两种固溶体，溶质原子将自发的发生上坡扩散，分解产物只有贫溶质区和富溶质区，均匀的固溶体将出现成分调幅的结构，称为调幅分解。
调幅分解的热力学条件：~x s2之间合金成分在xs1第二个条件：溶质原子可以进行扩散2．调幅组织第五节钢的加热转变热处理的一般过程保温温度/℃时间热处理与铁碳相图平衡临界点A1（PSK线）A3（GS线）Acm（ES线）实际加热时Ac1 Ac3Accm实际冷却时Ar1 Ar3Arcm一、奥氏体的形成钢加热到临界点A以上，形成奥氏体的过程称为奥氏体化。
C11. 共析钢的奥氏体化α + Fe3C →γ含碳量0.0218% 6.69% 0.77%晶体结构体心立方复杂斜方面心立方奥氏体化过程是铁的晶格重组和碳原子重新分布的过程。
奥氏体形核、长大、残余FeC溶解、奥氏体成分均匀化3一、奥氏体的形成2．共析钢的奥氏体形成动力学亚：AC1 ~ AC3> AC3P+F → A+F → A过：AC1 ~ ACCm> ACCmP+Fe3CⅡ→A+Fe3CⅡ→A3．非共析钢的奥氏体形成4．合金元素与原始组织对奥氏体化的影响4.合金元素与原始组织对奥氏体化的影响（1）合金元素的影响Cr 、Mo 、W 、V 、Ti 等碳化物形成元素，能显著地减少碳在奥氏体中的扩散速度，因而减慢奥氏体化的形成速率；非碳化物形成元素Ni 、Co 等，则加快碳的扩散，使奥氏体化的速率变快；Si 、Al 、Mn 等对碳原子的扩散影响不大，对奥氏体化速率也影响不大。
（2）原始组织的影响原始组织中碳化物越弥散,铁素体与碳化物的界面越大,碳原子的扩散距离越小,越有利于奥氏体的生核和长大,加快奥氏体化的速率。
二、奥氏体晶粒的长大二、奥氏体晶粒的大小1．奥氏体晶粒的长大及奥氏体晶粒度奥氏体的三种晶粒度起始晶粒度刚刚完成奥氏体化的晶粒大小实际晶粒度在某一具体的加热条件下获得的晶粒大小本质晶粒度钢在规定加热条件下（加热到930+-10℃，保温3～8h）的奥氏体晶粒长大倾向性。
本质细晶粒钢本质粗晶粒钢2．影响奥氏体晶粒度的因素2.影响奥氏体晶粒度的因素（1）加热温度和时间的影响加热温度升高,保温时间延长,A 粗化（2）加热速度的影响加热速度快,A 细（3）合金元素的影响✹碳: Wc↑,A 粗，但有未溶Fe 3C 存在时，阻碍A 长大。
✹合金元素：除Mn 和P 都会阻碍A 长大。
3．奥氏体晶粒度对性能的影响三、加热缺陷三、加热缺陷自学第六节钢在冷却时的转变加热>Ac 1冷却<A 1钢奥氏体过冷奥氏体转变过冷奥氏体等温冷却转变曲线（C 曲线）过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT 曲线）温度时间12两种冷却方式1——等温冷却2——连续冷却A 1共析碳钢C 曲线的建立过程一、共析钢的过冷奥氏体转变过冷奥氏体等温冷却转变曲线共析碳钢C 曲线分析A 1MsA→P A→B A→M 温度/℃时间/s550奥氏体过冷奥氏体M f 珠光体转变贝氏体转变马氏体转变过渡区转变产物区过冷奥氏体连续冷却转变曲线（CCT曲线）共析钢CCT曲线分析CCT与C曲线比较珠光体转变及其组织形态与性能(A1～550℃，高温转变或扩散型相变)片状P与球化体力学性能对比片状P与球化体切削性能比较二、非共析钢过冷奥氏体分解转变。
